不同林分改造模式对加勒比松林林下植物多样性和土壤物理性质的影响

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

随着经济的快速发展，我国营造了大面积的人工纯林以满足日益增长的木材需求。但在人工纯林的营造中，往往引起植物生物多样性下降[1]、土壤物理性质恶化[2]等一系列问题，使林地失去天然生态系统中具有的恢复和平衡功能[3]，急需进行改造。在纯林中引入乡土阔叶树种使之形成混交林，是纯林改造的重要途径[4]。

加勒比松 Pinus caribaea Morelet于1961年引进中国南方，由于生长迅速，已成为热带与亚热带重要的外来用材树种[5]。加勒比松纯林存在土壤肥力下降、林下植物多样性低的弊端。土壤是植物生长的基质，能通过影响植物群落结构和功能而引起植物多样性的变化[6]，但二者可以反映林分改造效果。尽管目前有许多关于森林植物多样性与土壤物理性质的研究，例如高艳鹏等[1]对黄土丘陵沟壑区不同密度的刺槐林等5种园林常见树种的林下草本层物种组成及多样性进行了研究；沈守云等[7]分析了南宁青秀山16类典型植物群落的物种多样性；魏忠平等[8]报道了辽宁老秃顶子国家自然保护区内6 种典型森林群落的生物多样性特点；陆耀东[9]等测试了去除地表枯落物对加勒比松林土壤特性的影响；曹鹤[10]等分析了华南地区8种人工林的土壤物理性质；韦铄星[11]等报道了“桉-草”复合经营模式下的土壤理化性质动态，但尚未见到林分改造后两者关系的分析。笔者对改造后的加勒比松林的植物多样性和土壤物理性质进行研究，可以为广东省低效松树纯林的抚育改造提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广东省佛山市林业科学研究所，位于北回归线南侧，属于南亚热带季风气候，地理坐标东经 113°00′，北纬 23°06′。全年气温较高且降水充沛，年平均气温21.8 ℃、年平均降水量1 638 mm，高温天气和汛期主要集中在4—9月。

2005年5月对面积为10 hm2，密度为204株·hm2（株行距7 m×7 m）的加勒比松林进行改造。选一部分松树林在其株间和行间插种黎蒴Castanopsis fi ssa、大叶相思Acacia auriculaeformis、红桂木Artocarpus nitidu和油茶Camellia oleifera，简称G1样地；另选一部分松树林在其株间和行间插种荷木Schima superba、光叶山矾Symplocos lancifolia、竹节树Carallia brachiata和油茶，简称G2样地，使改造后的松树林株行距为3.5 m × 3.5 m。再选一部分松树林作为对照（称CK样地）。

2016年5月在G1样地（林下植被覆盖度约100%）、G2样地（林下植被覆盖度100%）和CK样地上，各建立面积为20 m× 20 m的3个样方进行调查研究。三个样地的树木基本特征见表1。G1、G2和CK样地的凋落物储量分别为1.61、2.27 和 0.18 kg·m-2。

表1 改造后的加勒比松林生长特征Table 1 Growth characteristics of trees at three plots of the Pinus caribaea transformation stands

1.2 实验设计及方法

1.2.1 林下植物测定

3个样地林下设置5个面积为2 m × 2 m的样方，调查、记录小样方内全部灌木和草本的种类、盖度、株数及平均高度，计算林下多样性物种多样性，具体计算方法如下[12]：

物种丰富度指数：S=样方内所有物种数目。

多度=某一种植物学的个体总数。

盖度=植物地上部分垂直投影面积÷样方面积。

频度=该种植物出现的样方数目÷所有调查的样方总数目。

相对多度(%)=某一种植物的个体总数÷同一生活型植物个体总数×100。

相对盖度(%)=某一种植物的盖度÷所有种的盖度和×100。

相对频度(%)=某一个种的频度÷所有种的频度总和×100。

相对重要值：p=(相对密度±相对盖度±相对频度)÷3。

Simpon多样性指数：。

Simpson-Wiener多样性指数：

Pielou均匀度指数：

Pielou均匀度指数：

1.2.2 各样地土壤物理性质测定内容及方法

按照《土壤物理性质测定法》,用环刀分别在3个样地的0～20 cm土层取环刀，测定土壤物理性质[13]：

土壤自然含水量：w=(M-Ms)÷Ms×100。

土壤毛管持水量：a=N÷Ms×100。

总孔隙度 (%)：b=(1-pb÷pv)×100。

毛管孔隙度(%)：c=a×pb。

非毛管孔隙度(%)：d=b-c。

通气孔隙度(%)：e=b-w×pb。

公式中，M为环刀内鲜土质量，Ms为环刀内干土质量，N为环刀内水分质量，pb为土壤容重，pv为土壤比质量）。

运用Microsoft Excel 2003对数据进行统计分析和作图；运用SAS 9.3软件对各样地土壤物理性质等进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 林下植物多样性

2.1.1 林下植物组成和重要值

各样地林下灌木种类如表2。G1样地的灌木层物种数为8个，G2样地有11个， CK样地仅4个。按照物种相对重要值＞ 10%划分优势种群[14-15]，G1样地有野牡丹Melastoma candidum（47.17%）、栀 子 Gardenia jasminoides（13.47%）、 车 轮 梅Rhaphiolepis indica（10.89%）和银柴Aporusa dioica（10.28%）四个优势种，G2样地有野牡丹（21.92%）、车轮梅（14.63%）、马缨丹Lantana camara（14.91%）和黄毛润楠Machilus chrysotricha（11.30%）四个优势种，CK样地样地有黄毛润楠（33.33%）、山指甲Ligustrum sinense（26.54%）和光叶山黄麻Trema cannabina（33.33%）3个优势种。

在G1样地的草本层物种数为5个，优势种有求米草Oplismentls undulatifoliu（36.19%）、玉叶金花Mussaenda pubescens（27.49%）和火炭母Polygonum chinense（25.81%）；G2样地的草本层物种数为4个，优势种有求米草（49.82%）、火炭母（27.49%）和玉叶金花（20.38%）；CK样地的的草本层物种数为4个，优势种有求米草（68.99%）和山菅兰Dianella ensifolia（20.37%）（表3）。

表2 不同样地的林下灌木种类与重要值Table 2 Undergrowth shrub layer species and importance value at different plots

表3 不同样地的林下草本种类与重要值Table 3 Undergrowth herb layer species and importance value at different plots

2.1.2 林下植物多样性

G1样地、G2样地和CK样地的灌木Simpson多样性指数分别为0.728、0.871、0.703；Shannon-Wiener多样性指数分别为1.654、2.197和1.267；均匀度指数 Jsw分别为0.502、0.504和0.528；均匀度指数Jsi分别为0.715、0.643和0.809（图1）。

G1样地、G2样地和CK样地的草本Simpson多样性指数分别为0.719、0.647、0.647，Shannon-Wiener多样性指数分别为1.363、1.168和0.892，均匀度指数Jsw分别为0.261、0.211和0.255，均匀度指数Jsi分别为0.914、0.963和1.043（图2）。

图1 各样地林下灌木的多样性指数Fig.1 Species diversity index of the shrub layer at different plots

图2 各样地林下草本的多样性指数Fig.2 Species diversity index of the herb layer at different plots

2.2 土壤物理性质

不同样地的土壤物理性质见图3。G1样地、G2样地和CK样地的土壤容重分别为1.54、1.59和1.60 g·cm-3，各样地间差异不显著。

G1样地、G2样地和CK样地的自然含水量分别为13.17%、14.56%、11.34%，CK样地的自然含水量显著低于G1和G2样地（P ＜ 0.05）。

G1样地、G2样地和CK样地的土壤毛管持水量分别为21%、21%和19%，三者差异不显著。

G1样地、G2样地和CK样地的土壤毛管隙度分别为3.2%、3.3%和3.1%；土壤非毛管隙度分别为38.8%、36.7%和36.4%；土壤总孔隙度分别为42.0%、40.0%和39.5%，三个样地间的这些指标差异不显著。

3 结论与讨论

从研究结果得知，G1样地、G2样地的林下灌木种类、草本种类及其对应的优势种数量均多于CK样地。G1样地、G2样地的林下灌木和草本种类较多是由于改造样地套种阔叶树种改造林分后，改善了样地环境，有利于植被演替。植物种类随着植被的恢复而增多，已具备乔、灌、草分层的雏形，群落结构渐趋复杂化[16]，从而增加了生态系统的稳定性[17]。

不同样地的灌木及草本的多样性指数及均匀度指数有明显的差异。改造过的G1 和 G2 样地的灌木及草本Simpson 优势度指数及Shannon-Wiener多样性指数均大于CK 样地。经过改造的G1 和G2 样地的林分密度、覆盖度均大于CK 样地，可能是经过改造的人工林形成更多适合植物生长的微环境，提高了植物多样性。Pielou均匀度指数是反映群落均匀度的指标[18-19]，与各个物种中分布的均匀程度有关[16]。本研究中，G1 和 G2 样地灌木及草本的Pielou 均匀度指数均小于CK 样地，可能与G1 和 G2 样地的优势种数量多有关[20]。

图3 各样地的土壤物理性质Fig.3 Soil physical properties of different plots

土壤物理性质是评价土壤水源涵养能力的重要指标，直接影响到林木的根系生长及其对水分和养分的吸收[17]。植物多样性指数与土壤物理性质关系密切[6]。土壤的土壤孔隙度受土壤发育状况的影响，土壤表层的凋落物组成、地下根系的生长发育状况和凋落物的分解状况等存在差异，也会造成土壤物理性质的差异[21-22]。G1和G2样地的均有4种阔叶树种，林下植被多，其根系对土壤具有穿插和切割作用，回归土壤的凋落物多，能加速土壤团粒结构的形成，所以土壤疏松多孔[23]，容重小。CK 样地没有阔叶树种，林下植被稀少，凋落物少，所以容重大，孔隙少。与CK样地相比，G1和G2样地的凋落物多，凋落物的覆盖减少了土壤水分的蒸发，提高了土壤自然含水量；另外，土壤凋落物层结构疏松，吸水和透水能力强,可以拦截雨水、减少地表径流[24]。G1和G2样地的土壤毛管孔隙度大导致了土壤毛管持水量增加。G1和G2样地的大部分土壤物理性质与CK样地没有显著差异，表明土壤物理性质的改善是一个长期的过程。随着G1和G2样地的阔叶树种生长，根系增加，对土壤的穿插加强；另外，凋落物量的持续增加能促进凋落物分解形成大量的土壤腐殖质，会逐渐改善土壤结构，增加土壤孔隙，提高改造样地土壤的持水能力。

本研究虽然对不同林分改造模式下的加勒比松林的林下植物多样性和土壤物理性质进行了分析，但是由于改造时间较短，各群落系统均处于演替的初期，尚未达到真正稳定的状态，因此林分改造对各植物群落结构、各物种间的相互关系及生长状况的影响还需要进行长期研究; 另外本研究仅探讨了改造样地的林下植物多样性和土壤物理性质的变化，没有进行土壤养分和生化方面的研究，因而不足以全面评价林分改造对改善林地土壤肥力的效果。以后需要开展土壤化学性质和生化指标的研究，为准确评价林分改造的效果提供科学依据。

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