基于CurveExpert的谢家店植物群落物种多样性与土壤湿度相关性分析

2020-10-26胡翠华刘守江

安徽农学通报 2020年18期

胡翠华刘守江

摘要：在地震重灾区彭州谢家店恢复植物群落样方调查的基础上，采用CurveExpert软件对群落物种多样性与土壤湿度之间进行了相关性分析。结果表明：（1）物种数多样性与土壤湿度间线性相关系数为0.62，二次多项式相关系数为0.81，两者相关性较显著;（2）植株数与土壤湿度间的线性相关系数为0.62，相关性也比较顯著;（3）物种α多样性4个指数与土壤湿度间总体相关性不够显著，最大值0.45，最小值0.06，平均相关系数0.27;与土壤湿度间相关性大小顺序：E（Pielou）>Ma（Marglef）>D（Simpson）>H`（Shannon-Weiner），其中前两者呈中等正相关，后两者呈弱正相关。土壤湿度对群落样方中的物种数、植株数具有比较显著的影响，对E、Ma指数呈中等程度影响，而对D、H`指数影响极小。说明在灾变胁迫区植物群落恢复过程中，土壤湿度因子对群落的稳定起到了非常重要的作用。

关键词：物种多样性;土壤湿度;相关性;曲线大师;谢家店

中图分类号 Q948/S152.7文献标识码 A文章编号 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

植物群落的物种多样性以及植被类型多样性是地区性生物多样性的支持系统，物种多样性是生物多样性的基本环节，是生物与环境相关的主体[1]。物种多样性不仅可以反映群落中物种的丰富程度、均匀度和变化情况，也可以反映不同环境与群落的相互关系[2]。群落和生态系统的结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度、生境差异等指标在一定程度上可以用物种多样性来定量表征[3]。因此，物种多样性对于植被与环境而言都是一个重要的指标。

土壤是植物生长的重要物质基础，土壤物理性质、化学性质和土壤母质的不同，都可能影响环境中的植物，从而影响到物种多样性[2]。土壤的性质与植物群落组成结构、植物多样性有着密切的关系，并且多年来一直是生态学家研究的热点[4-6]。在土壤水分对植物特性影响方面，侯娜[7]研究了3种乔木树种的叶温和叶绿素荧光参数对土壤水分脅迫的响应，吴芹[8]研究了土壤水分对3种造林树种光合生理生化特性的影响，他们认为土壤水分的不同对植物的叶温、叶绿素荧光参数，以及光合生态水分对典型植物的有效性方面也进行了深入的研究。尤其是在土壤水分对植被恢复方面，潘德成等[10]研究了矿山复垦区土壤水分时空分布对植被恢复的影响，认为不同样地，土壤水分的变异系数和有效水分参数不同，直接影响地上植被的生长，建议采用人工覆土措施可明显改善矿山复垦区土壤水分的分布状况，从而有利于植被的快速恢复。李小青[11]对南方稀土尾砂坡地土壤水分与植被恢复空间差异性之间展开了初步研究，认为土壤水分的多少会对植被恢复产生不同的影响，从而表现出空间分异的特点;而史丽丽[12]对土壤水分与植被特征的空间格局之间的关系进行了分析，认为不同的植被群落对土壤水分的影响较为显著。总之，学者们对植被的物种多样性、土壤理化性质对人工植被的影响都进行了详细深入的研究，也取得了丰硕的成果。同时也表明在植被人工恢复过程中，土壤水分因子的作用是显著的。然而，在地震重灾区植被自然恢复过程中，不同背景下，其土壤湿度有显著差异，土壤湿度与植物物种多样性之间的定量关系到底如何？还鲜有报道。

本研究团队自2009年以来对龙门山地震重灾区彭州市谢家店滑坡体上的植被恢复速率、恢复演替阶段、物种多样性等方面进行了深入细致的研究，取得了系列成果。在前期的调查中发现，不同植物群落样带土壤状况有所不同，不同样带物种数、植株数也有着显著差异，两者之间关系尚不清楚。在该地震滑坡体上，土壤的保水性较差，土壤湿度相对较低，为了弄清土壤湿度对自然恢复过程中物种多样性到底有多大的影响，本研究选择龙门山地震重灾区彭州市谢家店滑坡体上正在自然恢复的植物群落为研究对象，探讨植物物种数、植株数、物种多样性指数与土壤湿度之间的相关性，揭示退化生态系统植被恢复过程中土壤湿度对于山地植被自然恢复演替的重要程度，为变胁迫区植物群落生态学研究、生物多样性保护与管理提供参考。

1 研究区概况

谢家店滑坡体，位于重灾区成都市彭州龙门山镇境内的银厂沟内（31°17′34″N，103°50′49.62″E），形成于2008年“5.12”汶川地震中，高差约为200m，面积约为229197m2。地震前该区植被茂密，覆盖率到90%以上，为亚热带常绿阔叶与人工针叶混交林，落叶乔木主要是柳杉Cryptomeriafortunei，阔叶乔木以桤木A. cremastogyne、盐肤木Rhus chinensis Mill为主。该区植被在汶川地震中遭受严重破坏，原有植被毁损殆尽。自2009年以来，对该区植被自然恢复能力与速率[13]、恢复植被的物种多样性[14]进行了调整研究，发现经过近几年的植被恢复，该滑坡体植被生长良好，群落自然演替进展非常顺利，从震后最初的草本群落阶段（1～2年），经过灌木草本群落阶段（3～6年），到现阶段的乔木灌木草本群落阶段（7年-）。群落垂直分层结构日趋清晰而显著，乔木、灌木、草本、地被层的分化完整而丰富。

2 数据来源与处理方法

2.1 数据来源 2017年5月，采用样方法调查研究区植物群落。考虑到滑坡体的面积大小、坡度等要素，在滑坡体上海拔每升高约20m设置1个样带，从下往上分别为样带1～9，共9个样带。在每个样带内设置20m×20m乔木样方2个，每个乔木样方内设置5m×5m灌木样方2个，每个灌木样方内设置1m×1m草本样方2个，一共有乔木样方10个，灌木样方36个，草本样方72个，其中样带6～9没有发现乔木。记录每个样方内植物物种名称及其植株数，汇总到各样带计算出物种数、植株数、多样性指数。土壤湿度采用TRS-II型土壤湿度计工具测定，每个样带内随机布设4个点，测定土壤湿度，用平均值代表该样带的土壤湿度。

2.2 数据处理方法采用物种多样性公式[15]计算出个样带的物种多样性：

Shannon-Weiner指数：H′=-∑（pi·log2pi）（1）

Pielou均匀度指数（E）：E=H′/lnS （2）

Simpson多样性指数（D）：D=1-∑Pi2 （3）

Margalef丰富度指数（Ma）：Ma=（S-1）/lnN （4）

式中：pi=n/N，pi为i物种在群落中所占个体的比例，n为i物种的个体数，N为全部种的个体总数，S为群落中的物种总数。

各样带物种数、植株数、物种多样性指数与土壤湿度间相关性采用CurveExpert曲线专家软件统计分析。

3 结果与分析

3.1 物种数与土壤湿度关系 9个样带植物物种数与土壤湿度关系如图1所示。由图1可知，各样带平均物种数为17.22，样带6，7物种数最多，分别是25、24种，物种数最少的是样带8、9，均为12种。土壤湿度变动较大，平均值为78.83%，最小值61.8%出现在样带4中，最大值90.1%出现在样带7中。

采用CurveExpert软件对9个样带物种数与土壤湿度间进行线性相关性分析，如图2（a）所示。发现两者之间线性拟合关系：y=a+bx，标准差为4.07，相关系数为0.62，其中参数a=-6.18，b=2.97x10-1。表明9样带中，物种数与土壤湿度间相关性比较显著，总体上是土壤湿度越大的样带，其物种数也更加丰富。但物种数最多是样带6，其土壤湿度并非是最大值，说明两者之间相关性不特别显著，主要原因可能是该区植被正处在快速演替过程中，各样带土壤湿度差异较大，环境还不够稳定。

另外，对物种数与土壤湿度两者之间，进行多种相关模型拟合，筛选出相关性最高的关系式，如图2（b）所示，为二次多项式：y=a+bx+cx2，标准差为3.30，相关系数为0.81，其中参数a=2.12x102，b=-5.55，c=3.85x10-2。土壤湿度介于69.2-82%时，样带中物种数较少仅有12种，为一个物种数的低值区。当土壤湿度<69.2%时，随土壤湿度减小物种数略有增加;当土壤湿度>82%时，随土壤湿度增大物种数上升明显。说明物种数受土壤湿的度影响较大，但不是简单的线性关系。

3.2 植株数与土壤湿度关系 9个样带植株数与土壤湿度关系如图3所示。由图3可知，各样带平均植株数为293.22，样带1和8植株数最多，分别是603和462种，植株数最少的是样带9，只有78株。

采用CurveExpert软件对9样带植株数与土壤湿度间进行线性相关性分析，得到线性拟合方程：y=a+bx，如图4（a）。标准差为138.25，相关系数为0.62，其中参数a=-4.99×102，b=1.00×10-1。表明9样方中，植株数与土壤湿度间相关性较显著，总体上是土壤湿度越大的样带，其植株数也更加丰富。但植株数最多的样带1和8，其土壤湿度均为82%，并非是最大值，说明二者之间相关性还未达到特体显著的程度。

对植株数与土壤湿度两者进行多种关系拟合，筛选出相关性最高的关系式，呈对数拟合：y=a+b×ln（x），如图4（b）。标准差为138.23，相关系数为0.62，其中参数a=-3.00x103，b=7.56x102。从图4可以看出，植株数与土壤湿度之间最大相关方程即对数曲线，与线性拟合极为相似，相关程度也非常接近，说明植株数与土壤湿度之间呈线性相关。土壤湿度<69.2%的样带仅有3个，植株数相对也较少，平均植株数为134株;而土壤湿度>82%的样带有6个，植株数较多，平均植株数高达372株，也就是说土壤湿度对于样带中的植株数有非常大的影响，两者之间呈现出非常显著的正相关关系。

3.3 物种多样性指数与土壤湿度关系 4种多样性指数与土壤湿度的样方分布情况如图5所示。从图5可以看出，4个多样性指数与土壤湿度间均存在一定的相关性，但相关性大小有差异。

为了弄清土壤湿度对多样性指数到底有多大的影响，采用CurveExpert软件对9样方的物种多样性与土壤湿度之间进行线型相关分析，结果见表1所示。由表1可知，4个多样性指数与土壤湿度间相关性大小排序为：Pielou均匀度指数（E）>Margalef丰富度指数（Ma）>Simpson多样性指数（D）>Shannon-Weiner多样性指数（H′）。4个相关系数最大值0.45，最小值0.06，平均值仅为0.27，总体相关性较弱。其中，前2个多样性指数与土壤湿度间呈中等相关，主要原因是样方中物种数、植株数与土壤湿度间存在比较显著的相关性;而后2个多样性指数与土壤湿度间仅存在弱相关性，主要原因是样方中物种的平均植株数与土壤湿度间没有显著的相关性，受土壤湿度变化大影响非常小。

4 结语与讨论

通过CurveExpert软件对谢家店恢复植物群落物种多样性与土壤湿度间进行相关性分析，得到结果如下：（1）物种数多样性与土壤湿度间模拟二次多项式方程相关系数为0.81，线性相关系数为0.62，表明两者之间相关性非常显著;（2）植株数与土壤湿度间线性方程拟合的相关系数为0.62，说明二者之间的相关性也比较显著;（3）分别模拟物种多样性4个指数与土壤湿度间的线性方程，均表现出相关性不显著的特点，其中E值最大值为0.45，H′最小为0.06，4个相关系数平均值仅为0.27;多样性4个指数与土壤湿度间相关性大小顺序为：E（Pielou均匀度指数）>Ma（Marglef丰富度指数）>D（Simpson多样性指数）>H′（Shannon-Weiner多样性指数），其中前两者呈中等正相关，后两者为弱正相关。

本研究在选取的植被方面6个指标中，与土壤湿度间相关性分析后发现，除了2个指标表现出弱相关外，其中4个指标均表现出比较显著的相关性。土壤湿度对群落样方中的物种数、植株数有着非常显著的影响，对多样性指数E、Ma值的影响达到中等程度，而对于D、H′值的影响极小。表明该环境中土壤湿度值越大，植物物种数、植株数越多，土壤湿度与群落中物种数、植株数之间有很显著的正相关关系;而植被正处于自然恢复阶段，植株在环境中竞争作用还不激烈，同物种不同植株多以集聚型分布为主，因而，物种多样性指数与土壤湿度间相关性不够显著。在地震重灾区彭州谢家店滑坡体上，退化植物群落在其恢复过程中，土壤湿度起到了非常重要的作用。土壤湿度作为一个重要的环境因子，在植物群落恢复演替过程中必然起到重要的作用。

本研究是基于2017年5月该区样方调查数据分析得到的结果，仅能反映恢复群落的当前情况。为了探明土壤湿度与物种多样性的关系，今后需要更多的关注该区植被恢复过程中两者相关性的动态变化过程。本研究重点关注了环境因子之一的土壤湿度，与植被指标之一的物种多样性，后期还应探讨和加强对主要环境因子与植被主要生态指标之间相关性的研究，明晰在植被恢复的不同阶段，对群落产生影响的主要环境因子，从而通过不同恢复阶段主要环境因子的调控，促进群落植被演替的顺利进行。

参考文献

[1]陈廷贵，张金屯.山西关帝山神尾沟植物群落物种多样性与环境关系的研究——I.丰富度、均匀度和物种多样性指数[J].应用与环境生物学报，2000，6（5）：406-411.

[2]宋创业，郭柯，刘高焕.浑善达克沙地植物群落物种多样性与土壤因子的关系[J].生态学杂志，2008，27（1）：8-13.

[3]张丽霞，張峰，上官铁梁.芦芽山植物群落的多样性研究[J].生物多样性，2000，8（4）：361-369.

[4]Goldberg DE and Miller TE. Effects of different resource additions on species diversity in annual plant community[J]. Ecology，1990（71）：213-225.

[5]安树青，王铮峰，朱学雷，等.土壤因子对次生森林群落物种多样性的影响[J].武汉植物学研究，1997，15（2）：143-150.

[6]杨万勤，钟章成，陶建平.缙云山森林土壤速效p的分布特征及其与物种多样性的关系研究[J].生态学杂志，2001，20（4）：24-27.

[7]侯娜.3种乔木树种的叶温和叶绿素荧光参数对土壤水分胁迫的响应[D].郑州：河南农业大学，2012：2-3.

[8]吴芹.土壤水分对3个造林树种光合生理生化特性的影响[D].济南：山东农业大学，2013：2-7.

[9]吴元芝.黄土区土壤水分对典型植物有效性的研究[D].北京：中国科学院研究生院，2010：37-43.

[10]潘德成，邓春晖，吴祥云，等.矿山复垦区土壤水分时空分布对植被恢复的影响[J].干旱区资源与环境，2014，28（3）：96-100.

[11]李小青.南方稀土尾砂坡地土壤水分及植被恢复空间差异性研究——以江西定南县下庄稀土矿区尾砂坡地为例[D].南京：南京信息工程大学，2012：20-31.