徐國(guó)巧,李 校,萬(wàn)一峰,楊柳,許中旗,賈彥龍

(1.河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng),河北 圍場(chǎng) 068450；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)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(guò)把遭到破壞后留有的疏林、灌草叢和荒山封禁起來(lái),降低人類(lèi)活動(dòng)的干擾,借助林木自然生長(zhǎng)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(jiàn)效快,因此常被各國(guó)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(jìn)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(jì)末開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就圍封對(duì)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(duì)植物群落和生產(chǎn)力的影響,并認(rèn)為圍欄封育后,隨著時(shí)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(guó)學(xué)者在圍封對(duì)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(shì)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(duì)草原群落的影響已有廣泛研究,然而,放牧不僅對(duì)草原有影響,對(duì)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(duì)放牧干擾下的森林如何影響的研究鮮有報(bào)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(biāo)會(huì)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(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)常年受到放牧干擾的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林為研究對(duì)象,采用室外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,通過(guò)對(duì)華北落葉松人工林采用圍欄封育措施,對(duì)圍封樣地和對(duì)照樣地的草本、土壤、凋落物進(jìn)行調(diào)查取樣,對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析,探究圍欄封育措施對(duì)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(dāng)?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(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)位于河北省最北部的圍場(chǎng)滿(mǎn)族蒙古族自治縣。圍場(chǎng)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(shì)西北高、東南低,海拔750～2 067m,地理坐標(biāo)為北緯41°35＇～42°40′，東經(jīng)116°32′～ 118°14′。屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)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(wú)霜期63 d,≤10 ℃的積溫為1 635～1 733 ℃,年平均大風(fēng)天數(shù)79 d,最大瞬時(shí)風(fēng)速40 m/s。冬季長(zhǎng),春秋短,夏季不明顯,盛行偏南風(fēng),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(shù)種,在該地區(qū)有大面積分布。由于林場(chǎng)的轄區(qū)與附近的村莊交叉錯(cuò)落在一起,且該地區(qū)農(nóng)戶(hù)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(chǎng)縣木蘭林場(chǎng)孟灤分場(chǎng)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(jìn)行圍封,圍欄網(wǎng)邊界在樣地基礎(chǔ)上向外擴(kuò)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(jìn)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(duì)照樣地。在圍封1年后,于2019年8月對(duì)圍封樣地和對(duì)照樣地進(jìn)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(duì)角線法,每塊樣地設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方,調(diào)查樣地內(nèi)每個(gè)樣方草本植物的種類(lèi)、蓋度、高度、數(shù)量,然后計(jì)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(gè)體數(shù)與所有物種個(gè)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(gè)體數(shù)與所有物種個(gè)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(píng)價(jià)植物種群在群落中作用的一項(xiàng)綜合性數(shù)量指標(biāo)。

IV(%)=相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度

(5)

式中:相對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)樣方中對(duì)植物地上部分進(jìn)行刈割、地下部分進(jìn)行挖根。除去粘附的土粒、沙石、雜質(zhì)后,裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,于85 ℃條件烘干24 h至恒重,稱(chēng)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(duì)角線四分點(diǎn)的三個(gè)位置取0～10 cm和10～20 cm的土壤樣品,每層取3個(gè)環(huán)刀、3個(gè)鋁盒,將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。土壤容重用環(huán)刀法、土壤自然含水率測(cè)定用鋁盒烘干法。

用環(huán)刀法進(jìn)行土壤各持水量和孔隙度的測(cè)定。

1)田間持水量:將取土的環(huán)刀上下兩個(gè)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(jìn)行固定,然后用吸管向環(huán)刀滴水,直到底部濾紙全部潤(rùn)濕,潤(rùn)濕后馬上拿到天平上稱(chēng)重,此時(shí)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(zhǎng)度超過(guò)容器直徑)橫搭在塑料盆頂,并用紗布覆于木板表面,將測(cè)完田間持水量的土樣放于木板,進(jìn)行吸水,3小時(shí)后稱(chēng)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(shí)從水中取出,稱(chēng)重。

4)總孔隙度:用“3)”中測(cè)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(cè)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(duì)角線四分點(diǎn)的三個(gè)位置取50 cm×50 cm的凋落物樣方,先測(cè)量其厚度,然后收集測(cè)定鮮重,之后帶回實(shí)驗(yàn)室烘干,測(cè)定含水率并計(jì)算干重。

2.6 數(shù)據(jù)分析

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

3 結(jié)果與分析

3.1 圍欄封育對(duì)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(shì),其中辛普森指數(shù)和香農(nóng)-威納指數(shù)未達(dá)到顯著水平,均勻度指數(shù)達(dá)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(duì)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(duì)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(jìn)入排序的前10位。而且,在圍封樣地和對(duì)照樣地重要值前10的植物種類(lèi)中共有的8個(gè)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(fēng)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(duì)照樣地之間存在顯著差異。圖1 圍欄封育對(duì)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(duì)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(duì)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(dá)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(duì)照樣地的0.71,但并未達(dá)到顯著水平。

3.3 圍欄封育對(duì)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(duì)照樣地間均無(wú)明顯差別(表2)。圍封樣地的土壤容重較對(duì)照樣地降低了,其中10～20 cm土層達(dá)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(gè)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(dá)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(duì)照樣地之間存在極顯著差異。圖2 圍欄封育對(duì)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(duì)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(duì)凋落物的影響

圍欄封育后,凋落物厚度由對(duì)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(chǔ)量在二者之間無(wú)顯著變化,但是,圍封樣地凋落物的自然含水率較對(duì)照樣地上升了33.33%,達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。

表3 圍欄封育對(duì)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(duì)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(duì)多樣性沒(méi)有影響[11]。草地類(lèi)型[12]和封育時(shí)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(shuō)明主要是均勻度的降低導(dǎo)致了多樣性的下降趨勢(shì),而沒(méi)有了牲畜的干擾，一些物種開(kāi)始出現(xiàn)。可以預(yù)見(jiàn),隨著圍封時(shí)間的延續(xù),多樣性可能會(huì)進(jìn)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(duì)草本植物的重要值產(chǎn)生了明顯影響,草本層的優(yōu)勢(shì)種正在發(fā)生變化。優(yōu)勢(shì)種改變的原因可能有三個(gè)方面:1)牛、羊等牲畜在啃食植物時(shí)對(duì)植物的種類(lèi)有所偏好；2)不同植物對(duì)牲畜踩踏等干擾的抗性不同；3)圍欄后,沒(méi)有了牲畜的干擾,導(dǎo)致群落物種間競(jìng)爭(zhēng)加劇,一些適應(yīng)新環(huán)境的物種逐漸成為優(yōu)勢(shì)種。

生物量是反應(yīng)群落生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量的重要指標(biāo)。大多數(shù)研究表明,圍欄封育會(huì)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(dǎo)致光合作用降低,進(jìn)而影響到地下根系的生物量。因此,牲畜干擾導(dǎo)致的草本植物生物量的減少,一方面來(lái)自于取食作用,另一方面來(lái)自于取食后對(duì)植物生長(zhǎng)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(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致凋落物增加,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán),長(zhǎng)久來(lái)看將有助于森林喬木層的生長(zhǎng)。

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(shí)度降低,因此土壤容重會(huì)隨著圍封的進(jìn)行而下降。而且,圍封后植物的生長(zhǎng)得以恢復(fù),根系生長(zhǎng)更加旺盛,增強(qiáng)了對(duì)土壤的疏松作用,也會(huì)進(jìn)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(huì)提高植物的養(yǎng)分和水分獲取,從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng),使得封育后的土壤和植物作用進(jìn)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(duì)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(jìn)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(shì)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(duì)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。