向凱旋 張喜 劉濟明 薛建輝 崔迎春 吳永波

摘要：【目的】分析不同類型柏木林林分的植物多樣性指數(shù)與白云巖土壤主要理化指標的相關(guān)性，為評價柏木在白云巖石漠區(qū)植被恢復及土壤質(zhì)量改善中的應用價值提供參考依據(jù)?！痉椒ā恳郧杏蓮郊壓土中徒M合成的不同類型柏木林為研究對象，進行林分類型劃分、主要結(jié)構(gòu)指標測定、植物多樣性指數(shù)計算及A層和B層土壤主要理化指標比較;分析各林分植物多樣性指數(shù)與土壤理化指標的相關(guān)性?！窘Y(jié)果】調(diào)查樣地按柏木平均徑級和株數(shù)比例可劃分為小徑級和中徑級的柏木純林、柏木混交林、天然林及大徑級的柏木混交林等7個類型林分。隨林分徑級的增大，柏木混交林的平均胸徑和高度增加，密度在中徑級類型林分最低;柏木純林和天然林的平均胸徑和高度增加，密度降低。柏木混交林喬木層植物的物種豐富度指數(shù)（Margalef）和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）呈大徑級類型林分>中徑級類型林分>小徑級類型林分的變化趨勢，生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)（Simpson）和均勻度指數(shù)（Pielou）在中徑級類型林分較高;天然林喬木層植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指數(shù)隨林分徑級的增大而升高。相同類型林分不同徑級和相同徑級不同類型林分的土壤密度和pH表現(xiàn)為A層土壤<B層土壤，最大持水量、總孔隙度、有機質(zhì)、水解氮、速效鉀、陽離子交換量和交換性鹽基總量表現(xiàn)為A層土壤>B層土壤。相關(guān)性分析結(jié)果表明，植物多樣性指數(shù)對A層土壤主要理化指標影響的顯著性（P<0.05）數(shù)量多于對B層土壤;Pielou指數(shù)與A層和B層土壤主要理化性質(zhì)無顯著相關(guān)性（P>0.05）?！窘Y(jié)論】黔中柏木林林分以小徑級和混交林為主要特征。柏木是適宜白云巖石漠區(qū)造林的重要樹種，但造林時應對樹種進行合理配置，實施林分改造技術(shù)，使柏木人工造林與天然更新相結(jié)合。

關(guān)鍵詞： 柏木;林分結(jié)構(gòu);植物多樣性;土壤理化指標;相關(guān)性;白云巖石漠化區(qū)

中圖分類號： S725.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）08-1771-08

The correlation between plant diversity indexes and soil physical and chemical indicators of Cupressus funebris Endl forest of desertification area

XIANG Kai-xuan1，2， ZHANG Xi2*， LIU Ji-ming1， XUE Jian-hui3，

CUI Ying-chun2， WU Yong-bo3

（1College of Forestry， Guizhou University， Guiyang? 550025， China; 2Guizhou Provincial Academy of Forestry，

Guiyang? 550005， China; 3Nanjing Forestry University， Nanjing? 210037， China）

Abstract：【Objective】The correlation between the plant diversity index of different types of Cupressus funebris Endl and the main physical and chemical indexes of dolomite soil was analyzed to provide a reference for evaluating the application value of C. funebris in vegetation restoration and soil quality improvement in dolomite desert area. 【Method】The different types of C. funebris forest composed of various diameter classes and forest types in center of Guizhou Province were used for the experiment，the classification of forest types， the determination of main structural indexes， the calculation of plant diversity indexes and the comparison of main physical and chemical indicators of A and B layers were analyzed， and the correlation between plant diversity indexes and soil physical and chemical indicators was studied. 【Result】The sample plots were divided into seven types according to the average diameter class of the C. funebris forest and the proportion of tree number，including the C. funebris pure forest of small diameter and middle diameters，C. funebris mixed forest and natural forest，and the C. funebris mixed forest of large diameter grade. With the increased of stand dia-meter grade，the average diameter at breast height（DBH） and height of C. funebris increased，the density was the lowest in the middle diameter type stand;the average DBH and height increased and the density decreased in the pure and natural forest of C. funebris. The species richness index（Margalef） and Shannon-Wiener diversity index（H） of Arbor layer plants in the mixed forest of C. funebris showed the trend of large diameter class type stand>middle diameter class type stand>small diameter type stand，the ecological dominance index（Simpson） and evenness index（Pielou） were higher in middle diameter class type stand. The Margalef，H，Simpson and Pielou indices of arbor layer plants in natural forest increased with the increase of stand diameter.The soil density and pH of the different diameter classes of the same forest type and the same diameter class of different stand types were A horizon<B horizon，maximum water holding capacity，total porosity，organic matter，hydrolyzed nitrogen，available potassium，cation exchange amount and exchangable total salt base value were A horizon>B horizon. Correlation analysis showed that the plant diversity indexes had more significant effects（P<0.05） on the main physical and chemical indicators of the A-layer soil than the B-layer soil， Pielou index was not significantly correlated with the main physical and chemical properties of soil A and B layers（P>0.05）. 【Conclusion】The small diameter and mixed forests are the main characteristics of the C. funebris forest in center of Guizhou Province. The C. fune-bris forest is suitable as an important afforestation tree species in dolomite desert area，the tree species should be rationally configured，and the forestation transformation technology should be implemented to combine artificial afforestation with natural regeneration.

Key words： Cupressus funebris Endl; stand structure; plant diversity; soil physical and chemical indicators; correlation; dolomite rocky desertification areas

0 引言

【研究意義】喀斯特石漠化是自然、社會及經(jīng)濟交互作用的產(chǎn)物（王世杰等，2003），所形成的水土流失及石漠化現(xiàn)象已成為制約我國西南地區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要生態(tài)問題之一（Zhang et al.，2010）。土壤和植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是研究植物群落更替不可或缺的內(nèi)容，石漠化治理的重要途徑之一就是恢復已被破壞的植被。喀斯特石漠化包括石灰?guī)r石漠化和白云巖石漠化兩種類型，前者巖石裸露、微生境多樣，歷來為石漠區(qū)植被恢復的重點;后者喀斯特地貌發(fā)育微弱，土被連續(xù)且淺薄、表層剝蝕嚴重，土壤養(yǎng)分貧瘠、石礫含量高，是石漠化治理中較易被忽視且植被恢復較困難的類型。柏木（Cupressus funebris Endl）自然分布廣泛，耐干旱貧瘠，在微酸至微堿性土壤均能生長，在土層深厚且環(huán)境濕潤的鈣質(zhì)土上生長較快（馮大蘭等，2013），樹干通直高大，木材質(zhì)地堅硬，果實可榨油，葉和枝富含芳香油類，既是重要的生物能源樹種，又是白云巖石漠區(qū)重要的造林樹種。目前，有關(guān)喀斯特石漠區(qū)植物對土壤高鈣含量特性適應、植被恢復樹種選擇及植物多樣性對土壤理化特性影響（郭柯等，2011;張喜等，2016;向凱旋等，2017）等方面的研究尚存在諸多疑惑。因此，探討黔中地區(qū)柏木林主要類型及植物多樣性指數(shù)與白云巖土壤主要理化指標的相關(guān)性，對評價柏木在白云巖石漠區(qū)植被恢復及土壤質(zhì)量改善中的應用價值具有重要意義。【前人研究進展】植物多樣性是衡量植物群落結(jié)構(gòu)與功能的重要指標（黃建輝等，2001;Graham-Rowe，2011;Midgley，2012），可反映植被的恢復程度（王永健等，2006;張喜等，2007），對土壤理化特性也產(chǎn)生重要影響（王莉莉和張喜，2013;盛茂銀等，2015;張喜等，2016）。石灰?guī)r石漠化和白云巖石漠化的差異不僅表現(xiàn)在石漠化速率（王尚彥等，2009）、生境特性（王德爐等，2005;孟凡德等，2015）、植物葉片鈣形態(tài)（曹建華等，2011）及植物多樣性（侯滿福和蔣忠誠，2006）方面，還表現(xiàn)在大尺度植被類型組合及時空變化上（徐艷芳等，2016）。田大倫等（2011）、崔高仰等（2017）研究認為，土壤的理化特性可在植物群落演替過程中得到改善，土壤也會對群落的生態(tài)過程產(chǎn)生影響。在植物多樣性與石灰土土壤理化指標的相關(guān)性方面，王德爐等（2005）、王尚彥等（2009）、孟凡德等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，白云巖石漠化與石灰?guī)r石漠化存在差異;Zhang等（2010）、崔高仰等（2017）研究認為，土地利用方式對石灰土土壤質(zhì)量具有明顯影響;田大倫等（2011）研究顯示，喀斯特地區(qū)不同植被恢復模式與幼林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量密切相關(guān);王莉莉和張喜（2013）研究表明，黔中山地喀斯特次生林喬木層植物多樣性與土壤養(yǎng)分具有一定的相關(guān)性;盛茂銀等（2015）研究認為，貴州喀斯特石漠化地區(qū)植物多樣性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c】目前，有關(guān)四川盆地及紫色砂頁巖柏木林的研究較多（向成華等，2005;馮大蘭等，2013），針對石灰?guī)r地區(qū)柏木林的研究較少（何躍軍等，2005;姜培坤等，2007），而關(guān)于黔中喀斯特白云巖石漠區(qū)柏木林的研究尚無報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究黔中地區(qū)柏木林在不同生長階段的林分類型、林分結(jié)構(gòu)特征和土壤主要理化指標，分析植物多樣性與土壤主要理化指標的相關(guān)性，為發(fā)揮柏木在白云巖石漠區(qū)植被恢復及土壤質(zhì)量改善中的作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

試驗在貴州省貴陽市東北部的貴州喀斯特森林生態(tài)站開陽試驗區(qū)進行。貴州省開陽縣地處東經(jīng)106°45′～107°17′、北緯26°48′～27°22′，海拔259～1532 m（大部分>1000 m）（張喜等，2007;王莉莉和張喜，2013）。年均氣溫10.6～15.3 ℃，年日照時數(shù)898.1～1084.8 h，無霜期224～295 d，年均降水量1200 mm，年均降水期205 d。屬亞熱帶濕潤氣候，冬暖夏熱，四季分明，冬季多霧。主要土壤種類為黃色石灰土、紅色石灰土、黑色石灰土、棕色石灰土和黃壤等。地帶性森林植被為常綠闊葉林，喀斯特植被為常綠落葉闊葉混交林。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 樣地調(diào)查 在試驗區(qū)白云巖母巖及石灰土小班內(nèi)，選擇柏木純林和混交林設30個調(diào)查樣地，每個樣地面積為20 m×20 m，其內(nèi)設灌木層和草本層植物調(diào)查樣方3個，面積為5 m×5 m或1 m×1 m。對樣地（樣方）中喬木逐株記錄胸徑和高度，按種統(tǒng)計株數(shù)，對灌木按種記錄平均地徑、高度及株數(shù)，對草本植物按種記錄平均高度及株數(shù)。調(diào)查樣地的海拔為1060～1395 m，屬高原丘陵地貌，坡位以中部和下部為主，坡度3°～45°，土壤為黑色石灰土或黃色石灰土，石漠化等級為輕度—中度;A層土壤平均厚度14 cm、變幅5～38 cm，石礫平均含量11.59%、變幅5.00%～20.00%;B層土壤平均厚度18 cm、變幅2～35 cm，石礫平均含量33.12%、變幅5.00%～60.00%。樣地喬木層植物平均郁閉度46.5%、變幅10.0%～75.0%;灌木層植物平均蓋度74.1%、變幅30.0%～95.0%;草本層植物平均蓋度57.5%、變幅12.0%～96.0%。

1. 2. 2 土壤樣品采集與分析 在各樣地內(nèi)選取有代表性的3個采樣點并挖掘土壤剖面，分別于剖面A層和B層各提取土壤環(huán)刀1牧，共取樣180牧;分別在土壤剖面A、B層等量取樣各1份，同一樣地的同層土壤分別混合均勻并裝入土袋，取約1.0 kg成混合土樣1份，共60份。所取土樣帶回實驗室，參考《森林土壤分析方法》（國家林業(yè)局，1999）的方法進行處理和主要理化指標分析。

1. 2. 3 徑級劃分 按《貴州省森林資源二類調(diào)查技術(shù)規(guī)程（2014—2016）》中林型的劃分方法確定柏木林分類型，將柏木株數(shù)≤1%、1%<株數(shù)<65%和株數(shù)≥65%的調(diào)查樣地分別劃分為天然林、柏木混交林（柏木+其他樹種）和柏木純林3種林型。柏木混交林和柏木純林依據(jù)調(diào)查樣地內(nèi)柏木胸徑徑級—株數(shù)分布曲線，刪除個別孤立木后，用柏木平均胸徑代替樣地年齡，天然林用林分平均胸徑代替樣地年齡，并將徑級≤5.0 cm、5.0<徑級<10.0 cm和徑級≥10.0 cm分別劃分為小徑級、中徑級和大徑級3個徑級類型。由徑級和林型組合成不同柏木林類型。

1. 2. 4 林分主要結(jié)構(gòu)指標 林分結(jié)構(gòu)是林分特征的重要內(nèi)容，本研究選擇柏木混交林、柏木和其他樹種的林分密度、平均胸徑和高度3個林分主要結(jié)構(gòu)指標進行分析。

1. 3 統(tǒng)計分析

參照張金屯（2004）的方法計算植物多樣性指數(shù)[物種豐富度指數(shù)（Margale）、生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)（Simpson）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（Pielou）]。

Margale指數(shù)=[S-1lnN]

Simpson指數(shù) = 1-[S=1SNi（Ni-1）N（N-1）]

H =-[S=1SPilnPi]

Pielou指數(shù) =[HlnS]

式中，S為物種數(shù)，Ni為第i個種的個體數(shù)目，N為所有物種個體數(shù)之和，Pi表示第i個種的相對多度，Pi=Ni/N。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 柏木林林分類型的劃分結(jié)果

依據(jù)柏木徑級分級及株數(shù)比例可將調(diào)查樣地劃分為7個類型（表1），包括小徑級柏木純林、小徑級柏木混交林、小徑級天然林、中徑級柏木純林、中徑級柏木混交林、中徑級天然林及大徑級柏木混交林。由表1可知，柏木林分中的小徑級、中徑級和大徑級樣地分別占53.33%、30.00%和16.67%，柏木純林、柏木混交林和天然林分別占13.33%、53.33%和33.33%。說明研究區(qū)柏木林以小徑級和柏木混交林為主要特征。

2. 2 柏木林林分主要結(jié)構(gòu)指標的變化情況

由表2可知，柏木林林分中小徑級柏木純林、柏木混交林和天然林的密度、平均胸徑及高度均無顯著差異（P>0.05，下同）;小徑級林分的平均胸徑和高度排序為天然林>柏木純林>柏木混交林，密度排序為天然林>柏木混交林>柏木純林;中徑級林分的密度、平均胸徑和高度排序均為天然林>柏木混交林>柏木純林。說明不同類型小徑級和中徑級林分主要結(jié)構(gòu)指標間的變化趨勢存在差異，但天然林均為優(yōu)勢林分。隨徑級的增加，天然林和柏木純林的密度均下降，平均胸徑和高度均增大。柏木混交林的密度、平均胸徑和高度在大徑級達最大值，即作為大徑級中唯一林分類型的柏木混交林比天然林和柏木純林更具優(yōu)勢，說明柏木作為白云巖石漠區(qū)造林樹種時應對樹種進行合理配置。

由表3可知，小徑級、中徑級和大徑級柏木、其他樹種和柏木混交林的密度差異均不顯著;中徑級和大徑級柏木、其他樹種和柏木混交林的平均胸徑和高度差異也不顯著，但其中柏木和柏木混交林的平均胸徑和高度顯著大于小徑級柏木和柏木混交林（P<0.05，下同）;隨徑級的增加，柏木和柏木混交林的平均胸徑和高度增大，柏木的密度下降，柏木混交林密度則以中徑級的最小，大徑級的最大，其他樹種的密度增大。在不同徑級中，與柏木和其他樹種相比，柏木混交林的密度明顯較大，平均胸徑和高度處于居中水平。說明相同條件下柏木混交林可能更具競爭力。

綜上所述，相同徑級不同類型及不同徑級相同類型柏木林林分主要結(jié)構(gòu)指標的變化規(guī)律基本符合林分生長的一般規(guī)律。

2. 3 植物多樣性指數(shù)的變化情況

由表4可知，柏木混交林喬木層植物的Margalef和H指數(shù)排序為大徑級類型>中徑級類型>小徑級類型，但大徑級類型與中徑級類型、中徑級類型與小徑級類型間差異不顯著;Simpson和Pielou指數(shù)在中徑級類型最高，但與小徑級和大徑級類型差異不顯著。灌木層和草本層植物的Margalef指數(shù)隨徑級增大而升高，但相互間差異不顯著;H、Simpson和Pielou指數(shù)在中徑級類型最低，但僅灌木層中徑級類型的Pielou指數(shù)顯著低于小徑級和大徑級類型。

天然林喬木層和灌木層植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指數(shù)隨林分徑級增大而升高，但相互間差異不顯著;草本層植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指數(shù)隨林分徑級增大而降低，但相互間差異不顯著。

柏木純林喬木層植物的多樣性指數(shù)在不同徑級間無顯著差異;灌木層植物的多樣性指數(shù)排序為小徑級類型>中徑級類型，相互間差異不顯著;草本層植物的Margalef和H指數(shù)排序為小徑級類型>中徑級類型，Simpson和Pielou指數(shù)排序為小徑級類型<中徑級類型，相互間也無顯著差異。

由表4還可看出，相同徑級林分喬木層植物的Margalef、H和Simpson指數(shù)排序為天然林>柏木混交林>柏木純林，即同徑級下柏木純林群落的復雜程度較其他兩種林分低;相同徑級不同類型及不同徑級相同類型柏木林林分Margalef、H、Simpson和Pielou指數(shù)的變化規(guī)律基本符合林分生長的一般規(guī)律。說明造林時應避免營造純林，并實施林分改造技術(shù)，使人工造林與天然更新相結(jié)合，積極營造混交林。

2. 4 林分土壤主要理化指標的變化情況

由表5和表6可知，樣地土壤的主要理化指標在柏木林不同徑級及林分類型間無顯著差異;除中徑級柏木混交林A層土壤的密度和pH與B層土壤相同外，其他林分類型A層土壤的密度和pH均小于B層土壤;A和B層土壤的pH為6.57～7.05，均呈中性;最大持水量、總孔隙度、有機質(zhì)含量、水解氮含量、速效鉀含量、陽離子交換量和交換性鹽基總量均為A層土壤>B層土壤?？傮w而言，除個別指標外，柏木林土壤主要理化指標呈A層土壤>B層土壤的趨勢。

2. 5 喬木層植物多樣性與土壤理化指標的相關(guān)性

由表7可知，喬木層植物的Margalef指數(shù)與A層土壤密度呈顯著負相關(guān)，與全磷含量呈極顯著負相關(guān)（P<0.01，下同），與最大持水量呈顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)含量和全鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與B層土壤非毛管孔隙度和有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈極顯著正相關(guān)。Simpson指數(shù)與A層土壤有機質(zhì)含量、水解氮含量和全鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈極顯著負相關(guān)，與B層土壤非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)。H指數(shù)與A層土壤有機質(zhì)含量、水解氮含量和全鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈極顯著負相關(guān)，與B層土壤非毛管孔隙度和全鉀含量呈顯著正相關(guān)。Pielou指數(shù)與A、B層土壤主要理化指標無顯著相關(guān)。從表7還可看出，喬木層植物多樣性指數(shù)對A層土壤主要理化指標影響的顯著性數(shù)量多于B層土壤。說明表層土壤理化指標與喬木層植物多樣性的相關(guān)性更明顯，實踐中應充分考慮喀斯特地區(qū)表層土壤的土壤條件，對表層土壤進行跟蹤調(diào)查。

3 討論

本研究結(jié)果表明，按柏木徑級及株數(shù)比例可將調(diào)查樣地劃分為7個類型;相同徑級不同類型及不同徑級相同類型柏木林林分主要結(jié)構(gòu)指標及Margalef、H、Simpson和Pielou指數(shù)的變化規(guī)律基本符合林分生長的一般規(guī)律，與向成華等（2005）、王永健等（2006）、Graham-Rowe（2011）、徐艷芳等（2016）的研究結(jié)果一致。白云巖石漠區(qū)土層淺薄、石礫含量高（王世杰等，2003;王德爐等，2005;王尚彥等，2009），水土流失嚴重（張喜等，2007;Zhang et al.，2010;孟凡德等，2015），柏木種子萌發(fā)和幼苗存活受到制約（陳芳清等，2008），因此，造林時應注意造林地的選擇及造林結(jié)構(gòu)的合理性，并配置合理的幼林撫育技術(shù)。本研究應用柏木胸徑的徑級—株數(shù)分布曲線刪除部分特異柏木后，以平均胸徑替代樣地年齡，由徑級和林型組合成不同類型柏木林，進行林分類型劃分、主要結(jié)構(gòu)指標測定、植物多樣性指數(shù)計算及A層和B層土壤主要理化指標比較，其中中徑級柏木出現(xiàn)混交林喬木層Simpson和Pielou指數(shù)及其他樹種的平均胸徑和高度較高的現(xiàn)象，具體原因有待進一步分析。

本研究中，柏木林不同徑級及林分類型間同層土壤的主要理化指標差異不顯著，與Zhang等（2010）、馮大蘭等（2013）、孟凡德等（2015）、張喜等（2016）、崔高仰等（2017）的研究結(jié)果相似，但仍有必要進一步探究白云巖石漠區(qū)土壤碳庫（姜培坤等，2007;田大倫等，2011）和酶活性（何躍軍等，2005;馮大蘭等，2013）等指標的變化規(guī)律，才能更系統(tǒng)地對石漠區(qū)柏木林進行深層次研究，以尋求更適合石漠區(qū)植被恢復的途徑。

本研究結(jié)果顯示，喬木層植物的多樣性指數(shù)與土壤主要理化指標間呈不同程度的相關(guān)性，與已有研究結(jié)果（王莉莉和張喜，2013;盛茂銀等，2015;張喜等，2016）存在差異。黃建輝等（2001）、Midgley（2012）也研究認為，植物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)和土壤生態(tài)系統(tǒng)功能具有復雜性，在植被恢復過程中，植物多樣性變化如氣候類型、物種結(jié)構(gòu)及人為活動等均會對其產(chǎn)生影響。因此，本研究中白云巖石漠區(qū)柏木林土壤主要理化指標與植物多樣性指數(shù)的相關(guān)性還有待進一步驗證。

4 結(jié)論

黔中柏木林林分以小徑級和混交林為主要特征。在不同徑級中，與柏木和其他樹種相比，柏木混交林的密度較大，平均胸徑和高度處于居中水平，造林時應避免營造純林，積極營造混交林。柏木是適宜白云巖石漠區(qū)造林的重要樹種，但造林時應進行合理配置，實施林分改造技術(shù)，使柏木人工造林與天然更新相結(jié)合。

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（責任編輯 思利華）