石羊河尾閭－青土湖水面形成對土壤分形維數和植被的影響

劉淑娟，劉世增，袁宏波，馬劍平，李發明，郭樹江，李菁菁

（甘肅省荒漠化防治重點實驗室，甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，蘭州730070）

土壤為植被的生存和發展提供了必要物質基礎，同時又影響著植物群落結構和功能。生境多樣性、光照、土壤結構和土壤養分等影響了群落結構組成和物種的多樣性［1］。物種多樣性是群落結構和功能復雜性的度量［2－5］。近年來，圍繞土壤因子與物種多樣性間關系，國內外開展了一系列討論，其中研究較多的是群落植物結構及多樣性與養分之間的關系［6－7］。植物的生長發育與土壤因子關系較為密切，土壤理化性質的不同、土壤母質的好壞，都可能影響群落結構、物種多樣性［8］。土壤作為一種多孔介質，表現出明顯的分形特征，有的大量研究表明，分形維數可以較好地作為評價土壤肥力特性和土壤退化程度的定量化指標［9－13］。Gao等［14－16］得出土壤分形維數與土地沙漠化程度、養分以及結構狀況存在相關關系。還有研究［17－18］］通過土壤顆粒體積分形維數與土壤全氮、有機碳、全磷、速效磷和速效鉀有一定的相關關系，證明了土壤團聚體分形維數對土壤肥力存在一定影響，而關于分形維數特征及其與植被關系的研究較少。

石羊河尾閭—青土湖作為石羊河的終端，是民勤綠洲與兩大沙漠（騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠）之間的一個生態屏障，其重要性顯而易見。為了區域補償地下水和改善區域水環境，促進河流系統及區域生態系統恢復，自2010年9月開始，由政府主導，以渠道輸送的形式向青土湖注入生態用水，首次注水1 290萬 m3。2011年注水1 260萬 m3，2013年注水2 020萬m3。生態輸水是石羊河下游生態保護與環境整治的主要目的，因此青土湖注水能否起到改善該區域生態環境、推動地方經濟的發展是社會各界所關注的一個熱點問題。

本文以青土湖生態注水后的植被和土壤作為研究對象，利用Marlven激光粒度儀對不同水面距離、不同土層的土壤粒徑進行測定，采用土壤分形維數模型分析了土壤分形維數，嘗試建立土壤分形維數與植被的關系，確定水面形成后土壤質地狀況，以期為輸水后的生態效益評價提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

石羊河尾閭—青土湖，位于騰格里沙漠西北緣、甘肅省民勤縣東北70km處，屬于石羊河干三角洲，地理位置為39°07′7.3″—39°08′3.2″N，103°37′53.0″—103°38′40.6″E，面積約40km2，屬于石羊河下游干涸三角洲，海拔高度約為1 292～1 310m。該區年平均氣溫為7.8℃，大于10℃的有效積溫3 248.8℃；年降水量110mm左右，且降水多集中于7—9月，占全年降水總量的73%，蒸發量達2 600mm以上；無霜期168d，光照3 181h，太陽輻射630kJ/cm2；20世紀初期，青土湖（即現今的“湖區”）水域面積大約120km2。50年代中后期，湖泊開始萎縮，1959年完全干涸，僅殘留有東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等鹽堿灘地或沼澤性草灘，大部分已被流沙覆蓋或墾殖［19－20］。研究區主要以湖相沉積物的砂土及壤質砂土為主；植被類型為典型的荒漠植被，自然植被整體稀疏、種類較少，研究區的主要植被類型為白刺（NitrariatangutorumBobr.）和 蘆 葦 （Phragmitesaustralis（Cav.）Trin.ex Steud.）群 落，同 時 有 蘇 枸 杞 （LyciumruthenicumMurr.）、鹽爪爪（Kalidiumfoliatum（Pall.）Moq.）為主要伴生灌木；草本植物種類相對較豐富，主要有刺沙蓬（Salsolaruthenica）、駝 蹄 瓣 （ZygophyllumfabagoL.）、戟葉鵝絨藤（CynanchumsibiricumWilld）、豬毛菜（SalsolacollinaPall）、沙蓬（AgriophyllumsquarrosumL.Moq.）、砂引草（MesserschmidiasibiricaL.）、碟果蟲實（Corispermumpatelliforme）、砂藍刺頭（Echinops gmeliniiTurcz.）等。

1.2 調查取樣方法

根據試驗區地貌特征、植被和土地利用狀況，以水面為中心向水面外圍延伸設置調查樣帶，帶寬200 m，在每個樣帶中以距水面邊緣0m開始，每隔50m分別設置植被調查樣地，每個樣地各設置1～2個灌木調查樣方、每個灌木樣方對應5～7個草本樣方，共設灌木樣方39個，草本樣方245個。喬灌木采用20 m×20m樣方，草本用1m×1m的小樣方，分別調查記錄植物種名、高度、冠幅及樣方內出現的各物種的個體數量。在對應的灌木調查樣方中，采用五點取樣法，用取土鉆分別取土層深（H）0＜H≤20cm，20 cm＜H≤40cm，40cm＜H≤60cm共3個土層的土樣，然后，將同一樣地內同土層土樣充分混合后裝入封口袋，密封帶回實驗室，經自然風干后用四分法取一定量樣品，挑出石礫及可見凋落物和根系，用靜電法去除植物碎片，用瑪瑙碾缽碾細過篩后密封干燥保存將所取土樣帶回室內風干備用。

1.3 試驗方法

利用Marlven激光粒度儀進行土壤粒度的測定，粒度分析的粒徑范圍0.01～2 000μm，粒度參數用Folk和Word的計算公式求出［21－22］。粒級劃分采用1978年《中國土壤》中的土壤質地分類方法，細黏粒（＜0.001）、粗黏粒（0.001～0.005mm）、細粉粒（0.005～0.01mm）、粗粉粒（0.01～0.05mm）、細砂粒（0.05～0.25mm）和粗砂粒（0.25～2.0mm）。

1.4 數據處理

（1）分形維數：土壤是具有分形特征的系統，運用分形理論建立土壤顆粒結構的分形模型［3，13］，利用土壤顆粒質量與平均粒徑間的關系，計算土壤顆粒的分形維數。公式如下：

式中：D——土壤顆粒分形維數；r——土壤顆粒粒徑；Mr——粒徑小于r的顆?？傎|量（mm）；Mt——土壤樣品總質量（g）。

具體應用時，首先由實測粒徑及其重量數據計算lg （Mr/Mt）和lg （r/δ）值，而后以lg （Mr/Mt）為橫坐標，以lg （r/δ）為縱坐標，利用最小二乘法進行直線擬合求得斜率α，再利用（1）式求得分形維數為D。

（2）多樣性指數：選用應用最廣的物種豐富度指數（S）、Shannon－Weiner 指 數 （H′）、Simpson 指 數（D）、均勻度指數（J）作為判斷群落α多樣性特征的指標［23－25］（公式略）。

（3）重要值：采用下面公式計算物種的重要值（Ⅳ）：Ⅳ＝（相對多度＋相對優勢度＋相對頻度）/3。

所得試驗數據用 Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0統計分析軟件進行了方差分析和LSD統計分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水面邊緣距離及各層次土壤粒徑分布及土壤顆粒分形特征

不同水面邊緣距離及不同土層深度粒徑范圍土壤顆粒質量含量見表1。不同土層、距水面不同距離均表現為細砂粒含量最多。在0—20cm土層0.05～0.25mm的細砂粒含量介于57.19%～87.91%，平均值為79.68%；同樣在20—40cm，40—60cm土層的細砂粒含量介于56.98%～89.75%，均值小于0—20cm土層的粒徑含量；在青土湖水面邊緣周邊細砂粒的含量明顯大于其他粒徑的含量，由于青土湖屬于湖積沙地，因此細砂粒含量較高。其次是粗砂粒和粗粉粒含量，相對于細砂粒含量都較低，分別介于0.57%～28.30%，0.54%～29.72%。

從不同土壤層次來看，0—20cm，20—40cm，40—60cm層土壤顆粒分形維數分別在2.370 8～2.879 6，2.359 0～2.750 9，2.105 7～2.918 5，不同土層分形維數差異不顯著（p＞0.05）。分形維數與各粒徑的重量分布均存在顯著正相關（p＜0.01），相關系數在0.896 9～0.994 5。從不同距離來看，0—20cm土層在0—150m土壤粒徑分形維數呈緩慢增加趨勢，在150m處達到最大2.879 6，隨后逐漸降低；而20—40cm，40—60cm土層在0—100m呈緩慢增加趨勢，在100m處達到最大，分別為2.750 9，2.918 5，隨后降低，而40—60cm土層在300m處分維數也出現一個較高峰值。綜合來看，表層土壤（0—20cm），距離150m，300m，是土壤，水面形成對0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—60cm土層土壤粒徑的影響范圍在100m。

可能與本地段較多的生長植被數量有關。本區域風力強勁、風沙活動劇烈，水面的形成不僅降低砂粒的風蝕，而且水面可阻截更多過境的黏粉粒，并使其在水面及水面周邊聚集，導致細粒物質成分增加，且粗細砂粒含量降低，分形維數相應升高。而超過一定距離，水面的截存作用減小，分形維數相應降低了。

表1 不同土層深度和水面邊緣不同距離的土壤粒徑分布及其分形維數

續表1

2.2 水面形成后植被變化特征

從圖1可以看出，多樣性指數，均勻度和優勢度變化趨勢相同，在0～50m升高后在100m降到最低值而后又升高，隨后均處于小范圍的波動狀態，變化不大，在距水面450m處多樣性達到最高，而均勻度和優勢度總體變化不大。由于土壤屬于湖積鹽土，且地下水位低，地表植被稀少，植物群落主要是白刺群落，伴生有蘇枸杞、鹽爪爪，沙蒿、五星蒿、駱駝蹄瓣等。在距水面100m處受到水的溶解推移作用，鹽分增加作用，研究區灌木很少，物種多樣性變化主要受草本數量變化的影響，生長在土壤表層的草本減少，導致多樣性指數降低。

圖1 距水面不同距離物種多樣性指數

從圖2可以看出，草本的重要值在0.70～1.22，在距水面0～200m逐漸增大，在200m處達到最大，隨后逐漸降低；灌木的重要值在0.42～1.11，在距水面100m處出現一個峰值，隨后降低在距水面300m處達到最大值。由于距水面較近，雖然土壤水分增加了，但又受到水溶推移和強烈的蒸發引起土壤表層鹽漬化，近水面植被影響較大，因此直到在距水面200m處草本重要值最大。由于湖積鹽土，受到鹽分影響，植被種類較少，豐富度僅在5～10，變化不大，趨勢不明顯，在距水面450m處最大。

圖2 距水面不同距離的重要值和豐富度

2.3 分形維數與植被的關系

對植被多樣性、均勻度、優勢度指數、草本和灌木重要值和分形維數進行線性回歸分析。由表2可知在0—20cm土層，分形維數與多樣性、均勻度和優勢度指數呈顯著負相關，相關系數r在－0.721～－0.691，而在20—40cm土層各植被指標與分維系數并無相關性，在40—60cm土層只有多樣性指數與分形維數呈顯著負相關。水面形成后對該區域的草本影響較大，草本植被根系主要分布在0—20cm土層，由于受到水溶推移和強烈的蒸發引起土壤表層鹽漬化，表層土壤中鹽分增加明顯，鹽分升高導致植被數量減少，多樣性降低，因此出現分維系數與多樣性呈負相關的情況。

3 結論與討論

（1）石羊河尾閭—青土湖輸水區域土壤0—20cm，20—40cm，40—60cm層次土壤顆粒分形維數差異不顯著（p＞0.05）。分形維數與各粒徑的重量分布均存在顯著正相關（p＜0.01）。距水面不同距離土壤分形維數變化趨勢較一致，在0～50m范圍，各層土壤分維數均較小；在50～450m范圍，均呈現隨距水面距離增大而波動變小的趨勢，但其峰值變化略有差異。150m，300m是0—20cm表層土壤分形維數的峰值點，而100m，400是20—40cm，40—60cm層次土壤分形維數的峰值點。區域土壤粒度及其分形維數的這種變化規律主要受風沙活動、植被分布、水面形成等4方面因素的影響，水面的形成使水面邊緣風速較大，風速對水面外圍0～100m距離表層土壤的吹蝕作用較強，同時由于受地表植被影響及風沙流能量減小，土壤分形維數逐漸增大；在400～450m距離上，由于接近流動沙丘，風沙覆蓋相對較厚，且相對海拔變高，風沙活動強烈，土壤粗砂含量較多，分形維數較小。而植被隨沿水面的徑層分布規律則使距水面50～400m距離的表層土壤分形維數波動變化明顯，而下層土壤分維數的變化主要受土壤原始沉積特征的影響。土壤分形維數可以反映植被恢復過程中土壤質地的變化程度［9］，而本研究中的這種變化說明在干旱沙漠地區，土壤顆粒分形維數也可作為一個反映評價土壤演變程度的綜合定量指標。

表2 分形維數D與植物群落α多樣性的線性關系

（2）物種多樣性不僅能夠度量群落的組成結構和功能的復雜性，也能指示環境狀況。植物群落的分布格局是不同尺度上各種環境因子如氣候、土壤、地形等綜合作用的結果。在青土湖沙漠化發展過程中，生境的改變對某一階段群落的形成具有重要影響。本研究區域范圍內的氣候、海拔變化不大，各樣地的環境背景條件相對一致，植物群落分布格局更多的受土壤、水面形成及風沙活動的影響。研究區域植物物種多樣性隨水面距離呈波動變化，這種波動變化與土壤分形維數的變化具有較好的對應關系，土壤的分布形成了植被特定的圈層分布格局，而植被的圈層分布又影響了土壤特征如粒度、分形維數的變化。0～50m，400～450m兩個地段是物種多樣性較高，同時是土壤分形維數較低地段，這主要與水面邊緣區域及區域外圍風沙活動強烈有關。通過重要值分析發現，草本在距水面0～200m逐漸增大，在200m處達到最大，隨后逐漸降低；灌木的重要值在距水面100m處出現一個峰值，隨后降低。在距水面300m處達到最大值，草本植物對區域植物多樣性影響較大，但灌木植物重要值與土壤特征的變化關系更密切。研究區域的植物以耐鹽堿物種為主，土壤鹽分含量在上層積累多，鹽堿是這些植物生長的主要脅迫因子，因此它們的變化對該區植被物種多樣性變化的反映程度較大，有研究表明鹽分梯度不僅引起多樣性的變化，而且是植物群落分布和演替的重要影響因素［2］。

（3）從土壤分維數與多樣性關系來看，0—20cm土層，分形維數與多樣性、均勻度和優勢度指數呈顯著負相關，而在20—40cm土層各植被指標與分維系數相關性不明顯，在40—60cm土層只有多樣性指數與分形維數呈顯著負相關。本研究中，由于水面形成對草本植物影響較大，草本植被根系主要分布在0—20cm土層，并且受到水溶推移和強烈的蒸發引起土壤表層鹽漬化，表層土壤中鹽分增加明顯，鹽分升高導致植被數量減少，多樣性降低，因此出現分維系數與多樣性呈負相關的狀態。左小安［8］研究也表明土壤顆粒與物種多樣性指數的灰關聯度的排序表明他們與物種多樣性之間的相關性相對較遠。

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