郭文芳,李 鑫,陳艷梅,劉倩愿,王佳樂

河北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心,河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050024

植被-土壤是一個(gè)相互作用,相互影響的有機(jī)整體,兩系統(tǒng)間存在著天然的耦合關(guān)系。土壤養(yǎng)分、水分為植物生長、發(fā)育、繁殖提供基礎(chǔ)支撐[1—3],植物也通過對土壤養(yǎng)分吸收、固定、積累和分解過程,改變土壤理化性質(zhì)[[4—5]。坡地土層淺薄易侵蝕,地表植被覆蓋物稀疏,植被-土壤耦合協(xié)調(diào)狀況較差[6—7],恰當(dāng)?shù)墓芾泶胧┠芨纳破碌刂脖慌c土壤的恢復(fù)條件,增強(qiáng)坡面生境抗侵?jǐn)_能力[8],提高植被-土壤系統(tǒng)耦合度。因此,研究不同管理措施對坡面植被-土壤耦合關(guān)系的影響,對促進(jìn)坡地植被-土壤資源的高效利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者從多角度揭示了植被群落與土壤間的耦合關(guān)系。白一茹[9]等研究寧夏南部寧南山坡面在林地、灌木地、棄耕地、草地和農(nóng)地等不同土地利用方式下植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)狀況,結(jié)果表明,不同利用方式下的植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度不同,農(nóng)地、草地的耦合協(xié)調(diào)度高于林地、灌木地,農(nóng)地協(xié)調(diào)狀況最好。徐明[10]等、李豪[11]等均以黃土高原溝谷地為研究區(qū),分別探究不同植被恢復(fù)模式、不同微地形地貌類型對植被-土壤耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的影響,研究發(fā)現(xiàn)不同植被恢復(fù)模式下刺槐(Robiniapseucdoacacia)林溝和檸條(Caraganakorshinskii)灌叢溝的發(fā)展?fàn)顩r較好;不同地形地貌條件下植被-土壤系統(tǒng)處于完全不同的發(fā)展?fàn)顩r,其中切溝和塌陷的情況最好,而原狀坡情況最差。王皓月[3]等分析了九峰山側(cè)柏(Platycladusorientalis)、檸條(Caraganakorshinskii)、山楊(Pobulusdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)等不同林分類型下的植被-土壤間相互作用,研究發(fā)現(xiàn)土壤的發(fā)展?fàn)顩r整體優(yōu)于植被的發(fā)展?fàn)顩r,且檸條(Caraganakorshinskii)較其他林分能夠較大提高植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度。上述相關(guān)研究成果探究了不同土地利用方式、不同植被恢復(fù)模式及不同微地貌類型下生態(tài)林、經(jīng)濟(jì)林植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度。此外,研究經(jīng)濟(jì)林下不同管理措施對植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度的研究也較豐富,如南國衛(wèi)[12]等探究黃土丘陵地區(qū)側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformnis)、榆樹(Ulmuspumila)、檸條(Caraganakorshinskii)等經(jīng)濟(jì)林在多樹種混交及梯田改造等管理措施下對植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的改善效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)側(cè)柏(Platycladusorientalis)+油松(Pinustabulaeformnis)梯田模式對土壤環(huán)境和植被生長的改善作用最好;黃鑫龍等[13]探討安徽寧國縣山核桃林(CaryacathayensisSarg.)下種植紫穗槐(Amorphafruticose)、百喜草(Paspalumnotatum)以及施除草劑等不同管理措施對植被-土壤系統(tǒng)的影響,分析得出種植百喜草(Paspalumnotatum)能更好的促進(jìn)林下植被生長、提高土壤質(zhì)量,使植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度提高。上述研究主要集中于中國西北部或南方地區(qū),華北地區(qū)相關(guān)報(bào)道較少,且現(xiàn)有研究側(cè)重分析不同類型管理措施對植被-土壤系統(tǒng)耦合關(guān)系的影響,涉及由原生灌草地到不管理的人工林、人工林下清除灌草、人工林下清除灌草并施肥的不同管理梯度的研究較少,開展此類型研究,有助于闡明植被-土壤系統(tǒng)恢復(fù)、改善的關(guān)鍵環(huán)節(jié),便于優(yōu)選最佳管理措施,有深入研究的空間和價(jià)值。

太行山東麓低山丘陵區(qū)自然生態(tài)基底敏感脆弱,長期人類活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)坡地生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化,目前仍是國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)[14]。自2000年起,為改善坡地生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)民增收,該區(qū)域陸續(xù)實(shí)施大規(guī)模經(jīng)濟(jì)林建設(shè)工程,通過培植薄皮核桃(JuglansregiaL.)、蘋果(Malusdomestica)等經(jīng)濟(jì)樹種,使該區(qū)域森林覆蓋率大幅度提升,取得了顯著的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益,但是也出現(xiàn)一些新問題,如林下水土流失、部分果樹生長情況較差等,經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提升。本研究以太行山東麓丘陵坡地為研究區(qū),探究原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4種不同管理措施下植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,重點(diǎn)解決以下問題:(1)不同管理措施下土壤理化性質(zhì)和植物多樣性存在什么顯著特征?(2)土壤理化性質(zhì)與植物多樣性指標(biāo)間存在哪些相關(guān)性?(3)不同管理措施下植被-土壤系統(tǒng)發(fā)展模式分別是什么?哪種管理措施下植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度最高?

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于太行山東麓低山丘陵區(qū),子牙河水系午河上游,河北省邢臺市臨城縣綠蕾農(nóng)林科技有限公司核桃基地內(nèi)(114°29′16"E—114°30′1.4"E,37°29′47"N—37°29′2.70"N),屬于丘陵坡地,海拔高度120—200 m。氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季分明,年內(nèi)溫差大,年平均氣溫在12℃—14℃,其中1月為最冷,平均氣溫在-2℃左右;7月最熱,平均氣溫為27℃;降水多集中在7—9月,年均降水量605 mm。主要土壤類型為棕壤和在花崗片麻巖等風(fēng)化母質(zhì)上發(fā)育而來的山地褐土,土質(zhì)中性偏堿,土壤沙性強(qiáng),土層淺薄且易侵蝕?，F(xiàn)有天然植物主要為灌木和草本,低坡有人工種植的喬木,優(yōu)勢物種主要為核桃(JuglansregiaL.)人工林和酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測定方法

1.2.1樣地布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)存在多個(gè)坡頂至坡腳為完整、典型的丘陵緩坡地,從2003年開始,該區(qū)內(nèi)坡面大規(guī)模種植人工核桃林,形成由坡頂至坡底按原生灌草-人工喬灌草的植被布局?；谝巴庹{(diào)查,在2021年10月選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)西北部的坡度9°、海拔140—155 m坡地為研究對象,在該坡地南坡向已經(jīng)形成不同管理措施的核桃林和未受人為活動(dòng)影響的原生灌草植被,在坡上選取3種采取管理措施的核桃林作為研究樣地(T1、T2、T3),同時(shí)選定一塊原生灌草地(S1)作為對照樣地(表1),每個(gè)樣地大小為50 m×50 m,4種樣地類型照片見圖1,在4個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行植被調(diào)查和土壤樣品采集。

圖1 樣地基本情況Fig.1 Basic information about the sample sites

表1 研究樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of the study plot

S1: 原生灌草樣地 Native shrub-herbs land; T1: 未管理的人工核桃林草樣地 Unmanaged walnut plantation; T2: 定期清除灌草的人工核桃林草樣地 Walnut plantation with a removal of shrub-herbs; T3: 定期清除灌草并施肥的人工核桃林草樣地Walnut plantation with a removal of shrub-herbs and fertilization; 植被類型:喬木主要為核桃樹(JuglansregiaL.);灌木主要為荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)等;草本主要為狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、狗牙根(Cynodondactylon)、鵝絨藤(CynanchumchinenseR. Br)等

1.2.2土壤樣品采集及植被調(diào)查

2021年10月對4塊研究樣地進(jìn)行土壤樣品采集和植物群落調(diào)查。在4塊樣地內(nèi)均隨機(jī)設(shè)置1個(gè)10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方,在標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)采用等距取樣法設(shè)置4個(gè)1 m×1 m的小樣方,在每個(gè)小樣方的4個(gè)角處設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn),用環(huán)刀和自封袋采集坡地0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm層土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,用于測定土壤理化指標(biāo)。因4塊研究樣地群落結(jié)構(gòu)差異,故分別按灌木層、草本層進(jìn)行調(diào)查采樣。灌木層調(diào)查:在灌木群落外貌較為一致的S1、T1樣地各設(shè)4個(gè)2 m×2 m標(biāo)準(zhǔn)樣方,統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)灌木種類、數(shù)量,高度、灌木蓋度等。草本層調(diào)查:在4塊樣地內(nèi)各設(shè)4個(gè)1 m×1 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方,記錄樣方內(nèi)草本種類、株數(shù)、株高、植被蓋度等指標(biāo)。

1.2.3植物群落特征與土壤理化性質(zhì)測定與分析

(1)林下植物多樣性

植物物種多樣性是坡面植物群落生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要功能與標(biāo)志[15—17],本研究通過對比分析,采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)、Margalef豐富度指數(shù)(DMG)和Pielou均勻度指數(shù)(E)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行坡面林下植物群落多樣性計(jì)算[18],計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,S為物種數(shù)目;Pi為第i種的相對個(gè)體數(shù),即Pi=Ni/N,其中N為樣方內(nèi)全部種的個(gè)體總數(shù),Ni為第i種的個(gè)體數(shù)。

(2)土壤理化性質(zhì)的測定

采用土壤剖面法在4塊樣地進(jìn)行土壤樣品采集,用于土壤基本理化性質(zhì)測定。本研究選取了土壤含水率(Soil water content, SWC)、pH、電導(dǎo)率(Electrical conductivity,EC)、有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)、全氮(Total nitrogen, TN)、全磷(Total phosphorus, TP)、全鉀(Total potassium, TK)進(jìn)行分析測定。其中,土壤含水率采用烘干稱量法測定;土壤pH值采用電極電位法測定;土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定;土壤有機(jī)碳和土壤全氮采用CN元素分析儀測定[19];土壤全磷含量采用鉬銻抗比色法測定;土壤全鉀采用原子吸收分光光度法測定。

1.3 植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度評價(jià)法

為了準(zhǔn)確評價(jià)不同管理措施下林草群落與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,在設(shè)置評價(jià)指標(biāo)體系時(shí),借鑒相關(guān)研究成果[11,20],構(gòu)建能夠反映不同管理措施植被-土壤耦合協(xié)調(diào)評判的2級次指標(biāo)。本研究共選取植物指標(biāo)4個(gè),土壤指標(biāo)7個(gè),共計(jì)11個(gè)指標(biāo)。

1.3.1熵值綜合權(quán)重法

植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度評價(jià)涉及植被、土壤兩個(gè)子系統(tǒng),各系統(tǒng)的指標(biāo)系數(shù)存在量綱不統(tǒng)一的問題,本研究采用熵值法來確定各指標(biāo)的權(quán)重值。

(1)構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣

R=(rij)m×n

(5)

該矩陣中m為評價(jià)對象,n為評價(jià)指標(biāo),其中(i=1,2,3....m;j=1,2,3…n)

(2)為了消除指標(biāo)單位不同所帶來的誤差,使其數(shù)據(jù)具有可比性,采用極差法對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,公式為:

bij=(rij-rmin)(rmax-rmin)

(6)

bij=(rmax-rij)(rmax-rmin)

(7)

式中:bij,rij分別為極差標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)、原始指標(biāo)數(shù)據(jù);rmax,rmin分別為同一指標(biāo)不同評價(jià)對象的最大值與最小值。公式(6)和公式(7)分別表示正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)。

(3)各評價(jià)指標(biāo)的熵(Ej)為:

(8)

(9)

(4)各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(Wj)為:

(10)

計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)權(quán)重值(表2):

表2 植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度指標(biāo)及權(quán)重Table 2 Vegetation-soil system coupling coordination index and weight

1.3.2植被-土壤耦合模型

(1)耦合度模型

耦合度是度量系統(tǒng)或要素之間相互作用和影響程度的定量指標(biāo),本研究中分別用VCE(x)和SCE(y)表示植被系統(tǒng)和土壤系統(tǒng),公式如下:

(11)

(12)

式中:pixi為植被系統(tǒng)中第i個(gè)土壤要素的權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)化值,qjyj為土壤系統(tǒng)中第j個(gè)土壤要素的權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)化值。

植被-土壤系統(tǒng)的耦合度模型計(jì)算公式為:

(13)

式中:Csp為植被-土壤系統(tǒng)的耦合度;0≤Csp≤1。當(dāng)Csp接近于0時(shí),說明植被-土壤系統(tǒng)要素之間不存在明顯關(guān)聯(lián),當(dāng)Csp接近于1時(shí),說明植被-土壤系統(tǒng)要素之間存在明顯耦合關(guān)聯(lián)。

H′: Shannon-Wiener多樣性指數(shù) Shannon-Wiener diversity index;C: Simpson優(yōu)勢度指數(shù) Simpson dominance index; DMG: Margalef豐富度指數(shù) Margalef richness index;E: Pielou均勻度指數(shù) Pielou evenness index; SOC: 土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon; TN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; TK: 全鉀 Total potassium;EC: 電導(dǎo)率 Electrical conductivity; pH: 土壤pH Soil pH; SWC: 土壤含水率 Soil water content

(2)耦合協(xié)調(diào)度模型

為了彌補(bǔ)耦合度模型不能反映植被-土壤系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的“功效”和“協(xié)同”效應(yīng)的缺陷[20],構(gòu)建能反映植被-土壤系統(tǒng)相互作用的協(xié)調(diào)度模型:

T=αVCE(x)+βSCE(y)

(14)

(15)

式中:T為植被-土壤系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)度系數(shù);α,β為土壤和植被系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率,考慮到太行山區(qū)的實(shí)際情況,認(rèn)為土壤和植物系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中處于同等重要的地位,設(shè)α=β=0.5。Dc為植被-土壤系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)度;0≤Dc≤1,當(dāng)Dc接近于0時(shí),說明植被-土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度越差,當(dāng)Dc接近于1時(shí),說明植被-土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度越好。

(3)植被-土壤系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展類型的判斷標(biāo)準(zhǔn)

目前,國內(nèi)外研究對于耦合協(xié)調(diào)度等級劃分缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本文參考前人的研究成果[9],根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度數(shù)值Dc將植被-土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)模式進(jìn)行分類,根據(jù)植被-土壤耦合協(xié)調(diào)程度VCE(x)/SCE(y)得出植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)特征,最終評判出太行山坡地植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和LSD顯著性檢驗(yàn);用Pearson法對植物群落特征與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行分析,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn);YAAHP 11.2進(jìn)行層次分析法確定權(quán)重;采用Origin 2022作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)特征

土壤電導(dǎo)率、含水率、pH對4種不同管理措施呈現(xiàn)不同程度的響應(yīng)(圖2)。不同管理措施0—30 cm土層土壤平均電導(dǎo)率為78.01—114.23 us/cm,T1顯著高于T2、S1(P<0.05),T3與其他管理措施間差異不顯著,表明采取管理措施的土壤電導(dǎo)率較高。0—30 cm土層土壤平均含水率存在顯著性差異(P<0.05),表現(xiàn)為T3>T2>S1>T1,但S1、T1,T2、T3間差異不顯著,由此發(fā)現(xiàn),在栽植人工核桃林基礎(chǔ)上,定期清除林下灌草及施肥的土壤含水率較高,表明隨著管理程度增強(qiáng),土壤含水率大體呈增加趨勢。不同管理措施0—30 cm土層土壤pH具有顯著差異(P<0.05),均呈現(xiàn)弱堿性,其中T2土壤pH值最高,S1則最低,T3與其他管理措施間不存在顯著性差異,不同管理措施對土壤pH影響程度較小。

圖2 不同管理措施下土壤理化性質(zhì)特征Fig.2 Characteristics of soil physicochemical properties under different management measures圖中不同小寫字母表示不同管理措施間差異顯著(P<0.05)

對不同管理措施下土壤養(yǎng)分含量分析表明,4種管理措施下0—30 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀和pH存在顯著差異(P<0.05),但差異程度不一致。0—30 cm土層土壤有機(jī)碳含量范圍為11.87—23.22 g/kg,表現(xiàn)為T1>S1>T2>T3,T1與其他管理措施間存在顯著差異(P<0.05),且土壤有機(jī)碳含量整體呈隨管理程度增強(qiáng)而下降的趨勢。土壤全氮、全磷含量變化較為一致,分別為T1>T3>S1>T2和T1>T3>T2>S1,隨管理程度增強(qiáng),均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,T1與其他管理措施存在顯著差異(P<0.05),S1、T2、T3含量較低且彼此間無顯著差異。不同管理措施下土壤全鉀含量范圍為7.59—11.39 g/kg,由高到低依次為T3>T2>T1>S1,T3、T2與S1間差異顯著(P<0.05),人工種植核桃林、核桃林地內(nèi)定期清除林下灌草、核桃林地內(nèi)定期清除林下灌草并施肥的土壤全鉀含量均較高,且隨管理程度增強(qiáng)呈增加趨勢。由此可見,不同管理措施對土壤養(yǎng)分含量的影響存在較大差異,T1的養(yǎng)分情況總體相對較好。

2.2 植物多樣性特征

通過對不同管理措施下的植物多樣性指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(表3),T2的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著高于其他管理措施(P<0.05),且S1、T1、T3之間無顯著差異,表明隨管理程度增強(qiáng),植物物種多樣性呈先增加后降低的趨勢,但均高于原生灌草地。在Pielou均勻度指數(shù)方面,不同管理措施下的Pielou指數(shù)由高到低為T2>T3>T1>S1,且相互之間不存在顯著性差異,說明種植核桃林以及定期除草、施肥等管理措施對植物群落物種分布均勻度的影響較小。不同管理措施下Simpson優(yōu)勢度指數(shù)范圍為0.28—0.68,表現(xiàn)為S1>T1>T3>T2,T2與其他管理措施間存在顯著性差異(P<0.05),隨管理程度增強(qiáng),優(yōu)勢度呈先降低后增加的趨勢,但均低于原生灌草地。不同管理措施Margalef豐富度指數(shù)由高到低依次為T2>S1>T3>T1,T2顯著高于其他管理措施(P<0.05),其他三種管理措施間則未呈現(xiàn)顯著性差異。由此可知,T2的4種植物多樣性指標(biāo)與其他管理措施間均存在顯著性差異(P<0.05),植物群落的多樣性、均勻度、豐富度指數(shù)較高,但優(yōu)勢度指數(shù)較低。

表3 不同管理措施下植物多樣性特征Table 3 Characteristics of vegetation diversity under different management measures

2.3 坡面植被-土壤系統(tǒng)因子間相關(guān)性分析

為進(jìn)一步揭示植被-土壤各因子之間的相互關(guān)系,應(yīng)用Origin 2022進(jìn)行相關(guān)分析(圖3)。在土壤系統(tǒng)因子方面,土壤有機(jī)碳和全氮、電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);土壤全氮與全磷、電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);土壤全鉀與土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05);土壤電導(dǎo)率與土壤pH呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。在植物多樣性方面,Shannon-Wiener指數(shù)與Pielou、Margalef指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與Simpson指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);Pielou指數(shù)與Margalef指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與Simpson指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);Simpson指數(shù)與Margalef指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。在土壤因子與植物多樣性關(guān)系方面,土壤有機(jī)碳與Simpson指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),土壤全氮與Shannon-Wiener和Margalef指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),土壤系統(tǒng)其他因子則與植物多樣性無顯著相關(guān)性。

圖3 坡面植被-土壤系統(tǒng)因子相關(guān)性分析Fig.3 Correlation Analysis of Slope Vegetation-Soil System Factors圈內(nèi)*表示顯著度P<0.05;SOC: 土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon; TN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; TK: 全鉀 Total potassium; EC: 電導(dǎo)率 Electrical conductivity; pH: 土壤pH Soil pH; SWC: 土壤含水率 Soil water content; H′: Shannon-Wiener多樣性指數(shù) Shannon-Wiener diversity index; E: Pielou均勻度指數(shù) Pielou evenness index; C: Simpson優(yōu)勢度指數(shù) Simpson dominance index; DMG: Margalef豐富度指數(shù) Margalef richness index

2.4 坡面植被-土壤系統(tǒng)耦合評價(jià)

各不同管理措施下坡面植被綜合指數(shù)VCE(x)、土壤綜合指數(shù)SCE(y)及植被-土壤系統(tǒng)耦合度Dc指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如下(表4)?？傮w上,T1、T3具有較高的植被綜合指數(shù)VCE(x),T2具有較高的土壤綜合指數(shù)SCE(y)和耦合度指數(shù)Dc。土壤綜合指數(shù)具體表現(xiàn)為T2>T3>S1>T1,說明給人工核桃林樣地定期除草和施肥,會(huì)在不同程度上改良土壤質(zhì)量,特別是給人工林定期清除林下灌草。植被綜合 指數(shù)具體表現(xiàn)為T1>T3>T2>S1,說明所有人工核桃林分的植物生長水平均高于原生灌草地。植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度表現(xiàn)為:T2>T1>T3>S1,S1為嚴(yán)重失調(diào)發(fā)展模式植被-土壤同步發(fā)展型,說明土壤系統(tǒng)基本可以滿足植物的生長需求,但植被生長水平和土壤質(zhì)量均較差;T1、T3屬于同一類耦合模式,即中度失調(diào)發(fā)展模式土壤滯后發(fā)展型,說明土壤系統(tǒng)制約了植被的可持續(xù)發(fā)展;T2屬于輕度失調(diào)發(fā)展模式植被滯后發(fā)展型,說明定期清除林下灌草會(huì)破壞植被生長,導(dǎo)致樣地植被系統(tǒng)制約了土壤系統(tǒng)的發(fā)展。由此來看,采取管理措施樣地的耦合協(xié)調(diào)度均高于原生灌草地,且栽種人工核桃林并定期清除林下灌草的耦合協(xié)調(diào)度較高,說明恰當(dāng)?shù)墓芾泶胧μ猩狡碌氐纳鷳B(tài)恢復(fù)起到一定程度的促進(jìn)作用。

表4 坡面植被-土壤生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀況評判結(jié)果Table 4 Evaluation results of the coupling coordination status of slope vegetation-soil ecosystem

3 討論

3.1 不同管理措施下土壤理化性質(zhì)和植物多樣性差異顯著

在種植人工核桃林不管理的情況下,土壤含水量較低,土壤電導(dǎo)率和pH較高;在林下定期除草的管理措施下,土壤含水率較高;林下定期除草且施肥的土壤pH較低。原因可能是種植人工核桃林使群落結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,喬木、灌木和大量草本植物同時(shí)存在,植物細(xì)根更加密集,核桃林以及刺槐、酸棗等耗水能力較大,對土壤水分消耗量較大,定期清除林下灌草使得林下植被減少,對水分需求減少[21]。此外,地表植被根系在吸收水分的同時(shí),溶于水的無機(jī)鹽類(如硫酸鹽、硝酸鹽以及鉀、鈣、鎂等離子)也隨水分被根系吸收,使得電導(dǎo)率值升高[22]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量下降會(huì)降低土壤累積礦化氮量和凈礦化速率,使pH上升,與施肥的作用相反[23],這與田冬[24]等人的研究結(jié)果相一致。

種植人工核桃林不管理措施下土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分含量較高,而清除林下灌草并施肥土壤養(yǎng)分含量較低,主要是因?yàn)榉N植核桃林使植物種增加,凋落物及細(xì)根分解會(huì)增加土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷等土壤養(yǎng)分含量[25—26],在定期清理灌草及施肥后,核桃林下灌草植被、凋落物減少,細(xì)根消亡,坡面土壤抗雨水沖刷能力的下降,造成土壤侵蝕和養(yǎng)分流失,這與遼東山區(qū)[27]間伐人工林能顯著降低土壤養(yǎng)分元素含量的研究結(jié)果基本一致。

在植物多樣性方面,本研究發(fā)現(xiàn)種植人工核桃林并清除灌草的林下植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)較高,Simpson優(yōu)勢度指數(shù)較低,但不同管理措施對Pielou均勻度指數(shù)無較大影響。原因可能是林下除草側(cè)重考慮林下植被高度,大部分清除的是灌木植物,反而提高了林下草本植物的高度和密度[28]。

3.2 植物多樣性與土壤有機(jī)碳、全氮之間相關(guān)性顯著

在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中,植被的生長和分布會(huì)對土壤環(huán)境產(chǎn)生顯著影響,而土壤環(huán)境的改變又會(huì)引起植被的特異性改變,進(jìn)而影響植被的分布和結(jié)構(gòu)[29]。針對土壤與植物的相互關(guān)系,眾多研究表明土壤水分、營養(yǎng)元素等與植物多樣性具有顯著相關(guān)性[11, 30—31]。本研究中,植被和土壤因子的相關(guān)性主要體現(xiàn)在植物多樣性特征與土壤有機(jī)碳、全氮之間。土壤有機(jī)碳、全氮含量增加會(huì)顯著提高植被優(yōu)勢度,但會(huì)降低植物多樣性、豐富度和均勻度,這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳和全氮可以影響土壤的潛在肥力,對植物的生長發(fā)育影響很大,而植物也能通過殘?bào)w分解等方式對土壤有機(jī)碳和全氮進(jìn)行補(bǔ)給,因此它們相互間較易建立相互聯(lián)系,多數(shù)研究也得出了相似的結(jié)論[32—33]。本研究中,土壤全磷、全鉀與植物多樣性之間不存在顯著相關(guān),這與濮陽雪華[34]等人的研究結(jié)果相一致,但楊青青[35]等研究發(fā)現(xiàn)土壤鉀對林下植物多樣性有顯著影響,出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能與地上植被類型和植被-土壤系統(tǒng)的耦合發(fā)展?fàn)顟B(tài)有關(guān)[11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),植物多樣性并不是一直受到水分條件的直接影響,這與本研究結(jié)果較一致,可能是因?yàn)榱窒轮参飳Νh(huán)境產(chǎn)生抗逆性,是生態(tài)適應(yīng)性的結(jié)果[36—37]。

3.3 人工核桃林下定期清除灌草的植被-土壤耦合協(xié)調(diào)關(guān)系較好

太行山坡地不同管理措施下植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系存在差異,總體處于失調(diào)發(fā)展模式,涵蓋從嚴(yán)重失調(diào)到輕度失調(diào)3種類型。本研究發(fā)現(xiàn),種植核桃林的耦合協(xié)調(diào)度均高于未管理的原生灌草地,這與王皓月等[3]發(fā)現(xiàn)種植人工林能改善植被恢復(fù)與土壤環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)性的研究結(jié)果相一致。不同管理措施下植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀況較好的是定期清除林下灌草的人工核桃林,屬于輕度失調(diào)發(fā)展模式植被滯后發(fā)展型,因林下定期除株高≥20—30 cm灌草植物,導(dǎo)致植被狀況相對較差,林下植被減少,對土壤水分、養(yǎng)分需求減少,土壤發(fā)展?fàn)顩r優(yōu)于植被發(fā)展?fàn)顩r。在未管理的核桃林區(qū)土壤狀況相對較差,主要原因是該區(qū)域?qū)儆谇鹆昶碌?土壤環(huán)境本底貧瘠,種植核桃林后未進(jìn)行任何管理,核桃樹長勢較差,多數(shù)與灌木、高草高度類似,加速了土壤水分的消耗,削弱了土壤養(yǎng)分的更新能力,導(dǎo)致土壤系統(tǒng)綜合得分較低。

4 結(jié)論

(1)不同管理措施下土壤理化性質(zhì)和植物多樣性特征差異顯著。不管理人工核桃林草樣地的土壤含水率較低,電導(dǎo)率和pH較高,土壤有機(jī)碳、全氮、全磷等養(yǎng)分含量較高;定期除草不施肥的人工核桃林草樣地的土壤含水率較高;定期除草并施肥的人工核桃林草樣地的土壤pH較低。在植物多樣性方面,定期除草不施肥的人工核桃林草樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)較高,Simpson優(yōu)勢度指數(shù)較低,但不同管理措施下Pielou均勻度指數(shù)無顯著差異。

(2)植被和土壤因子的相關(guān)性主要體現(xiàn)在植物多樣性特征與土壤有機(jī)碳、全氮之間。土壤有機(jī)碳與Simpson優(yōu)勢度指數(shù)呈顯著正相關(guān),與Shannon-Wiener多樣性、Pielou均勻度、Margalef豐富度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),土壤全氮與Shannon-Wiener多樣性和Margalef豐富度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),土壤系統(tǒng)其他因子則與植物多樣性無顯著相關(guān)性。

(3)不同管理措施下植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)總體處于失調(diào)發(fā)展模式,涵蓋從嚴(yán)重失調(diào)到輕度失調(diào)3種類型,原生灌草樣地為嚴(yán)重失調(diào)發(fā)展模式植被-土壤同步發(fā)展型,不管理的人工核桃林草樣地及定期除草并施肥的人工核桃林草樣地同屬于中度失調(diào)發(fā)展模式土壤滯后發(fā)展型,定期除草不施肥的人工核桃林草樣地的植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀況最好,屬于輕度失調(diào)發(fā)展模式植被滯后發(fā)展型。