南方山区杉木人工林林下草本植物多样性的影响因素

doi:10.11686/cyxb2022419

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (9): 17-26.DOI: 10.11686/cyxb2022419

南方山区杉木人工林林下草本植物多样性的影响因素

凤紫棋¹^,²(), 孙文义¹^,³(), 穆兴民¹^,³, 高鹏¹^,³, 赵广举¹^,³, 陈帅⁴

^1.中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西咸阳 712100
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.西北农林科技大学土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西咸阳 712100
^4.南昌市农业综合行政执法支队，江西南昌 330000

收稿日期:2022-10-27 修回日期:2022-11-28 出版日期:2023-09-20 发布日期:2023-07-12
通讯作者: 孙文义
作者简介:E-mail： sunwy@ms.iswc.ac.cn
凤紫棋（1997-），女，江西上饶人，在读硕士。E-mail： 3307058717@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目“以水定植与水土流失控制目标下的植被斑块格局调控机制”(42177328)

Factors influencing undergrowth herbaceous diversity of Cunninghamialanceolata plantations in southern mountainous areas

Zi-qi FENG¹^,²(), Wen-yi SUN¹^,³(), Xing-min MU¹^,³, Peng GAO¹^,³, Guang-ju ZHAO¹^,³, Shuai CHEN⁴

^1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Xianyang 712100，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A & F University，Xianyang 712100，China
^4.Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment of Nanchang Agricultural，Nanchang 330000，China

Received:2022-10-27 Revised:2022-11-28 Online:2023-09-20 Published:2023-07-12
Contact: Wen-yi SUN

摘要/Abstract

摘要：

解析杉木人工林林下草本植物多样性的影响因素，可为南方山区森林的可持续经营提供理论依据。通过收集115份杉木人工林林下草本植物多样性研究文献，采用相关性分析、方差分解分析和结构方程模型探究了环境因子和林分结构与杉木林下草本植物多样性的关系，通过最大熵模型模拟杉木人工林林下植物多样性较为丰富区域的潜在地理分布。结果表明：1）气候因子单独效应、气候和地形因子共同效应解释率较大，分别为19.31%、12.34%。2）年均降水量和郁闭度对林下草本植物多样性具有极显著影响（P<0.01），总影响系数分别为0.72和-0.49；海拔、年均气温、土壤有机质、全氮含量对林下植物多样性具有显著影响（P<0.05），总影响系数为-0.33、0.17、0.23和0.34。3）影响杉木人工林林下草本植物多样性的主导环境因子及贡献率分别为：年均降水量（37.1%）>海拔（19.5%）>年均气温（15.2%）>土壤有机质（8.9%）>土壤全氮（7.5%），累积贡献率为88.2%。4）年均降水量≥1650 mm、年均气温18~22 ℃、海拔510~680 m、土壤有机质含量≥20 g·kg^-1的区域林下草本植物多样性较为丰富。

关键词: 林分结构, 环境因子, 草本植物多样性, 结构方程模型, 最大熵模型

Abstract:

Analysis of the factors influencing understory herbaceous diversity in Chinese fir plantations can provide a theoretical basis for the sustainable management of forests in China’s southern mountain area. Based on the data collected from 115 Chinese fir plantations， the relationship between environmental factors， stand structure and herb diversity in Chinese fir plantations was investigated using correlation analysis， variance decomposition analysis and a structural equation model. The maximum entropy model was used to simulate the potential geographical distribution of understory plant diversity in Chinese fir plantations. The results showed that： 1） The interpretation rates of the single effect of climate factors and the common effect of climate and terrain factors were 19.31% and 12.34%， respectively. 2） Mean annual precipitation and canopy cover had significant effects on understory herb diversity （P<0.01）， and the total influence coefficients were 0.72 and -0.49， respectively. Altitude， annual temperature， soil organic matter and total nitrogen content had significant effects on understory plant diversity （P<0.05）， and the total influence coefficients were -0.33， 0.17， 0.23 and 0.34， respectively. 3） The main environmental factors and their contribution rates of understory herb diversity in Chinese fir plantation were： mean annual precipitation （37.1%）>altitude （19.5%）>mean annual temperature （15.2%）>soil organic matter （8.9%）>soil total nitrogen （7.5%）， and the cumulative contribution rate was 88.2%. 4） Understory herbaceous diversity was greater in areas with mean annual precipitation ≥1650 mm， mean annual temperature 18-22 ℃， mid-low altitude （510-680 m）， and soil organic matter content ≥20 g·kg^-1.

Key words: stand structure, environmental factors, herbaceous diversity, structural equation model, maximum entropy model

凤紫棋, 孙文义, 穆兴民, 高鹏, 赵广举, 陈帅. 南方山区杉木人工林林下草本植物多样性的影响因素[J]. 草业学报, 2023, 32(9): 17-26.

Zi-qi FENG, Wen-yi SUN, Xing-min MU, Peng GAO, Guang-ju ZHAO, Shuai CHEN. Factors influencing undergrowth herbaceous diversity of Cunninghamialanceolata plantations in southern mountainous areas[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(9): 17-26.

图/表 9

表1 环境变量数据及来源

Table 1 Environment variable data and sources

环境变量类型Envionment variable type	变量因子Variable factors	数据来源Data source
气候因子Climate factor	年均降水量MAP，年均气温MAT	中国气象数据网China meteorological data network
地形因子Terrain factor	海拔Altitude，坡度Slope degree，坡向Aspect	地理空间数据云STRM 90 m高程数据提取Geospatial data cloud STRM 90 m elevation data extraction
土壤养分因子Soil nutrient factor	土壤有机质SOM	中国科学院寒旱所遥感与地理信息科学研究室Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information Science， Institute of Cold and Arid， Chinese Academy of Sciences
	全氮TN
	全磷TP
	全钾TK
	速效氮AN
	速效磷AP
	速效钾AK

图1 林下草本植物多样性与影响因子的相关性MAT：年均气温Mean annual temperature； MAP：年均降水量Mean annual precipitation； SOM：土壤有机质Soil organic matter； TN：全氮Total nitrogen； TP：全磷Total phosphorus； TK：全钾Total potassium； SW index：香农-威纳指数Shannon-Wiener index. 下同The same below.

Fig.1 Correlation analysis between influencing factors and understory herbaceous diversity

图2 林下草本植物多样性与影响因子的方差分解分析

Fig.2 Variance decomposition analysis of various influencing factors and understory herbaceous diversity

图3 环境因子与林分结构对林下草本物种多样性效应的结构方程模型实线表明两个变量间的因果关系具有显著性，虚线表明不具备显著性。The solid line indicates that the causal relationship between the two variables is significant， while the dashed line indicates that it is not significant. *： P<0.05； **： P<0.01.

Fig.3 Structural equation model of the effects of environmental factors and stand structure on understory herbaceous species diversity

表2 林下草本物种多样性与因子间的标准化影响效应

Table 2 Standardization effect of understory herbaceous species diversity and factors

影响因子Factor	直接效应Direct effects	间接效应Indirect effects	总效应Total effect
年均降水量MAP	0.61	0.11	0.72
年均气温MAT	0.25	-0.08	0.17
郁闭度Canopy closure	-0.45	-0.04	-0.49
海拔Altitude	-0.24	-0.09	-0.33
土壤有机质SOM	0.23	-	0.23
土壤全氮TN	0.21	0.13	0.34

图4 Maxent模型预测结果ROC曲线

Fig.4 ROC curve of Maxent model prediction results

表3 环境因子对林下草本植物多样性的贡献率及累计贡献率

Table 3 Contribution rate and cumulative contribution rate of environmental factors to understory herbaceous diversity （%）

变量因子 Variable factors	贡献率 Contribution rate	累计贡献率 Cumulative contribution rate
年均降水量MAP	37.10	44.14
海拔Altitude	19.53	63.21
年均气温MAT	15.21	74.23
土壤有机质SOM	8.93	81.34
土壤全氮TN	7.52	88.21
坡度Slope degree	3.31	91.53
速效氮AN	1.74	93.20

图5 植物多样性较为丰富区域的存在概率对环境因子的响应曲线

Fig.5 Response curves of the probability of plant existence in regions with rich plant diversity to environmental factors

表4 各环境因子对林下草本植物多样性的适宜范围和最佳适宜范围

Table 4 The suitable range and optimum suitable range of understory herbaceous diversity for each environmental factor

变量因子Variable factors	适宜范围Suitable ranges	最佳适宜范围Optimum suitable ranges
年均降水量MAP （mm）	≥1400	≥1650
年均气温MAT （℃）	12~28	18~22
海拔Altitude （m）	305~725	510~680
土壤有机质SOM （g·kg^-1）	≥12.50	≥20.00

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南方山区杉木人工林林下草本植物多样性的影响因素

Factors influencing undergrowth herbaceous diversity of Cunninghamialanceolata plantations in southern mountainous areas

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