华南典型尾叶桉纯林经营对土壤理化性质、微生物和线虫群落的影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金联合基金()湖南省自然科学基金()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.孝惠爽赵杰傅声雷.华南典型尾叶桉纯林经营对土壤理化性质、微生物和线虫群落的影响.生态学报():.():.华南典型尾叶桉纯林经营对土壤理化性质、微生物和线虫群落的影响孝惠爽赵 杰傅声雷 聊城大学生命科学学院聊城 中国科学院亚热带农业生态研究所长沙 河南大学开封 摘要:桉树是我国华南地区的重要速生营林树种具备极高的经济价值然而我国桉树人工林的发展还存在巨大争议桉树营林的生态环境效应还有待进一步考究 针对我国华南地区典型尾叶桉()纯林经营的潜在生态问题选取
2、广东鹤山森林生态系统国家野外研究站的 树种混交林()、树种混交林()和桉树纯林()三种林型另外设置桉树砍伐()和桉树砍伐清除林下灌草()这两种常见经营措施的处理通过比较不同林型和管理措施下土壤理化性质和生物指标的差异解析了桉树营林对土壤理化特性、土壤微生物以及线虫群落的影响 本结果表明:三种林型间的土壤理化特性没有显著差异但桉树纯林的土壤真菌生物量、真菌细菌比、食细菌线虫多度显著高于 和 树种混交林桉树纯林的食真菌线虫多度和线虫群落多样性显著高于 树种的混交林 不同桉林管理措施下桉树砍伐对土壤理化性质和土壤生物的影响不显著但是桉树砍伐同时清除林下灌草显著降低了土壤含水率、真菌细菌比、线虫总多度
3、、食细菌线虫多度、食真菌线虫多度以及杂食捕食性线虫多度 以上结果说明桉树纯林的生物群落总体上优于相同林龄的多物种混交人工林因此桉林的土壤质量状况并不比混交林低 另外砍伐导致了桉林土壤质量下降在砍伐过程中破坏灌草会对土壤质量造成更严重的负面影响 总体来看桉林本身具有良好的生态功能但作为一个具有生态和经济双重效益的物种桉林长期经营可能会导致土壤退化等一系列生态问题 因此未来桉树人工林生态和经济效益权衡可能需要重点关注营林措施关键词:桉树人工林营林措施微生物线虫土壤退化 :./.:/.()()()()().:中国是世界上人工林面积最大的国家 年森林资源清查结果显示中国人工林面积已达.万总蓄积量.万
4、人工林具有水土保持、固碳增汇、生物多样性保育、供应木材、景观美化和文化教育等生态系统服务功能 但是不合理的经营措施导致很多地区的人工林经营的可持续性面临巨大挑战如:长期轮伐导致地力衰退和树木生长缓慢、营造纯林导致生物多样性降低和病虫害风险增加等 因此人工林的经营措施的可持续性需要进一步探究桉树属于桃金娘科是世界三大速生人工林树种之一也是我国华南地区的重要营林树种该区种植面积已超过.主要分布在广西、广东、海南、四川、福建等省份具有速生丰产、轮伐周期短、适应性强、用途广泛等优点具备一定的经济效益和社会效益 但我国桉树人工林经营面临巨大的争议很多学者认为桉树营林的负面环境效应过高主要表现在:)桉树营
5、林导致生物多样性下降 一方面因为桉树的化感效应对很多其它植物物种的定植和生长具有抑制作用 比如巨桉根际土壤中酚类化感物质直接或间接影响其林下植物多样性尾叶桉的叶提取液很大程度抑制绿豆和豌豆插条的生根因而推断其体内含有抑制生根的物质 另一方面桉树生长迅速轮伐期一般为 年甚至更短砍伐对植被的破坏性比较大从而导致生物多样性低 其他不合理人为因素也影响着桉林生物多样性如纯林结构单一导致的生境异质性下降和种植密度过大导致的透光性下降等)长期桉树营林导致土壤退化 首先长期轮伐在加快水土流失的同时带走了大量土壤养分造成林地肥力下降其次传统的人工林营林措施目的多在于木材产量及经济效益往往树种单一、结构简单土壤
6、微生物往往受单一地被物(覆盖地表的植物及枯枝落叶等)抑制导致人工林系统土壤养分循环变慢、养分归还速率低)桉树生长快、耗水多其“抽水机”效生 态 学 报 卷:/.应和“蒸发机”效应造成土壤含水量和地下水位下降)桉树还会导致水质下降如叶片溶解的有机质如单宁酸通过径流进入水体导致水体变色水质恶化 但是也有学者认为桉树营林对地下水位与生物多样性未造成显著的负面影响甚至有研究发现桉树具有促进生态系统恢复重建和应对气候变化的正面效应 因此桉树营林的生态环境效应还有待进一步研究营林过程中使用乡土树种进行多物种混交是提高人工林生态服务功能的重要手段 有研究发现与速生纯林相比乡土树种造林与多物种混交可显著改善土
7、壤养分状况提高林分生产力和物种多样性 比如桉树与乡土阔叶树混交比桉树纯林具有更高的土壤有机质、全磷、全氮水平人工林引入本地树种可增加其多功能性马尾松阔叶树混交林在林木生产力、维持地力等方面相比马尾松纯林效果显著尼泊尔桤木云南松混交林、麻栎云南松混交林比云南纯松林的土壤质量更高 但也有研究表明橡胶火力楠混交林和橡胶米老排混交林使橡胶林土壤微生物量碳含量下降就土壤有效氮的储存和供应而言乡土阔叶人工林不一定优于桉树人工林 因此乡土树种和混交林经营模式提升生态系统服务功能的机制仍需进一步研究从而提出针对不同地区、不同气候下的人工林生态系统的经营对策土壤健康对人工林长期经营至关重要 生物、化学和物理属性
8、的相互作用共同影响了土壤环境变化与发展土壤的生物群落组成及多样性、化学养分状况和物理结构状况等指标都被广泛地用于指示土壤质量状况 土壤生物作为指示生物的优点在于其直接参与土壤养分循环对生态系统经营管理等干扰十分敏感它是一个综合性的指标土壤生物的活性、生理、行为、多样性和群落结构的特征和变化均可能反映土壤的健康状况 土壤微生物是被研究最多的土壤生物它们直接参与了土壤碳氮磷循环过程是养分生物地球化学循环的重要驱动者也常被用作土壤质量指示生物 土壤线虫是地球上数量最多的后生动物具有分布广泛、迁移能力相对较弱、世代周期较短、功能类群丰富、占据食物网关键链接、身体透明且结构简单易观察、对环境变化较为敏感
9、等特点是最常用的土壤指示生物之一 国内外很多研究将土壤微生物和线虫等作为指示生物来探索森林经营管理措施对土壤健康状况的影响本研究针对我国华南地区典型桉树纯林经营的潜在生态问题通过比较 树种乡土混交林、树种乡土混交林、桉树纯林 种林型以及桉树林砍伐和清理林下灌草这两种常见经营措施下的土壤理化特性、土壤微生物以及线虫群落指标评价乡土混交林、桉树纯林及相关经营措施之下的土壤健康状况 我们假设:)多物种混交的乡土树种混交林比桉树纯林的土壤理化和生物状况更好)桉树砍伐和清理灌草的营林措施对土壤理化和生物状况具有负面影响 预期研究结果将可以为我国华南地区人工林可持续经营以及政府的林业管理政策、法规的制定提
10、供科学依据 材料与方法.研究区概况本研究在隶属于中国科学院华南植物园的鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站()开展地处广东省鹤山市属于亚热带季风气候干湿季分明湿季从每年 月持续到 月干季从 月持续到次年 月年均温为.年均降雨量为 此地处于长期高温潮湿的物候条件下流水侵蚀作用显著地带性土壤为赤红壤丘陵地貌形态较为普遍 区域顶级群落是亚热带季风常绿阔叶林.实验设计本实验基于广东省鹤山市共和镇退化荒坡实验平台开展该平台于 年建立按照完全随机试验设计共包含 个人工林植被类型每个类型 个重复面积均为 我们在其中选取了 个植被类型即 树种的混交林、树种的混交林和桉树纯林每个林型 个重复 年 月在每个 的
11、样地内设置 个 的样方用于进行 树种的混交林()、树种的混交林()和桉树纯林()的土壤取样和对比分析除此之外在每个桉树纯林中增设 个 的样方随机安排桉树砍伐()和桉树 期 孝惠爽 等:华南典型尾叶桉纯林经营对土壤理化性质、微生物和线虫群落的影响:/.砍伐清理灌草()处理 月底前完成所有样方设置和桉树砍伐清理灌草的处理 桉树砍伐是用电锯在距离地面 的地方锯断砍伐桉树的茎干和枝条均从样方中移出灌草清理是利用柴刀通过人工将地表的所有植被清除并移出样方鹤山各林型的所有的树都是栽种的树苗由当地林科所育苗人工林植株种植株行距为 种植密度约为 株/种植时间为 年 月 树种的混交林种植的植物主要以枫香()、灰
12、木莲()、观光木()、厚荚相思()、秋枫()为主 树种的混交林种植的植物主要以枫香(.)、灰木莲(.)、观光木(.)、厚荚相思(.)、秋枫(.)、火力楠()、尖叶杜英()、深山含笑()、海南红豆()、凤凰木()、假苹婆()、印度紫檀()、岭南山竹子()为主 桉树纯林种植的是尾叶桉(.)林下灌草以芒萁()为优势种常见的其他植物种类还有芒()、山黄麻()、野牡丹()、梅叶冬青()、桃金娘()等.土壤取样与分析 年 月初进行土壤采样取样采用直径为.的土钻在 的样方中随机选择 个点进行取样取样深度为 混合样过 筛后分成 份 份风干用于土壤、有机碳()和全氮含量()的分析一份 冰箱保存不超过 天进行土壤
13、含水量()分析和土壤线虫的提取分析一份冰箱保存不超过 个月用于土壤 的提取分析土壤含水量采用烘干法测定土壤 采用电位法测定土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤全氮采用半微量凯氏法测定 土壤微生物群落组成采用磷脂脂肪酸 法测定通过 生物标记的土壤微生物生物量()、土壤细菌生物量()、土壤真菌生物量()和香农威纳多样性指数()来评估 种林型以及不同经营措施下的人工林土壤微生物群落多样性结构状况土壤线虫提取采用贝尔曼漏斗法土壤用量为 克新鲜土壤提取的线虫热杀死后固定于 的甲醛溶液中 利用倒置显微镜进行线虫计数利用微分干涉显微镜()将线虫鉴定到属水平线虫数量超过 条的样品仅鉴定 条线虫不足 条的
14、样品全部鉴定 将线虫各属划分到以下 个食性类群:食细菌线虫、食真菌线虫、植食性线虫、杂食捕食性线虫并赋予线虫各属相应的 值 计算土壤线虫的香农威纳多样性指数()、自由生活线虫成熟指数()、结构指数()、富集指数()、植物寄生线虫指数()、食细菌线虫指数()、食细菌线虫与食微生物线虫之比()、食微生物线虫与植食性线虫之比().统计分析在数据统计前对所有数据进行了正态性和方差齐性检验对不符合条件的数据进行了自然对数、平方根或秩转换 不同林型和桉树管理措施对土壤理化性质、微生物和线虫群落影响的分析采用单因素方差分析()进行采用 法进行多重比较数据转换后仍无法满足正态性和方差齐性的数据采用 进行多重比
15、较所有统计均利用 .软件(.)进行统计显著性为.结果分析.土壤理化性质不同林型和桉树管理措施下土壤理化性质分析结果见图 结果显示桉树纯林土壤含水率显著高于桉生 态 学 报 卷:/.树砍伐清理灌草样地略高于桉树砍伐样地与 树种的混交林 除桉树纯林外 树种混交林、树种混交林和桉树砍伐样地的土壤 均显著高于桉树砍伐清理灌草样地且 种桉树林土壤 均低于乡土树种混交林土壤有机碳含量、全氮含量略高于 种乡土树种混交林但是各处理间均没有显著差异图 不同林型和桉树管理措施下的土壤理化性质.:树种混交林:树种混交林:桉树纯林:桉树砍伐:桉树砍伐清理灌草 不同小写字母表示差异显著(.)图中数据为平均值标准误.土壤
16、微生物群落不同林型和桉树管理措施下土壤微生物 分析结果见图 结果显示桉树纯林的土壤真菌生物量显著高于 树种混交林和 树种混交林桉树纯林和桉树砍伐样地的真菌细菌比显著高于 树种混交林、树种混交林和桉树砍伐清理灌草样地且桉树砍伐清理灌草样地真菌细菌比显著高于 树种混交林和 树种混交林土壤微生物生物量、土壤真菌生物量与真菌细菌比的变化趋势均为:桉树纯林桉树砍伐样地桉树砍伐清理灌草样地 树种混交林 树种混交林 种桉树林的土壤细菌生物量和香农威纳多样性指数均高于 种乡土树种混交林.土壤线虫群落不同林型和桉树管理措施下的土壤线虫属的多度分析结果见图 结果显示桉树纯林的线虫总多度、食细菌线虫多度、食真菌线虫
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