基于CurveExpert的謝家店植物群落物種多樣性與土壤濕度相關性分析

胡翠華 劉守江

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

關鍵詞：物種多樣性;土壤濕度;相關性;曲線大師;謝家店

中圖分類號 Q948/S152.7文獻標識碼 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性生物多樣性的支持系統，物種多樣性是生物多樣性的基本環節，是生物與環境相關的主體[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，也可以反映不同環境與群落的相互關系[2]。群落和生態系統的結構類型、組織水平、發展階段、穩定程度、生境差異等指標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境而言都是一個重要的指標。

土壤是植物生長的重要物質基礎，土壤物理性質、化學性質和土壤母質的不同，都可能影響環境中的植物，從而影響到物種多樣性[2]。土壤的性質與植物群落組成結構、植物多樣性有著密切的關系，并且多年來一直是生態學家研究的熱點[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熒光參數對土壤水分脅迫的響應，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，他們認為土壤水分的不同對植物的葉溫、葉綠素熒光參數，以及光合生態水分對典型植物的有效性方面也進行了深入的研究。尤其是在土壤水分對植被恢復方面，潘德成等[10]研究了礦山復墾區土壤水分時空分布對植被恢復的影響，認為不同樣地，土壤水分的變異系數和有效水分參數不同，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墾區土壤水分的分布狀況，從而有利于植被的快速恢復。李小青[11]對南方稀土尾砂坡地土壤水分與植被恢復空間差異性之間展開了初步研究，認為土壤水分的多少會對植被恢復產生不同的影響，從而表現出空間分異的特點;而史麗麗[12]對土壤水分與植被特征的空間格局之間的關系進行了分析，認為不同的植被群落對土壤水分的影響較為顯著?？傊?，學者們對植被的物種多樣性、土壤理化性質對人工植被的影響都進行了詳細深入的研究，也取得了豐碩的成果。同時也表明在植被人工恢復過程中，土壤水分因子的作用是顯著的。然而，在地震重災區植被自然恢復過程中，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系到底如何？還鮮有報道。

本研究團隊自2009年以來對龍門山地震重災區彭州市謝家店滑坡體上的植被恢復速率、恢復演替階段、物種多樣性等方面進行了深入細致的研究，取得了系列成果。在前期的調查中發現，不同植物群落樣帶土壤狀況有所不同，不同樣帶物種數、植株數也有著顯著差異，兩者之間關系尚不清楚。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區彭州市謝家店滑坡體上正在自然恢復的植物群落為研究對象，探討植物物種數、植株數、物種多樣性指數與土壤濕度之間的相關性，揭示退化生態系統植被恢復過程中土壤濕度對于山地植被自然恢復演替的重要程度，為變脅迫區植物群落生態學研究、生物多樣性保護與管理提供參考。

1 研究區概況

謝家店滑坡體，位于重災區成都市彭州龍門山鎮境內的銀廠溝內（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。該區植被在汶川地震中遭受嚴重破壞，原有植被毀損殆盡。自2009年以來，對該區植被自然恢復能力與速率[13]、恢復植被的物種多樣性[14]進行了調整研究，發現經過近幾年的植被恢復，該滑坡體植被生長良好，群落自然演替進展非常順利，從震后最初的草本群落階段（1～2年），經過灌木草本群落階段（3～6年），到現階段的喬木灌木草本群落階段（7年-）。群落垂直分層結構日趨清晰而顯著，喬木、灌木、草本、地被層的分化完整而豐富。

2 數據來源與處理方法

2.1 數據來源 2017年5月，采用樣方法調查研究區植物群落?？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設置1個樣帶，從下往上分別為樣帶1～9，共9個樣帶。在每個樣帶內設置20m×20m喬木樣方2個，每個喬木樣方內設置5m×5m灌木樣方2個，每個灌木樣方內設置1m×1m草本樣方2個，一共有喬木樣方10個，灌木樣方36個，草本樣方72個，其中樣帶6～9沒有發現喬木。記錄每個樣方內植物物種名稱及其植株數，匯總到各樣帶計算出物種數、植株數、多樣性指數。土壤濕度采用TRS-II型土壤濕度計工具測定，每個樣帶內隨機布設4個點，測定土壤濕度，用平均值代表該樣帶的土壤濕度。

2.2 數據處理方法 采用物種多樣性公式[15]計算出個樣帶的物種多樣性：

Shannon-Weiner指數：H′=-∑（pi·log2pi） （1）

Pielou均勻度指數（E）：E=H′/lnS （2）

Simpson多樣性指數（D）：D=1-∑Pi2 （3）

Margalef豐富度指數（Ma）：Ma=（S-1）/lnN （4）

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

各樣帶物種數、植株數、物種多樣性指數與土壤濕度間相關性采用CurveExpert曲線專家軟件統計分析。

3 結果與分析

3.1 物種數與土壤濕度關系 9個樣帶植物物種數與土壤濕度關系如圖1所示。由圖1可知，各樣帶平均物種數為17.22，樣帶6，7物種數最多，分別是25、24種，物種數最少的是樣帶8、9，均為12種。土壤濕度變動較大，平均值為78.83%，最小值61.8%出現在樣帶4中，最大值90.1%出現在樣帶7中。

采用CurveExpert軟件對9個樣帶物種數與土壤濕度間進行線性相關性分析，如圖2（a）所示。發現兩者之間線性擬合關系：y=a+bx，標準差為4.07，相關系數為0.62，其中參數a=-6.18，b=2.97x10-1。表明9樣帶中，物種數與土壤濕度間相關性比較顯著，總體上是土壤濕度越大的樣帶，其物種數也更加豐富。但物種數最多是樣帶6，其土壤濕度并非是最大值，說明兩者之間相關性不特別顯著，主要原因可能是該區植被正處在快速演替過程中，各樣帶土壤濕度差異較大，環境還不夠穩定。

另外，對物種數與土壤濕度兩者之間，進行多種相關模型擬合，篩選出相關性最高的關系式，如圖2（b）所示，為二次多項式：y=a+bx+cx2，標準差為3.30，相關系數為0.81，其中參數a=2.12x102，b=-5.55，c=3.85x10-2。土壤濕度介于69.2-82%時，樣帶中物種數較少僅有12種，為一個物種數的低值區。當土壤濕度<69.2%時，隨土壤濕度減小物種數略有增加;當土壤濕度>82%時，隨土壤濕度增大物種數上升明顯。說明物種數受土壤濕的度影響較大，但不是簡單的線性關系。

3.2 植株數與土壤濕度關系 9個樣帶植株數與土壤濕度關系如圖3所示。由圖3可知，各樣帶平均植株數為293.22，樣帶1和8植株數最多，分別是603和462種，植株數最少的是樣帶9，只有78株。

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

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

3.3 物種多樣性指數與土壤濕度關系 4種多樣性指數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個多樣性指數與土壤濕度間均存在一定的相關性，但相關性大小有差異。

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

4 結語與討論

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

本研究在選取的植被方面6個指標中，與土壤濕度間相關性分析后發現，除了2個指標表現出弱相關外，其中4個指標均表現出比較顯著的相關性。土壤濕度對群落樣方中的物種數、植株數有著非常顯著的影響，對多樣性指數E、Ma值的影響達到中等程度，而對于D、H′值的影響極小。表明該環境中土壤濕度值越大，植物物種數、植株數越多，土壤濕度與群落中物種數、植株數之間有很顯著的正相關關系;而植被正處于自然恢復階段，植株在環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，物種多樣性指數與土壤濕度間相關性不夠顯著。在地震重災區彭州謝家店滑坡體上，退化植物群落在其恢復過程中，土壤濕度起到了非常重要的作用。土壤濕度作為一個重要的環境因子，在植物群落恢復演替過程中必然起到重要的作用。

本研究是基于2017年5月該區樣方調查數據分析得到的結果，僅能反映恢復群落的當前情況。為了探明土壤濕度與物種多樣性的關系，今后需要更多的關注該區植被恢復過程中兩者相關性的動態變化過程。本研究重點關注了環境因子之一的土壤濕度，與植被指標之一的物種多樣性，后期還應探討和加強對主要環境因子與植被主要生態指標之間相關性的研究，明晰在植被恢復的不同階段，對群落產生影響的主要環境因子，從而通過不同恢復階段主要環境因子的調控，促進群落植被演替的順利進行。

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（責編：張宏民）