Succession mechanism and dynamics in artificial Caragana korshinskii sand-fixing forests of different ages in Baijitan of Lingwu

doi:10.11686/cyxb2023150

Abstract

Abstract:

This research explored the relationship between the succession sequence of the understory plant community and environmental factors in Caragana korshinskii plantations. We investigated the herbaceous communities in C. korshinskii forests of different ages （3， 5， 10， 20， 30， 40， 50， 60 and 70 years） and determined the soil physical and chemical properties. Two-way indicator species analysis （TWINSPAN）， detrended correspondence analysis （DCA） and redundancy analysis （RDA） were used for quantitative classification and sequencing. The relationship between community distribution and environmental factors was analyzed. It was found that： 1） 27 quadrats in nine plots were divided into a series of four community types by TWINSPAN： Corispermum mongolicum+Agriophyllum squarrosum community→Psammochloa villosa+Artemisia sphaerocephala community→Setaria viridis+Chenopodium album community→Artemisia scoparia+Stipa breviflora community. 2） The results of TWINSPAN and DCA were consistent， and DCA further confirmed the rationality of the TWINSPAN classification. 3） According to the RDA， soil organic carbon and soil pH value were the environmental factors that significantly affected the distribution of the herbage community under the C. korshinskii forest， explaining 19.3% and 13.6% ， and contributing 37.5% and 26.5% （P<0.05）. This research identifies the species succession and its driving factors in the understory herbaceous community in the sand-fixing forest of Baijitan. The results provide a theoretical basis for desertification control and scientific management of the Baijitan nature reserve.

Key words: Baijitan nature reserve, understory vegetation, ordination, succession sequence, environmental factors

Shuang YU, Xiao-wei LI, Rui-xia WANG, Jun-long YANG, Long MA. Succession mechanism and dynamics in artificial Caragana korshinskii sand-fixing forests of different ages in Baijitan of Lingwu[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(3): 13-23.

Figures/Tables 8

References 34

1	Zhao L J， Xiao H L， Liu X H， et al. Seasonal variation characteristics of leaf carbon isotope discrimination δ13C and N concentration of C. korshinskii and A. ordosica. Acta Geoscientica Sinica， 2005， 26（Supple1）： 213-219.
	赵良菊，肖洪浪，刘晓宏，等. 沙坡头油蒿和柠条叶片δ13C和N含量的季节变化特征. 地球学报， 2005， 26（增刊1）： 213-219.
2	Li X F， Li J， Wang X C， et al. Simulation of water productivity and soil desication of Caragana microphylla shrub land on semi-arid hilly region of the loess plateau. Agricultural Research in the Arid Areas， 2007， 25（3）： 113-119.
	李小芳，李军，王学春，等. 半干旱黄土丘陵区柠条林水分生产力和土壤干燥化效应模拟研究. 干旱地区农业研究， 2007， 25（3）： 113-119.
3	Wang M B， Li H J， Chai B F. Water ecophysiological characterristics of Caragana korshinskii. Chinese Journal of Plant Ecology， 1996， 20（6）： 494-501.
	王孟本，李洪建，柴宝峰. 柠条（Caragana korshinskii）的水分生理生态学特性. 植物生态学报， 1996， 20（6）： 494-501.
4	Bao J T. Study on water use characteristics of main sand-fixing shrubs in Shapotou area. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2015.
	鲍婧婷. 沙坡头地区主要固沙灌木的水分利用特征研究. 北京：中国科学院大学， 2015.
5	An S S， Huang Y M. Study on the ameliorate benefits of Caragana korshinskii shrubwood to soil properties in loess hilly area. Scientia Silvae Sinicae， 2006， 42（1）： 70-74.
	安韶山，黄懿梅. 黄土丘陵区柠条林改良土壤作用的研究. 林业科学， 2006， 42（1）： 70-74.
6	Zhang F， Chen Y M， Wang Y F， et al. Effects of Caragana korshinskii plantation on soil physical properties and organic matter in semi-arid loess hilly region. Research of Soil and Water Conservation， 2010， 17（3）： 105-109.
	张飞，陈云明，王耀凤，等. 黄土丘陵半干旱区柠条林对土壤物理性质及有机质的影响. 水土保持研究， 2010， 17（3）： 105-109.
7	Zhang L Z， Niu W， Niu Y， et al. Impact of Caragana Fabr. plantation on plant community and soil properities of saline-alkali wasteland. Acta Ecologica Sinica， 2009， 29（9）： 4693-4699.
	张丽珍，牛伟，牛宇，等. 柠条对盐碱地植被组成及土壤特性的影响. 生态学报， 2009， 29（9）： 4693-4699.
8	Whigham D F. Ecology of woodland herbs in temperate deciduous forests. Annual Review of Ecology， Evolution， and Systematics， 2004， 35（1）： 583-621.
9	Margaret B， Gargiullo. The herbaceous layer in forests of eastern north America. The Journal of the Torrey Botanical Society， 2005， 132（1）： 169-171.
10	Li G， Liang Y， Cao L X. Effects of different vegetation restoration patterns on soil erosion in secondary Pinus massoniana pure forest. Science of Soil and Water Conservation， 2012， 10（6）： 25-31.
	李钢，梁音，曹龙熹. 次生马尾松林下植被恢复措施的水土保持效益. 中国水土保持科学， 2012， 10（6）： 25-31.
11	Zhang Y， Zhou Q H， Xu J Y， et al. Effects of forest ages on the diversity of understory plants and soil seed bank of Pinus massoniana plantations. Ecology and Environmental Sciences， 2021， 30（11）： 2121-2129.
	张洋，周清慧，许骄阳，等. 林龄对马尾松人工林林下植物与土壤种子库多样性的影响. 生态环境学报， 2021， 30（11）： 2121-2129.
12	Gou Q Q， Liu J， Wang G H， et al. Changes of herbaceous plant composition and niche characteristics in different-aged artificial Caragana korshinskii forest in sandy-hilly region of northwest Shanxi Province， China. Acta Ecologica Sinica， 2022， 42（22）： 9069-9090.
	缑倩倩，刘婧，王国华，等. 晋西北丘陵风沙区柠条林下草本植物群落组成和种群生态位变化特征. 生态学报， 2022， 42（22）： 9069-9090.
13	Cui J， Huang J J， Chen Y M， et al. Biodiversity of herbaceous species under Caragana microphylla plantations in loess hilly region. Journal of Northwest Forestry University， 2018， 33（3）： 14-20.
	崔静，黄佳健，陈云明，等. 黄土丘陵区人工柠条林下草本植物物种多样性研究. 西北林学院学报， 2018， 33（3）： 14-20.
14	Qin L. Statistical ecology. Beijing： China Forestry Publishing House， 2009.
	覃林. 统计生态学. 北京：中国林业出版社， 2009.
15	Hill M O. TWINSPAN： A FORTRAN program for arranging multivariate data in an ordered two-way table by classification of individual and attributes. New York： Cornell University Press， 1979.
16	Scudeller V V， Martins F R， Shepherd G J. Distribution and abundance of arboreal species in the Atlantic ombrophilous dense forest in southeaster Brazil. Plant Ecology， 2001， 152（2）： 185-199.
17	Liu L， Bai Y， She W， et al. A nurse shrub species helps associated herbaceous plants by preventing shade-induced evaporation in a desert ecosystem. Land Degradation and Development， 2020， 32（4）： 1796-1808.
18	Bachar A， Soares M I， Gillor O. The effect of resource islands on abundance and diversity of bacteria in arid soils. Microbial Ecology， 2012， 63（3）： 694-700.
19	Cao Y， Li Y， Li C， et al. Relationship between presence of the desert shrub Haloxylon ammodendron and microbial communities in two soils with contrasting textures. Applied Soil Ecology， 2016， 103： 93-100.
20	Ma Q L， Zhang J C， Chen F， et al. Mechanism and dynamics for succession of artificial Hedysarum scoparium sand-binding forests at the southern edge of Tengger Desert. Journal of Desert Research， 2020， 40（4）： 206-215.
	马全林，张锦春，陈芳，等. 腾格里沙漠南缘花棒（Hedysarum scoparium）人工固沙林演替规律与机制. 中国沙漠， 2020， 40（4）： 206-215.
21	Li X R， Zhang Z S， Liu Y B， et al. Long-term ecological research guides ecological restoration and recovery in sandy areas of northern China. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2017， 32（7）： 790-797.
	李新荣，张志山，刘玉冰，等. 长期生态学研究引领中国沙区的生态重建与恢复. 中国科学院院刊， 2017， 32（7）： 790-797.
22	Ou J， Didi M G， Zhang S L， et al. Diversity of understory shrubs and herbs in Pinus armandii plantation with different canopy densities. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology， 2020， 41（6）： 56-63.
	欧江，地地木古，张时林，等. 不同郁闭度华山松人工林林下灌木和草本多样性. 四川林业科技， 2020， 41（6）： 56-63.
23	Su Y Z， Zhao H L. Soil properties and plant species in an age sequence of Caragana microphylla plantations in the Horqin Sandy Land， north China. Ecological Engineering， 2003， 20（3）： 223-235.
24	Ma Z W， Xie Z L， Duan X F， et al. Plant-soil relationship and plant niche in the Yellow River Delta National Natural Reserve， China. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis， 2012， 48（5）： 801-811.
	马宗文，谢正磊，段晓峰，等. 黄河三角洲自然保护区植物与土壤因子关系及生态位分析. 北京大学学报（自然科学版）， 2012， 48（5）： 801-811.
25	Wu Y Q， Zhang J F， Du S S， et al. Temporal and spatial variation of soil moisture in dunes with different vegetation coverage in southern margin of the Mu US Sandy land. Journal of Desert Research， 2015， 35（6）： 1612-1619.
	伍永秋，张健枫，杜世松，等. 毛乌素沙地南缘不同活性沙丘土壤水分时空变化. 中国沙漠， 2015， 35（6）： 1612-1619.
26	Fenu G， Carboni M， Acosta A T R， et al. Environmental factors influencing coastal vegetation pattern： new insights from the Mediterr-anean Basin. Folia Geobotanica， 2013， 48（1）： 493-508.
27	Lange M， Eisenhauer N， Sierra C A， et al. Plant diversity increases soil microbial activity and soil carbon storage. Nature Communications， 2015， 6： 6707.
28	Jobbagy E G， Jacks R B. Paterns and mechanisms of soil acidification in the conversion of grasslands to forests. Biogeochemistry， 2003， 64（2）： 205-229.
29	Farley K A， Kelly E F. Effects of afforestation of a Paramo grassland on soil nutrient status. Forest Ecology and Management， 2004， 195（3）： 281-290.
30	Schuster B， Diekmann M. Changes in species density along the soil pH gradient-evidence from German plant communities. Folia Geobotanica， 2003， 38（4）： 367-379.
31	Liu S. Relationship between the distribution of plant communities and soil factors in the northwest of Liaoning. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2017.
	刘莎. 辽西北草地群落分布与土壤因子的关系. 沈阳：沈阳农业大学， 2017.
32	Song C Y， Guo K. Relationship between plant community and soil on the inter-dune lowland in the middle of Otingdag sand land. Journal of Plant Ecology， 2007， 31（1）： 40-49.
	宋创业，郭柯. 浑善达克沙地中部丘间低地植物群落分布与土壤环境关系. 植物生态学报， 2007， 31（1）： 40-49.
33	Tripathi B M， Stegen J C， Kim M， et al. Soil pH mediates the balance between stochastic and deterministic assembly of bacteria. ISME Journal， 2018， 12（4）： 1072-1083.
34	Feng Y Z， Chen R R， Stegen J C， et al. Two key features influencing community assembly processes at regional scale： Initial state and degree of change in environmental conditions. Molecular Ecology， 2018， 27（24）： 5238-5251.

林龄 Forest age （yrs）	纬度 Latitude （N）	经度 Longitude （E）	海拔 Elevation （m）	郁闭度 Canopy density	林下草本植物 Understory herbs
3	37°40′	106°46′	1213.88	0.16	蒙古虫实Corispermum mongolicum、沙蓬Agriophyllum squarrosum、雾冰藜Bassia dasyphylla
5	38°03′	106°51′	1255.95	0.65	蒙古虫实C. mongolicum、猪毛蒿Artemisia scoparia、雾冰藜B. dasyphylla、香青兰Dracocephalum moldavica
10	38°02′	106°48′	1227.35	0.53	蒙古虫实C. mongolicum、画眉草Eragrostis pilosa
20	37°55′	106°50′	1308.89	0.82	沙鞭Psammochloa villosa、地锦Parthenocissus tricuspidata、砂蓝刺头Echinops gmelini、雾冰藜B. dasyphylla、白沙蒿Artemisia sphaerocephala、画眉草E. pilosa、狗尾草Setaria viridis、锋芒草Tragus racemosus、阿尔泰狗娃花Heteropappus altaicus
30	38°02′	106°33′	1307.64	0.54	蒙古虫实C. mongolicum、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、雾冰藜B. dasyphylla、地锦P. tricuspidata、藜Chenopodium album、砂蓝刺头E. gmelini、猪毛蒿A. scoparia、香青兰D. moldavica、地捎瓜Cynanchum thesioides、银柴胡Stellaria dichotoma var. lanceolata、草木樨状黄芪Astragalus melilotoides、阿尔泰狗娃花H. altaicus、叉枝鸦葱Scorzonera divaricata
40	38°10′	106°39′	1324.16	0.51	阿尔泰狗娃花H. altaicus、狗尾草S. viridis、画眉草E. pilosa、乳浆大戟Euphorbia esula、兴安胡枝子Lespedeza davurica、短花针茅Stipa breviflora、锋芒草T. racemosus、地锦P. tricuspidata、猪毛蒿A. scoparia、甘草Glycyrrhiza uralensis、香青兰D. moldavica、藜C. album、虎尾草Setaria viridis、条叶车前Plantago lessingii、丝叶山苦荬Ixeridium graminifolium、砂蓝刺头E. gmelini
50	38°11′	106°41′	1326.34	0.71	雾冰藜B. dasyphylla、猪毛蒿A. scoparia、地锦P. tricuspidata、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、藜C. album、蒙古虫实C. mongolicum、香青兰D. moldavica、蒺藜Tribulus terrestris、白沙蒿A. sphaerocephala、中华小苦荬Ixeridium chinense
60	38°10′	106°52′	1320.46	0.82	藜C. album、刺藜Teloxys aristata、香青兰D. moldavica、中华小苦荬I. chinense、雾冰藜B. dasyphylla、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、阿尔泰狗娃花H. altaicus、沙生大戟Euphorbia kozlovii、乳苣Mulgedium tataricu、白沙蒿A. sphaerocephala、短花针茅S. breviflora、九顶草Enneapogon desvauxii
70	38°08′	106°15′	1315.48	0.88	藜C. album、刺藜T. aristata、画眉草E. pilosa、砂蓝刺头E. gmelini、香青兰D. moldavica、地锦P. tricuspidata、青海天门冬Asparagus cochinchinensis、马齿苋Portulaca oleracea、赖草Leymus secalinus、草瑞香Diarthron linifolium、中华小苦荬I. chinense、鹅绒藤Cynanchum chinense、猪毛蒿A. scoparia

林龄 Forest age （yrs）	纬度 Latitude （N）	经度 Longitude （E）	海拔 Elevation （m）	郁闭度 Canopy density	林下草本植物 Understory herbs
3	37°40′	106°46′	1213.88	0.16	蒙古虫实Corispermum mongolicum、沙蓬Agriophyllum squarrosum、雾冰藜Bassia dasyphylla
5	38°03′	106°51′	1255.95	0.65	蒙古虫实C. mongolicum、猪毛蒿Artemisia scoparia、雾冰藜B. dasyphylla、香青兰Dracocephalum moldavica
10	38°02′	106°48′	1227.35	0.53	蒙古虫实C. mongolicum、画眉草Eragrostis pilosa
20	37°55′	106°50′	1308.89	0.82	沙鞭Psammochloa villosa、地锦Parthenocissus tricuspidata、砂蓝刺头Echinops gmelini、雾冰藜B. dasyphylla、白沙蒿Artemisia sphaerocephala、画眉草E. pilosa、狗尾草Setaria viridis、锋芒草Tragus racemosus、阿尔泰狗娃花Heteropappus altaicus
30	38°02′	106°33′	1307.64	0.54	蒙古虫实C. mongolicum、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、雾冰藜B. dasyphylla、地锦P. tricuspidata、藜Chenopodium album、砂蓝刺头E. gmelini、猪毛蒿A. scoparia、香青兰D. moldavica、地捎瓜Cynanchum thesioides、银柴胡Stellaria dichotoma var. lanceolata、草木樨状黄芪Astragalus melilotoides、阿尔泰狗娃花H. altaicus、叉枝鸦葱Scorzonera divaricata
40	38°10′	106°39′	1324.16	0.51	阿尔泰狗娃花H. altaicus、狗尾草S. viridis、画眉草E. pilosa、乳浆大戟Euphorbia esula、兴安胡枝子Lespedeza davurica、短花针茅Stipa breviflora、锋芒草T. racemosus、地锦P. tricuspidata、猪毛蒿A. scoparia、甘草Glycyrrhiza uralensis、香青兰D. moldavica、藜C. album、虎尾草Setaria viridis、条叶车前Plantago lessingii、丝叶山苦荬Ixeridium graminifolium、砂蓝刺头E. gmelini
50	38°11′	106°41′	1326.34	0.71	雾冰藜B. dasyphylla、猪毛蒿A. scoparia、地锦P. tricuspidata、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、藜C. album、蒙古虫实C. mongolicum、香青兰D. moldavica、蒺藜Tribulus terrestris、白沙蒿A. sphaerocephala、中华小苦荬Ixeridium chinense
60	38°10′	106°52′	1320.46	0.82	藜C. album、刺藜Teloxys aristata、香青兰D. moldavica、中华小苦荬I. chinense、雾冰藜B. dasyphylla、画眉草E. pilosa、狗尾草S. viridis、阿尔泰狗娃花H. altaicus、沙生大戟Euphorbia kozlovii、乳苣Mulgedium tataricu、白沙蒿A. sphaerocephala、短花针茅S. breviflora、九顶草Enneapogon desvauxii
70	38°08′	106°15′	1315.48	0.88	藜C. album、刺藜T. aristata、画眉草E. pilosa、砂蓝刺头E. gmelini、香青兰D. moldavica、地锦P. tricuspidata、青海天门冬Asparagus cochinchinensis、马齿苋Portulaca oleracea、赖草Leymus secalinus、草瑞香Diarthron linifolium、中华小苦荬I. chinense、鹅绒藤Cynanchum chinense、猪毛蒿A. scoparia

群丛 Association	林龄 Forest age （yrs）	盖度 Coverage （%）	土壤容重 Soil bulk density （g·cm^-3）	土壤含水量 Soil moisture （%）	pH	土壤有机质 Soil organic carbon （g·kg^-1）	土壤全氮 Soil total nitrogen （mg·g^-1）	土壤全磷 Soil total phosphorus （mg·g^-1）
Ⅰ	3	14.11±2.35b	1.52±0.02ab	5.53±0.63a	8.08±0.03b	2.74±0.45c	0.06±0.01g	0.11±0.01d
	5	11.56±2.94b	1.51±0.05ab	4.44±0.12abc	8.13±0.06b	2.22±0.38c	0.06±0.01g	0.12±0.01c
	10	10.40±1.33b	1.52±0.01ab	3.19±0.42bcd	8.06±0.05b	2.87±0.32c	0.11±0.01ef	0.13±0.01b
Ⅱ	20	11.53±2.90b	1.55±0.03a	4.77±0.63ab	8.18±0.04b	3.36±0.31c	0.11±0.01ef	0.13±0.01b
Ⅲ	30	34.05±3.12ab	1.50±0.08ab	5.87±1.18a	8.52±0.02a	7.45±0.63b	0.13±0.01de	0.13±0.01b
Ⅲ	40	36.62±6.06ab	1.44±0.05b	3.48±0.24bcd	8.49±0.02a	6.28±0.56b	0.15±0.01d	0.13±0.01b
Ⅳ	50	78.71±8.67a	1.52±0.03ab	3.11±0.18bcd	8.46±0.02a	6.45±0.30b	0.18±0.01c	0.13±0.01b
	60	60.56±5.24ab	1.54±0.02a	2.91±0.21cd	8.37±0.08a	6.71±1.84b	0.21±0.02b	0.14±0.01a
	70	70.81±6.56a	1.50±0.01ab	2.45±0.86d	8.40±0.06a	10.98±1.39a	0.27±0.01a	0.14±0.01a

群丛 Association	林龄 Forest age （yrs）	盖度 Coverage （%）	土壤容重 Soil bulk density （g·cm^-3）	土壤含水量 Soil moisture （%）	pH	土壤有机质 Soil organic carbon （g·kg^-1）	土壤全氮 Soil total nitrogen （mg·g^-1）	土壤全磷 Soil total phosphorus （mg·g^-1）
Ⅰ	3	14.11±2.35b	1.52±0.02ab	5.53±0.63a	8.08±0.03b	2.74±0.45c	0.06±0.01g	0.11±0.01d
	5	11.56±2.94b	1.51±0.05ab	4.44±0.12abc	8.13±0.06b	2.22±0.38c	0.06±0.01g	0.12±0.01c
	10	10.40±1.33b	1.52±0.01ab	3.19±0.42bcd	8.06±0.05b	2.87±0.32c	0.11±0.01ef	0.13±0.01b
Ⅱ	20	11.53±2.90b	1.55±0.03a	4.77±0.63ab	8.18±0.04b	3.36±0.31c	0.11±0.01ef	0.13±0.01b
Ⅲ	30	34.05±3.12ab	1.50±0.08ab	5.87±1.18a	8.52±0.02a	7.45±0.63b	0.13±0.01de	0.13±0.01b
Ⅲ	40	36.62±6.06ab	1.44±0.05b	3.48±0.24bcd	8.49±0.02a	6.28±0.56b	0.15±0.01d	0.13±0.01b
Ⅳ	50	78.71±8.67a	1.52±0.03ab	3.11±0.18bcd	8.46±0.02a	6.45±0.30b	0.18±0.01c	0.13±0.01b
	60	60.56±5.24ab	1.54±0.02a	2.91±0.21cd	8.37±0.08a	6.71±1.84b	0.21±0.02b	0.14±0.01a
	70	70.81±6.56a	1.50±0.01ab	2.45±0.86d	8.40±0.06a	10.98±1.39a	0.27±0.01a	0.14±0.01a

群丛 Association	林龄 Forest age （yrs）	丰富度指数 Richness index	Simpson指数 Simpson index	Shannon-Wiener指数 Shannon-Wiener index	Pielou指数 Pielou index
Ⅰ	3	3.44±0.11c	0.67±0.01c	1.16±0.05cd	0.94±0.01a
	5	3.00±0.19cd	0.51±0.02d	0.87±0.09d	0.81±0.02b
	10	1.11±0.11d	0.04±0.03e	0.06±0.02e	0.08±0.03c
Ⅱ	20	5.67±0.80b	0.70±0.06bc	1.44±0.11bc	0.85±0.04ab
Ⅲ	30	8.00±0.33a	0.82±0.01a	1.85±0.08a	0.90±0.02ab
Ⅲ	40	7.00±1.45ab	0.75±0.05abc	1.65±0.12ab	0.87±0.02ab
Ⅳ	50	7.56±0.48ab	0.77±0.02abc	1.76±0.06ab	0.88±0.02ab
	60	7.00±0.96ab	0.78±0.03ab	1.70±0.10ab	0.90±0.02ab
	70	6.11±0.40ab	0.76±0.01abc	1.56±0.06ab	0.87±0.01ab