曾思齊，甘靜靜，肖化順，劉發(fā)林，肖柏松，彭其龍，吳 疆

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004)

天然更新是森林健康發(fā)展中一個(gè)非常重要和復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程，也是森林資源再生產(chǎn)的生物學(xué)過程[1]。充足且有生命力的種子/種源，適宜的種子萌發(fā)、支持幼苗成活和生長以及幼樹形成的環(huán)境條件是森林生態(tài)系統(tǒng)天然更新(有性繁殖)的必備條件[2-5]，土壤作為林木生長的重要生境[5]，其土層厚度等理化性質(zhì)對林木更新產(chǎn)生顯著影響[7-8]。養(yǎng)分的含量以及空間分布特征等直接影響森林的更新過程[8-9]。

我國南方次生林長時(shí)間存在人為不合理采伐、樵采、墾殖，同時(shí)遭受過嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，林分結(jié)構(gòu)也受到嚴(yán)重破壞，部分林地暴露，水土流失，林地水分蒸發(fā)，土壤性質(zhì)發(fā)生改變?，F(xiàn)存林分天然更新情況良莠不齊，更新能力弱化，林分生產(chǎn)力降低，抵抗力下降，生態(tài)效益減弱，嚴(yán)重影響了林分的健康發(fā)展和森林的可持續(xù)利用。在森林生態(tài)系統(tǒng)天然更新中，研究工作者在土壤空間變異規(guī)律、人為干擾、幼苗更新、物種空間分布格局等因素對自然更新影響方面做了研究[10-12]，但是對林木更新效果評價(jià)以及其與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性研究較少。

木荷(Schimasuperba)是我國東部亞熱帶和南方集體林區(qū)常綠闊葉林的主要優(yōu)勢樹種之一[13]，常綠喬木，樹冠濃密，花多肥厚，冬日葉色染紅，可作庭蔭樹及風(fēng)景林栽植，也是庭院背景樹、主干樹、觀賞樹、行道樹的首選樹種，木荷生長迅速，樹干通直圓滿，樹皮和樹葉含有鞣質(zhì)，可提取單寧，為制革工業(yè)的原料，葉片革質(zhì)，能耐火，可作為林區(qū)防火線樹種，與馬尾松混交能防止松毛蟲發(fā)生，在純林和混交林中都能發(fā)揮良好的生態(tài)效益。木荷次生林作為中亞熱帶重要的林分類型之一，在森林生態(tài)系統(tǒng)演替和天然更新中發(fā)揮著重要作用。本研究在林分更新和土壤理化性質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，計(jì)算木荷林林分更新指數(shù)，揭示土壤理化性質(zhì)與天然更新的深層次關(guān)系，為有效增強(qiáng)林木天然更新能力、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境、提高林分生產(chǎn)率提供可靠數(shù)據(jù)，也為我國南方次生林高效利用和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省炎陵縣青石岡國有林場位于羅霄山脈中段，井岡山西麓，地處東經(jīng)113°34′45"—114°07′15″，北緯26°03′03"—26°38′30"之間。全場屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫17.3℃，年均降雨量1496.7mm，降雨集中期為每年的4—9月份，其降雨量約占全年降雨量的67%—73%。林場內(nèi)成土母巖主要是花崗巖，其次是板頁巖。土壤垂直帶譜明顯，海拔1200m以下土壤的土層較深厚，層次完整，土壤肥力較高。本研究的樣地所處的海拔在1000—1200m處，此海拔高度上主要是以黃棕壤為主。該研究區(qū)主要為天然次生林，主要樹種有木荷、杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassomana)、甜櫧(Castanopsiseyrei)、香樟(Cinnamomuncamphcra)、櫻桃(Prunuspseudocerasus)、檫木(Sassafrastsumu)、虎皮楠(Daphniphyllumoldhamii)、白櫟(Quercusfabri)、合歡(Albizziajulibrissin)、茅栗(Castaneaseguinii)、細(xì)葉青岡(Cyclobalanopsisgracilis)、長葉石櫟(Lithocarpushenryi)、椆(Cyclobalanopsisglauca)、山蒼子(Litseacubeba)、雷公鵝耳櫪(Carpinusviminea)、紅楠(Machilusthunbergii)、板栗(CastaneamollissimaBlume)、漆樹(Rhusverniciflua)等等為次生林中主要組成樹種，主要分布在海拔為1600m以下的地區(qū)。樣地立地情況和植被組成見表1(樣地號(hào)以每塊樣地3種主要組成樹種拉丁名首字母組成，各樣地樹種組成見表1“樹種組成”欄)。

1.2 材料與方法

1.2.1 樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)采集

2012年7月至當(dāng)年9月，運(yùn)用典型抽樣技術(shù)在8種具有代表性的林分類型中分別設(shè)置3塊25m×25m樣地，進(jìn)行地上的更新調(diào)查和地下的土樣采集工作。將每個(gè)樣地分為100個(gè)2.5m×2.5m的小樣方，更新調(diào)查在小樣方內(nèi)進(jìn)行，記錄更新層(樹高≤2.0m)幼苗、幼樹樹種、樹高、地徑(測量工具為電子游標(biāo)卡尺)，調(diào)查并記錄灌木和喬木樹種、胸徑(或者地徑)以及樣地海拔、腐殖質(zhì)厚度、草本覆蓋度、灌木覆蓋度、郁閉度、地形等基本情況。土樣采集點(diǎn)設(shè)在各樣地一條對角線的首末和中點(diǎn)，在0—15cm、15—30cm、30—45cm和45—60cm土層平行取樣3個(gè)，分別稱重裝袋標(biāo)號(hào)存放。

表1 樣地概況

1.2.2 更新指數(shù)調(diào)查與指數(shù)的計(jì)算

結(jié)合青石岡林場木荷林分的實(shí)際情況，結(jié)合本項(xiàng)目部分研究成果[14]，采用熵值法從分布情況、生長情況和年齡結(jié)構(gòu)3個(gè)方面構(gòu)建了木荷更新的評價(jià)指標(biāo)體系，選取單位面積株樹、頻度、幼苗平均高、幼苗平均地徑、大苗百分比等5個(gè)指標(biāo)計(jì)算更新指數(shù)(表2)。

表2 木荷更新情況評價(jià)指標(biāo)體系

(1)權(quán)重的計(jì)算方法

用熵值法[15]計(jì)算5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

(1)

式中,Xij為去量綱化后的數(shù)據(jù)，xij為第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，xmin、xmax分別為xij對應(yīng)的第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值。此外，本研究中的α取值0.6。

2)求取第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的比重

(2)

3)求取第j個(gè)指標(biāo)的信息熵

(3)

4)求取第j個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)

gj=1-ej

(4)

5)求取第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重

(5)

(2)更新指數(shù)的計(jì)算方法

(6)

(7)

式中,Uhi為評價(jià)指標(biāo)體系中準(zhǔn)則層對應(yīng)的分布狀況系數(shù)、生長狀況系數(shù)和年齡結(jié)構(gòu)系數(shù)；h取值為1，2，3；Wj為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，Xij為第i個(gè)樣本第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)去量綱化后的數(shù)據(jù)，n為第h準(zhǔn)則層對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；Gi為評價(jià)林木更新狀況的更新指數(shù)；在該公式中，n為準(zhǔn)則層的數(shù)目，即n=3。

1.2.3 土樣的預(yù)處理與測定

采回的土樣一批烘干后挑出大的石塊和植物根莖，過100目篩存放于鋁盒保存到干燥器內(nèi)備用，用于測定全P和全K。另一批自然風(fēng)干，過60目篩后存放于鋁盒，用于測定有機(jī)碳、水解性氮和全N。其中土壤含水量用烘干法測定；容重用環(huán)刀法測定；pH用25∶1水土比溶液，用酸度計(jì)測定；有機(jī)碳用重鉻酸鉀水合加熱法測定；全N和水解性氮分別采用凱氏定氮儀法和擴(kuò)散吸收發(fā)測定，土壤全P用鉬銻抗顯色后在72型光電分光光度計(jì)上測定， 全K用火焰光度法測定[16]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，前期統(tǒng)計(jì)和計(jì)算在Microsoft Excel2010上完成，用SPSS18.0 (中文版)軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地更新指數(shù)

更新指數(shù)是一個(gè)綜合考慮更新層幼苗分布情況、生長情況和年齡結(jié)構(gòu)等因子的數(shù)量指標(biāo)，可定量描述天然更新效果，更新指數(shù)越大表明林地的更新效果越好，反之則越差。此指數(shù)采用熵值法計(jì)算單位面積株數(shù)、頻度、平均高、平均地徑和大苗百分比等5個(gè)指標(biāo)層的權(quán)重(表3)，對設(shè)定分布情況、生長情況和年齡結(jié)構(gòu)3個(gè)準(zhǔn)則層以及單位面積株樹、頻度、幼苗平均高、幼苗平均地徑、大苗百分比等5組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(表4)。

表3 木荷次生林更新指標(biāo)計(jì)算參數(shù)表

表4 木荷次生林幼苗更新調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化表

表5 木荷更新評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)和更新指數(shù)表

由表5可直觀地看出青石岡林場木荷的更新情況，其中S-CP樣地更新指數(shù)最大，更新效果最好，S-CP樣地更新指數(shù)最小，更新效果最差。各林分的更新狀況由差到好的排序?yàn)椋篠-CP(0.46)

2.2 不同林分土壤特性

對各樣地土壤理化性質(zhì)分別進(jìn)行單因素方差分析，其F值依次為6.29(P=0.01)、4.03(P=0.01)、3.42(P=0.05)、4.05(P=0.01)、3.47(P=0.05)、4.16(P=0.01)、4.69(P=0.05)和1.59，除了全K含量以外其他理化性質(zhì)在不同林分的含量都有顯著性差異，其中土壤含水量、容重、水解性氮、全N和全P都具有極顯著性差異，說明不同林分土壤理化性質(zhì)具有很大差異。經(jīng)測定，其中S-CP林分土壤含水量最高，而S-SP林分含水量最低，低至6.43%時(shí)，最大值和最小值相差24.36%；土壤容重的變化趨勢與含水量的變化趨勢相反，即土壤容重越小的林地土壤含水量越高。

表6 不同樣地土壤物理性質(zhì)

均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)

對研究區(qū)不同林分土壤化學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤呈弱酸性，土壤中水解性氮、有機(jī)碳、全N以及全P在S-CP林分中含量最高，分別達(dá)到260.32 mg/kg、30.99g/kg、1.80 g/kg和0.22 g/kg，而在S-SP林分中含量僅151.24 mg/kg、6.92 g/kg、0.37 g/kg和0.10 g/kg，且有機(jī)碳、全N以及全P的含量的變化也符合此規(guī)律，但全K的含量沒有明顯的變化規(guī)律。

表7 不同樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)

總體看來，酸性環(huán)境更有利于林分的更新，當(dāng)pH值在4.02—5.15范圍內(nèi)，酸性越強(qiáng)的林分更新指數(shù)越大(表7)，即更新情況越好。土壤中水解性氮、有機(jī)碳、全N以及全P在更新效過最好的林地中含量分別達(dá)到260.32 mg/kg、30.99g/kg、1.80 g/kg和0.22 g/kg，而在更新效果最差的樣地僅151.24 mg/kg、6.92 g/kg、0.37g/kg和0.10 g/kg，即林地養(yǎng)分含量越高林分更新效果越好，且有機(jī)碳、全N以及全P的含量高的樣地更新指數(shù)明顯大于其含量低的樣地。而K的含量與更新沒有明顯的聯(lián)系。

2.3 更新指數(shù)與土壤特性相關(guān)性分析

對不同林分更新指數(shù)與土壤理化性質(zhì)做相關(guān)性分析，進(jìn)一步了解土壤養(yǎng)分對林木更新的影響。

分析表明(圖1)，更新指數(shù)與土壤特性關(guān)系密切。土壤兩個(gè)物理指標(biāo)與林分更新的相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于0.7，表明其與更新指數(shù)相關(guān)性強(qiáng)，含水量與林分更新指數(shù)的相關(guān)系數(shù)r=0.93(P= 0.01)，土壤容重與林分更新指數(shù)相關(guān)系數(shù)r=-0.86(P= 0.01)；更新指數(shù)與土壤pH(P=0.05)和全K兩個(gè)化學(xué)性質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他化學(xué)性質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，其中更新指數(shù)與有機(jī)碳、全N、水解性氮和全P的含量的關(guān)相系數(shù)依次為0.90(P=0.01)、0.86(P=0.01)、0.83(P=0.05)、0.78(P=0.05)，均大于0.7，可見土壤有機(jī)碳、全N、水解性氮與更新的相關(guān)性是顯著的，表明它們能顯著影響木荷次生林天然更新。

圖1 更新指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

表8 不同林分更新指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

*表示在.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

對不同林分更新指數(shù)與土壤理化性質(zhì)做相關(guān)性分析(表8)，二者的相關(guān)性與圖1基本保持一致，其中林分更新指數(shù)與土壤含水量、水解性氮、有機(jī)碳、全N和全P均呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、pH和全K呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不同林分更新指數(shù)相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)有差異，更新指數(shù)與土壤含水量、水解性氮、有機(jī)碳、全N和全P相關(guān)性強(qiáng)弱表現(xiàn)為重點(diǎn)強(qiáng)兩頭弱，與土壤容重雖然呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，但也符合中間強(qiáng)兩頭弱的特點(diǎn)，與pH的負(fù)相關(guān)關(guān)系在更新指數(shù)小的林分表現(xiàn)出較強(qiáng)的附相關(guān)性，在更新指數(shù)大的林分負(fù)相關(guān)性較弱，與全K的相關(guān)性很弱且沒有明顯的變化規(guī)律?？傮w看來，林分更新指數(shù)與土壤含水量、水解性氮、有機(jī)碳、全N和全P有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，且與土壤含水量相關(guān)性最密切。

表9 更新指數(shù)與各土層土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

*表示在.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

在天然更新中，由于種子和幼苗根系在土壤中所處的具體位置，不同土層的土壤理化性質(zhì)對其生長發(fā)育的影響強(qiáng)弱不同，具體表現(xiàn)就是在不同土層土壤理化性質(zhì)與更新指數(shù)相關(guān)性強(qiáng)弱不同。因此對不同土層土壤理化性質(zhì)與林分更新指數(shù)做相關(guān)性分析，分析結(jié)果(表9)表明，土壤的含水量與容重對更新指數(shù)的影響都隨土層的加深而加大，其中土壤含水量與更新指數(shù)的相關(guān)系數(shù)由0—15cm的0.838(P=0.01)增加到45—60cm的0.942(P=0.01)，土壤容重與更新指數(shù)相關(guān)系的數(shù)絕對值也隨土層的加深而變大，在0—30cm土層上在0.05水平上顯著負(fù)相關(guān)，在30—60cm土層上在0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)。在15—30cm和30—45cm兩個(gè)土層上土壤的6個(gè)化學(xué)性質(zhì)與更新指數(shù)的相關(guān)系數(shù)都大于其在在0—15cm和45—60cm土層與更新指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，也大于各土層土壤化學(xué)性質(zhì)平均值與更新指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

2.4 影響更新的關(guān)鍵因子

經(jīng)過以上分析發(fā)現(xiàn)，土壤的多種理化性質(zhì)均與林分更新有緊密關(guān)系，可見許多變量之間相關(guān)性比較強(qiáng)，證明他們存在信息上的重疊，用SPSS軟件對木荷次生林的理化性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)降維的統(tǒng)計(jì)分析，即主成分分析，最終找出影響林分更新的主要因子。

由表10可以看出，木荷次生林不同更新指數(shù)下主成分前3項(xiàng)的特征根(Initial Eigenvalues)大于1，并且累計(jì)百分比達(dá)到98.477%，已經(jīng)幾乎包含了全部的信息，這時(shí)舍去其他5項(xiàng)主成分僅損失1.523%的信息，因此只需選擇3個(gè)主成分。

從表11可以看出，對不同更新指數(shù)林分第一主成分影響較大的有含水量、容重、水解性氮、有機(jī)質(zhì)、全N和全P，第一主成分就可以看成是這些指標(biāo)的綜合因子，在第一主成分中全N的特征向量最大，說明全N在林分更新中起到了極其重要的作用。在第2主成分中，pH、水解性氮、有機(jī)碳、全N和全P 的特征向量較大，但有機(jī)碳的特征向量最大，說明有機(jī)碳是決定林木更新好壞的重要指標(biāo)。在第3主成分中，含水量的特征向量最大，說明林分更新對土壤含水量要求較高。綜上所述，影響林分更新最主要的因子為含水量、有機(jī)碳和N。

表10 木荷次生林不同林分方差主成分提取表

表11 木荷次生林不同更新樣地主成分特征向量

3 結(jié)論和討論

(1) 采用熵值法進(jìn)行綜合評價(jià)，方法和數(shù)據(jù)的客觀性保證了結(jié)論的客觀性[17]。更新指數(shù)是一個(gè)綜合性的評價(jià)指標(biāo)，可以直觀反映樣地更新效果，經(jīng)測定和計(jì)算，8種林分更新狀況有差異，更新狀況由差到好的排序?yàn)椋篠-CP(0.46)

(2)在不同林分中，更新指數(shù)與土壤特性的相關(guān)性強(qiáng)弱呈中間強(qiáng)兩頭弱的橄欖型，即更新狀況屬于中等水平的樣地與林地土壤特性相關(guān)性更強(qiáng)，且隨著土層的加深更新指數(shù)與含水量、有機(jī)碳、全N、水解性氮和全P的相關(guān)關(guān)系也越來越密切，然而該地區(qū)土層越深土壤含水量越低，因此土壤含水量成為該地天然更新的一個(gè)重要的限制因子；在不同土層中，林分更新指數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性的強(qiáng)弱表現(xiàn)不同，更新指數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)在第3土層(30—45cm)最大，在第2土層(15—30cm)次之，在第1土層(0—15cm)相關(guān)性最弱，在深度最大的第4土層(45—60cm)次之，說明林木早期生長對中層土壤養(yǎng)分需求多于表層和深層土壤養(yǎng)分的需求，因此要對該地區(qū)林木進(jìn)行施肥管理，埋施的施肥方式將起到很好的效果。

(3)該地區(qū)酸性環(huán)境更有利于林分的更新。林地養(yǎng)分含量越高其更新效果越好，研究表明有機(jī)碳、全N以及全P的含量高的樣地更新指數(shù)明顯大于養(yǎng)分含量低的樣地。而K的含量與更新沒有明顯的聯(lián)系。有研究表明N作為自然生態(tài)系統(tǒng)中主要的限制性養(yǎng)分[19]，能夠?qū)χ参锶郝涞纳锪啃纬?、物種組成和群落演替產(chǎn)生等方面產(chǎn)生顯著的影響[20-21]，本研究也表明全N和水解性氮含量變化與林地更新指數(shù)大小的變化均具有很強(qiáng)的相關(guān)性；含水量、有機(jī)碳、全P也表現(xiàn)出相同的特征，而pH值、土壤容重與更新指數(shù)變化規(guī)律相反。

(4)更新指數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性由強(qiáng)到弱依次為土壤含水量、有機(jī)碳、全N、水解性氮和全P，可見含水量對林木更新起著至關(guān)重要的作用，而容重的增加對林木更新有不利影響，因?yàn)橥寥赖木o實(shí)度不僅影響植物的根系形態(tài)和地上部的生長還影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收和利用[22-23]，楊勇等研究認(rèn)為土壤容重的降低能促進(jìn)根系和地上部的生長[24]。在不同林分的3個(gè)主成分中，土壤含水量、有機(jī)碳和全N特征向量最大，說明土壤含水量、有機(jī)碳和全N決定該地區(qū)木荷次生林更新好壞的關(guān)鍵因素。因此，對于更新情況差的林地采取適當(dāng)?shù)乃使芾泶胧?，將有效提高和改善該地區(qū)木荷次生林木的天然更新效果。

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