貴州黔中地區(qū)土壤和植物要素與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)系研究*

邱興春，陳棟為，吳克華

(1中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2貴州民族大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025；3貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 研究區(qū)概況

貴州地處世界三大喀斯特集中分布區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，在碳酸鹽巖廣泛分布的地質(zhì)環(huán)境和溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)的背景下，全省17.62萬(wàn)km2的土地上，喀斯特地貌出露面積占64.2%，是我國(guó)乃至世界亞熱帶錐狀喀斯特分布面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的一個(gè)高原山區(qū)[1]。在黔中地區(qū)，喀斯特地貌發(fā)育強(qiáng)烈但表現(xiàn)出非連續(xù)性分布的特征。該區(qū)具有典型的亞熱帶高原濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均溫13～15 ℃，≥10℃積溫4000～5000 ℃，無(wú)霜期270～280 d，年降雨量1148.3～1336.1 mm，多集中在夏秋兩季。在地質(zhì)上，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，碳酸鹽類(lèi)巖層與非碳酸鹽類(lèi)巖層常在垂直方向上呈互層分布，水平方向上呈復(fù)區(qū)分布。該區(qū)由于雨熱充沛，淋溶侵蝕作用強(qiáng)烈，中性至微堿性的石灰土與微酸性的淋溶石灰土在水平方向上也常呈復(fù)區(qū)分布。同時(shí)，由于黔中地區(qū)交通相對(duì)較為便利，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，森林較早受人為活動(dòng)的影響，主要是不合理的開(kāi)發(fā)利用。因此，研究區(qū)的植被主體上是次生喀斯特森林灌叢，以及受人為破壞程度嚴(yán)重而退化形成的藤刺灌叢、灌叢草坡等。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析方法的原理

生態(tài)系統(tǒng)是地理系統(tǒng)的重要組成部分，而地理系統(tǒng)，是一類(lèi)典型的灰色系統(tǒng)。因此，灰色系統(tǒng)方法是地理學(xué)研究中的重要方法之一[2]。而灰色系統(tǒng)理論研究方法[3]，最早由華中理工大學(xué)鄧聚龍于1987年提出?；疑P(guān)聯(lián)分析方法，是為人們解決很難分清主次因素，以及各因素之間關(guān)系的密切程度等問(wèn)題提供的一種行之有效的方法。

灰色系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析方法，從其思想方法上來(lái)看，屬于幾何處理的范疇，其原理是：若干個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)列所構(gòu)成的各條曲線幾何形狀越接近，即越相平行，則它們的變化趨勢(shì)越接近，其關(guān)聯(lián)度就越大[4]。關(guān)聯(lián)序反映各評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)理想對(duì)象(參考對(duì)象)的接近次序，即評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣次序，其中關(guān)聯(lián)度最大的評(píng)價(jià)對(duì)象為最佳，其在生態(tài)系統(tǒng)演替階段的關(guān)聯(lián)度越大。因此，可利用關(guān)聯(lián)序?qū)υu(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序，以方便對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行比較。

3 分析指標(biāo)及樣地的選定

植物群落類(lèi)型按照喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替順序分為：森林群落(A)→灌叢群落(B)→灌草叢群落(C)→稀疏灌草從群落(D)。

3.1 分析指標(biāo)選取

在土壤要素中，土壤物理性質(zhì)方面選取土層厚度(K1)(指從地表到基巖土層深度)、土壤吸濕水分(K2)、土壤粘粒比重(K3)、土壤容重(K4)、土壤比重(K5)、土壤孔隙度(K6)等指標(biāo)；在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，則選取土壤有機(jī)質(zhì)(K7)、土壤全氮(K8)、土壤全磷(K9)、土壤全鉀(K10)、土壤pH(H20)值(K11)等共11項(xiàng)指標(biāo)。

在植物要素中，選取群落物種豐富度(K12)、群落物種多樣性(K13)、群落生物量(14)等3項(xiàng)指標(biāo)。

3.2 樣地選擇

樣地選擇在海拔為1060～1220 m之間的黔中地區(qū)，且多數(shù)為1150 m左右。在喀斯特區(qū)，根據(jù)不同的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化類(lèi)型選取典型樣地做樣方調(diào)查，以分析喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演變特征，調(diào)查樣地共計(jì)8個(gè)，其中森林群落類(lèi)型5個(gè)，灌叢群落類(lèi)型7個(gè)，灌草叢群落類(lèi)型3個(gè)，稀疏灌草叢群落類(lèi)型3個(gè)。

在所選擇的每一個(gè)植物群落樣方調(diào)查時(shí)，相應(yīng)進(jìn)行土壤取樣，每個(gè)樣地選擇具有代表性的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)刀取樣；選5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行混合土樣的采集，此5個(gè)點(diǎn)分布于樣地的四角及中部。取樣時(shí)，清除松散的腐殖質(zhì)，取樣深度約為0～15 cm，即表土層。

4 原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化(標(biāo)準(zhǔn)化值)處理

由于在分析指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)中，各量綱不同，即單位不統(tǒng)一，故需進(jìn)行無(wú)量綱化處理。評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱化[5，6]，即將各指標(biāo)的實(shí)際值轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)值，以消除各指標(biāo)量綱帶來(lái)的影響[4]。正向指標(biāo)為：Yi=(Xi/X0)，逆向指標(biāo)為：Yi=1-(Xi/X0)。通過(guò)無(wú)量綱化使所有數(shù)據(jù)在[0～1]的區(qū)間之內(nèi)。其中，Xi為評(píng)價(jià)對(duì)象實(shí)際值，i=1，2，3，……，M；X0為理想對(duì)象(參考對(duì)象)上限值，在此選用各群落演替階段中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值。其中，土壤吸濕水、容重、pH值等3項(xiàng)指標(biāo)作逆向指標(biāo)處理，其余指標(biāo)作正向指標(biāo)處理。

其各評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的處理結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值表Tab.1 Standardized value table of evaluation indicators for each succession stage of karst ecosystem degradation

5 關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度的計(jì)算與分析

5.1 關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度計(jì)算

關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度計(jì)算采用下列公式：

(1)

(2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)所選定的各分析指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度排序，詳見(jiàn)表2。由表2可知，喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段與其各分析指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度均有一定程度的變化，揭示了各分析指標(biāo)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化存在動(dòng)態(tài)關(guān)系。

表2 喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段的各分析指標(biāo)關(guān)聯(lián)度排序表Tab.2 Correlation degree ranking table of analysis indexes in each succession stage of karst ecosystem degradation

5.2 各分析指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關(guān)系分析

1)各分析指標(biāo)與植物群落演替階段分析

在森林群落階段，與其生態(tài)系統(tǒng)退化關(guān)聯(lián)度最高的是物種多樣性(K13)，其次是土壤容重(K4)和有機(jī)質(zhì)(K7)，關(guān)聯(lián)度都在0.8以上；而最低的是群落生物量(K14)，其次是土壤全鉀量(K10)和土層厚度(K1)，其關(guān)聯(lián)度都在0.6以下，其余的居中。表明在此演替階段，物種多樣性(K13)、土壤容重(K4)、土壤有機(jī)質(zhì)(K7)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度最大，而群落生物量(K14)、土壤全鉀(K10)、土層厚度(K1)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度最小。

在灌叢群落類(lèi)型中，與其生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度最高的是土壤pH值(K11)，其次是土壤比重(K5)，關(guān)聯(lián)度都在0.8以上；最低的是土壤中全鉀(K10)，只有0.4846，其次是土層厚度(K1)。表明在此演替階段，土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度最大；而土壤全鉀(K10)和土層厚度(K1)的關(guān)聯(lián)度則最小。

在灌草叢群落類(lèi)型中，與其生態(tài)系統(tǒng)退化關(guān)聯(lián)度最高的是土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)，關(guān)聯(lián)度分別達(dá)到0.9807和0.9558，其次是土壤孔隙度(K6)和土壤容重(K4)，其關(guān)聯(lián)度在0.8以上；而最低的是土壤全鉀(K10)，只是0.5586，土層厚度(K1)也較低，排倒數(shù)第二。表明在此演替階段，土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)退化的作用最大，其次土壤孔隙度和土壤容重，即土壤物理性質(zhì)和土壤的pH值與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度較大，土壤全鉀含量與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度則最小。

在稀疏灌草叢群落類(lèi)型中，與其生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度最高是土壤pH值(K11)，其次是土壤比重(K5)和土壤容重(K4)，其關(guān)聯(lián)度都在0.9以上，最高達(dá)0.9406；而最低的是土壤全鉀(K10)，其次是群落生物量(K14)，其關(guān)聯(lián)度分別為0.6814和0.6978，土層厚度(K1)也較低，排倒數(shù)第三，其余多數(shù)都在0.8～0.9之間，關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高。

2)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的限制因子分析

在植物要素的3個(gè)分析指標(biāo)中，其關(guān)聯(lián)度的先后位序在第一階段(森林群落)與第四階段(稀疏灌草叢群落)保持一致，即物種多樣性(K13)>物種豐富度(K12)>群落生物量(K14)；在第二階段(灌叢群落)和第三階段(灌草叢群落)保持一致，即群落生物量(K14)>物種多樣性(K13)>物種豐富度(K12)。同時(shí)也看出，在生態(tài)系統(tǒng)退化過(guò)程中，物種多樣性(K13)始終保持在物種豐富度的前面，表明無(wú)論是在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演替的任何階段，物種多樣性(K13)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度總高于物種豐富度(K12)。從表2中還發(fā)現(xiàn)，隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的退化，在演化的前三階段，物種多樣性(K13)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度的排序在降低，而在最后一階段微有上升，表明群落物種多樣性(K13)隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的退化演替，與其生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度在降低，說(shuō)明物種多樣性(K13)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子。

在土壤要素的11個(gè)分析指標(biāo)中，其表現(xiàn)較為穩(wěn)定的是土壤pH值(K11)、土壤比重(K5)、土壤全鉀(K10)及土層厚度(K1)，其中土壤pH值(K11)與生態(tài)系統(tǒng)退化各階段的關(guān)聯(lián)度表現(xiàn)較高，土壤比重(K5)除了在森林群落類(lèi)型階段其排序?yàn)榈谄咄猓溆嚯A段都排第二，這就很明顯的表明了土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度較大，是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子，其生態(tài)作用不僅限制在其土壤上能生長(zhǎng)何種植物，而且能限制在其土壤上能否生長(zhǎng)植物，比如在pH>9時(shí)，其土壤上難有植物生長(zhǎng)和發(fā)育。土壤全鉀(K10)與其生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度相對(duì)很低，均基本排在末尾，且隨喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化階段而呈降低趨勢(shì)，表明該指標(biāo)不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子。土層厚度(K1)在生態(tài)系統(tǒng)退化的前三階段保持平衡，第四階段略有上升，因而也不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)主要限制因子。這可以加以事實(shí)說(shuō)明，比如在貴州黔靈公園里其土層厚度厚達(dá)1.5 m以上，生長(zhǎng)發(fā)育了森林，但在貴州荔波茂蘭保護(hù)區(qū)，在其面積較大的裸露基巖上也生長(zhǎng)發(fā)育了森林，且郁閉度高達(dá)70%以上，這就充分說(shuō)明了土層厚度不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)主要限制因子的研究結(jié)論。其他分析指標(biāo)均因喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演替階段而異，表現(xiàn)不是很明顯和突出。

6 結(jié)論

植物要素中，3個(gè)分析指標(biāo)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關(guān)聯(lián)度的先后位序在第一階段(森林群落)與第四階段(稀疏灌草叢群落)保持一致，即物種多樣性>物種豐富度>群落生物量；在第二階段(灌叢群落)和第三階段(灌草叢群落)保持一致，即群落生物量>物種多樣性>物種豐富度?？梢钥闯?，喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替的任何階段，物種多樣性(K13)的關(guān)聯(lián)度總高于物種豐富度(K12)。隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替，群落物種多樣性(K13)的關(guān)聯(lián)程度在降低，說(shuō)明物種多樣性(K13)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替的主要限制因子。

土壤要素中，11個(gè)分析指標(biāo)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關(guān)聯(lián)度的先后位序在各演替階段表現(xiàn)較為穩(wěn)定的指標(biāo)是土壤pH值(K11)、土壤比重(K5)、土壤全鉀(K10)及土層厚度(K1)等4個(gè)指標(biāo)，其中土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度最大；土壤全鉀(K10)和土層厚度(K1)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的關(guān)聯(lián)度最低。其他分析指標(biāo)均因喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演替階段而異，其特征表現(xiàn)不是很明顯和突出。據(jù)此判定，土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子。

上述研究成果為喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化管理、重建與恢復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。