克拉瑪依市瑪依湖區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與地理研究所，烏魯木齊，830011) (中國科學院大學) (泰州市高港區政府辦公室)

植被是陸地生態系統的重要組成部分[1]，在陸地表面能量交換、水分循環和生物地球化學循環過程中起著重要作用[2]。而在生態脆弱的干旱區，植被對生態系統的維持有著重要的作用[3]，因此對干旱區的植被研究對于監測該地區的生態系統和環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，也能了解某一地區的生態狀況[6-7]，已被廣泛應用于陸地生態系統植被生長狀況監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探究研究區植被覆蓋度的時空動態變化[12-18]、研究區NDVI時空分布特征對水熱等環境因子的響應[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。瑪依湖作為克拉瑪依市東部重要的生態屏障，湖區外圍植被的生長狀況與克拉瑪依市的生態安全密切相關。本研究通過分析瑪依湖區不同土壤環境下植被生長狀況，結合土壤理化性質，擬說明瑪依湖區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植被、土壤的基本情況，還能為湖區植被恢復、生態建設、土地開發利用、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 研究區概況

瑪依湖區(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，東部瀕臨古爾班通古特沙漠[25]。該區域位于中緯度內陸地區，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。除本條規定外，本法和其他法律、行政法規所規定的評估專業人員的法定義務，評估專業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計分析、正態分布檢驗、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，表明數據符合正態分布，后對磷均值和鹽分均值取對數進行正態轉化，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，正態轉化后的磷均值，變異系數為100.06%，屬于強變異，正態轉換后的鹽分均值，變異系數為50.54%，屬于中等程度變異。

表2 瑪依湖區土壤各屬性統計特征值

3.2 不同地形條件下土壤屬性變化特征

從圖1可知，研究區地勢平坦，最大坡度為18°，并且絕大部分區域的坡度為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，植物光照充足，太陽輻射不是植被生長的限制因子。

圖1 研究區地形條件

3.3 瑪依湖區土壤鹽漬化程度

由圖2可見，瑪依湖區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，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NDVI的分布圖(圖3)可見，越靠近湖區NDVI值越大，植被生長越好；隨著與湖區距離的增加，NDVI值逐漸減少；在湖區外圍，NDVI值最低。可見，隨著與湖區距離的增加，植被長勢逐漸變差，這種規律也符合實際情況，干旱區荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，隨著與湖區距離的增加，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 瑪依湖區土壤鹽漬化情況

圖2 瑪依湖區土壤鹽漬化分布

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位于西北干旱區，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，探究了湖區外圍植被在不同土壤環境下的生長狀況。本研究區地勢平坦，大部分區域坡度為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分空間分布之間的關系，發現植被生長狀況與土壤養分在不同地形上變化趨勢基本一致，具有一定的相關性。本研究區屬于典型的內陸干旱區，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境。馬祥華等[30]研究了黃土丘陵溝壑區退耕地土壤養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分、水分之間關系密切，瑪依湖區多年平均降水量108.9 mm，年潛在蒸發量高達1 492.0 mm，是同期降水量的13.7倍，研究區植被主要依靠地下水補給，并且隨著與湖區距離的增加，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植被生長的影響，只能將地下水位的變化與距湖區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植被生長之間的關系。

本研究分析了瑪依湖區植被在不同土壤環境下的生長狀況，揭示了影響干旱區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，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植被生長狀況的因素，為研究區生態環境的保護提供理論支撐。

5 結論

瑪依湖區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NDVI值越大，植被生長越好，隨著與湖區距離的增加，NDVI值逐漸減少，在湖區外圍，NDVI值最低，這種植被生長規律也符合實際情況，干旱區荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，隨著與湖區距離的增加，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，研究區位于西北干旱區，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。