黄土高原由于气候干旱和水土流失，生态系统十分脆弱，人工林合理经营是改善当地生态环境与植被恢复的有效途径。生物多样性是人工植被恢复研究的热点问题之一^[1]，而植物多样性是生物多样性在植物水平上的表现形式，对衡量森林群落的分布及物种丰富具有重大意义^[2]。土壤作为陆地生态系统的组成部分，对植物群落组成与结构起着至关重要作用，是植物生长的关键性因子^[3-4]。不同森林植被引起土壤条件不同影响着林下植物的发生、发育，进而影响植物的多样性水平^[5]；因此，林下土壤理化性质和植物多样性是反映林分经营质量的重要指标。

油松(Pinus tabuliformis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)具有适应能力强、耐干旱等特点，是晋西黄土地区营造水土保持林的主要树种，但是多年来，人们习惯于营造油松和刺槐人工纯林，林分质量与生态功能较低；与纯林相比，尽管油松与刺槐混交林面积少，但具有更好的水土保持效益和林分稳定性^[6]。曲红等^[7]认为混交林更有利于林下植被的发育与更新，薛玲玉等^[8]认为油松刺槐混交能显著改善林地质量，其森林可持续生产与植被恢复能力较高。在黄土区油松与刺槐混交林林下植物多样性与土壤理化性质特征研究中，分析其纯林与混交林生态环境条件差异性是如何影响林下植被发育的，特别是土壤因素的作用，以及构建怎样的植被类型才有利于林分结构的调整及林分质量的提高的相关研究相对较少，此研究对于认识混交对环境的作用机理以及人工水土保持林的合理经营具有重要的科学意义。为此，笔者以晋西黄土区油松纯林、刺槐纯林和油松×刺槐混交林为研究对象，研究不同林分类型的林下植物多样性和土壤理化性质特征及其两者之间的相关性，分析纯林、混交林之间的差异性及其响应机制，并从植物多样性与土壤理化性质2个指标层次，运用主成分分析法综合评价该地区不同林分的质量，以期为晋西黄土区人工混交林营造及植被的恢复与重建提供理论参考。

试验地位于山西省吉县蔡家川流域(E 110°39′45″~110°47′45″，N 36°14′27″~36°18′23″，海拔900~1513m)，具有典型的晋西残垣沟壑地貌特点，水土流失严重。土质以黄土和褐土为主，土壤是中壤黄绵土。试验区属于暖温带半湿润气候，日照充足，旱季4—6月降水量占全年总降水量的26.9%，雨季7—10月占64.2%，降水量年际变化较大且季节分配不均匀，多年平均年降雨量575.9mm，年均温10℃。研究区植物资源比较丰富，主要水土保持造林树种为油松、刺槐等。

刺槐和油松是晋西地区主要造林树种，在蔡家川流域中占到人工林总面积的70%以上。依据典型性和代表性原则，在研究区内选择林分密度、林龄与生长环境相近的油松纯林、刺槐纯林、油松×刺槐混交林(混交方式为行间混交，混交比例为1:1)为研究目标林分，其林地土壤环境与植物生长基本能反映中幼龄林林分发育过程的影响趋势。在黄土区由于立地条件的限制油松主要营造在阴坡，阳坡的油松林面积小且生长不良，因此选择样地设置在阴坡。为保证样地对整个坡面的代表性，沿坡面水平和垂直方向分别选择同一林分类型设置4个20m×20m重复样地。在每个样地对角线交点和样地四角分别设立5个2m×2m样方，进行灌木层调查；在每个样方中分别设5个1m×1m样方，进行草本层调查。总计设置林分调查样方12个，灌木样方60个，草本样方60个。乔木进行每木检尺(起始径阶DBH≥5cm，DBH < 5cm归为幼树)，包括树高、冠幅、胸径、郁闭度等；灌木层调查包括种类、株数、株高、盖度等；草本层调查包括种类、株高、盖度。同时调查记录土壤类型、坡位、坡度、海拔(表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基本特征 Tab. 1 Basic characteristic of plots 林分 Stand 海拔 Altitude/m 坡向 Slope aspect 林龄 Age/a 平均树高 Average height/m 平均胸径 Average DBH/cm 郁闭度 Canopy density Ⅰ 1130~1150 半阴坡Semi-shady slope 20 6.88±0.42C 12.83±1.01B 0.53 Ⅱ 1140~1150 半阴坡Semi-shady slope 24 10.54±0.48A 14.89±1.15A 0.55 Ⅲ 1125~1137 半阴坡Semi-shady slope 20 8.23±0.62B 10.11±1.11C 0.61 注：Ⅰ，油松纯林；Ⅱ，刺槐纯林；Ⅲ，油松×刺槐混交林。不同字母表示显著差异。下同。Notes: Ⅰ, Pines tabuliformis pure forest. Ⅱ, Robinia pseudoacacia pure forest. Ⅲ, mixed forests of Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia. Different letters refer to significant difference. The same below.

表 1 样地基本特征 Tab. 1 Basic characteristic of plots

灌木、草本重要值=(相对频度+相对多度)/2；利用Margalef指数R、Simpson指数D、Shannon-Wiener指数H、Pielou指数J分别测定林下植物多样性^[9]。

在各样地对角线方向选取4个采样点，在每个采样点分别按0~10、10~20、20~30、30~50和50~100cm共5个层次采集土壤样品并做好标记。土壤密度、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度采用环刀法。此外，土壤有机碳采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，全N采用H₂SO₄-H₂O₂消解-凯氏定氮仪法测定，全P采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，钼锑抗比色法测定。

使用Origin 9.1绘图制表。使用R语言软件数据处理。采用主成分分析法构建人工林综合评价模型。

物种组成是反映植物群落的重要特征之一。物种重要值(表 2)显示，油松纯林灌木层5科6种，黄刺玫(Rosa xanthina)(50.32)是植物群落的优势种；草本层8科11种，优势种为铁杆蒿(Artemisia sacrorum)(27.41)、败酱(Patrinia scabiosaefolia)(21.37)。刺槐纯林灌木层6科7种，优势种为黄刺玫(24.27)和杠柳(Periploca sepium)(33.89)；草本层10科16种，败酱、铁杆蒿、马唐(Digitaria sanguinalis)的重要值在15左右波动。而油松×刺槐混交林灌木层7科8种，黄刺玫(33.43)为主要优势种；草本层8科13种，败酱(23.63)为主要优势种。3种不同林分灌木层物种数目表现为油松×刺槐混交林>刺槐纯林>油松纯林，即混交林植物物种组成更丰富，所属科和种的数量多于纯林。不同林分草本层物种数目与灌木层的趋势有所不同，表现为刺槐纯林>油松×刺槐混交林>油松纯林。对比3种不同林分草本层与灌木层物种数目，可以发现草本层物种数目要明显高于灌木层。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同林分植物组成及其重要值 Tab. 2 Plant composition and important values in different stands % 林分 Stand 灌木层Shrub 草本层Herb 植物种Species 重要值Important value 植物种Species 重要值Important value 黄刺玫Rosa xanthina 50.32 铁杆蒿Artemisia sacrorum 27.41 Ⅰ 暴马丁香Syringa reticulata var. amurensis 18.16 败酱Patrinia scabiosaefolia 21.37 杠柳Periploca sepium 13.53 牛筋草Eleusine indica 11.22 杠柳Periploca sepium 33.89 铁杆蒿Artemisia sacrorum 16.14 Ⅱ 黄刺玫Rosa xanthina 24.27 马唐Digitaria sanguinalis 13.28 暴马丁香Syringa reticulata var. amurensis 22.43 败酱Patrinia scabiosaefolia 12.88 黄刺玫Rosa xanthina 33.43 败酱Patrinia scabiosaefolia 23.63 Ⅲ 暴马丁香Syringa reticulata var. amurensis 16.67 铁杆蒿Artemisia sacrorum 15.78 杠柳Periploca sepium 16.66 狗牙根Cynodon dactylon 5.92 注：本表所列为重要值前3的林下植物。Notes: The undergrowth plants with the top three of important value are listed in the table.

表 2 不同林分植物组成及其重要值 Tab. 2 Plant composition and important values in different stands %

不同林分灌木层植物多样性指数如图 1所示，Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数及Pielou指数分别在3种林分之间的差异均未达到显著性水平，表明在该地区纯林、混交林2个林分类型之间灌木的组成与分布基本相似。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同林分灌木层多样性指数 Fig. 1 Diversity index of shrub layer in different stands

不同林分草本层植物多样性指数如图 2所示，Margalef指数为刺槐纯林最大，油松纯林最小。3种林分的Simpson指数油松×刺槐混交林最大，油松纯林最小。对于Shannon-Wiener指数表现为混交林最大，油松纯林最小，方差分析结果表明3种林分之间差异达到显著性水平。3种林分Pielou指数之间无显著性差异，说明3种林分物种的均匀程度基本相似。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同林分草本层多样性指数 Fig. 2 Diversity index of herbaceous layer in different stands

土壤密度、总孔隙度是林分土壤的基本物理特性，也是林分水土保持的重要指标，影响着林下植物的定居、生长发育。由表 3可见，0~100cm深度土层内平均土壤密度表现为混交林 < 刺槐纯林 < 油松纯林。在0~100cm深度土层内平均土壤总孔隙度与毛管孔隙度都表现为混交林>刺槐纯林>油松纯林，油松×刺槐混交林与油松纯林有显著性差异。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同林分土壤理化性质 Tab. 3 Physico-chemical properties of soil in different stands 林分 Stand 密度Bulk density/(g·cm-3) 总孔隙度Total porosity/% 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 有机碳Organic carbon/(g·kg-1) 全氮Total nitrogen/(g·kg-1) 全磷Total phosphorus/(g·kg-1) Ⅰ 1.26±0.09a 48.88±1.75b 43.89±2.55b 4.54±0.92b 0.61±0.02b 0.49±0.01b Ⅱ 1.21±0.03a 51.41±1.52ab 47.61±0.82ab 5.13±0.18a 0.66±0.03a 0.50±0.02ab Ⅲ 1.20±0.07a 52.85±1.47a 47.89±0.92a 5.17±0.28a 0.67±0.01a 0.53±0.01a

表 3 不同林分土壤理化性质 Tab. 3 Physico-chemical properties of soil in different stands

土壤的碳、氮、磷是林地土壤养分的重要指标，反映了林分发育与土壤相互作用的过程。在0~100cm深度土层内油松×刺槐混交林与刺槐纯林的有机碳质量分数与全氮质量分数显著大于油松纯林。3种林分土壤中全磷质量分数的变化与有机碳和全氮质量分数变化类似，表现为混交林>刺槐纯林>油松纯林，混交林与油松纯林有显著差异。

对3种林分林下植物多样性与土壤理化性质的相关性分析如表 4所示。灌木层的Simpson指数与土壤毛管孔隙度呈极显著正相关(P < 0.01)，灌木层的Shannon-Wiener指数与土壤密度、土壤总孔隙度呈显著相关(P < 0.05)，与土壤毛管孔隙度呈极显著正相关(P < 0.01)，草本层的Shannon-Wiener指数与土壤总孔隙度、全磷质量分数呈显著正相关(P < 0.05)，与土壤毛管孔隙度、全氮质量分数呈极显著正相关(P < 0.01)。可见，不同林分类型土壤理化性质与林下植物多样性指数之间存在密切关系，说明林下植物多样性受到林地土壤性状变化的影响。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同林分林下植物多样性与土壤理化性质的相关性 Tab. 4 Correlations between plant diversity and soil physico-chemical properties in different stands 林下植物多样性 Plant diversity 密度 Bulk density 总孔隙度 Total porosity 毛管孔隙度 Capillary porosity 有机碳 Organic carbon 全氮 Total nitrogen 全磷 Total phosphorus R1 -0.262 0.397 0.505 0.120 0.630* 0.046 D1 -0.484 0.563 0.789** 0.362 0.212 0.257 H1 -0.608* 0.656* 0.744** 0.459 0.458 0.427 J1 -0.565 0.198 0.334 0.048 0.129 -0.024 R2 -0.176 0.099 0.118 0.292 0.348 0.545 D2 0.274 0.292 0.190 -0.063 -0.029 0.129 H2 -0.343 0.667* 0.715** 0.384 0.721** 0.662* J2 0.291 0.277 0.203 0.309 -0.083 0.054 注：R1、D1、H1、J1分别为灌木层Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数；R2、D2、H2、J2分别为草本层Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数。*和**分别表示在α = 0.05和0.01水平上的显著性。Notes: R1, D1, H1, J1 respectively represent Margalef index, Simpson index, Shannon-Wiener index and Pielou index of shrub layer, respectively. R2, D2, H2, J2 respectively represent Margalef index, Simpson index, Shannon-Wiener index and Pielou index of herb layer, respectively. * and ** refer to that correlation is significant at α =0.05 and 0.01.

表 4 不同林分林下植物多样性与土壤理化性质的相关性 Tab. 4 Correlations between plant diversity and soil physico-chemical properties in different stands

由表 5可知，基于植物多样性与土壤理化性质的主成分分析表明：主成分1、2、3和4的贡献率分别为47.301%、17.695%、14.324%和9.131%，累计贡献率达88.451%，基本保留了所有指标综合评价林分质量的绝大部分信息，因此选取前4个主成分作为评价林分的主要依据。主成分1中，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、灌木层的Shannon-Wiener指数、草本层Shannon-Wiener权重系数比较大；主成分2主要反映了草本层Margalef指数和Simpson指数表征林分生长状况的信息；主成分3中土壤密度的权重系数比较大；主成分4中全氮质量分数权重较高。这说明人工林质量受到土壤理化性质与植物多样性的综合影响。

表 5(Tab. 5)

表 5 基于植物多样性与土壤理化性质的主成分分析 Tab. 5 Principal component analysis based on plant diversity and soil physico-chemical properties 指标Index 主成分Component 1 2 3 4 土壤密度Bulk density 0.192 0.239 0.602 0.164 土壤毛管孔隙度Capillary porosity -0.473 0.167 0.174 — 土壤总孔隙度Total porosity -0.496 0.145 — -0.196 有机碳Organic carbon -0.294 — 0.403 -0.412 全氮Total nitrogen -0.260 -0.235 -0.266 0.515 全磷Total phosphorus -0.288 -0.109 0.440 0.247 灌木层Simpson指数Simpson index of shrub layer 0.332 0.212 -0.255 -0.285 灌木层Shannon-Wiener指数Shannon-Wiener index of shrub layer -0.480 — -0.232 -0.138 草本层Margalef指数Margalef index of herb layer -0.141 -0.621 0.236 — 草本层Simpson指数Simpson index of herb layer — 0.627 — 0.421 草本层Shannon-Wiener指数Shannon-Wiener index of herb layer -0.589 — — 0.393 方差贡献率Contribution/% 47.301 17.695 14.324 9.131 累计贡献率Cumulative contribution/% 47.301 64.996 79.320 88.451 注：“—”指无相关数据。Notes: “—” refers to no related data.

表 5 基于植物多样性与土壤理化性质的主成分分析 Tab. 5 Principal component analysis based on plant diversity and soil physico-chemical properties

根据各指标的因子载荷值(表 5)得到4个主成分的得分P₁、P₂、P₃、P₄，然后以方差贡献率为权重构造林分质量综合评价函数，公式如下：

林分质量综合评价值从大到小依次为油松×刺槐混交林(1.507)>刺槐纯林(-0.650)>油松纯林(-1.173)，说明在土壤改良与植物多样性维持方面混交林比纯林具有更好的效果。

本研究中，灌木层重要值较高的是黄刺玫，它在不同林分均有分布，可见其对晋西黄土区生态环境有较强的适应性。陈杰等^[10]认为草本植物物种替代率高，多属于逆境耐受型，其突出特点是繁殖力强，具有广泛的适应性；Grime^[11]认为作为生态系统的先锋植被，草本植物具有适应力强、生态位较宽的特点，对气候及生活环境的变化有较强的适应能力，因此草本层物种数量明显高于灌木层，本文结果与其一致。刺槐纯林的草本层物种数量要高于油松×刺槐混交林，究其原因可能是阔叶林郁闭度适中、光照更均匀，有利于草本层种子的萌发与生长；而同时油松×刺槐混交林的灌木种数量较高，油松纯林最为简单，揭示了混交林环境更利于灌木的发育，相对抑制了草本植物的发育。

植物多样性是群落形成和稳定的基础^[12]，在立地条件相同情况下，其与生境存在密切关系。当所处的生境条件不同时，群落随之朝不同的方向演替，结构与功能随之发生变化^[13]。笔者选择的几种林分立地条件基本一致，其环境的差异性主要是林分结构不同所导致。3种林分植物多样性指数差异不是很显著，只有草本层Shannon-Wiener指数显著差异，说明异林结构的针阔混交更有利于林下植物的繁衍和生长；但是从不同林分的植物多样性指数的变化趋势看，整体上仍表现出针阔混交林优于纯林，这是因为混交林在生态位宽度、资源利用程度和物种组成上更好，抗干扰能力更强。相对照纯林，混交林能提高林地养分和生产力，养分利用系数较大，进而增加林下植物多样性，形成稳定的生态系统。纯林的草本优势种是旱生的铁杆蒿，混交林的则是喜湿的败酱，反映林分环境差异性对植物多样性在植物种类组成方面的影响。

作为表征土壤物理性质的重要指标，低密度和高孔隙度会促进土壤养分的释放，有利于群落植物的生长^[14]。研究表明，不同林分土壤总孔隙度与土壤毛管孔隙度均有明显差异，且混交林效果最好，其次为刺槐纯林，这是由于不同林分地下根系生长及枯落物的组成、分解状况不同，改变了土壤的团粒结构，使其土壤密度和孔隙度大小不同^[15]。

植被类型也对土壤养分含量有着重要的影响，不同树种的生物学特性不同，从而在对土壤养分的影响上存在显著差异^[16]。笔者研究表明，混交林和刺槐纯林的全氮质量分数显著高于油松纯林，这是由于刺槐树种具有固氮特性，能够很好维持地力，提高了林地生产力，固氮与非固氮树种的混交使林分结构更为复杂，林分稳定性增强，土壤养分更好^[17]。有机碳质量分数与全磷质量分数均表现为混交林>刺槐纯林>油松纯林，这是由于混交林凋落物数量多，加上阔叶树凋落物具有分解速度快的特性，使其养分循环加快，土壤肥力增强，而油松为针叶树种，凋落物分解速度较慢从而使林下堆积有较厚枯落物层，减慢了养分循环速率^[18]。

对3种林分灌木层及草本层植物多样性指数与土壤理化性质的Pearson相关分析表明，灌木层、草本层植物多样性Shannon-Wiener指数都与土壤理化性质相关性较好，低土壤密度、高孔隙度、高养分含量时，植物多样性Shannon-Wiener指数也较高，即土壤理化性质影响着植物组成及多样性水平，其中针阔混交林呈现出最好的效果。土壤为植物生长提供必要的水分与营养物质, 影响植物群落的结构与功能^[19]。林分土壤的不同会改变植物的生长条件，影响植物的地上部分生长，使植物多样性发生改变进而影响着植被群落的发生、发育及演替^[20]。这个结果说明，与其他地区研究结果相同^[21]，在该地区林下植物多样性指数与土壤理化性质之间存在较好的相关性，不同林分对土壤理化性质的改良作用不同，是影响林下植物多样性的重要因素。

基于主成分分析的不同人工林林分质量综合评价及林下植物多样性与土壤理化性质的研究结果表明，从针叶林、阔叶林到针阔混交林，随着土壤理化性质变好、土壤肥力提高，林下植物多样性提高，群落稳定性提高，针阔混交林综合评价值最高，说明在该地区营造刺槐油松组成的针阔混交林更有利于群落稳定性的提高与土壤理化性质的改善，这是与当地气候相适应的结果^[22]，与姚晶晶等^[23]在晋西黄土丘陵区研究结果一致。相对于混交林与刺槐纯林而言，油松纯林林分结构较单一，更新能力与稳定性相对较差，这可能与油松的生态学特征有关^[24]。因此为了使黄土区人工林更好发挥涵养水源、水土保持等生态效益，提高该地区林下植物多样性及林分稳定性，对存在的油松纯林要通过林分管理措施改善土壤理化性质、提高土壤肥力，促进林下植物多样性的增加。今后营造水土保持林首先考虑针阔混交林油松×刺槐混交林，尽量避免营造油松纯林。

1) 菊科、蔷薇科、禾本科在晋西黄土区分布有多属多种，表明其对该环境的适应性较强，为该地区生态修复与先锋物种的选择提供了重要的参考。

2) 林下植物多样性表现为油松×刺槐混交林优于纯林，且其在土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、全磷质量分数上显著高于油松纯林。

3) 灌木层Shannon-Wiener指数与土壤密度、土壤总孔隙度呈显著相关(P < 0.05)；草本层Shannon-Wiener指数与土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、全磷和全氮质量分数呈显著相关(P < 0.05)。

4) 不同林分人工林质量综合评价值从大到小依次为油松×刺槐混交林>刺槐纯林>油松纯林。在土壤改良与植物多样性维持方面混交林比纯林具有更好的效果，晋西黄土区营造水土保持林首先考虑针阔混交林油松×刺槐混交林，其次营造纯林考虑阔叶纯林刺槐。