艾比湖湿地梭梭与土壤因子关系的分析

张小萌　李艳红　李磊

摘要：对艾比湖湿地不同土壤梯度环境因子与梭梭（Haloxylon bunge）进行调查研究，并利用国际通用植被数量分析软件CANOCO4.5对其关系进行了冗余度分析（RDA）。结果表明，土壤深度、Ca2+和SO42-含量3个环境因子组合对梭梭生长特征变异的解释量达到52.3%，说明这3个变量是影响梭梭生长变异的重要因子，盐分是关键驱动因子。土壤深度与梭梭株高、生物量呈显著正相关，随着深度的增加，梭梭的株高、生物量逐渐增加，梭梭的长势越好，表明了盐分对植物生长的抑制作用。Ca2+和SO42-含量与梭梭生长特征呈显著负相关。因此，中度盐碱湿地生态恢复需要重点考虑盐分对植物生长的影响，防治土壤盐碱化和次生盐碱化是湿地生态恢复的重要方面。

关键词：梭梭（Haloxylon bunge）；土壤梯度；生理生态；艾比湖湿地

中图分类号：P951 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）06-1406-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.012

近年来，湿地生态修复研究已成为湿地研究的热点问题[1-3]，湿地生态的修复对于维护生态平衡具有重要的意义，已有众多学者对湿地植物的生理生态特征与环境因子之间的关系进行了研究[4-6]。崔保山等[7]研究发现黄河湿地芦苇的生理特征与水深具有显著的相关性；王丹等[8]对太湖芦苇的研究发现芦苇的根冠比及密度与水深呈负相关，芦苇的株高與水深呈正相关；傅德平等[9]研究发现艾比湖湿地植物与土壤特性无相关性；汪洋等[10]研究湿地植物的生理生态过程受到水盐环境的影响；王庆改等[11]研究发现湿地植物对土壤中铵态氮和硝态氮有相关性。梭梭（Haloxylon bunge）是超旱生藜科植物，具有耐干旱、耐盐碱、耐风沙的特点，是艾比湖湿地的主要代表植物，在防风固沙、维持生态稳定方面具有重要作用。因此，认识梭梭与不同土壤因子之间的相互关系，揭示土壤盐分变化特征与梭梭生长的内在规律，为湿地环境保护与生态修复提供科学依据，具有重要的理论意义和实践价值。

艾比湖湿地为国家级湿地自然保护区，位于中国新疆维吾尔自治区精河县境内，是西北内陆重要的绿洲生态系统保护区，同时也是阻止北疆沙尘暴侵袭的重要生态屏障。由于人类活动和自然因素的影响，导致该地区植被严重退化，生态环境恶化，严重影响了该地区生态环境和社会经济发展。因此，本试验通过对艾比湖湿地土壤环境因子与梭梭生长特征进行调查研究，运用数量生态学[12]的冗余度分析方法（RDA），分析湿地不同土壤梯度的环境因子与梭梭生长特征之间的关系，为艾比湖湿地的生态恢复提供科学依据，进而维护湿地生态系统的稳定。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆艾比湖湿地国家级自然保护区范围位于东经82°33′47″-83°53′21″，北纬44°31′05″-45°09′35″，东西长102.63 km，南北宽72.30 km。艾比湖湿地南、北、西三面环山，湖面高程188 m，是流域地表水和地下水的汇集中心。艾比湖西北部是中国著名的风区阿拉山口，多大风天气，年均气温5 ℃，多年平均降水量为105.17 mm，潜在蒸发量为1 315.00 mm，是降水量的12.5倍，是典型的温带大陆性气候；土壤类型以沙土为主，自然植被种类较多，主要以白刺（Nitraria）、琵琶柴（Karelinia caspia）、盐节木（Halocnemum strobilaceum）、碱蓬（Suaeda glauca Bunge）、柽柳（Tamarix）、芦苇（Phragmites australis）、梭梭为主；艾比湖湿地植物群落由湿生、中生向旱生、超旱生和盐生、耐沙生种类演替。

1.2 采样方法

于2012年5月进入艾比湖湿地对不同土壤梯度的盐分和梭梭进行测定。在保护区内设置5个大样方，面积为100 m×100 m，每个大样方中以5点法选取五个小样方，小样方为10 m×10 m，测量梭梭的株高、冠幅、胸径、株数，并计算盖度；采集不同深度（0、5、10、20、30、40、50、60 cm）的土壤样本，用密封袋进行密封，带回实验室分析。采用质量法测定总盐量，电位法测定pH，CO3■2-和HCO3-采用双指示剂法、盐酸滴定法，Ca2+和Mg2+采用EDTA络和滴定法测定，SO42-采用EDTA间接滴定法测定，Cl-采用AgNO3滴定法测定，结果见表1。

1.3 数据处理

本研究将梭梭生态指标作为研究对象，包括梭梭株高、盖度、冠幅。将土壤深度、土壤盐分离子含量和pH作为环境因子，土壤梯度包括0、5、10、20、30、40、50和60 cm。鉴于趋势对应分析（DCA）的排序轴反映了梭梭生理生态变化的程度，故用DCA估计排序轴梯度长度（Lengths of gradient，LGA）比较适宜。理论上讲，LGA<3适合线性排序法，LGA>3适合采用非线性排序方法[13]。通过对研究中因变量数据文件进行DCA分析，结果表明，排序轴最大的梯度长度均小于3，表明该数据文件均具有较好的线性反应，也表明梭梭生理生态指标对环境梯度的响应是线性的，对此利用线性响应模型分析（ RDA和partialRDA）比较适宜。该分析方法是一种多变量直接梯度分析方法，是多元线性回归的扩展，采用2个变量集的线性关系模型，得到数值矩阵并对特征值进行分解，能将表征梭梭生理生态指标及土壤环境因子之间的关系反映在坐标轴上。

本研究利用直接梯度分析方法RDA通过分析梭梭生理生态指标，提取其受影响的控制性因素，进一步揭示不同土壤梯度环境因子对梭梭生理生态指标的影响。如果某环境因子具有高的变异膨胀因子（大于20），意味着它与其他因子具有高的多重共线性，对模型的贡献很少[14]。对以上8个环境因子变量分别进行RDA分析筛选，结果表明，Ca2+、SO42-与pH分别具有高膨胀因子，因此重新评估了土壤深度、Ca2+、SO42- 3个环境因子的组合的变异膨胀因子，它们能够保证所有变量的膨胀因子均小于20，因此选择了这3个指标作为环境因子变量来进行分析。各环境因子对不同条件下梭梭生理生态指标的重要性，由CANOCO 4.5 软件的自动向前选择程序完成，利用Monte Carlo检验判断其重要性是否显著[15]。

2 结果与分析

2.1 梭梭生理生态指标变异的解释变量典范分析

对筛选后的不同土壤梯度的盐分含量、Ca2+、SO42- 3个环境因子组成的变量组合进行RDA分析，得到该环境因子组合对梭梭生理生态特征的解释（表2）。由表2可知，环境因子组合对梭梭生理生态特征变异有52.3%的解释率，达到极显著水平（P<0.01）。梭梭生理生态指标特征在第一个排序轴上的百分比已达49.8%，在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ轴上的百分比分别为3.1%、1.7%和17.8%，累积百分比达到73.2%。由此可见，本研究筛选的3个环境因子能在很大程度上解释梭梭生理生态特征的变异，可以推断湿地土壤盐分变化是影响梭梭生理生态特征变异的重要原因，并且这种变异基本由排序轴第Ⅰ轴来决定，其次受到第Ⅳ排序轴的影响。

2.2 梭梭生理生态指标变异的关键驱动因子

在RDA分析中，利用CANOCO 4.5的自动向前选择程序对主要环境因子进行了筛选，从而进一步确定影响梭梭生理生态指标的关键环境因子。各个环境因子的重要性及显著性水平见表3。由表3可知，各个环境因子对梭梭生理生态特征影响的贡献有差异，3个环境因子对梭梭影响的重要性排序依次为不同土壤梯度的盐分>Ca2+>SO42-，不同土壤梯度的盐分对梭梭生理生态特征影响达极显著水平（P<0.01），对梭梭生理生态特征变异的解释占到了总信息量的83.1%，说明不同土壤梯度的盐分是影响梭梭生理生态特征变异的关键因子，而Ca2+与SO42-对梭梭生理生态特征变异影响较小，说明在艾比湖湿地土壤盐分对梭梭的生长的胁迫作用较为明显。

2.3 不同土壤梯度的盐分、Ca2+、SO42-各因子对梭梭生理生态各指标的影响

通过对环境因子影响研究对象的排序图分析可以进一步明确不同土壤梯度环境因子各量与梭梭生理生态指标各量之间的关系。采用的t-value双序图是包含了物种的箭头、环境因子的箭头和圆圈符号的排序图。t-value双序图可以揭示物种与环境因子的统计显著关系（比如物种依赖环境因子的程度）。在RDA排序图中，实线圆圈表示关键环境因子与研究对象呈显著性正相关，虚线圆圈表示关键环境因子与研究对象呈显著性负相关。图中的箭头长度与方向代表物种与此环境因子的相关关系。如果某物种的箭头完全掉在某一环境因子的实线圆圈内，就意味着此物种与此环境因子呈显著正相关，即物种指标随环境因子指标量增大而增加；如果物种的箭头完全掉在环境因子负相关的区域内，就意味着物种与此环境因子呈显著负相关，即物种特征量随环境因子量增大而减少。据此，对不同土壤环境因子各量对梭梭生理生态特征的影响进行分析。

2.3.1 不同土壤梯度的盐分对梭梭生理生态指标的影响 由图1可知，土壤深度主要在第Ⅰ轴上影响梭梭生理生态特征，株高（A）、胸径（C）和冠幅（E）的箭头完全落在不同土壤盐分的实线圆圈内。这表明不同土壤梯度的盐分与株高、胸径和冠幅呈显著正相关，说明随着土壤梯度的深度增加，梭梭的株高、胸径和冠幅相应增加。不同梯度的盐分与株数（D）和盖度（B）呈明显负相关。以上结果说明，不同土壤梯度的盐分是影响梭梭生理生态指标变异的主要驱动因子，水深单一因子对梭梭生理生态特征单个指标影响比较大。这一结论与前人的研究结果一致[6，7]。

2.3.2 Ca2+对梭梭生理生态指标的影响 由图2可知，Ca2+含量主要在第Ⅱ轴上影响梭梭生理生态特征，但梭梭生理生态的各项指标均未落入Ca2+含量的实线或者虚线圆圈内。其中，胸径（C）和冠幅（E）在Ca2+含量的虚线圈内，说明它们与Ca2+含量呈负相关关系，表明Ca2+含量的增加将导致这些指标一定程度的下降。但Ca2+含量与株高（A）、盖度（B）和株数（D）并未完全落入虚线圈内，说明它们的负相关关系显著性较弱。

2.3.3 SO42-对梭梭生理生态指标的影响 从图3可以看出，SO42-含量对梭梭生理生态特征的影响与Ca2+含量的影响相似。SO42-主要在第Ⅱ轴上影响梭梭生理生态特征，胸径（C）和冠幅（E）完全落在SO42-的虚线圆圈内，表明SO42-含量与梭梭的生物量呈显著负相关，随着SO42-含量的增加，梭梭生物量逐渐降低。但梭梭生理生态的各项指标如株高（A）、盖度（B）和株数（D）均未落入SO42-含量的实线或者虚线圆圈内，说明SO42-与这些因子相关性较弱。以上结果表明，SO42-是影响梭梭生物量的主要驱动因子，抑制着梭梭的生长。

3 小结

新疆艾比湖湿地不同土壤梯度的盐分含量变化是影响梭梭生理生态特征的重要因素，这与前人研究结果一致[6]。梭梭株高、冠幅、盖度、胸径以及株数等特征是梭梭的重要生态指标。盐分是影响梭梭生长的最重要驱动因子，抑制着梭梭的生长发育。艾比湖湿地盐分中的Ca2+与SO42-含量对梭梭生理生态特征影响较大，反映了该地区盐碱化类型主要以硫酸盐为主，说明艾比湖正不断向咸水湖演化。研究结果表明，在半干旱地区，盐分对植物生长影响较大，恢复该地区生态环境的重点是遏制土壤盐渍化的发展，种植耐旱、耐盐碱的植被，发展农业应采取轮作制度，并采取喷灌和滴灌先进灌溉技术，防止土壤的次生盐碱化。

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