地层岩性对植物群落分布特征的影响

张恋, 王宇飞, 罗建林, 汪振立, 雷天赐

(1.江西应用技术职业学院，江西 赣州 341000； 2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

0 引言

植被具有地域性选择分布的特点，前人研究中更多考虑了气候条件对植物分布的影响[1]，以及地质环境条件对单一植物分布的影响等[2-3]，关于地质环境条件如何影响植物群落分布的研究较少。成土母岩是土壤形成的重要基础，直接影响到土壤的物理和化学性质，不同成土母岩衍生的土壤在质地、结构、酸碱度、保水保肥能力等方面均存在差异[4-6]，岩性差异较大的成土母岩甚至可以生成不同类型的土壤，岩石和土壤的差异会影响植物的生长发育[7-9]。本文通过研究在相同地貌条件和气候条件下不同岩性区的植物群落分布特征，进而探索造成不同成土母岩区地表自然生长的植物群落存在差异的原因。

1 研究区概况

研究区位于江西省南部的赣州市赣县区牛栏坑，区内海拔250～350 m，属丘陵地貌区，地形坡度25°～30°。土壤类型为红壤，区内人类工程活动干预较小，森林覆盖率高。根据赣县区南部6个雨量站1997—2017年的监测结果，研究区年均气温为19.6 ℃，年平均降水量1 543.6 mm，降水多集中在每年的3—8月，约占全年降水量的71.4%。

研究区内岩性主要发育有寒武系牛角河组变余杂砂岩，侏罗系水北组粉砂岩、砂砾岩及长石石英砂岩，另外还出露有燕山期细粒黑云母二长花岗岩(图1)。

图1 研究区地质简图

2 植物群落特征

植物群落是在特定生态环境条件下植物有规律的组合，是植被与生态环境之间相互影响的结果。江西南部丘陵山区自然植被发育区生长的主要树种有马尾松(Pinusmassoniana)、杉树(Cunninghamialanceolata)等针叶树，伴生的乔木有木荷(Schimasuperba)、香樟(Cinnamomumcamphora)、青冈(Quercusglauca)、红锥(Castanopsishystrix)等阔叶树，檵木(Loropetalumchinense)、轮叶蒲桃(Syzygiumgrijsii)、峨眉鼠刺(Iteaomeiensis)等灌木，草本植物以铁芒萁(Dicranopterislinearis)发育为主要特点，马尾松、铁芒萁能在土壤贫瘠的花岗岩沙土中生长[10-11]。

为研究不同岩性区的植物群落特征，本次植物群落调查选择人类工程活动干预少、自然植物群落发育的区域开展工作，植物群落调查分别于2019年7月和2020年6月进行，垂直岩层走向，在同一侧坡面的同一海拔高度，以10 m×10 m作为一个样方，在每个岩性区选择有代表性的区域布置一个样方，每个样方内植物种类见表1。通过对样方内植物群落、优势种、林下光照强度等内容的调查，发现不同岩性区之间植物群落存在差异(表1)，区内地层岩性和土壤差异对植物群落的不同可能起着决定性的作用。

表1 不同岩性区植物群落组合

研究区内花岗岩区的植被主要为以松科、里白科为主的针叶林，优势种为马尾松、铁芒萁(图2(a))； 变余杂砂岩区主要为以山茶科、虎耳草科、壳斗科为主的阔叶林，优势种为木荷、峨眉鼠刺、红锥等(图2(b))； 粉砂岩区主要为以山茶科、松科、茜草科为主的阔叶林，优势种为木荷、杉树、紫茎(Stewartiasinensis)(图2(c))； 砂砾岩区主要为以壳斗科、五桠果科、豆科、大戟科、山茶科为主的阔叶林，优势种有红锥、木荷、长柄山蚂蝗(Podocarpiumpodocarpum)、锡叶藤(Tetraceraasiatica)(图2(d))； 长石石英砂岩区植被主要为以山茶科、壳斗科、豆科、松科为主的针阔叶混交林，优势种有木荷、红锥、杉树、马尾松、鸡血藤(Spatholobussuberectus)等(图2(e))，松科在长石石英砂岩区生长状况最好[12]。藤本植物是研究区植物群落中重要的类群和组成部分，这也是热带亚热带森林有别于温带森林的显著特征之一[13]，在砂砾岩区发育藤本植物也是研究区内植物群落差异的重要特征。

植物群落和郁闭程度的不同会造成林下光照强度的差异，为对比不同岩性区内的林下光照强度，选择晴朗的天气并在0.5 h内测得不同岩性区内林下光照强度和林外光线无遮挡空旷处的光照强度，用光照率(林下光照强度与空旷处光照强度的比值)反映植被的茂密程度、覆盖度等方面的差异(表2)，发现林下光照强度由大到小为长石石英砂岩区>花岗岩区>粉砂岩区>砂砾岩区>变余杂砂岩区，变余杂砂岩区光照强度最弱的原因可能是地表植被以山茶科、壳斗科、樟科等阔叶树为主。

表2 不同岩性区的光照强度

3 样品采集与分析结果

3.1 样品采集与测试方法

3.1.1 样品采集与测试点布置

土壤样品采集主要集中在6月，采集前3 d内无降雨。样方主要布置在同一侧坡面、同一海拔高度的区域，分别在不同岩性区采集岩石和土壤样品，现场分别测量不同岩性区土壤的紧实度、电导率、氧化还原电位以及林下光照强度等参数，本研究现场土壤紧实度、电导率、氧化还原电位和林下光照强度的测试参考《SL 364—2015土壤墒情监测规范》[14]进行，采用土壤多参数测定仪(土壤墒情速测仪)在自然条件下现场测定。

3.1.2 分析项目与测试方法

测试指标包括岩石、土壤的化学组分和土壤的物理参数，选择与植物生长密切相关的A层土壤，采用梅花桩式采集土壤样品，每个样品约500 g，经过自然风干、研磨,过2 mm筛子后送样分析，测定了土壤中的主量元素和主要微量元素，并对土壤的pH值、有机质、有效P、速效K等影响土壤养分的指标进行了测定，测试参照《DD 2005—03生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》[15]标准，具体方法为： 采用酸度计法测定pH值，重络酸钾容量法-外加热法测定有机质含量，碳酸氢钠浸提-分光光度法测定有效P含量，乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效K含量。土壤的物理参数测定参考《GB-T 50123—2019土工试验方法标准》[16]，土壤容重采用环刀法取A层土原状土样，带回实验室烘干测定土壤容重； 土壤含水量采用烘干法测定，土壤团聚体采用干-湿筛法测定。

3.2 岩石组分分析

岩石是地表环境的固体基底，是物质流的本源之一，深刻影响着土壤的发育及分布。不同岩石地层所含矿物组分和化学元素丰度不同，其化学组成会不同程度地遗传给衍生出的土壤，通过成土过程中元素的迁移聚集影响着土壤的物理化学性质，造成不同岩性区土壤的发育存在区域性变化，制约着自然植被群落的发育，并导致在不同岩性区出现不同的优势群落。本研究主要采集了不同时代地层的岩石样品，分析了其主要的氧化物含量(表3)。

表3 不同成土母岩的主要氧化物含量

3.3 土壤物理性质及组分分析

土壤的物理化学性质是表征土壤差异的主要参数，直接影响着上覆植被的生长和发育，其中土壤粒度组成主要用于表征土壤的物理性质，土壤的pH值、氧化还原电位、电导率、主量元素和微量元素含量主要表征土壤的化学性质。

3.3.1 土壤的物理参数

研究区内的土壤为红壤。根据不同岩性区土壤粒度和质地的分析结果(表4)，花岗岩区、粉砂岩区和长石石英砂岩区土壤质地为砂质黏壤土，变余杂砂岩区和砂砾岩区土壤质地为砂质壤土(图3)。

表4 不同岩性区土壤粒度组成和土壤质地划分

1.砂土及壤质砂土； 2.砂质壤土； 3.壤土； 4.粉砂质壤土； 5.砂质黏壤土； 6.黏壤土； 7.粉砂质黏壤土； 8.黏质黏土； 9.壤质黏土； 10.粉砂质黏土； 11.黏土； 12.重黏土； A.花岗岩区； B.变余杂砂岩区； C.粉砂岩区； D.砂砾岩区； E.长石石英砂岩区。

土壤团聚体是土壤的基本组成单元，也是土壤肥力的重要载体。研究区土壤属于红壤，有机质含量较低，团聚体结构不稳定[17]，区内土壤非水稳定性团聚体各粒径占比随团聚体粒径减小而降低，不同岩性区土壤中粒径0～0.25 mm团聚体占比的差异较为显著，在变余杂砂岩区土壤中粒径0～0.25 mm团聚体的占比最高，而粒径2～4.75 mm团聚体在花岗岩区占比最高(表5)。团聚体稳定性直接影响着土壤抗侵蚀、保水、保肥能力，土壤中的大团聚体可增强土壤通气性和水分入渗，为植物生长发育提供良好的基础条件。在一定范围内，大团聚体占比越高，土壤稳定性越强，其组成和数量通常随植物群落组成的变化而不同[18]。

表5 不同岩性区土壤非水稳定性团聚体组成

3.3.2 土壤的化学组分

分别在不同岩性区取A层土壤进行分析，得到土壤中养分含量以及主量和微量元素含量(表6)。不同岩性区土壤pH值存在较为显著的差异[19]，研究区内土壤整体上呈酸性，藤本植物发育区土壤pH值最低，柏树分布区土壤pH值最高。不同岩性区土壤有机质含量范围为3.4%～9.2%，速效K含量范围为(240.0～380.0)×10-6，由此可见，不同岩性岩石衍生的土壤养分存在较大差异，变质岩区土壤养分相对较好。

表6 不同岩性区土壤养分及主量、微量元素含量

(续表)

4 讨论

调查区位于斜坡同一侧、同一海拔高度，不同岩性区之间自然斜坡坡度差异不大，不同岩性区地层岩性与各区域沿斜坡到山顶区域的岩性一致。成土母岩的风化产物主要以顺坡向位移为主，造成不同岩性区内土壤的成土母岩不同，土壤中砂粒主要为原生矿物，包括石英、长石、云母等。粉砂粒中原生矿物和次生矿物均较多，原生矿物主要为云母、长石，次生矿物主要为次生石英、高岭石等，砂粒和粉砂粒中SiO2的整体含量较高。黏粒中的矿物主要为高岭石、蒙脱石、伊利石，黏粒中Fe、K含量较高。对比分析岩石和土壤中含量较高的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O，发现这些氧化物在不同成土母岩和土壤中的含量有相同的变化趋势(图4)，说明土壤中主量元素的含量主要受到成土母岩成分的影响。

图4 不同岩性区主量元素在成土母岩和土壤中的含量变化

土壤是构成生态系统的要素，是植物生长发育所需水分、养分及热量的载体。土壤粒度、组分、pH值、盐度以及土壤氧化还原强度等性质的变化和差异，直接影响着植被的种类和生长情况。

土壤养分是植物生长发育所必须的物质基础，同时也是土壤肥力的重要来源，土壤的养分含量是指示土壤对植物生长养分供应的关键指标[20]，土壤中营养元素的含量可以决定植物群落的类型和生长状态[21]，反之植被可以通过落叶和分泌物影响土壤养分[22]。研究区不同成土母岩衍生的土壤在质地和养分含量方面存在差异(图5)。花岗岩区土壤质地为砂质黏壤土，具有良好的透水透气性，富含K元素，但是土壤中有机质和P元素含量低，土壤肥力差； 变余杂砂岩区土壤质地为砂质壤土，土壤中有机质含量较高，养分含量丰富，土壤肥力好； 粉砂岩区土壤质地为砂质黏壤土，养分含量比较丰富，土壤肥力较好； 砂砾岩区土壤质地为砂质壤土，富含P元素，土壤中有机质含量较低，土壤浅薄，土壤肥力中等； 长石石英砂岩区土壤质地为砂质黏壤土，土壤中有机质含量较低，土壤肥力较差。总的来看，研究区土壤养分含量从高到低为变余杂砂岩区土壤>粉砂岩区土壤>砂砾岩区土壤>长石石英砂岩区土壤>花岗岩区土壤。

图5 不同岩性区土壤养分含量

研究区内土壤均呈酸性，但不同岩性区土壤的pH值存在差异，不同区域土壤pH值的变化与地表不同岩性区林下光照强度的变化具有相同的趋势(图6)，特别是在藤本植物最发育的砂砾岩区，土壤pH值最低可达3.8，土壤表现出较强的酸性。土壤pH值对土壤营养元素活性也有较为明显的影响，随着酸性增强，Fe的活性逐渐升高，这可能导致了砂砾岩区土壤中Fe氧化物的含量高于岩石中Fe氧化物的含量。

图6 不同岩性区土壤pH值与林下光照强度

土壤中的氧化还原反应是无机物和有机质发生迁移转化并对土壤生态系统产生重要影响的化学过程，土壤氧化还原能力的强度可用土壤氧化还原电位来衡量。氧化还原状态的变化会造成土壤中Fe、Mn等化合物的氧化态与还原态的变化。还原条件有利于植物中有机N的积累，有利于提高P的有效性。土壤电导率的大小则反映了土壤中盐分含量的高低，土壤电导率越大则土壤中盐分含量越高。土壤电导率在长石石英砂岩区的土壤中最高，而土壤氧化还原电位在花岗岩区和粉砂岩区最高(图7)。

图7 不同岩性区土壤氧化还原状态与土壤盐度

5 结论

(1)研究区土壤的物理化学性质主要受成土母岩成分的影响，土壤的质地、电导率、氧化还原状态、pH值以及土壤养分、主量和微量元素含量的差异是影响植物群落分布的重要因素。

(2)研究区不同岩性衍生的土壤养分存在较大差异，各岩性区的土壤养分含量从高到低为变余杂砂岩区土壤>粉砂岩区土壤>砂砾岩区土壤>长石石英砂岩区土壤>花岗岩区土壤。