廣西流星天坑植物群落結(jié)構(gòu)與多樣性

蘇宇喬，薛躍規(guī)，范蓓蓓，莫佛艷，馮慧喆

(廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)院，廣西桂林 541006)

廣西流星天坑植物群落結(jié)構(gòu)與多樣性

蘇宇喬，薛躍規(guī)*，范蓓蓓，莫佛艷，馮慧喆

(廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)院，廣西桂林 541006)

以廣西樂(lè)業(yè)流星天坑為研究對(duì)象，在流星天坑腰部與底部設(shè)置樣地，采用樣方法調(diào)查冠層樹(shù)種及林下植物群落；并用數(shù)量生態(tài)學(xué)的方法分析了天坑植物群落的組成、結(jié)構(gòu)與物種多樣性，探討其生境關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明：(1)在天坑調(diào)查的樣地中，胸徑大于10 cm的冠層樹(shù)種個(gè)體60株，隸屬于13科、17屬、18種，個(gè)體密度約為188株/hm2。林下植物種群共記錄到94株個(gè)體，隸屬于28科、38屬、43種，個(gè)體密度為23 500株/hm2。群落物種多樣性較豐富，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均較高；冠層樹(shù)種的科屬多樣性很高，體現(xiàn)出群落組成的古老和隔離性質(zhì)。(2)樟科是流星天坑植物群落的優(yōu)勢(shì)科，在群落冠層包含4個(gè)種14株個(gè)體，在林下包含3個(gè)種，7株個(gè)體，其中2種與群落冠層共有；群落的林下層含物種數(shù)較多的科包括大戟科(4種)、菊科(3種)、鳳尾蕨科(3種)、鱗毛蕨科(3種)，但天坑植物群落中種群水平的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象不明顯。(3)林下植物包含了各種生長(zhǎng)型，以灌木數(shù)量最多，禾草類(lèi)植物數(shù)量最少，喬木的幼苗也較少，體現(xiàn)出天坑的生境提供了較豐富的資源生態(tài)位，同時(shí)也表明喬木的幼苗更新不良。(4)流星天坑大樹(shù)數(shù)量比例高，在樣地中記錄到的60株個(gè)體中，最小胸徑為17.0 cm, 最大胸徑104.0 cm，胸徑> 30 cm的大樹(shù)共34株，占全部立木比例56.6%，體現(xiàn)出天坑森林群落的原始性并且未受到干擾破壞。(5)雙向指示種分析表明，廣西樂(lè)業(yè)天坑林下植物對(duì)生境的響應(yīng)更為敏感，但無(wú)論冠層還是林下層其現(xiàn)狀分布并不能完全把坑腰和坑底兩種生境分離。該研究結(jié)果為深入開(kāi)展天坑這種特殊生境下植物種群以及群落的發(fā)生、演替和生態(tài)適應(yīng)性的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

喀斯特天坑；植物群落；地理成分；物種多樣性；雙向指示種分析

特殊地貌或特殊生境下的植物群落及植物區(qū)系特征對(duì)于了解一個(gè)區(qū)域植被及植物群落的分布、演替、環(huán)境變遷以及植物的進(jìn)化均有著重要的意義[1]。天坑是近年來(lái)在喀斯特地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)深陷地表的負(fù)地形地質(zhì)奇觀(guān)，也稱(chēng)喀斯特天坑(karst Tiankeng)，在世界上僅見(jiàn)于少數(shù)幾個(gè)國(guó)家。在中國(guó)的重慶和廣西均發(fā)現(xiàn)大型天坑，而以廣西樂(lè)業(yè)發(fā)現(xiàn)的大型天坑群最為典型和壯觀(guān)[2-4]?？λ固靥炜拥陌l(fā)育同時(shí)也伴隨著植物的侵入。國(guó)外對(duì)近似于天坑的大型巖溶塌陷區(qū)(sinkhole或large doline)的研究表明，植物與環(huán)境發(fā)生長(zhǎng)期相互作用，經(jīng)歷定居、適應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)到形成穩(wěn)定的群落的一系列生態(tài)過(guò)程，形成了獨(dú)特的天坑植物群落[5-7]，分布于坑底的木本植物群落，則可稱(chēng)為天坑森林或“地下森林”。由于天坑多為垂直的塌陷，地形陡峭，人跡難至，從而客觀(guān)上使天坑植被避免了人類(lèi)活動(dòng)的影響，其植被現(xiàn)狀反映了自然的地質(zhì)和生態(tài)過(guò)程。也正因天坑生境的難達(dá)性，盡管目前有關(guān)單位已對(duì)樂(lè)業(yè)天坑群開(kāi)展了科學(xué)考察，但相關(guān)內(nèi)容主要集中于地質(zhì)考察和旅游探險(xiǎn)等方面，天坑植物資源方面的研究?jī)H見(jiàn)個(gè)別報(bào)道[8-9]，尚未見(jiàn)對(duì)天坑植被和植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性開(kāi)展系統(tǒng)的研究報(bào)道。本研究首次對(duì)廣西樂(lè)業(yè)流星天坑開(kāi)展植被和植物群落調(diào)查，分析流星天坑的植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，旨在為揭示天坑發(fā)育過(guò)程中，植物群落和植物區(qū)系學(xué)建成和演替規(guī)律提供材料。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西樂(lè)業(yè)天坑群位于樂(lè)業(yè)縣中北部，地處106°10′～106°51′E,24°30′～25°03′N(xiāo) 之間，屬云貴高原到廣西丘陵過(guò)渡的山原地帶。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候、云貴高原和南嶺暖濕氣候交錯(cuò)地帶，形成獨(dú)特的地方氣候特點(diǎn)[10]。該區(qū)地形地貌復(fù)雜，主要以巖溶地貌構(gòu)成的石山為主，其中既有巖溶地貌的峰叢洼地，也有大小有別、深淺各異且周壁常常較為陡峭的天坑溶洞，海拔在920～1 519 m之間，多為 1 000 m 以上。區(qū)內(nèi)地下河極為發(fā)達(dá), 水文地質(zhì)條件優(yōu)越。流星天坑深度290 m, 口部面積約1.488×105m2，在樂(lè)業(yè)天坑群中排名第二，僅次于大石圍天坑。

1.2 植物調(diào)查

在流星天坑的坑腰和坑底下選擇合適的地段設(shè)置樣地開(kāi)展植物調(diào)查?？紤]到地形和實(shí)際植被分布情況，坑腰和坑底分別調(diào)查4個(gè)樣方，每個(gè)樣方為400 m2, 正方形。整個(gè)流星天坑共調(diào)查了8個(gè)樣方，樣方總面積為3 200 m2，樣方編號(hào)P1～P8，其中前4個(gè)樣方為坑腰位置的樣方，后4個(gè)樣方為坑底樣方。對(duì)樣方內(nèi)≥10 cm的樹(shù)木個(gè)體進(jìn)行每木調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別鑒定種名，用圍尺測(cè)量胸徑(diameter at breast height, DBH), 用測(cè)高器((Suunto PM-5/1520, Finland))測(cè)定樹(shù)高。林下植被采用小樣方進(jìn)行調(diào)查，在每個(gè)400 m2的樣方中隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m2的小樣方，記錄小樣方內(nèi)的草本、灌木及喬木幼苗的多度和頻度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

野外調(diào)查數(shù)據(jù)在電腦中錄入電子表格后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算冠層樹(shù)種的重要值及冠層和林下植物群落樣方的多樣性指數(shù)、均勻度等指標(biāo)，并進(jìn)行雙向指示種分析(two-way indicator species analysis, TWINSPAN)。

(1)冠層樹(shù)種重要值

IV=RF+RA+RD

上式中，IV為重要值(Importance value)；RF為相對(duì)頻度(relative frequency)，即某個(gè)種出現(xiàn)的樣方數(shù)占全部中出現(xiàn)的總樣方數(shù)的百分比值；RA為相對(duì)多度；RD為相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(relative dominance)，對(duì)于樹(shù)種即為相對(duì)胸高斷面積。

(2)多樣性指數(shù)與均勻度

E=DSW/lnS

上述公式中，Dsw為香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index)；E為均勻度(Evenness)；S為物種數(shù)；Pi為第i種的相對(duì)多度，即Pi=ni/N，其中，ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)。

(3)雙向指示種分析

分別用冠層樹(shù)種和林下植物群落數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向指示種分析(TWINSPAN)，以探索群落物種組成及分布對(duì)生境異質(zhì)性的反映。TWINSPAN是一種經(jīng)典的群落分析方法和程序，分類(lèi)結(jié)果可反映群落與生境的關(guān)聯(lián)；本研究分別以對(duì)冠層樹(shù)種和林下植物數(shù)據(jù)表進(jìn)行TWINSPAN分析，通過(guò)觀(guān)察TWINSPAN分類(lèi)結(jié)果對(duì)坑腰和坑底兩種生境的分離程度，還可比較冠層樹(shù)種與林下植物的聯(lián)系及其對(duì)分類(lèi)結(jié)果的敏感性。

多樣性指標(biāo)及重要值采用生態(tài)學(xué)多元分析軟件包PC-ORD 6.0[11]來(lái)完成計(jì)算；TWINSPAN分析在統(tǒng)計(jì)軟件Community Analysis Package (CAP) 5.0[12]上運(yùn)行。另外，為直觀(guān)地了解冠層樹(shù)種的結(jié)構(gòu)特征，用軟件Statistica 8.0[13]對(duì)胸徑和樹(shù)高做出直方圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落的種類(lèi)組成

流星天坑樣地物種相對(duì)來(lái)說(shuō)很豐富。在群落冠層樹(shù)種中，記錄到60株個(gè)體包含了18個(gè)不同的物種，種上更高級(jí)別的分類(lèi)階層也很豐富，以單種屬、單種科占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(表1，表2)。從植物系統(tǒng)發(fā)育的角度看，越高級(jí)別的分類(lèi)群，其起源越是古老。流星天坑冠層的主要代表種有川釣樟(Linderapulcherrimavar.hemsleyana)、掌葉木(Handeliodendronbodinieri)、西南樺Betulaalnoides、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、臭椿(Ailanthusaltissima)和多脈鵝耳櫪(Carpinuspolyneura)等，這些均為重要和原始的木本屬，顯然流星天坑的樹(shù)種分類(lèi)群組成具備了古老和受到隔離而獨(dú)立分化的植物區(qū)系特征；盡管林下植物的組成中，屬種比、科種比，其數(shù)值相對(duì)較高，但仍具有相近的特征，即科屬均為寡種屬甚至是單種屬；同時(shí)，每公頃的個(gè)體密度也較高(表1，表3)。

群落冠層樹(shù)種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象不明顯，缺乏占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的單優(yōu)種，而科的豐富度較突出。以樟科(Lauraceae)優(yōu)勢(shì)度最大，它也是亞熱帶山地植被的優(yōu)勢(shì)科，在流星天坑樟科包含5個(gè)種。其余12個(gè)科中僅槭樹(shù)科包含2個(gè)種，其他均為單屬單種(表2)，科屬區(qū)系富多樣性、種群分化不明顯，而隔離性質(zhì)明顯。此外，區(qū)系成分的古老特征也較為明顯，除樟科外，其他如胡桃科(Juglandaceae)、山茱萸科(Cornaceae)等在系統(tǒng)分類(lèi)中也是比較古老的科。群落生態(tài)學(xué)特征方面，優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象并不明顯?？紤]重要值排序及胸面積大小，川釣樟、掌葉木、西南樺、南酸棗、臭椿和多脈鵝耳櫪等6個(gè)樹(shù)種為共優(yōu)勢(shì)種，而在亞熱帶山地常綠闊葉林群落中，通常會(huì)出現(xiàn)個(gè)體數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的單優(yōu)種或少數(shù)幾個(gè)共優(yōu)種。

表1 廣西樂(lè)業(yè)天坑植物分類(lèi)群豐富度與個(gè)體密度

表2 廣西樂(lè)業(yè)天坑群落冠層樹(shù)種組成及重要值

圖1 廣西樂(lè)業(yè)天坑樣地立木徑級(jí)分布直方圖Fig.1 Histogram showing tree diameter distribution

流星天坑林下植物的種類(lèi)組成及生長(zhǎng)型列于表3。林下植物包含了各種生長(zhǎng)型，以灌木的數(shù)量最多，禾草類(lèi)植物數(shù)量最少，喬木的幼苗也較少。這一方面體現(xiàn)出天坑的生境提供了較豐富的資源生態(tài)位，同時(shí)也表明喬木的幼苗更新不良，群落已處于演替的亞頂極階段。

2.2 群落結(jié)構(gòu)與物種多樣性

圖2 廣西樂(lè)業(yè)天坑樣地立木樹(shù)高分布直方圖Fig.2 Histogram showing tree height distribution

流星天坑大樹(shù)個(gè)體數(shù)量比例較高。在群落冠層，樣方調(diào)查中記錄到的60株個(gè)體中，最小胸徑為17.0 cm, 最大胸徑104.0 cm。胸徑大于30 cm的大樹(shù)共34株(圖1)，占全部立木比例56.6% 。由于立木的胸徑總體上與樹(shù)齡呈正相關(guān)，因此，立木的徑級(jí)分布體現(xiàn)了群落的原生性和古老性。樹(shù)高分布方面，高度≤10 m的立木32株，占比例53.4%(圖2)；總體來(lái)說(shuō)，沒(méi)有特別高的樹(shù)，最高的一株樹(shù)為24.0 m，考慮到立木胸徑普遍較大，是否由于天坑特殊的生境限制了樹(shù)高的生長(zhǎng)，有待開(kāi)展深入的研究分析。

在物種多樣性指標(biāo)方面，無(wú)論是群落冠層還是林下，物種的種群分布均具有很高的均勻度。樣方4中的群落冠層植物組成及樣方5和6中的林下植物組成其均勻度達(dá)到最大值(表4)。由于均勻度高，因此，香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)也比較高，這點(diǎn)與前述對(duì)樣地物種分類(lèi)群組成及個(gè)體分布的直觀(guān)分析相吻合。

表3 廣西樂(lè)業(yè)天坑群落林下植物組成

表4 廣西樂(lè)業(yè)天坑樣方單元植物物種多樣性

P1～P4. 坑腰位置樣方；P5～P8. 坑底位置樣方圖3 廣西樂(lè)業(yè)天坑基于冠層樹(shù)種多度的雙向指示種分析P1 to P4 represent plots at the middle, while P5 to P8 represent plots at the bottom of TiankengFig.3 Two-way indicator species analysis (TWINSPAN) based on canopy tree abundance

2.3 群落的空間關(guān)聯(lián)

P1～P4. 坑腰位置樣方；P5～P8. 坑底位置樣方圖4 廣西樂(lè)業(yè)天坑基于林下植物多度的雙向指示種分析P1 to P4 represent plots at the middle, while P5 to P8 represent plots at the bottom of TiankengFig.4 Two-way indicator species analysis (TWINSPAN) based on understory plant abundance

雙向指示種分析(TWINSPAN)是植物群落分類(lèi)的經(jīng)典方法，可生成與聚類(lèi)分析類(lèi)似的樹(shù)狀圖作為群落劃分的結(jié)果。因而，可根據(jù)TWINSPAN分類(lèi)結(jié)果，結(jié)合生境類(lèi)型，評(píng)價(jià)植物群落的劃分與特定生境的匹配程度及敏感性。在流星天坑所調(diào)查的各個(gè)樣方中。P1～P4為坑腰位置的樣方，P5～8為坑底位置的樣方。坑腰和坑底環(huán)境條件無(wú)論是海拔、光照、溫濕度等都不一樣，如果TWINSPAN分析能把坑腰與坑底分開(kāi)，說(shuō)明群落的生境特異性高，其分離程度體現(xiàn)了植物群落對(duì)生境的響應(yīng)。圖3和圖4表明，無(wú)論是基于群落冠層的數(shù)據(jù)表還是林下植物數(shù)據(jù)表所做的TWINSPAN分析，對(duì)坑腰和坑底兩種生境的分離均不理想，但與群落冠層相比較，林下植物對(duì)生境的分離程度和敏感性更高(圖4)。

3 討 論

流星天坑植物群落物種多樣性較豐富，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均較高；同時(shí)冠層樹(shù)種的科屬多樣性很高，體現(xiàn)出群落組成的古老性和隔離性質(zhì)。在調(diào)查的樣地中，胸徑大于10 cm的冠層樹(shù)種個(gè)體60株，隸屬于13科、17屬、18種，個(gè)體密度約為188株/hm2。林下植物群落共記錄到94株個(gè)體，隸屬于28科、38屬、43種，個(gè)體密度為23 500株/hm2。天坑植物群落中種群水平的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象不明顯，但在科級(jí)水平上，存在較明顯的區(qū)系優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象。樟科是華南亞熱帶山地植被的優(yōu)勢(shì)科，同時(shí)本項(xiàng)研究顯示該科也是流星天坑植物群落的優(yōu)勢(shì)科，在冠層植物群落中包含4個(gè)種14株個(gè)體，在林下植物群落中包含3個(gè)種，7株個(gè)體，其中2種與群落冠層組成共有。群落中林下植物含物種數(shù)較多的科包括大戟科(4種)、菊科(3種)、鳳尾蕨科(3種)、鱗毛蕨科(3種)。林下植物包含了各種生長(zhǎng)型，以灌木數(shù)量最多，禾草類(lèi)植物數(shù)量最少，喬木的幼苗也較少。這一方面體現(xiàn)出天坑的生境提供了較豐富的資源生態(tài)位，同時(shí)也表明喬木的幼苗更新不良。

群落結(jié)構(gòu)方面，流星天坑大樹(shù)個(gè)體數(shù)量比例高。胸徑大于30 cm的大樹(shù)共34株，占全部立木比例56.6%，體現(xiàn)出天坑森林群落的原始性并且未受到干擾破壞。雙向指示種分析(TWINSPAN)表明，林下植物對(duì)生境的響應(yīng)更為敏感，但無(wú)論冠層還是林下植物群落，其現(xiàn)狀分布均不能完全把坑腰和坑底兩種生境分離。這些結(jié)果可為深入開(kāi)展喀斯特天坑植物種群與生境的關(guān)聯(lián)、以及植物群落、植被類(lèi)型的發(fā)生、演替和生態(tài)適應(yīng)性的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

雖然天坑植物區(qū)系具有古老和隔離的性質(zhì)，但對(duì)照《廣西植物名錄》及本地區(qū)系的特征[14, 15]，流星天坑樣地的組成植物并沒(méi)有出現(xiàn)獨(dú)特的特有現(xiàn)象，所有物種均與廣西植物區(qū)系共通，由此可以推斷，天坑植物區(qū)系并不是獨(dú)立發(fā)生的，它來(lái)自廣西植物區(qū)系。目前一般認(rèn)為，廣西樂(lè)業(yè)天坑形成于約6 500萬(wàn)年前[16]，而維管植物區(qū)系的形成要遠(yuǎn)早于天坑的形成[17]，只是由于天坑的形成，其植物區(qū)系和植被在隔離的狀態(tài)下生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，由于廣西的地貌特征總體來(lái)說(shuō)是山地丘陵性盆地地貌，呈盆地狀，且喀斯特地貌廣布，占廣西總面積的41%[18]，因此土壤侵蝕和石漠化嚴(yán)重。而研究已經(jīng)表明，在巖溶喀斯特地區(qū)由于人類(lèi)活動(dòng)包括農(nóng)業(yè)、牧業(yè)及森林砍伐的影響[19, 20]，不少喀斯特地區(qū)地面部分森林植被均已退化或不復(fù)存在。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，廣西喀斯特天坑成為廣西本地植被和植物區(qū)系，尤其是石灰?guī)r植物區(qū)系的“現(xiàn)代避難所”。

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(編輯:潘新社)

Plant Community Structure and Species Diversity in Liuxing Tiankeng of Guangxi

SU Yuqiao, XUE Yuegui*, FAN Beibei, MO Foyan, FENG Huizhe

(College of Life Sciences, Guangxi Normal University, Guilin, Guangxi 541006, China)

A field survey was carried out in the Liuxing Tiankeng of Leye, Guangxi, to collect plant community data. Sampling plots were set up using quadrat method at the middle and the bottom of Liuxing Tiankeng for the census of canopy trees and understory plant community. Species composition, community structure, and diversity were analyzed using quantitative ecology methods and the species-habitat association was explored. The results are as follows， (1) 60 canopy trees with a diameter at breast height (DBH) = 10 cm were found from the sampling plot, which belonged to 13 families, 17 genera, and 18 species, and the stem density was ≈188 plant/hm2. In the understory layer, 94 plant individuals of 43 species from 28 families and 38 genera were recorded, and the stem density was 23 500 plant/hm2. The species diversity in the community was rich, and Shannon-Wiener diversity index and evenness index was relative high. The family- and generic-level diversity of canopy trees was very high, reflecting the ancient and isolated nature in the community composition. (2) The dominant family was Lauraceae in Liuxing Tiankeng, which consisted of 4 species and 14 individuals in the canopy layer; while in the understory, it comprised 3 species and 7 individuals, of which 2 species were shared by the canopy layer. Families dominant in the understory layer with rich species were Euphorbiaceae (4 species), Compositae (3 species), Pteridaceae (3 species), and Dryopteridaceae (3 species). However, the species-level dominance was not obvious in the Tiankeng plant community. (3) The plant community in the understory layer encompassed various growth forms, with the majority of shrubs, the least of graminoids, and the less abundant tree seedlings, reflecting that the habitat in Liuxing Tiankeng provided abundant resource niches, and that the trees could not regenerate well with seedlings and saplings. (4) A high percentage of large trees existed in Liuxing Tiankeng. Of the 60 trees recorded, tree DBH ranged from 17.0 cm to 104.0 cm, with 34 trees having > 30 cm DBH, accounting for 56.6% of all the trees. These findings showed that Tiankeng forest community was primitive and free from human disturbance. (5) Two-way indicator species analysis (TWINSPAN) showed that plant community in the understory layer was more sensitive in response to habitat heterogeneity. However, none of the existing distribution in the canopy and understory layer could entirely separate the habitats at the middle and the bottom of Liuxing Tiankeng. These results will provide the baseline data and theoretical basis for further research on the occurrence, succession, and ecological adaptation of the plant communities in the karst Tiankengs with such special habitats.

Karst Tiankeng; plant community; geographic element; species diversity; TWINSPAN

1000-4025(2016)11-2300-07

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.11.2300

2016-08-27;修改稿收到日期:2016-11-03

國(guó)家自然科學(xué)基金 (31260113)

蘇宇喬(1991 -)，男，碩士研究生，從事野生植物資源生態(tài)保護(hù)研究。E-mail: yqsu_2015@163.com

*通信作者:薛躍規(guī)，博士，教授，從事植物分類(lèi)和植物區(qū)系研究。E-mail: xueyuegui@126.com

Q948.15+7

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