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中国是世界上人工林面积最大的国家。然而,由于中国人工林树种结构单一、管理粗放以及不合理经营采伐等原因,人工林生态系统稳定性较差,林下植被多样性较低等问题随人工林生长逐渐暴露,甚至随人工林生长出现地力衰退、人工林退化等严重情况。因此,本研究旨在揭示人工林生态系统的动态格局,为科学经营、管理人工林提供理论依据,促进人工林健康稳定生长,发挥其应有的经济。生态效益,是人工林经营领域重要的科学问题[1]。林下植被和土壤是森林生态系统的重要组成部分,对森林生态系统结构与功能有重大影响[2-3]。林下植被多样性对于维持森林生态系统物种的多样性、功能的稳定性以及促进养分循环、揭示植被演替特征等方面起着重要的作用[4-5]。林下植物多样性及优势种的变化反映植被演替动态和特征[6]。森林土壤作为森林生长发育的基础,为森林提供其生存所必需的水分、养分等重要物质,土壤水分状况、养分状况、微生物等理化性质及生物性状影响着森林的生长发育[7]。林龄变化影响林下植被和土壤的动态格局,林龄阶段不同,林下植被多样性[8]、土壤物理性状、养分[9]及微生物状况[10]也会有所变化。土壤含水量、容重、毛管孔隙度等是重要的土壤物理性状指标,土壤氮、磷、钾质量分数,土壤酶活性,土壤微生物丰度以及多样性直接或间接影响土壤肥力和养分供应能力[11]。由于人工林树种结构单一,加上长期不合理的高强度经营,导致生物多样性明显低于同龄天然林[12]。有研究表明:幼龄人工林林下植物多样性较造林前提高[13],但随着林龄增加和森林环境的变化,林下植物多样性逐渐降低。林地土壤生态环境也会随林龄增加发生变化[14],如50年生马尾松Pinus massoniana林中土壤纤维素酶、脲酶活性较6年生低[14],巨桉Eucalyptus grandis人工林土壤含水量随林龄增加而增加,土壤容重随林龄增加而逐渐降低,土壤状况改善[15]。黑松Pinus thunbergii是中国暖温带地区干旱瘠薄荒山造林的重要树种。研究黑松人工林生长发育过程中林分群落结构、林下植物多样性、林地土壤理化性质和微生物群落特征的动态格局及其内在关系,对于科学指导林分经营,调控林分群落演替动态,提升森林多种服务功能,实现黑松人工林长期经营具有重要的理论意义。
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调查区域位于鲁中南山地的山东省莱芜市雪野镇(36°24′N, 117°34′E),海拔为290~320 m,土壤为棕壤,土层厚度为30~40 cm。该区域属温带亚湿润大陆性季风气候,多年平均气温为13.2 ℃,最低气温-20.0 ℃,最高气温36.2 ℃。区域内多为人工植被,林木以耐瘠薄干旱针叶树种为主,自然植被率低,偶见次生落叶、阔叶杂林。多年平均降水量为695.1 mm[16]。
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采用空间序列代替时间序列的研究方法[17]。在全面踏查基础上,选取处于6,30和50年生,共3个林龄阶段且立地条件相近、林分管理水平一致的黑松林人工纯林。各林龄段分别在选定的林分内设置3块20 m × 30 m标准地(经水平校正),实测标准地内乔木的树高、胸径和冠幅。林分立地条件和生长状况如表 1。
表 1 林分的立地条件与生长状况
Table 1. Site conditions and stand growth
林龄阶段/a 密度/(株·hm-2) 郁闭度 坡度/(°) 坡向 土层厚度/cm 树高/m 胸径/cm 6 1 483 ± 41 0.4 8 SW 27.6 ± 3.8 3.49 ± 0.10 6.75 ± 0.25 30 1141 ± 74 0.7 10 SW 32.6 ± 4.5 6.53 ± 0.25 12.54 ± 0.36 50 783 ± 42 0.8 12 SW 33.3 ± 3.7 7.49 ± 0.25 15.63 ± 0.61 -
在设定的标准地内沿S形设置5个5 m × 5 m的样方调查其中的下层乔灌木,在每个大样方内设置1 m × 1 m的样格调查其中的草本植物。实测林下灌木和草本植物的种类、数量、高度、盖度等。计算草本植物和灌木的重要值、Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数。
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2014年7月调查取样后,土壤物理状况2 d内测量完毕,土壤养分、土壤酶活性6 d内完成测量,土壤微生物样品于取样后2 d内送北京诺禾致源科技股份有限公司检测。①调查方法。在标准地内调查草本和灌木时选取的5个样方中心处作为土壤剖面调查点,清除上层凋落物和腐殖质层,挖掘土壤剖面,用50 cm2的环刀取20 cm深处土壤样本,置于塑封袋中包好,保证土体完整,带回实验室用于分析土壤空隙结构及水分状况;另从各剖面处挖取20 cm深土样,各取约100 g装入塑封袋中,带回实验室,风干后过80目筛,用于土壤养分分析。另将各剖面挖取土壤分别过60目筛,取100 g装入塑封袋,置于冰盒内带回实验室,用于土壤功能酶活性的测定分析。土壤微生物样本的采集采用多点混合取样法,由上述5个剖面挖取20 cm深土并过筛,等量混匀后称取15 g装入离心管,立即置于液氮罐内,用于土壤微生物群落特征分析。②土壤空隙结构。取样前称取干燥环刀质量(G0),称取环刀+鲜土质量(G2),将环刀样品放于盛有2~3 mm水层的瓷盘中8 h,取出拭去沥水后称量(G3),然后置于105 ℃烘箱内烘干至恒量并称量(G1)。计算土壤容重、毛管孔隙度[19]。③土壤养分。将土样风干压碎过80目筛,采用消煮法全自动凯氏定氮仪(K9860)测定土壤全氮,采用流动注射分析仪(AA3)测定土壤有效氮,采用双光束紫外分光光度计(TU-9500)测定土壤有效磷,采用火焰光度计测定土壤有效钾[18]。④土壤酶活性。脲酶以苯酚-次氯酸钠比色法测定,以培养24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示其活性;蔗糖酶以DNS试剂比色法测定,以培养24 h后1 g土壤中生成葡萄糖的毫克数表示其活性;纤维素酶活性以DNS试剂比色法测定,以培养72 h后1 g土壤中生成葡萄糖的毫克数表示其活性[19]。均使用双光束紫外分光光度计(TU-9500)比色。⑤土壤微生物群落特征。测序公司根据所扩增的16S区域特点,基于Illumina MiSeq测序平台,利用双末端测序(Paired-End)的方法,构建小片段文库进行双末端测序。从公司提供的测序分析报告中得到土壤微生物Chao1指数及Shannon指数。
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采用Excel处理实验测定的土壤理化性质数据并制作图表,使用SAS 9.0对数据进行统计分析,使用Duncan新复极差法(P<0.05)做多重比较,使用Pearson分析法进行偏相关分析。
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在所有样地中,黑松人工林林下植被共出现32种植物,分属17科28属,其中灌木植物6科6属7种,草本植物11科22属25种。黑松林下灌木种类偏少,草本种类相对较多(表 2)。从灌木类树种来看,6年生阶段黑松林仅有2种,30年生阶段有5种,50年生有4种。其中6年生阶段林下优势灌木树种为截叶铁扫帚Lespedeza cuneata,30年生林下优势灌木树种为荆条Vitex negundo,50年生林下优势灌木树种为荆条和截叶铁扫帚。
表 2 不同林龄阶段黑松人工林林下植被概况
Table 2. Undergrowth vegetation general situation of Pinus thunbergii plantation in different age stages
林龄/a 草本/种 灌木/种 优势草本及其习性 优势灌木 种 习性 6 12 2 苦荬菜Ixeris denticulata 喜肥沃土,有一定抗旱、抗寒能力 隐子草Cleistogenessp. 耐旱 截叶铁扫帚 耐干旱 结缕草Zoysia japonica 耐旱 Lespedeza cuneata 瘠薄 狗尾草Setaria viridis 喜温暖湿润,有一定抗旱、抗寒能力 30 10 5 苋草Alternanthera payonychiodes 喜光、喜肥 荆条
Vitex negundo喜光、耐旱 卷柏Selaginella tamariscina 较耐旱 苦苣菜Sonchus oleraceus 喜光、喜水肥及疏松土壤,耐旱性较差 50 6 4 隐子草Cleistogenes sp. 耐旱 荆条 喜光、耐旱 截叶铁扫帚Lespedeza cuneata 耐干旱瘠薄 Vitex negundo 不同林龄阶段黑松林下草本植物群落组成各不相同,每个林龄阶段均有少数几种优势植物。其中6年生阶段黑松林下草本植物优势种类为苦荬菜Ixeris denticulata,隐子草属1种Cleistogenes sp.,结缕草Zoysia japonica,狗尾草Setaria viridis。苦荬菜对土壤条件要求不高;狗尾草喜温暖湿润,但也具有一定抗旱、抗寒能力;隐子草和结缕草都具有良好的抗干旱能力。30年生草本优势种为苋草Alternanthera payonychiodes,卷柏Selaginella tamariscina和苦苣菜Sonchus oleraceus。
从图 1可以看出:6年生和30年生黑松林的Simpson指数为0.86~0.88,差异不大;但是50年生松林只有0.76,比前2个年龄阶段的黑松林明显减小。
6年生和30年生Shannon-Wiener指数相差不大,分别为2.293和2.314。50年生的Shannon-Wiener指数只有1.676,比最高的30年生降低27.6%。Shannon-Wiener为变化度指数,是一种能较好地反映个体密度、生境差异、群落类型、演替阶段的指数,它是物种丰富度和均匀度的函数。物种数量越多,分布越均匀,Shannon-Wiener值也越大。从不同林龄Shannon-Wiener指数可以看出,6年生与30年生黑松林的物种丰富度以及物种分布的均匀程度相差不大,50年生黑松林物种丰富度以及物种分布的均匀程度低于前2个林龄阶段。
群落的Pielou均匀度是指群落中各个种的重要值的均匀程度,它所表征的是群落实测多样性与最高多样性之间的比率。6年生与30年生黑松林的Pielou指数相差不大,分别为0.869和0.862,而到50年生降低较大,只有0.728,比6年生降低了16.2%。
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从图 2看出:土壤容重随林龄的增大而降低,50年生比6年生黑松林降低了15.6%,差异显著(P<0.05)。土壤毛管孔隙度随林龄的增大递增,50年生比6年生增加了32.3%,差异显著(P<0.05)。
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黑松林分的有效磷质量分数随着林龄的升高呈下降趋势(图 3),在30年生时下降尤为明显,与6年生相比下降了36.6%,差异达显著水平(P<0.05);但50年生开始有所回升,与30年生相比提高了16.1%,差异显著(P<0.05)。土壤有效钾质量分数呈先升高后降低的趋势,在30年生时达最高值,且不同林龄之间差异显著(P<0.05)。不同林龄黑松土壤有效氮质量分数在数值上差异不大,30年生最高,为0.107 g·kg-1,比最低的50年生高8.2%(0.008 g·kg-1),且30年生与另2个林龄间有显著差异。但土壤全氮质量分数与有效氮质量分数趋势一致,为30年生黑松林>6年生黑松林>50年生黑松林,50年生黑松林比6年生黑松林、30年生黑松林分别降低了27.2%和28.5%,达显著差异水平(P<0.05)。
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不同林龄黑松林中,蔗糖酶活性先升高后降低,黑松林在30年生时达最高(图 4)。50年生蔗糖酶活性最低,比6年生和30年生分别降低了32.2%和44.3%,且不同林龄之间差异显著(P<0.05)。土壤纤维素酶也是呈先升高后降低的趋势,黑松林在30年生时最高,50年生最低,比6年生和30年生时分别降低了33.6%和59.7%,且不同林龄之间差异显著(P<0.05)。脲酶活性为6年生黑松林>30年生黑松林>50年生黑松林。脲酶活性最低的50年生黑松林比6年生和30年生黑松林分别降低了43.0%和40.2%,差异显著(P<0.05)。由表 3可以看出:黑松人工林土壤酶与土壤养分之间存在较多相关性。蔗糖酶活性与全氮呈极显著相关,与有效氮呈显著相关;脲酶活性与全氮呈极显著相关;纤维素酶活性与有效氮、有效钾呈极显著相关,与全氮呈显著相关。
表 3 土壤酶与土壤养分相关性
Table 3. Correlation between soil enzyme and soil nutrient
土壤养分 蔗糖酶 脲酶 纤维素酶 全氮 0.856** 0.736** 0.608* 有效氮 0.565* 0.264 0.746** 有效磷 0.076 0.234 -0.479 有效钾 0.118 0.227 0.700** 说明:*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上极显著相关 -
α多样性分析是指对群落中物种的丰富度和个体在物种中的分布均匀程度指标进行分析。本研究使用Chao1指数和Shannon指数对土壤中细菌菌群多样性进行分析。Chao1指数为丰富度指数,其值越高则表明细菌群落物种的丰富度越高。不同林龄黑松人工林土壤种细菌Chao1指数为6年生>50年生>30年生,呈现出先降后增的趋势(图 5)。最低的30年生黑松林与最高的6年生黑松林相比降低了24.3%,差异显著(P<0.05);50年生黑松林比30年生黑松林升高了10.1%,无显著差异。Shannon指数反映细菌群落的多样性程度,其值越高表示细菌群落结构的多样性越高。由图 5可以看出:土壤细菌Shannon指数为6年生黑松林>50年生黑松林>30年生黑松林,同样为先降后增的趋势,且不同林龄间差异显著(P<0.05)。最低的30年生黑松林比最高的6年生黑松林降低了5.6%,50年生比30年生升高了2.8%。
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由图 6可以看出:在门水平上,黑松林地中的变形菌门Proteobacteria,放线菌门Actinobacteria和酸杆菌门Acidobacteria占绝对优势,各林龄这3类细菌数量之和均占到细菌总量的72%以上。随着黑松林龄的增长,变形菌门丰度先升后降,在30年生时显著高于6年生和50年生(P<0.05),占这种细菌总量的36.5%;放线菌门的丰度随林龄的增长递减,由6年生时的32.2%降低到50年生时的24.0%,下降了25.5%,差异显著(P<0.05);酸杆菌门丰度则是随着林龄的增长而递增,由6年生时的14.8%上升到50年生时的22.4%,升高了51.4%,差异显著(P<0.05)。
Understory vegetation patterns and soil characteristics of a Pinus thunbergii plantation in mountainous land of Shandong Province
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摘要: 林下植被和土壤演变过程与人工林生长发育和群落结构互为因果,共同影响人工林的群落稳定性和健康水平。以鲁中南山地黑松Pinus thunbergii人工林为研究对象,采用空间序列代替时间序列的研究方法,在调查不同发育阶段林分的群落结构、林下植被、林地土壤理化性质和微生物群落特征基础上,分析了人工林生态系统随林龄变化的演替规律。研究结果表明:①土壤有效磷质量分数以6年生黑松林最高、30年生黑松林最低,有效钾质量分数以30年生最高、6年生最低,不同林龄阶段之间差异显著(P < 0.05);土壤全氮和有效氮质量分数均表现为30年生最高、50年生最低,其中50年生土壤全氮质量分数显著低于6年生和30年生,30年生土壤有效氮质量分数显著高于6年生和50年生(P < 0.05)。②土壤蔗糖酶、纤维素酶活性以30年生最高,50年生最低,不同林龄阶段之间差异显著(P < 0.05);土壤脲酶活性随林龄增加而降低,50年生显著高于30年生和6年生(P < 0.05)。③土壤微生物多样性为6年生> 50年生> 30年生,土壤微生物丰度随林龄升高呈先降后升的趋势,其中变形菌门Proteobacteria,放线菌门Actinobacteria和酸杆菌门Acidobacteria为绝对优势菌群。④林下草本植物和灌木多样性随林龄升高呈递减趋势。Abstract: Undergrowth vegetation and soil evolution are essential prerequisites of plantation growth and community structure, which then determine the stability and health of a plant community. To evaluate community succession patterns of plantation ecosystems along with stand age changes, plantation and soil ecosystem changes in forests were analyzed using a spatial sequence approach instead of a temporal sequence. Pinus thunbergii plants in the mid-southern mountainous lands of Shandong Province were the test materials, and plant community structure, understory vegetation, soil physicochemical properties, and microbial community characteristics were determined. Results showed that (1) Soil available P was significantly different for different stand ages (P < 0.05). For different stand ages, soil available K was also significantly different with 30 years being highest and 6 years lowest (P < 0.05). Total N at 50 years was significantly lower than at 6 and 30 years (P < 0.05); whereas, available N at 30 years was significantly higher than at 6 and 50 years (P < 0.05). (2) At different stand ages, soil invertase and cellulase activities were significantly different (P < 0.05) with 30 years being highest and 50 years lowest. Soil urease activity was significantly greater at age 50 than at 6 years and 30 years (P < 0.05) and decreased with the increasing stand age. (3) For soil microbial diversity, the order of change for stand age was 6 year-old > 50 year-old > 30 year-old with Proteobacteria, Actinobacteria, and Acidobacteria having the greatest abundance. (4) The diversity of undergrowth vegetation decreased as stand age increased. These results have theoretical significance in guiding the management of Pinus thunbergii plantation scientifically.
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表 1 林分的立地条件与生长状况
Table 1. Site conditions and stand growth
林龄阶段/a 密度/(株·hm-2) 郁闭度 坡度/(°) 坡向 土层厚度/cm 树高/m 胸径/cm 6 1 483 ± 41 0.4 8 SW 27.6 ± 3.8 3.49 ± 0.10 6.75 ± 0.25 30 1141 ± 74 0.7 10 SW 32.6 ± 4.5 6.53 ± 0.25 12.54 ± 0.36 50 783 ± 42 0.8 12 SW 33.3 ± 3.7 7.49 ± 0.25 15.63 ± 0.61 表 2 不同林龄阶段黑松人工林林下植被概况
Table 2. Undergrowth vegetation general situation of Pinus thunbergii plantation in different age stages
林龄/a 草本/种 灌木/种 优势草本及其习性 优势灌木 种 习性 6 12 2 苦荬菜Ixeris denticulata 喜肥沃土,有一定抗旱、抗寒能力 隐子草Cleistogenessp. 耐旱 截叶铁扫帚 耐干旱 结缕草Zoysia japonica 耐旱 Lespedeza cuneata 瘠薄 狗尾草Setaria viridis 喜温暖湿润,有一定抗旱、抗寒能力 30 10 5 苋草Alternanthera payonychiodes 喜光、喜肥 荆条
Vitex negundo喜光、耐旱 卷柏Selaginella tamariscina 较耐旱 苦苣菜Sonchus oleraceus 喜光、喜水肥及疏松土壤,耐旱性较差 50 6 4 隐子草Cleistogenes sp. 耐旱 荆条 喜光、耐旱 截叶铁扫帚Lespedeza cuneata 耐干旱瘠薄 Vitex negundo 表 3 土壤酶与土壤养分相关性
Table 3. Correlation between soil enzyme and soil nutrient
土壤养分 蔗糖酶 脲酶 纤维素酶 全氮 0.856** 0.736** 0.608* 有效氮 0.565* 0.264 0.746** 有效磷 0.076 0.234 -0.479 有效钾 0.118 0.227 0.700** 说明:*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上极显著相关 -
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