不同人工造林树种及其配置方式对土壤理化性质影响分析

杨亚辉, 吕 渡, 张晓萍1,, 木热提江·阿不拉,赵文慧, 蔺鹏飞, 于艺鹏

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 水土保持科学研究所, 陕西 杨凌712100; 3.中国科学院大学, 北京100049)

不同人工造林树种及其配置方式对土壤理化性质影响分析

杨亚辉1,3, 吕 渡2, 张晓萍1,2, 木热提江·阿不拉2,赵文慧2, 蔺鹏飞1,3, 于艺鹏2

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 水土保持科学研究所, 陕西 杨凌712100; 3.中国科学院大学, 北京100049)

人工造林是黄土高原改善生态环境，减少水土流失的重要手段。不同树种及其配置方式下地表植被的生长、土壤理化性质的差异影响着生态水文功能的强弱。以长武王东沟流域8种造林树种和不同配置径流小区为研究对象，采用样方法进行造林地及林下地表植被调查，分层采样测定0—40 cm土层土壤容重、孔隙度、有机质含量，分析不同人工造林模式下土壤理化性质，并初步分析了植被特征与土壤理化性质间的关系。结果表明：不同造林方式小区内林下草本层虽然覆盖度区别很大，但物种丰富度、多样性、均匀度指数差异不显著。0—20 cm表层土壤理化性质变异性小于20—40 cm土层。不同人工造林方式间土壤容重差异显著，且对20—40 cm层土壤的毛管孔隙度、总孔隙度有显著性影响。不同造林方式下草本层丰富度、多样性指数与林下土壤毛管孔隙度相关性显著。草本层丰富度、多样性与0—20 cm表层土壤的保水作用存在良好的对应关系。相比较而言，0—40 cm土壤剖面上，草地和侧柏刺槐混交林地下的土壤孔隙度和有机质等理化性质，以及相关的蓄水性和入渗性等生态水文功能要好于其他造林林种。

黄土高原; 人工造林; 造林方式; 林下草被; 土壤理化性质

黄土高原位于半干旱半湿润地区，生态环境脆弱，暴雨集中，植被稀疏，土壤侵蚀剧烈[1]。不科学的土地利用方式是造成该区水土流失严重的根本原因[2]。植被是陆地生态系统的重要组成部分，植被的生长恢复是遏制黄土高原水土流失的关键因素和有效途径[3]。土壤是生态系统中生态过程发生的场所，随植被生长演替其理化性质在不断发生变化[4]。秦伟等[5]将陕北黄土丘陵退耕封育区的植被演替过程分为4个时期，表明大约20 a后植被各项多样性指数趋于稳定。柴晓虹等[6]分析了石羊河中下游不同退耕年限次生草地的土壤理化性质，认为随着退耕年限的增加，土壤含水量、有机碳等呈上升趋势；黄宇等[7]评价了3种不同人工林系统的对土壤质量的影响，结果表明杉阔混交林相对于两者的纯林对土壤质量的改善作用更明显；蒋红梅等[8]在祁连山东段研究了不同植被下土壤养分状况，认为乔木林的表聚效应强于灌丛和草地，随覆被从草地到灌木到乔木的变化，土壤有机碳等呈增加趋势；杨亚辉等[9]研究了王东沟流域不同造林树种下的土壤容重、持水性能、有机质等性质，发现草本植物相对于乔木纯林和混交林的保水持水性能更好。人工造林是黄土高原改善生态环境，减少水土流失的重要手段，地表植被作为群落结构的重要组成部分，其盖度、物种多样性、丰富度等都在一定程度上决定着降雨截留、入渗等性质，从而影响产流产沙[10]。尽管已有很多学者对黄土高原不同覆被及不同演替阶段下群落组成、物种多样性、土壤容重、孔隙度、团聚体、有机质等的变化做了大量研究[11-15]，但对不同人工林类型覆盖下草本群落组成与土壤理化性质等响应关系的报道较少。

本文以王东沟流域8个小区内不同人工林植被为研究对象，对各试验小区草本层进行盖度，多样性等调查，分析林下不同层次土壤理化性质，深入探讨不同人工造林方式对林下草本生长以及土壤性质的影响，深入理解不同人工造林树种及其配置方式下生态水文过程和功能差异，为区域生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

王东沟流域隶属于陕西省长武县洪家镇王东村。位于黄土高原中南部，经纬度为35°14′N，107°41′E，海拔940～1 220 m。属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水584 mm,年均气温9.1℃，无霜期171 d，地下水埋深50～80 m。地带性土壤以黑垆土为主，侵蚀作用下沟道中土壤是直接发育于黄土母质上的黄绵土，而地表0—40 cm深土壤质地以砂质壤土为主[16]。于2004年，在流域内西南坡向海拔1 150 m的自然坡面修建9个试验小区，本文选取其中刺槐、油松、侧柏3种乔木纯林，油松和沙棘、侧柏和刺槐、油松和刺槐3种乔木混交林，以及沙棘灌木林1种，共7种覆盖类型和配置方式开展研究。同时草地小区作为对照。沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，油松(PinusabuliformisCarr.)，侧柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)等均为黄土高原常见退耕还林树种[17-18]。小区垂直投影面积100 m2(20 m×5 m)，坡度35°。各小区地表主要草种类型有：白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)，野古草(ArundinellaanomalaSteud.)，异叶败酱(Patriniaheterophylla)，翻白草(PotentilladiscolorBge.)，艾蒿(Ser.Abrotanum)，赖草(Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.)等。各个径流小区的基本资料统计见表1。

表1 各小区植被覆盖特征统计

2 研究方法

2.1 试验小区草本植被调查及多样性测定

样地调查和采样时间为2014年8月14—19号。将小区分为上、中、下3部分，调查乔木及灌木的郁闭度、株高等，并分别随机选取1 m×1 m草地样方，记录样方内的草本种类以及每个种类的个体数、高度，调查其盖度等，见表1。

采用重要值(Ⅳ)测定群落物种组成，重要值是对物种在群落中的功能地位进行综合量度的数量指标。

IV=RHI+RCO+RFE

(1)

式中：RHI为相对高度；RCO为相对盖度；RFE为相对频度。

(2)

式中：Hi为样方中第i个物种的平均高度；RCO与RFE的计算方法与此类似。

物种丰富度表示物种总数与样本含量的关系，选取Margalef指数(Dma)：

(3)

式中：S为样方内物种数目；N为样方内所有物种的个体总数。

物种多样性是反映丰富度与均匀度的综合指标，选取Simpson指数(D)、Shannon-Wiener指数(H)：

(4)

(5)

物种均匀度反应样方内物种的分布均匀情况，选取Pielou指数(Jsw)、Alatalo指数(Ea)：

(6)

(7)

(8)

式中：Ni表示样方中第i个物种的个体数。

2.2 土壤理化性质测定

土壤容重和孔隙度等土壤物理特性，影响着土壤的透气、入渗和持水性能[19]选择土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度和土壤有机质含量等指标来进行土壤理化性质的测定。。土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标[20]，它直接影响土壤团聚体的形成过程，由此显著影响土壤的松紧程度和抗蚀抗冲性[21]。

2.2.1 样品采集 于径流小区中部按0—20，20—40 cm 两个层次用环刀(高5 cm，直径5 cm)取土，各10个重复。随机取5次重复测定毛管持水量，其他5组重复测定饱和持水量。另分别于两个层次取散状土用于测定土壤含水量和土壤有机质含量(均为3次重复)。

2.2.2 测定方法 土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度和土壤有机质等土壤性质测量采用环刀法[22]。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾—外加热法。

3 结果与分析

3.1 不同造林树种与林下草本植被群落特征关系

分析不同覆被下郁闭度与覆盖度的关系如下：郁闭度与覆盖度基本呈现出负相关关系(y=-0.33x+67.61，R2=0.17)，即郁闭度越大，覆盖度越小。表明，人工造林条件下，受造林地树种冠幅及郁闭作用的影响，对林下阳光和雨水的遮蔽作用，林下草本不易生长。由表2可以看出，从组间看，地表草本层5项指标统计8个不同试验小区之间无显著性差异(p>0.05)。林下草本的丰富度Margalef指数油松沙棘混交林地最大，侧柏刺槐混交林地最小，这两者组间具有显著性差异(p<0.05)。多样性指数Simpson和Shannon-wiener指数表现一致，均为刺槐林地最大，侧柏刺槐混交林最小，油松刺槐混交林次之。均匀度指标Pielou指数和Alatalo指数表现为油松刺槐混交林最大，草地最小。趋势上：丰富度指数表现出混交林地<沙棘灌木林地<乔木林地<草地的趋势；多样性指数表现为混交林地<草地<沙棘灌木林地<乔木林地的趋势；均匀度指数表现出草地<沙棘灌木林地<混交林地=乔木林地的趋势。

草地小区无乔灌木的影响，生长稠密(盖度大)，丰富度高，由于繁殖方式多为分根茎法，导致其物种分布均匀性差，表现为Pieloe和Alatalo指数最低，最终是多样性指数较小；乔灌林地可能由于枯枝落叶以及灌层的遮挡作用，使草本种类较少，丰富度地，均匀度相对提高[23]。可见不同造林树种林下草本层虽然盖度不同(表1)，但与草地小区比，其基本群落性质和分布状态基本一致，不同人工造林树种下的生境差异，导致林下草本植被生长的差异。

表2 不同覆被草本物种丰富度、多样性和均匀度指数

注：括号内数值为标准差，下同。

3.2 不同植被覆盖下土壤理化性质

从表3可知，8种不同覆被下土壤容重变化范围为1.31～1.17 g/cm3，为弱变异(CV<10%)。不同土层各小区容重组间具有显著性差异(p<0.05)。0—20 cm和20—40 cm土层最大土壤容重均出现在油松刺槐混交林地，为1.31 g/cm3，显著高于其他覆被小区。草地、沙棘、和侧柏3个试验小区20—40 cm土壤容重与0—20 cm相比明显增大，草地与沙棘小区由于地表覆被茂密，根系集中于表层，影响了剖面土壤容重的分布[12]，侧柏小区则可能由于化感作用导致禾本科植被数量少，表层土壤受其他扰动影响较大。从方差分析看，随着深度的加深，不同覆被小区土壤容重变异系数减小，统计上土壤容重性质趋于一致。这与随着土层的加深，外在扰动减弱相对应。

土壤毛管孔隙度和总孔隙度均为中等变异(0.10.05)，而在20—40 cm土层,不同小区间表现出显著性差异(p<0.05)。外在环境的扰动作用减弱了植被对孔隙度的影响作用。0—40 cm的土层上，沙棘表现出最大的毛管孔隙度48.5%，小区内沙棘枝杈分布密集，株高接近2 m，树下草被覆盖度高达74%。草被根系主要集中在地表20 cm[25]。另据党晓宏等[26]研究，沙棘为深根植物，根系可以达地下137 cm。根系的分布使沙棘小区剖面上毛管孔隙度较高。草地表现出最大的总孔隙度为57.0%。

土壤大孔隙的多少表征了土壤水分入渗状况[27]。土壤大孔隙越多，土壤水分及物质输移能力越强，同样有利于土壤呼吸作用以及根系的生长[28]。CP/TP值代表毛管孔隙度占总孔隙度的比例，同时也表现大孔隙的分布状况，CP/TP越小，毛管孔隙占总孔隙的比例越小，大孔隙分布越多。表3显示CP/TP值与土壤容重呈现不明显的对应关系。0—40 cm土壤剖面上，侧柏刺槐混交林地和草地有较小的CP/TP值。两个小区可能由于没有或者较少的乔灌层的存在，表层土壤直接蒸发作用较大，因此表现出较高的总孔隙度和CP/TP值，利于水分传入深层土壤。

0—20 cm土层土壤有机质高于20—40 cm，和有机碳在土壤剖面上的垂直变化相同[29]。0—40 cm土层上，不同试验小区覆被下，土壤有机质整体上差异不显著，但草地和沙棘小区有机质含量显著高于其他试验小区。由于禾本科植被数量多，根系浅而密集，以及枯枝落叶物较厚等因素，其生存有利于土壤有机碳的积累[30]。

表3 不同覆被下土壤理化性质测定

注：相同字母表示无显著性差异(Duncan多重比较p<0.05)。

3.3 植被与土壤理化性质各指标相关性分析

对各小区草本层植被与不同深度土壤各理化性质测定指标进行相关性分析，见表4。在0—20 cm土层内，Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数均只与毛管孔隙度呈显著性正相关关系，相关系数分别是0.709，0.776，0.755。土壤容重、总孔隙度和有机质对植被群落特征和物种多样性的影响不显著，这与魏天兴等[31]在吴起的研究结果一致。在20—40 cm土层内，土壤的4个理化性质与Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数和Alatalo指数均不相关。土壤层次超过一定深度后，植被根系对于土壤性质的改善和提高的作用会受到一定程度的限制[32]，所以可能会导致植被指数与土壤性质之间的关联性降低。而草本植被的生长增加了地表凋落物和土壤有机物质，根系的活动也会对土壤的孔隙结构产生影响，可以明显的改善土壤的持水能力和入渗特性，因此，草本植被丰富度、多样性指数越高，土壤毛管孔隙度越多，越有利于土壤对水分的保存及供给作用。

表4 草本植被与土壤理化性质各指标Pearson相关性分析

注：“*”表示具有相关性(p<0.05)。

4 结 论

(1) 油松沙棘混交林地草本层丰富度、均匀度指数最好，表现出较高的毛管孔隙度，和较低的总孔隙度；侧柏刺槐混交林地草本层丰富度、多样性指数最差，具有较高的总孔隙度和CP/TP值。

(2) 草地、沙棘小区均表现出较低的土壤容重、较高的土壤有机质，但沙棘小区具有最高的毛管孔隙度，而草地具有较高的总孔隙度和CP/TP值。由于草本层的影响，各小区20—40 cm的土壤性质差异大于0—20 cm；0—40 cm土壤剖面上，草地和侧柏刺槐混交林地蓄水性强、入渗性能好，油松、侧柏纯林蓄水性和入渗性能均最差；油松、侧柏和沙棘、刺槐混交林、刺槐和沙棘纯林蓄水透水性能居中。

(3) 不同的人工林覆被下的草本植物群落多样性指数、物种丰富度指数与表层土壤毛管孔隙度相关性显著，与土壤的保水性能存在良好的对应关系。改善林下草本植被生长状况有利于土壤性质的改良。

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ImpactsofVegetationTypesonSoilPhysicochemicalProperties

YANG Yahui1,3, LÜ Du2, ZHANG Xiaoping1,2, Muretijiang Abula2,ZHAO Wenhui2, LIN Pengfei1,3, YU Yipeng2

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

The ecological environment in Loess Plateau is fragile and the soil erosion is sever. Afforestation is the important means to improve the ecological environment. Different plantation species and configuration modes affect physicochemical properties of soil and soil erosion. Eight runoff plots with various afforestation species and different configurations in Wangdonggou watershed located in Changwu were selected in this research, and quadrat method was used in understory vegetation ecological investigation. Soil bulk density, porosity, organic matter content in soil layer were measured; physicochemical properties were also analyzed under different artificial afforestation models. The results showed that the richness, diversity and evenness index of herb layer under different types of understory vegetation showed non-significant difference, and physical and chemical property difference in 20—40 cm soil layer was greater than that in the surface layer. The soil bulk densities in plots with various plantations were significantly different, and the vegetation cover had the significant effect on soil capillary porosity and total porosity in 20—40 cm layer. The capillary porosity had a markedly relation with the richness, diversity index of herb layer, so did total porosity and organic matter. In the 0—40 cm soil profile, grasses have a good ability to increase the water storage and infiltration. Herbaceous species richness and species diversity indices were passtively correlated with water storage in topsoil.

Loess Plateau; different afforestation species; understory vegetation; soil physical and chemical properties

S714.2

A

1005-3409(2017)06-0238-05

2017-01-06

2017-01-20

国家自然基金重点项目“气候变化背景下黄土高原土地利用影响径流的空间尺度效应”(41230852);国家自然资助项目“黄土高原典型流域水沙行为对土地利用/覆被变化响应规律研究”(41440012)

杨亚辉(1990—),男,河南开封人,硕士研究生,研究方向为植被恢复水分效应分析。E-mail:yyhnwsuaf@163.com

张晓萍(1971—),女,河南焦作人,博士,研究员,主要从事区域水土流失规律和水土保持等研究。E-mail:zhangxp@ms.iswc.ac.cn