邱興春，陳棟為，吳克華

(1中國電建集團貴陽勘測設計院有限公司，貴州 貴陽 550081；2貴州民族大學，貴州 貴陽 550025；3貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 研究區(qū)概況

貴州地處世界三大喀斯特集中分布區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，在碳酸鹽巖廣泛分布的地質環(huán)境和溫暖濕潤季風的背景下，全省17.62萬km2的土地上，喀斯特地貌出露面積占64.2%，是我國乃至世界亞熱帶錐狀喀斯特分布面積最大、發(fā)育最強烈的一個高原山區(qū)[1]。在黔中地區(qū)，喀斯特地貌發(fā)育強烈但表現(xiàn)出非連續(xù)性分布的特征。該區(qū)具有典型的亞熱帶高原濕潤季風氣候，年均溫13～15 ℃，≥10℃積溫4000～5000 ℃，無霜期270～280 d，年降雨量1148.3～1336.1 mm，多集中在夏秋兩季。在地質上，地質構造較為復雜，碳酸鹽類巖層與非碳酸鹽類巖層常在垂直方向上呈互層分布，水平方向上呈復區(qū)分布。該區(qū)由于雨熱充沛，淋溶侵蝕作用強烈，中性至微堿性的石灰土與微酸性的淋溶石灰土在水平方向上也常呈復區(qū)分布。同時，由于黔中地區(qū)交通相對較為便利，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟較為發(fā)達，森林較早受人為活動的影響，主要是不合理的開發(fā)利用。因此，研究區(qū)的植被主體上是次生喀斯特森林灌叢，以及受人為破壞程度嚴重而退化形成的藤刺灌叢、灌叢草坡等。

2 灰色關聯(lián)分析方法的原理

生態(tài)系統(tǒng)是地理系統(tǒng)的重要組成部分，而地理系統(tǒng)，是一類典型的灰色系統(tǒng)。因此，灰色系統(tǒng)方法是地理學研究中的重要方法之一[2]。而灰色系統(tǒng)理論研究方法[3]，最早由華中理工大學鄧聚龍于1987年提出?；疑P聯(lián)分析方法，是為人們解決很難分清主次因素，以及各因素之間關系的密切程度等問題提供的一種行之有效的方法。

灰色系統(tǒng)的關聯(lián)分析方法，從其思想方法上來看，屬于幾何處理的范疇，其原理是：若干個統(tǒng)計數(shù)列所構成的各條曲線幾何形狀越接近，即越相平行，則它們的變化趨勢越接近，其關聯(lián)度就越大[4]。關聯(lián)序反映各評價對象對理想對象(參考對象)的接近次序，即評價對象的優(yōu)劣次序，其中關聯(lián)度最大的評價對象為最佳，其在生態(tài)系統(tǒng)演替階段的關聯(lián)度越大。因此，可利用關聯(lián)序對評價對象進行排序，以方便對評價對象與生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)度的大小進行比較。

3 分析指標及樣地的選定

植物群落類型按照喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替順序分為：森林群落(A)→灌叢群落(B)→灌草叢群落(C)→稀疏灌草從群落(D)。

3.1 分析指標選取

在土壤要素中，土壤物理性質方面選取土層厚度(K1)(指從地表到基巖土層深度)、土壤吸濕水分(K2)、土壤粘粒比重(K3)、土壤容重(K4)、土壤比重(K5)、土壤孔隙度(K6)等指標；在土壤化學性質方面，則選取土壤有機質(K7)、土壤全氮(K8)、土壤全磷(K9)、土壤全鉀(K10)、土壤pH(H20)值(K11)等共11項指標。

在植物要素中，選取群落物種豐富度(K12)、群落物種多樣性(K13)、群落生物量(14)等3項指標。

3.2 樣地選擇

樣地選擇在海拔為1060～1220 m之間的黔中地區(qū)，且多數(shù)為1150 m左右。在喀斯特區(qū)，根據(jù)不同的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化類型選取典型樣地做樣方調查，以分析喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演變特征，調查樣地共計8個，其中森林群落類型5個，灌叢群落類型7個，灌草叢群落類型3個，稀疏灌草叢群落類型3個。

在所選擇的每一個植物群落樣方調查時，相應進行土壤取樣，每個樣地選擇具有代表性的3個點進行環(huán)刀取樣；選5個點進行混合土樣的采集，此5個點分布于樣地的四角及中部。取樣時，清除松散的腐殖質，取樣深度約為0～15 cm，即表土層。

4 原始數(shù)據(jù)無量綱化(標準化值)處理

由于在分析指標的原始數(shù)據(jù)中，各量綱不同，即單位不統(tǒng)一，故需進行無量綱化處理。評價指標的無量綱化[5，6]，即將各指標的實際值轉化為評價值，以消除各指標量綱帶來的影響[4]。正向指標為：Yi=(Xi/X0)，逆向指標為：Yi=1-(Xi/X0)。通過無量綱化使所有數(shù)據(jù)在[0～1]的區(qū)間之內。其中，Xi為評價對象實際值，i=1，2，3，……，M；X0為理想對象(參考對象)上限值，在此選用各群落演替階段中各評價指標的最大值。其中，土壤吸濕水、容重、pH值等3項指標作逆向指標處理，其余指標作正向指標處理。

其各評價指標原始數(shù)據(jù)的處理結果見表1。

表1 喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段評價指標標準化值表Tab.1 Standardized value table of evaluation indicators for each succession stage of karst ecosystem degradation

5 關聯(lián)系數(shù)及關聯(lián)度的計算與分析

5.1 關聯(lián)系數(shù)及關聯(lián)度計算

關聯(lián)系數(shù)及關聯(lián)度計算采用下列公式：

(1)

(2)

根據(jù)計算結果，對所選定的各分析指標進行關聯(lián)度排序，詳見表2。由表2可知，喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段與其各分析指標的關聯(lián)度均有一定程度的變化，揭示了各分析指標與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化存在動態(tài)關系。

表2 喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化各演替階段的各分析指標關聯(lián)度排序表Tab.2 Correlation degree ranking table of analysis indexes in each succession stage of karst ecosystem degradation

5.2 各分析指標關聯(lián)度與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關系分析

1)各分析指標與植物群落演替階段分析

在森林群落階段，與其生態(tài)系統(tǒng)退化關聯(lián)度最高的是物種多樣性(K13)，其次是土壤容重(K4)和有機質(K7)，關聯(lián)度都在0.8以上；而最低的是群落生物量(K14)，其次是土壤全鉀量(K10)和土層厚度(K1)，其關聯(lián)度都在0.6以下，其余的居中。表明在此演替階段，物種多樣性(K13)、土壤容重(K4)、土壤有機質(K7)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度最大，而群落生物量(K14)、土壤全鉀(K10)、土層厚度(K1)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度最小。

在灌叢群落類型中，與其生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)度最高的是土壤pH值(K11)，其次是土壤比重(K5)，關聯(lián)度都在0.8以上；最低的是土壤中全鉀(K10)，只有0.4846，其次是土層厚度(K1)。表明在此演替階段，土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度最大；而土壤全鉀(K10)和土層厚度(K1)的關聯(lián)度則最小。

在灌草叢群落類型中，與其生態(tài)系統(tǒng)退化關聯(lián)度最高的是土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)，關聯(lián)度分別達到0.9807和0.9558，其次是土壤孔隙度(K6)和土壤容重(K4)，其關聯(lián)度在0.8以上；而最低的是土壤全鉀(K10)，只是0.5586，土層厚度(K1)也較低，排倒數(shù)第二。表明在此演替階段，土壤pH值(K11)及土壤比重(K5)對生態(tài)系統(tǒng)退化的作用最大，其次土壤孔隙度和土壤容重，即土壤物理性質和土壤的pH值與生態(tài)系統(tǒng)的關聯(lián)度較大，土壤全鉀含量與生態(tài)系統(tǒng)的關聯(lián)度則最小。

在稀疏灌草叢群落類型中，與其生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)度最高是土壤pH值(K11)，其次是土壤比重(K5)和土壤容重(K4)，其關聯(lián)度都在0.9以上，最高達0.9406；而最低的是土壤全鉀(K10)，其次是群落生物量(K14)，其關聯(lián)度分別為0.6814和0.6978，土層厚度(K1)也較低，排倒數(shù)第三，其余多數(shù)都在0.8～0.9之間，關聯(lián)度相對較高。

2)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的限制因子分析

在植物要素的3個分析指標中，其關聯(lián)度的先后位序在第一階段(森林群落)與第四階段(稀疏灌草叢群落)保持一致，即物種多樣性(K13)>物種豐富度(K12)>群落生物量(K14)；在第二階段(灌叢群落)和第三階段(灌草叢群落)保持一致，即群落生物量(K14)>物種多樣性(K13)>物種豐富度(K12)。同時也看出，在生態(tài)系統(tǒng)退化過程中，物種多樣性(K13)始終保持在物種豐富度的前面，表明無論是在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演替的任何階段，物種多樣性(K13)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度總高于物種豐富度(K12)。從表2中還發(fā)現(xiàn)，隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的退化，在演化的前三階段，物種多樣性(K13)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度的排序在降低，而在最后一階段微有上升，表明群落物種多樣性(K13)隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的退化演替，與其生態(tài)系統(tǒng)的關聯(lián)程度在降低，說明物種多樣性(K13)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子。

在土壤要素的11個分析指標中，其表現(xiàn)較為穩(wěn)定的是土壤pH值(K11)、土壤比重(K5)、土壤全鉀(K10)及土層厚度(K1)，其中土壤pH值(K11)與生態(tài)系統(tǒng)退化各階段的關聯(lián)度表現(xiàn)較高，土壤比重(K5)除了在森林群落類型階段其排序為第七外，其余階段都排第二，這就很明顯的表明了土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)與生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度較大，是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子，其生態(tài)作用不僅限制在其土壤上能生長何種植物，而且能限制在其土壤上能否生長植物，比如在pH>9時，其土壤上難有植物生長和發(fā)育。土壤全鉀(K10)與其生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度相對很低，均基本排在末尾，且隨喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化階段而呈降低趨勢，表明該指標不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子。土層厚度(K1)在生態(tài)系統(tǒng)退化的前三階段保持平衡，第四階段略有上升，因而也不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)主要限制因子。這可以加以事實說明，比如在貴州黔靈公園里其土層厚度厚達1.5 m以上，生長發(fā)育了森林，但在貴州荔波茂蘭保護區(qū)，在其面積較大的裸露基巖上也生長發(fā)育了森林，且郁閉度高達70%以上，這就充分說明了土層厚度不是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)主要限制因子的研究結論。其他分析指標均因喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演替階段而異，表現(xiàn)不是很明顯和突出。

6 結論

植物要素中，3個分析指標與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關聯(lián)度的先后位序在第一階段(森林群落)與第四階段(稀疏灌草叢群落)保持一致，即物種多樣性>物種豐富度>群落生物量；在第二階段(灌叢群落)和第三階段(灌草叢群落)保持一致，即群落生物量>物種多樣性>物種豐富度?？梢钥闯?，喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替的任何階段，物種多樣性(K13)的關聯(lián)度總高于物種豐富度(K12)。隨著喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替，群落物種多樣性(K13)的關聯(lián)程度在降低，說明物種多樣性(K13)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化演替的主要限制因子。

土壤要素中，11個分析指標與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化關聯(lián)度的先后位序在各演替階段表現(xiàn)較為穩(wěn)定的指標是土壤pH值(K11)、土壤比重(K5)、土壤全鉀(K10)及土層厚度(K1)等4個指標，其中土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度最大；土壤全鉀(K10)和土層厚度(K1)與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的關聯(lián)度最低。其他分析指標均因喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的演替階段而異，其特征表現(xiàn)不是很明顯和突出。據(jù)此判定，土壤pH值(K11)和土壤比重(K5)是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化的主要限制因子。

上述研究成果為喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化管理、重建與恢復提供了科學依據(jù)。