石漠化区樟树-马尾松人工混交林植物群落与土壤理化特征的研究

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中国南方喀斯特地区石漠化现象严重。目前,石漠化地区的森林重建与恢复成为生态系统研究的一个难题,而植物和土壤之间的相互作用是维持生态系统稳定性的关键环节。为了弄清人工造林后石漠化地区植物群落结构特征与土壤理化特征之间的关系,于2020年6月-2021年8月,我们在武陵山石漠化综合治理国家长期科研基地,通过野外踏查选定樟树-马尾松人工混交林为研究对象,依据石漠化等级评定标准,分别布设轻度、中度和重度石漠化以及非石漠化4种类型样地,样地规格为20 m × 20 m各3块,调查其植物群落组成并测定土壤理化特征。采用单因素方差分析、相关性分析和冗余分析相结合的方法,分析其林下植被特征、土壤理化性质,以及对石漠化程度三者之间的响应机制,以期探寻不同等级石漠化生境下人工林植被和土壤物理性质的变化规律,为该地区生态恢复和石漠化治理提供理论依据。结果如下:(1)4种石漠化生境下植物群落内存在46种共同物种,如毛蕨、三籽两型豆、六月雪等;每种生境下的特有种仅有1到2种,如九头狮子草、冬青、山矾等。草本层植物共有24科35属36种,以禾本科、菊科为主;灌木层植物共有28科43属47种,以蔷薇科为主;乔木层植物共有13科13属13种,以樟科为主,更新树种如华榛、光皮梾木等主要分布在小径阶范围内,大径阶树种仍以樟树和马尾松占据优势地位。物种丰度和重要值结果表明,不同石漠化生境的植被群落组成存在明显差异,同一物种对不同程度石漠化生境的适应能力存在显著差异,其中蔷薇科植物可作为石漠化等级的区分指标。(2)从植物群落整体来看,4种类型石漠化生境的物种多样性指数存在显著差异(P<0.05),Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数随石漠化程度的加重而逐渐增加,丰富度指数与其相反,中度石漠化生境下的Simpson优势度指数最高。草本层在中度石漠化生境下的多样性指数最高,灌木层在在重度石漠化生境下的多样性指数最高。重度石漠化生境下的草本层丰富度指数显著低于其他三种类型(P<0.05)。进一步表明,重度石漠化生境下的岩石裸露率对植物群落内草本植物物种丰富度和多样性有关键性影响,但不会降低灌木物种丰富度和生物多样性。(3)人工造林后,随着石漠化程度的加重,其土壤物理特征并非愈发退化,而是表现为先退化后逐渐改善。不同石漠化生境下土壤物理特征(土壤容重、最大持水量、毛管持水量、田间持水量)存在显著差异(P<0.05);除土壤容重以外,其他指标随着石漠化程度的加重呈现先减小后增加的趋势。垂直方向上,同一石漠化生境下,除土壤容重外,土壤田间持水量、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度等土壤物理指标随土层的加深呈减小趋势。(4)人工造林后,随着石漠化程度的加重,其土壤化学特征总体上也表现为先退化后逐渐改善。除土壤pH值外,其他养分含量均随石漠化程度的加重呈先增加后减少再增加的趋势。总体而言,重度石漠化生境的养分含量最高。不同深度的土壤养分含量存在明显差异,表层土壤(0-15 cm)的养分含量最高。(5)四种石漠化生境下土壤物理和化学特征之间存在显著相关性(P<0.05)。除土壤容重、非毛管孔隙度和交换性镁离子外,其他理化特征之间的显著相关性均表现为正相关,虽存在负相关,但相关性均不显著。(6)基于BioEnv排序,以不同石漠化生境下植物群落内物种丰度和土壤理化特征为矩阵,得到土壤理化特征的5个最优指标,分别为土壤非毛管孔隙度、全钾、水解氮、有效磷和阳离子交换量。进一步做冗余分析,结果表明4个指标在RDA1轴的解释率为29.82%,在RDA2轴的解释率为24.63%。土壤阳离子交换量、全钾和水解氮含量显著影响4种石漠化生境下植物群落物种组成和分布(P<0.05)。(7)基于partial Mantel test检验,以不同石漠化生境下植物群落内物种丰度和土壤理化特征为矩阵,分别得到表征乔灌草三种群落类型植物组成与分布的土壤理化特征最优指标。进一步做冗余分析,结果表明土壤交换性钙离子和全钾含量对4种石漠化生境下植物群落物种组成和分布存在显著影响(P<0.05)。土壤非毛管孔隙度和交换性钙离子显著影响草本层植物的分布;土壤有机碳和水解氮含量对灌木层植物的分布具有明显正驱动作用;土壤全磷和有效磷则显著影响乔木层植物的分布。综上所述,自20世纪60年代初人工造林以来,经过多年恢复,原来的樟树-马尾松混交林变为以樟树为主体、多树种混交的异龄林,林下灌草种类多达87种。不同等级石漠化生境下植物群落组成存在明显差异,同一物种对不同石漠化生境的适应能力也存在显著差异。不同程度石漠化生境下的土壤物理化特征仍存在显著差异,土壤物理和化学特征随着石漠化程度的愈发严重呈现先退化后逐渐改善的变化趋势。不同等级石漠化生境下,土壤理化特征和植被特征间存在显著相关性。RDA分析表明,造林介导后的石漠化区域土壤非毛管孔隙度、pH值、有机碳、水解氮、全磷、有效磷、全钾、阳离子交换量和交换性钙离子含量对不同石漠化生境下的物种组成和分布存在显著影响。当然,要想研究区整体恢复到相对合理的原生林群落结构状态仍需要较长时间,建议后期植被恢复过程中,不仅要对大径级樟树进行间伐,也要根据不同石漠化程度及其特点,选择适宜的乡土树种以及林下植物配置在林窗中进行补植,以提高森林的植物多样性、生态系统的稳定性,达到良好的生态修复效果。
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