植物指示作用是根据植物群体或个体的某些特征来判断环境中特定成分的现象^[1-2]。通过植物指示作用研究，不仅有助于了解植物与环境之间的关系, 阐明植物的适应机制；还可以确定指示植物(指在一定地区范围内，能指示环境或其中某一因子特性的植物种、属或群落)，为直接获取环境信息带来方便, 免去了大量的实验分析工作^[3-6]。植物作为生物指示器被广泛用于林业、农业等邻域环境的监测和研究, 尤其是对植物生长有限制作用的土壤环境，如土壤酸碱度、盐度、湿度等^[7-8]。然而，关于植物对土壤有效养分指示作用的研究不多，而为植物提供有效养分是土壤最为重要的生态功能之一^[9]。

地被植物(指距地表高度小于1 m的维管植物, 不包括乔木的幼苗)对栖息地环境的变化特别敏感, 很多研究已证明地被植物对光照、地形、土壤等环境因素具有指示作用^{[7-8, 10-13]}，并被用于评价与监测环境污染状况、森林立地质量、生态系统生物多样性、退化生境恢复等^[14-15]。地被植物群落组成和结构受土壤物理化学性质的影响^[9]，被认为是土壤环境有效的生物指示器，可作为土壤养分状况的潜在指示^{[7-8, 16-19]}。研究地被植物与土壤养分的关系，有利于阐明地被植物对土壤养分变化的响应机制；探讨地被植物指示种在不同土壤养分梯度下的多度变化，为利用植物诊断土壤养分状况及深入揭示植物与土壤养分的关系提供科学依据。

车八岭国家级自然保护区(114°09ʹ04″~114°16ʹ 46″ E, 24°40ʹ29″~24°46ʹ21″ N)地处广东省东北部始兴县境内，全区面积7 545 hm²，海拔330~1 256 m, 地势西北高东南低，地质构造属华南褶皱系，主要保护对象为中亚热带常绿阔叶林及珍稀动植物^[20]。本区属于亚热带季风气候区，年均温19.5℃，年均降水量1 468.0 mm，年均蒸发量1 356.1 mm，年均相对湿度79.7%^[20]。保护区的土壤形态和结构较为完整，随海拔由低到高垂直分布着水稻土、红壤、暗红壤、黄红壤、黄壤、表潜黄壤和草甸土^[20]。气候顶极群落类型分为中亚热带丘陵低山常绿阔叶林和山地常绿阔叶林2个植被亚型^[21]。

2009年7月，在车八岭国家级自然保护区内, 选择一条南北走向的山脊线，在其两侧的山地常绿阔叶林(海拔343~475 m)内设置20 m×20 m研究样地48个。研究样地以米槠(Castanopsis carlesii)、木荷(Schima superba)、鸭公树(Neolitsea chuii)、微毛山矾(Symplocos wikstroemiifolia)、栓叶安息香(Styrax suberifolius)、枫香(Liquidambar formosana)、黑柃(Eurya macartneyi)、石栎(Lithocarpus glaber)、栲树(Castanopsis fargesii)和华润楠(Machilus chinensis)为主要优势树种，林分类型相同，经过1958年的砍伐，林龄约为40 a，属于次生山地林。在样地的四角和中心设置5个2 m×2 m样方，调查样方中地表植物的种类、多度、盖度和生长型。在每个样方的四角和中心位置随机设5个样点，均匀混合每样方同一层5个点表土层0~20 cm的土样放进布袋带回实验室, 分别测定土壤的速效氮(available nitrogen, AN)(碱扩散法)、速效磷(available phosphorus, AP)(碳酸氢钠法)、速效钾(available potassium, AK)(火焰光度法)和有机质(organic matter, OM)(丘林法)含量^[22]。

重要值  优势种群的组成和数量变化能反映群落的演替趋势和与环境间的相互关系^[23-24]。地被植物的重要值(importance value, IV)=(RA+RF+ RC)/3，式中, RA为相对多度(relative abundance), RF为相对频度(relative frequency), RC为相对盖度(relative coverage)。

典型对应分析  通过典型对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)检验地被植物与土壤养分因子(AN、AP、AK和OM)的关系；用蒙特卡罗检验(Monte Carlo permutation test)(n=999)度量土壤养分变量与地被植物之间的关系是否显著^[25]。

多响应置换过程  地被植物在样地中的分布和土壤养分因子间是否存在差异, 采用多响应置换过程分析法(multi-response permutation procedures, MRPP)进行检验。MRPP能提供检验组间分离性的统计量T (test statistic)，描述组内同质性的统计量A (agreement statistic)和P值(P-value)。P值取自4 999次随机蒙特卡罗检验。土壤养分的分组按照《全国第二次土壤普查养分分级标准》^[26]及样地土壤养分实际状况，具体分级标准见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 土壤养分因子的分级标准 Table 1 Criteria of soil nutrient groups 分组 Group 速效氮 (mg/kg) Available nitrogen 速效磷 (mg/kg) Available phosphorus 速效钾 (mg/kg) Available potassium 有机质/% Organic matter 1缺乏Lack ≤270 (11) ≤2 (20) ≤100 (9) ≤0.6 (19) 2中等Medium 270~360 (21) 2~3 (18) 100~150 (20) 0.6~0.8 (20) 3丰富Rich > 360 (16) > 3 (10) > 150 (19) > 0.8 (9) 括号内为样方数。 The number of plot in brackets.

表 1 土壤养分因子的分级标准 Table 1 Criteria of soil nutrient groups

指示种分析  检测和描述地被植物与不同土壤养分因子的关系采用指示种分析法(indicator species analysis, ISA)。ISA所用的指示值(indicator value, InV)结合了组中物种的相对多度和相对频度的信息, InV=100(RA×RF), 用蒙特卡罗检验来决定指示值InV的统计显著性^[25]。CCA、MRPP和ISA均在多元统计分析软件PC-ORD 6.0上运行。

样地中的地被植物共有127种，隶属于77科135属，共有5 172株。蕨类植物狗脊蕨(Woodwardia japonica)是绝对优势种，重要值为10.3%；草本植物草珊瑚(Sarcandra glabra)是亚优势种，重要值为5.8%。地被植物有蕨类、草本、灌木、藤本等生长型。重要值≥2%的地被植物有12种(表 2)。样方平均有地被植物107.75株，香农-威纳多样性指数为2.59，均匀度指数为0.83，丰富度指数为23.38。

表 2(Table 2)

表 2 重要值≥2%地被植物 Table 2 Dominance species with importance value more than 2% 物种 Species 生长型 Growth form 相对多度/% Relative abundance 相对盖度/% Relative coverage 相对频度/% Relative frequency 重要值/% Importance value 狗脊蕨Woodwardia japonica 蕨类Fern 18.1 8.6 4.3 10.3 草珊瑚Sarcandra glabra 草本Herb 8.5 5.0 3.7 5.8 扇叶铁线蕨Adiantum flabellulatum 蕨类Fern 7.3 3.4 3.2 4.6 斑叶朱砂根Ardisia punctata 灌木Shrub 5.9 3.9 3.8 4.6 山鸡血藤Millettia dielsiana 藤本Liana 4.8 3.7 4.0 4.2 网脉酸藤果Embelia rudis 藤本Liana 4.7 3.3 3.2 3.7 暗色拔葜Smilax lanceifolia 藤本Liana 2.8 3.5 4.1 3.5 团叶鳞始蕨Lindsaea orbiculata 蕨类Fern 4.3 2.3 2.7 3.1 玉叶金花Mussaenda pubescens 藤本Vine 2.6 2.4 3.0 2.7 鲫鱼胆Maesa perlarius 灌木Shrub 2.1 3.0 2.8 2.6 淡竹叶Lophatherum gracile 草本Herb 1.9 2.2 2.9 2.3 藤黄檀Dalbergia hancei 藤本Liana 1.7 2.2 2.6 2.2

表 2 重要值≥2%地被植物 Table 2 Dominance species with importance value more than 2%

样方中地被植物与土壤养分的CCA排序结果表明(表 3, 图 1)，AK与排序轴第二轴关系更为密切(r=0.556)，而AP、AN和OM则与排序轴第三轴关系更为密切(r=-0.618、-0.567和-0.668)。在48个样方中AN、AP、AK、OM的综合作用对地被植物分布有显著影响(P < 0.05)，且这些土壤养分的综合效应与各排序轴的关系密切且显著(P < 0.05)。

表 3(Table 3)

表 3 土壤养分与CCA各排序轴的相关性和特征值 Table 3 soil nutrient-individual axes correlations and Eigenvalues 第一轴Axis 1 第二轴Axis 2 第三轴Axis 3 P 速效氮Available nitrogen 0.489 0.147 -0.567 速效磷Available phosphorus -0.314 0.277 -0.618 速效钾Available potassium 0.215 0.556 -0.200 有机质Organic matter -0.158 -0.039 -0.668 特征值Eigenvalue 0.205 0.097 0.062 0.014 皮尔逊相关性Pearson correlation 0.763 0.701 0.772 0.048

表 3 土壤养分与CCA各排序轴的相关性和特征值 Table 3 soil nutrient-individual axes correlations and Eigenvalues

图 1(Fig. 1)

图 1 地被植物(●)、样地(∆)和土壤养分(→)的CCA排序图。AN:速效氮; AP:速效磷; AK:速效钾; OM:有机质 Fig. 1 CCA ordination diagram of ground vegetation (●), sampling plot (∆) and soil nutrients (→). AN: Available nitrogen; AP: Available phosphorus; AK: Available potassium; OM: Organic matter

MRPP分析结果表明(表 4)，4个土壤养分因子中AP的T绝对值最大，说明其分级的3组界限最明显; 并且AP的统计量A最大，说明组内的一致性最高。比较而言，AN的T绝对值最小，说明其分级的3个组界限最不明显；统计量A最小，说明组内的一致性最低。但是从各土壤养分因子的方差结果(0.111)来看，各土壤养分因子已达到有效分级的要求。AP和OM对地被植物的分布均有显著影响(P < 0.05);而AN和AK对地被植物分布的影响不显著。土壤养分因子对地被植物分布的影响为AP > OM > AK > AN。

表 4(Table 4)

表 4 地被植物和4个土壤养分因子的多响应置换过程分析 Table 4 MRPP for ground vegetation among four soil nutrient factors 土壤养分 Soil nutrient 观测值 Observed data 方差 Variance 偏度 Skewness 统计量T Statistic T 统计量A Statistic A P 速效氮Available nitrogen 34.488 0.111 -0.782 -1.503 0.014 0.079 速效磷Available phosphorus 34.072 0.111 -0.791 -2.751 0.026 0.012 速效钾Available potassium 34.451 0.111 -0.806 -1.609 0.015 0.069 有机质Organic matter 34.302 0.111 -0.806 -1.609 0.020 0.037

表 4 地被植物和4个土壤养分因子的多响应置换过程分析 Table 4 MRPP for ground vegetation among four soil nutrient factors

ISA的结果表明，部分地被植物对土壤养分有指示作用，有11种地被植物的指示值≥20 (P < 0.05), 占总数的8.66%。对OM有指示作用的地被植物最多，有4种；对AN和AK有指示作用的地被植物次之，有3种；对AP有指示作用的地被植物最少，只有1种(表 5)。

表 5(Table 5)

表 5 土壤养分的指示种 Table 5 ISA of soil nutrients 土壤养分 Soil nutrient 物种 Species 分组 Group 指示值 Indicator value P 速效氮Available nitrogen 狗骨柴Tricalysia dubia 2 41.3 0.002 6 广东蛇葡萄Ampelopsis cantoniensis 1 37.9 0.012 8 油点草Tricyrtis macropoda 1 20.2 0.036 8 速效磷Available phosphorus 华山姜Alpinia chinensis 1 48.2 0.002 6 速效钾Available potassium 赤楠蒲桃Syzygium buxifolium 1 30.2 0.032 4 十字苔草Carex cruciata 2 25.0 0.034 0 金钗凤尾蕨Pteris fauriei 3 21.1 0.038 0 有机质Organic matter 箬竹Indocalamus tessellatus 3 22.2 0.030 8 华山姜Alpinia chinensis 1 36.6 0.031 8 蔓胡颓子Elaeagnus glabra 1 21.1 0.036 0 豆腐柴Premna microphlla 2 30.1 0.036 4

表 5 土壤养分的指示种 Table 5 ISA of soil nutrients

AN指示种的箱线图  从图 2可见，狗骨柴(Tricalysia dubia)主要在AN的组别2中出现，在组别1和3中虽然也有出现，但为异常值，因此, 狗骨柴可看作只在组别2中出现，可作为AN组别2的良好指示种。广东蛇葡萄(Ampelopsis canto- niensis)在AN的组别1和3中均有出现，但在组别3出现的数量只是组别1的一半，而且有异常值，说明其更适应组别1的环境，在组别2中虽然也有出现，但为异常值，因此，广东蛇葡萄并不是AN组别1的良好指示物种。油点草(Tricyrtis macro- poda)主要在AN的组别1中出现；在组别2和3中均无出现，因此，油点草可作为AN组别1的良好指示物种。

图 2(Fig. 2)

图 2 速效氮(AN)指示种的箱线图。1: AN≤270 mg/kg; 2: 270 mg/kg < AN≤360 mg/kg; 3. AN > 360 mg/kg。□: 25%~75%;工:非异常值; ○:异常值; *:极端值。下图同 Fig. 2 Boxplot of available nitrogen (AN) indicator species. 1: AN≤270 mg/kg; 2: 270 mg/kg < AN≤360 mg/kg; 3. AN > 360 mg/kg. □: 25%~75%;工: Non-outlier range; ○: Outliers; *: Extremes. The same is following Figures

AP指示种的箱线图  从图 3可见，华山姜(Alpinia chinensis)主要在AP的组别1中出现，在组别2和3中虽然也有出现，但为异常值，因此，华山姜可看作只在组别1中出现，可作为AP组别1的良好指示种。

图 3(Fig. 3)

图 3 速效磷(AP)指示种的箱线图。1: AP≤2 mg/kg; 2: 2 mg/kg < AP≤3 mg/kg; 3. AP > 3 mg/kg Fig. 3 Boxplot of available phosphorus (AP) indicator species. 1: AP≤2 mg/kg; 2: 2 mg/kg < AP≤3 mg/kg; 3. AP > 3 mg/kg

AK指示种的箱线图  从图 4可见，赤楠蒲桃(Syzygium buxifolium)主要在AK的组别1中出现; 在组别2中无出现，在组别3中虽然也有出现，但为异常值，因此，赤楠蒲桃可看作只在组别1中出现，可作为AK组别1的良好指示种。十字苔草(Carex cruciata)主要在AK的组别2中出现，在组别1和2中均无出现，因此，十字苔草可作为AK组别2的良好指示物种。金钗凤尾蕨(Pteris fauriei)在AK的组别1和2中均无出现，虽然在组别3中出现，但为异常值，因此，金钗凤尾蕨并不是AK组别3的良好指示物种。

图 4(Fig. 4)

图 4 速效钾(AK)指示种的箱线图。1: AK≤100 mg/kg; 2: 100 mg/kg < AK≤150 mg/kg; 3. AK > 150 mg/kg Fig. 4 Boxplot of available potassium (AK) indicator species. 1: AK≤100 mg/kg; 2: 100 mg/kg < AK≤150 mg/kg; 3. AK > 150 mg/kg

OM指示种的箱线图  从图 5可见，箬竹(Indocalamus tessellatus)在OM的组别1和2中均无出现，虽然在组别3中出现，但为异常值，因此, 箬竹并不是OM组别3的良好指示物种。华山姜(Alpinia chinensis)主要在OM的组别1中出现，在组别2和3中虽然也有出现，但为异常值，因此，华山姜可看作只在组别1中出现，可作为OM组别1的良好指示种。蔓胡颓子(Elaeagnus glabra)在OM的组别2和3中均无出现，虽然在组别1中出现，但为异常值，因此，蔓胡颓子并不是OM组别3的良好指示物种。豆腐柴(Premna microphlla)主要在OM的组别2中出现；在组别1中虽然也有出现, 但为异常值；在组别3中无出现，因此，豆腐柴可看作只在组别2中出现，可作为OM组别2的良好指示种。

图 5(Fig. 5)

图 5 有机质(OM)指示种的箱线图。1: OM≤0.6 mg/kg; 2: 0.6 mg/kg < OM≤0.8 mg/kg; 3. OM > 0.8 mg/kg Fig. 5 Boxplot of organic matter (OM) indicator species. 1: OM≤0.6 mg/kg; 2: 0.6 mg/kg < OM≤0.8 mg/kg; 3. OM > 0.8 mg/kg

地表植被中的优势种最终形成和稳定说明此种植物最能适应此处的生长环境。从本研究结果来看，重要值≥2%的12种地被植物均没成为土壤养分的指示种，说明在环境中起明显控制作用的优势种，虽然作为样地中的适生种，但不一定能成为环境的指示种；进一步证明了自然界中并非所有植物都能作为土壤养分的指示种，只有对土壤养分的适应范围相对狭小的植物才能成为指示种，尤其是关键种、特有种、濒危种和环境敏感种^[27]。优势种狗脊蕨广布于长江流域以南各省区，为丘陵地区常见的植物；草珊瑚常生长于海拔400~1 500 m的山坡、沟谷常绿阔叶林下阴湿处；扇叶铁线蕨(Adiantum flabellulatum)生于海拔100~1 100 m的红、黄壤上等，均反映着样地亚热带山地常绿阔叶林海拔343~ 475 m的林下环境。

土壤氮素是植物生长发育所必须的营养元素之一，也是重要的限制因子。本研究样地的AN含量大于150 mg/kg，属很丰富级别，因此，AN并不是样地地被植物生长和发育的限制因子，AN含量的变化对样地地被植物的组成与分布并没显著影响(P_MRPP=0.079)。这也说明在亚热带山地常绿阔叶林中AN含量充足，不是植物生长发育的限制因素。在样地中狗骨柴主要分布于AN含量在270~ 360 mg/kg的样方中，是该浓度的指示种；油点草主要分布于AN含量≤270 mg/kg的样方中，是该浓度的指示种。

磷是植物生长所必须的大量元素之一，也是最受限制的元素之一，样地中的AP含量均在5.6 mg/kg以下，属很缺乏级别，因此AP是样地植物生长和发育的限制因子，样地中地被植物的组成和分布在不同AP含量梯度下存在显著差异(P_MRPP < 0.05)，这也进一步证明AP是亚热带常绿阔叶林植物生长和发育的主要限制因子。在样地中华山姜主要分布于AP含量≤2 mg/kg的样方中，是该浓度的指示种。

钾是植物生长所必须的大量元素之一，样地中的AK含量为55.8~201.0 mg/kg，有缺乏、中等和丰富3个级别，AK含量的变化对样地地被植物的组成与分布并没显著影响(P_MRPP=0.069)，说明AK并不是亚热带山地常绿阔叶林地被植物生长和发育的主要限制因子。在样地中赤楠蒲桃主要分布于AK含量≤100 mg/kg的样方中，是该浓度的指示种。十字苔草主要分布于AK含量为100~150 mg/kg的样方中，是该浓度的指示种。

OM是影响植物生长与分布的主要营养元素之一，也是最受限制的元素之一，样地的OM含量均小于1.65%，属缺乏级别，因此OM是样地植物生长和发育的限制因子，样地中地被植物的组成与分布在不同OM含量梯度下存在显著差异(P_MRPP < 0.05), 这也进一步证明OM是亚热带常绿阔叶林植物生长和发育的主要限制因子。箬竹主要分布于OM含量 > 0.8%的样方中，是该浓度的指示种。华山姜和豆腐柴主要分布于OM含量≤0.6%的样方中，是该浓度的指示种。

利用有效的地表植被调查方式来监测森林的土壤状况，为森林经营管理及土壤健康评价带来方便，这种方法得到研究者的重视和肯定^[27-28]。Dufrêne等^[30]提出以多度和频度为基础计算指示值的方法广受推崇，本文利用此法初步筛选出指示种，结合箱线图，能更精确地筛选出对某一养分梯度有良好指示作用的地被植物。《中国植物志》中描述的部分地表植被生境特征主要集中于地形、光照和水分因子，若结合土壤养分等因素则能更全面、科学地反映出植物的生境状况。指示种分析不但验证了人们所熟悉的某些植物的生境状况，还进一步补充了植物生长习性和环境的多样化，可以完善植物区系、植物志和植物名录的生境资料。地被植物指示种对环境信息的反映不但能为研究样地的环境条件提供理论支撑，还能为该物种的人工栽培提供理论依据，这对于生物多样性的保育、退化生境的恢复重建的引种栽培有很重要的意义。