朱 杰，王照蘭，張彩琴*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，呼和浩特010018； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所，呼和浩特010010)

0 引言

錫林郭勒草原有著良好的自然資源，但因過度放牧等人為因素以及氣候等自然因素的影響而導(dǎo)致草場退化嚴(yán)重，生態(tài)平衡遭到破壞[1-2]。

關(guān)于草原植物與氣象因子間的關(guān)系已在相關(guān)領(lǐng)域得到了較為成熟的研究成果。白永飛等人發(fā)現(xiàn)牧草的高度與生物量的增長呈正相關(guān)，而且溫度、水分影響了牧草的生長發(fā)育，不同牧草對溫度和水分的需求有差異[3]。王鵬飛等人前期研究了錫林郭勒草原的氣候變化及其對植被的影響，發(fā)現(xiàn)植被與氣溫和降水量之間具有顯著性關(guān)系，而且植被受降水的影響要大于受溫度的影響[4]。張軍等人運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行了優(yōu)勢分析，說明了氣象因子對草原植物地上生物量的影響程度，并得到了水分因子對牧草的影響程度最強(qiáng)等結(jié)論[5]。張彩琴等人通過逐步回歸的方法剔除了不重要的氣象因子，發(fā)現(xiàn)降水和積溫因子對生物量形成表現(xiàn)的影響最為明顯，而且降水的影響更顯著，相同生活型的草原植物對積溫因子的響應(yīng)程度類似，不同功能群的植物對積溫因子的響應(yīng)程度有差異[6-7]。

眾多學(xué)者基于多年數(shù)據(jù)的研究結(jié)果和一致性結(jié)論證實(shí)[8-10]，上述諸多方法均有一定的可行性和借鑒意義。但基于僅一個(gè)生長季的相關(guān)研究報(bào)道尚少[3，7，10]，找到一個(gè)科學(xué)合理可行的研究方法和思路能夠在一定程度上及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。比如，對試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性及時(shí)進(jìn)行評價(jià)指導(dǎo)等，這將會對接下來多個(gè)生長季的連續(xù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)積累研究乃至研究結(jié)果產(chǎn)生重要影響。每個(gè)生長季的相關(guān)研究是多年累計(jì)數(shù)據(jù)研究的重要鋪墊，對后續(xù)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)及單因子方差分析和偏相關(guān)分析的方法對一個(gè)生長季的七種重要植物的生長動態(tài)及其與八種氣象因子的關(guān)系逐一進(jìn)行研究，旨在通過不同的思路和角度對比前人的研究成果及異同點(diǎn)找到更科學(xué)、更符合實(shí)際的理論研究方法，以期為草地生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)為中科院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，該樣地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟白音錫勒牧場境內(nèi)，總面積26.6 hm2，海拔1 186 m，年平均降水量349.6 mm。該地區(qū)降水量在各季節(jié)間差異較大，一般集中在6～9月，其降水量約占全年的80%。該區(qū)域于1983年實(shí)施圍欄封育后，至今停止放牧和人為干擾。

1.2 研究方法

采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)中單因子方差分析和偏相關(guān)分析的方法來研究不同植物生長動態(tài)的差異及其與八種氣象因子間的相關(guān)性。

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1 干重和高度數(shù)據(jù)

選取有代表性的七種植物作為研究樣本。考慮到群落空間異質(zhì)性增強(qiáng)對試驗(yàn)取樣的影響，在取樣地內(nèi)選擇了100×200 m的樣地作為實(shí)驗(yàn)小區(qū)，實(shí)驗(yàn)過程中的隨機(jī)抽樣均在該樣地內(nèi)進(jìn)行取樣測定。采用齊地刈割法，每次每種植物隨機(jī)取100個(gè)單株，測定其2017年6---8月的干重和高度。單株生物量是植物個(gè)體諸多性狀的集體變現(xiàn)，因此每期均取平均單株的干重和高度來作為指標(biāo)。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源于2017年6---8月中科院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站的氣象資料，包含了氣壓、水氣壓、相對濕度、蒸發(fā)量、氣溫、地溫、日照時(shí)間、降水量這八個(gè)變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子方差分析

將草原植物作為單因子方差分析中的一個(gè)因子，用A表示。羊草、針茅、冰草、苔草、冷蒿、羽茅、雙齒蔥這七種植物為七個(gè)不同水平，分別記為A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7。

2.1.1 隨機(jī)性檢驗(yàn)

植物高度和干重?cái)?shù)據(jù)均通過隨機(jī)取樣得到，因此所有的數(shù)據(jù)yij相互獨(dú)立，取平均值后仍符合隨機(jī)要求。

2.1.2 正態(tài)性檢驗(yàn)

選用K-S正態(tài)性檢驗(yàn)的方法，運(yùn)用SPSS 23.0對植物的干重和高度指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，見表1。

表1 七種草原植物干重、高度數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)輸出結(jié)果Tab.1 Output results of normality test on dry weight and height data of grassland plants of seven types

運(yùn)用雙側(cè)檢驗(yàn)在顯著性水平α=0.05的情況下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，七種植物干重和高度的K-S正態(tài)性檢驗(yàn)的P值均大于0.05，認(rèn)為原假設(shè)H0正確，證明七種植物的干重和高度均服從正態(tài)分布。

2.1.3 方差齊性檢驗(yàn)

在H0成立時(shí)，多個(gè)方差之間的差異越大，H越大，會拒絕原H0假設(shè)。因此，要對于給定顯著性的水平α進(jìn)行H0拒絕域檢驗(yàn)：

W={H>H1-α(r,f)}，H1-α(r,f)為H分布的1-α分位數(shù)。

在顯著性水平α=0.05時(shí)，H0.95(7,6)=15.0，H值遠(yuǎn)大于15.0，拒絕原假設(shè)H0，即七個(gè)總體方差間具有顯著性差異。

運(yùn)用SPSS 23.0對植物的干重和高度指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，高度的顯著性為0.349(P>0.05)。保留原假設(shè)，方差齊性相等，能夠進(jìn)行方差分析。而干重的顯著性是0(P<0.05)，拒絕原假設(shè)，方差齊性不相等，有顯著性差異。

2.1.4 Box-Cox數(shù)據(jù)變換

根據(jù)P檢驗(yàn)可知，七個(gè)總體干重有顯著性差異，不滿足方差齊性。而滿足方差齊性是進(jìn)行單因子方差分析的條件之一，于是需要處理數(shù)據(jù)。適當(dāng)變換試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，可以將變換后的數(shù)據(jù)看作是來自具有正態(tài)性和方差齊性的總體，然后再進(jìn)行方差分析。

根據(jù)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)得到：ymax/ymin=32.910 9/0.048 3=681.38>2

可采用Box-Cox變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效聯(lián)合變換，并選取6個(gè)λ的值，計(jì)算后得到對應(yīng)的Se值如表2所示。

表2 不同對應(yīng)的值Tab.2 Different corresponding values

結(jié)果表明，λ=-0.25時(shí)，Se為最小值，于是對原數(shù)據(jù)進(jìn)行z=y-0.25的變換，見表3。

表3 變換后七種植物的干重?cái)?shù)據(jù)Tab.3 Dry weight data of plants of seven types after transformation

2.1.5 變換后數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)

利用上述方法對變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，得到變換后干重?cái)?shù)據(jù)K-S正態(tài)性檢驗(yàn)的P值為0.2，大于0.05，接受原假設(shè)H0，則變換后七種植物的干重服從正態(tài)分布。

2.1.6 變換后數(shù)據(jù)的方差齊性檢驗(yàn)

在顯著性水平α=0.05時(shí)，H0.95(7,6)=15.0，H值小于15.0，接受原假設(shè)H0，即認(rèn)為七個(gè)總體方差間無顯著性差異。

2.1.7 單因子方差分析

運(yùn)用SPSS 23.0分別對七種植物的干重和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差檢驗(yàn)，得到干重和高度F值分別為2.447和5.470。取顯著性水平α=0.05，查表可知H0.95(6,42)=2.34，因?yàn)镕>2.34，拒絕原假設(shè)H0，所以七種草原植物的干重和高度均具有顯著性差異。

2.1.8 多重比較

進(jìn)行單因子方差分析時(shí)，若經(jīng)過F檢驗(yàn)后拒絕原假設(shè)(H0∶μ1=μ2=…=μr)，則因子A的水平均值(μ1,μ2,…,μr)不均相等，但也不一定每兩兩之間都有顯著差異，還需進(jìn)行下一步驟來確認(rèn)哪些水平下的均值之間有顯著性差異，哪些無顯著性差異。每次取樣均取100株，則實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)m相等，因此選用重復(fù)次數(shù)相等情況下的多重比較方法。

結(jié)果如下：對植物干重指標(biāo)而言，可分為四類，第Ⅰ類為A4,A7(苔草、雙齒蔥)，高度處于最低水平，均接近于20 cm；第Ⅱ類為A1,A3,A5(羊草、冰草、冷蒿)，高度處于中等，均接近于30 cm；第Ⅲ類為A6(羽茅)，高度較高；第Ⅳ類為A2(針茅)，高度遠(yuǎn)高于其他植物。對植物高度指標(biāo)而言，可分為兩類，第Ⅰ類為A1,A4,A7(羊草、苔草、雙齒蔥)，其干重與其他種類植物相比較高；第Ⅱ類為A2,A3,A5,A6(針茅、冰草、冷蒿、羽茅)，其干重較低。

2.2 偏相關(guān)分析

2.2.1 植物干重指標(biāo)的偏相關(guān)分析

結(jié)果表明，就干重而言，針茅和羽茅(叢生型)與相對濕度的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是蒸發(fā)量，均與氣壓、水氣壓無線性關(guān)系；苔草(叢生型)與水氣壓的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是相對濕度，與氣溫、氣壓和蒸發(fā)量無線性關(guān)系；羊草(根莖型)與水氣壓的線性關(guān)系最強(qiáng)，其次是地溫，與氣溫、氣壓和相對濕度無線性關(guān)系；冰草(根莖型)與相對濕度的線性關(guān)系最強(qiáng)，其次是蒸發(fā)量，與氣壓、水氣壓沒有線性關(guān)系；冷蒿(匍匐莖型)與水氣壓的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是相對濕度，與氣溫、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)和降水量無線性關(guān)系；雙齒蔥(鱗型)與氣溫的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是蒸發(fā)量，與相對濕度無線性關(guān)系。

2.2.2 植物高度的偏相關(guān)分析

結(jié)果表明，就高度而言，羊草和冰草(根莖型)與水氣壓的線性關(guān)系最強(qiáng)，其次是相對濕度，與降水量無線性關(guān)系；針茅、羽茅和苔草(叢生型)與相對濕度和水氣壓的相關(guān)性較強(qiáng)，均與地溫、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)和降水量無線性關(guān)系；冷蒿(匍匐莖型)與水氣壓的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是相對濕度，與氣溫、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)和降水量無線性關(guān)系；雙齒蔥(鱗型)與相對濕度的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是氣壓，與地溫、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)和降水量無線性關(guān)系。

表4 各變量與植物干重間的偏相關(guān)分析結(jié)果Tab.4 Partial correlation analysis between variables and plant dry weight

表5 各變量與植物高度間的偏相關(guān)分析結(jié)果Tab.5 Partial correlation analysis between variables and plant height

3 討論

眾多研究文獻(xiàn)通常是將氣象因子整合后再進(jìn)行分析，旨在減少次要因子對主要因子研究的干擾。本研究對八種氣象因子逐一進(jìn)行研究的目的是想通過與前人研究結(jié)果的對比來根據(jù)異同之處進(jìn)行更為細(xì)化的討論，進(jìn)而為今后的研究提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

通過多重比較結(jié)果可知，羊草和冰草在高度水平上被分一類，針茅和羽茅在干重水平上被分為一類。通過偏相關(guān)分析研究表明，就高度而言，羊草和冰草都與水氣壓及相對濕度有著較強(qiáng)的線性關(guān)系，針茅、羽茅、苔草都與相對濕度和水氣壓有著很強(qiáng)的相關(guān)性。就干重而言，針茅和羽茅都與相對濕度和蒸發(fā)量有著較強(qiáng)的線性關(guān)系，這些結(jié)果與植物生活型的分類相符。偏相關(guān)分析中無線性關(guān)系的因子并不代表兩者之間沒有關(guān)系，只是此方法的結(jié)果中并未展現(xiàn)出來。部分植物的分類并不完全與生活型分類一致，可能是受到了研究時(shí)間、氣溫和降水等因素的影響。

本研究根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)分析方法和結(jié)果對植物生活型進(jìn)行分類，這在該領(lǐng)域中是一次新的探索，而且與已有的分類方式有諸多相似之處[6，7]，同時(shí)也看到兩種分類方法之間存在的差異，這也為今后的進(jìn)一步探索差異產(chǎn)生的原因和精確找出影響因素并進(jìn)行分析奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而為尋求到更為準(zhǔn)確的結(jié)論來明確研究標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

由單因子方差分析結(jié)果得到，羊草、針茅、冰草、苔草、冷蒿、羽茅、雙齒蔥這七種植物在同一生長季節(jié)的干重與高度因受環(huán)境因素的影響而存在差異。不同生活型草原植物在同一生長季內(nèi)的生長動態(tài)有顯著性差異，而同一生活型草原植物生長動態(tài)相似。但仍有部分植物不符合這一特征，這可能與研究時(shí)段較短以及當(dāng)時(shí)的氣溫和降水等原因有關(guān)。同一種植物的高度和干重對同一氣象因子的相關(guān)性較為接近，而且大多與該植物的生長習(xí)性相符合。