不同混交模式杉木人工林林下植被生物量与土壤物理性质研究

郭琦，王新杰

（北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083）

不同混交模式杉木人工林林下植被生物量与土壤物理性质研究

郭琦，王新杰

（北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083）

林下植被是森林生态系统的重要组成部分，能够促进凋落物的分解并且增强土壤养分的归还。比较杉木混交林与杉木纯林的土壤结构及林下灌草生物量，探究两者间的相关性和土壤结构恢复的方法。研究结果表明：（1）混交林的林下灌草生物量高于纯林，其中毛杉林最高；（2）混交林土壤物理性质优于纯林，毛杉混交林最优；（3）分析相关性发现土壤物理性质与灌木生物量有显著相关性，灌木层相关性高于草本层。所以林下植被与土壤结构关系密切，重视林下植被发育程度有利于改善土壤结构，恢复地力。

杉木人工林；林下植被；生物量；土壤物理性质；相关性

杉木Cunninghamia lanceolata是我国重要的用材林树种，我国杉木人工林的面积已达768.31万hm2，占南方人工林面积的60%～80%[1]。目前一个严重的问题是杉木纯林连栽2、3代后会出现严重的立地质量下降[2]，土壤物理性质变差。为了解决这一突出问题，杉木人工林恢复途径主要是通过杉阔混交筛选杉木人工林的高生产力模式[3]，而研究也表明混交林能改善土壤的物理性质和化学性质[4]。混交林内林下植物多样性高于纯林，研究不同混交模式杉木人工林植被生物量和土壤物理性质及相关性有很大的意义。

林下植被是人工林生态系统的重要组成部分[5]，在土壤改良、保持水土、维持生物多样性及促进森林生态系统物质循环等方面发挥着重要作用[5-7]。林下灌草生物量与土壤联系密切，林下植被是土壤养分的重要来源，关系到土壤的养分循环[8-9]，同时能促进凋落物的分解和养分的归还，尤其是草本层大量以凋落物形式回归土壤。林下植被增加了土壤的渗透性，增加土壤团粒结构，与土壤水分和物理性质有着密切的关系，所以在改良土壤和维护森林土壤质量等方面有着独特的功能和作用。同时林下植被生物量是林下植物生产量与消耗量动态平衡的结果[10]，不同混交模式林下生物量受密度、地力等因素影响有较大变化。所以，通过比较不同混交林下植被生物量、土壤物理性质的差异，根据生物量和土壤物理性质的相关性，得出混交林对于缓解土壤结构退化、改善土壤性质有利的原因，对利用混交林改善纯林土壤性质提供依据，对如何防止地力衰退有着重要的作用。

1 调查区概况

试验地位于福建省三明市将乐县，地理坐标东经 117°05′～ 117°40′，北纬 26°26′～ 27°04′，本区属中亚热带季风气候，日照充足。平均气温18.8 ℃，年均降水量约1 600mm，降雨多集中在3～8月，无霜期为171 d，年均相对湿度为83%，海拔400～800m ，土壤为山地红壤，福建省将乐县国有林场场部在将乐县水南镇，林场试验区内主要乔木树种有：杉木、马尾松Pinus massoniana、火力楠Michelia macclureiDandy、木荷Schima superbaGardn et Champ、 檫 木Sassafras tzumu、樟树Cinnamomum camphora等，林下主要灌木种类有苦竹Pleioblastus amarus、粗叶榕Ficus hirtaVahl、黄毛楤木Aralia decaisneanaHance、黄瑞木Adinandra millettii、短尾越橘Vaccinium carlesiiDunn、檵木Loropetalum chinensis等；草本种类有乌毛蕨Blechnum orientaleLinn.、乌蕨Stenoloma chusanum、芒萁Dicranopteris dichotoma、狗脊蕨Woodwardia japonica、黑莎草Gahnia tristisNees、铁线蕨Adiantum capillus-venerisLinn.等。

2 研究方法

2.1 试验地的设置

2012年分别在杉木纯林、杉木毛竹混交林、杉木火力楠混交林和杉木马尾松混交林内设置样地，标准地面积为20m×30m，每块样地设置3次重复。在样地四周设置5 m×5 m的灌木样方，在每个灌木样方内四角设置4个1 m×1 m的草本样方。

2.2 生物量的测定

在灌木样方内调查灌木的种类、数量，每种灌木分别选择样株测定生物量，分别测定地上和地下部分鲜质量；在标准地的草本1 m×1 m样方内调查草本的种类、数量，收获全部草本，分别测定地上和地下部分鲜质量。称质量后分别均匀取样，将样品烘干至恒质量后称取样品干质量。

2.3 土壤采集和测定

在标准地边挖土壤剖面，按0～5、5～10、10～20、20～30、30～40cm分层用环刀取样，称土壤湿重。土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤经105℃烘干至恒质量后称土壤干质量。

2.4 数据分析

采用EXCEL2003和SPSS18.0等软件对数据进行整理、分析。

3 结果与分析

3.1 杉木纯林和混交林灌草生物量比较

不同林分林下植被生物量见表1。林下灌草各部分生物量均是毛杉林最高，马杉林次之，杉木纯林最低且远低于混交林生物量，最大相差10.63 t/hm2。4种林型生物量均表现为草本层生物量远高于灌木层生物量，草本层占总生物量的81.04%～92.34%。草本层地上总生物量为0.73 ～ 6.91 t/hm2，地下总生物量为1.482 ～ 5.95 t/hm2，其中草本地下生物量高于地上，与灌木层相反。

灌木层中杉木纯林与毛杉林、火杉林差异显著；毛杉林与火杉林除叶生物量外各部分均有显著差异。草本层各部分生物量杉木纯林与毛杉林均差异显著；3种混交林中毛杉林与火杉林差异显著，其他无明显差异，与灌木层表现基本一致。

表1 不同林分林下植被生物量†Table 1Undergrowth biomass of different type forests

造成这一结果可能由于混交林受人为干预少，有利于林下灌草的生长，林下植被生物量很大程度上决定于林分覆盖度和树冠结构[3]。乔木层树种的组成类型，在一定程度上影响到林下灌丛对光的获取[11]，毛杉林内光线更充沛，而火杉林在该研究地区多为防火林带，会及时清理林下灌草，所以才呈现这样的结果。

3.2 杉木纯林与混交林土壤物理性质比较

杉木不同林型土壤物理性质见表2。

表2 杉木不同林型土壤物理性质Table 2Soil physical properties of different type forests

3.2.1 土壤容重

不同林型土壤容重各层均为杉木纯林最高，0～5、5～10cm土层杉木纯林均与毛杉混交林差异显著；10～20cm土层杉木纯林与马杉混乱交林差异显著；20～30cm土层杉木纯林与杉木混交林均差异显著；到了30～40cm土层各林型之间没有显著差异。

3.2.2 土壤孔隙度

各层土壤孔隙度均为杉木毛杉林最高，除30～40cm土层均为杉木纯林孔隙度最低。0～5 、5～10cm土层土壤总孔隙度杉木纯林都与杉木毛竹林差异显著；10～20cm土层杉木纯林与马杉混交林差异显著；20～30cm各林型间均有显著差异；30～40cm杉木纯林与混交林无显著差异。

各林型土壤毛管孔隙度在0～5 cm和5～10cm土层杉木纯林与毛杉混交林差异显著；20～30cm杉木纯林与混交林均差异显著；10～20cm和30～40cm杉木纯林与混交林无显著差异。除30～40cm层，均为杉木纯林毛管孔隙度最低。

土壤非毛管孔隙度除30～40cm土层外，其余均为杉木纯林最高，除0～5 cm土层外，各层均以毛杉混交林最低。0～5 cm和30～40cm处杉木纯林与混交林无显著差异；5～10、10～20cm杉木纯林与毛杉混交林差异显著，20～30cm纯林与混交林均差异显著。

3.2.3 土壤水

田间持水量则基本为毛杉＞火杉＞马杉＞杉木纯林，0～5、20～30和30～40cm处杉木纯林都与毛杉混交林有显著差异，但5～10cm和10～20cm土层4种林分之间没有显著差异。

3.3 生物量与土壤物理性质的相关性

3.3.1 土壤容重与灌草生物量相关性

对林下灌草生物量和土壤物理性质进行相关性分析，结果表明土壤容重与林下植被生物量呈负相关（见表3）。0～5 cm处与灌草生物量均有显著相关性，相关系数为灌木＞草本。5～10、10～20、20～30cm处与灌木生物量显著相关，与草本层无显著相关性，30～40cm土壤容重只与灌木地上和总体生物量有显著相关性。容重与灌草生物量相关系数表层最高，之后随着深度增加呈先增加后降低的趋势。

可以看出灌木生物量对于土壤容重有较大影响。灌草地上部分和草本地下生物量共同作用使得土壤表层相关系数最高；而灌木根部多集中于20～30cm处，可以改善土壤结构，降低土壤容重，所以相关系数增加。同一土层除20～30cm外其余均为地上部分大于根，可能是因为生物量地上＞地下，所以除了在根部相对集中的20～30cm层外，灌木地上部分生物量对于土壤的影响大于地下部分，超过20～30cm，灌木生物量对于土壤的影响迅速减弱。

3.3.2 土壤孔隙度与灌草生物量相关性

土壤各层毛管孔隙度与林下植被各部分生物量均为正相关。毛管孔隙度除30～40cm 层均与灌木各部分生物量呈现显著相关性，其中5～10cm层极显著相关，地下生物量20～30cm处也极显著相关。各层毛管孔隙度与草本生物量则没有显著相关性。

表3 林下生物量和土壤物理性质相关系数†Table 3Correlation coefficients of Soil physical properties and undergrowth biomass

非毛管孔隙度与林下植被生物量呈负相关，但0～5 cm处与草本生物量则为正相关。5～10、10～20和20～30cm层显著相关，其中5～10cm和20～30cm处与灌木地下生物量极显著相关，与草本无显著相关性。

土壤总孔隙度与林下植被生物量呈正相关。分析与灌木生物量相关性，除30～40cm与各部分生物量、0～5 cm与地上和5～10cm与地下生物量外，均显著相关，其中20～30cm层与地下和总体生物量极显著相关，相关性系数分别为0.737、0.713。与草本生物量除0～5 cm层极显著相外，其它没有显著相关性。

可以看出灌木生物量对于孔隙度的影响高于草本，且地下＞地上。可能是由于灌木虽然比草本生物量少，但是植株更大且根系更为发达，草本根系仅分布在较浅的0～5 cm土层中；而灌木根部比地上部分更直接作用土壤，所以影响更大。30～40cm层与孔隙度均无相关性可能是由于根系多集中在30～40cm层上，而地上生物量的影响随深度增加而降低，所以没有显著相关性。地下部分生物量对于毛管孔隙度的影响大于非毛管孔隙度。

3.3.3 土壤田间持水量与林下植被生物量的相关性

田间持水量与林下植被生物量呈正相关，在30～40cm层与灌木生物量显著相关，与草本地下生物量显著相关，其他层次土壤田间持水量与林下植被生物量无显著相关性。可以发现植被生物量对于土壤田间持水量的影响较小，仅在30～40cm层显著相关。但与土壤容重、孔隙度相同，田间持水量与林下植被生物量相关性均表现为灌木＞草本。

4 结论与讨论

（1）林下植被生物量灌木层和草本层由高到低依次均为毛杉、马杉、火杉、杉木纯林，草本层生物量贡献高于灌木层[12]。混交林的林分层次结构较完备，所以灌草层的发育程度优于纯林。加之混交林人工清理等人为干扰活动较少，同时混交林下植物凋落量大，灌木和草本层发育程度高，可见，林分树种和层次结构的完备性，森林的自养机制就会得到一定程度的恢复[5]。

（2）不同林型杉木纯林土壤结构均与混交林有显著差异，混交林整体土壤结构优于纯林，更有利于树木吸收土壤中的养分和水分，促进地上林木的生长。

（3）不同林型林下生物量与土壤物理性质有一定相关性。分析发现灌木生物量与土壤各物理性质普遍显著相关，相关性高于草本层，对土壤物理性质的影响较大；林下植被生物量对土壤不同物理性质的相关性不同，与土壤容重和孔隙度相关性高，对土壤水影响较小。林下灌草地上部分通过覆盖等保持水分并提高肥力，根系与土壤直接接触，在植物和土壤之间进行着频繁的物质交换[13-19]，植被可以通过其代谢过程中所形成的腐殖质的分解和再合成，强烈地影响土壤的物理性质，形成有团粒结构的土壤[7]。总体而言林下植被生物量对于森林土壤结构有一定的影响，且林下灌草越丰富，发育越良好，越能够保持和恢复地力，有利于林木的生长。

研究发现，林下植被生物量对于土壤结构有一定的影响，灌草发育程度高，林分层次结构完备，能够促进林分土壤的改善和恢复[2]。林下植被丰富有利于土壤的保持和恢复，促进林木生长和蓄积量积累。所以应当适当减少对林下灌草的清理，促进林下植被对土壤的积极影响。但造成这样结果的原因并没有进行深入的分析，林下植被对于土壤的影响不仅仅局限在生物量和土壤物理性质，还有许多方面和原理还需要进一步分析研究。

[1]刘世荣,温光远. 杉木生产力生态学[M]. 北京:气象出版社,2005:1-3.

[2]汪思龙,黄志群,王清奎.凋落物的树种多样性与杉木人工林土壤生态功能[J].生态学报,2005,25(3):475-480.

[3]汪思龙,廖利平,邓仕坚. 杉楠混交与人工杉木林自养机制的恢复[J]. 应用生态学报, 2000,11(1): 33-36.

[4]郑郁善,陈礼光,洪 伟,等 . 毛竹杉木混交林生产力和土壤性状研究[J]. 林业科学,1998,34( 专刊) :16-24.

[5]杨 昆,管东生. 林下植被的生物量分布特征及其作用[J]. 生态学杂志, 2006, 25(10): 1251-1256.

[6]陈民生,赵京岚,刘 杰,等. 人工林林下植被研究进展[J].山东农业大学学报:自然科学版,2008,39(2):321-325.

[7]方海波,田大伦.杉木人工林间伐后林下植被生物量的研究[J].中南林学院学报,1998,18(1):5-9.

[8]杨承栋,焦如珍,屠星南,等. 发育林下植被是恢复杉木人工林地力的重要途径[J].林业科学,1995,31(3):276-283.

[9]姚茂和,盛炜彤,熊有强. 林下植被对杉木林地力影响的研究[M]. 北京:中国科学技术出版社,1992.

[10]李 博,杨 持,林 鹏. 生态学[M]. 北京:高等教育出版社,2000.

[11]汪永文,王 力,王丽丽. 马尾松混交林林下植被结构及生物量特征研究[J]. 安徽农业大学学报, 2010, 37(2):312-316.

[12]张炜平,黄聚聪,李熙波. 杉木林林下植被生物量影响因素[J].福建林业技,2007,34(3): 97-98149.

[13]阮林. 徐州云龙山植物群落与土壤理化性质相关分析[D].南京：南京林业大学,2008.

[14]王玉娟,陈永忠,王湘南,等.稻草覆盖对油茶幼林林地土壤温度及新梢的影响[J].经济林研究,2009,27(2):49-52.

[15]刘学锋,郭晓敏,李小梅,等.平衡施肥对油茶林地土壤主要养分含量的影响[J].经济林研究,2013,31(2):44-47.

[16]胡冬南,刘亮英,张文元,等.江西油茶林地土壤养分限制因子分析[J].经济林研究,2013,31(1):1-6.

[17]王玉娟,陈永忠,王 瑞,等.覆草间种对油茶林土壤养分及生长量影响的主成分分析[J].中南林业科技大学学报,2010,30(6): 43-49.

[18]闫法领,刘君昂,谭益民,等.马尾松人工林林下植被恢复模式对土壤微生态的影响[J].中南林业科技大学学报,2013,33(7): 50-55.

[19]郭新春,曹裕松,刘苑秋,等.3种人工林土壤微生物群落结构与可溶性有机氮的相关性[J].江西农业大学学报,2013,35(1): 0131-0137.

Undergrowth biomass and soil physical properties underCunninghamia lanceolatawith different patterns of mixed forests

GUO Qi , WANG Xin-jie
(Key Lab. for Silviculture and Conservation Joint-constructed by Province and Ministry of Education, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

Undergrowth is an important part of forest eco-system, can promote the litter decomposition and increase soil nutrients return.The soil structure and undergrowth biomass ofCunninghamia lanceolatapure forest andC. lanceolatamixed forest had been compared in order to study the correlation between them and the method of recovery of soil structure soil structure. The results show that (1)The undergrowth biomass underC. lanceolatamixed forest was more than that in the pure forest’s, and of them, the bamboo-C. lanceolatamixed forest’s was the highest; (2)The soil physical property ofC. lanceolatamixed forest was better than that ofC. lanceolatapure forest, and of them, bamboo-C. lanceolatamixed forest’s was the best; (3)Through the analysis of correlation, it was found that the soil physical properties had signif i cant correlation with the undergrowth biomass, and the shrub layer correlation with the soil physical properties was higher than the herb layer’s. The undergrowth biomass closely related to soil structure, so the development degree of undergrowth is greatly benef i cial to improve soil structure and recovering land capability.

Cunninghamia lanceolataplantation; undergrowth; biomass; soil physical properties; correlation

S714.2；S718.55+6

A

1673-923X(2014)05-0070-05

2013-07-22

林业公益性行业科研专项（201004008）

郭琦（1988-），女，陕西商州人，硕士研究生， 主要从事杉木土壤研究；E-mail：guoqi_2007_ok@126.com

王新杰（1972-），男，河南人，副教授，博士，主要研究方向：林业遥感与3S技术综合应用、资源监测技术与模型及森林生长与收获预估

[本文编校：谢荣秀]