克拉瑪依市瑪依湖區(qū)不同土壤條件的植被生長狀況及影響因子1)

尚白軍 鄭博文 周智彬 王著峰 王利界

(中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊，830011) (中國科學院大學) (泰州市高港區(qū)政府辦公室)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，在陸地表面能量交換、水分循環(huán)和生物地球化學循環(huán)過程中起著重要作用[2]。而在生態(tài)脆弱的干旱區(qū)，植被對生態(tài)系統(tǒng)的維持有著重要的作用[3]，因此對干旱區(qū)的植被研究對于監(jiān)測該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變化有著重要意義[4]。而植被指數常作為植被生長狀況及覆蓋度變化的最佳指示因子，已普遍用來評估植被覆蓋及其長勢[5]。歸一化植被指數(NDVI)的變化不僅可以反映植被覆蓋度的增減，也能了解某一地區(qū)的生態(tài)狀況[6-7]，已被廣泛應用于陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長狀況監(jiān)測以及植被生產力估算、碳源/碳匯估算的研究中[8]。運用植被歸一化指數(NDVI)的研究主要有以下幾個方面：探究NDVI對氣候變化的響應[9]、運用NDVI探究植被覆蓋度演化特征[10]、運用NDVI等光譜指數進行生物量估算[11]、利用NDVI探究研究區(qū)植被覆蓋度的時空動態(tài)變化[12-18]、研究區(qū)NDVI時空分布特征對水熱等環(huán)境因子的響應[19-22]、植被指數對城市擴展的響應[23]、利用NDVI探究防護林的防風固沙效應等[24]。雖然已經有很多利用植被指數探究植被生長狀況等方面的研究，但是植被指數與土壤理化性質耦合的研究相對較少?，斠篮鳛榭死斠朗袞|部重要的生態(tài)屏障，湖區(qū)外圍植被的生長狀況與克拉瑪依市的生態(tài)安全密切相關。本研究通過分析瑪依湖區(qū)不同土壤環(huán)境下植被生長狀況，結合土壤理化性質，擬說明瑪依湖區(qū)植被生長狀況與土壤理化性質之間的關系。這不僅可以了解瑪依湖區(qū)植被、土壤的基本情況，還能為湖區(qū)植被恢復、生態(tài)建設、土地開發(fā)利用、防護林選種以及林帶合理配置提供科學依據和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

瑪依湖區(qū)(45°14′～45°35′N，85°7′～85°26′E)位于克拉瑪依市東南部、瑪納斯河下游古河道區(qū)，東部瀕臨古爾班通古特沙漠[25]。該區(qū)域位于中緯度內陸地區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候。年平均氣溫為8.6 ℃；1月為最冷月，月平均氣溫-15.4 ℃，極端低溫-40.5 ℃；7月為最熱月，月平均氣溫27.9 ℃，極端高溫46.2 ℃。多年平均降水量108.9 mm，年潛在蒸發(fā)量高達1 492.0 mm，是同期降水量的13.7倍；全年日照時間2 704.0 h，7月最多，達302.5 h，12月最少，僅99.8 h，無霜期232.3 d，年平均風速為3.2 m·s-1。湖區(qū)內梭梭(Haloxylonammodendron)、檉柳(Tamarixchinensis)、西伯利亞白刺(Nitrariasibirica)等荒漠植物生長茂盛，土壤類型以灰漠土、草甸土和沼澤土為主。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

2.2 歸一化植被指數的計算

從地理空間數據云下載Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數字產品2017年的遙感影像，空間分辨率為30 m×30 m，通過圖像配準、輻射定標、大氣校正等預處理后，用近紅外波段反射率和可見光中紅波段反射率計算出NDVI值。

(1)

式中：NDVI表示歸一化植被指數；NIR表示近紅外波段反射率；VIS表示可見光中紅波段反射率。

2.3 分形維數

分形維數采用王國梁等[27]推導的土壤顆粒體積分形維數公式計算：

(2)

式中：r表示土壤顆粒半徑；V(r

對(2)式的兩邊同時取對數，可得：

(3)

以式(3)左邊的lg[V(r

本款屬于兜底條款。除本條規(guī)定外，本法和其他法律、行政法規(guī)所規(guī)定的評估專業(yè)人員的法定義務，評估專業(yè)人員都應當積極履行其義務。

2.4 土壤鹽漬化分級標準

采用黃帥等[28]使用的土壤鹽漬化分級標準，見表1。

表1 鹽漬化分級標準

2.5 數據分析

利用SPSS 21對數據進行描述性統(tǒng)計分析、正態(tài)分布檢驗、相關性分析、多重比較和主成分分析；在ENVI 5.2中對瑪依湖區(qū)的遙感影像進行圖像配準、輻射定標、大氣校正等預處理后，利用波段反射率計算出NDVI值；在Arcgis 10.2中處理研究區(qū)DEM數據、計算各土壤類型面積和不同土壤鹽漬化占比、對土壤含鹽量、NDVI值進行趨勢分析。

3 結果與分析

3.1 瑪依湖區(qū)NDVI與土壤理化性質的基本特征

通過Kolmogorov-Smirnow檢驗對瑪依湖流域的NDVI和有機質、氮、磷、鉀、鹽分質量分數均值、pH均值、分形維數等土壤屬性進行非參數檢驗，除了磷和鹽分質量分數均值外，均大于0.05，表明數據符合正態(tài)分布，后對磷均值和鹽分均值取對數進行正態(tài)轉化，得到相應變量磷轉換和鹽分轉換，其P值分別為0.311和0.267，皆大于0.05，因此可認為NDVI和土壤所有屬性均服從正態(tài)分布，可進行相應分析。從表2可見，pH最小值為8.35，表明整個研究區(qū)的土壤均是堿性土，由變異系數可知，瑪依湖流域的pH值和分形維數的變異系數是4.32%和5.59%，呈弱變異性，有機質、氮、磷、鉀、鹽分質量分數均值和NDVI的變異系數分別為50.22%、38.18%、33.22%、56.26%、88.42%和21.83%，呈中等程度變異，正態(tài)轉化后的磷均值，變異系數為100.06%，屬于強變異，正態(tài)轉換后的鹽分均值，變異系數為50.54%，屬于中等程度變異。

表2 瑪依湖區(qū)土壤各屬性統(tǒng)計特征值

3.2 不同地形條件下土壤屬性變化特征

從圖1可知，研究區(qū)地勢平坦，最大坡度為18°，并且絕大部分區(qū)域的坡度為0～2°，土壤有機質、氮、磷、鉀、pH和分形維數受地形坡度影響很小。陰陽坡植被生長狀況差異不顯著，可能的原因是，瑪依湖位于西北干旱區(qū)，植物光照充足，太陽輻射不是植被生長的限制因子。

圖1 研究區(qū)地形條件

3.3 瑪依湖區(qū)土壤鹽漬化程度

由圖2可見，瑪依湖區(qū)土壤均呈現不同程度的鹽漬化，上湖、中湖主要以輕度鹽漬化和中度鹽漬化為主，下湖基本都屬于重度鹽漬化，這可能是因為下湖是鹽分集聚區(qū)，因此土壤含鹽量較高。從表3可見，瑪依湖流域土壤均呈現不同程度的鹽漬化，其中重度鹽漬化的占比最大，為37.25%，輕度鹽漬化和中度鹽漬化的占比相近，分別為30.28%和31.47%。

3.4 瑪依湖流域植被生長特征

從研究區(qū)NDVI的分布圖(圖3)可見，越靠近湖區(qū)NDVI值越大，植被生長越好；隨著與湖區(qū)距離的增加，NDVI值逐漸減少；在湖區(qū)外圍，NDVI值最低?？梢姡S著與湖區(qū)距離的增加，植被長勢逐漸變差，這種規(guī)律也符合實際情況，干旱區(qū)荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，隨著與湖區(qū)距離的增加，地下水位越來越低，植物可利用的水資源逐漸減少，植被受到干旱脅迫，進而影響植物生長。

表3 瑪依湖區(qū)土壤鹽漬化情況

圖2 瑪依湖區(qū)土壤鹽漬化分布

圖3 瑪依湖流域植物NDVI分布

3.5 不同土壤條件下植被生長狀況

從表4可見，瑪依湖區(qū)土壤類型有鹽土、灰漠土、沼澤土、草甸土、風沙土和灰棕漠土6類，其種灰漠土分布最廣，占總面積的33.49%，主要分布在上湖和下湖，其次是草甸土，占總面積的21.17%，主要分布在中湖，沼澤土、鹽土、灰棕漠土和風沙土面積較少，分別為8.45%、2.74%、7.64%和2.96%，在上、中、下湖均有零星分布。

表4 瑪依湖區(qū)各土壤類型面積

為了準確說明土壤類型對植被生長狀況的影響，分別對瑪依湖流域的土壤類型與NDVI、土壤鹽漬化程度與NDVI做了單因素方差分析，結果顯示：沼澤土的NDVI值最大，植被生長最好，風沙土的NDVI值最小，植被受到較強的抑制性，而風沙土、鹽土和灰漠土的NDVI的值無顯著差異，沼澤土和風沙土、鹽土存在顯著差異，與草甸土、灰漠土之間差異不顯著；輕度鹽漬化土壤中的NDVI值最大，植被生長較好，中度鹽漬化土壤的NDVI值最低；輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重鹽漬化的NDVI值差異不顯著。

為了探討土壤理化性質與植被生長狀況之間的關系，對土壤理化性質和NDVI值之間進行了Pearson相關分析(表5)。

表5 NDVI和土壤各屬性間的相關性

從表5可見，NDVI值與有機質、鹽分、pH成負相關，與全氮、全磷、全鉀和分形維數成正相關，但是NDVI值與土壤理化性質之間的相關性都比較弱，與pH的相關性比其他屬性的高，可能的原因是研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，自然植被都是耐鹽堿的樹種，并且限制植被生長的主導因子不是太陽輻射和土壤理化性質，植被的生長狀況可能更多的受制于水分條件。在相關性分析的基礎上，為了準確說明影響湖區(qū)植被生長的因素，對NDVI和有機質、全氮、全磷、全鉀、鹽分、pH和分形維數進行主成分分析。將上述所有變量進行標準化，然后根據特征值大于1的原則，提取出2個主成分，特征值分別為2.361和1.323，主成分累計解釋52.64%的數據變異。主成分1可解釋全磷、全氮、pH、全鉀和有機質，對應的因子載荷分別為0.828、0.682、-0.623、0.609和0.581，主成分2可解釋分形維數和鹽分，對應因子載荷分別為0.794和0.590，將上述各因子載荷除以特征值的平方根，即可得到主成分載荷，詳見表6。

表6 主成分載荷

根據主成分載荷構建主成分Y1和Y2的表達式：

Y1=0.539X1+0.444X2-0.405X3+0.396X4+0.378X5+

0.043X6-0.215X7。

Y2=-0.078X1-0.299X2-0.310X3+0.096X4+0.245X5+

0.690X6+0.513X7。

式中：X1為全磷；X2為全氮；X3為pH；X4為全鉀；X5為有機質；X6為分形維數；X7為鹽分。

計算出的主成分Y1和Y2與標準化的NDVI值進行回歸分析(圖4)，結果表明：研究區(qū)NDVI值與主成分1、2均成正相關，與主成分Y1的相關性為0.219，與主成分Y2的相關性為0.091，即瑪依湖植被生長狀況受全磷、全氮、pH、全鉀和有機質的影響更大一些，受分形維數和鹽分的影響較小。

圖4 NDVI與主成分Y1、Y2回歸關系

4 討論

本研究用植被指數(NDVI)和土壤理化性質之間的關系，探究了湖區(qū)外圍植被在不同土壤環(huán)境下的生長狀況。本研究區(qū)地勢平坦，大部分區(qū)域坡度為0～2°，植被在不同坡度下的生長狀況無顯著差異，并且由于地勢平坦，使得陰坡、陽坡受到的太陽輻射無顯著差異，植被生長受陰陽坡的影響較小。雷斯越等[29]研究了不同坡位植被生長狀況和土壤養(yǎng)分空間分布之間的關系，發(fā)現植被生長狀況與土壤養(yǎng)分在不同地形上變化趨勢基本一致，具有一定的相關性。本研究區(qū)屬于典型的內陸干旱區(qū)，植被生長狀況與土壤有機質、全氮、全鉀、全磷、分型維數的相關性較弱，但是與土壤pH的相關性較高，并且研究區(qū)土壤全部屬于堿性土，可能在長期的自然選擇下，現存活的植被已經適應了堿性土壤環(huán)境。馬祥華等[30]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地土壤養(yǎng)分因子對植被恢復的貢獻，研究表明土壤有機質、有效氮、全磷和速效磷對植被恢復的貢獻較大，是限制該地區(qū)植被恢復的主導因子；劉勇等[31]研究表明黃土高原植被演替過程中植被與土壤養(yǎng)分、水分之間關系密切，瑪依湖區(qū)多年平均降水量108.9 mm，年潛在蒸發(fā)量高達1 492.0 mm，是同期降水量的13.7倍，研究區(qū)植被主要依靠地下水補給，并且隨著與湖區(qū)距離的增加，地下水位逐漸降低，植物可利用的水資源越來越少，植被受到干旱脅迫。此外，筆者在主成分分析中發(fā)現，提取出的2個主成分累計解釋52.64%的數據變異，說明研究區(qū)植被生長還受其他因素的影響，并且這些因素能夠解釋47.36%的數據變異。已有關于瑪依湖區(qū)的研究相對較少，并且地下水位的變化也無詳實記錄，因此本研究未定量分析地下水位對研究區(qū)植被生長的影響，只能將地下水位的變化與距湖區(qū)的距離聯系起來定性分析地下水位對植被生長的影響，未能充分反映出地下水位的變化與瑪依湖區(qū)植被生長之間的關系。

本研究分析了瑪依湖區(qū)植被在不同土壤環(huán)境下的生長狀況，揭示了影響干旱區(qū)植被生長的主導因子不是光照、土壤有機質、分形維數、土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)和pH。植被的生長受諸多因素影響，光合有效輻射、氮限制、磷限制、地形條件、CO2摩爾分數都會對植被生理特征產生影響，但是在干旱少雨的西北內陸區(qū)，植被的生長可能更多的受制于水分條件(地下水位)，在未來的研究中應該將水分條件和土壤理化性質結合起來，探究不同水分條件、不同土壤環(huán)境的耦合對植被生長的影響，全面、合理地揭示影響瑪依湖區(qū)植被生長狀況的因素，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護提供理論支撐。

5 結論

瑪依湖區(qū)土壤均呈現不同程度的鹽漬化，其中重度鹽漬化占37.25%，輕度鹽漬化和中度鹽漬化的占比相近，分別為30.28%和31.47%，輕度鹽漬化土壤中植被NDVI值最大，植被生長較好，重度鹽漬化次之，中度鹽漬化土壤中植被NDVI最小，植被生長受到抑制。

瑪依湖區(qū)土壤以灰漠土為主，占了總面積的33.49%，主要分布在上湖和下湖，其次是草甸土，占了總面積的21.17%，主要分布在中湖，其他類型的土壤占比較少，在上、中、下湖均有零星分布。不同土壤類型植被的生長狀況差異明顯，沼澤土的NDVI值最大，植被生長最好，風沙土的NDVI值最小，植被受到較強的抑制。

越靠近湖區(qū)NDVI值越大，植被生長越好，隨著與湖區(qū)距離的增加，NDVI值逐漸減少，在湖區(qū)外圍，NDVI值最低，這種植被生長規(guī)律也符合實際情況，干旱區(qū)荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，隨著與湖區(qū)距離的增加，地下水位越來減低，植物可利用的水資源逐漸減少，植被受到干旱脅迫，進而影響植物生長。

瑪依湖區(qū)陰坡和陽坡植被的生長狀況差異不顯著，植被生長狀況受全磷、全氮、全鉀、有機質質量分數和pH的影響更大一些，受分形維數和鹽分的影響較小。此外，植被與pH相關性較高，與土壤其他屬性間的相關性較低，可能的原因是，研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，自然植被大多是耐鹽堿的樹種，植被的生長狀況可能更多的受制于水分因子。