密度调控对鲁北黄泛平原区人工林土壤物理性质及植物多样性的影响

王立超, 夏江宝, 赵玉尧, 陈 萍

(1.滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 山东 滨州 256603;2.山东农业大学 林学院 泰山森林生态系统国家定位观测研究站 黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室, 山东 泰安 271018; 3.利津县王庄沙区林场建设发展服务中心, 山东 东营257400)

鲁北黄泛平原地区长期遭受风沙和水土流失的危害[1]，自20世纪50—60年代起，该地区陆续营造了大量的人工防护林[2]。这些人工防护林在防风固沙和水土保持方面曾经发挥了巨大作用，但由于不少人工防护林种植密度不合理，导致林木生长不良，林木间竞争激烈，出现林高生长停滞，林地植被稀少等问题[3]，最终影响了防护林的综合效益的发挥。目前关于林分密度调控对人工林的影响，在北方主要集中于杉木人工林[4-5]、松树人工林[6-7]，且大多研究密度调控对其林木本身生长[8-9]及林地土壤养分[10-11]、植被多样性[12-13]、土壤化学性质[14-15]的影响，但林分密度调控对于其林地土壤物理性质的研究相对较少且其关系不明确。林分密度调控是通过改变林木所占空间[16]，间接控制光线和水分截留[17]，影响林下植被生长和土壤性质；林地土壤物理性质变化可直接反映林分密度对其土壤产生的影响[18]。侯磊等[19]研究表明，高林分密度的林地双子叶植物科数目减小，优势种为忍冬科；中林分密度的单子叶植物数目最少，优势种为菊科；中、高林分密度不利于土壤质量提升，应采取间伐抚育措施；低林分密度的优势种为豆科和蔷薇科；灌木层和草本层生物量随林分密度的增大而减小，利于土壤质量提升。因此林分密度调控对于人工林生长以及林地植物生长及土壤物理性质的研究具有重要意义，然而涉及黄泛区人工林分密度调控对其林下植被多样性的研究较少[20]。

本研究以王庄沙区林场初始立地条件相同的白蜡、旱柳、白榆3种8 a林龄的人工林为研究对象，探究不同林分密度(3 m×3 m，3 m×6 m)对各林分土壤物理性质和林下植物多样性的影响，旨在为黄泛平原区人工林的林分密度调控对优化林分生长、改良土壤物理性质和增加林下植被多样性的作用研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东营市利津县王庄沙区林场(118°16′01″— 118°18′20″E，37°34′08″—37°35′52″N)，地处华北坳陷带，属暖温带半湿润季风气候，海拔8～9 m。年平均气温13.3 ℃，极端高温39.9 ℃，极端低温-20.2 ℃；年均日照2 834.7 h，年平均降雨量526.2 mm；无霜期平均为215 d，四季分明。土壤为潮土土类，质地以沙质土为主，土壤机械组成为砂粒∶粉粒∶黏粒=60%∶30%∶10%，含盐量<1.5‰，pH值7.5～8.0。主要造林树种为白蜡(Fraxinuschinensis)、白榆(Ulmuspumila)、旱柳(Salixmatsudana)，林地草本植物以蒺藜(Tribulusterrester)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)等为主。

1.2 样地设置

于2020年9月5日至9月10日，在8 a林龄的白蜡、白榆、旱柳3种人工林内，分别选取2018年1月林分密度调控(MT)的3块重复标准样地(林分密度均为3 m×6 m)；同时，在上述3种人工林内，分别选取3块未密度调控(林分密度为3 m×3 m)的标准样地为对照样地(CK)(见表1)。所有标准样地面积均为20 m×20 m，共计18块，并在每块标准样地内随机选择5个1 m×1 m样方，用于林下植被调查。

表1 鲁北黄泛平原区样地概况

1.3 土壤样品采集及测定

以“S”型取样法对各人工林标准地进行取样，选取大致均匀分布的5个样点，每个样点分别采取0—20，20—40 cm土壤，采用烘干法[21]测定土壤含水量，利用环刀法[21]测定土壤容重、土壤孔隙度及饱和持水量和毛管持水量。

1.4 植物样品采集及生物量测定

在每块标准样地内随机设置5个1 m×1 m样方，对林下植被种类、株数、冠幅、盖度进行记录；调查结束后将样方内所有植物地上部分进行收割，测定其鲜重并带回实验室进行后续分析。

林下植物生物量测定采用“烘干法”，即将植物放置烘箱，于105 ℃下杀青15 min，然后在65 ℃下烘7～8 h至恒重，称其重量。

1.5 数据分析

根据调查内容，对林地植物物种多样性指数的Margalef指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数进行计算，计算公式[22]如下：

Margalef指数(Ma): Ma=(S-1)/lnN

(1)

式中：S是样方内物种数;N为样方中物种个体总数。

(2)

(3)

Pielou均匀度指数(E):E=H′/lnS

(4)

式中：Pi为种i的相对优势度。

数据处理采用Excel 2007和SPSS 26软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncan法多重比较，Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 密度调控前后的林分因子

由表2可知，林分密度由3 m×3 m降至3 m×6 m促进了各林分的平均胸径、树高、冠幅的生长，其中白榆人工林在调控前后变化明显，达到了显著水平(p<0.05)。

表2 鲁北黄泛平原区林分密度调控前后的生长指标

2.2 密度调控前后的林下植物种类及生物量

由表3可知，不同林分在密度调控后，林地植物种类及生物量均表现为MT>CK，即植物种类和生物量均随林分密度减小而明显增加。不同林分密度调控后，林下植物种类增加幅度表现为：白榆(40.00%)>旱柳(33.33%)>白蜡(25.00%)；生物量增加幅度表现为：白榆(110.00%)>旱柳(90.00%)>白蜡(75.00%)。这表明林分密度降低至3 m×6 m，对于白榆的林地植物生长及种类增加最有成效。

表3 鲁北黄泛平原区林分密度调控前后的林下植物种类及其生物量

2.3 密度调控前后的林下植物多样性指数

由表4可知，不同林分在密度调控后，林下植物多样性指数(Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数)均表现为：MT>CK，即植物多样性指数均随林分密度减小而增加。不同林分密度调控后，林下植物多样性指数的增幅相比较，Margalef指数：白榆(65.31%)>旱柳(57.97%)>白蜡(3.57%)；Simpson指数：白榆(203.36%)>白蜡(11.41%) >旱柳(4.75%)；Shannon-Wiener指数：白榆(180.66%)>旱柳(61.66%)>白蜡(27.13%)；Pielou均匀度指数：白榆(132.77%)>旱柳(40.51%)>白蜡(30.38%)。这表明林分密度降低至3 m×6 m，白榆人工林的林下植被多样性增加幅度最大。

表4 鲁北黄泛平原区林分密度调控前后的林地植物多样性指数

2.4 密度调控前后的土壤容重

由表5可知，不同林分在密度调控前后，其林地土壤容重均随土层加深而增加，其中白榆人工林在密度调控前不同土层的土壤容重差异显著(p<0.05)。林分密度降低减小了白蜡人工林0—20 cm，旱柳人工林和白蜡人工林20—40 cm土层的土壤容重，增加了白蜡人工林20—40 cm，旱柳人工林和白榆人工林0—20 cm土层的土壤容重，但对该影响均未达到显著差异(p>0.05)。

表5 鲁北黄泛平原区林分密度调控前后的土壤容重

2.5 密度调控前后的土壤孔隙度

由表6可知，林分密度降低对各林分各土层的非毛管孔隙、毛管孔隙度、总孔隙度的影响均未达到显著差异水平(p>0.05)，但均降低了同一土层非毛管孔隙度，增加了同一土层毛管孔隙度和总孔隙度。从不同土层来看，林分密度降低未使得各人工林20—40 cm土层的土壤孔隙度较0—20 cm土层的土壤孔隙度显著变化(p>0.05)。不同林分比较，密度降低对白蜡人工林的总孔隙度影响大于白榆人工林和旱柳人工林。

2.6 密度调控前后的土壤持水量及质量含水量

由表7可知，在0—20 cm土层，林分密度降低，显著提高了白蜡、旱柳、白榆3种人工林的土壤饱和持水量和毛管持水量(p<0.05)，且饱和持水量和毛管持水量的增加幅度均为，白榆>白蜡>旱柳；同时，显著增加了白榆人工林土壤质量含水量(p<0.05)。在20—40 cm土层，林分密度降低，显著提高了旱柳人工林土壤饱和持水量和毛管持水量(p<0.05)，却均显著降低了白蜡、白榆两种人工林的土壤饱和持水量、毛管持水量，显著增加了土壤质量含水量(p<0.05)。

林分密度降低，均显著提高了白蜡、旱柳、白榆3种人工林0—20 cm土层的饱和持水量和毛管持水量(p<0.05)，以及显著提高了白榆人工林20—40 cm土层的土壤质量含水量(p<0.05)。

表7 鲁北黄泛平原区林分密度调控前后的土壤持水量及含水量

3 讨 论

3.1 密度调控对林地植物多样性的影响

密度调控影响林隙大小，从而对林下小气候，林下土壤水分及养分，森林更新均有影响[23]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m时，在各林分中，白榆人工林的林分因子、林下植物多样性的提高表现最为显著(表2—4)。王玉魁等[24]研究发现，随林分密度降低，白榆人工林平均胸径、平均标准木的各部分生物量、林下植物多样性均显著增大；与本研究结果不同的是，蔺鑫等[25]研究发现，中密型密度的白榆人工林，其胸径、单株地上生物量、根冠比及林下植物丰富度和多样性均为最大，这是因为盐碱地本身贫瘠与本研究的砂质土壤相比，其林地林分单株生长所能汲取的土壤养分较少，而本研究所属区域，单位面积所拥有的土壤养分相对较多，由于间伐降低了林分种间竞争，利于林分单株生长及林下植物生长所需养分的供给。

本研究中，林分密度降低至3 m×6 m时，对旱柳人工林、白蜡人工林的林分因子、林下植物多样性的提高影响均不显著(表2—4)。这是因为旱柳人工林在低密度情况下，地表盐分积累较多，盐分胁迫阻碍了林分本身及林下植物的吸水作用，使林分因子和植物的生长均受到限制[26]。而白蜡人工林，可能由于生长缓慢的特点，其生长所需的营养空间较小，间伐新增的营养空间对其生长影响不大，所以即使低密度也不会对其林分及林下植物生长产生较大影响。

3.2 密度调控对林地土壤物理性质的影响

林分密度改变导致林内环境发生变化，从而影响土壤性质[27]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m时，各林分同一土层土壤容重比较以及不同土层的土壤容重比较均无显著差异(表5)，这与柳晓娜等[28]研究结果不同，这可能由于各林分间伐时间短，林地土壤容重随时间变动缓慢，致使各林地土壤容重无显著变化。

土壤孔隙度直接影响土壤的通气性及渗透性能，孔隙度大的土壤其有机质含量多，土壤结构疏松，有利于地表水下渗，且非毛管孔隙度是决定土壤储水量的重要因素[29]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m时，改善了同一土层的土壤孔隙度，表现为毛管孔隙度的增加和非毛管孔隙度的降低(表6)；对于不同土层的土壤孔隙度改良效果表现为白蜡最佳，这与李永涛等[30]研究结果相似，主要原因为白蜡人工林根系生物量相对于旱柳和白榆较大，利于土壤毛管孔隙的增加。林分密度降低至3 m×6 m时，各林分的0—20 cm土层的土壤饱和持水量、毛管持水量及含水量均表现为显著提高(表7)，而各林分中的白榆人工林表现最佳，这可能因为在3种林分中，白榆林地表枯落物覆盖度及厚度相对较大，间伐后加速土壤腐殖质的分解，致使0—20 cm土层土壤持水量和含水量相对较多所致；而对于20—40 cm土层表现为旱柳人工林的土壤持水量显著提高，这是因为在20—40 cm各林分的根系数量表现为旱柳人工林的根系数量最多[31]。根系数量的增加提高了土壤的持水能力，而白蜡人工林、白榆人工林在20—40 cm土层的根系生物量及根系活力较0—20 cm土层差[32]，致使其林下土壤持水量降低。

4 结 论

低林分密度(3 m×6 m)调控，有利于白榆、白蜡、旱柳人工林的林下植物生物量、多样性的增加，且白榆人工林增加的最明显；也有利于林下土壤毛管孔隙度和总孔隙度提高，且白蜡人工林提高的最明显；有利各林分0—20 cm土层的土壤饱和持水量和毛管持水量显著提高，且白榆人工林20—40 cm土层的土壤质量含水量的提高也达到了显著水平。