石羊河尾閭－青土湖水面形成對(duì)土壤分形維數(shù)和植被的影響

劉淑娟，劉世增，袁宏波，馬劍平，李發(fā)明，郭樹江，李菁菁

（甘肅省荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州730070）

土壤為植被的生存和發(fā)展提供了必要物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)又影響著植物群落結(jié)構(gòu)和功能。生境多樣性、光照、土壤結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分等影響了群落結(jié)構(gòu)組成和物種的多樣性［1］。物種多樣性是群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量［2－5］。近年來，圍繞土壤因子與物種多樣性間關(guān)系，國內(nèi)外開展了一系列討論，其中研究較多的是群落植物結(jié)構(gòu)及多樣性與養(yǎng)分之間的關(guān)系［6－7］。植物的生長發(fā)育與土壤因子關(guān)系較為密切，土壤理化性質(zhì)的不同、土壤母質(zhì)的好壞，都可能影響群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性［8］。土壤作為一種多孔介質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的分形特征，有的大量研究表明，分形維數(shù)可以較好地作為評(píng)價(jià)土壤肥力特性和土壤退化程度的定量化指標(biāo)［9－13］。Gao等［14－16］得出土壤分形維數(shù)與土地沙漠化程度、養(yǎng)分以及結(jié)構(gòu)狀況存在相關(guān)關(guān)系。還有研究［17－18］］通過土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤全氮、有機(jī)碳、全磷、速效磷和速效鉀有一定的相關(guān)關(guān)系，證明了土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)對(duì)土壤肥力存在一定影響，而關(guān)于分形維數(shù)特征及其與植被關(guān)系的研究較少。

石羊河尾閭—青土湖作為石羊河的終端，是民勤綠洲與兩大沙漠（騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠）之間的一個(gè)生態(tài)屏障，其重要性顯而易見。為了區(qū)域補(bǔ)償?shù)叵滤透纳茀^(qū)域水環(huán)境，促進(jìn)河流系統(tǒng)及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，自2010年9月開始，由政府主導(dǎo)，以渠道輸送的形式向青土湖注入生態(tài)用水，首次注水1 290萬 m3。2011年注水1 260萬 m3，2013年注水2 020萬m3。生態(tài)輸水是石羊河下游生態(tài)保護(hù)與環(huán)境整治的主要目的，因此青土湖注水能否起到改善該區(qū)域生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是社會(huì)各界所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

本文以青土湖生態(tài)注水后的植被和土壤作為研究對(duì)象，利用Marlven激光粒度儀對(duì)不同水面距離、不同土層的土壤粒徑進(jìn)行測定，采用土壤分形維數(shù)模型分析了土壤分形維數(shù)，嘗試建立土壤分形維數(shù)與植被的關(guān)系，確定水面形成后土壤質(zhì)地狀況，以期為輸水后的生態(tài)效益評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河尾閭—青土湖，位于騰格里沙漠西北緣、甘肅省民勤縣東北70km處，屬于石羊河干三角洲，地理位置為39°07′7.3″—39°08′3.2″N，103°37′53.0″—103°38′40.6″E，面積約40km2，屬于石羊河下游干涸三角洲，海拔高度約為1 292～1 310m。該區(qū)年平均氣溫為7.8℃，大于10℃的有效積溫3 248.8℃；年降水量110mm左右，且降水多集中于7—9月，占全年降水總量的73%，蒸發(fā)量達(dá)2 600mm以上；無霜期168d，光照3 181h，太陽輻射630kJ/cm2；20世紀(jì)初期，青土湖（即現(xiàn)今的“湖區(qū)”）水域面積大約120km2。50年代中后期，湖泊開始萎縮，1959年完全干涸，僅殘留有東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等鹽堿灘地或沼澤性草灘，大部分已被流沙覆蓋或墾殖［19－20］。研究區(qū)主要以湖相沉積物的砂土及壤質(zhì)砂土為主；植被類型為典型的荒漠植被，自然植被整體稀疏、種類較少，研究區(qū)的主要植被類型為白刺（NitrariatangutorumBobr.）和 蘆 葦 （Phragmitesaustralis（Cav.）Trin.ex Steud.）群 落，同 時(shí) 有 蘇 枸 杞 （LyciumruthenicumMurr.）、鹽爪爪（Kalidiumfoliatum（Pall.）Moq.）為主要伴生灌木；草本植物種類相對(duì)較豐富，主要有刺沙蓬（Salsolaruthenica）、駝 蹄 瓣 （ZygophyllumfabagoL.）、戟葉鵝絨藤（CynanchumsibiricumWilld）、豬毛菜（SalsolacollinaPall）、沙蓬（AgriophyllumsquarrosumL.Moq.）、砂引草（MesserschmidiasibiricaL.）、碟果蟲實(shí)（Corispermumpatelliforme）、砂藍(lán)刺頭（Echinops gmeliniiTurcz.）等。

1.2 調(diào)查取樣方法

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地貌特征、植被和土地利用狀況，以水面為中心向水面外圍延伸設(shè)置調(diào)查樣帶，帶寬200 m，在每個(gè)樣帶中以距水面邊緣0m開始，每隔50m分別設(shè)置植被調(diào)查樣地，每個(gè)樣地各設(shè)置1～2個(gè)灌木調(diào)查樣方、每個(gè)灌木樣方對(duì)應(yīng)5～7個(gè)草本樣方，共設(shè)灌木樣方39個(gè)，草本樣方245個(gè)。喬灌木采用20 m×20m樣方，草本用1m×1m的小樣方，分別調(diào)查記錄植物種名、高度、冠幅及樣方內(nèi)出現(xiàn)的各物種的個(gè)體數(shù)量。在對(duì)應(yīng)的灌木調(diào)查樣方中，采用五點(diǎn)取樣法，用取土鉆分別取土層深（H）0＜H≤20cm，20 cm＜H≤40cm，40cm＜H≤60cm共3個(gè)土層的土樣，然后，將同一樣地內(nèi)同土層土樣充分混合后裝入封口袋，密封帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后用四分法取一定量樣品，挑出石礫及可見凋落物和根系，用靜電法去除植物碎片，用瑪瑙碾缽碾細(xì)過篩后密封干燥保存將所取土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干備用。

1.3 試驗(yàn)方法

利用Marlven激光粒度儀進(jìn)行土壤粒度的測定，粒度分析的粒徑范圍0.01～2 000μm，粒度參數(shù)用Folk和Word的計(jì)算公式求出［21－22］。粒級(jí)劃分采用1978年《中國土壤》中的土壤質(zhì)地分類方法，細(xì)黏粒（＜0.001）、粗黏粒（0.001～0.005mm）、細(xì)粉粒（0.005～0.01mm）、粗粉粒（0.01～0.05mm）、細(xì)砂粒（0.05～0.25mm）和粗砂粒（0.25～2.0mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

（1）分形維數(shù)：土壤是具有分形特征的系統(tǒng)，運(yùn)用分形理論建立土壤顆粒結(jié)構(gòu)的分形模型［3，13］，利用土壤顆粒質(zhì)量與平均粒徑間的關(guān)系，計(jì)算土壤顆粒的分形維數(shù)。公式如下：

式中：D——土壤顆粒分形維數(shù)；r——土壤顆粒粒徑；Mr——粒徑小于r的顆?？傎|(zhì)量（mm）；Mt——土壤樣品總質(zhì)量（g）。

具體應(yīng)用時(shí)，首先由實(shí)測粒徑及其重量數(shù)據(jù)計(jì)算lg （Mr/Mt）和lg （r/δ）值，而后以lg （Mr/Mt）為橫坐標(biāo)，以lg （r/δ）為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合求得斜率α，再利用（1）式求得分形維數(shù)為D。

（2）多樣性指數(shù)：選用應(yīng)用最廣的物種豐富度指數(shù)（S）、Shannon－Weiner 指 數(shù) （H′）、Simpson 指 數(shù)（D）、均勻度指數(shù)（J）作為判斷群落α多樣性特征的指標(biāo)［23－25］（公式略）。

（3）重要值：采用下面公式計(jì)算物種的重要值（Ⅳ）：Ⅳ＝（相對(duì)多度＋相對(duì)優(yōu)勢度＋相對(duì)頻度）/3。

所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行了方差分析和LSD統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水面邊緣距離及各層次土壤粒徑分布及土壤顆粒分形特征

不同水面邊緣距離及不同土層深度粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量含量見表1。不同土層、距水面不同距離均表現(xiàn)為細(xì)砂粒含量最多。在0—20cm土層0.05～0.25mm的細(xì)砂粒含量介于57.19%～87.91%，平均值為79.68%；同樣在20—40cm，40—60cm土層的細(xì)砂粒含量介于56.98%～89.75%，均值小于0—20cm土層的粒徑含量；在青土湖水面邊緣周邊細(xì)砂粒的含量明顯大于其他粒徑的含量，由于青土湖屬于湖積沙地，因此細(xì)砂粒含量較高。其次是粗砂粒和粗粉粒含量，相對(duì)于細(xì)砂粒含量都較低，分別介于0.57%～28.30%，0.54%～29.72%。

從不同土壤層次來看，0—20cm，20—40cm，40—60cm層土壤顆粒分形維數(shù)分別在2.370 8～2.879 6，2.359 0～2.750 9，2.105 7～2.918 5，不同土層分形維數(shù)差異不顯著（p＞0.05）。分形維數(shù)與各粒徑的重量分布均存在顯著正相關(guān)（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)在0.896 9～0.994 5。從不同距離來看，0—20cm土層在0—150m土壤粒徑分形維數(shù)呈緩慢增加趨勢，在150m處達(dá)到最大2.879 6，隨后逐漸降低；而20—40cm，40—60cm土層在0—100m呈緩慢增加趨勢，在100m處達(dá)到最大，分別為2.750 9，2.918 5，隨后降低，而40—60cm土層在300m處分維數(shù)也出現(xiàn)一個(gè)較高峰值。綜合來看，表層土壤（0—20cm），距離150m，300m，是土壤，水面形成對(duì)0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—60cm土層土壤粒徑的影響范圍在100m。

可能與本地段較多的生長植被數(shù)量有關(guān)。本區(qū)域風(fēng)力強(qiáng)勁、風(fēng)沙活動(dòng)劇烈，水面的形成不僅降低砂粒的風(fēng)蝕，而且水面可阻截更多過境的黏粉粒，并使其在水面及水面周邊聚集，導(dǎo)致細(xì)粒物質(zhì)成分增加，且粗細(xì)砂粒含量降低，分形維數(shù)相應(yīng)升高。而超過一定距離，水面的截存作用減小，分形維數(shù)相應(yīng)降低了。

表1 不同土層深度和水面邊緣不同距離的土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

續(xù)表1

2.2 水面形成后植被變化特征

從圖1可以看出，多樣性指數(shù)，均勻度和優(yōu)勢度變化趨勢相同，在0～50m升高后在100m降到最低值而后又升高，隨后均處于小范圍的波動(dòng)狀態(tài)，變化不大，在距水面450m處多樣性達(dá)到最高，而均勻度和優(yōu)勢度總體變化不大。由于土壤屬于湖積鹽土，且地下水位低，地表植被稀少，植物群落主要是白刺群落，伴生有蘇枸杞、鹽爪爪，沙蒿、五星蒿、駱駝蹄瓣等。在距水面100m處受到水的溶解推移作用，鹽分增加作用，研究區(qū)灌木很少，物種多樣性變化主要受草本數(shù)量變化的影響，生長在土壤表層的草本減少，導(dǎo)致多樣性指數(shù)降低。

圖1 距水面不同距離物種多樣性指數(shù)

從圖2可以看出，草本的重要值在0.70～1.22，在距水面0～200m逐漸增大，在200m處達(dá)到最大，隨后逐漸降低；灌木的重要值在0.42～1.11，在距水面100m處出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨后降低在距水面300m處達(dá)到最大值。由于距水面較近，雖然土壤水分增加了，但又受到水溶推移和強(qiáng)烈的蒸發(fā)引起土壤表層鹽漬化，近水面植被影響較大，因此直到在距水面200m處草本重要值最大。由于湖積鹽土，受到鹽分影響，植被種類較少，豐富度僅在5～10，變化不大，趨勢不明顯，在距水面450m處最大。

圖2 距水面不同距離的重要值和豐富度

2.3 分形維數(shù)與植被的關(guān)系

對(duì)植被多樣性、均勻度、優(yōu)勢度指數(shù)、草本和灌木重要值和分形維數(shù)進(jìn)行線性回歸分析。由表2可知在0—20cm土層，分形維數(shù)與多樣性、均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r在－0.721～－0.691，而在20—40cm土層各植被指標(biāo)與分維系數(shù)并無相關(guān)性，在40—60cm土層只有多樣性指數(shù)與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。水面形成后對(duì)該區(qū)域的草本影響較大，草本植被根系主要分布在0—20cm土層，由于受到水溶推移和強(qiáng)烈的蒸發(fā)引起土壤表層鹽漬化，表層土壤中鹽分增加明顯，鹽分升高導(dǎo)致植被數(shù)量減少，多樣性降低，因此出現(xiàn)分維系數(shù)與多樣性呈負(fù)相關(guān)的情況。

3 結(jié)論與討論

（1）石羊河尾閭—青土湖輸水區(qū)域土壤0—20cm，20—40cm，40—60cm層次土壤顆粒分形維數(shù)差異不顯著（p＞0.05）。分形維數(shù)與各粒徑的重量分布均存在顯著正相關(guān)（p＜0.01）。距水面不同距離土壤分形維數(shù)變化趨勢較一致，在0～50m范圍，各層土壤分維數(shù)均較?。辉?0～450m范圍，均呈現(xiàn)隨距水面距離增大而波動(dòng)變小的趨勢，但其峰值變化略有差異。150m，300m是0—20cm表層土壤分形維數(shù)的峰值點(diǎn)，而100m，400是20—40cm，40—60cm層次土壤分形維數(shù)的峰值點(diǎn)。區(qū)域土壤粒度及其分形維數(shù)的這種變化規(guī)律主要受風(fēng)沙活動(dòng)、植被分布、水面形成等4方面因素的影響，水面的形成使水面邊緣風(fēng)速較大，風(fēng)速對(duì)水面外圍0～100m距離表層土壤的吹蝕作用較強(qiáng)，同時(shí)由于受地表植被影響及風(fēng)沙流能量減小，土壤分形維數(shù)逐漸增大；在400～450m距離上，由于接近流動(dòng)沙丘，風(fēng)沙覆蓋相對(duì)較厚，且相對(duì)海拔變高，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，土壤粗砂含量較多，分形維數(shù)較小。而植被隨沿水面的徑層分布規(guī)律則使距水面50～400m距離的表層土壤分形維數(shù)波動(dòng)變化明顯，而下層土壤分維數(shù)的變化主要受土壤原始沉積特征的影響。土壤分形維數(shù)可以反映植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)地的變化程度［9］，而本研究中的這種變化說明在干旱沙漠地區(qū)，土壤顆粒分形維數(shù)也可作為一個(gè)反映評(píng)價(jià)土壤演變程度的綜合定量指標(biāo)。

表2 分形維數(shù)D與植物群落α多樣性的線性關(guān)系

（2）物種多樣性不僅能夠度量群落的組成結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，也能指示環(huán)境狀況。植物群落的分布格局是不同尺度上各種環(huán)境因子如氣候、土壤、地形等綜合作用的結(jié)果。在青土湖沙漠化發(fā)展過程中，生境的改變對(duì)某一階段群落的形成具有重要影響。本研究區(qū)域范圍內(nèi)的氣候、海拔變化不大，各樣地的環(huán)境背景條件相對(duì)一致，植物群落分布格局更多的受土壤、水面形成及風(fēng)沙活動(dòng)的影響。研究區(qū)域植物物種多樣性隨水面距離呈波動(dòng)變化，這種波動(dòng)變化與土壤分形維數(shù)的變化具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，土壤的分布形成了植被特定的圈層分布格局，而植被的圈層分布又影響了土壤特征如粒度、分形維數(shù)的變化。0～50m，400～450m兩個(gè)地段是物種多樣性較高，同時(shí)是土壤分形維數(shù)較低地段，這主要與水面邊緣區(qū)域及區(qū)域外圍風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈有關(guān)。通過重要值分析發(fā)現(xiàn)，草本在距水面0～200m逐漸增大，在200m處達(dá)到最大，隨后逐漸降低；灌木的重要值在距水面100m處出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨后降低。在距水面300m處達(dá)到最大值，草本植物對(duì)區(qū)域植物多樣性影響較大，但灌木植物重要值與土壤特征的變化關(guān)系更密切。研究區(qū)域的植物以耐鹽堿物種為主，土壤鹽分含量在上層積累多，鹽堿是這些植物生長的主要脅迫因子，因此它們的變化對(duì)該區(qū)植被物種多樣性變化的反映程度較大，有研究表明鹽分梯度不僅引起多樣性的變化，而且是植物群落分布和演替的重要影響因素［2］。

（3）從土壤分維數(shù)與多樣性關(guān)系來看，0—20cm土層，分形維數(shù)與多樣性、均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，而在20—40cm土層各植被指標(biāo)與分維系數(shù)相關(guān)性不明顯，在40—60cm土層只有多樣性指數(shù)與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究中，由于水面形成對(duì)草本植物影響較大，草本植被根系主要分布在0—20cm土層，并且受到水溶推移和強(qiáng)烈的蒸發(fā)引起土壤表層鹽漬化，表層土壤中鹽分增加明顯，鹽分升高導(dǎo)致植被數(shù)量減少，多樣性降低，因此出現(xiàn)分維系數(shù)與多樣性呈負(fù)相關(guān)的狀態(tài)。左小安［8］研究也表明土壤顆粒與物種多樣性指數(shù)的灰關(guān)聯(lián)度的排序表明他們與物種多樣性之間的相關(guān)性相對(duì)較遠(yuǎn)。

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