木論喀斯特森林木本植物多樣性垂直格局

蘭斯安, 宋 敏,3, 曾馥平, 宋同清,*, 彭晚霞, 杜 虎, 韓 暢,4, 陳 莉,4, 覃文更

1 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410125 2 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站, 環(huán)江 547100 3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128 4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128 5 廣西壯族自治區(qū)木論國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,環(huán)江 547200

木論喀斯特森林木本植物多樣性垂直格局

蘭斯安1,2, 宋 敏1,2,3, 曾馥平1,2, 宋同清1,2,*, 彭晚霞1,2, 杜 虎1,2, 韓 暢1,2,4, 陳 莉1,2,4, 覃文更5

1 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410125 2 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站, 環(huán)江 547100 3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128 4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128 5 廣西壯族自治區(qū)木論國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,環(huán)江 547200

基于木論國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)西南坡一條垂直樣帶 16個(gè)樣方的調(diào)查資料,運(yùn)用豐富度指數(shù)、物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)對(duì)木論喀斯特森林木本植物多樣性的垂直格局進(jìn)行研究。結(jié)果表明：(1) 在16個(gè)樣方中共記錄植株5089個(gè),分屬48科90屬120種。(2) 喀斯特森林木本植物群落具有明顯的垂直分布格局,采用等級(jí)聚類(lèi)和非度量多維標(biāo)度排序方法可將植物群落沿海拔梯度劃分為 3個(gè)類(lèi)型,分別是：下坡位以小果厚殼桂(Cryptocaryaaustrokweichouensis)和灰?guī)r棒柄花(Cleidionbracteosum) 為主要優(yōu)勢(shì)種的群落；中坡位以長(zhǎng)管越南茜(Rubovietnamiaaristata)和羅傘(Brassaiopsis glomerulata)為主要優(yōu)勢(shì)種的群落；上坡位以化香樹(shù)(Platycaryastrobilacea)和密花樹(shù)(Rapaneaneriifolia)為主要優(yōu)勢(shì)種的群落。沿海拔梯度升高,水熱組合發(fā)生變化,地帶性植被以及群落內(nèi)的建群種和優(yōu)勢(shì)種都發(fā)生了變化。(3) 物種生活型方面,常綠樹(shù)種所占的比例高于落葉闊葉樹(shù)種,針葉樹(shù)種僅出現(xiàn)在山頂。(4) 沿海拔梯度物種豐富度及α多樣性指數(shù)中的 Shannon-Wiener 指數(shù)曲線(xiàn)均符合單峰格局,峰值出現(xiàn)在坡腰位置。(5)β多樣性指數(shù)起伏較大,總體上β多樣性隨著海拔的升高呈遞減的趨勢(shì)。

垂直格局；α多樣性；β多樣性；木本植物；喀斯特

植物多樣性的空間分布格局是植被生態(tài)學(xué)研究的核心,可以進(jìn)一步揭示生物多樣性的維持機(jī)制。例如,山地植物群落的物種多樣性如何隨海拔梯度的變化一直是生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1- 3]。而且由于環(huán)境因子沿海拔梯度的變化要比沿緯度梯度快1000倍[4]。沿環(huán)境梯度不同生活型的物種多樣性差異較大,木本植物具有比草本植物更為明確的分布格局[5]。因此,研究木本植物多樣性的海拔梯度格局對(duì)于揭示生物多樣性隨環(huán)境梯度的變化規(guī)律具有重要意義[6- 7]。

桂西北喀斯特山地既是廣西生物多樣性研究熱點(diǎn)區(qū)域之一,也是我國(guó)生物多樣性3個(gè)特有分布中心之一[8- 9]。木論國(guó)家自然保護(hù)區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣西北部,與貴州省茂蘭國(guó)家自然保護(hù)區(qū)連片構(gòu)成當(dāng)今世界上分布面積最廣、保護(hù)最好、原生性最強(qiáng)的喀斯特非地帶性植被區(qū),受地球內(nèi)動(dòng)力、強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、高溫多雨且分布不均、碳酸鹽巖溶蝕性強(qiáng)、水文二維結(jié)構(gòu)明顯以及其適生植物具有嗜鈣性、耐旱性和石生性等限制特點(diǎn)的綜合影響,其生境和植被具有高度異質(zhì)性。同時(shí),該保護(hù)區(qū)位于我國(guó)植物區(qū)系的相匯交錯(cuò)區(qū)和交接過(guò)渡的中心地帶[10]。從地貌類(lèi)型來(lái)看,該區(qū)域?qū)儆诳λ固胤鍏餐莸氐孛病Ｇ叭搜芯勘砻?峰叢洼地集中分布在西南喀斯特地區(qū)南部斜坡地帶,面積約12.5萬(wàn)km2[11],其特點(diǎn)為絕對(duì)高差小、水熱條件差異大、植被垂直變化明顯、景觀異質(zhì)性強(qiáng)、巖石裸露率高、土層淺薄、土壤稀少而干燥且以石生植物為主,頂極群落具備生境復(fù)雜、植被生產(chǎn)力低、生物種類(lèi)多樣等總體特征[12]。喀斯特原生性森林是喀斯特植被演替的頂級(jí)群落,對(duì)深入研究喀斯特的植被演替或恢復(fù)具有重要參考價(jià)值。

盡管諸多學(xué)者已對(duì)云南哈巴雪山、秦嶺太白山、廣東鼎湖山、海南尖峰嶺以及神龍架地區(qū)的植物多樣性海拔梯度分布格局進(jìn)行了研究[13- 18],但其研究結(jié)果不一定適用于亞熱帶喀斯特森林。雖然已有一些研究報(bào)導(dǎo)了喀斯特森林植被的空間格局[12,19- 22],但由于受到樣地大小或樣地形狀的限制,尚不能全面反映其多樣性與海拔梯度的聯(lián)系。為此,本研究通過(guò)建立一條從洼地到山頂?shù)莫M長(zhǎng)樣帶來(lái)分析喀斯特森林的群落類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及其物種多樣性沿海拔梯度的變化趨勢(shì),以期為深入了解喀斯特原生性森林植物群落分布格局、闡明喀斯特退化植物群落的穩(wěn)定性機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

木論國(guó)家自然保護(hù)區(qū)(107°54′01″—108°05′51″E,25°07′01″—25°12′22″N)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣的西北部(圖1),東西寬19.80 km,南北長(zhǎng)10.75 km,林區(qū)總面積89.69 km2,屬于中亞熱帶石灰?guī)r區(qū)常綠落葉闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng),是我國(guó)生物區(qū)系相匯交錯(cuò)區(qū)和交接過(guò)渡的中心,生境異質(zhì)性極高,區(qū)系成分復(fù)雜,生物種類(lèi)豐富,生態(tài)環(huán)境脆弱,是目前世界上喀斯特地區(qū)保存最完好、面積最大的原生林,森林覆蓋率達(dá)94.8%,其典型景觀單元為峰叢洼地。研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫19.3°C,極端最高溫36°C,極端最低溫- 5°C,1月平均3.4—8.7℃,7月平均23.0—26.7°C,≥10°C年活動(dòng)積溫6260°C,無(wú)霜期為310 d。年均日照1451.1 h,占1年可照時(shí)數(shù)(4422 h)的32.8%,月平均日照以7月份最多(190.7 h),2月份最少(61.5 h),年均降水量1529.2 mm (海拔420 m),降水集中在4—8月,占全年降水量的73.7%,林內(nèi)陰濕,年均相對(duì)濕度79%,干燥度為0.69,濕潤(rùn)度為1.46(K>1.0)?；鶐r裸露達(dá)80%—90%,土被面積不足20%,土壤發(fā)育于白云巖、石灰?guī)r的石灰土[23]。

圖1 研究區(qū)及樣地的地理位置Fig.1 The location of study area and the investigated plots

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

本研究旨在反映喀斯特森林植物多樣性的海拔梯度格局,因此,在保護(hù)區(qū)內(nèi),從洼地底部至山頂建立一條較為整齊的森林群落樣帶,樣帶寬20 m,長(zhǎng)320 m,樣帶最低點(diǎn)海拔448.6 m,最高點(diǎn)海拔633.8 m。坡度范圍11.8—57.5 °,主坡向?yàn)槲髂?。整個(gè)樣帶包括16個(gè)投影面積20 m×20 m的連續(xù)樣方,樣方的4個(gè)角用水泥樁做永久標(biāo)記,在每個(gè)20 m×20 m的樣方用插值法細(xì)分為4個(gè)10 m×10 m和16個(gè)5 m×5 m的小樣方。以5 m ×5 m 小樣方為基本測(cè)量單元,按順時(shí)針掛牌標(biāo)記樣方內(nèi)每個(gè)胸徑(DBH)≥1 cm的木本植物個(gè)體,記錄物種名稱(chēng)、測(cè)定樹(shù)木的胸徑、樹(shù)高和冠幅、坐標(biāo)和植物生長(zhǎng)狀況(斜生、斷頂、倒伏等)；利用GPS(Trimble XT6000)、手持羅盤(pán)測(cè)定每一調(diào)查樣地的經(jīng)緯度、海拔高度、坡度和坡向。調(diào)查樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 調(diào)查樣地基本情況

1.2.2 物種豐富度及其結(jié)構(gòu)成分

(1) 物種豐富度 統(tǒng)計(jì)樣帶中維管束植物的科、屬、種數(shù),計(jì)算各樣方內(nèi)屬數(shù)/科數(shù)、種數(shù)/屬數(shù)、種數(shù)/科數(shù)的比值。

(2) 生態(tài)成分 根據(jù)物種的生活型、落葉性劃分不同的生態(tài)成分,并計(jì)算其比值。

1.2.3 群落數(shù)量分類(lèi)和排序

采用等級(jí)聚類(lèi)分析(Hierarchical Cluster Analysis)方法,依據(jù)喬木層優(yōu)勢(shì)種重要值對(duì)樣方進(jìn)行聚類(lèi)分析；同時(shí),采用非度量多維標(biāo)度排序(Non-metric Multidimensional Scaling,NMS)法進(jìn)行矩陣排序。其中重要值計(jì)算方法為：

IV=(A+D+F)/3

式中,A為相對(duì)多度,指每個(gè)種的多度占所有種多度之和的百分比；D為相對(duì)優(yōu)勢(shì)度,指每個(gè)種的胸高斷面積之和占所有種個(gè)體胸高斷面積之和的百分比；F為相對(duì)頻度,指每個(gè)種的頻度占所有種頻度之和的百分比。

1.2.4 多樣性測(cè)度

豐富度指數(shù)S

S=樣方內(nèi)物種數(shù)

多樣性指數(shù)Pielou均勻度指數(shù)

Jsw=-(∑PilnPi)/lnS

Shannon-Wiener指數(shù)

Simpson指數(shù)

D=1-∑(Ni/N)2

式中,Pi=Ni/N為第i個(gè)物種的個(gè)體在樣地中所占的比例；N為所有種的個(gè)體總數(shù)；s為種數(shù)；Ni為第i種的個(gè)體數(shù)。

Bray-Curtis 指數(shù)

CN= 2jN/(Na+Nb)

式中,Na為樣地a的所有物種個(gè)體數(shù)目和,Nb為樣地b的所有物種個(gè)體數(shù)目和,jN為樣地a和b共有種中個(gè)體數(shù)目較小者之和,即jN=∑min(jNa,jNb)。

所有統(tǒng)計(jì)分析均在R軟件(R Development CoreTeam,2009)中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 物種組成與分類(lèi)

2.1.1 群落種類(lèi)組成

本次調(diào)查的16個(gè)森林群落樣方中喬木層共記錄到5089個(gè)胸徑≥1.0 cm的植株,喬木樹(shù)種120 種,隸屬于48科90屬,其中有落葉樹(shù)種21科37屬49種,常綠樹(shù)種34科58屬70種,針葉樹(shù)種僅有1種,落葉與常綠樹(shù)種分別占總數(shù)的40.83%和58.33%。樣地中重要值>10.00的物種共有25種,占總種數(shù)的20.8%,占總重要值的28.4%；樣帶中屬于單屬、單種的科有17種,占總科數(shù)的35.4%,而含有2個(gè)屬以下的科共有34個(gè),占總科數(shù)的70.8%；種數(shù)大于5的科有樟科(Lauraceae)、蕓香科(Rutaceae)、薔薇科(Rosaceae)、茜草科(Rubiaceae)和大戟科(Euphorbiaceae)5個(gè)科。種數(shù)最多的科為大戟科(14種)。

由表2可知,洼地中多以小果厚殼桂(Cryptocaryaaustrokweichouensis)、梔子皮 (Itoaorientalis)為主,巖石裸露率高的樣方以灰?guī)r棒柄花(Cleidionbracteosum)、長(zhǎng)管越南茜(Rubovietnamiaaristata)、羅傘(Brassaiopsisglomerulata)為主,其次還有密榴木 (Miliusachunii)；隨海拔上升,陸續(xù)出現(xiàn)廣西密花樹(shù)(Rapaneakwangsiensis)、化香樹(shù)(Platycaryastrobilacea)、密花樹(shù) (Rapaneaneriifolia)、羅城鵝耳櫪(Carpinusluochengensis),山頂則以清香木(Pistaciaweinmannifolia)、化香樹(shù)、密花樹(shù)和米念芭(Tirpitziaovoidea)為主。

表2 各樣地重要值大于5的物種

不同分類(lèi)等級(jí)之間的數(shù)量比(圖2) 基本上反映了該樣帶不同植物群落類(lèi)型在物種組成方面的差異。種數(shù)/科數(shù)、種數(shù)/屬數(shù)、屬數(shù)/科數(shù)的比值是對(duì)植物區(qū)系分化強(qiáng)度的反映,其值低則表示寡種屬多,區(qū)系的古老和殘遺性強(qiáng)；其值高,則表明多種屬比例大,反映區(qū)系的物種分化強(qiáng)烈。由圖2可知各比例的最大值出現(xiàn)在y11樣方(海拔502.1 m)。

2.1.2 群落生活型

從圖 3可以看出,針葉樹(shù)種僅出現(xiàn)在13和14樣方,這可能與較高海拔的低溫有關(guān)?？傮w來(lái)看,在整個(gè)海拔梯度上,常綠樹(shù)種的重要值比重始終遠(yuǎn)高于落葉樹(shù)種,表明該區(qū)域植物群落構(gòu)成以常綠樹(shù)種為主。

圖2 不同系統(tǒng)等級(jí)分類(lèi)單元的多樣性梯度Fig.2 Altitudinal gradient of diversity of units at different taxonomic levels

圖3 不同生活型植物重要值百分比沿海拔梯度的變化Fig.3 The altitudinal patterns of IV percentage in different life forms

2.1.3 群落分類(lèi)與排序

綜合等級(jí)聚類(lèi)分析和NMS排序結(jié)果,16個(gè)樣地被明顯地分為了3個(gè)類(lèi)型：第Ⅰ類(lèi),是以小果厚殼桂和灰?guī)r棒柄花為主要優(yōu)勢(shì)種的群落,包括1、2、3、4、5、6號(hào)樣地。第II類(lèi),是以長(zhǎng)管越南茜和羅傘為主要優(yōu)勢(shì)種的群落、包括7、8、9、10、11號(hào)樣地；第III類(lèi),是以化香樹(shù)和密花樹(shù)為主要優(yōu)勢(shì)種的群落、包括12、13、14、15、16號(hào)樣地。等級(jí)聚類(lèi)分析和NMS排序方法得出結(jié)果的一致,說(shuō)明分類(lèi)結(jié)果的合理性。另外,數(shù)量分類(lèi)的結(jié)果與現(xiàn)地植被類(lèi)型的分布格局相符,同樣印證了分類(lèi)結(jié)果的合理性。

圖4 群落樣方的聚類(lèi)分析Fig.4 Cluster analysis classification of the community

圖5 非度量多維標(biāo)度(NMS)排序Fig.5 Non-metric multidimensional scaling (NMS) of the species × attributes matrix

2.2 物種豐富度

圖6表示了物種豐富度沿海拔梯度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?在低海拔地區(qū),隨海拔升高,木本植物的豐富度先緩慢增加,從7號(hào)樣方開(kāi)始迅速增大,在11號(hào)樣方達(dá)到峰值后開(kāi)始下降。也就是說(shuō),11號(hào)樣方的分類(lèi)群豐富度最高。表明該區(qū)域物種總數(shù)在中等海拔最大,符合“中間高度膨脹(mid-altitude bulge)”理論。

2.3 群落多樣性

2.3.1 α多樣性

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)沿海拔梯度表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)(圖 7),隨著海拔升高,基本呈現(xiàn)出“低-高-低”的單峰分布格局,并均在12號(hào)樣方達(dá)到峰值。

由圖8可知,Pielou均勻度指數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)總體趨勢(shì)也是隨著海拔梯度先升高后逐漸降低,峰值同樣出現(xiàn)在12樣方。低海拔區(qū)域內(nèi),隨著海拔梯度的升高,外界干擾活動(dòng)逐漸減少,均勻度開(kāi)始逐漸升高,在中高海拔區(qū)域內(nèi),由于生境的異質(zhì)性和特殊性,只有特定的物種才能生存,物種類(lèi)型較為單一,均勻度也隨之下降。

3個(gè)指數(shù)都反映出基本一致的變化趨勢(shì)：即隨著海拔的升高先增加后減少,而3個(gè)指數(shù)均在 6號(hào)樣方突然減少,可能是由于該樣方巖石裸露率高,藤本覆蓋面積較大導(dǎo)致木本植物數(shù)量較少,且分支較多所致。

圖6 豐富度隨海拔梯度變化趨勢(shì)圖Fig.6 Changes in species richness along an altitudinal gradient

圖7 多樣性指數(shù)隨海拔梯度變化趨勢(shì)圖Fig.7 Species diversity along an altitudinal gradient

2.3.2 β多樣性

Bray-Curtis指數(shù)屬于相似性測(cè)度,不同地段共有種越多,其β多樣性越低,從圖9可以看出,1號(hào)樣地與其它不同海拔樣地喬木層的Bray-Curtis指數(shù)在海拔梯度上大致呈現(xiàn)先升高后下降再升高的趨勢(shì),表明隨著海拔落差的增加,其他樣方與1號(hào)樣方的共有物種先增加后減少再增加,β多樣性隨著海拔的升高減小。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能是隨著海拔升高,植物群落進(jìn)一步發(fā)育,群落物種組成差異性不斷增加,群落之間的生態(tài)距離逐漸變遠(yuǎn),到達(dá)一定高度后干擾減少,群落所處的局部小環(huán)境更加穩(wěn)定。

圖8 均勻度指數(shù)隨海拔梯度變化趨勢(shì)圖Fig.8 Pielou′s index along an altitudinal gradient

圖9 1 號(hào)樣地與其它樣地不同尺度喬木層β樣多樣性Fig.9 The first quadrat′s beta diversity of tree layer vs that of each of the other quadrats′

圖10 相鄰樣地喬木層β多樣性 Fig.10 The beta diversity in tree layer′ of each two adjacent quadrats

圖10顯示了沿海拔梯度相鄰樣地間的β多樣性變化趨勢(shì),結(jié)果表明,相鄰樣地間種類(lèi)組成隨海拔梯度變化差異比較明顯,1—2、4—5及6—7樣地間種類(lèi)組成差異較小,相似性較高,3—4和8—9樣地間差異較大,相似性較低。

3 討論

喀斯特峰叢洼地景觀異質(zhì)性強(qiáng),巖石裸露率達(dá)80%以上,土層淺薄,土壤稀少而干燥,植物多生長(zhǎng)在巖石上或石縫中,既要有石生性、喜鈣性和耐旱性的特點(diǎn),又必須具有發(fā)達(dá)而強(qiáng)壯的根系才能扎根和生長(zhǎng)[12]。木論喀斯特森林群落物種組成復(fù)雜多樣,根據(jù)本文研究結(jié)果,在16個(gè)樣地0.64 hm2內(nèi)統(tǒng)計(jì)到48科90屬120種植物,與宋同清等[12]在該保護(hù)區(qū)0.8 hm2內(nèi)調(diào)查到的43科91屬123種木本植物的結(jié)果基本一致。相比而言：遠(yuǎn)高于長(zhǎng)白山25 hm2闊葉紅松林樣地的52種[24]和東靈山20 hm2樣地的58種[25],低于古田山24 hm2樣地[26]、鼎湖山[27]和西雙版納[28]20 hm2樣地分別有的159、210和468種。

植物多樣性與海拔梯度的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,與群落類(lèi)型、水熱條件、所處的土壤基質(zhì)和取樣尺度等不同有關(guān)[1]。先前的研究一般認(rèn)為：物種多樣性具有多種海拔梯度分布格局,其中最普遍的觀點(diǎn)是物種多樣性的海拔梯度格局與緯度格局相似,即隨著海拔上升物種多樣性降低[15,29- 30],但也有研究表明隨著海拔升高,物種多樣性呈現(xiàn)單峰分布格局,即物種多樣性隨著海拔上升先增加、后減少[31- 33]或呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化規(guī)律[34- 35]。

相對(duì)海拔是影響喀斯特山地水熱條件分布的主要因素,它通過(guò)影響光照、水分及土壤資源的再分配進(jìn)而影響植物群叢的分布及結(jié)構(gòu)[36]。本研究所選樣帶的α多樣性與常見(jiàn)的隨海拔升高而下降的模式[30]不同,表現(xiàn)出與佛坪自然保護(hù)區(qū)[37]和五鹿山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)物種多樣性海拔格局[38]一致的“單峰格局”。主要原因可能是：由于樣地選址位于喀斯特峰叢洼地,處于亞熱帶區(qū)域,海拔最高不超過(guò)700 m,隨著海拔升高,溫度下降不明顯,仍然屬于適合植物生長(zhǎng)的范圍內(nèi),喀斯特山地地形復(fù)雜、坡位變化及其它環(huán)境資源因子分配差異大,低海拔洼地,土層較深厚、濕度條件較好,但太陽(yáng)直射光照時(shí)間不長(zhǎng),一般僅限于某些喜蔭和耐蔭性強(qiáng)的種類(lèi),因而較相對(duì)于光照充足的相鄰的中等海拔山坡多樣性和物種種類(lèi)組成都低。而在高海拔地段山體陡峭、少土、日照時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈,造成嚴(yán)重干旱缺水等不利植物定居的惡劣環(huán)境,因而多樣性隨海拔變化而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外海拔梯度實(shí)際上在一定程度反映了水熱狀況的梯度變化,因此海拔的影響實(shí)際反映了氣候因子的綜合影響[39]。很多情況下,在低海拔地段,植物生長(zhǎng)季節(jié)時(shí)所需熱量充足而水分常常不足；在高海拔地段,水分充足而熱量可能成為植物分布的限制因子。相對(duì)于低海拔和高海拔,在中海拔地段可能是熱量和水分組合最好的生境,從而使得資源的可利用率較高[32]。6號(hào)樣方出現(xiàn)的多樣性突然降低是由于該樣地的特殊地形,因此在以后的研究中應(yīng)該更多的考慮局部小環(huán)境的影響。

β多樣性表示沿某一環(huán)境梯度物種替代速率,能夠較直觀地反映不同群落間物種的組成差異和不同生境間的梯度變化[40]。在對(duì)β多樣性隨海拔梯度變化格局的研究中,數(shù)量數(shù)據(jù)測(cè)度和二元屬性數(shù)據(jù)法各有利弊,不同學(xué)者也得出了不同結(jié)論：鼎湖山群落β多樣性隨海拔呈無(wú)規(guī)律變化[16]；南嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林群落β多樣性隨海拔升高而下降[41]；長(zhǎng)白山北坡植物群落β多樣性隨群落間海拔差的增加而增大[42]。但生態(tài)位理論認(rèn)為群落相似性的降低是由于環(huán)境異質(zhì)性的增加[33],中性理論則認(rèn)為擴(kuò)散限制產(chǎn)生了β多樣性[30]。所以本研究區(qū)域的森林群落β多樣性符合隨海拔升高而減小的常見(jiàn)格局[16]。

本研究選取的木論保護(hù)區(qū)屬于典型的喀斯特峰叢洼地地貌,從洼地到山頂?shù)慕^對(duì)高度不大,水熱條件差異大,植被垂直變化明顯。從低海拔往高海拔16個(gè)樣地被明顯地分為了3個(gè)類(lèi)型：第一類(lèi)是洼地及其邊緣,由于光照時(shí)間不長(zhǎng),比較蔭蔽,濕度條件較好,故分布著以小果厚殼桂和灰?guī)r棒柄花為主要優(yōu)勢(shì)種的喜濕和耐蔭性強(qiáng)的植物群落。第二類(lèi),是山坡山腰地段,這里因太陽(yáng)直射時(shí)間比洼地長(zhǎng),土壤較少,土層較淺薄,保水性能較差,濕度條件不如洼地,群落主要優(yōu)勢(shì)種為長(zhǎng)管越南茜和羅傘；第三類(lèi),是山頂及其周?chē)?這里環(huán)境條件惡劣,全天受到太陽(yáng)直射,溫度高,土壤極少,巖石裸露,加之山頂上風(fēng)大、保水性能和濕度條件最差,群落主要優(yōu)勢(shì)種為化香樹(shù)和密花樹(shù)等耐旱植物。因此,在喀斯特山地植被恢復(fù)時(shí),要根據(jù)植物群落物種豐富度的海拔梯度規(guī)律,科學(xué)、合理地進(jìn)行立地類(lèi)型劃分,選擇適宜栽種物種,制訂相應(yīng)技術(shù)和管理措施,開(kāi)展高效的植物群落營(yíng)建和封育管護(hù),才能達(dá)到費(fèi)省效宏的效果。

致謝：樣地調(diào)查得到木論國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局工作人員和中南林業(yè)科技大學(xué)2012級(jí)生態(tài)學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)同學(xué)的大力支持,特此致謝。

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Altitudinal pattern of woody plant species diversity in the karst forest in Mulun, China

LAN Sian1,2,SONG Min1,2,3,ZENG Fuping1,2,SONG Tongqing1,2,*,PENG Wanxia1,2,DU Hu1,2,HAN Chang1,2,4, CHEN Li1,2,4,QIN Wengeng5

1KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2HuanjiangObservationandResearchStationofKarstEcosystem,ChineseAcademyofSciences,Huanjiang547100,China3CollegeofBioscienceandBiotechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China4CollegeofAgriculture,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China5AdministrativeBureauofMulunNationalNatureReserve,GuangxiZhuangAutonomousRegion,Huanjiang547200,China

Variation in species diversity along ecological gradients is the main focus in recent biodiversity studies. Among multiple interacting resource gradients, altitude gradient may be a decisive factor determining spatial patterns of species diversity. Forest community classification, ordination, and species diversity patterns along altitudinal gradients can reveal relationships between species distribution and environmental factors, and provide an important basis for understanding the function of mountain ecosystems. For studying the species diversity along ecological gradients in karst ecosystems, we conducted a study in Mulun National Nature Reserve (MNNR), northwest of Huanjiang Maonan Autonomous County in Guangxi, China. This reserve and Maolan National Nature Reserve together possesses the largest and most typical karst forests in the world, and play an important role in plant biodiversity research due to their unique geography, climate, and vegetation conditions. The climax community in this region is an evergreen and deciduous broadleaf mixed forest on limestone in the central subtropical zone in MNNR. The area of this forest is 89.69 km2with 94.8% of vegetation coverage. The soil type is calcareous lithosols (limestone soil). Sixteen sample plots (20 m × 20 m) were established in a typical depression landscape between karst hills on a southwestern slope in MNNR. All woody plants [DBH (diameter at breast height) ≥ 1 cm] from the 16 plots were investigated. We analyzed the pattern of woody plant species diversity along an altitudinal gradient in MNNR by measuring the indices of species richness, diversity, and evenness. The results showed that: (1) there were 5089 individuals in the studied plots, which belonged to 120 species, 48 families and 90 genera; (2) there was a distinct altitudinal pattern of woody plant species in the karst forest communities. Hierarchical cluster analysis and Non-metric Multidimensional Scaling analysis showed that the forest communities could be classified into three types, including those in lower slope, middle slope and upper slope respectively. In the lower slope, the dominant species wereCryptocaryaaustrokweichouensisandCleidionbracteosumare; in the middle slope, the dominant species wereRubovietnamiaaristataandBrassaiopsisglomerulata;PlatycaryastrobilaceaandRapaneaneriifoliaarewere the dominant species in the upper slope. As the altitude increases, the temperature and moisture also changed. Aridity and low temperature respectively limited plant growth at low and high altitude; the precipitation and sunshine were plentiful in middle elevations, which supports a high diversity of plant species; (3) among the woody species, there was a greater proportion of evergreen species than deciduous broadleaf species. In addition, coniferous species only grew on the top of the mountain; (4) Species richness and the Shannon-Wiener index, along the altitudinal gradient, exhibited a pattern of unimodal distribution, with the peak appearing in the mid slope; (5) theβdiversity index fluctuated considerably, and decreased with rising elevation in the ecosystem. Our results will be useful for developing strategies of vegetation restoration in the karst region.

altitudinal gradient;αdiversity;βdiversity; woody species; karst

中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃STS資助項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-092); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31370485, 31370623, 31400412, 31460135); 廣西科技惠民資助項(xiàng)目(桂科轉(zhuǎn)1599001- 6);廣西特聘專(zhuān)家資助項(xiàng)目; 湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CX2015B231)

2016- 01- 08;

2016- 05- 06

10.5846/stxb201601080055

*通訊作者Corresponding author.E-mail: songtongq@isa.ac.cn

蘭斯安, 宋敏, 曾馥平, 宋同清, 彭晚霞, 杜虎, 韓暢, 陳莉, 覃文更.木論喀斯特森林木本植物多樣性垂直格局.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7374- 7383.

Lan S A,Song M,Zeng F P,Song T Q,Peng W X,Du H,Han C, Chen L,Qin W G.Altitudinal pattern of woody plant species diversity in the karst forest in Mulun, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7374- 7383.