乌鲁木齐典型灌木群落物种多样性与土壤因子相关性分析

吴天忠 叶琴 海妮肯·山台 刘永萍

摘要：  运用主成分分析方法对影响灌木群落多样性变化的土壤因子进行分选、排序和相关性分析。其结果表明：灌木群落的多样性指数与粒度平均值、重金属元素Bi和粒度分选系数呈显著相关关系（P<0.01），而均匀度指数与粒度平均值、分选系数、重金属元素Mn呈显著正相关（P<0.01），丰富度指数数据显示只与Bi显著相关（P<0.01）;通过回归分析可知土壤粒度平均值和分选系数是影响灌木群落的物种多样性和均匀度的关键因素。

关键词：  灌木群落;  物种多样性;  土壤因子;  主成分分析;  乌鲁木齐

中图分类号：   S 718. 54               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2021）06 - 0025 - 05

乌鲁木齐位于中温带荒漠区，地带性自然植被受区域影响主要为温带荒漠植被，自然植被以沙质、砾质旱生和超旱生的稀疏灌木、半灌木和盐生植被为主[ 1 ]。乌鲁木齐周边的灌木群落的物种多样性已有相关的研究，研究结果表明：区域内物种组成相对稀少，植物分布不均匀[ 2 - 5 ]，这与区域内环境因子的复杂性有关。本文在乌鲁木齐地区，通过野外实地调查，在灌木群落划分的基础上，从探讨灌木群落物种多样性与土壤因子的关系进行研究，在物种多样性的角度分析干旱区适宜灌木群落的分布特征及其稳定性。为该区域灌木植被多样性的保护及生态可持续发展提供可借鉴的理论依据。

1 研究区概况

乌鲁木齐市（86°37'33"～88°58'24"E， 42°45'32"～44°08'00"N）位于亚欧大陆腹地，地处北天山北麓、准噶尔盆地南缘，天山山系北天山西段与东段的结合部，东、南、西三面环山，地势东南高、西北低，北为准噶尔盆地南缘，自然坡度12‰～15‰，海拔680～920 m，市区平均海拔800 m，其中建成区面积365.88 km2，有乌鲁木齐河、头屯河、白杨河、柴窝堡湖等水系[ 6 ]。成土母质质地大部分为壤土、少数为砂土和粘土，透水性适中[ 1 ]。灌木植被类型则主要为山地灌丛、灌木和半灌木荒漠3大类型。

2 试验方法

2. 1 植被样方及参数

按照常规的群落学调查方法，结合研究区代表性灌木植物群落的分布特点，根据不同的地形、土壤和植被类型的灌木生长区域设置了调查区域和取样点。在每个典型土壤类型中做3～4个调查样方，整个区域共设置50个调查样方，每个样方面积为100 m2（10×10 m）。植物群落调查主要指标包括：物种名、种类多度、数量（株/丛）、盖度、高度等，同时调查记录样方的生境特征，主要包括海拔高度、经纬度、坡度、坡向等。

2. 2 土壤理化性质测定

在选择的样方内进行土壤分层取样，分别是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，3个重复，混合取样，共收集到150份土壤样品，送到实验室进行理化性质测定，测定指标包括：

土壤养分 有机质测定主要采用重铬酸钾容量法，采用（仪器型号）开氏法测土壤全氮，使用碱解蒸馏法测定有效氮;使用钼锑抗比色法进行全磷和有效磷数据的测定;使用光焰光度法测定全钾和速效钾含量的测定。

土壤盐分 使用质量法进行水溶性盐总量的测定;重量法测量含水量;使用滴定法测定钙、镁、氯离子和硫酸根离子的含量;火焰光度法进行钾和钠的含量测定;双指示剂中和法测定碳酸根和碳酸氢根的含量;pHs-2C测定土壤pH值。

土壤粒度 使用malvren2000激光粒度仪进行研究区样方中土壤粒度的數值测定。

土壤重金属 电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定。

2. 3 数据分析

物种多样性计算 首先在统计各样方中不同灌木和草本盖度、密度及高度的基础上，计算调查样方中灌木植物的重要值。

在重要值矩阵的基础上，采用双向指示种分析（two-way in dicator species analysis， TWINSPAN）中的正分析，利用WinTWINS2.3软件对区域内调查样地及其灌木物种进行聚类。TWINSPAN分类后，将本次调查研究区域内所包括的灌木群落主要划分为I～X共十个灌木群落类型（表1）。

灌木群落分类后，依据物种多样性指数引用的广泛性及其对群落物种多样性状况的反映，主要采用4个指数进行分析，包括Shannon多样性指数（D）、Pielous均匀度指数（J）、Simpson优势度指数（C）和Margalef丰富度指数（M），通过野外灌木群落样方调查数据，计算群落的物种多样性。

分析方法 样本数据采集均在晴朗天气进行。数据整理后用origin软件对数据进行处理显示，SPSS25.0进行相关性以及主成分分析，其他大量数据的处理采用Excel进行。

3 结果与分析

3. 1 灌木群落物种多样性

由研究区灌木群落物种多样性指数特征（图1）可知：4个指数变化幅度均较大，说明研究区域内灌木群落的物种多样性变化趋势比较大。结合灌木群落的多样性指数之间的相关关系（图2）可知：灌木群落的物种多样性、丰富度和均匀度指数的变化趋势有一定的规律，基本趋于一致，呈显著正相关，而优势度指数与物种多样性和均匀度指数呈显著负相关，与丰富度指数呈负相关，但不显著。以往研究[ 7 - 8 ]认为，在植物群落中，如果物种多样性较高，则其丰富度和均匀度也相对较高，但群落内优势物物种的优势度则常处于较低值，反之当优势度指数值较高时，群落中优势物种的个体数则会显著多于其他一般种，使得群落呈现单一化的趋势，物种分布不均匀，从而使植物群落的多样性、丰富度及均匀度指数均降低。

总体来看，在本次调查研究区域内，受地理自然气候条件的约束较大，灌木群落物种多样性水平总体相对较低，物种组成相对稀少，植物群落结构相对比较简单。从各群落调查数据分析来看，由于群落I～III主要分布在山前区域或低地草甸区，故该区域水土及光热条件相对较好，调查显示群落I～III多样性、均匀度、丰富度各指数均较大，尤其是黑果小檗+宽刺蔷薇-千叶蓍群落的多样性指数在各群落中最大，各群落之间指数D具有显著性水平差异;而琵琶柴+喀什霸王-短苞盐蓬群丛的多样性指数则最低，物种种类组成相对贫乏，这也使该区域植被群落具有明显的荒漠植被类型的特征。

3. 2 土壤因子的主成分分析

采用14个土壤因子，将不同土壤深度的原始数据取平均值后运用SPSS25.0进行主成分分析，（表2）可知：5个主成分占比较大，贡献率依次为32.926%、17.273%、12.151%、11.341%、7.354%，累积贡献率为81.046%，其中前3个主成分的累积贡献率则达到了62.350%，能够反映出研究区环境因子的差异。第1主成分中土壤全氮含量的负荷系数为0.953，负荷系数最大，负荷系数较大的还有土壤全氮含量、有机质含量、海拔、全磷等4个因子;第2主成分中速效钾含量的负荷系数为0.728，负荷系数最大，主成分中主要包含土壤速效钾、总盐含量、电导率等因子;第3主成分中粒度平均值的负荷系数为0.572，主成分中主要包含粒度平均值、含水量、全钾等因子。14个因子中，土壤理化因子的贡献值>地形因子。

3. 3 灌木物种多样性与土壤因子的关系

将研究区域的灌木群落及其伴生草本的物种多样性与土壤因子进行相关性分析可知：灌木群落的Shannon多样性指数、均匀度指数都与粒度平均值有显著相关性（P<0.05），相关系数为0.749和0.732。伴生草本植物的均勻度指数和Marglef丰富度指数与土壤全盐含量呈极显著的负相关（P<0.05），相关系数为0.885和0.829。其它主要土壤因子与灌木群落的各个多样性指标均不存在显著的相关关系。

综上的述，除了海拔、土壤全盐、粒度平均值之外，灌木群落和伴生草本植物的物种多样性与土壤因子没有显著的相关关系。

为更全面的研究灌木群落的物种多样性与土壤因子的关系，选择粒度分选系数和土壤重金属等土壤因子进行相关性分析：

选取的因子如下：

土壤粒度参数：粒度分选系数（PSS）、偏度系数（GS）、峰度（PSK）。

土壤盐分：CO32- 、HCO3- 、Cl-、 SO42-、 Ca2+、 Mg2+、 Na+ 、K+。

土壤重金属：Cr、Cu、Cd 、Pb、Ni、Zn、As 、Ag、 Au 、Bi 、Mn。

结果显示：灌木群落的Shannon多样性指数与重金属元素Bi（铋）和粒度分选系数具有显著的正相关关系（P<0.05），均匀度指数与重金属元素Mn（锰）和粒度分选系数显著相关（P<0.05），而物种丰富度指数则只与元素Bi显著相关（P<0.05），剩余的土壤因子与灌木群落的多样性指数显著性不明显（P>0.05）。

3. 4 灌木群落物种多样性与土壤因子的回归分析

选择灌木群落的物种多样性与土壤因子相关性较为显著的土壤粒度平均值和分选系数进行回归分析（图3）。灌木群落的Shannon指数与不同土壤层次处的粒度平均值之间的最佳拟合表现为直线回归（P<0.01），随着土壤颗粒物粒径增大，灌木群落的种类增多，优势物种减少。均匀度指数与粒度分选系数之间的最佳拟合则表现为二项式回归（P<0.01），呈现粒度分选性增大，群落越均匀的趋势，达到0.7～0.8时有下降的趋势。两类回归分析在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层处的R2值都呈现了先减少后增大的趋势，且土壤表层处回归方程的解释度都达到了50%及以上，其他土壤因子与多样性指数及均匀度指数拟合曲线回归方程的解释度都低于50%，可以认为，在乌鲁木齐地区土壤粒度平均值和分选系数是拟合灌木群落的物种多样性指数和均匀度指数的关键因素。

4 结果与讨论

4. 1 研究区域位于大陆腹地深处，气候属于典型的中温带大陆干旱气候区。本文调查数据显示：分布在高海拔的山地灌木群落较荒漠灌木群落结构更复杂，物种数更多，丰富度较大，分布的较均匀，可能是因为在山地的温度和气候比较合适植被的生长，有机质和全氮含量较大，天然草本植物较丰富，如苔草、平车前、木地肤、老鹤草等。而荒漠灌木群落由于土壤大多偏碱性，含水量较低，生境严酷，因此结构单一，丰富度也较小。两者的过渡区多分布一些生态幅较宽，对环境适应能力较强的灌木，天然的草本植物也较少，加之人工干扰也会降低物种的多样性，因此多样性指数最低。此结果体现了干旱区山地—绿洲—荒漠景观的复杂性。

4. 2 乌鲁木齐地区土壤因子的主成分分析结果表明：地形和土壤因子共同作用于当地的环境状况，土壤因子占主导地位。随着海拔高度的增加，灌木植物的多样性指数有显著的增大趋势，与郑绍伟[ 8 ]等的研究结论相同。由于研究区处于干旱—半干旱地区的水热条件等特征决定了灌木的优势种，所选样地为高海拔区域的乌鲁木齐南山和东山，水热条件相对较好，自然植被较为丰富，也凸显了土壤因子所起的主导作用。

4. 3 虽然植物多样性与环境因子关系的研究已有很多，但传统的研究都集中在乔—灌—草的综合多样性指数，针对灌木群落的多样性与土壤因子的关系研究较少，且研究结果亦有差异。许传阳等[ 9 ]研究指出灌木多样性变化的主要环境因子尚不明确，张玲等[ 10 ]对黑龙江胜山国家自然保护区的研究中得到了相同的结论，郑邵伟等[ 8 ]对岷江上游的灌木群落研究中指出灌木的优势度与全P、全N等相关，丰富度则与pH和水分含量相关，结果表明，灌木群落的Shannon多样性指数与粒度平均值、重金属元素Bi和粒度分选系数呈显著相关关系，而pielou均匀度指数与粒度平均值、分选系数、重金属元素Mn显著正相关，丰富度指数则只与Bi显著相关。郑敬刚研究表明[ 11 ]Bi元素含量受黏粒、砂粒含量的影响，同时可能研究区域Bi元素的背景值比较高也是一个原因。调查区域中伴生草本植物的均匀度和丰富度指数与土壤全盐的含量有着极显著的负相关，这也与实际情况相符。

4. 4 回归分析表明：灌木群落的Shannon多样性指数与粒度平均值之间拟合为直线回归，均匀度与粒度分选系数间则拟合为二项式回归。研究证明，粒度平均值增大，灌木植物随之增多，多样性也随之增大，但此类相关关系在表层土壤中表现较为突出。4. 5 土壤与环境因子作为一个系统，相互之间联系非常紧密。灌木群落的多样性与土壤因子的关系在不同区域、不同土壤质地处的相互关系还需要进一步的研究。

5 结 论

5. 1 灌木群落的Shannon多样性指数与粒度平均值、重金属元素Bi和粒度分选系数呈显著相关关系，而pielou均匀度指数与粒度平均值、分选系数、重金属元素Mn显著正相关，丰富度指数则只与Bi显著相关。

5. 2 灌木群落的Shannon指数与不同土壤层次处的粒度平均值之间的最佳拟合表现为直线回归，pielou均匀度指数与粒度分选系数之间的最佳拟合表现为二项式回归，由此，乌鲁木齐地区土壤粒度平均值和分选系数是影响灌木群落的物种多样性和均匀分布的关键因素。

参考文献

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第1作者简介：  吴天忠（1981-），  男，  助理研究员，  硕士研究生，林业生态工程方向。

收稿日期： 2021 - 05 -  14

（责任编辑：   李 丹）