吳天忠 葉琴 海妮肯·山臺(tái) 劉永萍

摘要：? 運(yùn)用主成分分析方法對(duì)影響灌木群落多樣性變化的土壤因子進(jìn)行分選、排序和相關(guān)性分析。其結(jié)果表明：灌木群落的多樣性指數(shù)與粒度平均值、重金屬元素Bi和粒度分選系數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而均勻度指數(shù)與粒度平均值、分選系數(shù)、重金屬元素Mn呈顯著正相關(guān)（P<0.01），豐富度指數(shù)數(shù)據(jù)顯示只與Bi顯著相關(guān)（P<0.01）;通過(guò)回歸分析可知土壤粒度平均值和分選系數(shù)是影響灌木群落的物種多樣性和均勻度的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：? 灌木群落;? 物種多樣性;? 土壤因子;? 主成分分析;? 烏魯木齊

中圖分類號(hào)：? ?S 718. 54? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2021）06 - 0025 - 05

烏魯木齊位于中溫帶荒漠區(qū)，地帶性自然植被受區(qū)域影響主要為溫帶荒漠植被，自然植被以沙質(zhì)、礫質(zhì)旱生和超旱生的稀疏灌木、半灌木和鹽生植被為主[ 1 ]。烏魯木齊周邊的灌木群落的物種多樣性已有相關(guān)的研究，研究結(jié)果表明：區(qū)域內(nèi)物種組成相對(duì)稀少，植物分布不均勻[ 2 - 5 ]，這與區(qū)域內(nèi)環(huán)境因子的復(fù)雜性有關(guān)。本文在烏魯木齊地區(qū)，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，在灌木群落劃分的基礎(chǔ)上，從探討灌木群落物種多樣性與土壤因子的關(guān)系進(jìn)行研究，在物種多樣性的角度分析干旱區(qū)適宜灌木群落的分布特征及其穩(wěn)定性。為該區(qū)域灌木植被多樣性的保護(hù)及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供可借鑒的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市（86°37'33"～88°58'24"E， 42°45'32"～44°08'00"N）位于亞歐大陸腹地，地處北天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，天山山系北天山西段與東段的結(jié)合部，東、南、西三面環(huán)山，地勢(shì)東南高、西北低，北為準(zhǔn)噶爾盆地南緣，自然坡度12‰～15‰，海拔680～920 m，市區(qū)平均海拔800 m，其中建成區(qū)面積365.88 km2，有烏魯木齊河、頭屯河、白楊河、柴窩堡湖等水系[ 6 ]。成土母質(zhì)質(zhì)地大部分為壤土、少數(shù)為砂土和粘土，透水性適中[ 1 ]。灌木植被類型則主要為山地灌叢、灌木和半灌木荒漠3大類型。

2 試驗(yàn)方法

2. 1 植被樣方及參數(shù)

按照常規(guī)的群落學(xué)調(diào)查方法，結(jié)合研究區(qū)代表性灌木植物群落的分布特點(diǎn)，根據(jù)不同的地形、土壤和植被類型的灌木生長(zhǎng)區(qū)域設(shè)置了調(diào)查區(qū)域和取樣點(diǎn)。在每個(gè)典型土壤類型中做3～4個(gè)調(diào)查樣方，整個(gè)區(qū)域共設(shè)置50個(gè)調(diào)查樣方，每個(gè)樣方面積為100 m2（10×10 m）。植物群落調(diào)查主要指標(biāo)包括：物種名、種類多度、數(shù)量（株/叢）、蓋度、高度等，同時(shí)調(diào)查記錄樣方的生境特征，主要包括海拔高度、經(jīng)緯度、坡度、坡向等。

2. 2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

在選擇的樣方內(nèi)進(jìn)行土壤分層取樣，分別是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3個(gè)重復(fù)，混合取樣，共收集到150份土壤樣品，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)包括：

土壤養(yǎng)分 有機(jī)質(zhì)測(cè)定主要采用重鉻酸鉀容量法，采用（儀器型號(hào)）開(kāi)氏法測(cè)土壤全氮，使用堿解蒸餾法測(cè)定有效氮;使用鉬銻抗比色法進(jìn)行全磷和有效磷數(shù)據(jù)的測(cè)定;使用光焰光度法測(cè)定全鉀和速效鉀含量的測(cè)定。

土壤鹽分 使用質(zhì)量法進(jìn)行水溶性鹽總量的測(cè)定;重量法測(cè)量含水量;使用滴定法測(cè)定鈣、鎂、氯離子和硫酸根離子的含量;火焰光度法進(jìn)行鉀和鈉的含量測(cè)定;雙指示劑中和法測(cè)定碳酸根和碳酸氫根的含量;pHs-2C測(cè)定土壤pH值。

土壤粒度 使用malvren2000激光粒度儀進(jìn)行研究區(qū)樣方中土壤粒度的數(shù)值測(cè)定。

土壤重金屬 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS測(cè)定。

2. 3 數(shù)據(jù)分析

物種多樣性計(jì)算 首先在統(tǒng)計(jì)各樣方中不同灌木和草本蓋度、密度及高度的基礎(chǔ)上，計(jì)算調(diào)查樣方中灌木植物的重要值。

在重要值矩陣的基礎(chǔ)上，采用雙向指示種分析（two-way in dicator species analysis， TWINSPAN）中的正分析，利用WinTWINS2.3軟件對(duì)區(qū)域內(nèi)調(diào)查樣地及其灌木物種進(jìn)行聚類。TWINSPAN分類后，將本次調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)所包括的灌木群落主要?jiǎng)澐譃镮～X共十個(gè)灌木群落類型（表1）。

灌木群落分類后，依據(jù)物種多樣性指數(shù)引用的廣泛性及其對(duì)群落物種多樣性狀況的反映，主要采用4個(gè)指數(shù)進(jìn)行分析，包括Shannon多樣性指數(shù)（D）、Pielous均勻度指數(shù)（J）、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）和Margalef豐富度指數(shù)（M），通過(guò)野外灌木群落樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算群落的物種多樣性。

分析方法 樣本數(shù)據(jù)采集均在晴朗天氣進(jìn)行。數(shù)據(jù)整理后用origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，SPSS25.0進(jìn)行相關(guān)性以及主成分分析，其他大量數(shù)據(jù)的處理采用Excel進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3. 1 灌木群落物種多樣性

由研究區(qū)灌木群落物種多樣性指數(shù)特征（圖1）可知：4個(gè)指數(shù)變化幅度均較大，說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)灌木群落的物種多樣性變化趨勢(shì)比較大。結(jié)合灌木群落的多樣性指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系（圖2）可知：灌木群落的物種多樣性、豐富度和均勻度指數(shù)的變化趨勢(shì)有一定的規(guī)律，基本趨于一致，呈顯著正相關(guān)，而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與物種多樣性和均勻度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與豐富度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但不顯著。以往研究[ 7 - 8 ]認(rèn)為，在植物群落中，如果物種多樣性較高，則其豐富度和均勻度也相對(duì)較高，但群落內(nèi)優(yōu)勢(shì)物物種的優(yōu)勢(shì)度則常處于較低值，反之當(dāng)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)值較高時(shí)，群落中優(yōu)勢(shì)物種的個(gè)體數(shù)則會(huì)顯著多于其他一般種，使得群落呈現(xiàn)單一化的趨勢(shì)，物種分布不均勻，從而使植物群落的多樣性、豐富度及均勻度指數(shù)均降低。

總體來(lái)看，在本次調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)，受地理自然氣候條件的約束較大，灌木群落物種多樣性水平總體相對(duì)較低，物種組成相對(duì)稀少，植物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。從各群落調(diào)查數(shù)據(jù)分析來(lái)看，由于群落I～I(xiàn)II主要分布在山前區(qū)域或低地草甸區(qū)，故該區(qū)域水土及光熱條件相對(duì)較好，調(diào)查顯示群落I～I(xiàn)II多樣性、均勻度、豐富度各指數(shù)均較大，尤其是黑果小檗+寬刺薔薇-千葉蓍群落的多樣性指數(shù)在各群落中最大，各群落之間指數(shù)D具有顯著性水平差異;而琵琶柴+喀什霸王-短苞鹽蓬群叢的多樣性指數(shù)則最低，物種種類組成相對(duì)貧乏，這也使該區(qū)域植被群落具有明顯的荒漠植被類型的特征。

3. 2 土壤因子的主成分分析

采用14個(gè)土壤因子，將不同土壤深度的原始數(shù)據(jù)取平均值后運(yùn)用SPSS25.0進(jìn)行主成分分析，（表2）可知：5個(gè)主成分占比較大，貢獻(xiàn)率依次為32.926%、17.273%、12.151%、11.341%、7.354%，累積貢獻(xiàn)率為81.046%，其中前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率則達(dá)到了62.350%，能夠反映出研究區(qū)環(huán)境因子的差異。第1主成分中土壤全氮含量的負(fù)荷系數(shù)為0.953，負(fù)荷系數(shù)最大，負(fù)荷系數(shù)較大的還有土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、海拔、全磷等4個(gè)因子;第2主成分中速效鉀含量的負(fù)荷系數(shù)為0.728，負(fù)荷系數(shù)最大，主成分中主要包含土壤速效鉀、總鹽含量、電導(dǎo)率等因子;第3主成分中粒度平均值的負(fù)荷系數(shù)為0.572，主成分中主要包含粒度平均值、含水量、全鉀等因子。14個(gè)因子中，土壤理化因子的貢獻(xiàn)值>地形因子。

3. 3 灌木物種多樣性與土壤因子的關(guān)系

將研究區(qū)域的灌木群落及其伴生草本的物種多樣性與土壤因子進(jìn)行相關(guān)性分析可知：灌木群落的Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)都與粒度平均值有顯著相關(guān)性（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為0.749和0.732。伴生草本植物的均勻度指數(shù)和Marglef豐富度指數(shù)與土壤全鹽含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為0.885和0.829。其它主要土壤因子與灌木群落的各個(gè)多樣性指標(biāo)均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

綜上的述，除了海拔、土壤全鹽、粒度平均值之外，灌木群落和伴生草本植物的物種多樣性與土壤因子沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系。

為更全面的研究灌木群落的物種多樣性與土壤因子的關(guān)系，選擇粒度分選系數(shù)和土壤重金屬等土壤因子進(jìn)行相關(guān)性分析：

選取的因子如下：

土壤粒度參數(shù)：粒度分選系數(shù)（PSS）、偏度系數(shù)（GS）、峰度（PSK）。

土壤鹽分：CO32- 、HCO3- 、Cl-、 SO42-、 Ca2+、 Mg2+、 Na+ 、K+。

土壤重金屬：Cr、Cu、Cd 、Pb、Ni、Zn、As 、Ag、 Au 、Bi 、Mn。

結(jié)果顯示：灌木群落的Shannon多樣性指數(shù)與重金屬元素Bi（鉍）和粒度分選系數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），均勻度指數(shù)與重金屬元素Mn（錳）和粒度分選系數(shù)顯著相關(guān)（P<0.05），而物種豐富度指數(shù)則只與元素Bi顯著相關(guān)（P<0.05），剩余的土壤因子與灌木群落的多樣性指數(shù)顯著性不明顯（P>0.05）。

3. 4 灌木群落物種多樣性與土壤因子的回歸分析

選擇灌木群落的物種多樣性與土壤因子相關(guān)性較為顯著的土壤粒度平均值和分選系數(shù)進(jìn)行回歸分析（圖3）。灌木群落的Shannon指數(shù)與不同土壤層次處的粒度平均值之間的最佳擬合表現(xiàn)為直線回歸（P<0.01），隨著土壤顆粒物粒徑增大，灌木群落的種類增多，優(yōu)勢(shì)物種減少。均勻度指數(shù)與粒度分選系數(shù)之間的最佳擬合則表現(xiàn)為二項(xiàng)式回歸（P<0.01），呈現(xiàn)粒度分選性增大，群落越均勻的趨勢(shì)，達(dá)到0.7～0.8時(shí)有下降的趨勢(shì)。兩類回歸分析在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層處的R2值都呈現(xiàn)了先減少后增大的趨勢(shì)，且土壤表層處回歸方程的解釋度都達(dá)到了50%及以上，其他土壤因子與多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)擬合曲線回歸方程的解釋度都低于50%，可以認(rèn)為，在烏魯木齊地區(qū)土壤粒度平均值和分選系數(shù)是擬合灌木群落的物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)果與討論

4. 1 研究區(qū)域位于大陸腹地深處，氣候?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懜珊禋夂騾^(qū)。本文調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：分布在高海拔的山地灌木群落較荒漠灌木群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，物種數(shù)更多，豐富度較大，分布的較均勻，可能是因?yàn)樵谏降氐臏囟群蜌夂虮容^合適植被的生長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)和全氮含量較大，天然草本植物較豐富，如苔草、平車(chē)前、木地膚、老鶴草等。而荒漠灌木群落由于土壤大多偏堿性，含水量較低，生境嚴(yán)酷，因此結(jié)構(gòu)單一，豐富度也較小。兩者的過(guò)渡區(qū)多分布一些生態(tài)幅較寬，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的灌木，天然的草本植物也較少，加之人工干擾也會(huì)降低物種的多樣性，因此多樣性指數(shù)最低。此結(jié)果體現(xiàn)了干旱區(qū)山地—綠洲—荒漠景觀的復(fù)雜性。

4. 2 烏魯木齊地區(qū)土壤因子的主成分分析結(jié)果表明：地形和土壤因子共同作用于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，土壤因子占主導(dǎo)地位。隨著海拔高度的增加，灌木植物的多樣性指數(shù)有顯著的增大趨勢(shì)，與鄭紹偉[ 8 ]等的研究結(jié)論相同。由于研究區(qū)處于干旱—半干旱地區(qū)的水熱條件等特征決定了灌木的優(yōu)勢(shì)種，所選樣地為高海拔區(qū)域的烏魯木齊南山和東山，水熱條件相對(duì)較好，自然植被較為豐富，也凸顯了土壤因子所起的主導(dǎo)作用。

4. 3 雖然植物多樣性與環(huán)境因子關(guān)系的研究已有很多，但傳統(tǒng)的研究都集中在喬—灌—草的綜合多樣性指數(shù)，針對(duì)灌木群落的多樣性與土壤因子的關(guān)系研究較少，且研究結(jié)果亦有差異。許傳陽(yáng)等[ 9 ]研究指出灌木多樣性變化的主要環(huán)境因子尚不明確，張玲等[ 10 ]對(duì)黑龍江勝山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的研究中得到了相同的結(jié)論，鄭邵偉等[ 8 ]對(duì)岷江上游的灌木群落研究中指出灌木的優(yōu)勢(shì)度與全P、全N等相關(guān)，豐富度則與pH和水分含量相關(guān)，結(jié)果表明，灌木群落的Shannon多樣性指數(shù)與粒度平均值、重金屬元素Bi和粒度分選系數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系，而pielou均勻度指數(shù)與粒度平均值、分選系數(shù)、重金屬元素Mn顯著正相關(guān)，豐富度指數(shù)則只與Bi顯著相關(guān)。鄭敬剛研究表明[ 11 ]Bi元素含量受黏粒、砂粒含量的影響，同時(shí)可能研究區(qū)域Bi元素的背景值比較高也是一個(gè)原因。調(diào)查區(qū)域中伴生草本植物的均勻度和豐富度指數(shù)與土壤全鹽的含量有著極顯著的負(fù)相關(guān)，這也與實(shí)際情況相符。

4. 4 回歸分析表明：灌木群落的Shannon多樣性指數(shù)與粒度平均值之間擬合為直線回歸，均勻度與粒度分選系數(shù)間則擬合為二項(xiàng)式回歸。研究證明，粒度平均值增大，灌木植物隨之增多，多樣性也隨之增大，但此類相關(guān)關(guān)系在表層土壤中表現(xiàn)較為突出。4. 5 土壤與環(huán)境因子作為一個(gè)系統(tǒng)，相互之間聯(lián)系非常緊密。灌木群落的多樣性與土壤因子的關(guān)系在不同區(qū)域、不同土壤質(zhì)地處的相互關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 論

5. 1 灌木群落的Shannon多樣性指數(shù)與粒度平均值、重金屬元素Bi和粒度分選系數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系，而pielou均勻度指數(shù)與粒度平均值、分選系數(shù)、重金屬元素Mn顯著正相關(guān)，豐富度指數(shù)則只與Bi顯著相關(guān)。

5. 2 灌木群落的Shannon指數(shù)與不同土壤層次處的粒度平均值之間的最佳擬合表現(xiàn)為直線回歸，pielou均勻度指數(shù)與粒度分選系數(shù)之間的最佳擬合表現(xiàn)為二項(xiàng)式回歸，由此，烏魯木齊地區(qū)土壤粒度平均值和分選系數(shù)是影響灌木群落的物種多樣性和均勻分布的關(guān)鍵因素。

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第1作者簡(jiǎn)介：? 吳天忠（1981-），? 男，? 助理研究員，? 碩士研究生，林業(yè)生態(tài)工程方向。

收稿日期： 2021 - 05 -? 14

（責(zé)任編輯：? ?李 丹）