向凯旋 张喜 刘济明 薛建辉 崔迎春 吴永波

摘要：【目的】分析不同类型柏木林林分的植物多样性指数与白云岩土壤主要理化指标的相关性，为评价柏木在白云岩石漠区植被恢复及土壤质量改善中的应用价值提供参考依据。【方法】以黔中由径级和林型组合成的不同类型柏木林为研究对象，进行林分类型划分、主要结构指标测定、植物多样性指数计算及A层和B层土壤主要理化指标比较;分析各林分植物多样性指数与土壤理化指标的相关性。【结果】调查样地按柏木平均径级和株数比例可划分为小径级和中径级的柏木纯林、柏木混交林、天然林及大径级的柏木混交林等7个类型林分。随林分径级的增大，柏木混交林的平均胸径和高度增加，密度在中径级类型林分最低;柏木纯林和天然林的平均胸径和高度增加，密度降低。柏木混交林乔木层植物的物种丰富度指数（Margalef）和Shannon-Wiener多样性指数（H）呈大径级类型林分>中径级类型林分>小径级类型林分的变化趋势，生态优势度指数（Simpson）和均匀度指数（Pielou）在中径级类型林分较高;天然林乔木层植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指数随林分径级的增大而升高。相同类型林分不同径级和相同径级不同类型林分的土壤密度和pH表现为A层土壤<B层土壤，最大持水量、总孔隙度、有机质、水解氮、速效钾、阳离子交换量和交换性盐基总量表现为A层土壤>B层土壤。相关性分析结果表明，植物多样性指数对A层土壤主要理化指标影响的显著性（P<0.05）数量多于对B层土壤;Pielou指数与A层和B层土壤主要理化性质无显著相关性（P>0.05）。【结论】黔中柏木林林分以小径级和混交林为主要特征。柏木是适宜白云岩石漠区造林的重要树种，但造林时应对树种进行合理配置，实施林分改造技术，使柏木人工造林与天然更新相结合。

关键词： 柏木;林分结构;植物多样性;土壤理化指标;相关性;白云岩石漠化区

中图分类号： S725.2                                文獻标志码： A 文章编号：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

【研究意义】喀斯特石漠化是自然、社会及经济交互作用的产物（王世杰等，2003），所形成的水土流失及石漠化现象已成为制约我国西南地区实现可持续发展的主要生态问题之一（Zhang et al.，2010）。土壤和植被是陆地生态系统的重要组成部分，是研究植物群落更替不可或缺的内容，石漠化治理的重要途径之一就是恢复已被破坏的植被。喀斯特石漠化包括石灰岩石漠化和白云岩石漠化两种类型，前者岩石裸露、微生境多样，历来为石漠区植被恢复的重点;后者喀斯特地貌发育微弱，土被连续且浅薄、表层剥蚀严重，土壤养分贫瘠、石砾含量高，是石漠化治理中较易被忽视且植被恢复较困难的类型。柏木（Cupressus funebris Endl）自然分布广泛，耐干旱贫瘠，在微酸至微碱性土壤均能生长，在土层深厚且环境湿润的钙质土上生长较快（冯大兰等，2013），树干通直高大，木材质地坚硬，果实可榨油，叶和枝富含芳香油类，既是重要的生物能源树种，又是白云岩石漠区重要的造林树种。目前，有关喀斯特石漠区植物对土壤高钙含量特性适应、植被恢复树种选择及植物多样性对土壤理化特性影响（郭柯等，2011;张喜等，2016;向凯旋等，2017）等方面的研究尚存在诸多疑惑。因此，探讨黔中地区柏木林主要类型及植物多样性指数与白云岩土壤主要理化指标的相关性，对评价柏木在白云岩石漠区植被恢复及土壤质量改善中的应用价值具有重要意义。【前人研究进展】植物多样性是衡量植物群落结构与功能的重要指标（黄建辉等，2001;Graham-Rowe，2011;Midgley，2012），可反映植被的恢复程度（王永健等，2006;张喜等，2007），对土壤理化特性也产生重要影响（王莉莉和张喜，2013;盛茂银等，2015;张喜等，2016）。石灰岩石漠化和白云岩石漠化的差异不仅表现在石漠化速率（王尚彦等，2009）、生境特性（王德炉等，2005;孟凡德等，2015）、植物叶片钙形态（曹建华等，2011）及植物多样性（侯满福和蒋忠诚，2006）方面，还表现在大尺度植被类型组合及时空变化上（徐艳芳等，2016）。田大伦等（2011）、崔高仰等（2017）研究认为，土壤的理化特性可在植物群落演替过程中得到改善，土壤也会对群落的生态过程产生影响。在植物多样性与石灰土土壤理化指标的相关性方面，王德炉等（2005）、王尚彦等（2009）、孟凡德等（2015）研究发现，白云岩石漠化与石灰岩石漠化存在差异;Zhang等（2010）、崔高仰等（2017）研究认为，土地利用方式对石灰土土壤质量具有明显影响;田大伦等（2011）研究显示，喀斯特地区不同植被恢复模式与幼林生态系统碳储量密切相关;王莉莉和张喜（2013）研究表明，黔中山地喀斯特次生林乔木层植物多样性与土壤养分具有一定的相关性;盛茂银等（2015）研究认为，贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质密切相关。【本研究切入点】目前，有关四川盆地及紫色砂页岩柏木林的研究较多（向成华等，2005;冯大兰等，2013），针对石灰岩地区柏木林的研究较少（何跃军等，2005;姜培坤等，2007），而关于黔中喀斯特白云岩石漠区柏木林的研究尚无报道。【拟解决的关键问题】研究黔中地区柏木林在不同生长阶段的林分类型、林分结构特征和土壤主要理化指标，分析植物多样性与土壤主要理化指标的相关性，为发挥柏木在白云岩石漠区植被恢复及土壤质量改善中的作用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

試验在贵州省贵阳市东北部的贵州喀斯特森林生态站开阳试验区进行。贵州省开阳县地处东经106°45′～107°17′、北纬26°48′～27°22′，海拔259～1532 m（大部分>1000 m）（张喜等，2007;王莉莉和张喜，2013）。年均气温10.6～15.3 ℃，年日照时数898.1～1084.8 h，无霜期224～295 d，年均降水量1200 mm，年均降水期205 d。属亚热带湿润气候，冬暖夏热，四季分明，冬季多雾。主要土壤种类为黄色石灰土、红色石灰土、黑色石灰土、棕色石灰土和黄壤等。地带性森林植被为常绿阔叶林，喀斯特植被为常绿落叶阔叶混交林。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 样地调查 在试验区白云岩母岩及石灰土小班内，选择柏木纯林和混交林设30个调查样地，每个样地面积为20 m×20 m，其内设灌木层和草本层植物调查样方3个，面积为5 m×5 m或1 m×1 m。对样地（样方）中乔木逐株记录胸径和高度，按种统计株数，对灌木按种记录平均地径、高度及株数，对草本植物按种记录平均高度及株数。调查样地的海拔为1060～1395 m，属高原丘陵地貌，坡位以中部和下部为主，坡度3°～45°，土壤为黑色石灰土或黄色石灰土，石漠化等级为轻度—中度;A层土壤平均厚度14 cm、变幅5～38 cm，石砾平均含量11.59%、变幅5.00%～20.00%;B层土壤平均厚度18 cm、变幅2～35 cm，石砾平均含量33.12%、变幅5.00%～60.00%。样地乔木层植物平均郁闭度46.5%、变幅10.0%～75.0%;灌木层植物平均盖度74.1%、变幅30.0%～95.0%;草本层植物平均盖度57.5%、变幅12.0%～96.0%。

1. 2. 2 土壤样品采集与分析 在各样地内选取有代表性的3个采样点并挖掘土壤剖面，分别于剖面A层和B层各提取土壤环刀1牧，共取样180牧;分别在土壤剖面A、B层等量取样各1份，同一样地的同层土壤分别混合均匀并装入土袋，取约1.0 kg成混合土样1份，共60份。所取土样带回实验室，参考《森林土壤分析方法》（国家林业局，1999）的方法进行处理和主要理化指标分析。

1. 2. 3 径级划分 按《贵州省森林资源二类调查技术规程（2014—2016）》中林型的划分方法确定柏木林分类型，将柏木株数≤1%、1%<株数<65%和株数≥65%的调查样地分别划分为天然林、柏木混交林（柏木+其他树种）和柏木纯林3种林型。柏木混交林和柏木纯林依据调查样地内柏木胸径径级—株数分布曲线，删除个别孤立木后，用柏木平均胸径代替样地年龄，天然林用林分平均胸径代替样地年龄，并将径级≤5.0 cm、5.0<径级<10.0 cm和径级≥10.0 cm分别划分为小径级、中径级和大径级3个径级类型。由径级和林型组合成不同柏木林类型。

1. 2. 4 林分主要结构指标 林分结构是林分特征的重要内容，本研究选择柏木混交林、柏木和其他树种的林分密度、平均胸径和高度3个林分主要结构指标进行分析。

1. 3 统计分析

参照张金屯（2004）的方法计算植物多样性指数[物种丰富度指数（Margale）、生态优势度指数（Simpson）、Shannon-Wiener多样性指数（H）和均匀度指数（Pielou）]。

Margale指数=[S-1lnN]

Simpson指数 = 1-[S=1SNi（Ni-1）N（N-1）]

H =-[S=1SPilnPi]

Pielou指数 =[HlnS]

式中，S为物种数，Ni为第i个种的个体数目，N为所有物种个体数之和，Pi表示第i个种的相对多度，Pi=Ni/N。

试验数据采用Excel 2007和SPSS 18.0进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 柏木林林分类型的划分结果

依据柏木径级分级及株数比例可将调查样地划分为7个类型（表1），包括小径级柏木纯林、小径级柏木混交林、小径级天然林、中径级柏木纯林、中径级柏木混交林、中径级天然林及大径级柏木混交林。由表1可知，柏木林分中的小径级、中径级和大径级样地分别占53.33%、30.00%和16.67%，柏木纯林、柏木混交林和天然林分别占13.33%、53.33%和33.33%。说明研究区柏木林以小径级和柏木混交林为主要特征。

2. 2 柏木林林分主要结构指标的变化情况

由表2可知，柏木林林分中小径级柏木纯林、柏木混交林和天然林的密度、平均胸径及高度均无显著差异（P>0.05，下同）;小径级林分的平均胸径和高度排序为天然林>柏木纯林>柏木混交林，密度排序为天然林>柏木混交林>柏木纯林;中径级林分的密度、平均胸径和高度排序均为天然林>柏木混交林>柏木纯林。说明不同类型小径级和中径级林分主要结构指标间的变化趋势存在差异，但天然林均为优势林分。随径级的增加，天然林和柏木纯林的密度均下降，平均胸径和高度均增大。柏木混交林的密度、平均胸径和高度在大径级达最大值，即作为大径级中唯一林分类型的柏木混交林比天然林和柏木纯林更具优势，说明柏木作为白云岩石漠区造林树种时应对树种进行合理配置。

由表3可知，小径级、中径级和大径级柏木、其他树种和柏木混交林的密度差异均不显著;中径级和大径级柏木、其他树种和柏木混交林的平均胸径和高度差异也不显著，但其中柏木和柏木混交林的平均胸径和高度显著大于小径级柏木和柏木混交林（P<0.05，下同）;随径级的增加，柏木和柏木混交林的平均胸径和高度增大，柏木的密度下降，柏木混交林密度则以中径级的最小，大径级的最大，其他树种的密度增大。在不同径级中，与柏木和其他树种相比，柏木混交林的密度明显较大，平均胸径和高度处于居中水平。说明相同条件下柏木混交林可能更具竞争力。

综上所述，相同径级不同类型及不同径级相同类型柏木林林分主要结构指标的变化规律基本符合林分生长的一般规律。

2. 3 植物多样性指数的变化情况

由表4可知，柏木混交林乔木层植物的Margalef和H指数排序为大径级类型>中径级类型>小径级类型，但大径级类型与中径级类型、中径级类型与小径级类型间差异不显著;Simpson和Pielou指数在中径级类型最高，但与小径级和大径级类型差异不显著。灌木层和草本层植物的Margalef指数随径级增大而升高，但相互间差异不显著;H、Simpson和Pielou指数在中径级类型最低，但仅灌木层中径级类型的Pielou指数显著低于小径级和大径级类型。

天然林乔木层和灌木层植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指数随林分径级增大而升高，但相互间差异不显著;草本层植物的Margalef、H、Simpson和Pielou指数随林分径级增大而降低，但相互间差异不显著。

柏木纯林乔木层植物的多样性指数在不同径级间无显著差异;灌木层植物的多样性指数排序为小径级类型>中径级类型，相互间差异不显著;草本层植物的Margalef和H指数排序为小径级类型>中径级类型，Simpson和Pielou指数排序为小径级类型<中径级类型，相互间也无显著差异。

由表4还可看出，相同径级林分乔木层植物的Margalef、H和Simpson指数排序为天然林>柏木混交林>柏木纯林，即同径级下柏木纯林群落的复杂程度较其他两种林分低;相同径级不同类型及不同径级相同类型柏木林林分Margalef、H、Simpson和Pielou指数的变化规律基本符合林分生长的一般規律。说明造林时应避免营造纯林，并实施林分改造技术，使人工造林与天然更新相结合，积极营造混交林。

2. 4 林分土壤主要理化指标的变化情况

由表5和表6可知，样地土壤的主要理化指标在柏木林不同径级及林分类型间无显著差异;除中径级柏木混交林A层土壤的密度和pH与B层土壤相同外，其他林分类型A层土壤的密度和pH均小于B层土壤;A和B层土壤的pH为6.57～7.05，均呈中性;最大持水量、总孔隙度、有机质含量、水解氮含量、速效钾含量、阳离子交换量和交换性盐基总量均为A层土壤>B层土壤。总体而言，除个别指标外，柏木林土壤主要理化指标呈A层土壤>B层土壤的趋势。

2. 5 乔木层植物多样性与土壤理化指标的相关性

由表7可知，乔木层植物的Margalef指数与A层土壤密度呈显著负相关，与全磷含量呈极显著负相关（P<0.01，下同），与最大持水量呈显著正相关，与有机质含量和全钾含量呈极显著正相关，与B层土壤非毛管孔隙度和有机质含量呈显著正相关，与全钾含量呈极显著正相关。Simpson指数与A层土壤有机质含量、水解氮含量和全钾含量呈显著正相关，与全磷含量呈极显著负相关，与B层土壤非毛管孔隙度呈显著正相关。H指数与A层土壤有机质含量、水解氮含量和全钾含量呈显著正相关，与全磷含量呈极显著负相关，与B层土壤非毛管孔隙度和全钾含量呈显著正相关。Pielou指数与A、B层土壤主要理化指标无显著相关。从表7还可看出，乔木层植物多样性指数对A层土壤主要理化指标影响的显著性数量多于B层土壤。说明表层土壤理化指标与乔木层植物多样性的相关性更明显，实践中应充分考虑喀斯特地区表层土壤的土壤条件，对表层土壤进行跟踪调查。

3 讨论

本研究结果表明，按柏木径级及株数比例可将调查样地划分为7个类型;相同径级不同类型及不同径级相同类型柏木林林分主要结构指标及Margalef、H、Simpson和Pielou指数的变化规律基本符合林分生长的一般规律，与向成华等（2005）、王永健等（2006）、Graham-Rowe（2011）、徐艳芳等（2016）的研究结果一致。白云岩石漠区土层浅薄、石砾含量高（王世杰等，2003;王德炉等，2005;王尚彦等，2009），水土流失严重（张喜等，2007;Zhang et al.，2010;孟凡德等，2015），柏木种子萌发和幼苗存活受到制约（陈芳清等，2008），因此，造林时应注意造林地的选择及造林结构的合理性，并配置合理的幼林抚育技术。本研究应用柏木胸径的径级—株数分布曲线删除部分特异柏木后，以平均胸径替代样地年龄，由径级和林型组合成不同类型柏木林，进行林分类型划分、主要结构指标测定、植物多样性指数计算及A层和B层土壤主要理化指标比较，其中中径级柏木出现混交林乔木层Simpson和Pielou指数及其他树种的平均胸径和高度较高的现象，具体原因有待进一步分析。

本研究中，柏木林不同径级及林分类型间同层土壤的主要理化指标差异不显著，与Zhang等（2010）、冯大兰等（2013）、孟凡德等（2015）、张喜等（2016）、崔高仰等（2017）的研究结果相似，但仍有必要进一步探究白云岩石漠区土壤碳库（姜培坤等，2007;田大伦等，2011）和酶活性（何跃军等，2005;冯大兰等，2013）等指标的变化规律，才能更系统地对石漠区柏木林进行深层次研究，以寻求更适合石漠区植被恢复的途径。

本研究结果显示，乔木层植物的多样性指数与土壤主要理化指标间呈不同程度的相关性，与已有研究结果（王莉莉和张喜，2013;盛茂银等，2015;张喜等，2016）存在差异。黄建辉等（2001）、Midgley（2012）也研究认为，植物多样性的生态系统和土壤生态系统功能具有复杂性，在植被恢复过程中，植物多样性变化如气候类型、物种结构及人为活动等均会对其产生影响。因此，本研究中白云岩石漠区柏木林土壤主要理化指标与植物多样性指数的相关性还有待进一步验证。

4 结论

黔中柏木林林分以小径级和混交林为主要特征。在不同径级中，与柏木和其他树种相比，柏木混交林的密度较大，平均胸径和高度处于居中水平，造林时应避免营造纯林，积极营造混交林。柏木是适宜白云岩石漠区造林的重要树种，但造林时应进行合理配置，实施林分改造技术，使柏木人工造林与天然更新相结合。

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（责任编辑 思利华）