大圍山典型群落土壤養(yǎng)分與物種多樣性相關(guān)性分析

譚淑端，楊雨婷，陳 濱，文 龍，劉浩波

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

大圍山典型群落土壤養(yǎng)分與物種多樣性相關(guān)性分析

譚淑端，楊雨婷，陳 濱，文 龍，劉浩波*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

對(duì)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(shù)、土壤養(yǎng)分及其相互關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，1)物種多樣性指數(shù)呈原始次生林>高山草甸>人工桃林；2)3個(gè)典型群落的表層土壤營(yíng)養(yǎng)成分較深層土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量高，3個(gè)典型群落的土壤營(yíng)養(yǎng)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(shù)僅與土壤鉀有相關(guān)性，與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關(guān)，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關(guān)。幸普森多樣性指數(shù)與群落類型有顯著相關(guān)性。

大圍山； 典型群落； 土壤養(yǎng)分； 物種多樣性

湖南瀏陽(yáng)大圍山位于湖南省瀏陽(yáng)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(guó)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(yíng)養(yǎng)成分成一定關(guān)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(yǎng)分含量更高；土壤養(yǎng)分含量越高，則植物生長(zhǎng)越繁茂，也有助于植物發(fā)育繁殖。土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的含量是關(guān)系植被數(shù)量和群落物種多樣性的關(guān)鍵性因素之一，且土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況反過(guò)來(lái)會(huì)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(jī)取樣方法，調(diào)查分析了大圍山3個(gè)典型群落的物種多樣性指數(shù)；采集了典型植被群落土壤，并測(cè)定了土壤中主要營(yíng)養(yǎng)元素含量；分析了土壤中各營(yíng)養(yǎng)成分與物種多樣性指數(shù)的相關(guān)性。研究結(jié)果有助于探明大圍山3個(gè)典型群落的物種豐富度，明確大圍山典型群落土壤基本營(yíng)養(yǎng)成分，掌握植物群落類型與土壤營(yíng)養(yǎng)成分的關(guān)系，為大圍山群落的植被保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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(jiàn)表1。

表1 典型群落的樣點(diǎn)

取樣位置編號(hào)經(jīng)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(qū)，其土質(zhì)有明顯的腐殖質(zhì)積聚，腐殖質(zhì)層厚8～20 cm，呈灰棕至黑褐色粒狀-扁核狀結(jié)構(gòu)，表層由草根交織成軟韌的草皮層。有機(jī)質(zhì)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(jīng)過(guò)多次不合理采伐和破壞后自然形成的森林，在涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候和維持生態(tài)平衡等方面均起重要作用。取點(diǎn)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(qū)典型的群落帶。

人工桃林是人工種植、營(yíng)造和培育而成。采點(diǎn)為大圍山海拔720 m左右的釣魚(yú)山莊的人工經(jīng)濟(jì)桃林。

1.2 研究?jī)?nèi)容和分析方法

運(yùn)用樣方法實(shí)地測(cè)定以上3個(gè)典型群落帶的物種多度、蓋度、頻度、高度，然后計(jì)算出辛普森多樣性指數(shù)(D)、香農(nóng)-威納指數(shù)(H)和香農(nóng)均衡度指數(shù)(E)。采用實(shí)地調(diào)查隨機(jī)取點(diǎn)，取點(diǎn)位置盡量選取坡度相對(duì)平緩、坡向一致的點(diǎn)，然后統(tǒng)計(jì)物種種數(shù)和各物種個(gè)體數(shù)量。

具體步驟。1)確定取樣的典型群落帶，根據(jù)前期的調(diào)查分析，決定選取高山草甸，原始次生林，人工桃林3個(gè)典型群落帶進(jìn)行調(diào)查分析。2)運(yùn)用GPS測(cè)定每個(gè)樣方的經(jīng)緯度和海拔高度。3)按隨機(jī)取點(diǎn)方式，在高山草甸帶取3個(gè)1 m×1 m的樣方，原始次生林取3個(gè)15 m×15 m的樣方，在人工桃林取3個(gè)15 m×15 m的樣方。4)在各個(gè)樣方點(diǎn)內(nèi)測(cè)定好物種種數(shù)，各物種數(shù)量。5)指標(biāo)計(jì)算。

E=H/lnS。

式中，Pi為種i的重要值，S為物種數(shù)目。

在3個(gè)植物群落里隨機(jī)均勻選取3個(gè)坡度朝向相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)作為土壤取樣點(diǎn)。用GPS測(cè)定每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度，記錄海拔高度。用取土器分別采集每個(gè)點(diǎn)的表層0～15 cm 和深層15～30 cm土樣，裝袋，標(biāo)簽，備用。將取回來(lái)的土樣進(jìn)行風(fēng)干錘碎，風(fēng)干后過(guò)100目篩，裝袋，貼標(biāo)簽備用。

采用國(guó)標(biāo)GB 7173—87森林土壤指標(biāo)測(cè)定方法測(cè)定土壤全氮、全磷和全鉀。采用國(guó)標(biāo)GB 9834—88土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定方法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

運(yùn)用Excel 2010對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析及相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 物種多樣性

如圖1所示，無(wú)論是辛普森指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)還是均衡度指數(shù)，原始次生林的植物多樣性較人工林和高山草甸都更好。說(shuō)明大圍山原始次生林植物種類，各植物種類均衡度都相對(duì)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(shù)略低，物種無(wú)論在豐度和多度上都沒(méi)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(shù)較低。根據(jù)實(shí)地調(diào)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(fēng)大，溫度低，紫外線照射強(qiáng)，喬木難以生長(zhǎng)，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(dǎo)地位，其余植物種類少，競(jìng)爭(zhēng)性不高，生存能力也沒(méi)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(dǎo)，相對(duì)好的環(huán)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(jīng)濟(jì)作物桃樹(shù)，因此植物單一性強(qiáng)，主要為桃樹(shù)，幾乎無(wú)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(duì)多度都不高，物種多樣性指數(shù)也較低。

圖1 典型群落帶不同物種多樣性指數(shù)比較

從圖1可以看出，3個(gè)典型群落物種多樣性指數(shù)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(guī)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(qū)域相對(duì)優(yōu)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(shù)據(jù)30%～40%的變差。邢韶華等[8]對(duì)

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

2.2 土壤營(yíng)養(yǎng)元素

從表2可知，有機(jī)質(zhì)、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(jī)質(zhì)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(duì)含量較高。由表2和調(diào)查數(shù)據(jù)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(gè)群落帶的表層土(0～15 cm)基本養(yǎng)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(qiáng)，植物與土壤交換多，活躍性較高，深層的營(yíng)養(yǎng)成分由上層傳遞下去，因此深層土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量則相對(duì)較低，符合營(yíng)養(yǎng)成分遞減規(guī)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(fù)雜[11-12]。因此，高山草甸的有機(jī)質(zhì)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(yíng)養(yǎng)成分

群落類型土層/cm含量/(g·kg-1)有機(jī)質(zhì)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(yǎng)分與物種多樣性指數(shù)的相關(guān)性

表3反映了不同群落不同土層營(yíng)養(yǎng)成分之間以及與物種多樣性指數(shù)的相關(guān)性。群落類型與土壤養(yǎng)分相關(guān)性明顯。0～15 cm土層有機(jī)質(zhì)與全氮、全磷呈極顯著相關(guān)性，與全鉀呈顯著相關(guān)性；全氮與全磷呈極顯著相關(guān)。15～30 cm土層有機(jī)質(zhì)與0～15 cm土層有機(jī)質(zhì)和全鉀存在顯著相關(guān)；15～30 cm土層全氮與0～15 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀呈極顯著相關(guān)，與0～15 cm土層全磷和15～30 cm 土層有機(jī)質(zhì)呈顯著相關(guān)。15～30 cm土層的全磷與0～15 cm有機(jī)質(zhì)，全氮，全磷及15～30 cm有機(jī)質(zhì)全氮呈極顯著相關(guān)；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(guān)，與15～30 cm全磷呈顯著相關(guān)；群落物種的幸普森多樣性指數(shù)僅與土壤鉀有相關(guān)性，與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關(guān)，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關(guān)。香農(nóng)威納指數(shù)僅與15～30 cm全鉀和幸普森多樣性指數(shù)呈顯著相關(guān)。香農(nóng)均衡度指數(shù)與15～30 cm全鉀、幸普森多樣性指數(shù)以及香農(nóng)威納指數(shù)呈極顯著相關(guān)。群落類型與0～15 cm土壤有機(jī)質(zhì)、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(shù)呈極顯著相關(guān)。

表3 土壤營(yíng)養(yǎng)成分與物種多樣性指數(shù)的相關(guān)性

指標(biāo)土層/cm0～15cm15～30cm有機(jī)質(zhì)全氮全磷全鉀有機(jī)質(zhì)全氮全磷全鉀DHE群落類型有機(jī)質(zhì)0～151000全氮0～150854??1000全磷0～150915??0887??1000全鉀0～15-0672?-0574-05541000有機(jī)質(zhì)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(guān)。

3 小結(jié)與討論

張繼平等[13]的研究表明，土壤養(yǎng)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(jī)碳、全氮、全磷具有垂直變異特征。通過(guò)比較分析大圍山典型群落的物種多樣性指數(shù)和土壤養(yǎng)分及其相互關(guān)系，得出以下主要結(jié)論。1) 物種多樣性指數(shù)呈如下規(guī)律，原始次生林 >高山草甸>人工桃林。表明物種多樣性指數(shù)與群落類型有關(guān)，群落物種組成越豐富、群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，多樣性指數(shù)則越高。此外，人為干擾、生境的異質(zhì)性等都會(huì)對(duì)物種多樣性產(chǎn)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(yǎng)分。2)3個(gè)典型群落的表層和深層土壤養(yǎng)分成一定的規(guī)律分布，表層土壤養(yǎng)分較深層的含量高，可能與隨著土層深度的增加養(yǎng)分的聚集效應(yīng)降低相關(guān)[16]。比較3個(gè)典型群落的土壤營(yíng)養(yǎng)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(duì)高山草甸來(lái)說(shuō)活躍度較高，流動(dòng)性較大，不如高山草甸能對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行很好的固定。此外，草本和灌木新陳代謝快，更新?lián)Q代時(shí)間短，高山草甸生長(zhǎng)在相對(duì)高海拔，溫度低，低溫可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，因此高山草甸的土壤養(yǎng)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(shù)僅與土壤鉀有相關(guān)性。與0～15 cm土壤鉀含量呈顯著相關(guān)，與15～30 cm土壤的全鉀呈極顯著相關(guān)。幸普森多樣性指數(shù)與群落類型有顯著相關(guān)性。

根據(jù)大圍山自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)目標(biāo)，開(kāi)發(fā)保護(hù)現(xiàn)狀，以及土壤養(yǎng)分與植物多樣性的相關(guān)性，提出以下一些恢復(fù)和保護(hù)建議：1)加強(qiáng)管理，提高大圍山森林公園工作人員的專業(yè)素養(yǎng)和科研素質(zhì)，防止濫砍濫伐，加大對(duì)不同群落植被資源和生境的保護(hù)；2)正確處理大圍山的旅游開(kāi)發(fā)和資源保護(hù)關(guān)系，只有保護(hù)大圍山的森林植被資源和環(huán)境，才能實(shí)現(xiàn)大圍山旅游的可持續(xù)發(fā)展；3)定期對(duì)大圍山的土壤和植被情況進(jìn)行調(diào)查，以期對(duì)大圍山的環(huán)境資源狀況有更深入的了解，為合理高效地利用保護(hù)大圍山植被群落，土壤環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境提供理論支撐。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2017-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(31400339)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M542113)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年科學(xué)基金(15B113)

譚淑端(1979—)，女，湖南衡東人，副教授，博士，從事生態(tài)學(xué)科學(xué)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(xiàn)著錄格式：譚淑端，楊雨婷，陳濱，等. 大圍山典型群落土壤養(yǎng)分與物種多樣性相關(guān)性分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(5)：887-891.