烏魯木齊典型灌木群落物種多樣性與土壤因子相關性分析

吳天忠 葉琴 海妮肯·山臺 劉永萍

摘要：? 運用主成分分析方法對影響灌木群落多樣性變化的土壤因子進行分選、排序和相關性分析。其結果表明：灌木群落的多樣性指數與粒度平均值、重金屬元素Bi和粒度分選系數呈顯著相關關系（P<0.01），而均勻度指數與粒度平均值、分選系數、重金屬元素Mn呈顯著正相關（P<0.01），豐富度指數數據顯示只與Bi顯著相關（P<0.01）;通過回歸分析可知土壤粒度平均值和分選系數是影響灌木群落的物種多樣性和均勻度的關鍵因素。

關鍵詞：? 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：? ?S 718. 54? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2021）06 - 0025 - 05

烏魯木齊位于中溫帶荒漠區，地帶性自然植被受區域影響主要為溫帶荒漠植被，自然植被以沙質、礫質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的研究，研究結果表明：區域內物種組成相對稀少，植物分布不均勻[ 2 - 5 ]，這與區域內環境因子的復雜性有關。本文在烏魯木齊地區，通過野外實地調查，在灌木群落劃分的基礎上，從探討灌木群落物種多樣性與土壤因子的關系進行研究，在物種多樣性的角度分析干旱區適宜灌木群落的分布特征及其穩定性。為該區域灌木植被多樣性的保護及生態可持續發展提供可借鑒的理論依據。

1 研究區概況

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、準噶爾盆地南緣，天山山系北天山西段與東段的結合部，東、南、西三面環山，地勢東南高、西北低，北為準噶爾盆地南緣，自然坡度12‰～15‰，海拔680～920 m，市區平均海拔800 m，其中建成區面積365.88 km2，有烏魯木齊河、頭屯河、白楊河、柴窩堡湖等水系[ 6 ]。成土母質質地大部分為壤土、少數為砂土和粘土，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 試驗方法

2. 1 植被樣方及參數

按照常規的群落學調查方法，結合研究區代表性灌木植物群落的分布特點，根據不同的地形、土壤和植被類型的灌木生長區域設置了調查區域和取樣點。在每個典型土壤類型中做3～4個調查樣方，整個區域共設置50個調查樣方，每個樣方面積為100 m2（10×10 m）。植物群落調查主要指標包括：物種名、種類多度、數量（株/叢）、蓋度、高度等，同時調查記錄樣方的生境特征，主要包括海拔高度、經緯度、坡度、坡向等。

2. 2 土壤理化性質測定

在選擇的樣方內進行土壤分層取樣，分別是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3個重復，混合取樣，共收集到150份土壤樣品，送到實驗室進行理化性質測定，測定指標包括：

土壤養分 有機質測定主要采用重鉻酸鉀容量法，采用（儀器型號）開氏法測土壤全氮，使用堿解蒸餾法測定有效氮;使用鉬銻抗比色法進行全磷和有效磷數據的測定;使用光焰光度法測定全鉀和速效鉀含量的測定。

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

土壤粒度 使用malvren2000激光粒度儀進行研究區樣方中土壤粒度的數值測定。

土壤重金屬 電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS測定。

2. 3 數據分析

物種多樣性計算 首先在統計各樣方中不同灌木和草本蓋度、密度及高度的基礎上，計算調查樣方中灌木植物的重要值。

在重要值矩陣的基礎上，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軟件對區域內調查樣地及其灌木物種進行聚類。TWINSPAN分類后，將本次調查研究區域內所包括的灌木群落主要劃分為I～X共十個灌木群落類型（表1）。

灌木群落分類后，依據物種多樣性指數引用的廣泛性及其對群落物種多樣性狀況的反映，主要采用4個指數進行分析，包括Shannon多樣性指數（D）、Pielous均勻度指數（J）、Simpson優勢度指數（C）和Margalef豐富度指數（M），通過野外灌木群落樣方調查數據，計算群落的物種多樣性。

分析方法 樣本數據采集均在晴朗天氣進行。數據整理后用origin軟件對數據進行處理顯示，SPSS25.0進行相關性以及主成分分析，其他大量數據的處理采用Excel進行。

3 結果與分析

3. 1 灌木群落物種多樣性

由研究區灌木群落物種多樣性指數特征（圖1）可知：4個指數變化幅度均較大，說明研究區域內灌木群落的物種多樣性變化趨勢比較大。結合灌木群落的多樣性指數之間的相關關系（圖2）可知：灌木群落的物種多樣性、豐富度和均勻度指數的變化趨勢有一定的規律，基本趨于一致，呈顯著正相關，而優勢度指數與物種多樣性和均勻度指數呈顯著負相關，與豐富度指數呈負相關，但不顯著。以往研究[ 7 - 8 ]認為，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較高，但群落內優勢物物種的優勢度則常處于較低值，反之當優勢度指數值較高時，群落中優勢物種的個體數則會顯著多于其他一般種，使得群落呈現單一化的趨勢，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均降低。

總體來看，在本次調查研究區域內，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較低，物種組成相對稀少，植物群落結構相對比較簡單。從各群落調查數據分析來看，由于群落I～III主要分布在山前區域或低地草甸區，故該區域水土及光熱條件相對較好，調查顯示群落I～III多樣性、均勻度、豐富度各指數均較大，尤其是黑果小檗+寬刺薔薇-千葉蓍群落的多樣性指數在各群落中最大，各群落之間指數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則最低，物種種類組成相對貧乏，這也使該區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個土壤因子，將不同土壤深度的原始數據取平均值后運用SPSS25.0進行主成分分析，（表2）可知：5個主成分占比較大，貢獻率依次為32.926%、17.273%、12.151%、11.341%、7.354%，累積貢獻率為81.046%，其中前3個主成分的累積貢獻率則達到了62.350%，能夠反映出研究區環境因子的差異。第1主成分中土壤全氮含量的負荷系數為0.953，負荷系數最大，負荷系數較大的還有土壤全氮含量、有機質含量、海拔、全磷等4個因子;第2主成分中速效鉀含量的負荷系數為0.728，負荷系數最大，主成分中主要包含土壤速效鉀、總鹽含量、電導率等因子;第3主成分中粒度平均值的負荷系數為0.572，主成分中主要包含粒度平均值、含水量、全鉀等因子。14個因子中，土壤理化因子的貢獻值>地形因子。

3. 3 灌木物種多樣性與土壤因子的關系

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

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有顯著的相關關系。

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

選取的因子如下：

土壤粒度參數：粒度分選系數（PSS）、偏度系數（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。

結果顯示：灌木群落的Shannon多樣性指數與重金屬元素Bi（鉍）和粒度分選系數具有顯著的正相關關系（P<0.05），均勻度指數與重金屬元素Mn（錳）和粒度分選系數顯著相關（P<0.05），而物種豐富度指數則只與元素Bi顯著相關（P<0.05），剩余的土壤因子與灌木群落的多樣性指數顯著性不明顯（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性較為顯著的土壤粒度平均值和分選系數進行回歸分析（圖3）。灌木群落的Shannon指數與不同土壤層次處的粒度平均值之間的最佳擬合表現為直線回歸（P<0.01），隨著土壤顆粒物粒徑增大，灌木群落的種類增多，優勢物種減少。均勻度指數與粒度分選系數之間的最佳擬合則表現為二項式回歸（P<0.01），呈現粒度分選性增大，群落越均勻的趨勢，達到0.7～0.8時有下降的趨勢。兩類回歸分析在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層處的R2值都呈現了先減少后增大的趨勢，且土壤表層處回歸方程的解釋度都達到了50%及以上，其他土壤因子與多樣性指數及均勻度指數擬合曲線回歸方程的解釋度都低于50%，可以認為，在烏魯木齊地區土壤粒度平均值和分選系數是擬合灌木群落的物種多樣性指數和均勻度指數的關鍵因素。

4 結果與討論

4. 1 研究區域位于大陸腹地深處，氣候屬于典型的中溫帶大陸干旱氣候區。本文調查數據顯示：分布在高海拔的山地灌木群落較荒漠灌木群落結構更復雜，物種數更多，豐富度較大，分布的較均勻，可能是因為在山地的溫度和氣候比較合適植被的生長，有機質和全氮含量較大，天然草本植物較豐富，如苔草、平車前、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，生境嚴酷，因此結構單一，豐富度也較小。兩者的過渡區多分布一些生態幅較寬，對環境適應能力較強的灌木，天然的草本植物也較少，加之人工干擾也會降低物種的多樣性，因此多樣性指數最低。此結果體現了干旱區山地—綠洲—荒漠景觀的復雜性。

4. 2 烏魯木齊地區土壤因子的主成分分析結果表明：地形和土壤因子共同作用于當地的環境狀況，土壤因子占主導地位。隨著海拔高度的增加，灌木植物的多樣性指數有顯著的增大趨勢，與鄭紹偉[ 8 ]等的研究結論相同。由于研究區處于干旱—半干旱地區的水熱條件等特征決定了灌木的優勢種，所選樣地為高海拔區域的烏魯木齊南山和東山，水熱條件相對較好，自然植被較為豐富，也凸顯了土壤因子所起的主導作用。

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

4. 4 回歸分析表明：灌木群落的Shannon多樣性指數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間則擬合為二項式回歸。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，但此類相關關系在表層土壤中表現較為突出。4. 5 土壤與環境因子作為一個系統，相互之間聯系非常緊密。灌木群落的多樣性與土壤因子的關系在不同區域、不同土壤質地處的相互關系還需要進一步的研究。

5 結 論

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

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

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第1作者簡介：? 吳天忠（1981-），? 男，? 助理研究員，? 碩士研究生，林業生態工程方向。

收稿日期： 2021 - 05 -? 14

（責任編輯：? ?李 丹）