太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

郭文芳,李 鑫,陈艳梅,刘倩愿,王佳乐

河北师范大学地理科学学院,河北省环境变化遥感识别技术创新中心,河北省环境演变与生态建设重点实验室, 石家庄 050024

植被-土壤是一个相互作用,相互影响的有机整体,两系统间存在着天然的耦合关系。土壤养分、水分为植物生长、发育、繁殖提供基础支撑[1—3],植物也通过对土壤养分吸收、固定、积累和分解过程,改变土壤理化性质[[4—5]。坡地土层浅薄易侵蚀,地表植被覆盖物稀疏,植被-土壤耦合协调状况较差[6—7],恰当的管理措施能改善坡地植被与土壤的恢复条件,增强坡面生境抗侵扰能力[8],提高植被-土壤系统耦合度。因此,研究不同管理措施对坡面植被-土壤耦合关系的影响,对促进坡地植被-土壤资源的高效利用和区域可持续发展具有重要理论与现实意义。

目前,国内外学者从多角度揭示了植被群落与土壤间的耦合关系。白一茹[9]等研究宁夏南部宁南山坡面在林地、灌木地、弃耕地、草地和农地等不同土地利用方式下植被-土壤系统的耦合协调状况,结果表明,不同利用方式下的植被-土壤系统耦合协调度不同,农地、草地的耦合协调度高于林地、灌木地,农地协调状况最好。徐明[10]等、李豪[11]等均以黄土高原沟谷地为研究区,分别探究不同植被恢复模式、不同微地形地貌类型对植被-土壤耦合协调关系的影响,研究发现不同植被恢复模式下刺槐(Robiniapseucdoacacia)林沟和柠条(Caraganakorshinskii)灌丛沟的发展状况较好;不同地形地貌条件下植被-土壤系统处于完全不同的发展状况,其中切沟和塌陷的情况最好,而原状坡情况最差。王皓月[3]等分析了九峰山侧柏(Platycladusorientalis)、柠条(Caraganakorshinskii)、山杨(Pobulusdavidiana)、黄刺玫(Rosaxanthina)等不同林分类型下的植被-土壤间相互作用,研究发现土壤的发展状况整体优于植被的发展状况,且柠条(Caraganakorshinskii)较其他林分能够较大提高植被-土壤系统的耦合协调度。上述相关研究成果探究了不同土地利用方式、不同植被恢复模式及不同微地貌类型下生态林、经济林植被-土壤系统的耦合协调度。此外,研究经济林下不同管理措施对植被-土壤系统的耦合协调度的研究也较丰富,如南国卫[12]等探究黄土丘陵地区侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformnis)、榆树(Ulmuspumila)、柠条(Caraganakorshinskii)等经济林在多树种混交及梯田改造等管理措施下对植被-土壤系统耦合协调度的改善效果,结果发现侧柏(Platycladusorientalis)+油松(Pinustabulaeformnis)梯田模式对土壤环境和植被生长的改善作用最好;黄鑫龙等[13]探讨安徽宁国县山核桃林(CaryacathayensisSarg.)下种植紫穗槐(Amorphafruticose)、百喜草(Paspalumnotatum)以及施除草剂等不同管理措施对植被-土壤系统的影响,分析得出种植百喜草(Paspalumnotatum)能更好的促进林下植被生长、提高土壤质量,使植被-土壤耦合协调度提高。上述研究主要集中于中国西北部或南方地区,华北地区相关报道较少,且现有研究侧重分析不同类型管理措施对植被-土壤系统耦合关系的影响,涉及由原生灌草地到不管理的人工林、人工林下清除灌草、人工林下清除灌草并施肥的不同管理梯度的研究较少,开展此类型研究,有助于阐明植被-土壤系统恢复、改善的关键环节,便于优选最佳管理措施,有深入研究的空间和价值。

太行山东麓低山丘陵区自然生态基底敏感脆弱,长期人类活动导致该区坡地生态系统严重退化,目前仍是国家级水土流失重点治理区[14]。自2000年起,为改善坡地生态环境和促进农民增收,该区域陆续实施大规模经济林建设工程,通过培植薄皮核桃(JuglansregiaL.)、苹果(Malusdomestica)等经济树种,使该区域森林覆盖率大幅度提升,取得了显著的生态和经济效益,但是也出现一些新问题,如林下水土流失、部分果树生长情况较差等,经济林生态系统稳定性有待提升。本研究以太行山东麓丘陵坡地为研究区,探究原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施下植被-土壤系统的耦合协调关系,重点解决以下问题:(1)不同管理措施下土壤理化性质和植物多样性存在什么显著特征?(2)土壤理化性质与植物多样性指标间存在哪些相关性?(3)不同管理措施下植被-土壤系统发展模式分别是什么?哪种管理措施下植被-土壤系统耦合协调度最高?

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于太行山东麓低山丘陵区,子牙河水系午河上游,河北省邢台市临城县绿蕾农林科技有限公司核桃基地内(114°29′16"E—114°30′1.4"E,37°29′47"N—37°29′2.70"N),属于丘陵坡地,海拔高度120—200 m。气候为暖温带大陆性季风气候,四季分明,年内温差大,年平均气温在12℃—14℃,其中1月为最冷,平均气温在-2℃左右;7月最热,平均气温为27℃;降水多集中在7—9月,年均降水量605 mm。主要土壤类型为棕壤和在花岗片麻岩等风化母质上发育而来的山地褐土,土质中性偏碱,土壤沙性强,土层浅薄且易侵蚀。现有天然植物主要为灌木和草本,低坡有人工种植的乔木,优势物种主要为核桃(JuglansregiaL.)人工林和酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)等。

1.2 实验设计与测定方法

1.2.1样地布设

试验区内存在多个坡顶至坡脚为完整、典型的丘陵缓坡地,从2003年开始,该区内坡面大规模种植人工核桃林,形成由坡顶至坡底按原生灌草-人工乔灌草的植被布局。基于野外调查,在2021年10月选取试验区内西北部的坡度9°、海拔140—155 m坡地为研究对象,在该坡地南坡向已经形成不同管理措施的核桃林和未受人为活动影响的原生灌草植被,在坡上选取3种采取管理措施的核桃林作为研究样地(T1、T2、T3),同时选定一块原生灌草地(S1)作为对照样地(表1),每个样地大小为50 m×50 m,4种样地类型照片见图1,在4个样地内进行植被调查和土壤样品采集。

图1 样地基本情况Fig.1 Basic information about the sample sites

表1 研究样地基本特征Table 1 Basic characteristics of the study plot

S1: 原生灌草样地 Native shrub-herbs land; T1: 未管理的人工核桃林草样地 Unmanaged walnut plantation; T2: 定期清除灌草的人工核桃林草样地 Walnut plantation with a removal of shrub-herbs; T3: 定期清除灌草并施肥的人工核桃林草样地Walnut plantation with a removal of shrub-herbs and fertilization; 植被类型:乔木主要为核桃树(JuglansregiaL.);灌木主要为荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、构树(Broussonetiapapyrifera)、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)等;草本主要为狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、狗牙根(Cynodondactylon)、鹅绒藤(CynanchumchinenseR. Br)等

1.2.2土壤样品采集及植被调查

2021年10月对4块研究样地进行土壤样品采集和植物群落调查。在4块样地内均随机设置1个10 m×10 m的标准样方,在标准样方内采用等距取样法设置4个1 m×1 m的小样方,在每个小样方的4个角处设置4个采样点,用环刀和自封袋采集坡地0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm层土壤带回实验室,用于测定土壤理化指标。因4块研究样地群落结构差异,故分别按灌木层、草本层进行调查采样。灌木层调查:在灌木群落外貌较为一致的S1、T1样地各设4个2 m×2 m标准样方,统计样方内灌木种类、数量,高度、灌木盖度等。草本层调查:在4块样地内各设4个1 m×1 m的标准样方,记录样方内草本种类、株数、株高、植被盖度等指标。

1.2.3植物群落特征与土壤理化性质测定与分析

(1)林下植物多样性

植物物种多样性是坡面植物群落生态系统完整性的重要功能与标志[15—17],本研究通过对比分析,采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson优势度指数(C)、Margalef丰富度指数(DMG)和Pielou均匀度指数(E)4个指标进行坡面林下植物群落多样性计算[18],计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,S为物种数目;Pi为第i种的相对个体数,即Pi=Ni/N,其中N为样方内全部种的个体总数,Ni为第i种的个体数。

(2)土壤理化性质的测定

采用土壤剖面法在4块样地进行土壤样品采集,用于土壤基本理化性质测定。本研究选取了土壤含水率(Soil water content, SWC)、pH、电导率(Electrical conductivity,EC)、有机碳(Soil organic carbon, SOC)、全氮(Total nitrogen, TN)、全磷(Total phosphorus, TP)、全钾(Total potassium, TK)进行分析测定。其中,土壤含水率采用烘干称量法测定;土壤pH值采用电极电位法测定;土壤电导率采用电导率仪测定;土壤有机碳和土壤全氮采用CN元素分析仪测定[19];土壤全磷含量采用钼锑抗比色法测定;土壤全钾采用原子吸收分光光度法测定。

1.3 植被-土壤耦合协调度评价法

为了准确评价不同管理措施下林草群落与土壤理化性质的关系,在设置评价指标体系时,借鉴相关研究成果[11,20],构建能够反映不同管理措施植被-土壤耦合协调评判的2级次指标。本研究共选取植物指标4个,土壤指标7个,共计11个指标。

1.3.1熵值综合权重法

植被-土壤耦合协调度评价涉及植被、土壤两个子系统,各系统的指标系数存在量纲不统一的问题,本研究采用熵值法来确定各指标的权重值。

(1)构建评价指标的判断矩阵

R=(rij)m×n

(5)

该矩阵中m为评价对象,n为评价指标,其中(i=1,2,3....m;j=1,2,3…n)

(2)为了消除指标单位不同所带来的误差,使其数据具有可比性,采用极差法对研究数据进行标准化处理,公式为:

bij=(rij-rmin)(rmax-rmin)

(6)

bij=(rmax-rij)(rmax-rmin)

(7)

式中:bij,rij分别为极差标准化后的指标数据、原始指标数据;rmax,rmin分别为同一指标不同评价对象的最大值与最小值。公式(6)和公式(7)分别表示正向指标与负向指标。

(3)各评价指标的熵(Ej)为:

(8)

(9)

(4)各评价指标的权重(Wj)为:

(10)

计算出各个指标权重值(表2):

表2 植被-土壤系统耦合协调度指标及权重Table 2 Vegetation-soil system coupling coordination index and weight

1.3.2植被-土壤耦合模型

(1)耦合度模型

耦合度是度量系统或要素之间相互作用和影响程度的定量指标,本研究中分别用VCE(x)和SCE(y)表示植被系统和土壤系统,公式如下:

(11)

(12)

式中:pixi为植被系统中第i个土壤要素的权重值和标准化值,qjyj为土壤系统中第j个土壤要素的权重值和标准化值。

植被-土壤系统的耦合度模型计算公式为:

(13)

式中:Csp为植被-土壤系统的耦合度;0≤Csp≤1。当Csp接近于0时,说明植被-土壤系统要素之间不存在明显关联,当Csp接近于1时,说明植被-土壤系统要素之间存在明显耦合关联。

H′: Shannon-Wiener多样性指数 Shannon-Wiener diversity index;C: Simpson优势度指数 Simpson dominance index; DMG: Margalef丰富度指数 Margalef richness index;E: Pielou均匀度指数 Pielou evenness index; SOC: 土壤有机碳 Soil organic carbon; TN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; TK: 全钾 Total potassium;EC: 电导率 Electrical conductivity; pH: 土壤pH Soil pH; SWC: 土壤含水率 Soil water content

(2)耦合协调度模型

为了弥补耦合度模型不能反映植被-土壤系统在整个系统中的“功效”和“协同”效应的缺陷[20],构建能反映植被-土壤系统相互作用的协调度模型:

T=αVCE(x)+βSCE(y)

(14)

(15)

式中:T为植被-土壤系统的综合协调度系数;α,β为土壤和植被系统的贡献率,考虑到太行山区的实际情况,认为土壤和植物系统在生态环境建设过程中处于同等重要的地位,设α=β=0.5。Dc为植被-土壤系统的综合协调度;0≤Dc≤1,当Dc接近于0时,说明植被-土壤系统的协调度越差,当Dc接近于1时,说明植被-土壤系统的协调度越好。

(3)植被-土壤系统协调发展类型的判断标准

目前,国内外研究对于耦合协调度等级划分缺乏统一标准,本文参考前人的研究成果[9],根据耦合协调度数值Dc将植被-土壤系统的耦合协调模式进行分类,根据植被-土壤耦合协调程度VCE(x)/SCE(y)得出植被-土壤系统耦合协调特征,最终评判出太行山坡地植被-土壤系统耦合协调状况。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010对数据进行预处理;用SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析和LSD显著性检验;用Pearson法对植物群落特征与土壤理化性质的相关性进行分析,并进行显著性检验;YAAHP 11.2进行层次分析法确定权重;采用Origin 2022作图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质特征

土壤电导率、含水率、pH对4种不同管理措施呈现不同程度的响应(图2)。不同管理措施0—30 cm土层土壤平均电导率为78.01—114.23 us/cm,T1显著高于T2、S1(P<0.05),T3与其他管理措施间差异不显著,表明采取管理措施的土壤电导率较高。0—30 cm土层土壤平均含水率存在显著性差异(P<0.05),表现为T3>T2>S1>T1,但S1、T1,T2、T3间差异不显著,由此发现,在栽植人工核桃林基础上,定期清除林下灌草及施肥的土壤含水率较高,表明随着管理程度增强,土壤含水率大体呈增加趋势。不同管理措施0—30 cm土层土壤pH具有显著差异(P<0.05),均呈现弱碱性,其中T2土壤pH值最高,S1则最低,T3与其他管理措施间不存在显著性差异,不同管理措施对土壤pH影响程度较小。

图2 不同管理措施下土壤理化性质特征Fig.2 Characteristics of soil physicochemical properties under different management measures图中不同小写字母表示不同管理措施间差异显著(P<0.05)

对不同管理措施下土壤养分含量分析表明,4种管理措施下0—30 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷、全钾和pH存在显著差异(P<0.05),但差异程度不一致。0—30 cm土层土壤有机碳含量范围为11.87—23.22 g/kg,表现为T1>S1>T2>T3,T1与其他管理措施间存在显著差异(P<0.05),且土壤有机碳含量整体呈随管理程度增强而下降的趋势。土壤全氮、全磷含量变化较为一致,分别为T1>T3>S1>T2和T1>T3>T2>S1,随管理程度增强,均呈现先降低后增加的趋势,T1与其他管理措施存在显著差异(P<0.05),S1、T2、T3含量较低且彼此间无显著差异。不同管理措施下土壤全钾含量范围为7.59—11.39 g/kg,由高到低依次为T3>T2>T1>S1,T3、T2与S1间差异显著(P<0.05),人工种植核桃林、核桃林地内定期清除林下灌草、核桃林地内定期清除林下灌草并施肥的土壤全钾含量均较高,且随管理程度增强呈增加趋势。由此可见,不同管理措施对土壤养分含量的影响存在较大差异,T1的养分情况总体相对较好。

2.2 植物多样性特征

通过对不同管理措施下的植物多样性指标进行分析发现(表3),T2的Shannon-Wiener多样性指数显著高于其他管理措施(P<0.05),且S1、T1、T3之间无显著差异,表明随管理程度增强,植物物种多样性呈先增加后降低的趋势,但均高于原生灌草地。在Pielou均匀度指数方面,不同管理措施下的Pielou指数由高到低为T2>T3>T1>S1,且相互之间不存在显著性差异,说明种植核桃林以及定期除草、施肥等管理措施对植物群落物种分布均匀度的影响较小。不同管理措施下Simpson优势度指数范围为0.28—0.68,表现为S1>T1>T3>T2,T2与其他管理措施间存在显著性差异(P<0.05),随管理程度增强,优势度呈先降低后增加的趋势,但均低于原生灌草地。不同管理措施Margalef丰富度指数由高到低依次为T2>S1>T3>T1,T2显著高于其他管理措施(P<0.05),其他三种管理措施间则未呈现显著性差异。由此可知,T2的4种植物多样性指标与其他管理措施间均存在显著性差异(P<0.05),植物群落的多样性、均匀度、丰富度指数较高,但优势度指数较低。

表3 不同管理措施下植物多样性特征Table 3 Characteristics of vegetation diversity under different management measures

2.3 坡面植被-土壤系统因子间相关性分析

为进一步揭示植被-土壤各因子之间的相互关系,应用Origin 2022进行相关分析(图3)。在土壤系统因子方面,土壤有机碳和全氮、电导率呈显著正相关(P<0.05),与土壤含水率呈显著负相关(P<0.05);土壤全氮与全磷、电导率呈显著正相关(P<0.05),与土壤含水率呈显著负相关(P<0.05);土壤全钾与土壤含水率呈显著正相关(P<0.05);土壤电导率与土壤pH呈显著正相关(P<0.05)。在植物多样性方面,Shannon-Wiener指数与Pielou、Margalef指数呈显著正相关(P<0.05),与Simpson指数呈显著负相关(P<0.05);Pielou指数与Margalef指数呈显著正相关(P<0.05),与Simpson指数呈显著负相关(P<0.05);Simpson指数与Margalef指数呈显著负相关(P<0.05)。在土壤因子与植物多样性关系方面,土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关(P<0.05),与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤系统其他因子则与植物多样性无显著相关性。

图3 坡面植被-土壤系统因子相关性分析Fig.3 Correlation Analysis of Slope Vegetation-Soil System Factors圈内*表示显著度P<0.05;SOC: 土壤有机碳 Soil organic carbon; TN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; TK: 全钾 Total potassium; EC: 电导率 Electrical conductivity; pH: 土壤pH Soil pH; SWC: 土壤含水率 Soil water content; H′: Shannon-Wiener多样性指数 Shannon-Wiener diversity index; E: Pielou均匀度指数 Pielou evenness index; C: Simpson优势度指数 Simpson dominance index; DMG: Margalef丰富度指数 Margalef richness index

2.4 坡面植被-土壤系统耦合评价

各不同管理措施下坡面植被综合指数VCE(x)、土壤综合指数SCE(y)及植被-土壤系统耦合度Dc指标的计算结果如下(表4)。总体上,T1、T3具有较高的植被综合指数VCE(x),T2具有较高的土壤综合指数SCE(y)和耦合度指数Dc。土壤综合指数具体表现为T2>T3>S1>T1,说明给人工核桃林样地定期除草和施肥,会在不同程度上改良土壤质量,特别是给人工林定期清除林下灌草。植被综合 指数具体表现为T1>T3>T2>S1,说明所有人工核桃林分的植物生长水平均高于原生灌草地。植被-土壤耦合协调度表现为:T2>T1>T3>S1,S1为严重失调发展模式植被-土壤同步发展型,说明土壤系统基本可以满足植物的生长需求,但植被生长水平和土壤质量均较差;T1、T3属于同一类耦合模式,即中度失调发展模式土壤滞后发展型,说明土壤系统制约了植被的可持续发展;T2属于轻度失调发展模式植被滞后发展型,说明定期清除林下灌草会破坏植被生长,导致样地植被系统制约了土壤系统的发展。由此来看,采取管理措施样地的耦合协调度均高于原生灌草地,且栽种人工核桃林并定期清除林下灌草的耦合协调度较高,说明恰当的管理措施对太行山坡地的生态恢复起到一定程度的促进作用。

表4 坡面植被-土壤生态系统耦合协调状况评判结果Table 4 Evaluation results of the coupling coordination status of slope vegetation-soil ecosystem

3 讨论

3.1 不同管理措施下土壤理化性质和植物多样性差异显著

在种植人工核桃林不管理的情况下,土壤含水量较低,土壤电导率和pH较高;在林下定期除草的管理措施下,土壤含水率较高;林下定期除草且施肥的土壤pH较低。原因可能是种植人工核桃林使群落结构更加复杂,乔木、灌木和大量草本植物同时存在,植物细根更加密集,核桃林以及刺槐、酸枣等耗水能力较大,对土壤水分消耗量较大,定期清除林下灌草使得林下植被减少,对水分需求减少[21]。此外,地表植被根系在吸收水分的同时,溶于水的无机盐类(如硫酸盐、硝酸盐以及钾、钙、镁等离子)也随水分被根系吸收,使得电导率值升高[22]。相关研究发现,土壤含水量下降会降低土壤累积矿化氮量和净矿化速率,使pH上升,与施肥的作用相反[23],这与田冬[24]等人的研究结果相一致。

种植人工核桃林不管理措施下土壤有机碳、全氮、全磷、全钾等养分含量较高,而清除林下灌草并施肥土壤养分含量较低,主要是因为种植核桃林使植物种增加,凋落物及细根分解会增加土壤中有机碳、全氮、全磷等土壤养分含量[25—26],在定期清理灌草及施肥后,核桃林下灌草植被、凋落物减少,细根消亡,坡面土壤抗雨水冲刷能力的下降,造成土壤侵蚀和养分流失,这与辽东山区[27]间伐人工林能显著降低土壤养分元素含量的研究结果基本一致。

在植物多样性方面,本研究发现种植人工核桃林并清除灌草的林下植物Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数较高,Simpson优势度指数较低,但不同管理措施对Pielou均匀度指数无较大影响。原因可能是林下除草侧重考虑林下植被高度,大部分清除的是灌木植物,反而提高了林下草本植物的高度和密度[28]。

3.2 植物多样性与土壤有机碳、全氮之间相关性显著

在生态系统恢复过程中,植被的生长和分布会对土壤环境产生显著影响,而土壤环境的改变又会引起植被的特异性改变,进而影响植被的分布和结构[29]。针对土壤与植物的相互关系,众多研究表明土壤水分、营养元素等与植物多样性具有显著相关性[11, 30—31]。本研究中,植被和土壤因子的相关性主要体现在植物多样性特征与土壤有机碳、全氮之间。土壤有机碳、全氮含量增加会显著提高植被优势度,但会降低植物多样性、丰富度和均匀度,这是因为土壤有机碳和全氮可以影响土壤的潜在肥力,对植物的生长发育影响很大,而植物也能通过残体分解等方式对土壤有机碳和全氮进行补给,因此它们相互间较易建立相互联系,多数研究也得出了相似的结论[32—33]。本研究中,土壤全磷、全钾与植物多样性之间不存在显著相关,这与濮阳雪华[34]等人的研究结果相一致,但杨青青[35]等研究发现土壤钾对林下植物多样性有显著影响,出现不同结果的原因可能与地上植被类型和植被-土壤系统的耦合发展状态有关[11]。有学者研究发现,植物多样性并不是一直受到水分条件的直接影响,这与本研究结果较一致,可能是因为林下植物对环境产生抗逆性,是生态适应性的结果[36—37]。

3.3 人工核桃林下定期清除灌草的植被-土壤耦合协调关系较好

太行山坡地不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调关系存在差异,总体处于失调发展模式,涵盖从严重失调到轻度失调3种类型。本研究发现,种植核桃林的耦合协调度均高于未管理的原生灌草地,这与王皓月等[3]发现种植人工林能改善植被恢复与土壤环境的耦合协调性的研究结果相一致。不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调状况较好的是定期清除林下灌草的人工核桃林,属于轻度失调发展模式植被滞后发展型,因林下定期除株高≥20—30 cm灌草植物,导致植被状况相对较差,林下植被减少,对土壤水分、养分需求减少,土壤发展状况优于植被发展状况。在未管理的核桃林区土壤状况相对较差,主要原因是该区域属于丘陵坡地,土壤环境本底贫瘠,种植核桃林后未进行任何管理,核桃树长势较差,多数与灌木、高草高度类似,加速了土壤水分的消耗,削弱了土壤养分的更新能力,导致土壤系统综合得分较低。

4 结论

(1)不同管理措施下土壤理化性质和植物多样性特征差异显著。不管理人工核桃林草样地的土壤含水率较低,电导率和pH较高,土壤有机碳、全氮、全磷等养分含量较高;定期除草不施肥的人工核桃林草样地的土壤含水率较高;定期除草并施肥的人工核桃林草样地的土壤pH较低。在植物多样性方面,定期除草不施肥的人工核桃林草样地的Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数较高,Simpson优势度指数较低,但不同管理措施下Pielou均匀度指数无显著差异。

(2)植被和土壤因子的相关性主要体现在植物多样性特征与土壤有机碳、全氮之间。土壤有机碳与Simpson优势度指数呈显著正相关,与Shannon-Wiener多样性、Pielou均匀度、Margalef丰富度指数呈显著负相关,土壤全氮与Shannon-Wiener多样性和Margalef丰富度指数呈显著负相关,土壤系统其他因子则与植物多样性无显著相关性。

(3)不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调总体处于失调发展模式,涵盖从严重失调到轻度失调3种类型,原生灌草样地为严重失调发展模式植被-土壤同步发展型,不管理的人工核桃林草样地及定期除草并施肥的人工核桃林草样地同属于中度失调发展模式土壤滞后发展型,定期除草不施肥的人工核桃林草样地的植被-土壤系统耦合协调状况最好,属于轻度失调发展模式植被滞后发展型。