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人工林是城市绿色基础设施的重要组成部分[1]。第八次全国森林资源清查显示,中国森林面积达2.08亿hm2,其中人工林面积0.69亿hm2,占林地总面积33%,居世界首位。现阶段,人工林已占据了宜林荒山荒地的优越地段,在国家严格实施生态红线保护政策,要求扩大森林覆盖率加强森林保护的背景下,在造林地数量和立地质量增长潜力有限且人工林地力逐渐衰退的情况下,未来林业发展过程中,如何保护好现有林地,提高人工林生态功能,促进林地健康可持续发展,是事关林业发展战略的重大问题[2]。土壤是植物群落发生和发展的基础,是森林生态系统的重要组成部分[3],也一直是生态学研究的重点内容之一。土壤作为森林生态系统中诸多生态过程的载体,直接或间接地影响林木的健康发展[4-5],而森林植被的存在亦不断地影响森林土壤的形成与发育[6]。有别于天然林土壤,人工林土壤,尤其是高度城市化背景下的人工林,受人类活动的影响,在保留自然土壤特征的基础上,同时具有自身独特的土壤特征,如土壤紧实,碎石、玻璃和木屑等外源侵入物高,偏碱性,有机质低和生物活性低等特点[7-8]。作为中国乃至全球的贸易、经济和工业中心,上海的城市化率从1979年的60.7%上升为2015年的87.6%,居全国之首。上海市经过近20 a的造林绿化,森林覆盖率从1999年的3.17%增加到2016年年底的15.56%,其中99%以上为人工林[9]。关于上海城市森林土壤,学者从土壤质量评价、土壤自身理化性质、土壤养分和土壤微生物等方面进行了研究[10-12]。但以往的这些研究,多集中于浅层土壤,且较多地局限于土壤本身特征,对于土壤和植物群落之间的相互作用与影响,则鲜有报道。本研究选择上海市域范围内具代表性的人工林为对象,分层采集0~100 cm人工林土壤剖面样品,结合植物群落特征调查,明确上海人工林林下土壤理化性质状况,探讨植物群落与土壤理化性质的相互作用与影响,以期为人工林的健康发展提供参考。
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2016年7月,在上海市崇明、宝山、虹口、长宁、青浦、浦东、松江、奉贤、金山共9个区县范围内,按照《生态系统固碳观测与调查技术规范》[16]中森林样地野外调查和设置方法,选取代表性人工林样地34个,采样点分布见图 1。
在样地四周保留至少5~10 m缓冲区的林地内,选取25 m × 25 m的样地,对样地内胸径(DBH)超过5 cm的林木进行每木测量,记录其种名、胸径和高度;对胸径小于5 cm的树木,估测其盖度及高度。树高采用激光测距仪(Vertex VL5)进行测量,样点地理坐标采用全球定位系统(GPS,佳明Map621SC)进行定位,乔木层郁闭度和灌木层及草本层盖度用目视法进行估算。各样地基本信息见表 1。
样地编号 群落优势种 植被类型 平均高/m 平均胸径/
cm单位胸高断面积/
(cm2·m-2)郁闭度/% 灌木层盖度/% 草本层盖度/% 林龄/
a龄组 1 喜树Camptotheca acuminata+女贞Ligustrum lucidum FT2 11.0 11.8 16.1 55 1 75 10 AG1 2 栾树Koelreuteria paniculat+杜英Elaeocarpus decipiens FT2 7.5 22.6 15.3 35 0 0 16 AG3 3 池杉Taxodium ascendens+樟树Cinnamomum camphora FT5 10.0 16.8 17.1 50 5 40 14 AG2 4 樟树+旱柳Salix matsudana FT2 8.0 14.7 6.6 30 3 35 11 AG2 5 落羽杉Taxodium distichum FT4 11.0 15.6 31.1 80 0 0 11 AG2 6 栾树 FT3 9.5 14.0 10.1 50 0 0 12 AG2 7 水杉Metasequoia glyptostroboides FT4 18.0 17.0 28.8 85 0 0 16 AG3 8 喜树+樟树 FT2 8.6 12.8 5.7 60 40 30 9 AG1 9 樟树 FT1 7.0 15.7 13.3 30 40 70 13 AG2 10 水杉+国槐Robinia pseudoacacia FT5 18.0 10.8 29.9 85 2 0 18 AG3 11 广玉兰Magnolia grandiflora+栾树 FT2 9.0 12.9 12.1 40 8 0 10 AG1 12 樟树+石榴Punica granatum FT2 8.5 12.6 8.1 55 40 0 19 AG3 13 喜树+樟树 FT2 9.0 16.7 18.0 40 25 30 19 AG3 14 旱柳Salix matsudana+紫叶李Prunus cerasifera FT3 6.6 14.6 20.5 40 15 10 14 AG2 15 杨Populus sp. FT3 19.0 23.3 16.5 65 1 0 16 AG3 16 樟树 FT1 8.0 8.8 44.5 95 3 0 15 AG2 17 水杉 FT4 13.5 13.6 29.4 80 3 0 29 AG4 18 女贞 FT1 6.0 6.4 7.8 50 0 0 11 AG2 19 水杉+女贞 FT5 12.0 12.6 11.4 65 15 0 28 AG4 20 银杏Ginkgo biloba+杜英 FT2 5.6 8.5 10.7 65 10 0 10 AG1 21 水杉+樟树 FT5 9.5 14.3 9.5 40 0 0 12 AG2 22 水杉 FT4 14.5 19.4 17.8 20 0 20 36 AG4 23 构树Broussonetia papyrifera+毛竹Phyllostachys edulis FT3 9.0 6.7 3.9 75 10 5 11 AG2 24 鹅掌楸Liriodendron chinense FT3 16.0 11.6 21.8 90 75 30 16 AG3 25 樟树+栾树+女贞 FT2 8.5 10.2 14.2 25 0 0 16 AG3 26 落羽杉Taxodium distichum+樟树+池杉 FT5 10.5 10.9 33.1 80 15 10 17 AG3 27 落羽杉 FT4 10.0 15.6 26.0 40 0 3 10 AG1 28 水杉+樟树 FT5 7.0 13.8 8.0 15 0 0 10 agi 29 杜英+樟树 FT1 7.1 15.4 13.9 50 0 2 11 AG2 30 枫杨Pterocarya stenoptera+粉柏Sabina squamata FT5 17.0 18.1 21.4 75 20 45 10 AG1 31 杨+白玉兰Michelia alba FT3 10.9 12.2 22.1 80 1 0 15 AG2 32 雪松Cedrus deodara+乌桕Sapium sebiferum FT5 7.4 17.6 12.7 70 15 5 16 AG3 33 樟树 FT1 9.8 16.6 20.0 60 0 95 13 AG2 34 水杉+樟树 FT5 10.0 16.7 38.8 75 5 5 11 AG2 说明:单位胸高断面积表示样地内单位面积土地内乔木胸高处的横切面面积(cm2·m-2),用以表征乔木密度和植株大小;林型FT1~FT5分别表示常绿阔叶林(FT1),常绿落叶阔叶混交林(FT2),落叶阔叶林(FT3),落叶针叶林(FT4)和针阔混交林(FT5);林龄组AG1~AG4分别表示林龄≤10 a(AG1),11~15 a(AG2),16~20 a(AG3)和>20 a(AG4)4个龄组 Table 1. Basic informations of sampling sites
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在每个样地外1~5 m范围内,挖取1 m × 1 m × 1 m土壤剖面,按0~10,10~30,30~100 cm分层采集土壤样品,重复3次·样品-1,用于测定化学性质的土壤样品混匀后装袋带回实验室,样品除去石砾、根系等杂物后,自然风干,粉碎后过2 mm筛,于2016年9-10月进行测定。
土壤容重采用环刀(100 cm3)取样分析法测定;pH值采用V(水):V(土)=2.5:1.0的电位法测定;土壤电导率(EC)采用V(水):V(土)=5.0:1.0的电导法测定;碱解氮用碱解-扩散法测定;有效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提法测定;有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。
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采用SPSS 23.0对土壤理化性质进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。当方差齐性时,采用最小显著差法(LSD)进行多重比较;方差不齐时,采用塔姆黑尼法[T2(M)]进行多重比较。土壤理化性质及与群落特征的相关性在R3.2.0中进行分析。
2.1. 样地选择与调查
2.2. 土壤样品采集与测定
2.3. 数据处理与分析
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上海市人工林各土层土壤容重在不同样地间表现为弱变异。土壤pH值整体表现出随土壤深度增加而递增趋势,0~10 cm和30~100 cm土层间差异显著(P<0.05),各样地间pH值呈弱变异性。土壤电导率不同样地间表现为中等变异。土壤碱解氮各土层间差异显著(P<0.05),且随着土壤深度增加而降低,不同样地间表现出中等强度变异。有效磷在不同样地间表现为高度变异,变异系数随土层深度增加分别达1.12,1.09和1.16。有机质在不同土层间差异显著,随土壤深度增加而显著递减(P<0.05)(表 2)。
项目 土层深度/cm ρ土壤/(g·cm-3) pH值 σ/(mS·cm-1) w碱解氮/(mg·kg-1) w有效磷/(mg·kg-1) w有机质/(g·kg-1) 0~10 1.67 8.3 0.31 183.4 80.5 42.88 最大值 10~30 1.62 8.5 0.34 156.6 42.5 35.08 30~100 1.63 8.6 0.40 115.7 42.7 27.75 0~10 1.11 5.7 0.03 9.9 2.7 8.72 最小值 10~30 1.12 6.2 0.04 5.4 1.4 5.47 30~100 1.07 6.7 0.05 5.8 1.7 3.33 0~10 1.35 a 7.6 a 0.11 a 80.7 a 13.8 a 20.06 a 平均值 10~30 1.42 a 7.9 ab 0.12 a 52.3 b 10.1 a 14.55 b 30~100 1.40 a 8.0 b 0.14 a 31.3 c 7.4 a 10.26 c 0~10 1.36 7.9 0.10 70.6 8.5 18.00 中位数 10~30 1.43 8.1 0.11 41.1 6.3 13.17 30~100 1.42 8.2 0.14 25.9 4.6 9.70 0~10 0.11 0.8 0.06 48.1 15.4 8.09 标准差 10~30 0.13 0.6 0.07 37.0 11.04 6.89 30~100 0.12 0.5 0.07 21.4 8.61 4.15 0~10 0.08 0.10 0.57 0.6 1.12 0.40 变异系数 10~30 0.09 0.08 0.56 0.7 1.09 0.47 30~100 0.08 0.06 0.50 0.68 1.16 0.40 说明:不同字母表示差异显著(P<0.05) Table 2. Statistical results of physical and chemistry properties of the soils under forest plantations in Shanghai City (n=34)
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由表 3可知:0~10 cm土层,有机质与土壤容重呈显著负相关(P<0.05),与pH值呈极显著负相关(P<0.01),与碱解氮、有效磷呈极显著正相关(P<0.01);碱解氮与pH值呈极显著负相关(P<0.01)。10~30 cm土层,有机质与土壤容重呈显著负相关(P<0.05),与pH值呈极显著负相关(P<0.01),与碱解氮、有效磷呈极显著正相关(P<0.01);碱解氮与pH值呈显著负相关(P<0.05)。30~100 cm土层,土壤电导率与容重呈显著负相关,有机质与pH值显著负相关,与有效磷显著正相关(P<0.05)。
指标 土层深度/cm 容重 pH值 电导率 碱解氮 有效磷 0~10 0.276 pH值 10~30 0.232 30~100 0.085 0~10 -0.206 0.204 电导率 10~30 -0.284 -0.037 30~100 -0.346* 0.060 0~10 -0.268 -0.546** 0.197 碱解氮 10~30 -0.312 -0.371* 0.272 30~100 -0.132 0.091 0.223 0~10 -0.303 -0.276 0.080 0.235 有效磷 10~30 -0.214 -0.232 0.147 0.315 30~100 0.049 0.072 0.081 -0.057 0~10 -0.404* -0.500** 0.244 0.822** 0.531** 有机质 10~30 -0.346* -0.500** 0.303 0.797** 0.480** 30~100 -0.195 -0.363* 0.161 0.231 0.460** 说明:*表示差异显著(P<0.05); **表示差异极显著(P<0.01) Table 3. Correlation coefficient between soil physical and properties (n=34)
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群落结构特征仅与0~10 cm土层的土壤部分理化指标有相关性,与10~30 cm和30~100 cm土层的土壤理化指标间无显著相关性(P<0.05)(表 4)。其中,乔木平均胸径与碱解氮、有机质呈显著正相关,乔木郁闭度与电导率呈显著负相关(P<0.05);草本层盖度与碱解氮、有机质呈显著正相关(P<0.01)。
指标 土壤深度/cm 平均高 平均胸径 胸高断面积 郁闭度 灌木层盖度 草本层盖度 0~10 -0.028 -0.198 -0.261 0.028 -0.011 -0.140 容重 10~30 0.000 0.055 -0.006 0.259 0.001 -0.095 30~100 0.029 -0.219 -0.152 0.181 0.148 -0.056 0~10 -0.139 -0.224 -0.116 -0.103 0.173 -0.226 pH值 10~30 -0.059 -0.069 0.007 -0.082 0.118 -0.074 30~100 0.038 0.107 0.096 -0.119 -0.048 0.061 0~10 -0.201 0.214 0.096 -0.366* -0.088 0.159 电导率 10~30 0.066 0.302 0.315 -0.184 0.025 0.295 30~100 0.096 0.292 0.153 -0.148 -0.028 0.145 0~10 0.193 0.515** 0.215 0.038 -0.005 0.510** 碱解氮 10~30 -0.088 -0.099 0.103 -0.224 -0.138 0.162 30~100 0.017 0.018 0.099 -0.274 -0.079 0.164 0~10 0.132 -0.116 0.100 -0.065 -0.024 0.252 有效磷 10~30 0.221 -0.036 0.086 -0.139 0.083 0.296 30~100 0.286 -0.040 0.045 -0.072 0.020 0.012 0~10 0.093 0.352* 0.157 -0.007 0.146 0.584** 有机质 10~30 -0.065 -0.013 0.056 -0.175 0.042 0.260 30~100 0.160 0.030 -0.145 -0.283 -0.008 0.107 说明:*表示差异显著(P<0.05); **表示差异极显著(P<0.01) Table 4. Correlation coefficient between soil physical and chemistry properties and the community structure (n=34)
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不同植被类型人工林土壤理化性质不存在一致变化规律。0~10 cm土层,电导率在落叶阔叶林(FT3),落叶针叶林(FT4)和针阔混交林(FT5)间差异显著(P<0.05)。10~30 cm土层,各林型间土壤理化性质差异不显著(P<0.05)。30~100 cm土层,落叶阔叶林(FT3)土壤碱解氮含量显著低于其他林型(P<0.05)(图 2)。
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各土层间,随龄组增加,土壤容重无显著变化趋势;不同龄组和不同土层间,pH值无明显变化规律;土壤电导率表现出随林龄增加先降低后增加的趋势,0~10 cm土层间,林龄大于20 a的龄组(AG4)的电导率显著高于林龄<10 a(AG1),11~15 a(AG2),16~20 a(AG3)的龄组,但在10~100 cm土层间差异不显著(P<0.05);对于土壤碱解氮和有机质,随着林龄增长,不同土层间均呈现增加(AG1~AG2)—减少(AG2~AG3)—增加(AG3~AG4)的趋势,其中10~30 cm土层,AG3龄组土壤碱解氮显著低于AG2和AG4龄组,AG3龄组有机质显著低于AG2龄组(P<0.05);对于土壤有效磷,随着林龄的增长,各土层间变化无明显规律(图 3)。