大圍山典型群落土壤養分與物種多樣性相關性分析

譚淑端，楊雨婷，陳 濱，文 龍，劉浩波

(湖南農業大學 生物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

大圍山典型群落土壤養分與物種多樣性相關性分析

譚淑端，楊雨婷，陳 濱，文 龍，劉浩波*

(湖南農業大學 生物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

對大圍山典型群落，即高山草甸，原始次生林和人工桃林的物種多樣性指數、土壤養分及其相互關系進行了分析，結果表明，1)物種多樣性指數呈原始次生林>高山草甸>人工桃林；2)3個典型群落的表層土壤營養成分較深層土壤營養成分含量高，3個典型群落的土壤營養成分含量依次為高山草甸>原始次生林>人工桃林；3)群落物種的幸普森多樣性指數僅與土壤鉀有相關性，與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關。幸普森多樣性指數與群落類型有顯著相關性。

大圍山； 典型群落； 土壤養分； 物種多樣性

湖南瀏陽大圍山位于湖南省瀏陽市的東北部，處在湘東幕阜山和羅霄山接壤地帶的大圍山支脈，是重要的旅游勝地和國家森林公園，具有明顯的垂直植被帶分布特征。由山下到山頂依次分為人工林，原始次生林，亞高山灌木(杜鵑)和高山草甸，植被豐富[1-3]。

植物多樣性與土壤基本營養成分成一定關系，二者相輔相成，相互作用，相互影響[4-6]。植物多樣性越高，土壤養分含量更高；土壤養分含量越高，則植物生長越繁茂，也有助于植物發育繁殖。土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀的含量是關系植被數量和群落物種多樣性的關鍵性因素之一，且土壤的營養狀況反過來會影響植被群落的物種多樣性[4]。研究表明，不同群落的物種多樣性受地理梯度、海拔梯度和群落演替等因素的影響[7-8]。

本研究采用隨機取樣方法，調查分析了大圍山3個典型群落的物種多樣性指數；采集了典型植被群落土壤，并測定了土壤中主要營養元素含量；分析了土壤中各營養成分與物種多樣性指數的相關性。研究結果有助于探明大圍山3個典型群落的物種豐富度，明確大圍山典型群落土壤基本營養成分，掌握植物群落類型與土壤營養成分的關系，為大圍山群落的植被保護和生態環境保護提供一定的理論依據和指導。

1 樣地描述和研究方法

1.1 樣地描述

本研究選取大圍山典型植物群落分別為高山草甸，原始次生林和人工桃林，海拔高度由上到下依次遞減。群落樣方的具體情況見表1。

表1 典型群落的樣點

取樣位置編號經度緯度海拔高度/m高山草甸1114°09205′28°26124′15072114°09205′28°26127′14963114°09200′28°26122′1505原始次生林1114°05853′28°25243′13732114°05859′28°25250′13743114°05864′28°25265′1364人工桃林1114°03766′28°24996′7242114°03769′28°24998′7263114°03762′28°24993′719

高山草甸群落位于大圍山海拔1 500 m左右的地區，其土質有明顯的腐殖質積聚，腐殖質層厚8～20 cm，呈灰棕至黑褐色粒狀-扁核狀結構，表層由草根交織成軟韌的草皮層。有機質含量豐富。主要以草甸和低矮灌木為主，植物覆蓋率比較高。

原始次生林經過多次不合理采伐和破壞后自然形成的森林，在涵養水源、保持水土、調節氣候和維持生態平衡等方面均起重要作用。取點位置為大圍山1 350 m左右的原始次生竹林。此位置竹林覆蓋率非常高，是大圍山地區典型的群落帶。

人工桃林是人工種植、營造和培育而成。采點為大圍山海拔720 m左右的釣魚山莊的人工經濟桃林。

1.2 研究內容和分析方法

運用樣方法實地測定以上3個典型群落帶的物種多度、蓋度、頻度、高度，然后計算出辛普森多樣性指數(D)、香農-威納指數(H)和香農均衡度指數(E)。采用實地調查隨機取點，取點位置盡量選取坡度相對平緩、坡向一致的點，然后統計物種種數和各物種個體數量。

具體步驟。1)確定取樣的典型群落帶，根據前期的調查分析，決定選取高山草甸，原始次生林，人工桃林3個典型群落帶進行調查分析。2)運用GPS測定每個樣方的經緯度和海拔高度。3)按隨機取點方式，在高山草甸帶取3個1 m×1 m的樣方，原始次生林取3個15 m×15 m的樣方，在人工桃林取3個15 m×15 m的樣方。4)在各個樣方點內測定好物種種數，各物種數量。5)指標計算。

E=H/lnS。

式中，Pi為種i的重要值，S為物種數目。

在3個植物群落里隨機均勻選取3個坡度朝向相當的點作為土壤取樣點。用GPS測定每個點的經緯度，記錄海拔高度。用取土器分別采集每個點的表層0～15 cm 和深層15～30 cm土樣，裝袋，標簽，備用。將取回來的土樣進行風干錘碎，風干后過100目篩，裝袋，貼標簽備用。

采用國標GB 7173—87森林土壤指標測定方法測定土壤全氮、全磷和全鉀。采用國標GB 9834—88土壤有機質測定方法測定土壤有機質。

1.3 數據分析方法

運用Excel 2010對原始數據進行處理，運用SPSS 16.0對數據進行數據方差分析及相關分析。

2 結果與分析

2.1 物種多樣性

如圖1所示，無論是辛普森指數、香農-威納指數還是均衡度指數，原始次生林的植物多樣性較人工林和高山草甸都更好。說明大圍山原始次生林植物種類，各植物種類均衡度都相對較高，分布較為均勻，物種豐富。高山草甸帶由于地處高海拔，氣候等原因使得其物種的多樣性指數略低，物種無論在豐度和多度上都沒有原始次生林豐富。人工桃林受人為干擾因素影響，群落完整性有一定缺失，物種多樣性和物種均衡度以及豐富度指數較低。根據實地調查，高山草甸主要以灌木和草本植物為主，在山峰頂部或陡坡處，受地形影響，高山風大，溫度低，紫外線照射強，喬木難以生長，植物群落以莎草、荻等組成的灌叢草甸為主，其中莎草、芒草、荻、雙穗雀稗等草本植物占該群落主導地位，其余植物種類少，競爭性不高，生存能力也沒有這些草本植物好；大圍山的原始次生林則主要是以毛竹為主導，相對好的環境使得該群落灌木和草本植物繁盛，與喬木共存，所以該群落帶植物種類多并且分布較為均勻；人工桃林由于由人工種植經濟作物桃樹，因此植物單一性強，主要為桃樹，幾乎無其他喬木，夾雜一些低矮的灌木和草本植物，物種豐富度和相對多度都不高，物種多樣性指數也較低。

圖1 典型群落帶不同物種多樣性指數比較

從圖1可以看出，3個典型群落物種多樣性指數大小依次為原始次生林>高山草甸>人工桃林。這樣的植物多樣性分布規律符合中間高度膨脹型，即植物群落物種多樣性在中等海拔高度最大[9]。朱源等[10]研究表明，中海拔區域相對優越的氣候水熱條件維持高的物種豐富度，且表明海拔一般能解釋原始數據30%～40%的變差。邢韶華等[8]對

北京山地植物多樣性的海拔梯度變化規律研究表明，物種多樣性指數和豐富度指數均在海拔梯度上存在一個拋物線狀的分布規律。

2.2 土壤營養元素

從表2可知，有機質、全氮和全磷含量以高山草甸最高，人工桃林含量較低。隨海拔高度的升高，有機質含量、全氮和全磷含量遞增。全鉀在高山草甸和原始次生林的含量幾乎一致，而人工桃林相對含量較高。由表2和調查數據分析可知，由于人工澆灌和施用了鉀肥，因此，人工桃林的鉀含量較高。其次，3個群落帶的表層土(0～15 cm)基本養分含量都高于深層土(15～30 cm)。這是由于上層土壤生物活性強，植物與土壤交換多，活躍性較高，深層的營養成分由上層傳遞下去，因此深層土壤營養成分含量則相對較低，符合營養成分遞減規律[5,7]。森林群落中的喬木根系分布到土壤的深層，草本植物的根系則大多分布在土壤的表層。草本群落的地下分層比地上分層更為復雜[11-12]。因此，高山草甸的有機質含量大于原始次生林和人工桃林。

表2 典型群落不同土層土壤營養成分

群落類型土層/cm含量/(g·kg-1)有機質全氮全磷全鉀高山草甸0～151063±121196±002107±000315±01015～30556±046160±002088±000324±003原始次生林0～15516±128152±001049±000326±00415～30357±060134±001056±000312±003人工桃林0～15365±050133±001039±001411±04415～30297±000090±001038±001423±014

2.3 土壤養分與物種多樣性指數的相關性

表3反映了不同群落不同土層營養成分之間以及與物種多樣性指數的相關性。群落類型與土壤養分相關性明顯。0～15 cm土層有機質與全氮、全磷呈極顯著相關性，與全鉀呈顯著相關性；全氮與全磷呈極顯著相關。15～30 cm土層有機質與0～15 cm土層有機質和全鉀存在顯著相關；15～30 cm土層全氮與0～15 cm土層有機質、全氮和全鉀呈極顯著相關，與0～15 cm土層全磷和15～30 cm 土層有機質呈顯著相關。15～30 cm土層的全磷與0～15 cm有機質，全氮，全磷及15～30 cm有機質全氮呈極顯著相關；15～30 cm土層的全鉀與0～15 cm的全鉀和15～30 cm全氮呈極顯著相關，與15～30 cm全磷呈顯著相關；群落物種的幸普森多樣性指數僅與土壤鉀有相關性，與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關。香農威納指數僅與15～30 cm全鉀和幸普森多樣性指數呈顯著相關。香農均衡度指數與15～30 cm全鉀、幸普森多樣性指數以及香農威納指數呈極顯著相關。群落類型與0～15 cm土壤有機質、全氮、全磷、全鉀，15～30 cm土壤全氮、全磷、全鉀以及幸普森多樣性指數呈極顯著相關。

表3 土壤營養成分與物種多樣性指數的相關性

指標土層/cm0～15cm15～30cm有機質全氮全磷全鉀有機質全氮全磷全鉀DHE群落類型有機質0～151000全氮0～150854??1000全磷0～150915??0887??1000全鉀0～15-0672?-0574-05541000有機質15～300748?06420594-0680?1000全氮15～300855??0826??0761?-0864??0760?1000全磷15～300940??0903??0895??-0740?0839??0909??1000全鉀15～30-0576-0598-05150921??-0455-0844??-0667?1000D—028303870297-0738?018706190428-0918??1000H—-01120043-0127-0488-008803260059-0721?-0721?1000E—025903470207-0733?018206470391-0915??-0915??0922??1000群落類型—-0913??-0898??-0906??0820??-0694?-0939??-0956??0808??0808??-0229-05581000

注：*，**分別為0.05和0.01水平顯著相關。

3 小結與討論

張繼平等[13]的研究表明，土壤養分的空間分布存在海拔梯度特征。李丹維等[14]研究表明，土壤有機碳、全氮、全磷具有垂直變異特征。通過比較分析大圍山典型群落的物種多樣性指數和土壤養分及其相互關系，得出以下主要結論。1) 物種多樣性指數呈如下規律，原始次生林 >高山草甸>人工桃林。表明物種多樣性指數與群落類型有關，群落物種組成越豐富、群落的結構越復雜，多樣性指數則越高。此外，人為干擾、生境的異質性等都會對物種多樣性產生一定的影響。郭二輝等[15]的研究表明，河岸帶植被類型影響土壤養分。2)3個典型群落的表層和深層土壤養分成一定的規律分布，表層土壤養分較深層的含量高，可能與隨著土層深度的增加養分的聚集效應降低相關[16]。比較3個典型群落的土壤營養成分表明，高山草甸>原始次生林>人工桃林，可能原始次生林相對高山草甸來說活躍度較高，流動性較大，不如高山草甸能對有機質進行很好的固定。此外，草本和灌木新陳代謝快，更新換代時間短，高山草甸生長在相對高海拔，溫度低，低溫可以促進土壤有機碳的積累，因此高山草甸的土壤養分含量比原始次生林高[14-15]。3)群落物種的幸普森多樣性指數僅與土壤鉀有相關性。與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關。幸普森多樣性指數與群落類型有顯著相關性。

根據大圍山自然保護區的建設目標，開發保護現狀，以及土壤養分與植物多樣性的相關性，提出以下一些恢復和保護建議：1)加強管理，提高大圍山森林公園工作人員的專業素養和科研素質，防止濫砍濫伐，加大對不同群落植被資源和生境的保護；2)正確處理大圍山的旅游開發和資源保護關系，只有保護大圍山的森林植被資源和環境，才能實現大圍山旅游的可持續發展；3)定期對大圍山的土壤和植被情況進行調查，以期對大圍山的環境資源狀況有更深入的了解，為合理高效地利用保護大圍山植被群落，土壤環境以及生態環境提供理論支撐。

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(責任編輯：張瑞麟)

2017-03-09

國家自然科學基金(31400339)；中國博士后科學基金(2013M542113)；湖南省教育廳優秀青年科學基金(15B113)

譚淑端(1979—)，女，湖南衡東人，副教授，博士，從事生態學科學研究工作，E-mail：tanshuduan@163.com。

，劉浩波，E-mail：1013758287@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170552

S688

A

0528-9017(2017)05-0887-04

文獻著錄格式：譚淑端，楊雨婷，陳濱，等. 大圍山典型群落土壤養分與物種多樣性相關性分析[J].浙江農業科學，2017，58(5)：887-891.