华北落叶松不同类型林分内植物多样性及土壤持水能力比较.pdf

华北落叶松不同类型林分内植物多样性及土壤持水能力比较王延军（塞罕坝机械林场林场北曼甸分场，河北 承德 068457）摘要:华北落叶松主要分布于华北地区，是优良的用材及水源涵养树种之一，也是塞罕坝机械林场最主要的优势树种，随着人们对森林资源经营的不断探索，对物种更加多样、森林更加健康、植被固碳更佳、水土保持更好的森林结构更加期望，面对林场二次创业之际，广泛营造混交林也是大势所趋，为了给林场下一步造林选择提供科研保障，文章通过对纯林及混交林的植物多样性、枯落物含量、土壤持水能力进行对比分析，寻找较好的混交类型，为林场二次创业保驾护航。本研究选取华北落叶松纯林、落阔混交林、落针混交林作为研究对象，探讨了不同林分类型下生物多样性、枯落物储量、土壤物理性质及持水能力的差异。研究结果表明：落阔混交林和落针混交林的植物丰富度大于落叶松纯林，混交林的Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数小于纯林，但相差不大。混交林落针混交林的枯落物层厚度最大为8.93 cm，枯落物总储量的大小关系为：落针混交林落阔混交林纯林。落阔混交林、落针混交林的土壤容重均小于落叶松纯林，土壤孔隙度、土壤持水量以及土壤持水率均高于纯林，落针混交林010 cm层最大持水量可达到740.62 g/kg，最小持水量达650.17 g/kg,毛管持水量668.95 g/kg,自然含水量434.70 g/kg。关键词：华北落叶松；林场；生物多样性；枯落物；土壤；持水能力中图分类号：S791.22文献标识码：BComparison of Plant Diversity and Soil Water Holding Capacityin Different Stand Types of L.Principis-RupprechtiiWANG Yanjun(NorthMandianBranchofSaihanbaMechanicalForestFarm,Chengde068457,HebeiProvince,China)Abstract:Larix principis-rupprechtii is mainly distributed in North China.It is one of theexcellent timber and water conservation tree species,and it is also the most important dominanttree species in Saihanba mechanical forest farm.With the continuous exploration of forestresources management,people have more expectations for the forest structure with more diversespecies,healthier forests,better vegetation carbon sequestration and better soil and waterconservation.In the face of the second venture of the forest farm,it is also the general trend toextensively build mixed forests.In order to provide scientific research guarantee for the nextafforestation selection of the forest farm,this paper compares and analyzes the plant diversity,littercontent and soil water holding capacity of pure forest and mixed forest in order to find a bettermixed type to escort the second entrepreneurship of the forest farm.In this study,Larix principis-rupprechtii pure forest,deciduous broad-leaved mixed forest and deciduous coniferous mixedforest were selected as the research objects,and the differences of biodiversity,litter storage,soilphysical properties and water holding capacity under different forest types were discussed.Theresults showed that the plant richness of deciduous broad-leaved mixed forest and deciduousconiferous mixed forest was higher than that of larch pure forest.The Simpson index,Shannon-Wiener index and Pielou evenness index of mixed forest were lower than those of pure forest,butthe difference was not significant.The maximum thickness of litter layer in mixed forest is 8.93 cm,收稿日期：2022-11-26作者简介：王延军（1974-），男，河北省承德市围场满族蒙古族自治县人，林业助理工程师.文章编号：1006-6993（2023）01-0093-06第46卷第1期内蒙古林业调查设计vol.46.No.12023年1月Inner Mongolia Forestry Investigation and DesignJanuary.2023DOI:10.13387/ki.nmld.2023.01.002华北落叶松（Larix principis-rupprechtiiMayr）是一种长势良好、材质优良、适应性强、寿命长的树种，可以涵养水源，防风固沙，对生态系统的建设与维护起着至关重要的作用，关系到京津地区的生态环境建设1，也是我国华北地区蓄积量最大，分布最广的造林树种，因此，应大力加强对落叶松林分的经营管理。物种多样性可以增加林分生物组成，提高林分稳定性，在维持生态系统功能方面发挥巨大的作用，森林枯落物能够保持水土、改善土壤理化性质2，枯落物层是森林生态系统中独特的层次结构，枯落物层结构疏松有良好的透气性和持水能力，能够增加土壤有机质，改善土壤物理性质，在降水过程中枯落物防止雨滴溅击土壤破坏土壤结构，防止地表水土流失，具有良好的水土保持能力3-4。土壤持水量和持水率的大小是反应水源涵养能力高低的重要指标，因此，增加生物多样性，改善土壤理化性质显得尤为重要5。1研究区概况承德市位于冀北燕山东段，由于长期地质发生变化，呈现出地势由西北向东南逐渐降低的趋势，海拔高度大约在3001 200 m之间。地理坐标位于东经1174511902，北纬41354217之间，距北京市221 km，承德市处于暖温带向寒温带过渡的地带，属于温带半湿润半干旱大陆性季风型山地气候，年平均气温515，极端最高温度和极端最低温度分别为 38.9 （出现在 7 月份）,-26.3,（出现在 1 月份）,无霜期 130160 d，年降水量500700 mm，多集中在78月份，受季风气候影响显著，四季分明，冬长夏短，雨热同季，昼夜温差大。土壤类型以棕壤为主。塞罕坝机械林场乔木树种主要有华北落叶松、油松（Pimus tabulaeformisCarr）、白桦（Betula platy-phyllaSuk.）、山杨(Pobulus davidi-anaDode）等。伴生树种有五角枫（Acer mono）、云杉（Picea asperata）等，树下有毛榛（Corylus mandshurica）、胡枝子（Les-pedeza bicolor）、野玫瑰（Rosa rugosa）等灌木。草本植物主要有蹄盖蕨（Athyrium filix-femina）、舞鹤草（Maianthemum bifolium）、披针苔草（Carex lanceola-ta）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）等。2研究方法2.1 标准地的设置选择具有代表性的3种典型的林分类型，分别为密度、林龄相近的人工落叶松纯林、人工落阔混交林和人工落针混交林，每种林分类型设置3个重复，共设9块标准地，大小为20 m30 m，各标准地基本情况详见表1。and the relationship between the total litter storage is:mixed forest mixed forest pure forest.The soil bulk density of deciduous broad-leaved mixed forest and deciduous needle mixed forestwas lower than that of larch pure forest,and the soil porosity,soil water holding capacity and soilwater holding rate were higher than those of pure forest.The maximum water holding capacity of 010 cm layer of deciduous needle mixed forest could reach 740.62 g/kg,the minimum waterholding capacity was 650.17 g/kg,the capillary water holding capacity was 668.95 g/kg,and thenatural water content was 434.70 g/kg.Key words:Larix principis-rupprechtii;forest farm;biodiversity;litter;soil;water holding capacity表1样地基本信息表林分类型纯林落阔混交林落针混交林样地号A1A2A3B1B2B3C1C2C3海拔/m140016431670145716291568184115151574坡度/183221111731612坡位下无下下中上中下下坡向东北无坡向西东北东北东北东南东北东树种组成郁闭10落-桦0.810落+桦0.710落0.86落4桦0.78落2桦0.66落4桦0.78落2云0.67落3云0.88落2云0.7密度/株/hm22 5002 1672 8672 2831 2332 2171 2002 4002 067林龄/a171915182325191718内蒙古林业调查设计2022年942.2 物种多样性调查采用五点取样法在每块样地内分别设置5个5 m5 m的灌木样方和1 m1 m的草本样方，调查各样方中灌木、草本的种类、数量、高度、盖度。本研究采用的生物多样性指数为物种丰富度指数、Simpson 多样性指数、Shannon-Wiener 指数（H）、Pielou均匀度指数。各指标计算公式如下：（1）Simpson 多样性指数：D=1-i=1S（Pi）2（2）Shannon-Wiener指数：H=-i=1SPilnpi（3）Pielou均匀度指数：E=HlnS式中：Pi为第i个物种个体数与群落中物种总个体数的比；S为群落中的总物种数；H为实际观察的物种多样性指数。2.3 枯落物采集及测定枯落物采集及测定分为半分解层和未分解层。未分解层是指植物残体的结构形态基本保持刚落地时的状态,半分解层是指叶形不十分完整，叶肉组织变色并开始腐烂。在标准地内采用5点取样法设置5个1 m1 m的样方，在每个样方内设置5个20 cm20 cm的小样方进行枯落物的采集。按未分解层和半分解层分开取样，装入塑料袋内做好标记，带回室内，取部分样品称其鲜重，然后用烘箱在7080 下将样品烘干，冷却后称其干重，计算枯落物储量。取部分枯落物进行风干处理，将风干的枯落物样品，按照未分解和半分解层分别取3份，装入细网尼龙袋，称重并记录，进行浸水试验，浸泡24 h静置无水滴下时，再测定枯落物的湿重，计算枯落物的最大持水量和最大持水率。2.4 土壤样品采集及测定采用挖剖面法进行取样，剖面深度在1 m左右，010 cm，1020 cm，2040 cm，分三层用环刀取样，每层3个重复。将取回来的土壤样品进行称重，然后将样品浸水24 h，计算土壤最大持水量、最大持水率；静止2 h后称重计算毛管持水量；控水24 h后称重，最后放入烘箱中，150 烘6 h,称重计算土壤容重和土壤自然含水量、自然含水率。3结果与分析3.1 不同林分类型物种多样性物种多样性是反应林分生长情况的重要指标，不同林分类型灌木多样性存在差异，由表2可知，落阔混交林和落针混交林的灌木物种丰富度均值相等均大于纯林，Simpson指数：纯林落针混交林落阔混交林，但相差不大，Shannon-Wiener指数落针混交林纯林落阔混交林、Pielou均匀度指数纯林最大，比落针混交林高2倍。林 分 类 型纯林落阔混交林落针混交林丰富度1.92.52.5Simpson指数0.258 70.230 30.234 2Shannon-Wiener指数0.438 10.398 90.479 0Pielou均匀度指数0.463 50.402 20.279 1表2不同林分类型林下物种多样性比较3.2 枯落物储量与持水量3.2.1 不同林分类型枯落物含量枯落物的储量主要取决于其输入量及本身分解程度，输入量受树种组成、林分生长状况影响，季节和气候变化在内的各种环境因子以及人为活动都会影响枯落物的分解速率6-7。不同样地类型枯落物储量表现出一定的差异，详见表3。落针混交林的枯落物层厚度最大为8.93 cm，其次是纯林的枯落物层厚度为6.67 cm，厚度最小的为落阔混交林，而枯落物总储量的大小关系为落针混交林落阔混交林纯林，枯落物总储量与总厚度并未表现出一致的规律，纯林的厚度大于落阔混交林，由于枯落物厚度与林分密度及其本身分解速率有关，纯林林分密度大，分解速率慢，落阔混交林分解速率快8。不同林分类型各层次枯落物储量所占比例各不同，未分解层中枯落物储量落阔混交林所占比例较大为62%，半分解层枯落物储量落针混交林所占比例略高为58%。3.2.2 不同林分类型枯落物持水量由表4可知，枯落物最大持水量和最大持水率均值的大小关系为落阔混交林落针混交林纯林，且总体来看半分解层最大持水量和最大持水率均高于未分解层，落阔混交林的未分解层持水量和持水率略高于半分解层。王延军：华北落叶松不同类型林分内植物多样性及土壤持水能力比较953.3 不同林分类型土壤物理性质及持水量分析3.3.1 土壤物理性质分析土壤容重是反应土壤物理性质的一项重要指标，由表 5 可知，纯林 010 cm，1020 cm，2040 cm各层的土壤容重均大于落阔混交林和针阔混交林，落阔混交林的土壤容重大于落针混交林。土壤孔隙度反映土壤孔隙状况和松紧程度，是一定体积的土壤内，总孔隙体积占土壤总体积的百分数9。总孔隙度均值（见表5）表现为：落针混交林落阔混交林纯林，其中，落针混交林010 cm层非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度最大分别为5.24%、56.07%、61.31%，3种林分类型的非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度都变现为010 cm层最大，2040 cm层最小。表3不同林分类型枯落物含量林分类型纯林落阔混交林落针混交林厚度/cm未分解层2.671.833.67半分解层4.002.675.27总厚度/cm6.674.508.93枯落物储量/（t/hm2）未分解层3.294.243.50比例/%0.440.620.42半分解层3.432.644.75比例/%0.560.380.58总储量/（t/hm2）6.756.878.25表4不同林分类型枯落物持水量林分类型纯林落阔混交林落针混交林最大持水量/（g/kg）未分解层1 628.213 110.241 762.18半分解层2 031.582 886.422 047.28合计/（g/kg）3 659.795 996.663 809.46最大持水率/%未分解层162.82311.02176.22半分解层203.16288.64204.73平均/%182.99299.83190.47表5不同林分类型土壤物理性质及持水性能林分类型纯林落阔混交林落针混交林土层/cm01010202040均值01010202040均值01010202040均值土壤容重/（g/cm3）0.961.151.201.100.921.101.181.060.881.061.111.02孔隙度/%非毛管孔隙度1.340.860.540.912.551.391.701.885.243.184.674.37毛管孔隙度52.1451.4548.8450.8155.7246.0147.5249.7556.0753.8149.7253.20总空孔度53.4952.3149.3851.7358.2747.3949.2251.6361.3156.9954.3957.563.3.2 土壤持水量分析土壤水分物理性质在森林土壤水源涵养能力和土壤水分供应方面发挥重要作用，土壤持水量越大，土壤水分供应越充足，由图1、图2、图3、图4可知落针混交林010 cm层最大持水量可达到740.62 g/kg，最小持水量达650.17 g/kg,毛管持水量668.95 g/kg,自然含水量434.70 g/kg，最大持水量、最小持水量、自然含水量、毛管持水量均值排序：落针混交林落阔混交林纯林，1020 cm层最大持水量、最小持水量、自然含水量、毛管持水量纯林大于落阔混交林。内蒙古林业调查设计2022年96图1最大持水量图2最小持水量图3毛管持水量图4自然含水量3.3.3 土壤持水率分析由图5、图6、图7、图8可知落针混交林010cm层最大持水率可达到 74.06%，最小持水率达65.01%,毛管持水率66.89%,自然含水率43.47%,落叶松混交林土壤的最大持水率、最小持水率、自然含水率、毛管持水率均值均大于落叶松纯林。图5最大持水率图6自然含水率图7最小持水率图8毛管持水率王延军：华北落叶松不同类型林分内植物多样性及土壤持水能力比较974结论与讨论一是对纯林、落阔混交林、落针混交林3种不同林分类型林下植物多样性的研究发现，落阔混交林和落针混交林的丰富度大于纯林,Simpson 指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数相对小于纯林，但差别不大。二是对3种林分类型枯落物储量的调查分析，枯落物总储量的大小关系为落针混交林落阔混交林纯林，枯落物总储量与总厚度并未表现出一致的规律，纯林的厚度大于落阔混交林，由于枯落物厚度与林分密度及其本身分解速率有关，纯林林分密度大，分解速率慢，落阔混交林分解速率快8。三是3种不同林分类型土壤容重表现为:落叶松纯林落针混交林落阔混交林，最大持水量、最小持水量、自然含水量、毛管持水量均值排序：落针混交林落阔混交林纯林2，落针混交林010 cm层最大持水量可达到740.62 g/kg，最小持水量达650.17 g/kg，毛管持水量668.95 g/kg,自然含水量434.70 g/kg，总体来看，混交林土壤持水量和土壤持水率的各指标均高于纯林，起到了涵养水源的作用10。通过查阅资料及研究数据，表明混交林在应对气候变化与实现碳中和目标以及社会发展对森林生态系统要求更加多样化的时代背景下，混交林的重要性在世界各国已达成共识。通常认为，相对于纯林，混交林能够增加生物多样性、提高生产力、增加碳储量，具有更高的生态韧性（抵抗力与恢复力）。本研究通过对华北落叶松林林下植物多样性、枯落物储量、土壤持水能力的研究分析发现，落阔混交林和落针混交林的物种丰富度高于纯林，落针混交林的枯落物总储量最大，落针混交林的土壤持水量、土壤持水率也最大，落阔混交林各项指标也优于纯林，因此，可以考虑在落叶松纯林中适当引进针叶树种或阔叶树种，充分利用林分空间，改善立地条件，增强林分稳定性，达到永续利用。参考文献：1 孙德利,张梅春,吴耀先,等.落叶松人工中幼龄林抚育效果初探J.辽宁林业科技,1996,4(6):20-24.2 白晋华,胡振华,郭晋平.华北山地次生林典型森林类型枯落物及土壤水文效应研究J.水土保持学报,2009,23(2):84-89.3 张振明,余新晓,牛健值,等.不同林分枯落物层的水分生态功能J.水土保持学报,2012,30(2):139-143.4 吴钦孝,赵鸿雁,刘向东,等.森林枯枝落叶层涵养水源保持水土的作用评价J.水土保持学报,1998,4(2):23-28.5 陈波,孟成生,赵耀新,等.冀北山地不同海拔华北落叶松人工林枯落物和土壤水文效应J.水土保持学报,2012,3(6):216-221.6 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