石羊河尾闾－青土湖水面形成对土壤分形维数和植被的影响

刘淑娟，刘世增，袁宏波，马剑平，李发明，郭树江，李菁菁

（甘肃省荒漠化防治重点实验室，甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，兰州730070）

土壤为植被的生存和发展提供了必要物质基础，同时又影响着植物群落结构和功能。生境多样性、光照、土壤结构和土壤养分等影响了群落结构组成和物种的多样性［1］。物种多样性是群落结构和功能复杂性的度量［2－5］。近年来，围绕土壤因子与物种多样性间关系，国内外开展了一系列讨论，其中研究较多的是群落植物结构及多样性与养分之间的关系［6－7］。植物的生长发育与土壤因子关系较为密切，土壤理化性质的不同、土壤母质的好坏，都可能影响群落结构、物种多样性［8］。土壤作为一种多孔介质，表现出明显的分形特征，有的大量研究表明，分形维数可以较好地作为评价土壤肥力特性和土壤退化程度的定量化指标［9－13］。Gao等［14－16］得出土壤分形维数与土地沙漠化程度、养分以及结构状况存在相关关系。还有研究［17－18］］通过土壤颗粒体积分形维数与土壤全氮、有机碳、全磷、速效磷和速效钾有一定的相关关系，证明了土壤团聚体分形维数对土壤肥力存在一定影响，而关于分形维数特征及其与植被关系的研究较少。

石羊河尾闾—青土湖作为石羊河的终端，是民勤绿洲与两大沙漠（腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠）之间的一个生态屏障，其重要性显而易见。为了区域补偿地下水和改善区域水环境，促进河流系统及区域生态系统恢复，自2010年9月开始，由政府主导，以渠道输送的形式向青土湖注入生态用水，首次注水1 290万 m3。2011年注水1 260万 m3，2013年注水2 020万m3。生态输水是石羊河下游生态保护与环境整治的主要目的，因此青土湖注水能否起到改善该区域生态环境、推动地方经济的发展是社会各界所关注的一个热点问题。

本文以青土湖生态注水后的植被和土壤作为研究对象，利用Marlven激光粒度仪对不同水面距离、不同土层的土壤粒径进行测定，采用土壤分形维数模型分析了土壤分形维数，尝试建立土壤分形维数与植被的关系，确定水面形成后土壤质地状况，以期为输水后的生态效益评价提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

石羊河尾闾—青土湖，位于腾格里沙漠西北缘、甘肃省民勤县东北70km处，属于石羊河干三角洲，地理位置为39°07′7.3″—39°08′3.2″N，103°37′53.0″—103°38′40.6″E，面积约40km2，属于石羊河下游干涸三角洲，海拔高度约为1 292～1 310m。该区年平均气温为7.8℃，大于10℃的有效积温3 248.8℃；年降水量110mm左右，且降水多集中于7—9月，占全年降水总量的73%，蒸发量达2 600mm以上；无霜期168d，光照3 181h，太阳辐射630kJ/cm2；20世纪初期，青土湖（即现今的“湖区”）水域面积大约120km2。50年代中后期，湖泊开始萎缩，1959年完全干涸，仅残留有东平湖、野麻湖、叶绿草湖、西硝池和东硝池等盐碱滩地或沼泽性草滩，大部分已被流沙覆盖或垦殖［19－20］。研究区主要以湖相沉积物的砂土及壤质砂土为主；植被类型为典型的荒漠植被，自然植被整体稀疏、种类较少，研究区的主要植被类型为白刺（NitrariatangutorumBobr.）和 芦 苇 （Phragmitesaustralis（Cav.）Trin.ex Steud.）群 落，同 时 有 苏 枸 杞 （LyciumruthenicumMurr.）、盐爪爪（Kalidiumfoliatum（Pall.）Moq.）为主要伴生灌木；草本植物种类相对较丰富，主要有刺沙蓬（Salsolaruthenica）、驼 蹄 瓣 （ZygophyllumfabagoL.）、戟叶鹅绒藤（CynanchumsibiricumWilld）、猪毛菜（SalsolacollinaPall）、沙蓬（AgriophyllumsquarrosumL.Moq.）、砂引草（MesserschmidiasibiricaL.）、碟果虫实（Corispermumpatelliforme）、砂蓝刺头（Echinops gmeliniiTurcz.）等。

1.2 调查取样方法

根据试验区地貌特征、植被和土地利用状况，以水面为中心向水面外围延伸设置调查样带，带宽200 m，在每个样带中以距水面边缘0m开始，每隔50m分别设置植被调查样地，每个样地各设置1～2个灌木调查样方、每个灌木样方对应5～7个草本样方，共设灌木样方39个，草本样方245个。乔灌木采用20 m×20m样方，草本用1m×1m的小样方，分别调查记录植物种名、高度、冠幅及样方内出现的各物种的个体数量。在对应的灌木调查样方中，采用五点取样法，用取土钻分别取土层深（H）0＜H≤20cm，20 cm＜H≤40cm，40cm＜H≤60cm共3个土层的土样，然后，将同一样地内同土层土样充分混合后装入封口袋，密封带回实验室，经自然风干后用四分法取一定量样品，挑出石砾及可见凋落物和根系，用静电法去除植物碎片，用玛瑙碾钵碾细过筛后密封干燥保存将所取土样带回室内风干备用。

1.3 试验方法

利用Marlven激光粒度仪进行土壤粒度的测定，粒度分析的粒径范围0.01～2 000μm，粒度参数用Folk和Word的计算公式求出［21－22］。粒级划分采用1978年《中国土壤》中的土壤质地分类方法，细黏粒（＜0.001）、粗黏粒（0.001～0.005mm）、细粉粒（0.005～0.01mm）、粗粉粒（0.01～0.05mm）、细砂粒（0.05～0.25mm）和粗砂粒（0.25～2.0mm）。

1.4 数据处理

（1）分形维数：土壤是具有分形特征的系统，运用分形理论建立土壤颗粒结构的分形模型［3，13］，利用土壤颗粒质量与平均粒径间的关系，计算土壤颗粒的分形维数。公式如下：

式中：D——土壤颗粒分形维数；r——土壤颗粒粒径；Mr——粒径小于r的颗粒总质量（mm）；Mt——土壤样品总质量（g）。

具体应用时，首先由实测粒径及其重量数据计算lg （Mr/Mt）和lg （r/δ）值，而后以lg （Mr/Mt）为横坐标，以lg （r/δ）为纵坐标，利用最小二乘法进行直线拟合求得斜率α，再利用（1）式求得分形维数为D。

（2）多样性指数：选用应用最广的物种丰富度指数（S）、Shannon－Weiner 指 数 （H′）、Simpson 指 数（D）、均匀度指数（J）作为判断群落α多样性特征的指标［23－25］（公式略）。

（3）重要值：采用下面公式计算物种的重要值（Ⅳ）：Ⅳ＝（相对多度＋相对优势度＋相对频度）/3。

所得试验数据用 Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0统计分析软件进行了方差分析和LSD统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同水面边缘距离及各层次土壤粒径分布及土壤颗粒分形特征

不同水面边缘距离及不同土层深度粒径范围土壤颗粒质量含量见表1。不同土层、距水面不同距离均表现为细砂粒含量最多。在0—20cm土层0.05～0.25mm的细砂粒含量介于57.19%～87.91%，平均值为79.68%；同样在20—40cm，40—60cm土层的细砂粒含量介于56.98%～89.75%，均值小于0—20cm土层的粒径含量；在青土湖水面边缘周边细砂粒的含量明显大于其他粒径的含量，由于青土湖属于湖积沙地，因此细砂粒含量较高。其次是粗砂粒和粗粉粒含量，相对于细砂粒含量都较低，分别介于0.57%～28.30%，0.54%～29.72%。

从不同土壤层次来看，0—20cm，20—40cm，40—60cm层土壤颗粒分形维数分别在2.370 8～2.879 6，2.359 0～2.750 9，2.105 7～2.918 5，不同土层分形维数差异不显著（p＞0.05）。分形维数与各粒径的重量分布均存在显著正相关（p＜0.01），相关系数在0.896 9～0.994 5。从不同距离来看，0—20cm土层在0—150m土壤粒径分形维数呈缓慢增加趋势，在150m处达到最大2.879 6，随后逐渐降低；而20—40cm，40—60cm土层在0—100m呈缓慢增加趋势，在100m处达到最大，分别为2.750 9，2.918 5，随后降低，而40—60cm土层在300m处分维数也出现一个较高峰值。综合来看，表层土壤（0—20cm），距离150m，300m，是土壤，水面形成对0—20cm土层土壤粒径的影响范围在0～150m，而20—60cm土层土壤粒径的影响范围在100m。

可能与本地段较多的生长植被数量有关。本区域风力强劲、风沙活动剧烈，水面的形成不仅降低砂粒的风蚀，而且水面可阻截更多过境的黏粉粒，并使其在水面及水面周边聚集，导致细粒物质成分增加，且粗细砂粒含量降低，分形维数相应升高。而超过一定距离，水面的截存作用减小，分形维数相应降低了。

表1 不同土层深度和水面边缘不同距离的土壤粒径分布及其分形维数

续表1

2.2 水面形成后植被变化特征

从图1可以看出，多样性指数，均匀度和优势度变化趋势相同，在0～50m升高后在100m降到最低值而后又升高，随后均处于小范围的波动状态，变化不大，在距水面450m处多样性达到最高，而均匀度和优势度总体变化不大。由于土壤属于湖积盐土，且地下水位低，地表植被稀少，植物群落主要是白刺群落，伴生有苏枸杞、盐爪爪，沙蒿、五星蒿、骆驼蹄瓣等。在距水面100m处受到水的溶解推移作用，盐分增加作用，研究区灌木很少，物种多样性变化主要受草本数量变化的影响，生长在土壤表层的草本减少，导致多样性指数降低。

图1 距水面不同距离物种多样性指数

从图2可以看出，草本的重要值在0.70～1.22，在距水面0～200m逐渐增大，在200m处达到最大，随后逐渐降低；灌木的重要值在0.42～1.11，在距水面100m处出现一个峰值，随后降低在距水面300m处达到最大值。由于距水面较近，虽然土壤水分增加了，但又受到水溶推移和强烈的蒸发引起土壤表层盐渍化，近水面植被影响较大，因此直到在距水面200m处草本重要值最大。由于湖积盐土，受到盐分影响，植被种类较少，丰富度仅在5～10，变化不大，趋势不明显，在距水面450m处最大。

图2 距水面不同距离的重要值和丰富度

2.3 分形维数与植被的关系

对植被多样性、均匀度、优势度指数、草本和灌木重要值和分形维数进行线性回归分析。由表2可知在0—20cm土层，分形维数与多样性、均匀度和优势度指数呈显著负相关，相关系数r在－0.721～－0.691，而在20—40cm土层各植被指标与分维系数并无相关性，在40—60cm土层只有多样性指数与分形维数呈显著负相关。水面形成后对该区域的草本影响较大，草本植被根系主要分布在0—20cm土层，由于受到水溶推移和强烈的蒸发引起土壤表层盐渍化，表层土壤中盐分增加明显，盐分升高导致植被数量减少，多样性降低，因此出现分维系数与多样性呈负相关的情况。

3 结论与讨论

（1）石羊河尾闾—青土湖输水区域土壤0—20cm，20—40cm，40—60cm层次土壤颗粒分形维数差异不显著（p＞0.05）。分形维数与各粒径的重量分布均存在显著正相关（p＜0.01）。距水面不同距离土壤分形维数变化趋势较一致，在0～50m范围，各层土壤分维数均较小；在50～450m范围，均呈现随距水面距离增大而波动变小的趋势，但其峰值变化略有差异。150m，300m是0—20cm表层土壤分形维数的峰值点，而100m，400是20—40cm，40—60cm层次土壤分形维数的峰值点。区域土壤粒度及其分形维数的这种变化规律主要受风沙活动、植被分布、水面形成等4方面因素的影响，水面的形成使水面边缘风速较大，风速对水面外围0～100m距离表层土壤的吹蚀作用较强，同时由于受地表植被影响及风沙流能量减小，土壤分形维数逐渐增大；在400～450m距离上，由于接近流动沙丘，风沙覆盖相对较厚，且相对海拔变高，风沙活动强烈，土壤粗砂含量较多，分形维数较小。而植被随沿水面的径层分布规律则使距水面50～400m距离的表层土壤分形维数波动变化明显，而下层土壤分维数的变化主要受土壤原始沉积特征的影响。土壤分形维数可以反映植被恢复过程中土壤质地的变化程度［9］，而本研究中的这种变化说明在干旱沙漠地区，土壤颗粒分形维数也可作为一个反映评价土壤演变程度的综合定量指标。

表2 分形维数D与植物群落α多样性的线性关系

（2）物种多样性不仅能够度量群落的组成结构和功能的复杂性，也能指示环境状况。植物群落的分布格局是不同尺度上各种环境因子如气候、土壤、地形等综合作用的结果。在青土湖沙漠化发展过程中，生境的改变对某一阶段群落的形成具有重要影响。本研究区域范围内的气候、海拔变化不大，各样地的环境背景条件相对一致，植物群落分布格局更多的受土壤、水面形成及风沙活动的影响。研究区域植物物种多样性随水面距离呈波动变化，这种波动变化与土壤分形维数的变化具有较好的对应关系，土壤的分布形成了植被特定的圈层分布格局，而植被的圈层分布又影响了土壤特征如粒度、分形维数的变化。0～50m，400～450m两个地段是物种多样性较高，同时是土壤分形维数较低地段，这主要与水面边缘区域及区域外围风沙活动强烈有关。通过重要值分析发现，草本在距水面0～200m逐渐增大，在200m处达到最大，随后逐渐降低；灌木的重要值在距水面100m处出现一个峰值，随后降低。在距水面300m处达到最大值，草本植物对区域植物多样性影响较大，但灌木植物重要值与土壤特征的变化关系更密切。研究区域的植物以耐盐碱物种为主，土壤盐分含量在上层积累多，盐碱是这些植物生长的主要胁迫因子，因此它们的变化对该区植被物种多样性变化的反映程度较大，有研究表明盐分梯度不仅引起多样性的变化，而且是植物群落分布和演替的重要影响因素［2］。

（3）从土壤分维数与多样性关系来看，0—20cm土层，分形维数与多样性、均匀度和优势度指数呈显著负相关，而在20—40cm土层各植被指标与分维系数相关性不明显，在40—60cm土层只有多样性指数与分形维数呈显著负相关。本研究中，由于水面形成对草本植物影响较大，草本植被根系主要分布在0—20cm土层，并且受到水溶推移和强烈的蒸发引起土壤表层盐渍化，表层土壤中盐分增加明显，盐分升高导致植被数量减少，多样性降低，因此出现分维系数与多样性呈负相关的状态。左小安［8］研究也表明土壤颗粒与物种多样性指数的灰关联度的排序表明他们与物种多样性之间的相关性相对较远。

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