云南普洱山区林地利用强度对植物多样性和土壤养分的影响.pdf
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1、DOI:10.12356/j.2096-8884.2023-0028研究论文 云南普洱山区林地利用强度对植物多样性和土壤养分的影响栗婧1,2,李帅锋1,2,黄小波1,2,唐荣1,2,张锐1,2,苏建荣1,2*1.中国林业科学研究院高原林业研究所,昆明650224;2.国家林业和草原局云南普洱森林生态系统国家定位观测研究站,昆明650224摘要:【目的】林地利用强度是全球森林管理的关键因素,极大地影响着森林植物和生态系统的多功能性。本研究试图量化林地利用强度对云南普洱山区林地的植物多样性和土壤性质的影响。【方法】在云南省普洱市倚象镇,选择 4 种林地利用强度下的典型森林,即原始季风常绿阔叶林、自
2、然更新的卡西亚松(Pinus kesiyavar.langbianensis)林、放牧形成的灌草丛、持续管理的咖啡(Coffea arabica)人工林,开展群落学调查和土壤样品测定,分析林地利用强度对植物多样性、群落组成和土壤养分的影响。【结果】植物多样性随林地利用强度增加而降低;土壤有机碳和全氮含量、含水量、脲酶和酸性磷酸酶活性均随林地利用强度增加而降低,降幅可达 45.95%67.90%;土壤全磷含量随林地利用强度增加而增加,增幅可达 100%。植物多样性的多重属性与林内空气湿度、土壤含水量、土壤 pH 值、土壤有机碳和土壤全氮含量等呈正相关,与林内空气温度和土壤速效磷含量呈负相关。林内
3、空气温度是影响植物多样性的主要因子,在随机森林模型中的解释率高达 72.90%。【结论】本研究揭示了我国南亚热带山地典型地带性森林季风常绿阔叶林的不同林地利用强度对植物多样性、群落组成和土壤养分的影响,表明林地利用强度显著改变了植物多样性和土壤养分,为通过合理经营提升森林多种功能奠定了科学依据,对我国南亚热带天然林的可持续管理具有重要意义。关键词:林地利用强度;植物多样性;土壤养分中图分类号:S756文献标识码:A文章编号:20968884(2023)03002611EffectsofWoodlandUseIntensityonPlantDiversityandSoilNutrientsinS
4、outhSubtropicalMountainousAreaLiJing1,2,LiShuaifeng1,2,HuangXiaobo1,2,TangRong1,2,ZhangRui1,2,SuJianrong1,2*1.InstituteofHighlandForestScience,ChineseAcademyofForestry,Kunming650224,China;2.PuerForestEcosytemResearchStation,NationalForestryandGrasslandAdministration,Kunming650224,ChinaAbstract:【Obje
5、ctive】Woodlanduseintensity(WUI)isoneofthekeyfactorsinglobalforestmanagement,whichgreatlyaffectsthemultifunctionalityofforestplantsandecosystems.ThisstudyattemptedtoquantifytheeffectsofWUIonplantdiversityandsoilpropertiesinPuermountainareaofYunnanProvince.【Method】Inthisstudy,fourtypicalforestsunderWU
6、I,namely,theoriginalmonsoonevergreenbroad-leavedforest,thenaturallyregeneratedPinus kesiyavar.langbianensisforest,thegrazingshrubandthecontinuouslymanagedCoffea arabicaplantationsinYixiangtown,PuerCity,YunnanProvince,wereselectedasthesubjects.TheeffectsofWUIonplantdiversity,communitycompositionandso
7、ilnutrientswereanalyzedbasedoncommunityinvestigationandsoilsampledetermination.【Result】WithincreasingofWUI,plantdiversitydecreased.WithincreasingofWUI,soilorganiccarbon,soiltotalnitrogen,soilmoisturecontent,ureaseenzymeandacidphosphataseenzymeactivityalldecreasedby45.95%67.90%.WithincreasingofWUI,so
8、iltotalphosphorusincreased,andtheincreasedwere100%.Themultipleattributesofplantdiversitywerepositivelycorrelatedwithairhumidity,soilmoisturecontent,soilpHandsoiltotalnitrogen,andnegativelycorrelatedwithairtemperatureandsoilavailablephosphoruscontent.Forestairtemperaturewasthemajorfactoraffectingplan
9、tdiversity,andtheexplanationrateintherandomforestmodelwasashighas72.90%.【Conclusion】Theresultshowthat:WUIsignificantlyalteredplantdiversityandsoilnutrients.Inthisstudy,werevealedtheeffectsofdifferentWUIonplantdiversity,communitycompositionandsoilnutrientsofmonsoonevergreenbroad-leavedforest,atypical
10、zonalforestinsouthsubtropical收稿日期:2023-04-17;接受日期:2023-05-18基金项目:科技部科技基础资源调查专项课题(2022FY100201);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重点项目(CAFYBB2021ZA002,CAFYBB2020ZA002)第一作者Thefirstauthor.E-mail:;*通讯作者Authorforcorrespondence.E-mail:第3卷第3期陆地生态系统与保护学报Vol.3No.32023 年 6 月TerrestrialEcosystemandConservationJun.2023mount
11、ainofChina.Itlaidascientificbasisandtheoreticalfoundationforimprovingforestfunctionthroughforestecosystemmanagement,andisofgreatsignificanceforthesustainablemanagementofnaturalforestsinsouthernsubtropicalChina.Keywords:woodlanduseintensity;plantdiversity;soilnutrients人类活动可以直接(例如土地利用)或间接(例如气候变化)地影响森林
12、景观(KapferandPopova,2021)。人类活动引起的土地利用变化,包括土地利用类型、强度及其空间格局的变化(Fuet al.,2015),会对生态系统的结构、要素和功能产生深远影响(白娥等,2020),是造成生物多样性丧失的最重要驱动因素(KapferandPopova,2021),具有改变生态系统过程和服务的巨大能力(Allanet al.,2015;Hectoret al.,1999)。土地利用变化对生物多样性和生态系统功能(ecosystemfunctionn,EF)的影响在很大程度上取决于土地利用干扰的类型、时间、频率和干扰的严重程度(LeProvostet al.,202
13、0)。土壤为植物提供可溶性矿物质和营养物质,受土地利用变化的影响较大(Liet al.,2020a;Samaniet al.,2020)。过度的土地覆盖变化可通过改变土壤理化性质和生物活性迅速降低土壤质量(BufeboandElias,2020)。土地利用方式的改变,如林地、牧场向集约化耕地转变,会导致土壤有机质含量降低,土壤容重增加,团聚体稳定性和饱和水导率下降(BufeboandElias,2020),从而影响生态系统多功能性(ecosystemmultifunctionality,EMF)(Liet al.,2020b;Allanet al.,2015)。林地利用强度(woodlandu
14、seintensity,WUI)变化是土地利用变化的重要组成,直接影响生态系统的功能和服务(殷格兰,2017)。长期的人类活动,特别是近代土地开发利用,使原始林因砍伐而破坏殆尽,例如 19902010 年间东南亚的森林总面积减少了 4200 万 hm2(张婉洁等,2018)。普洱市是云南省季风常绿阔叶林的主要分布区之一。20052014 年,普洱市林地面积减少的主要原因是林地的开发利用(如种植咖啡、茶叶和柑橘等)和乱砍滥伐。作为土地利用变化的一种,林地利用强度变化也是影响生态系统结构和功能的重要因子(Zhenget al.,2022;Wenet al.,2020)。因此,阐明 WUI 对植物多
15、样性和土壤养分的影响,对森林生态系统管理和经营具有重要意义。本研究选择我国南亚热带山地森林在 4 种林地利用强度下形成的原始天然林、卡西亚松(Pinuskesiyavar.langbianensis)林、灌草丛及咖啡(Coffea arabica)人工林,进行植被调查和土壤样品测定,旨在阐明不同 WUI 以及林地水热条件对植物多样性、物种组成和土壤理化性质的影响,为理解不同 WUI 下的植物物种组成和土壤性质变化规律积累数据,并为物种多样性保护和森林可持续经营提供理论依据。1材料和方法1.1研究区概况研究区位于云南省普洱市思茅区倚象镇。地理坐标 1010110126E,22332250N,面积
16、1041.02km2,海拔范围 8001964m,平均海拔 1470m。属南亚热带高原性季风气候,具有气温高、降水多、干湿季分明等特点。年均气温 17.7,1 月平均气温 13.3,7 月平均气温 22.6。年均降水量1800mm,主要集中在每年 510 月,以 68 月最多,夏秋季雨量充沛,冬春季晴朗干燥。土壤以赤红壤和山地红壤为主,按美国农业部土壤分类系统(SoilSurveyStaff,2014)为淋溶土。季风常绿阔叶林是普洱市的地带性植被。云南省连续分布面积最大、保存最完整的季风常绿阔叶林主要分布在倚象镇。该镇设有以季风常绿阔叶林为主要保护对象的云南省太阳河自然保护区,建有我国面积最大
17、的 30hm2季风常绿阔叶林森林动态监测样地。受大规模发展经济作物和经济林的影响,普洱市大面积的季风常绿阔叶林已转变为人工林和次生林(李帅锋等,2012),倚象镇的情况也是如此。研究表明,倚象镇的季风常绿阔叶林面积为 63889.61hm2,占所有类型林地面积的 62.64%;卡西亚松林面积为5509.44hm2,占 5.40%;稀树灌木草丛面积为 3746.63hm2,占 3.67%;咖啡人工林面积为 2397.29hm2;占 2.35%。1.2样地设置与调查W0controlW+PinusW+shrub-grassW+coffeeW0controlW+PinusW+shrub-grass选
18、择季风常绿阔叶林()、卡西亚松林()、灌草丛()和咖啡人工林()设置典型样地,进行群落学调查。为未受干扰的天然林;是 20 世纪 40 年代采伐季风常绿阔叶原生林后自然更新的卡西亚松次生林;是 20 世纪 80 年代季风常绿阔叶林采伐后第3期栗婧,等:云南普洱山区林地利用强度对植物多样性和土壤养分的影响27W+coffeeW0controlW+PinusW+coffee自然更新的次生林经长期放牧干扰形成的灌草丛;是 2000 年后在季风常绿阔叶林采伐后自然更新的次生林基础上持续经营的咖啡种植园。和具有较高的物种多样性和复杂的冠层结构;具有低而均匀的灌木层和草本层。4 种森林的土壤类型相同,间距
19、超过 1km。每种林地选择 10 块代表性的 30m30m 样地,每块样地间相距 20m 以上,共设置样地 40 块。在为 2021 年 2 月 26 日3 月12 日进行调查,记录样地内胸径(diameteratbreastheight,DBH)1cm 的所有木本植物的种名、株高和胸径,其余草本植物仅记录物种和盖度。1.3林地利用强度的确定按照 Felipe-Lucia 等(2020)和 Wen 等(2020)提出的方法,首先评估经营强度(干扰造成的生物量损失)、林龄(生态系统当前林龄)、地上生物量(各样地当前的生物量)和物种丰富度 4 个参数。然后,将此 4 个参数进行主成分分析(prin
20、ciplcomponentanlysis,PCA),用于降低预测变量的维数并控制其潜在共线性,定量评估样地的 WUI(Liet al.,2022)。主成分分析表明,PCA 轴 1 对 WUI 的解释率达 97.92%,将 PCA 轴 1 的倒数值作为 WUI 的量化值(Wenet al.,2020)。1.4群落数量特征分析乔木层的优势种通过木本物种重要值(CurtisandMcintosh,1951)确定,计算公式为:重要值(IV)=相对频度(RF)+相对密度(RD)+相对优势度(RP)3(1)式中,相对密度(RD)=(植物单一种个体数/植物全部个体数)100%,相对频度(RF)=(植物单一种
21、的频度/所有种的频度之和)100%,相对优势度(RP)=(样方中某种植物的胸高断面积之和/样方中所有种的胸高断面积之和)100%。1.5植物多样性分析1.5.1物种多样性选用物种丰富度(speciesrichness,SR)、香农威纳指数(Shannon-Wienerindex)、辛普森多样性指数(Simpsonsdiversityindex)和均匀度指数(Pielouindex)。根据群落调查获得的植物物种和个体多度列表,使用 R 语言中的“reshape2”包和“vegan”包计算物种多样性。物种丰富度为样地内木本植物和非木本植物物种数量之和。其他指数的计算公式如下:香农威纳指数(H)H=
22、Si=1(PilnPi)(2)式中,S 为样地物种总数,Pi为物种 i 的个体数占个体总数的比例。辛普森多样性指数(D)D=1Si=1Pi2(3)式中,Pi为物种 i 的个体数占个体总数的比例。均匀度指数(E)E=HlnS(4)式中,S 为样地物种总数,H 为香农威纳指数。1.5.2功能多样性选用体现生态空间利用程度的功能丰富度指数(functionalrichnessindex,FRic);体现群落物种之间功能相似性的功能离散度指数(functionaldispersionindex,FDis),指数越高表示生态位分化的水平越高;体现物种之间的功能特征差异和物种丰富度的 Rao 二次熵指数(
23、Raosquadraticentropyindex,RaoQ),主要表示物种间距离的变异。根据测定的植物功能性状和个体多度,使用 R 语言中的“FD”包计算物种多样性。28陆地生态系统与保护学报第3卷功能丰富度指数(FRic)FRic=SFicRc(5)式中,FRic为群落 i 中植物功能特征 c 的功能丰富度,SFic为群落 i 内物种所占据的生态位空间,Rc为特征 c 的绝对值范围。功能离散度指数(FDis)FDis=ajzjaj(6)式中,aj为物种 j 的多度,zj表示群落中物种 j 到重心 c 的加权欧几里得距离。Rao 二次熵指数(RaoQ)RaoQ=Si=1Sj=1dijpipj
24、(7)式中,dij为物种 i 和物种 j 的功能特征距离。pi和 pj分别为种 i 和种j 的个体数占群落总物种个体数的比例。S 为群落中总物种数。用于功能多样性分析的植物功能性状包括:叶面积(leafarea,LA,cm2)、比叶面积(specificleafarea,SLA=叶面积/叶片干重,m2/kg)、叶片干物质含量(叶片干重/叶片鲜重,%)、叶片有机碳含量(g/kg)、叶片氮含量(N,g/kg)、叶片磷含量(P,g/kg)、木材密度(wooddensity,WD=木材干重/木材体积,g/cm3)等。功能多样性指数利用 R 语言中的“FD”包计算。木本植物功能性状的测定方法:多度大于
25、10 的木本植物物种,每种选 10 株,采集中部或上部阳光充分照射的成熟叶片 20 片左右;个体数少于 10 株的木本植物物种,按多度比例分配采集的叶片数,采集总数不少于 20 片。采集样品放入纸袋标记保存。用 LI-COR3100C 叶面积仪(LI-COR,美国)测量叶片形态特征。叶片样品经 60 干燥 72h 后立即用电子天平(精度 0.0001g)测量每片叶的干重。需测量植物 C、N、P 和干物质含量的样品使用球磨机(NM200,Retsch,Haan,Germany)研磨成细粉。采集灌木物种(DBH5cm)中 510 个分支(1cmDBH2cm),利用水置换法测量去皮后的枝条体积。然后
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