唐古特白刺灌叢生物量相關分析及其預測模型*

玉蘇甫·買買提，艾薩迪拉·玉蘇甫

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊830054)

白刺屬 (Nitraria L)屬于旱生或超旱生灌木或小灌木，是防風固沙和改良鹽堿地的先鋒植物，壽命長達30年以上。全世界有12種，中國有8種，新疆有6種［1～2］，廣泛分布于我國干旱、半干旱荒漠地區(qū)。白刺屬植物具有很強的防風固沙能力以及耐旱、抗風蝕、抗鹽堿、耐熱能力，因此，在生物固沙和改良鹽堿地方面長期以來備受關注［3］。更為重要的是，白刺屬植物耐沙埋，埋后枝節(jié)快速生出不定根，然后擴展枝葉、積沙成丘，漸漸形成固定和半固定的唐古特白刺灌叢沙堆或沙包［4］，新疆90個縣 (市)中53個縣 (市)有沙漠分布，受沙漠化、風沙危害和影響的有80個縣 (市)［5］。白刺屬植物常常在綠洲與沙漠之間的過渡帶形成固定和半固定的唐古特白刺沙堆，從而在防御沙漠入侵危害綠洲、保持綠洲環(huán)境的穩(wěn)定等方面均發(fā)揮不可替代的作用。白刺屬植物研究主要集中在森林栽培、資源現(xiàn)狀調查［6～7］、化學成分分析、沙包生物量預測模型［8～9］等方面，而關于不同林型唐古特白刺灌叢的地上生物量、沙包內(nèi)生物量、粘土內(nèi)生物量和總生物量的相關性分析，并建立的其回歸模型的研究未見報道。本項研究采用全挖法及直接收獲法，通過測定唐古特白刺 (Nitraria tangutorum)純林、唐古特白刺+紅柳 (Tamarix ramosisima)混交林和唐古特白刺+胡楊 (Populus diversifolia)混交林的唐古特白刺生物量，沙包的長度、寬度、高度等指標，應用線性回歸方法，分別對不同林型的唐古特白刺灌叢的地上生物量、沙包內(nèi)生物量、粘土內(nèi)生物量和總生物量進行相關性分析，建立回歸預測模型，以期為新疆的受損生態(tài)系統(tǒng)修復和防風固沙等生物措施提供參考。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于天山南麓，焉耆盆地東北部，地處東經(jīng) 86°41'～ 88°22'和北緯 40°25'～ 42°47'之間，總面積12 892 km2。氣候屬典型的中溫帶大陸性氣候，分北部山區(qū)、南部山區(qū)和中部平原區(qū)3個不同的氣候區(qū)。北部山區(qū)，常年積雪，氣候嚴寒，無霜期很短，四季不分明，只有冷暖之分;中部平原區(qū)，四季分明，夏季炎熱，冬季寒冷，春季干旱、多風，氣溫多變，秋季短而降溫迅速;南部山區(qū)，降水極少，蒸發(fā)量大，氣候干燥酷熱。年平均氣溫8．6℃，1 月平均氣溫 -11．9℃，7 月平均氣溫23．6℃，極端最高氣溫 40．3℃，極端最低氣溫-31．6℃，無霜期 166天。年平均降水量 28．7 mm。土壤為原始灰棕漠土、灰鈣土、半固定沙地和山坡鈣積土。

2 研究方法

2.1 調查方法

以研究區(qū)域3種林型的唐古特白刺灌叢沙包為研究對象，在研究區(qū)設置每一個不同生境區(qū)域內(nèi)規(guī)格為100 m×100 m的樣地，其中，每一個樣地內(nèi)篩選不同大小的代表性的10個樣點，總計30個唐古特白刺灌叢沙包為樣點，利用GPS定位，用皮尺對唐古特白刺沙包的長度、寬度、高度和沙包上的灌叢高度等形態(tài)特征指標進行實地測量。通過利用全挖法、平均生物量法、直接收獲法、回歸模型等灌叢生物量估測方法，對不同生境的唐古特白刺灌叢沙包地上生物量 (沙包上部的生物重量)、沙包內(nèi)生物量 (沙包里的生物重量)、粘土內(nèi)生物量(沙包全挖地平后黏土內(nèi)的生物重量)和總生物量(包括沙包上生物量、沙包內(nèi)生物量和黏土內(nèi)生物量的綜合)進行實地測重［9～14］。

2.2 數(shù)據(jù)分析

運用Excel和SPSS等統(tǒng)計軟件，對所獲取的有關灌叢沙包形態(tài)和生物量的數(shù)據(jù)進行了處理和分析，并利用得到的數(shù)據(jù)，以唐古特白刺灌叢沙包的長、寬、高為自變量，以不同部分的生物量為因變量，選擇線性回歸模型，對不同生境的唐古特唐古特白刺灌叢沙包生物量建立了回歸預測模型。

3 結果與分析

3.1 唐古特白刺灌叢沙包生物量統(tǒng)計特征

不同生境唐古特白刺灌叢沙包生物量調查結果見表1。從表1可以看出，和碩縣唐古特白刺灌叢沙包生物量總特征表現(xiàn)為:3種林型的地上生物量、沙包內(nèi)生物量和地下生物量由高到低排序是唐古特白刺純林＞唐古特白刺+紅柳混交林＞唐古特白刺+胡楊混交林，粘土內(nèi)生物量逐漸增多;究其原因，從唐古特白刺純林-唐古特白刺+紅柳混交林-唐古特白刺+胡楊混交林，唐古特白刺純林沙堆的發(fā)育程度逐漸弱化，個體形態(tài)也相應減小。這就表明在唐古特白刺純林，它們積聚流沙和枯枝落葉而固定的沙丘比唐古特白刺+紅柳混交林和唐古特白刺+胡楊混交林被固定的沙丘發(fā)育得好，這說明在沙漠區(qū)唐古特白刺屬植物的生態(tài)效益體現(xiàn)得最突出。因為在沙漠地區(qū)分布的唐古特白刺屬植物耐沙埋，埋后枝節(jié)能快速生出不定根，然后擴展枝葉，積沙成丘，漸漸形成固定和半固定的唐古特白刺灌叢沙堆或沙包。這還能進一步證明，唐古特白刺純林的防風固沙能力比唐古特白刺+紅柳混交林和唐古特白刺+胡楊混交林大得多。試驗證明，唐古特白刺純林灌叢沙包高度、長度及寬度最大，沙堆能力最強;唐古特白刺+紅柳混交林次之;唐古特白刺+胡楊混交林最小。

表1 唐古特白刺灌叢的生物量及其沙包特征Tab．1 Biomass and sand dune characteristics of Nitraria tangutorum shrub

從唐古特白刺純林-唐古特白刺+紅柳混交林-唐古特白刺+胡楊混交林，唐古特白刺沙包形態(tài)的統(tǒng)計特征表現(xiàn)為:沙包的長度和高度呈逐漸減少趨勢，但沙包寬度在唐古特白刺+紅柳混交林最大，唐古特白刺純林次之，唐古特白刺+胡楊混交林最小。變異系數(shù)能反映隨機變量的離散程度，一般認為CV≤10%為弱變異性;10%＜CV＜100%為中等變異性;CV≥100%為強變異性。由表1還可以看出，唐古特白刺純林、唐古特白刺+紅柳混交林和唐古特白刺+胡楊混交林的任何指標不管是在哪一個林型都屬于中等變異性。以表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，比較分析不同生境的3種林型唐古特白刺灌叢根系的深度、長度及寬度分布情況，結果表明:(1)在唐古特白刺純林分布區(qū)的10個樣點中沙包內(nèi)+粘土內(nèi) (實地采用全挖法和直接收獲法)根系分布的最大深度3．7 m、長度10．7 m、寬度6．2 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)最大根重量157．5 kg;平均深度 2．8 m、長度 6．40 m、寬度 3．84 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)平均根重量78．11 kg。(2)唐古特白刺+紅柳混交林分布區(qū)的10個樣點中沙包內(nèi)+粘土內(nèi)根系分布的最大深度3．2 m、長度8．7 m、寬度6．3 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)最大根重量95．2 kg;平均深度2．6 m、長度6．01 m、寬度4．28 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)平均根重量63．08 kg。(3)唐古特白刺+胡楊混交林分布區(qū)的10個樣點中沙包內(nèi)+粘土內(nèi)根系分布的最大深度2．8 m、長度6．2 m、寬度4．2 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)最大根重量38．4 kg;平均深度2．3 m、長度4．71 m、寬度3．22 m，沙包內(nèi)+粘土內(nèi)平均根重量27．09 kg。綜上所述，3種林型的根系分布的最大深度、長度及寬度及其最大根重量由大到小排序是唐古特白刺純林＞唐古特白刺+紅柳混交林＞唐古特白刺+胡楊混交林。究其原因，從唐古特白刺純林-唐古特白刺+紅柳混交林-唐古特白刺+胡楊混交林上沙堆的發(fā)育程度逐漸弱化，個體形態(tài)也相應減小。

3.2 變量間的相關分析

唐古特白刺灌叢沙包生物量包括地上生物量、沙丘內(nèi)生物量和灌叢沙包下粘質土層內(nèi)生物量等3個部分。唐古特白刺灌叢沙包長度、寬度、高度、地上平均高度是唐古特白刺灌叢沙包的本身特征。在唐古特白刺純林，其灌叢沙包生物量與沙包形態(tài)的內(nèi)在關聯(lián)性不同，了解這一點有助于辨析不同生境的生物量估算。本項研究分析新疆博斯騰湖周圍的和碩縣境內(nèi)不同生境的唐古特白刺灌叢沙包生物量與沙包的長度、寬度、高度之間的相關性 (表2～4)。

表2 唐古特白刺純林各變量間的相關系數(shù)矩陣Tab．2 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum forest

表3 唐古特白刺+紅柳混交林各變量間的相關系數(shù)矩陣Tab．3 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum+Tamarix ramosisima mixed forest

表4 唐古特白刺+胡楊混交林各變量間的相關系數(shù)矩陣Tab．4 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum+Populus diversifolia mixed forest

從表2可以看出，在唐古特白刺純林，各變量之間的相關性都很強，呈0．01顯著性水平的極正相關。

從表3可以看出，在唐古特白刺+紅柳混交林，各變量之間的相關性也都很強，呈0．01顯著性水平的正相關。

從表4可以看出，在唐古特白刺+胡楊混交林，除了各變量與沙包高度的相關性不顯著，呈0．05顯著性水平的正相關以外，其他各變量之間的相關性都很強，呈0．01顯著性水平的極正相關。

綜上所述，和碩縣唐古特白刺純林，灌叢沙包生物量與沙包形態(tài)的內(nèi)在關聯(lián)性不同，即在唐古特白刺純林，沙包生物量與沙包形態(tài)的相關性很強，比唐古特白刺+紅柳混交林和唐古特白刺+胡楊混交林的還顯著。這能進一步說明，哪里的沙丘固定得好，哪里的沙包生物量與沙包形態(tài)的內(nèi)在關聯(lián)性越好，受損生態(tài)系統(tǒng)修復和防風固沙方面的生態(tài)效益就強。

3.3 唐古特白刺灌叢沙包生物量預測模型的建立

在上述相關性分析的基礎上，參考已有的灌木生物量建模方法，即利用全挖法、平均生物量法、直接收獲法、回歸模型等灌叢生物量估測方法［11～14］，分別以唐古特白刺灌叢沙包的長度、寬度、高度為自變量，以不同部分的生物量為因變量，選擇線性回歸模型進行建模，回歸分析結果見表5～7。

表5 唐古特白刺純林的沙包生物量與其沙包特征的回歸分析Tab．5 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum forest

表6 唐古特白刺+紅柳混交林的沙包生物量與其沙包特征的回歸分析Tab．6 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum+Tamarix ramosisima mixed forest

從表5可知，在唐古特白刺純林，除粘土內(nèi)生物量回歸方程的p值為0．16之外，各回歸方程的p值 (0．02～0．03)均小于0．05的顯著性水平，這表明，從整體上看，模型與數(shù)據(jù)的擬合程度非常好，說明灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對唐古特白刺灌叢沙包生物量的作用是極其顯著的，因此，本文所建立的回歸模型是可用的。

從表6可知，在唐古特白刺+紅柳混交林，以沙包內(nèi)生物量 (因變量)與沙包長度、寬度、高度 (自變量)為變量的回歸方程的 p值 (0．02)小于0．05的顯著性水平，說明灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對沙包內(nèi)生物量的作用是顯著的;以粘土內(nèi)生物量 (因變量)與沙包長度、寬度、高度 (自變量)為變量的回歸方程的 p值(0．09)，大于0．05的顯著性水平，說明灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對唐古特白刺紅柳混交林的粘土內(nèi)生物量的作用是不顯著的;除了這兩者之外，其他3個回歸方程的p值均小于0．05的顯著性水平，說明灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對唐古特白刺灌叢沙包生物量的作用是極其顯著的，因此，本項研究所建立的回歸模型也是可用的。

表7 唐古特白刺+胡楊混交林的沙包生物量與其沙包特征的回歸分析Tab．7 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum+Populus diversifolia mixed forest

從表7可知，在唐古特白刺+胡楊混交林中唐古特白刺灌叢除粘土內(nèi)生物量回歸方程的p值(0．01)非常顯著之外，唐古特白刺沙包的長度、寬度、高度都很小，各回歸方程的 p值均大于0．05的顯著性水平，這表明，灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對唐古特白刺+胡楊混交林中唐古特白刺灌叢沙包生物量的作用是不顯著的。因此，本項研究所建立的回歸模型不可用。

從整體上看，模型與數(shù)據(jù)的擬合程度非常好，說明新疆博斯騰湖周邊唐古特白刺灌叢沙包的長、寬、高度等指標對唐古特白刺純林及唐古特白刺+紅柳混交林的唐古特白刺灌叢沙包生物量的作用是極顯著的，因此，本項研究所建立的回歸模型是可用的。這能直接反映研究區(qū)灌叢沙包的發(fā)育狀況由唐古特白刺灌叢沙包形態(tài)對唐古特白刺灌叢沙包生物量的作用來決定。還能進一步反映形態(tài)效益的高低也是由沙包形態(tài)對沙包生物量的作用來決定。

從決定系數(shù)的R2和調整后的R2adj值來看，整個研究區(qū)內(nèi)，灌叢沙包的長度、寬度、高度對各個模型的解釋程度并不相同，其中在唐古特白刺+胡楊混交林對地上生物量的解釋程度最低，僅27．7%，這說明沙包形態(tài)可以解釋地上生物量27．7%的變異狀況;其他各因素的解釋程度均大于50%，這表明整個研究區(qū)內(nèi)，各因素對唐古特白刺灌叢沙包生物量的影響都較大。

4 結語

(1)新疆博斯騰湖周邊的和碩縣境內(nèi)不同林型的唐古特白刺灌叢沙包生物量的統(tǒng)計特征主要表現(xiàn)為:在唐古特白刺純林，地下生物量＞沙包內(nèi)生物量＞地上生物量＞粘土內(nèi)生物量;在唐古特白刺+紅柳混交林，地下生物量＞沙包內(nèi)生物量＞地上生物量＞粘土內(nèi)生物量;在唐古特白刺+胡楊混交林，地上生物量＞地下生物量＞粘土內(nèi)生物量＞沙包內(nèi)生物量。這說明唐古特白刺純的唐古特白刺屬植物的防風固沙功能最強，其次唐古特白刺+紅柳混交林，因為紅柳的防風固沙功能也很強，唐古特白刺+胡楊混交林的唐古特白刺灌叢沙包一般不大，因此，防風固沙功能較低。

(2)在唐古特白刺純林灌叢沙包的高度、長度和寬度都大，且沙包內(nèi)生物量最大，其次為地上生物量。因此，除粘土內(nèi)生物量與沙包高度呈0．05顯著性水平的正相關之外，其他各變量之間的相關性都很強，各回歸方程的p值均小于0．05的顯著性水平。在唐古特白刺+紅柳混交林，除粘土內(nèi)生物量與沙包長度、寬度、高度的回歸方程的p值為0．09，并大于0．05的顯著性水平，說明灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對粘土內(nèi)生物量的作用是不顯著外，總生物量、地下生物量、地上生物量及沙包內(nèi)生物量與沙包長度、寬度、高度的回歸方程的p值為0．02，并小于0．05的顯著性水平，這表明唐古特白刺+紅柳混交林灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對總生物量、地下生物量、地上生物量及沙包內(nèi)生物量的作用是極其顯著的，因此，本項研究所建立的回歸模型也是可用的。在唐古特白刺+胡楊混交林，除有粘土內(nèi)生物量回歸方程的p值 (0．01)非常顯著之外，其他各回歸方程的p值均大于0．05的顯著性水平，這表明唐古特白刺+胡楊混交林灌叢沙包的長度、寬度、高度等指標對總生物量、地下生物量、地上生物量及沙包內(nèi)生物量的作用是不顯著的。因此，對唐古特白刺+胡楊混交林，本項研究所建立的回歸模型不可用。綜上所述，本項研究所建立的回歸模型對唐古特白刺純林和唐古特白刺+紅柳混交林都可以用。

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