基于CurveExpert的謝家店植物群落物種多樣性與土壤濕度相關(guān)性分析

胡翠華 劉守江

摘 要：在地震重災(zāi)區(qū)彭州謝家店恢復(fù)植物群落樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用CurveExpert軟件對群落物種多樣性與土壤濕度之間進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明：（1）物種數(shù)多樣性與土壤濕度間線性相關(guān)系數(shù)為0.62，二次多項(xiàng)式相關(guān)系數(shù)為0.81，兩者相關(guān)性較顯著;（2）植株數(shù)與土壤濕度間的線性相關(guān)系數(shù)為0.62，相關(guān)性也比較顯著;（3）物種α多樣性4個(gè)指數(shù)與土壤濕度間總體相關(guān)性不夠顯著，最大值0.45，最小值0.06，平均相關(guān)系數(shù)0.27;與土壤濕度間相關(guān)性大小順序：E（Pielou）>Ma（Marglef）>D（Simpson）>H`（Shannon-Weiner），其中前兩者呈中等正相關(guān)，后兩者呈弱正相關(guān)。土壤濕度對群落樣方中的物種數(shù)、植株數(shù)具有比較顯著的影響，對E、Ma指數(shù)呈中等程度影響，而對D、H`指數(shù)影響極小。說明在災(zāi)變脅迫區(qū)植物群落恢復(fù)過程中，土壤濕度因子對群落的穩(wěn)定起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：物種多樣性;土壤濕度;相關(guān)性;曲線大師;謝家店

中圖分類號 Q948/S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）18-0019-05

Correlation Analysis between Species Diversity and Soil Moisture of Plant Community in Xiejiadian Based on CurveExpert

HU Cuihua et al.

（School of Land and Resource，China West Normal University，Nanchong 637009，China;Institute of Jialing River Basin，China West Normal University，Nanchong 637009，China）

Abstract：Based on the investigation of the Xiejiadian plant communities in the earthquake-stricken area of Pengzhou，China，we analyzed the correlation between the species diversity and soil moisture by CurveExpert software. The results showed that：（1）the correlation coefficient of quadratic polynomial equation and linear equation between the species number and the soil moisture were 0.81 and 0.62 respectively，so both of the correlations were very significant;（2）the linear correlation coefficient between the plant number and soil moisture was 0.62，and the correlation was moderate significant;（3）the overall correlation between the four indexes of species diversity and the soil moisture was not remarkable，in addition，the maximum value was 0.45，and the minimum value was 0.06，as well as，the average correlation coefficient was 0.27. The order of correlation size with the soil moisture is E（Pielou）>Ma（Marglef）>D（Simpson）>H`（Shannon-Weiner），moreover，it was noteworthy that the former two were moderate positively correlated，and the latter two were weakly positively correlated. Soil moisture had a significant effect on the number of species and the number of plants in the plots，either had a moderate effect on E and Ma，or had little effect on D and H`. The result indicated that soil moisture played a very important role in the process of plant community restoration in the disaster area.

Key words：Species diversity;Soil moisture;correlation;CurveExpert;Xiejiadian

植物群落的物種多樣性以及植被類型多樣性是地區(qū)性生物多樣性的支持系統(tǒng)，物種多樣性是生物多樣性的基本環(huán)節(jié)，是生物與環(huán)境相關(guān)的主體[1]。物種多樣性不僅可以反映群落中物種的豐富程度、均勻度和變化情況，也可以反映不同環(huán)境與群落的相互關(guān)系[2]。群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型、組織水平、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度、生境差異等指標(biāo)在一定程度上可以用物種多樣性來定量表征[3]。因此，物種多樣性對于植被與環(huán)境而言都是一個(gè)重要的指標(biāo)。

土壤是植物生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和土壤母質(zhì)的不同，都可能影響環(huán)境中的植物，從而影響到物種多樣性[2]。土壤的性質(zhì)與植物群落組成結(jié)構(gòu)、植物多樣性有著密切的關(guān)系，并且多年來一直是生態(tài)學(xué)家研究的熱點(diǎn)[4-6]。在土壤水分對植物特性影響方面，侯娜[7]研究了3種喬木樹種的葉溫和葉綠素?zé)晒鈪?shù)對土壤水分脅迫的響應(yīng)，吳芹[8]研究了土壤水分對3種造林樹種光合生理生化特性的影響，他們認(rèn)為土壤水分的不同對植物的葉溫、葉綠素?zé)晒鈪?shù)，以及光合生態(tài)水分對典型植物的有效性方面也進(jìn)行了深入的研究。尤其是在土壤水分對植被恢復(fù)方面，潘德成等[10]研究了礦山復(fù)墾區(qū)土壤水分時(shí)空分布對植被恢復(fù)的影響，認(rèn)為不同樣地，土壤水分的變異系數(shù)和有效水分參數(shù)不同，直接影響地上植被的生長，建議采用人工覆土措施可明顯改善礦山復(fù)墾區(qū)土壤水分的分布狀況，從而有利于植被的快速恢復(fù)。李小青[11]對南方稀土尾砂坡地土壤水分與植被恢復(fù)空間差異性之間展開了初步研究，認(rèn)為土壤水分的多少會(huì)對植被恢復(fù)產(chǎn)生不同的影響，從而表現(xiàn)出空間分異的特點(diǎn);而史麗麗[12]對土壤水分與植被特征的空間格局之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，認(rèn)為不同的植被群落對土壤水分的影響較為顯著。總之，學(xué)者們對植被的物種多樣性、土壤理化性質(zhì)對人工植被的影響都進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究，也取得了豐碩的成果。同時(shí)也表明在植被人工恢復(fù)過程中，土壤水分因子的作用是顯著的。然而，在地震重災(zāi)區(qū)植被自然恢復(fù)過程中，不同背景下，其土壤濕度有顯著差異，土壤濕度與植物物種多樣性之間的定量關(guān)系到底如何？還鮮有報(bào)道。

本研究團(tuán)隊(duì)自2009年以來對龍門山地震重災(zāi)區(qū)彭州市謝家店滑坡體上的植被恢復(fù)速率、恢復(fù)演替階段、物種多樣性等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，取得了系列成果。在前期的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，不同植物群落樣帶土壤狀況有所不同，不同樣帶物種數(shù)、植株數(shù)也有著顯著差異，兩者之間關(guān)系尚不清楚。在該地震滑坡體上，土壤的保水性較差，土壤濕度相對較低，為了弄清土壤濕度對自然恢復(fù)過程中物種多樣性到底有多大的影響，本研究選擇龍門山地震重災(zāi)區(qū)彭州市謝家店滑坡體上正在自然恢復(fù)的植物群落為研究對象，探討植物物種數(shù)、植株數(shù)、物種多樣性指數(shù)與土壤濕度之間的相關(guān)性，揭示退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)過程中土壤濕度對于山地植被自然恢復(fù)演替的重要程度，為變脅迫區(qū)植物群落生態(tài)學(xué)研究、生物多樣性保護(hù)與管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

謝家店滑坡體，位于重災(zāi)區(qū)成都市彭州龍門山鎮(zhèn)境內(nèi)的銀廠溝內(nèi)（31°17′34″N，103°50′49.62″E），形成于2008年“5.12”汶川地震中，高差約為200m，面積約為229197m2。地震前該區(qū)植被茂密，覆蓋率到90%以上，為亞熱帶常綠闊葉與人工針葉混交林，落葉喬木主要是柳杉Cryptomeriafortunei，闊葉喬木以榿木A. cremastogyne、鹽膚木Rhus chinensis Mill為主。該區(qū)植被在汶川地震中遭受嚴(yán)重破壞，原有植被毀損殆盡。自2009年以來，對該區(qū)植被自然恢復(fù)能力與速率[13]、恢復(fù)植被的物種多樣性[14]進(jìn)行了調(diào)整研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過近幾年的植被恢復(fù)，該滑坡體植被生長良好，群落自然演替進(jìn)展非常順利，從震后最初的草本群落階段（1～2年），經(jīng)過灌木草本群落階段（3～6年），到現(xiàn)階段的喬木灌木草本群落階段（7年-）。群落垂直分層結(jié)構(gòu)日趨清晰而顯著，喬木、灌木、草本、地被層的分化完整而豐富。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 2017年5月，采用樣方法調(diào)查研究區(qū)植物群落?？紤]到滑坡體的面積大小、坡度等要素，在滑坡體上海拔每升高約20m設(shè)置1個(gè)樣帶，從下往上分別為樣帶1～9，共9個(gè)樣帶。在每個(gè)樣帶內(nèi)設(shè)置20m×20m喬木樣方2個(gè)，每個(gè)喬木樣方內(nèi)設(shè)置5m×5m灌木樣方2個(gè)，每個(gè)灌木樣方內(nèi)設(shè)置1m×1m草本樣方2個(gè)，一共有喬木樣方10個(gè)，灌木樣方36個(gè)，草本樣方72個(gè)，其中樣帶6～9沒有發(fā)現(xiàn)喬木。記錄每個(gè)樣方內(nèi)植物物種名稱及其植株數(shù)，匯總到各樣帶計(jì)算出物種數(shù)、植株數(shù)、多樣性指數(shù)。土壤濕度采用TRS-II型土壤濕度計(jì)工具測定，每個(gè)樣帶內(nèi)隨機(jī)布設(shè)4個(gè)點(diǎn)，測定土壤濕度，用平均值代表該樣帶的土壤濕度。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法 采用物種多樣性公式[15]計(jì)算出個(gè)樣帶的物種多樣性：

Shannon-Weiner指數(shù)：H′=-∑（pi·log2pi） （1）

Pielou均勻度指數(shù)（E）：E=H′/lnS （2）

Simpson多樣性指數(shù)（D）：D=1-∑Pi2 （3）

Margalef豐富度指數(shù)（Ma）：Ma=（S-1）/lnN （4）

式中：pi=n/N，pi為i物種在群落中所占個(gè)體的比例，n為i物種的個(gè)體數(shù)，N為全部種的個(gè)體總數(shù)，S為群落中的物種總數(shù)。

各樣帶物種數(shù)、植株數(shù)、物種多樣性指數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性采用CurveExpert曲線專家軟件統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 物種數(shù)與土壤濕度關(guān)系 9個(gè)樣帶植物物種數(shù)與土壤濕度關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，各樣帶平均物種數(shù)為17.22，樣帶6，7物種數(shù)最多，分別是25、24種，物種數(shù)最少的是樣帶8、9，均為12種。土壤濕度變動(dòng)較大，平均值為78.83%，最小值61.8%出現(xiàn)在樣帶4中，最大值90.1%出現(xiàn)在樣帶7中。

采用CurveExpert軟件對9個(gè)樣帶物種數(shù)與土壤濕度間進(jìn)行線性相關(guān)性分析，如圖2（a）所示。發(fā)現(xiàn)兩者之間線性擬合關(guān)系：y=a+bx，標(biāo)準(zhǔn)差為4.07，相關(guān)系數(shù)為0.62，其中參數(shù)a=-6.18，b=2.97x10-1。表明9樣帶中，物種數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性比較顯著，總體上是土壤濕度越大的樣帶，其物種數(shù)也更加豐富。但物種數(shù)最多是樣帶6，其土壤濕度并非是最大值，說明兩者之間相關(guān)性不特別顯著，主要原因可能是該區(qū)植被正處在快速演替過程中，各樣帶土壤濕度差異較大，環(huán)境還不夠穩(wěn)定。

另外，對物種數(shù)與土壤濕度兩者之間，進(jìn)行多種相關(guān)模型擬合，篩選出相關(guān)性最高的關(guān)系式，如圖2（b）所示，為二次多項(xiàng)式：y=a+bx+cx2，標(biāo)準(zhǔn)差為3.30，相關(guān)系數(shù)為0.81，其中參數(shù)a=2.12x102，b=-5.55，c=3.85x10-2。土壤濕度介于69.2-82%時(shí)，樣帶中物種數(shù)較少僅有12種，為一個(gè)物種數(shù)的低值區(qū)。當(dāng)土壤濕度<69.2%時(shí)，隨土壤濕度減小物種數(shù)略有增加;當(dāng)土壤濕度>82%時(shí)，隨土壤濕度增大物種數(shù)上升明顯。說明物種數(shù)受土壤濕的度影響較大，但不是簡單的線性關(guān)系。

3.2 植株數(shù)與土壤濕度關(guān)系 9個(gè)樣帶植株數(shù)與土壤濕度關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，各樣帶平均植株數(shù)為293.22，樣帶1和8植株數(shù)最多，分別是603和462種，植株數(shù)最少的是樣帶9，只有78株。

采用CurveExpert軟件對9樣帶植株數(shù)與土壤濕度間進(jìn)行線性相關(guān)性分析，得到線性擬合方程：y=a+bx，如圖4（a）。標(biāo)準(zhǔn)差為138.25，相關(guān)系數(shù)為0.62，其中參數(shù)a=-4.99×102，b=1.00×10-1。表明9樣方中，植株數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性較顯著，總體上是土壤濕度越大的樣帶，其植株數(shù)也更加豐富。但植株數(shù)最多的樣帶1和8，其土壤濕度均為82%，并非是最大值，說明二者之間相關(guān)性還未達(dá)到特體顯著的程度。

對植株數(shù)與土壤濕度兩者進(jìn)行多種關(guān)系擬合，篩選出相關(guān)性最高的關(guān)系式，呈對數(shù)擬合：y=a+b×ln（x），如圖4（b）。標(biāo)準(zhǔn)差為138.23，相關(guān)系數(shù)為0.62，其中參數(shù)a=-3.00x103，b=7.56x102。從圖4可以看出，植株數(shù)與土壤濕度之間最大相關(guān)方程即對數(shù)曲線，與線性擬合極為相似，相關(guān)程度也非常接近，說明植株數(shù)與土壤濕度之間呈線性相關(guān)。土壤濕度<69.2%的樣帶僅有3個(gè)，植株數(shù)相對也較少，平均植株數(shù)為134株;而土壤濕度>82%的樣帶有6個(gè)，植株數(shù)較多，平均植株數(shù)高達(dá)372株，也就是說土壤濕度對于樣帶中的植株數(shù)有非常大的影響，兩者之間呈現(xiàn)出非常顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3.3 物種多樣性指數(shù)與土壤濕度關(guān)系 4種多樣性指數(shù)與土壤濕度的樣方分布情況如圖5所示。從圖5可以看出，4個(gè)多樣性指數(shù)與土壤濕度間均存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性大小有差異。

為了弄清土壤濕度對多樣性指數(shù)到底有多大的影響，采用CurveExpert軟件對9樣方的物種多樣性與土壤濕度之間進(jìn)行線型相關(guān)分析，結(jié)果見表1所示。由表1可知，4個(gè)多樣性指數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性大小排序?yàn)椋篜ielou均勻度指數(shù)（E）>Margalef豐富度指數(shù)（Ma）>Simpson多樣性指數(shù)（D）>Shannon-Weiner多樣性指數(shù)（H′）。4個(gè)相關(guān)系數(shù)最大值0.45，最小值0.06，平均值僅為0.27，總體相關(guān)性較弱。其中，前2個(gè)多樣性指數(shù)與土壤濕度間呈中等相關(guān)，主要原因是樣方中物種數(shù)、植株數(shù)與土壤濕度間存在比較顯著的相關(guān)性;而后2個(gè)多樣性指數(shù)與土壤濕度間僅存在弱相關(guān)性，主要原因是樣方中物種的平均植株數(shù)與土壤濕度間沒有顯著的相關(guān)性，受土壤濕度變化大影響非常小。

4 結(jié)語與討論

通過CurveExpert軟件對謝家店恢復(fù)植物群落物種多樣性與土壤濕度間進(jìn)行相關(guān)性分析，得到結(jié)果如下：（1）物種數(shù)多樣性與土壤濕度間模擬二次多項(xiàng)式方程相關(guān)系數(shù)為0.81，線性相關(guān)系數(shù)為0.62，表明兩者之間相關(guān)性非常顯著;（2）植株數(shù)與土壤濕度間線性方程擬合的相關(guān)系數(shù)為0.62，說明二者之間的相關(guān)性也比較顯著;（3）分別模擬物種多樣性4個(gè)指數(shù)與土壤濕度間的線性方程，均表現(xiàn)出相關(guān)性不顯著的特點(diǎn)，其中E值最大值為0.45，H′最小為0.06，4個(gè)相關(guān)系數(shù)平均值僅為0.27;多樣性4個(gè)指數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性大小順序?yàn)椋篍（Pielou均勻度指數(shù)）>Ma（Marglef豐富度指數(shù)）>D（Simpson多樣性指數(shù)）>H′（Shannon-Weiner多樣性指數(shù)），其中前兩者呈中等正相關(guān)，后兩者為弱正相關(guān)。

本研究在選取的植被方面6個(gè)指標(biāo)中，與土壤濕度間相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，除了2個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)出弱相關(guān)外，其中4個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)出比較顯著的相關(guān)性。土壤濕度對群落樣方中的物種數(shù)、植株數(shù)有著非常顯著的影響，對多樣性指數(shù)E、Ma值的影響達(dá)到中等程度，而對于D、H′值的影響極小。表明該環(huán)境中土壤濕度值越大，植物物種數(shù)、植株數(shù)越多，土壤濕度與群落中物種數(shù)、植株數(shù)之間有很顯著的正相關(guān)關(guān)系;而植被正處于自然恢復(fù)階段，植株在環(huán)境中競爭作用還不激烈，同物種不同植株多以集聚型分布為主，因而，物種多樣性指數(shù)與土壤濕度間相關(guān)性不夠顯著。在地震重災(zāi)區(qū)彭州謝家店滑坡體上，退化植物群落在其恢復(fù)過程中，土壤濕度起到了非常重要的作用。土壤濕度作為一個(gè)重要的環(huán)境因子，在植物群落恢復(fù)演替過程中必然起到重要的作用。

本研究是基于2017年5月該區(qū)樣方調(diào)查數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，僅能反映恢復(fù)群落的當(dāng)前情況。為了探明土壤濕度與物種多樣性的關(guān)系，今后需要更多的關(guān)注該區(qū)植被恢復(fù)過程中兩者相關(guān)性的動(dòng)態(tài)變化過程。本研究重點(diǎn)關(guān)注了環(huán)境因子之一的土壤濕度，與植被指標(biāo)之一的物種多樣性，后期還應(yīng)探討和加強(qiáng)對主要環(huán)境因子與植被主要生態(tài)指標(biāo)之間相關(guān)性的研究，明晰在植被恢復(fù)的不同階段，對群落產(chǎn)生影響的主要環(huán)境因子，從而通過不同恢復(fù)階段主要環(huán)境因子的調(diào)控，促進(jìn)群落植被演替的順利進(jìn)行。

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（責(zé)編：張宏民）