肖欣 郭孝玉 歐陽勛志 吳自榮

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌，330045)

不同密度飛播馬尾松林林下植被特征及土壤質(zhì)量評價1)

肖欣 郭孝玉 歐陽勛志 吳自榮

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌，330045)

以贛南飛播馬尾松中齡林為研究對象，分別密度組Ⅰ(900～1 500株·hm-2)、密度組Ⅱ(1 500～2 100株·hm-2)、密度組Ⅲ(2 100～2 700株·hm-2)、密度組Ⅳ(2 700～3 300株·hm-2)設(shè)置標準地，進行林下植被層基本特征調(diào)查和土壤樣品測定。結(jié)果表明：灌草層平均高及草本層平均蓋度均為密度組Ⅱ最大，灌木層平均蓋度隨著林分密度的增加而逐漸減??；不同密度組林下植被層生物量為6.53～9.84 t·hm-2，從大到小的排列次序為密度組Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ，但不同密度組間差異不顯著(P>0.05)。不同密度組間土壤飽和持水量、總孔隙度及全K質(zhì)量分數(shù)差異顯著(P<0.05)，且表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大，其它土壤性質(zhì)指標間差異未達顯著水平(P>0.05)。土壤質(zhì)量綜合指數(shù)依次為密度組Ⅱ(0.658)>密度組Ⅲ(0.378)>密度組Ⅰ(0.326)>密度組Ⅳ(0.261)。因此，飛播馬尾松林分密度控制在1 500～2 100株·hm-2，有利于林下植被層的生長發(fā)育和土壤質(zhì)量的提高，促進林分的正向演替。

馬尾松林；林分密度；林下植被；土壤質(zhì)量

With the soil sample data of different stand density groups of Ⅰ (900-1 500 N·hm-2), Ⅱ (1 500-2 100 N·hm-2), Ⅲ (2 100-2 700 N·hm-2), and Ⅳ (2 700-3 300 N·hm-2) in middle-aged aerially-seededPinusmassonianaplantation in south of Jiangxi Province, we explored the effect of stand density on the understory vegetation and soil quality. The understory layer average height and herb layer average coverage of density groupⅡ were the largest, and the average coverage of shrub layer was decreased with the increase of stand density. The biomass of understory vegetation layer between different densities was in 6.53-9.84 t·hm-2, with the descending order of Ⅱ, Ⅲ, Ⅰand Ⅳ, but the differences between density groups were not significant (P>0.05). The differences of soil saturated water holding capacity, total porosity and total K content of different density groups were significant (P<0.05), and the density group Ⅱ was the highest. The differences between other indicators of soil properties were not significant (P>0.05). The descending order of soil quality comprehensive indexs was Ⅱ(0.658), Ⅲ (0.378), density groupⅠ(0.326), and density group Ⅳ (0.261). Therefore, controlling the stand density of aerially seededPinusmassonianaplantation in 1 500-2 100 N·hm-2would be helpful for the growth of understory vegetation layer, the soil quality, and positive stand succession.

在實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營的背景下，通過最合理的經(jīng)營措施使森林達到最接近自然的狀態(tài)，是近自然林業(yè)經(jīng)營理論的基本原則。林分密度調(diào)整正是實現(xiàn)人工針葉純林向天然林恢復(fù)的有效手段之一[1]，它對林分生物量及凈生產(chǎn)力有著顯著的影響[2-3]。同時，林分密度影響植物間營養(yǎng)、光照、水分等生態(tài)因子的分配，對林下植被層產(chǎn)生影響，而林下植被在維持森林土壤肥力及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面有重要作用[4]。

馬尾松(Pinusmassomiana)是我國南方典型的鄉(xiāng)土針葉樹種，具有耐干旱、耐貧瘠和適應(yīng)性強的特點。不少學(xué)者從不同角度對馬尾松林分密度進行了研究。如漆良華等[2]、高祥等[5]、張國慶等[6]分別對不同密度馬尾松林生物量的變化規(guī)律、根系生物量的空間分布及生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局進行了探討；康冰等[7]、趙汝東等[8]也分別探討了密度調(diào)控對林下植被發(fā)育及土壤養(yǎng)分的影響。但其研究對象主要是針對人工植苗的馬尾松林，而對飛播馬尾松林林分密度對林下植被生物量及土壤肥力影響的研究卻鮮有報道。飛播是一種特殊的人工造林方式，其形成的森林種群空間格局多為聚集度較高的群團型，林分密度差異較大[9-10]。贛南曾是我國水土流失較嚴重的地區(qū)之一。20世紀60—90年代，為了恢復(fù)森林植被，控制水土流失，在贛南10多個縣市進行了大面積的飛播馬尾松造林。但現(xiàn)有飛播馬尾松林林分密度差異較大，林分質(zhì)量也有著較大的差異。因此，本文以贛南馬尾松飛播造林具有代表性的興國縣為研究區(qū)，探討不同密度飛播馬尾松林下植被層特征及土壤質(zhì)量，為促進森林正向演替等經(jīng)營措施的制訂提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

興國縣(115°01′～115°51′E，26°03′～26°42′N)位于江西省贛州市北部，地貌以低山、丘陵為主，局部有中山、低山，海拔130～1 200 m，土壤以酸性紅壤為主；屬亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫18.9 ℃，無霜期280～300 d，年平均日照時間1 861.4 h，年均降水量1 539 mm，降水集中在4—6月；森林覆蓋率為72.2%，植被類型主要有針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、竹林等；據(jù)興國縣林業(yè)局相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，1973—2001年，興國縣馬尾松飛播造林實播面積達7.8萬hm2，保存面積6.4萬hm2，占現(xiàn)有有林地面積29.5%[11]。

2 研究方法

2.1 標準地設(shè)置

由于馬尾松幼林階段林分密度對土壤質(zhì)量的影響尚不明顯，而林木成熟后的自然稀疏作用使林分密度呈較低的水平。故以飛播馬尾松中齡林為研究對象，選擇立地條件相似的林分，分密度組Ⅰ(900～1 500株·hm-2)、密度組Ⅱ(1 500～2 100株·hm-2)、密度組Ⅲ(2 100～2 700株·hm-2)、密度組Ⅳ(2 700～3 300株·hm-2)分別設(shè)置標準地，每個密度組3個重復(fù)，共設(shè)置12個標準地，標準地面積為0.04 hm2(20 m×20 m)。標準地土壤類型均為紅壤，成土母巖為花崗巖，坡向為半陽坡，坡位為中坡。林下灌木多為檵木(Loropetalumchinense)和胡枝子(Lespedezabicolor)；草本多為鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、雀稗(Paspalumthunbergii)和五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)等，不同密度組標準地基本概況見表1。

表1 不同密度組標準地基本概況

2.2 林下植被層調(diào)查與生物量計算

在每塊標準地內(nèi)的四角及中心各設(shè)置1個4 m×4 m的小樣方，分別調(diào)查灌木、草本層蓋度及高度等因子；在每個小樣方內(nèi)分別設(shè)置1個2 m×2 m的灌木樣方和1個1 m×1 m的草本樣方，采用收獲法測定其生物量(包括灌木的根、莖、葉，草本的地上、地下部分)，現(xiàn)場分別稱量其鮮質(zhì)量，并分別取樣帶回實驗室經(jīng)烘干、粉碎，計算含水率，進而計算出小樣方內(nèi)的干物質(zhì)質(zhì)量(即生物量)，最后推算出每塊標準地的生物量。

2.3 土壤樣品的采集及測定

在每個標準地內(nèi)，選擇具有代表性的地塊，各挖取2個土壤剖面，用環(huán)刀采集0～10 cm的土壤以測定土壤密度，并在打環(huán)刀旁用鋁盒取約10 g左右的土壤樣品，用于測定土壤含水量。在標準地的上、中、下方3個取樣點分別用土鉆采集0～10 cm土層土壤樣品，并將土樣混合均勻后用四分法取1 kg左右，并將其分成2份帶回實驗室，一份放置在冰箱內(nèi)4 ℃低溫保鮮，用于測定土壤生物學(xué)性質(zhì)；另一份用于測定土壤的化學(xué)性質(zhì)。

含水量用酒精燃燒法；土壤密度、飽和持水量及總孔隙度用環(huán)刀法測定。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸氧化-硫酸亞鐵滴定法；全N用硫酸消化-凱氏定氮法測定；全P用酸溶-鉬銻抗比色法測定；全K用氫氧化鈉熔融-火焰光度法；速效N用堿解擴散法；速效P用氟化銨鹽酸比色法；速效K用醋酸銨提取-火焰光度法；pH值用電位法測定。土壤微生物量C、N采用氯仿熏蒸浸提法；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法(靛酚藍比色法)；酸性磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉比色法。

2.4 土壤質(zhì)量評價方法

土壤質(zhì)量評價是根據(jù)土壤內(nèi)部屬性對土壤綜合狀況進行表達[12]。本文采用最小數(shù)據(jù)集(MDS)土壤質(zhì)量評價方法，對土壤性質(zhì)指標進行選取，通過計算變量的特征值，綜合表達某變量在所有特征值≥1的主成分上的所有信息，避免僅考慮某變量在一個主成分上的荷載就剔除其它變量而造成信息丟失的現(xiàn)象。特征值的計算公式為[13]：

(1)

式中：Nik為第i個變量在特征值≥1的前k個主成分上的綜合荷載；Uik是第i個變量在第k個主成分上的荷載；λk是第k個主成分的特征值。

在每個特征值≥1的主成分中，將因子荷載≥0.5的土壤指標分為1組，若某土壤指標同時在兩個主成分中的荷載高于0.5，則該指標應(yīng)歸入到與其它指標相關(guān)性較低的那一組。計算每個土壤指標的綜合得分，每組中分值達到最高分值10%的指標被選取。若每組中所選指標相關(guān)度很高(r>0.60)，則選取分值最高的進入MDS，若相關(guān)性很低，則全部進入MDS[11，13]。

由于土壤各指標之間差異性大，需通過標準化處理消除變量量綱的影響，即將土壤指標轉(zhuǎn)化為0～1的隸屬度值，其計算公式為[14]：

Q(xi)=(xij-ximin)/(ximax-ximin)。

(2)

式中：Q(xi)為第i項土壤指標的隸屬度值；xij為各土壤指標的測定值；ximin和ximax分別為第i項土壤指標測定值中的最小值和最大值。

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(ISQ)的計算公式為[15]：

(3)

式中：Wi為第i項土壤指標所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進行分析，運用單因素方差，分析林下植被各層次不同密度組生物量及土壤性質(zhì)之間的差異。差異顯著時，運用多重比較法(LSD)進一步兩兩比較；采用主成分分析方法(PCA)，選取最小數(shù)據(jù)集(MDS)的指標及計算指標公因子方差。數(shù)據(jù)的處理及圖表的繪制使用EXCEL2003。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下植被特征

3.1.1 林下植被蓋度及高度

各密度組林下植被層(灌木與草本層)平均蓋度及高度見表2。由表2可知，各密度組灌木層平均蓋度為3%～15%，高度為0.70～0.82 m；草本層平均蓋度為55%～82%，高度為0.45～0.55 m。隨著林分密度的增加，灌木層平均蓋度逐漸減少，灌木層平均高及草本層平均蓋度均表現(xiàn)為密度組Ⅱ>密度組Ⅰ>密度組Ⅲ>密度組Ⅳ，草本層平均高度表現(xiàn)為密度組Ⅱ>密度組Ⅲ>密度組Ⅰ>密度組Ⅳ。

表2 不同密度組灌木、草本層平均蓋度、高度及生物量

3.1.2 林下植被生物量

由表2可知，各密度組灌木層生物量為0.25～0.71 t·hm-2，林下植被層(灌木層+草本層)生物量為6.53～9.84 t·hm-2；林下植被層生物量由大到小的順序為密度組Ⅱ>密度組Ⅲ>密度組Ⅰ>密度組Ⅳ。草本層生物量為6.27～9.13 t·hm-2，由大到小的順序為密度組Ⅱ>密度組Ⅰ>密度組Ⅲ>密度組Ⅳ。灌木層生物量占林下植被層生物量的比例都較小，僅為3.90%～8.01%，草本層位91.99～96.10%。方差分析發(fā)現(xiàn)，相同層次不同密度組生物量間無顯著差異(P>0.05)。

3.2 土壤質(zhì)量評價

3.2.1 土壤理化性質(zhì)

由表3可知，含水量、飽和持水量及總孔隙度均表現(xiàn)為密度組Ⅱ>密度組Ⅲ>密度組Ⅳ>密度組Ⅰ，不同林分密度間土壤飽和持水量及總孔隙度差異顯著(P<0.05)，且密度組Ⅱ的飽和持水量顯著大于其它密度組(P<0.05)，總孔隙度為密度組Ⅱ顯著大于密度組Ⅰ與密度組Ⅳ(P<0.05)。土壤密度表現(xiàn)為密度組Ⅳ最大，密度組Ⅱ最小，各密度組間無顯著差異(P>0.05)。

有機質(zhì)、全N、全P、全K及速效N質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大，速效P及速效K表現(xiàn)為密度組Ⅰ最大，pH值密度組Ⅳ最大。不同密度組間土壤全K質(zhì)量分數(shù)差異達顯著水平(P<0.05)，密度組Ⅱ顯著大于其它密度組(P<0.05)，而其它化學(xué)指標不同密度組間無顯著差異(P>0.05)。

表3 不同密度組土壤理化性質(zhì)

3.2.2 土壤生化特性

由表4可知，各密度組土壤微生物量C、N分別為151.383～421.690、27.860～62.684 mg·kg-1，土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性分別為6.116～17.608、0.098～0.275、0.136～0.198 mg·g-1。微生物量C、蔗糖酶及脲酶活性隨林分密度的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大；微生物量N隨林分密度的增加而減小，酸性磷酸酶隨密度的增加無明顯的變化規(guī)律。各密度組間土壤的生化特性差異均不顯著(P>0.05)。

表4 不同密度組土壤微生物量C、N及酶活性

3.2.3 土壤質(zhì)量綜合評價

Pearson相關(guān)分析可知，土壤各理化性質(zhì)指標之間存在很強的相關(guān)性，為消除信息重疊現(xiàn)象，需采用主成分分析對土壤物化性質(zhì)及生化特性指標進行選取。通過主成分分析，求出各主成分的特征值、方差貢獻率及累積方差貢獻率，提取特征值大于1的成分，共提取4個主成分，累積方差貢獻率為84.077%(見表5)，可認為這4個主成分已經(jīng)包含了原始數(shù)據(jù)絕大部分信息量。

表5 各主成分特征值及貢獻率

將土壤質(zhì)量指標分組后，對應(yīng)的特征值見表6。由表6可知，組1中，前3個指標都在特征范圍內(nèi)，但由于各指標間相關(guān)性較高(r>0.60)，故選取得分最大的飽和持水量進入MDS；組2中，總孔隙度符合特征值的要求，考慮到土壤有機質(zhì)對維持土壤肥力有著重要的作用且測定方便[16-17]，因此，也被選入MDS；組3、4中，速效P與蔗糖酶活性均進入MDS。因此，評價土壤質(zhì)量的MDS為：飽和持水量、總孔隙度、有機質(zhì)、速效P及蔗糖酶活性。

表6 各土壤指標特征值

通過主成分分析得出各土壤質(zhì)量指標的公因子方差，將各指標的公因子方差與MDS中所有指標公因子方差之和相除，得到飽和持水量、總孔隙度、有機質(zhì)、速效P及蔗糖酶活性的權(quán)重值分別為0.216、0.229、0.155、0.195和0.206。各指標采用隸屬度函數(shù)進行無量綱化處理，通過綜合指數(shù)計算公式(3)計算，不同密度組的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的大小順序為密度組Ⅱ(0.658)>密度組Ⅲ(0.378)>密度組Ⅰ(0.326)>密度組Ⅳ(0.261)。

4 結(jié)論與討論

林分密度直接影響到林分內(nèi)的光、熱、水分等資源的分配，導(dǎo)致林木與林下植被間的資源競爭[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同密度的飛播馬尾松林林下植被層特征有差異，隨著林分密度的增加，除灌木層平均蓋度逐漸減小外，草本層的平均蓋度、灌木層平均高、草本層平均高均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大。灌木層生物量、林下植被層總生物量、草本層平均高呈現(xiàn)相同的變化趨勢，草本層生物量與草本層平均蓋度、灌木層平均高變化趨勢一致。灌木層占林下植被層生物量的比例小，僅為3.90%～8.01%，這可能與飛播造林前水土流失嚴重對土壤種子庫造成的影響有關(guān)，而草本層多為鐵芒萁，由于其根莖繁殖力強、生長迅速的特點[19]，故草本層主導(dǎo)林下植被層特征。雖然飛播馬尾松林不同密度組的林下植被生物量間差異不顯著(P>0.05)，但林分密度在1 500～2 100株·hm-2時，林下植被層生物量最大，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果基本一致[7，19]。

飛播馬尾松林土壤含水量、飽和持水量及總孔隙度均表現(xiàn)為密度組Ⅱ>密度組Ⅲ>密度組Ⅳ>密度組Ⅰ，其中飽和持水量及總孔隙度差異顯著(P<0.05)，土壤密度表現(xiàn)為密度組Ⅱ最小(1.1～1.4 g·cm-3)，表示其土壤松緊程度適宜，保水能力較好[20]。土壤有機質(zhì)、全N、全P、全K及速效N質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大，pH值密度組Ⅳ最大，速效P及速效K表現(xiàn)為密度組Ⅰ最大，不同密度組間土壤全K質(zhì)量分數(shù)差異達顯著水平(P<0.05)，由于酸性土壤容易缺鉀，導(dǎo)致其對環(huán)境的響應(yīng)機制更為敏感。微生物量C、蔗糖酶及脲酶活性隨林分密度的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大，而酸性磷酸酶隨林分密度增加無明顯的變化規(guī)律，這與趙汝東等的研究結(jié)果一致[8]。

為了綜合評價比較飛播馬尾松林各密度組土壤質(zhì)量狀況，通過篩選MDS求出各密度組土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，從大到小依次為密度組Ⅱ(0.658)>密度組Ⅲ(0.378)>密度組Ⅰ(0.326)>密度組Ⅳ(0.261)，表明林分密度在1 500～2 100株·hm-2時土壤質(zhì)量最好?？当萚7]在對馬尾松人工林的研究中發(fā)現(xiàn)，中密度(1 800株·hm-2)林地養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)總體較高，且土壤理化特性也優(yōu)于過密或過疏的林分；陳莉莉等[21]研究發(fā)現(xiàn)中密度松櫟混交林(中齡林)土壤較疏松，土壤孔隙度較大，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高；高艷鵬等[22]得出密度為1 600株·hm-2的刺槐林土壤持水性能最好；趙汝東等[8]的研究也表明林分密度在1 560株·hm-2左右的馬尾松林下土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、速效鉀及全磷等質(zhì)量分數(shù)顯著較高，這些均說明林分密度與土壤性質(zhì)關(guān)系密切。本研究發(fā)現(xiàn)，飛播馬尾松林不同密度組土壤質(zhì)量變化趨勢與林下植被層生物量的變化趨勢一致，也正說明了林下植被對土壤養(yǎng)分的富集、生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)有著重要的作用[4，23]。丁松等[11]在對飛播馬尾松林林下植被蓋度對土壤質(zhì)量的影響的研究表明，土壤質(zhì)量會隨著林下植被蓋度的增加而得到顯著提高，與本研究的結(jié)果一致。

終上所述，飛播馬尾松林林分密度過高或過低均不利于林下植被的生長及土壤質(zhì)量的改善，較適宜的林分密度為1 500～2 100株·hm-2，因此，在對馬尾松飛播林向天然林改造過程中，可通過補植木荷(Schimasuperba)、楓香(Liquidambarformosana)等闊葉樹增加過疏林分的密度，以促進其正向演替。鄭偉等[24]的研究也證實，在馬尾松林中補植闊葉樹種有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，而對密度過大的林分可通過間伐措施，降低林分密度以促進林下植被層的恢復(fù)及土壤質(zhì)量的提高。

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Characteristics of Understory Vegetation and Evaluation of Soil Quality of Aerially SeededPinusmassonianaPlantation under Different Stand Densities//

Xiao Xin, Guo Xiaoyu, Ouyang Xunzhi, Wu Zirong

(Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：62-66.

Pinusmassonianaplantation; Stand density; Understory vegetation; Soil quality

1)國家自然科學(xué)基金項目(31160159，31360181)。

肖欣，女，1990年4月生，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail:xiaoxin19900415@126.com。

歐陽勛志，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail:oyxz_2003@hotmail.com。

2015年3月12日。

S714.2

責(zé)任編輯：王廣建。