艾比湖濕地梭梭與土壤因子關系的分析

張小萌　李艷紅　李磊

摘要：對艾比湖濕地不同土壤梯度環境因子與梭梭（Haloxylon bunge）進行調查研究，并利用國際通用植被數量分析軟件CANOCO4.5對其關系進行了冗余度分析（RDA）。結果表明，土壤深度、Ca2+和SO42-含量3個環境因子組合對梭梭生長特征變異的解釋量達到52.3%，說明這3個變量是影響梭梭生長變異的重要因子，鹽分是關鍵驅動因子。土壤深度與梭梭株高、生物量呈顯著正相關，隨著深度的增加，梭梭的株高、生物量逐漸增加，梭梭的長勢越好，表明了鹽分對植物生長的抑制作用。Ca2+和SO42-含量與梭梭生長特征呈顯著負相關。因此，中度鹽堿濕地生態恢復需要重點考慮鹽分對植物生長的影響，防治土壤鹽堿化和次生鹽堿化是濕地生態恢復的重要方面。

關鍵詞：梭梭（Haloxylon bunge）；土壤梯度；生理生態；艾比湖濕地

中圖分類號：P951 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1406-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.012

近年來，濕地生態修復研究已成為濕地研究的熱點問題[1-3]，濕地生態的修復對于維護生態平衡具有重要的意義，已有眾多學者對濕地植物的生理生態特征與環境因子之間的關系進行了研究[4-6]。崔保山等[7]研究發現黃河濕地蘆葦的生理特征與水深具有顯著的相關性；王丹等[8]對太湖蘆葦的研究發現蘆葦的根冠比及密度與水深呈負相關，蘆葦的株高與水深呈正相關；傅德平等[9]研究發現艾比湖濕地植物與土壤特性無相關性；汪洋等[10]研究濕地植物的生理生態過程受到水鹽環境的影響；王慶改等[11]研究發現濕地植物對土壤中銨態氮和硝態氮有相關性。梭梭（Haloxylon bunge）是超旱生藜科植物，具有耐干旱、耐鹽堿、耐風沙的特點，是艾比湖濕地的主要代表植物，在防風固沙、維持生態穩定方面具有重要作用。因此，認識梭梭與不同土壤因子之間的相互關系，揭示土壤鹽分變化特征與梭梭生長的內在規律，為濕地環境保護與生態修復提供科學依據，具有重要的理論意義和實踐價值。

艾比湖濕地為國家級濕地自然保護區，位于中國新疆維吾爾自治區精河縣境內，是西北內陸重要的綠洲生態系統保護區，同時也是阻止北疆沙塵暴侵襲的重要生態屏障。由于人類活動和自然因素的影響，導致該地區植被嚴重退化，生態環境惡化，嚴重影響了該地區生態環境和社會經濟發展。因此，本試驗通過對艾比湖濕地土壤環境因子與梭梭生長特征進行調查研究，運用數量生態學[12]的冗余度分析方法（RDA），分析濕地不同土壤梯度的環境因子與梭梭生長特征之間的關系，為艾比湖濕地的生態恢復提供科學依據，進而維護濕地生態系統的穩定。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆艾比湖濕地國家級自然保護區范圍位于東經82°33′47″-83°53′21″，北緯44°31′05″-45°09′35″，東西長102.63 km，南北寬72.30 km。艾比湖濕地南、北、西三面環山，湖面高程188 m，是流域地表水和地下水的匯集中心。艾比湖西北部是中國著名的風區阿拉山口，多大風天氣，年均氣溫5 ℃，多年平均降水量為105.17 mm，潛在蒸發量為1 315.00 mm，是降水量的12.5倍，是典型的溫帶大陸性氣候；土壤類型以沙土為主，自然植被種類較多，主要以白刺（Nitraria）、琵琶柴（Karelinia caspia）、鹽節木（Halocnemum strobilaceum）、堿蓬（Suaeda glauca Bunge）、檉柳（Tamarix）、蘆葦（Phragmites australis）、梭梭為主；艾比湖濕地植物群落由濕生、中生向旱生、超旱生和鹽生、耐沙生種類演替。

1.2 采樣方法

于2012年5月進入艾比湖濕地對不同土壤梯度的鹽分和梭梭進行測定。在保護區內設置5個大樣方，面積為100 m×100 m，每個大樣方中以5點法選取五個小樣方，小樣方為10 m×10 m，測量梭梭的株高、冠幅、胸徑、株數，并計算蓋度；采集不同深度（0、5、10、20、30、40、50、60 cm）的土壤樣本，用密封袋進行密封，帶回實驗室分析。采用質量法測定總鹽量，電位法測定pH，CO3■2-和HCO3-采用雙指示劑法、鹽酸滴定法，Ca2+和Mg2+采用EDTA絡和滴定法測定，SO42-采用EDTA間接滴定法測定，Cl-采用AgNO3滴定法測定，結果見表1。

1.3 數據處理

本研究將梭梭生態指標作為研究對象，包括梭梭株高、蓋度、冠幅。將土壤深度、土壤鹽分離子含量和pH作為環境因子，土壤梯度包括0、5、10、20、30、40、50和60 cm。鑒于趨勢對應分析（DCA）的排序軸反映了梭梭生理生態變化的程度，故用DCA估計排序軸梯度長度（Lengths of gradient，LGA）比較適宜。理論上講，LGA<3適合線性排序法，LGA>3適合采用非線性排序方法[13]。通過對研究中因變量數據文件進行DCA分析，結果表明，排序軸最大的梯度長度均小于3，表明該數據文件均具有較好的線性反應，也表明梭梭生理生態指標對環境梯度的響應是線性的，對此利用線性響應模型分析（ RDA和partialRDA）比較適宜。該分析方法是一種多變量直接梯度分析方法，是多元線性回歸的擴展，采用2個變量集的線性關系模型，得到數值矩陣并對特征值進行分解，能將表征梭梭生理生態指標及土壤環境因子之間的關系反映在坐標軸上。

本研究利用直接梯度分析方法RDA通過分析梭梭生理生態指標，提取其受影響的控制性因素，進一步揭示不同土壤梯度環境因子對梭梭生理生態指標的影響。如果某環境因子具有高的變異膨脹因子（大于20），意味著它與其他因子具有高的多重共線性，對模型的貢獻很少[14]。對以上8個環境因子變量分別進行RDA分析篩選，結果表明，Ca2+、SO42-與pH分別具有高膨脹因子，因此重新評估了土壤深度、Ca2+、SO42- 3個環境因子的組合的變異膨脹因子，它們能夠保證所有變量的膨脹因子均小于20，因此選擇了這3個指標作為環境因子變量來進行分析。各環境因子對不同條件下梭梭生理生態指標的重要性，由CANOCO 4.5 軟件的自動向前選擇程序完成，利用Monte Carlo檢驗判斷其重要性是否顯著[15]。

2 結果與分析

2.1 梭梭生理生態指標變異的解釋變量典范分析

對篩選后的不同土壤梯度的鹽分含量、Ca2+、SO42- 3個環境因子組成的變量組合進行RDA分析，得到該環境因子組合對梭梭生理生態特征的解釋（表2）。由表2可知，環境因子組合對梭梭生理生態特征變異有52.3%的解釋率，達到極顯著水平（P<0.01）。梭梭生理生態指標特征在第一個排序軸上的百分比已達49.8%，在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ軸上的百分比分別為3.1%、1.7%和17.8%，累積百分比達到73.2%。由此可見，本研究篩選的3個環境因子能在很大程度上解釋梭梭生理生態特征的變異，可以推斷濕地土壤鹽分變化是影響梭梭生理生態特征變異的重要原因，并且這種變異基本由排序軸第Ⅰ軸來決定，其次受到第Ⅳ排序軸的影響。

2.2 梭梭生理生態指標變異的關鍵驅動因子

在RDA分析中，利用CANOCO 4.5的自動向前選擇程序對主要環境因子進行了篩選，從而進一步確定影響梭梭生理生態指標的關鍵環境因子。各個環境因子的重要性及顯著性水平見表3。由表3可知，各個環境因子對梭梭生理生態特征影響的貢獻有差異，3個環境因子對梭梭影響的重要性排序依次為不同土壤梯度的鹽分>Ca2+>SO42-，不同土壤梯度的鹽分對梭梭生理生態特征影響達極顯著水平（P<0.01），對梭梭生理生態特征變異的解釋占到了總信息量的83.1%，說明不同土壤梯度的鹽分是影響梭梭生理生態特征變異的關鍵因子，而Ca2+與SO42-對梭梭生理生態特征變異影響較小，說明在艾比湖濕地土壤鹽分對梭梭的生長的脅迫作用較為明顯。

2.3 不同土壤梯度的鹽分、Ca2+、SO42-各因子對梭梭生理生態各指標的影響

通過對環境因子影響研究對象的排序圖分析可以進一步明確不同土壤梯度環境因子各量與梭梭生理生態指標各量之間的關系。采用的t-value雙序圖是包含了物種的箭頭、環境因子的箭頭和圓圈符號的排序圖。t-value雙序圖可以揭示物種與環境因子的統計顯著關系（比如物種依賴環境因子的程度）。在RDA排序圖中，實線圓圈表示關鍵環境因子與研究對象呈顯著性正相關，虛線圓圈表示關鍵環境因子與研究對象呈顯著性負相關。圖中的箭頭長度與方向代表物種與此環境因子的相關關系。如果某物種的箭頭完全掉在某一環境因子的實線圓圈內，就意味著此物種與此環境因子呈顯著正相關，即物種指標隨環境因子指標量增大而增加；如果物種的箭頭完全掉在環境因子負相關的區域內，就意味著物種與此環境因子呈顯著負相關，即物種特征量隨環境因子量增大而減少。據此，對不同土壤環境因子各量對梭梭生理生態特征的影響進行分析。

2.3.1 不同土壤梯度的鹽分對梭梭生理生態指標的影響 由圖1可知，土壤深度主要在第Ⅰ軸上影響梭梭生理生態特征，株高（A）、胸徑（C）和冠幅（E）的箭頭完全落在不同土壤鹽分的實線圓圈內。這表明不同土壤梯度的鹽分與株高、胸徑和冠幅呈顯著正相關，說明隨著土壤梯度的深度增加，梭梭的株高、胸徑和冠幅相應增加。不同梯度的鹽分與株數（D）和蓋度（B）呈明顯負相關。以上結果說明，不同土壤梯度的鹽分是影響梭梭生理生態指標變異的主要驅動因子，水深單一因子對梭梭生理生態特征單個指標影響比較大。這一結論與前人的研究結果一致[6，7]。

2.3.2 Ca2+對梭梭生理生態指標的影響 由圖2可知，Ca2+含量主要在第Ⅱ軸上影響梭梭生理生態特征，但梭梭生理生態的各項指標均未落入Ca2+含量的實線或者虛線圓圈內。其中，胸徑（C）和冠幅（E）在Ca2+含量的虛線圈內，說明它們與Ca2+含量呈負相關關系，表明Ca2+含量的增加將導致這些指標一定程度的下降。但Ca2+含量與株高（A）、蓋度（B）和株數（D）并未完全落入虛線圈內，說明它們的負相關關系顯著性較弱。

2.3.3 SO42-對梭梭生理生態指標的影響 從圖3可以看出，SO42-含量對梭梭生理生態特征的影響與Ca2+含量的影響相似。SO42-主要在第Ⅱ軸上影響梭梭生理生態特征，胸徑（C）和冠幅（E）完全落在SO42-的虛線圓圈內，表明SO42-含量與梭梭的生物量呈顯著負相關，隨著SO42-含量的增加，梭梭生物量逐漸降低。但梭梭生理生態的各項指標如株高（A）、蓋度（B）和株數（D）均未落入SO42-含量的實線或者虛線圓圈內，說明SO42-與這些因子相關性較弱。以上結果表明，SO42-是影響梭梭生物量的主要驅動因子，抑制著梭梭的生長。

3 小結

新疆艾比湖濕地不同土壤梯度的鹽分含量變化是影響梭梭生理生態特征的重要因素，這與前人研究結果一致[6]。梭梭株高、冠幅、蓋度、胸徑以及株數等特征是梭梭的重要生態指標。鹽分是影響梭梭生長的最重要驅動因子，抑制著梭梭的生長發育。艾比湖濕地鹽分中的Ca2+與SO42-含量對梭梭生理生態特征影響較大，反映了該地區鹽堿化類型主要以硫酸鹽為主，說明艾比湖正不斷向咸水湖演化。研究結果表明，在半干旱地區，鹽分對植物生長影響較大，恢復該地區生態環境的重點是遏制土壤鹽漬化的發展，種植耐旱、耐鹽堿的植被，發展農業應采取輪作制度，并采取噴灌和滴灌先進灌溉技術，防止土壤的次生鹽堿化。

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