冀北坝上地区营造樟子松人工林对植被群落特征与土壤理化性质的影响

李维维,朱占军,李玉雯,高云昌,马增旺,李玉灵,3,黄占军,李晓刚,3

(1河北农业大学 林学院,河北 保定071000;2河北省林业和草原科学研究院,河北 石家庄050067; 3河北丰宁沙地生态系统国家定位观测研究站,河北 丰宁068357;4张家口市屯垦林场,河北 张家口076650)

冀北坝上地区位于京津以及华北平原的上风上水方向,肩负着京津冀生态屏障与支出功能[1]。同时,该地区位于内蒙古高原东南缘的农牧交错带,是季风气候向大陆气候、湿润森林向荒漠草原过渡的中间地带,植被大部分属于温带半干旱干草原,仅东部部分区域属森林草原和草甸草原,自然植被稀疏,地表大面积裸露,生态环境脆弱,因此冀北坝上地区是构建京津冀生态环境支撑区最前沿最敏感的区域[2]。20世纪50年代以来,冀北坝上地区人口逐渐增加,由于过度开垦放牧,加之水资源短缺、气候寒冷等原因,该地区草原逐渐退化[3]。21世纪以来,围绕“沿边、沿坝、坝上林网、潮河流域、滦河流域、窗口地带”六大工程体系布局,国家先后实施了京津风沙源治理、“一退双还”、千松坝造林、坝上生态农业开发、日援造林和德援造林等一批重点生态工程,大规模的人为造林使冀北坝上地区林地面积得到了迅速增加[4]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有适应性强、抗旱、耐瘠薄和速生等优良特性,可在养分、水分条件较差的风沙土上生长良好,因此被广泛用于我国北方荒漠化地区的生态工程。目前,樟子松是冀北坝上地区主要的造林树种之一,樟子松人工林在遏制冀北地区土地荒漠化、保护农牧生态系统、减缓气候变化方面都会产生深远影响[5]。冀北坝上地区地域狭长,从西到东气候逐渐变得湿润,土壤由风沙土变为灰色森林土[6]。不同的环境条件势必会对造林效果产生影响,然而目前在冀北坝上地区就樟子松造林对植被群落特征与土壤影响的研究都是基于某点进行的,对冀北坝上全域的研究尚不充分[7]。因此,本研究将冀北坝上地区划分为坝西、坝中、坝东3个区域,以林龄相近的樟子松人工林为研究对象,以天然草地为对照,调查植被物种组成、物种多样性和土壤理化性质,分析同一植被类型不同区域以及同一区域不同植被类型间植被物种组成、物种多样性和土壤理化性质的差异,明确在冀北坝上地区营造樟子松人工林对植被群落特征和土壤理化性质的影响,为该地区生态建设提供理论依据。

1 研究区概况

冀北坝上地区位于内蒙古高原至冀北山地的过渡带,平均海拔1 200～1 500 m[3],行政区划上包括张北、康保、沽源县的全境以及尚义、丰宁和围场县的部分区域,地理坐标E 114°35′～116°45′ , N 41°00′～42°20′ ,总面积18 214 km2,占河北省总面积的1/10[8]。该地区属于大陆季风高原气候,年均气温-0.3～3.5℃,最冷月平均气温-18.6℃,最热月平均气温17.6 ℃,冬季严寒漫长,夏季清凉短暂,≥10 ℃积温1 300～2 200 ℃,无霜期80～110 d[9];年降水量400 mm左右,雨热同期,冬季、春季干旱,大部分降水集中在6-9月;年蒸发量约为1 500 mm,5月蒸发量最大;光照充足,年日照时数2 600～3 100 h[9];大风天气频繁,年平均风速4.5～5.0 m/s,年大风日数65～70 d,且多分布于冬春季节[10]。以闪电河为界,坝上自然生态系统有明显差异,坝西地区属封闭的内流区,气候干旱,雨量稀少,蒸发量是降雨量的4～5倍,地表植被为干草原;坝东地区是坝上的外流区,降水较多,气候湿润,地表植被为森林草原和草甸草原[11]。

2 研究方法

2.1 样地调查

本研究以闪电河为界,将坝上地区划分为坝西和坝东2个区域,闪电河附近作为过渡区域,定义为坝中区。于2020年7-8月,分别在坝西(张家口市康保县屯垦镇)、坝中(承德市丰宁满族自治县大滩镇)和坝东(承德市牧场管理区)海拔(1 400 m～1 500 m)、坡度(平坦,<5°)等立地条件相似地段,选择樟子松人工林为研究对象,以天然草地为对照测定植被物种多样性和土壤理化性质,样地基本概况见表1。每个区域每种植被类型分别随机选择3块重复样地,每块样地面积30 m×30 m,间隔50 m以上,对樟子松人工林样地中的樟子松每木检尺;在每个样地内分别随机设置9个1 m×1 m的草本样方,调查草本植物的种类、盖度、高度、频度等指标,用于计算植被物种多样性指数。

表1 样地概况Table 1 General situation of research area

2.2 土壤样本采集与处理

在每块样地各挖取1个60 cm深的土壤剖面,除去土壤表面的石块以及植被枯枝落叶等杂物后,用环刀法分别测定0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm层土壤的容重、孔隙度等物理性质[12]。在用环刀取土的同时,分别再取足够量的原状土和袋装土,用DIK-2012恒温式湿筛仪测定土壤水稳性团聚体含量,参考土壤农化分析测定土壤化学性质[13]。

2.3 数据处理与统计分析

分别计算不同物种的相对盖度、相对高度、相对频度,计算各物种的重要值(IV)。根据重要值计算植被物种多样性指数,计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

未知节点接收到至少3个不共线信标节点的位置信息才能通过三边测量法进行自身位置估计。借鉴此思想建立通过3个信标节点的坐标,获取未知节点坐标的定位数学模型。

(4)

Margalef丰富度指数：

(5)

Simpson多样性指数：

(6)

Shannon-Wiener多样性指数：

(7)

Pielou均匀度指数：

(8)

式中：S表示某样方内所有物种之和;N表示某样方内所有物种个体数之和;Pi表示某物种的重要值与所有物种重要值之和的比值。

用单因素方差分析法分析同一植被类型不同区域以及同一区域不同植被类型之间物种多样性指标的差异,用LSD法进行多重比较(α=0.05);区域、植被类型土层都会对土壤理化性质产生影响,本研究以土层为区组,用单因素随机区组分析法去除土层的影响,分析同一植被类型不同区域间以及同一区域不同植被类型之间土壤理化性质的差异,用LSD法进行多重比较(α=0.05)。所有数据均用Excel 2019进行整理与制图,用SPSS 23.0进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 冀北坝上地区营造樟子松人工林对植被物种组成和多样性的影响

3.1.1 冀北坝上地区营造樟子松人工林对植被物种组成的影响 表2 显示冀北坝上地区不同区域天然草地和樟子松人工林的物种组成。由该表可知,坝西天然草地共有草本植物14种,以草地风毛菊(Saussureaamara)、毛马唐(Digitariaciliarisvar.chrysoblephara)、披针叶苔草(Carexlanceolata)等菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)等植物为主,没有喜阴植物;营造樟子松人工林后菊科(Asteraceae)的冷蒿(Artemisiafrigida)、豆科(Fabaceae)的米口袋(Gueldenstaedtiaverna)和蔷薇科(Rosaceae)的细裂委陵菜(Potentillachinensisvar.lineariloba)消失,新增细叶苔草(Carexrigescens)、腺毛委陵菜(Potentillalongifolia)、北乌头(Aconitumkusnezoffii)等莎草科、蔷薇科、毛茛科(Ranunculaceae)等植物16种,樟子松人工林草本植物增至27种,以毛马唐、披针叶苔草(Carexlanceolata)、草地风毛菊等禾本科、莎草科、菊科等植物为主,喜阴植物重要值和占总重要值7.70%。坝中天然草地共有草本植物37种,以茵陈蒿(Artemisiacapillaris)、冰草(Agropyroncristatum)、腺毛委陵菜等菊科、禾本科、蔷薇科等植物为主,喜阴植物重要值和占总重要值的3.53%;营造樟子松人工林后冰草、鹅观草(Elymuskamoji)、阿拉伯黄背草(Themedatriandra)等禾本科等11种植物消失,新增芨芨草(Neotriniasplendens)、艾(Artemisiaargyi)、刺儿菜(Cirsiumarvensevar.integrifolium)等禾本科、菊科等植物9种,樟子松人工林草本植物减至35种,以丛生隐子草(Cleistogenescaespitosa)、茵陈蒿、野艾蒿(Artemisialavandulifolia)等禾本科、菊科等植物为主,喜阴植物重要值和占总重要值的18.64%。坝东天然草地共有草本植物62种,主要以地榆(Sanguisorbaofficinalis)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、裂叶蒿(Artemisiatanacetifolia)等蔷薇科、禾本科、菊科等植物为主,喜阴植物重要值和占总重要值的10.33%;营造樟子松人工林后地榆、裂叶蒿、全缘橐吾(Ligulariamongolica)等蔷薇科、菊科等34种植物消失,新增大瓣铁线莲(Clematismacropetala)、路边青(Geumaleppicum)、艾蒿等毛茛科、蔷薇科、菊科等植物17种,樟子松人工林草本植物减至45种,以细叶苔草、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、大瓣铁线莲等莎草科、毛茛科等植物为主,喜阴植物重要值和占总重要值的10.55%。

不同区域 Different sections(a)

不同区域 Different sections(a)

不同区域 Different sections(a)

表2 冀北坝上地区不同区域天然草地和樟子松人工林的物种组成Table 2 Species composition of natural grassland and P. sylvestris var.mongolica plantation in different sections in Bashang area, northern Hebei Province

3.1.2 冀北坝上地区营造樟子松人工林对植被物种多样性的影响 图1显示冀北坝上地区3个区域天然草地和樟子松人工林之间物种多样性的差异。由该图可知,天然草地的DM从坝西到坝东依次为1.51、3.69、4.66,呈现出递增趋势;DS从坝西到坝东依次为0.76、0.91、0.87,其中坝中显著大于坝东,坝东又显著大于坝西;H′从坝西到坝东依次为1.72、2.72、2.45,其中坝中和坝东均显著大于坝西,坝中与坝东之间差异不显著;Jsw从坝西到坝东依次为0.69、0.87、0.70,其中坝中显著大于坝西和坝东,坝西与坝东之间差异不显著。营造樟子松人工林后,坝西的DM显著增大至2.38,坝中的DS和H′分别显著减小至0.82和2.56;坝西和坝中的Jsw分别显著减小至0.60和0.69;3个区域其他指标均未产生显著差异。

3.2 冀北坝上地区营造樟子松人工林对土壤理化性质的影响

3.2.2 冀北坝上地区营造樟子松造人工林对土壤化学性质的影响 图3显示冀北坝上地区3个区域2种植被类型之间土壤主要化学性质的差异。由图可知,天然草地土壤全氮含量从坝西到坝东依次为2.80、2.76、2.94 g/kg,全钾含量依次为15.07、17.00、15.02 g/kg,有效磷含量依次为0.85、0.79、0.89 mg/kg,速效钾含量依次为71.55、85.26、49.66 mg/kg,有机质含量依次为86.68、94.97、101.86g/kg,这些指标3个区域间差异均不显著;天然草地土壤全磷含量从坝西到坝东依次为0.20、0.28、0.41 g/kg,碱解氮含量依次为75.83、94.03、300.3 mg/kg,该2指标均为坝东显著大于坝西和坝中,坝西和坝中之间差异不显著;3个区域土壤pH为坝西和坝中显著大于坝东,其中坝西和坝中土壤的pH分别为9.11和8.58,显著偏碱性,坝东为6.75,呈中性。营造樟子松人工林后,坝中和坝东土壤全氮含量分别显著减小至1.60和0.96 g/kg;坝东土壤碱解氮含量显著减小至142.57 mg/kg;坝西和坝中土壤的pH分别显著减小至7.63和7.07;3个区域其他指标均未产生显著差异。

4 讨论

本研究结果显示,坝西樟子松人工林林下草本植物群落的DM显著大于天然草地,而Jew显著小于天然草地;坝中樟子松人工林林下草本植物群落的DS、H′和Jew均显著小于天然草地;坝东樟子松人工林林下草本植物群落的各物种多样性指标与天然草地之间没有显著差异,说明在坝西营造樟子松人工林后草本植物的物种丰富度增加,但物种均匀度减小;在坝中营造樟子松人工林后草本植物群落的多样性和均匀度减小;而在坝东营造樟子松人工林对草本植物群落没有显著影响。出现这种情况的原因可能是坝西缺水严重[12]。水分是植物生长的主要限制性因子,树木具有水分提升效应,它可以通过深扎于地下的根系将深层水分加以利用并提升至上层,使林内上层土壤水分条件显著变好,从而使林下物种数量增多[13];另一方面,遮阴会对林下物种有明显的筛选作用,造林后耐阴植物会优先生长,喜阴植物优势度增加(表2),使物种的不均衡性增加,因此林下植被均匀度降低[14]。而在坝中,气候条件相对湿润,水分不再是植物生长的主要限制因子,天然草地物种数量相对丰富,这时樟子松人工林林内物种对养分的竞争与林冠的遮阴作用会限制植物的生长,从而导致该区域林下植被物种多样性和均匀度减小[15]。坝东由于天然植被是森林草原,造林前后外在环境差异不大,因此坝东樟子松人工林的物种多样性与天然草地差异不显著。

在干旱半干旱地区,大气降水量远远低于蒸发量,岩石、矿物风化释放出的碱金属和碱土金属的简单盐类不能彻底迁移出土体而大量聚集在土壤和地下水中,其中的碳酸盐和重碳酸盐通过水解可产生OH-,从而使土壤向碱性方向演化;另外,草本植物含纤维素多,灰分中盐基离子含量高,高等植物的选择性吸收也会富集大量盐基离子,形成的土壤多呈中性至微碱性[16]。坝西和坝中区域的干旱程度大于坝东,且植被以草原为主,因此土壤呈碱性(图4)。木本植物灰分中盐基离子较少,凋落物中含单宁树脂类物质较多,分解后易产生较强的酸性物质;另外,土壤里的微生物、植物根系以及其他土壤生物能在其生命活动过程中不断地放出CO2,溶于水后形成碳酸,解离出H+,同时微生物在分解有机物的同时也会产生多种有机酸,这些都会导致土壤向酸性方向发展,因此在坝西和坝中营造樟子松人工林能显著减小土壤pH值[16]。坝东气候相对湿润,且生态过程有木本植物的参与,地被物较坝西和坝中丰富,因此土壤pH显著小于坝西和坝中,呈中性(图4)。樟子松人工林可以将土壤调节至中性,即在酸性土壤上造林能使土壤pH值升高,在碱性土壤上则能使pH值降低,因此在坝东营造樟子松人工林对土壤pH没有显著影响[17]。

土壤中的腐殖质、多糖类、蛋白质、木质素以及许多微生物的分泌物、菌丝、土壤动物和植物根系分泌物等均对土壤有团聚作用,其中腐殖质中的胡敏酸能与钙结合形成不可逆凝聚状态,其胶结作用对土壤结构的形成作用较大,同时抗微生物的分解能力强,能形成稳定的团粒结构[18]。坝西樟子松人工林土壤大团聚体含量显著大于天然草地,这可能是由于坝西樟子松人工林中和了原先土壤的碱性,使土壤中的动物、植物、微生物、细菌、真菌和各种酶类等的活性增强,同时,土壤中植物根系变多,分泌的黏液及胶结作用增强,从而使土壤中大团聚体含量增多,这也导致土壤的非毛管孔隙度增大,进而使坝西樟子松人工林土壤容重与天然草地相比显著降低(图3)[19]。

樟子松个体生长需要的养分多于草本植物,加之从坝西到坝东气候和土壤条件依次变好,使樟子松的生长速度从坝西到坝东依次变快,这可能导致坝中和坝东的樟子松对土壤养分的吸收要大于归还[20]。因此,坝中樟子松人工林土壤全氮的含量与坝东樟子松人工林土壤全氮和碱解氮的含量均显著小于天然草地(图4),这也说明,樟子松的生长对氮素的需求量要远远大于其他元素,这与程昊天等在不同林龄樟子松人工林土壤-针叶-微生物生态化学计量及稳态性特征研究中各林龄樟子松人工林土壤碳氮比均高于全国平均水平,表现为N限制的结果一致[21-23]。坝东樟子松在快速生长的同时,其根系也会对土壤产生挤压,从而造成土壤毛管孔隙度减小,容重增大。因此,坝东樟子松人工林土壤毛管孔隙度显著小于天然草地,而容重显著大于天然草地(图3)。

5 结论

在冀北坝上地区不同区域营造樟子松人工林效果并不相同,在坝西营造樟子松人工林会增加草本植物物种丰富度、土壤大团聚体含量和毛管孔隙度,减小植被均匀度、土壤容重和pH值;在坝中营造樟子松人工林会减小植被的均匀度、物种多样性、土壤全氮含量和pH值;在坝东营造樟子松人工林对草本植物群落没有显著影响,但可以减小土壤毛管孔隙度、全氮和碱解氮含量,增大土壤容重。在坝西营造樟子松人工林对植被群落和土壤理化性质积极效果明显。