徐國巧,李 校,萬一峰,楊柳,許中旗,賈彥龍

(1.河北省木蘭圍場國有林場,河北 圍場 068450；2.河北農(nóng)業(yè)大學 林學院,河北 保定 071000)

0 引言

圍欄封育是典型的自然恢復(fù)方式,通過把遭到破壞后留有的疏林、灌草叢和荒山封禁起來,降低人類活動的干擾,借助林木自然生長和演替的育林措施,從而恢復(fù)和發(fā)展森林資源[1]。因這種方式投資少,見效快,因此常被各國廣泛應(yīng)用于修復(fù)退化的生態(tài)系統(tǒng)。作為一種重要的植被恢復(fù)措施,圍欄封育在生物多樣性保育、涵養(yǎng)水源、保持水土、提高土壤肥力、促進森林更新與演替、碳固持等方面發(fā)揮著十分重要的作用[2]。

自20世紀末開始,國內(nèi)外眾多學者就圍封對植物群落可能產(chǎn)生的影響做了大量研究。Meissner等[3]研究了南美草原圍欄封育對植物群落和生產(chǎn)力的影響,并認為圍欄封育后,隨著時間的變化,退化草原植物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,生產(chǎn)力顯著提高。我國學者在圍封對草原土壤理化性質(zhì)、物種多樣性、植被蓋度、生物量等方面做了大量研究,發(fā)現(xiàn)圍欄封育不僅改變了草原植物優(yōu)勢種的組成[4],植被蓋度、地上生物量均顯著增加[5-6],而且還改善了土壤特性,降低了土壤容重[7],提高了土壤含水率和土壤孔隙度[8],改良了土壤結(jié)構(gòu)。圍欄封育對草原群落的影響已有廣泛研究,然而,放牧不僅對草原有影響,對一些森林尤其是林下植被和土壤同樣有影響，但是,目前關(guān)于圍欄封育對放牧干擾下的森林如何影響的研究鮮有報道。森林圍封后,林下植被的多樣性、生物量、土壤的理化性質(zhì)等指標會發(fā)生多大變化,值得我們深入探討。

本研究以河北省木蘭圍場國有林場常年受到放牧干擾的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林為研究對象,采用室外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,通過對華北落葉松人工林采用圍欄封育措施,對圍封樣地和對照樣地的草本、土壤、凋落物進行調(diào)查取樣,對草本生物量和多樣性,土壤容重、土壤持水量和土壤孔隙度以及凋落物的厚度和凋落物量進行對比分析,探究圍欄封育措施對燕山北部華北落葉松人工林林下土壤和植被的影響,以期為當?shù)亓窒轮脖换謴?fù)和生物多樣性保育提供參考依據(jù)。

1 研究地概況

河北省木蘭圍場國有林場位于河北省最北部的圍場滿族蒙古族自治縣。圍場縣地處大興安嶺余脈、內(nèi)蒙古高原和燕山余脈交匯處,地勢西北高、東南低,海拔750～2 067m,地理坐標為北緯41°35＇～42°40′，東經(jīng)116°32′～ 118°14′。屬溫帶半濕潤季風氣候區(qū),最高氣溫29.8 ℃,最低氣溫-42.9 ℃,年平均氣溫3.3 ℃,全年無霜期63 d,≤10 ℃的積溫為1 635～1 733 ℃,年平均大風天數(shù)79 d,最大瞬時風速40 m/s。冬季長,春秋短,夏季不明顯,盛行偏南風,7月份平均氣溫20.7 ℃,雨熱同期,境內(nèi)年均降水量445 mm,降水主要集中在6—8月。

華北落葉松是該地區(qū)的主要造林樹種,在該地區(qū)有大面積分布。由于林場的轄區(qū)與附近的村莊交叉錯落在一起,且該地區(qū)農(nóng)戶養(yǎng)殖牛、羊、馬等牲畜較多,因此,很多華北落葉松人工林常年受到放牧的影響。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在河北省圍場縣木蘭林場孟灤分場選擇4塊代表性的地塊設(shè)置圍封樣地,樣地面積為20 m×20 m。從2018年8月份用鐵絲網(wǎng)進行圍封,圍欄網(wǎng)邊界在樣地基礎(chǔ)上向外擴充5 m,高度為1.5 m。圍欄外設(shè)置4塊正常放牧樣地,確定邊界但不進行圍封設(shè)置。正常放牧地與圍欄樣地內(nèi)的草灌群落結(jié)構(gòu)、土壤條件等基本相同,作為對照樣地。在圍封1年后,于2019年8月對圍封樣地和對照樣地進行調(diào)查。

2.2 草本生物多樣性調(diào)查方法

在樣地內(nèi),用對角線法,每塊樣地設(shè)置5個1 m×1 m的樣方,調(diào)查樣地內(nèi)每個樣方草本植物的種類、蓋度、高度、數(shù)量,然后計算多樣性指數(shù)和重要值。

1)Simpson指數(shù)。

(1)

式中:D為辛普森指數(shù)；S為樣方中物種總數(shù)；Pi為物種i的個體數(shù)與所有物種個體總數(shù)之比。

2)Shannon-wiener指數(shù)。

(2)

式中:H′為香農(nóng)-威納指數(shù)；S為樣方中物種總數(shù)；Pi為物種i的個體數(shù)與所有物種個體總數(shù)之比。

3)Pielou均勻度指數(shù)。

E=H′/H′max

(3)

H′max=lnS

(4)

4)重要值(IV)。

重要值是評價植物種群在群落中作用的一項綜合性數(shù)量指標。

IV(%)=相對密度+相對蓋度+相對頻度

(5)

式中:相對密度(%)=100×樣方某種植物種群的密度/樣方所有植物的密度之和；相對蓋度(%)=100×樣方某種植物種群的蓋度/樣方所有植物的蓋度之和；相對頻度(%)=100×樣方某種植物種群的頻度/樣方所有植物的頻度之和。

2.3 草本生物量調(diào)查方法

在調(diào)查完草本的多樣性后,在相同的樣方里采用刈割法調(diào)查地上生物量,采用挖根法調(diào)查地下生物量,即在每個樣方中對植物地上部分進行刈割、地下部分進行挖根。除去粘附的土粒、沙石、雜質(zhì)后,裝入自封袋帶回實驗室,于85 ℃條件烘干24 h至恒重,稱其地上部分和地下部分的重量。

2.4 土壤物理性質(zhì)調(diào)查方法

在每塊樣地沿對角線四分點的三個位置取0～10 cm和10～20 cm的土壤樣品,每層取3個環(huán)刀、3個鋁盒,將樣品帶回實驗室進行分析。土壤容重用環(huán)刀法、土壤自然含水率測定用鋁盒烘干法。

用環(huán)刀法進行土壤各持水量和孔隙度的測定。

1)田間持水量:將取土的環(huán)刀上下兩個蓋子取走,用濾紙將環(huán)刀刀口一面包裹,并用橡皮筋將濾紙進行固定,然后用吸管向環(huán)刀滴水,直到底部濾紙全部潤濕,潤濕后馬上拿到天平上稱重,此時含水量為田間持水量。

2)毛管持水量:在塑料盆中倒入適量清水,用木板(長度超過容器直徑)橫搭在塑料盆頂,并用紗布覆于木板表面,將測完田間持水量的土樣放于木板,進行吸水,3小時后稱重。

3)飽和含水量:將少量水倒入塑料盆,使水的高度剛好低于環(huán)刀上刀口水平處,將做完毛管持水量的環(huán)刀浸在水中,等環(huán)刀中土壤吸入的水剛要溢出時從水中取出,稱重。

4)總孔隙度:用“3)”中測的環(huán)刀內(nèi)土壤的飽和含水量除以水的密度得到其體積,再除以環(huán)刀容積得到土壤總孔隙度。

5)毛管孔隙度:用“2)”中測的環(huán)刀內(nèi)土壤的毛管持水量除以水的密度得到其體積,再除以環(huán)刀容積得到土壤毛管孔隙度。

6)非毛管孔隙度:總孔隙度與毛管孔隙度之差。

2.5 凋落物調(diào)查方法

在每塊樣地沿對角線四分點的三個位置取50 cm×50 cm的凋落物樣方,先測量其厚度,然后收集測定鮮重,之后帶回實驗室烘干,測定含水率并計算干重。

2.6 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010對樣地的數(shù)據(jù)進行處理,并用SPSS軟件進行單因素(One way-ANOVA)方差分析,比較圍封與放牧條件下各指標的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 圍欄封育對草本植物多樣性的影響

由圖1可知,華北落葉松人工林圍封1年后,林下草本群落多樣性指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢,其中辛普森指數(shù)和香農(nóng)-威納指數(shù)未達到顯著水平,均勻度指數(shù)達到顯著水平(P<0.05)。

圍欄封育后,樣地中的草本植物的豐富度較對照樣地明顯增加,由35種增加為50種,而且圍封后草本植物的重要值發(fā)生了較大變化(表1)。圍封樣地草本植物重要值排序前10的物種較對照樣地變化了2種。寬葉苔草(CarexsiderostictaHance)和歪頭菜(ViciaunijugaA.Br.)成為重要值較高的物種,而蒲公英(Taraxacummongolicum)和唐松草(Thalictrumaquilegiifoliumvar.sibiricum)則重要值下降,未能進入排序的前10位。而且,在圍封樣地和對照樣地重要值前10的植物種類中共有的8個物種排序也發(fā)生了變化,其中種阜草(Moehringialateriflora(L.)Fenzl.)、北方拉拉藤(Galiumboreale)的重要值明顯增加,而老鸛草(GeraniumwilfordiiMaxim.)、紫斑風鈴草(CampanulapunctataLam.)、圓葉堇菜(Violapseudo-bambusetorum)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)的重要值明顯下降。

注:“*”表示圍封樣地與對照樣地之間存在顯著差異。圖1 圍欄封育對華北落葉松人工林草本多樣性的影響Fig.1 Impact of enclosure on herb diversity

表1 圍欄封育對華北落葉松人工林草本植物主要物種重要值的影響Tab.1 Impact of enclosure on the important values of main herbaceous species

3.2 圍欄封育對草本植物生物量的影響

圍欄封育后,樣地的總生物量增加了約4.5倍,地上部分生物量增加了約4.9倍,地下部分生物量增加了約3.9倍,均達到極顯著的差異(P<0.01)(圖2)。在地下部分與地上部分干重比上,圍封后的草本地下部分與地上部分比值為0.67,略低于對照樣地的0.71,但并未達到顯著水平。

3.3 圍欄封育對土壤物理性質(zhì)的影響

圍欄封育后,0～10 cm和10～20 cm土層的土壤自然含水率在圍封樣地與對照樣地間均無明顯差別(表2)。圍封樣地的土壤容重較對照樣地降低了,其中10～20 cm土層達到顯著水平(P<0.05)。田間持水量、毛管持水量、飽和持水量、總孔隙度和非毛管孔隙度在圍封樣地的兩個土層均增加,其中10～20 cm土層的飽和持水量和總孔隙度均達到極顯著水平,分別增加了約12.80%和7.10%(表2)。

注:“**”表示圍封樣地與對照樣地之間存在極顯著差異。圖2 圍欄封育對華北落葉松人工林草本植物生物量的影響Fig.2 Impact of enclosure on herbaceous biomass

表2 圍欄封育對華北落葉松人工林不同土層土壤物理性質(zhì)的影響Tab.2 Impact of enclosure on soil physical properties

3.4 圍欄封育對凋落物的影響

圍欄封育后,凋落物厚度由對照樣地的2.98 cm增加為圍封樣地的3.36 cm,二者之間差異不顯著(P>0.05)(表3)。凋落物儲量在二者之間無顯著變化,但是,圍封樣地凋落物的自然含水率較對照樣地上升了33.33%,達到極顯著差異(P<0.01)。

表3 圍欄封育對華北落葉松人工林林下凋落物的影響Tab.3 Impact of enclosure on litterfall

4 討論

物種多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。研究表明,圍封對草地植物多樣性的影響結(jié)果不同,有的結(jié)果顯示圍封增加了草本植物多樣性[9],有的則降低了多樣性[10],還有結(jié)果顯示對多樣性沒有影響[11]。草地類型[12]和封育時間[13]是出現(xiàn)這些不同結(jié)果的主要原因。在本研究中,圍封1年后,華北落葉松林下的草本植物豐富度由35種增加到50種,均勻度顯著降低,而辛普森指數(shù)和香農(nóng)-威納指數(shù)則略有下降,說明主要是均勻度的降低導致了多樣性的下降趨勢,而沒有了牲畜的干擾，一些物種開始出現(xiàn)?？梢灶A(yù)見,隨著圍封時間的延續(xù),多樣性可能會進一步下降。而且,重要值的變化也支持了上述分析。本研究中，短期的圍封已經(jīng)對草本植物的重要值產(chǎn)生了明顯影響,草本層的優(yōu)勢種正在發(fā)生變化。優(yōu)勢種改變的原因可能有三個方面:1)牛、羊等牲畜在啃食植物時對植物的種類有所偏好；2)不同植物對牲畜踩踏等干擾的抗性不同；3)圍欄后,沒有了牲畜的干擾,導致群落物種間競爭加劇,一些適應(yīng)新環(huán)境的物種逐漸成為優(yōu)勢種。

生物量是反應(yīng)群落生產(chǎn)力和碳儲量的重要指標。大多數(shù)研究表明,圍欄封育會顯著提高草地植物群落的生物量,尤其是地上生物量[14-15]。在本研究中,短期封育即顯著提高了華北落葉松林下草本層總生物量,特別是地上生物量提高了近5倍。由于牲畜主要取食植物的地上部分,而地下部分生物量的減少則是由于葉片的減少導致光合作用降低,進而影響到地下根系的生物量。因此,牲畜干擾導致的草本植物生物量的減少,一方面來自于取食作用,另一方面來自于取食后對植物生長的抑制作用。因此,森林封育后釋放了草本植物的生產(chǎn)力,生物量顯著增加,這進一步會導致凋落物增加,促進養(yǎng)分循環(huán),長久來看將有助于森林喬木層的生長。

在土壤物理性質(zhì)方面,圍欄封育使土壤環(huán)境條件得到改善,土壤容重降低、土壤孔隙度和土壤持水量得到提高[16-17]。本研究也得到相同的結(jié)果。圍封后的土壤由于受到牲畜的踩踏減少,土壤緊實度降低,因此土壤容重會隨著圍封的進行而下降。而且,圍封后植物的生長得以恢復(fù),根系生長更加旺盛,增強了對土壤的疏松作用,也會進一步降低土壤的容重。封育后,在土壤和植物根系的協(xié)同作用下,土壤容重降低,土壤孔隙度和持水能力增加,土壤結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,這又會提高植物的養(yǎng)分和水分獲取,從而促進植物的生長,使得封育后的土壤和植物作用進入良性循環(huán),最終提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

5 結(jié)論

本研究對圍欄封育1年后華北落葉松人工林林下草本層、土壤和凋落物的變化進行研究分析,得出以下結(jié)論:

1)圍封1年后,林下草本層生物量顯著增加,草本植被多樣性略有下降,而物種優(yōu)勢度發(fā)生了較大變化。

2)圍封措施降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度和持水性能,對土壤的改良作用初現(xiàn)。在林下凋落物方面,圍封增加了凋落物層厚度和含水率。