Effects of Forest Fire Disturbance on Species Diversity and Soil Physicochemical Properties of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea Mixed Forests

doi:10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.10.002

Ecology and Environment ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (10): 1732-1740.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.10.002

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Effects of Forest Fire Disturbance on Species Diversity and Soil Physicochemical Properties of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea Mixed Forests

ZHAO Man¹^,²(), ZHANG Xiaoman¹^,^*(), YANG Mingjie¹

1. College of Landscape Architecture and Tourism, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, P. R. China
2. College of Forestry, Agricultural University of Shandong, Taian 271018, P. R. China

Received:2022-12-05 Online:2023-10-18 Published:2024-01-16
Contact: ZHANG Xiaoman

林火干扰对栓皮栎-辽东栎混交林植物多样性与土壤理化性质的影响

赵蔓¹^,²(), 张晓曼¹^,^*(), 杨明洁¹

1.河北农业大学园林与旅游学院，河北保定 071000
2.山东农业大学林学院，山东泰安 271018

通讯作者: 张晓曼
作者简介:赵蔓（1995年生），女，博士研究生，主要从事园林植物培育与环境生态学方面的研究工作。E-mail: sxyqpdzm@163.com
基金资助:
河北省自然科学基金面上项目(C2021204113);河北省教育厅重点项目(ZD2016132)

Abstract

Abstract:

This study focused on the mixed forest of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea in Yaolin Temple Forest Park, which were moderately and severely affected by forest fire, and the surrounding forests undisturbed by fire. The characteristics of plant diversity and soil physical and chemical properties of the mixed forest of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea were analyzed by using typical plot method. In order to provide a theoretical basis for the recovery of plant diversity on forest fire disturbance sites and sustainable management of forests, redundancy analysis was used to explore the impact mechanism of soil physical and chemical characteristics on plant species diversity. The results showed the following: 1) There were 38 vascular plant species in the study area, with the number of species being the highest in the herbaceous layer, followed by the shrub layer and then the tree layer, under different levels of forest fire disturbance. 2) The Simpson index and Margalef index of tree layer were highest under severe forest fire disturbance, followed by moderate disturbance, and lowest in the control check (CK) area. The α diversity index of shrub layer was highest under severe disturbance and the lowest under moderate disturbance. The Simpson index, Shannon-wiener index, and Margalef index of herbaceous layer were CK>moderate>severe, with Pielou index showing severe> CK>moderate. 3) Compared to the CK area, the moisture content, pH, total P, total K, available P and available K in 0-10 cm soil layer were reduced remarkably by 3.2%, 20.36%, 14.03%, 7.8% and 5.9% after severe forest fire disturbance. The contents of total N, total P and available K in 10-20 cm soil layer were decreased significantly by 36%, 24.07%, 2.06%. 4) The results of redundancy analysis showed that organic matter, available K in the 0-10 cm layer soil and total K, hydrolysable N in the 10-20 cm layer soil were the environmental factors that significantly affect the diversity of tree layer, shrub layer and herb layer species. In conclusion, there is a correlation between plant species diversity and soil physical and chemical properties of mixed forest of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea after forest fire disturbance. The presence of appropriate levels of soil organic matter, nitrogen, and potassium can provide good soil conditions for the survival and development of a greater diversity of species during the ecological restoration of fire sites.

Key words: forest fire disturbance, species diversity, soil physicochemical properties, Quercus variabilis, Quercus wutaishansea

摘要：

以山西省药林寺森林公园受到中度、重度以及周边未受到林火干扰的栓皮栎 (Quercus variabilis)-辽东栎（Quercus wutaishansea）混交林为研究对象，采用典型样地法对栓皮栎-辽东栎混交林植物多样性特征、土壤理化性质等进行分析，采用冗余分析的方法，探讨林火干扰后土壤理化性质对植被物种多样性的影响机制，以期为林火干扰迹地植物多样性恢复和森林的可持续经营提供理论基础。结果表明，1）研究区维管植物38种，各林火干扰程度下科属种数目均表现为草本层>灌木层>乔木层。2）在不同程度林火干扰下，乔木层的Simpson指数、Margalef指数表现为重度>中度>对照（CK），Shannon-wiener指数、Pielou指数表现为中度>重度>CK；灌木层的α多样性指数均表现为在重度林火干扰下最高，在中度林火干扰下最低；草本层的Simpson指数、Shannon-wiener指数、Margalef指数表现为CK>中度>重度，Pielou指数的变化规律为重度>CK>中度。3）重度林火干扰后，在0－10 cm土层土壤中，林下土壤含水率、pH值、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量与CK相比显著降低3.2%、20.36%、14.03%、7.8%、5.9%；在10－20 cm土层土壤中，林下土壤全氮、全磷、速效钾含量在林火干扰后与CK相比显著降低36%、24.07%、2.06%。4）冗余分析结果表明：0－10 cm土层中的有机质、速效钾与10－20 cm土层中的碱解氮、全钾是显著影响乔、灌、草物种多样性的环境因子。综上所述，林火干扰后栓皮栎-辽东栎混交林植被物种多样性与土壤理化性质具有相关性，在火烧迹地生态恢复中适量补充土壤有机质、氮与钾，可为更多物种的生存和发育提供良好的土壤条件。

关键词: 林火干扰, 物种多样性, 土壤理化性质, 栓皮栎, 辽东栎

CLC Number:

S718.5
X176

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Figures/Tables 5

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林火程度	对照 (CK)			中度			重度
火烧特征	树木完好, 地表无火烧痕迹			30%<乔木死亡率≤70%			乔木死亡率>70%, 树皮烧焦, 树根被烧
样本量	3			3			3
平均海拔/m	1025.86			1074.79			1075.11
乔木平均胸径/cm	14.6±0.94a¹⁾			13.57±1.41a			14.32±1.55a
乔木平均高度/m	11.28±0.59b			9.28±0.61a			12.48±0.33c
郁闭度	0.7	0.8	0.7	0.5	0.4	0.5	0.3	0.1	0.2
坡度/(°)	34	20	25	38	45	30	35	32	27
坡向	西	西南	西南	南	东	东北	东南	东南	东南

林火程度	对照 (CK)			中度			重度
火烧特征	树木完好, 地表无火烧痕迹			30%<乔木死亡率≤70%			乔木死亡率>70%, 树皮烧焦, 树根被烧
样本量	3			3			3
平均海拔/m	1025.86			1074.79			1075.11
乔木平均胸径/cm	14.6±0.94a¹⁾			13.57±1.41a			14.32±1.55a
乔木平均高度/m	11.28±0.59b			9.28±0.61a			12.48±0.33c
郁闭度	0.7	0.8	0.7	0.5	0.4	0.5	0.3	0.1	0.2
坡度/(°)	34	20	25	38	45	30	35	32	27
坡向	西	西南	西南	南	东	东北	东南	东南	东南

层次	物种	科	属	重要值
层次	物种	科	属	对照 (CK)	中度	重度
乔木层	辽东栎 Quercus wutaishansea Mary	壳斗科	栎属	0.53	0.44	0.38
	栓皮栎 Quercus variabilis Bl.	壳斗科	栎属	0.39	0.40	0.49
	垂枝榆 Ulmus pumila L. cv. Tenue	榆科	榆属	0.08	－	0.13
	油松 Pinus tabuliformis Carrière	松科	松属	－	0.16	－
灌木层	紫穗槐 Amorpha L.	豆科	紫穗槐属	0.11	－	－
	垂枝榆 Ulmus pumila L. cv. Tenue	榆科	榆属	－	0.08	0.12
	田菁 Sesbania cannabina (Retz.) Poir.	豆科	田菁属	0.08	－	－
	蛇葡萄 Ampelopsis sinica (Mig.) W. T. Wang.	蛇葡萄科	蛇葡萄属	0.05	0.10	0.10
	桑 Morus alba L.	桑科	桑属	0.07	－	－
	牛至 Origanum vulgare L.	唇形科	牛至属	0.05	－	0.12
	曼陀罗 Datura stramonium L.	茄科	曼陀罗属	－	－	0.07
	马兜铃 Aristolochia debilis Sieb. et Zucc	马兜铃科	马兜铃属	0.07	－	－
	栓皮栎 Quercus variabilis Bl.	壳斗科	栎属	0.30	0.42	0.25
	荆条 Vitex negundo.var. Heterophylla (Franch.) Rehd.	马鞭草科	牡荆属	－	0.05	0.13
	锦鸡儿 Caragana sinica (Buc'hoz) Rehd.	豆科	锦鸡儿属	0.08	－	－
	黄栌 Cotinus coggygria Scop.	漆树科	黄栌属	0.10	0.15	0.11
	槲树 Quercus dentata Thunb.	壳斗科	栎属	－	0.07	－
	白首乌 Cynanchum bungei Decne.	萝藦科	鹅绒藤属	－	0.06	－
	艾草 Artemisia argyi Lévl. et Van.	菊科	蒿属	0.05	－	－
	沿阶草 Ophiopogon bodinieri Levl.	百合科	沿阶草属	－	0.06	－
	小红菊 Chrysanthemum chanetii H. Léveillé	菊科	菊属	－	0.04	0.14
	委陵菜 Potentilla chinensis Ser.	蔷薇科	委陵菜属	0.05	－	－
	天门冬 Asparagus cochinchinensis (Lour.) Merr.	百合科	天门冬属	0.10	0.03	－
	牛筋草 Eleusine indica (L.) Gaertn.	禾本科	穇属	－	－	0.14
草本层	茅梅 Rubus parvifolius Linn.	蔷薇科	悬钩子属	－	0.08	－
	葎草 Humulus scandens (Lour.) Merr.	桑科	葎草属	0.09	－	－
	藜 Chenopodium album L.	藜科	藜属	0.07	－	－
	堇菜 Viola verecumda A.Gray	堇菜科	堇菜属	－	0.15	0.09
	鸡眼草 Kummerowia striata (Thunb.) Schindl.	豆科	鸡眼草属	0.04	0.01	0.16
	黄栌 Cotinus coggygria Scop.	漆树科	黄栌属	－	0.07	－
	黄刺玫 Rosa xanthina Lindl.	蔷薇科	蔷薇属	0.03	0.10	0.02
	胡枝子 Lespedeza bicolor Turcz.	豆科	胡枝子属	－	0.10	－
	厚皮菜 Beta vulgaris var. Cicla L.	藜科	甜菜属	－	0.04	0.26
	枸杞 Lycium chinense Miller	茄科	枸杞属	－	－	0.08
	狗尾草 Setaria viridis (L.) Beauv.	禾本科	狗尾草属	0.13	0.12	0.07
	狭叶柴胡 Bupleurum scorzonerifolium Willd.	伞形科	柴胡属	0.05	－	－
	草木犀 Melilotus officinalis (L.) Pall.	豆科	草木犀属	0.08	－	0.03
	艾草 Artemisia argyi Lévl. et Van.	菊科	蒿属	0.09	－	－

层次	物种	科	属	重要值
层次	物种	科	属	对照 (CK)	中度	重度
乔木层	辽东栎 Quercus wutaishansea Mary	壳斗科	栎属	0.53	0.44	0.38
	栓皮栎 Quercus variabilis Bl.	壳斗科	栎属	0.39	0.40	0.49
	垂枝榆 Ulmus pumila L. cv. Tenue	榆科	榆属	0.08	－	0.13
	油松 Pinus tabuliformis Carrière	松科	松属	－	0.16	－
灌木层	紫穗槐 Amorpha L.	豆科	紫穗槐属	0.11	－	－
	垂枝榆 Ulmus pumila L. cv. Tenue	榆科	榆属	－	0.08	0.12
	田菁 Sesbania cannabina (Retz.) Poir.	豆科	田菁属	0.08	－	－
	蛇葡萄 Ampelopsis sinica (Mig.) W. T. Wang.	蛇葡萄科	蛇葡萄属	0.05	0.10	0.10
	桑 Morus alba L.	桑科	桑属	0.07	－	－
	牛至 Origanum vulgare L.	唇形科	牛至属	0.05	－	0.12
	曼陀罗 Datura stramonium L.	茄科	曼陀罗属	－	－	0.07
	马兜铃 Aristolochia debilis Sieb. et Zucc	马兜铃科	马兜铃属	0.07	－	－
	栓皮栎 Quercus variabilis Bl.	壳斗科	栎属	0.30	0.42	0.25
	荆条 Vitex negundo.var. Heterophylla (Franch.) Rehd.	马鞭草科	牡荆属	－	0.05	0.13
	锦鸡儿 Caragana sinica (Buc'hoz) Rehd.	豆科	锦鸡儿属	0.08	－	－
	黄栌 Cotinus coggygria Scop.	漆树科	黄栌属	0.10	0.15	0.11
	槲树 Quercus dentata Thunb.	壳斗科	栎属	－	0.07	－
	白首乌 Cynanchum bungei Decne.	萝藦科	鹅绒藤属	－	0.06	－
	艾草 Artemisia argyi Lévl. et Van.	菊科	蒿属	0.05	－	－
	沿阶草 Ophiopogon bodinieri Levl.	百合科	沿阶草属	－	0.06	－
	小红菊 Chrysanthemum chanetii H. Léveillé	菊科	菊属	－	0.04	0.14
	委陵菜 Potentilla chinensis Ser.	蔷薇科	委陵菜属	0.05	－	－
	天门冬 Asparagus cochinchinensis (Lour.) Merr.	百合科	天门冬属	0.10	0.03	－
	牛筋草 Eleusine indica (L.) Gaertn.	禾本科	穇属	－	－	0.14
草本层	茅梅 Rubus parvifolius Linn.	蔷薇科	悬钩子属	－	0.08	－
	葎草 Humulus scandens (Lour.) Merr.	桑科	葎草属	0.09	－	－
	藜 Chenopodium album L.	藜科	藜属	0.07	－	－
	堇菜 Viola verecumda A.Gray	堇菜科	堇菜属	－	0.15	0.09
	鸡眼草 Kummerowia striata (Thunb.) Schindl.	豆科	鸡眼草属	0.04	0.01	0.16
	黄栌 Cotinus coggygria Scop.	漆树科	黄栌属	－	0.07	－
	黄刺玫 Rosa xanthina Lindl.	蔷薇科	蔷薇属	0.03	0.10	0.02
	胡枝子 Lespedeza bicolor Turcz.	豆科	胡枝子属	－	0.10	－
	厚皮菜 Beta vulgaris var. Cicla L.	藜科	甜菜属	－	0.04	0.26
	枸杞 Lycium chinense Miller	茄科	枸杞属	－	－	0.08
	狗尾草 Setaria viridis (L.) Beauv.	禾本科	狗尾草属	0.13	0.12	0.07
	狭叶柴胡 Bupleurum scorzonerifolium Willd.	伞形科	柴胡属	0.05	－	－
	草木犀 Melilotus officinalis (L.) Pall.	豆科	草木犀属	0.08	－	0.03
	艾草 Artemisia argyi Lévl. et Van.	菊科	蒿属	0.09	－	－

土壤因子	土层深度/cm	林火程度
土壤因子	土层深度/cm	对照 (CK)	中度	重度
w_(SWC)/ %	0-10	19.57±3.38Aa	19.77±0.97Aa	18.95±3.78Aa
w_(SWC)/ %	10-20	12.87±2.49Ab	16.76±0.62Aab	20.30±2.72Aa
pH	0-10	6.58±0.09Aa	6.33±0.33Aa	5.24±0.32Ab
pH	10-20	6.62±0.12Aa	6.60±0.71Aa	6.93±0.05Aa
w_(OM)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	42.58±8.77Ac	76.93±8.20Ab	118.80±3.30Aa
w_(OM)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	17.60±1.91Ac	45.10±8.30Ab	64.90±6.87Aa
w_(TN)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	0.14±0.00Ab	0.16±0.02Aab	0.18±0.02Aa
w_(TN)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	0.25±0.01Bb	0.37±0.06Aa	0.16±0.02Ac
w_(TP)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	0.57±0.08Aa	0.44±0.09Aa	0.49±0.06Aa
w_(TP)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	0.54±0.05Aa	0.37±0.08Ab	0.41±0.02Ab
w_(TK)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	532.08±17.09Aa	507.72±19.74Aab	490.46±20.99Ac
w_(TK)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	482.91±23.62Ab	555.55±8.33Aa	482.63±12.57Ab
w_(AN)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	23.92±8.81Ab	56.42±7.49Aa	50.25±6.54Aa
w_(AN)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	8.92±0.29Ac	23.75±2.18Ab	40.25±3.50Aa
w_(AP)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	26.19±7.22Aa	11.83±3.27Ab	21.8±1.82Aa
w_(AP)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	6.68±1.30Bab	5.02±0.53Bb	8.48±1.50Aa
w_(AK)/ (g∙kg⁻¹)	0-10	230.91±6.10Aa	193.44±5.94Ab	217.31±18.26Aa
w_(AK)/ (g∙kg⁻¹)	10-20	197.83±7.79Aa	178.51±5.86Ab	193.75±3.06Aa

Effects of Forest Fire Disturbance on Species Diversity and Soil Physicochemical Properties of Quercus variabilis and Quercus wutaishansea Mixed Forests

林火干扰对栓皮栎-辽东栎混交林植物多样性与土壤理化性质的影响

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