太湖竺山湾缓冲带草林系统生长状态及土壤性质分析

叶斌，黄兰英，李春华* ，李春江，3

1.中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京 100012

2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012

3.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620

太湖是长江中下游五大淡水湖之一，也是我国重点控制的“三湖”之一，对于太湖环境的治理是目前的热点研究问题［1］。在经济高速发展的情况下，湖区生态环境的压力越来越大。自20 世纪50年代以来，太湖水质恶化、富营养化越来越严重，其演变趋势与太湖缓冲带的受损及功能退化密切相关。湖泊缓冲带是缓冲湖泊流域内各种人类活动和自然过程，保护隔离湖泊生境，使湖泊免受破坏、干扰和污染的空间［2-3］。草林系统作为湖泊缓冲带中的主要土地利用类型之一，具有防止湖岸侵蚀，截留地表径流中泥沙和污染组分，提供生物栖息地等生态功能［4］。不同草林复合系统类型，由于其树种生物学特性与林分结构的不同，导致其土壤养分状况和水源涵养效应、氮磷拦截吸收作用等存在一定的差异［5］。土壤是植物生长的重要物质基础，土壤理化性状是土壤质地和结构的重要组成部分，土壤理化性状的不同，直接影响到生长于其上的植物，也影响草林系统生态功能的发挥，从而对整个湖泊缓冲带的污染物拦截功能产生影响［6-7］。笔者通过调查太湖竺山湾缓冲带草林系统的土壤养分现状，分析几种不同类型草林复合系统间林下土壤性质的差异性，以期为太湖缓冲带草林复合系统的构建、土壤效益强化和生态效益提升等技术的研究提供科学依据。

1 调查研究方法

1.1 调查地点

2013年春季在江苏省宜兴市的太湖竺山湾缓冲带区域选定了4 块不同类型的典型草林样地进行调查，样 地 分 布 见 图1。1#样 地(31°28'5.85″N，120°0'57.82″E)为湿地型草林，距离湿地水体边际约56 m，样地面积为200 m2;2#样地(31°28'24.27″N，120°1'14.36″E)为杨树(Populus spp.)防护林型草林，样地面积为600 m2;3#样地(31°28'7.33″N，120°0'52.71″E)为支浜旁草林，样地面积为592 m2;4#样地(31°28'40.27″N，120° 1' 41.68″ E ) 为 池 杉(Taxodiumascendens． Brongn)防护林型草林，样地面积为40 m2。

图1 太湖竺山湾缓冲带草林样地调查分布Fig.1 The investigation sites of grass-forestry in lake buffer zone of Zhushan Bay of Lake Taihu

1.2 调查方法

林木高度、林龄分别用测高仪和生长锥测定，乔木胸径测量选用1.3 m 高处的树干围度表示。树木郁闭度的测定在每个样地内设置20 个样点，在各样点位置上以抬头垂直昂视的方法，判断该样点是否被树冠覆盖，统计被覆盖的样点数，则被树冠覆盖的样点数与总样点数(20)的比值即为该样地的郁闭度。草本的覆盖度为目测估算，为草本的面积与草林样地面积的比值。草林生物量均只统计地上部分的生物量，林木的生物量参照每棵树木的高度、胸径、该品种生物量均值来计算，草本的生物量在样地内任意选择5 个0.5 m×0.5 m 的测定样方，以5 个样方内的草本生物量平均值来推算整片草林样地的草本生物量。草本生物量的测定是将地上部分完全收割后，在105 ℃下烘干24 h 后称量得其干重。

草林的生物多样性采用Shannon-Wiener 指数(ISW)计算为每种植物的个体数占总体植物数量的比例。植物中的树木计数为直接实数法;草本数量统计方法采用样线+样方的方法(图2)，即在选定的调查范围内的一侧设置一条基线，然后沿基线用系统取样选出待测样点(基点)，沿基点根据植被的生长状况和地形状况设置3 ～6 条10 m 左右的样线，在每条样线两侧0.5 m 范围内设置1 m2样方，进行草本植物的种类、个数统计。

图2 草本植物多样性调查方法示意Fig.2 Grass biodiversity investigation method

草林土壤的理化指标样品采集，需将地表上的枯枝落叶、碎石等杂物拨开，现场用土壤养分速测仪测定土壤温度、湿度、紧实度3 个物理指标，采用环刀法取土样以测容重。用土钻在样点上取表层0 ～20 cm的土样，采样结束后进行回填并做好标记。将土样装入无菌袋带回实验室进行化学指标的测定。

1.3 分析方法

土壤容重采用环刀法进行测定［6］;有机质浓度采用低温外加热重铬酸钾-比色法测定［7］;全氮浓度采用凯氏法进行测定［7］;全磷浓度采用SMT 法进行测定［8］;硝态氮浓度采用饱和CaSO4溶液提取-双波长分光光度法测定［7］;铵态氮浓度采用2 mol/L KCl 浸提- 比色法测定［5］;土壤微生物计数采用MPN 法［9］，进行好氧、厌氧、兼性3 种方式培养。为了较直观地反映草林生长状态，选用树木郁闭度、草本覆盖度、草本生物量、生物多样性4 个指标(xi)，采用草林生长状态指数进行评价。当时，按1 取值。土壤营养指数参照张强等［10］的估算方法，以中国肥沃土壤中微生物总数的平均值(1.60 ×107cfu/g)为评价标准，用草林土壤中的三大微生物总数为数据，按土壤营养指数公式Pi=Ci/C0i(Ci为实测土壤微生物平均值，C0i为1.60 ×107cfu/g)计算。

试验数据使用SPSS 19.0 统计软件分析，采用单因素方差分析不同草林系统的差异性(P ＜0.05)。

2 结果与讨论

2.1 植物生长状态

1#样地位于竺山湾三渎港湿地的岸坡，是整齐的人工种植的杨树纯林，林下长有少量构树(Broussonetia papyifera)等灌木。其地下水位距离地面约2.2 m。林下草被主要由一年生禾本科草本构成，地面覆盖度达到95%，主要由狗尾草群落和荩草群落组成，种类包括狗尾草(Setaria viridis)、杠板归(Polygonum perfoliatum)、稗草(Echinochloa crus)、一年蓬(Erigeron annuus)和荩草(Arthraon hispidus)。草层高度30 ～40 cm，单位面积地上部分生物量:狗尾草为(496.15 ± 17.54)g/m2，荩草为(1 083.71 ±33.13)g/m2。

2#样地位于村庄附近，是一片面积较大的人工种植的欧美杨(Populus X euramericana)纯林，林下无灌木生长。其地下水位距离地面约2.3 m。林下草被由一年生草本构成，主要优势群落为野薄荷(Mentha arvensis)群落和牛膝(Achyranthes sp．)群落，其中野薄荷群落的覆盖度达到95%以上，草层高度(38 ±2.4)cm。牛膝群落覆盖度为51%，草层高度约(35 ±1.8)cm。林下草被种类主要包括野薄荷、牛膝、爵床(Acanthaceae sp．)、荩草、杠板归和马泡瓜(Cucumis melo)。优势群落单位面积地上部分生物量:牛膝为(134.99 ± 12.12)g/m2，野薄荷为(176.83 ±8.46)g/m2。

3#样地的地下水位距离地面约1.4 m。该样地为人工种植的以香樟(Cinnamomum camphora (L．)Presl)为主的杂阔叶林，另有榉树(Zelkova schnideriana)、池杉和少量合欢(Albizzia julibrissin Durazz)、臭椿(Ailanthus Desf)、桑树(Morus alba Linn )、枫 杨 (Pterocarya stenoptera )、水 杉(Metasequoia)等。主要树种香樟平均树龄约为11 a，林下无灌木，有自然植被和人工草被，由于是村民自建小屋拆后遗留处，多为水泥地面，自然草被覆盖度较低，约30%。人工草被为种植的毛豆，自然草被种类有爵床、灰藜(Chenopodium album Linn)、荩草、狗尾草、杠板归、葎草(Humulus japonicus)、细叶麦冬(Ophiopogon japonicus)。

4#样地紧邻竺山湾太湖大堤，是一片池杉纯林，林下有少量构树灌木丛。其地下水位距离地面约1.1 m，林下土壤上多附有螺、贝壳等物，且含有细石粒。林下主要草本是猪殃殃(Galium aparine)和狗尾草，还有少量的稗草、一年蓬、野燕麦(Avena sterilis)、酸模(Rumex acetosa)等。

对4 块草林样地的植物生长状态观察统计结果如表1 所示。由表1 可见，4 块样地的面积大小不等，林分密度也有较大差异，最密集的是4#池杉防护林样地，较为稀疏的是3#支浜旁草林和2#杨树防护林。林龄除了4#样地为8 a，其他均为11 或13 a;树木的郁闭度均在0.80 或以上，草本覆盖度1#、2#样地较高，3#、4#的较少，只有30%;草本生物量以2#样地最多，达到3.02 kg/m2，最少的是3#样地，为1.17 kg/m2。生物多样性受生物因子、环境因子、群落演替的阶段、自然干扰和人为干扰等多种因素的综合影响［11］，许多野生森林的生物多样性都高达5～12，而调查中的4 块样地的生物多样性都属于偏低类型，最高的也仅有1.498。

表1 竺山湾草林系统植物生长状态Table 1 Plant situation of grass-forest system in Zhushan Bay of Lake Taihu

草林生长状态指数评价结果表明，以上4 块样地的草林生长状态优良顺序如下:2#样地(0.996)＞3#样地(0.774)≈1#样地(0.769)＞4#样地(0.577)。将草林生长状态指数与土壤的其他营养因子做相关性分析，发现草林的生长状态与总有机质和厌氧菌浓度均呈显著负相关(P ＜0.05)，即草林生长状态好的土壤有机质浓度较低，厌氧菌浓度也较低。另外，需要指出的是，草林生长状态指数只能用来表观地判断草林的茂盛程度和多样性，因此该评价结果仅限于这4 块样地之间的比较，还不能作为评价草林系统好坏的标准。结合后期进行的缓冲带草林系统生态效益评价结果［12］可知，支浜边的草林系统生态效益最差，这与研究中显示的该类型草林林木稀少、自然草本覆盖度仅有30%密切相关;而湿地型草林的生物多样性高，对硝态氮去除效果显著，菌群结构分布均匀，从而具有较高的生态效益。

2.2 土壤养分状况

1#湿地型草林样地林下表层平均土壤容重为1.26 g/cm3，平均含水率为42%;2#杨树防护林型草林样地林下表层平均土壤容重为1.21 g/cm3，平均含水率为44%;3#支浜旁草林样地林下表层平均土壤容重为0.93 g/cm3，平均含水率为40%;4#池杉防护林型草林样地林下表层平均土壤容重为1.14 g/cm3，平均含水率为28.40%。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准，将大量元素浓度分为6 级［13］(表2)。其中，1 级为极富，2 级为富，3 级为中等，4 级为低，5 级为缺乏，6 级为极缺乏。

表2 土壤主要养分分级标准Table 2 The classification standard of main soil nutrientg/kg

竺山湾不同类型草林系统土壤主要养分状况及差异性比较见图3。由图3 可知，太湖竺山湾草林系统林下土壤的有机质浓度为15.1 ～40.3 g/kg(1 ～4级)，总体上为丰富水平。其中，杨树防护林型草林系统林下土壤有机质浓度最低，为4 级较低水平;湿地型草林系统和支浜旁草林均为2 级丰富水平;池杉防护林型草林系统为1 级极富水平。全氮浓度为0.76 ～1.13 g/kg(3 ～4 级)，总体水平为中等偏低。其中杨树防护林型草林系统林下土壤全氮浓度最低，为4 级较低水平;湿地型草林系统、支浜旁草林系统和池杉防护林型草林系统均为3 级中等水平。全磷浓度为0.09 ～0.17 g/kg，4 种草林系统类型林下土壤的全磷均为6 级极缺乏水平。

图3 竺山湾不同草林类型土壤养分浓度Fig.3 Soil nutrients of different grass-forest systems at Zhushan Bay

对于土壤速效氮，除池杉防护林外，其他3 种类型的草林复合系统均表现为铵态氮浓度大于硝态氮。土壤铵态氮浓度在不同草林系统间差异不大，除支浜旁草林系统浓度相对稍高(10.42 mg/kg)外，湿地型草林、杨树防护林型草林、池杉防护林型草林的浓度分别为9.69、9.54、9.74 mg/kg，3 种林型之间差距较小。土壤硝态氮浓度在4 种类型草林系统间差距较大，其中池杉防护林硝态氮浓度最高，达14.93 mg/kg;湿地型草林系统次之，为4.97 mg/kg;支浜旁草林和杨树防护林型草林复合系统硝态氮浓度最低，仅分别为1.91 和1.11 mg/kg。统计分析结果(P ＜0.05)表明，2#样地的总有机质和全氮与其他样地均有显著差异，而1#、3#、4#样地间的总有机质和全氮没有显著差异;4 块样地的全磷、铵态氮浓度没有显著差异;2#、3#样地间硝态氮浓度没有显著差异，而其他组有显著差异。

作为土壤氮磷养分的来源，有机质浓度的多少，则与该区土壤上种植的植被类型、土壤中的动物和微生物种类和数量多寡、人为施用的有机肥多少均密切相关，同时不同区域的气候差异性也使进入土壤中的植物残体数量和化学组成有很大的不同［14-17］。本次调查结果显示，竺山湾的草林系统土壤营养状态与该区域的河网农田有机质及全氮浓度有很高的相似性［18］，后者的有机质和全氮浓度分别为16.4 ～37.8、1.4 ～3.8 mg/kg。另外，土壤是维持植物生长的基础，特定的植物类型总是与特定的土壤基本情况相适应［19］，且由于土壤养分含量也受到群落组成的影响［20］，研究表明，灌草丛土壤有机质含量就低于森林，重要原因就在于森林的植物凋落物和生物量丰富，使得土壤有机质大量积累［21-22］。由竺山湾草林系统的植被生长状态可知，其生物多样性较低，也不利于土壤有机质的积累。

2.3 土壤微生物总量及营养指数

4 块草林样地中的好氧菌、厌氧菌、兼性菌数量及统计差异分析如图4 所示。由图4 可见，杨树防护林草林复合系统林下土壤的3 种微生物数量均为4 块样地中最低。池杉防护林土壤的好氧菌数量最多，为12.5 × 104cfu/g;其次是支浜旁草林，为10.7 ×104cfu/g;湿地型草林和杨树防护林型草林相对较低，分别为2.1 ×104和1.6 ×104cfu/g。支浜旁草林系统林下土壤的厌氧菌数量最多，为4.8 ×104cfu/g;其次是池杉防护林和湿地型草林，分别为3.5 ×104和4.1 ×104cfu/g;杨树防护林型草林最低，为2.4 ×104cfu/g。兼性菌数量最多的是池杉防护林型草林系统，为6.9 ×104cfu/g;支浜旁草林系统和湿地型草林系统次之，分别为4.1 ×104和4.6 ×104cfu/g;杨树防护林型草林系统土壤兼性菌数量最低，仅为1.2 ×104cfu/g。统计结果表明，厌氧菌在4 块样地间没有发现显著性差异，但是好氧菌和兼性菌有显著差异(P ＜0.05)。

图4 竺山湾不同草林类型土壤微生物数量Fig.4 Soil microbial populations of different grass-forest systems at Zhushan Bay

土壤微生物具有分解土壤有机质和促进腐殖质形成，促进植物生长以及吸收、固定并释放养分，改善和调节土壤营养状况的作用［23-25］。土壤微生物受到群落组成等多种因子的综合作用。群落组成通过根系分泌物、植物凋落物、土壤通气性等方面影响土壤微生物［26-28］。我国许多草林系统土壤调查显示，微生物数量一般为106～108cfu/g，如湿地生态系统、高原森林、水稻农田、经济果园土壤等［10，29-30］。相比之下，竺山湾草林土壤微生物数量处于较低的水平。这一方面是由于土壤养分等级比较低，另一方面由于竺山湾草林系统的生物多样性低，土壤的含水率也属于中等偏低水平，这些因素都不利于微生物的大量繁殖。而微生物数量不足，也会反过来影响草林植物腐殖质的分解速度以及土壤中营养物质的循环［31-32］。因此，很多研究者用微生物数量来表征土壤的营养指数。本研究中1#～4#样地的土壤营养指数依次为0.007、0.003、0.012 和0.014，均属于极低水平。而肥沃的森林土壤营养指数可以接近甚至超过1［33-35］。将土壤营养指数与土壤和植物其他因子做相关性分析表明，土壤营养指数只与地下水位呈显著负相关(P ＜0.05)，即土壤营养指数越高的地方，地下水位越低。表明地下水位低的区域，草林系统的土壤微生物数量越大，从而容易保持更高的土壤营养指数。

3 结论

(1)竺山湾缓冲带草林系统对面源污染中的氮磷拦截潜力很大。该区域草林系统林下土壤的全氮浓度总体为中等偏低水平，全磷浓度为极缺乏水平。因此，该区域草林系统具有极高的氮磷缓冲潜力，可以作为重要的缓冲体系，有效拦截地表水、农田排水以及村落生活污水中的氮磷等物质，从而降低进入湖泊的氮磷浓度。

(2)调查的1#～4#样地总体上土壤营养状态都较差;草林的生长状态中2#杨树防护林型样地相对较好。但是4 块样地的生态多样性都很低，能否作为草林系统的推荐样地，还需要从污染物拦截、土壤效益等方面权衡评估。

(3)调查中不同草林类型间的有机质、全氮和硝态氮浓度以及兼性菌数量存在显著差异;全磷浓度、铵态氮浓度、厌氧菌数量差异均不显著。后期进行的缓冲带草林系统生态效益评价结果显示，支浜边草林系统生态效益最差，而湿地型草林具有较高的生态效益。这对优化缓冲带草林系统群落结构，强化缓冲带污染物净化功能有一定的参考价值。

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