唐古特白刺灌丛生物量相关分析及其预测模型*

玉苏甫·买买提，艾萨迪拉·玉苏甫

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐830054)

白刺属 (Nitraria L)属于旱生或超旱生灌木或小灌木，是防风固沙和改良盐碱地的先锋植物，寿命长达30年以上。全世界有12种，中国有8种，新疆有6种［1～2］，广泛分布于我国干旱、半干旱荒漠地区。白刺属植物具有很强的防风固沙能力以及耐旱、抗风蚀、抗盐碱、耐热能力，因此，在生物固沙和改良盐碱地方面长期以来备受关注［3］。更为重要的是，白刺属植物耐沙埋，埋后枝节快速生出不定根，然后扩展枝叶、积沙成丘，渐渐形成固定和半固定的唐古特白刺灌丛沙堆或沙包［4］，新疆90个县 (市)中53个县 (市)有沙漠分布，受沙漠化、风沙危害和影响的有80个县 (市)［5］。白刺属植物常常在绿洲与沙漠之间的过渡带形成固定和半固定的唐古特白刺沙堆，从而在防御沙漠入侵危害绿洲、保持绿洲环境的稳定等方面均发挥不可替代的作用。白刺属植物研究主要集中在森林栽培、资源现状调查［6～7］、化学成分分析、沙包生物量预测模型［8～9］等方面，而关于不同林型唐古特白刺灌丛的地上生物量、沙包内生物量、粘土内生物量和总生物量的相关性分析，并建立的其回归模型的研究未见报道。本项研究采用全挖法及直接收获法，通过测定唐古特白刺 (Nitraria tangutorum)纯林、唐古特白刺+红柳 (Tamarix ramosisima)混交林和唐古特白刺+胡杨 (Populus diversifolia)混交林的唐古特白刺生物量，沙包的长度、宽度、高度等指标，应用线性回归方法，分别对不同林型的唐古特白刺灌丛的地上生物量、沙包内生物量、粘土内生物量和总生物量进行相关性分析，建立回归预测模型，以期为新疆的受损生态系统修复和防风固沙等生物措施提供参考。

1 研究区自然概况

研究区位于天山南麓，焉耆盆地东北部，地处东经 86°41'～ 88°22'和北纬 40°25'～ 42°47'之间，总面积12 892 km2。气候属典型的中温带大陆性气候，分北部山区、南部山区和中部平原区3个不同的气候区。北部山区，常年积雪，气候严寒，无霜期很短，四季不分明，只有冷暖之分;中部平原区，四季分明，夏季炎热，冬季寒冷，春季干旱、多风，气温多变，秋季短而降温迅速;南部山区，降水极少，蒸发量大，气候干燥酷热。年平均气温8．6℃，1 月平均气温 -11．9℃，7 月平均气温23．6℃，极端最高气温 40．3℃，极端最低气温-31．6℃，无霜期 166天。年平均降水量 28．7 mm。土壤为原始灰棕漠土、灰钙土、半固定沙地和山坡钙积土。

2 研究方法

2.1 调查方法

以研究区域3种林型的唐古特白刺灌丛沙包为研究对象，在研究区设置每一个不同生境区域内规格为100 m×100 m的样地，其中，每一个样地内筛选不同大小的代表性的10个样点，总计30个唐古特白刺灌丛沙包为样点，利用GPS定位，用皮尺对唐古特白刺沙包的长度、宽度、高度和沙包上的灌丛高度等形态特征指标进行实地测量。通过利用全挖法、平均生物量法、直接收获法、回归模型等灌丛生物量估测方法，对不同生境的唐古特白刺灌丛沙包地上生物量 (沙包上部的生物重量)、沙包内生物量 (沙包里的生物重量)、粘土内生物量(沙包全挖地平后黏土内的生物重量)和总生物量(包括沙包上生物量、沙包内生物量和黏土内生物量的综合)进行实地测重［9～14］。

2.2 数据分析

运用Excel和SPSS等统计软件，对所获取的有关灌丛沙包形态和生物量的数据进行了处理和分析，并利用得到的数据，以唐古特白刺灌丛沙包的长、宽、高为自变量，以不同部分的生物量为因变量，选择线性回归模型，对不同生境的唐古特唐古特白刺灌丛沙包生物量建立了回归预测模型。

3 结果与分析

3.1 唐古特白刺灌丛沙包生物量统计特征

不同生境唐古特白刺灌丛沙包生物量调查结果见表1。从表1可以看出，和硕县唐古特白刺灌丛沙包生物量总特征表现为:3种林型的地上生物量、沙包内生物量和地下生物量由高到低排序是唐古特白刺纯林＞唐古特白刺+红柳混交林＞唐古特白刺+胡杨混交林，粘土内生物量逐渐增多;究其原因，从唐古特白刺纯林-唐古特白刺+红柳混交林-唐古特白刺+胡杨混交林，唐古特白刺纯林沙堆的发育程度逐渐弱化，个体形态也相应减小。这就表明在唐古特白刺纯林，它们积聚流沙和枯枝落叶而固定的沙丘比唐古特白刺+红柳混交林和唐古特白刺+胡杨混交林被固定的沙丘发育得好，这说明在沙漠区唐古特白刺属植物的生态效益体现得最突出。因为在沙漠地区分布的唐古特白刺属植物耐沙埋，埋后枝节能快速生出不定根，然后扩展枝叶，积沙成丘，渐渐形成固定和半固定的唐古特白刺灌丛沙堆或沙包。这还能进一步证明，唐古特白刺纯林的防风固沙能力比唐古特白刺+红柳混交林和唐古特白刺+胡杨混交林大得多。试验证明，唐古特白刺纯林灌丛沙包高度、长度及宽度最大，沙堆能力最强;唐古特白刺+红柳混交林次之;唐古特白刺+胡杨混交林最小。

表1 唐古特白刺灌丛的生物量及其沙包特征Tab．1 Biomass and sand dune characteristics of Nitraria tangutorum shrub

从唐古特白刺纯林-唐古特白刺+红柳混交林-唐古特白刺+胡杨混交林，唐古特白刺沙包形态的统计特征表现为:沙包的长度和高度呈逐渐减少趋势，但沙包宽度在唐古特白刺+红柳混交林最大，唐古特白刺纯林次之，唐古特白刺+胡杨混交林最小。变异系数能反映随机变量的离散程度，一般认为CV≤10%为弱变异性;10%＜CV＜100%为中等变异性;CV≥100%为强变异性。由表1还可以看出，唐古特白刺纯林、唐古特白刺+红柳混交林和唐古特白刺+胡杨混交林的任何指标不管是在哪一个林型都属于中等变异性。以表1的统计数据为基础，比较分析不同生境的3种林型唐古特白刺灌丛根系的深度、长度及宽度分布情况，结果表明:(1)在唐古特白刺纯林分布区的10个样点中沙包内+粘土内 (实地采用全挖法和直接收获法)根系分布的最大深度3．7 m、长度10．7 m、宽度6．2 m，沙包内+粘土内最大根重量157．5 kg;平均深度 2．8 m、长度 6．40 m、宽度 3．84 m，沙包内+粘土内平均根重量78．11 kg。(2)唐古特白刺+红柳混交林分布区的10个样点中沙包内+粘土内根系分布的最大深度3．2 m、长度8．7 m、宽度6．3 m，沙包内+粘土内最大根重量95．2 kg;平均深度2．6 m、长度6．01 m、宽度4．28 m，沙包内+粘土内平均根重量63．08 kg。(3)唐古特白刺+胡杨混交林分布区的10个样点中沙包内+粘土内根系分布的最大深度2．8 m、长度6．2 m、宽度4．2 m，沙包内+粘土内最大根重量38．4 kg;平均深度2．3 m、长度4．71 m、宽度3．22 m，沙包内+粘土内平均根重量27．09 kg。综上所述，3种林型的根系分布的最大深度、长度及宽度及其最大根重量由大到小排序是唐古特白刺纯林＞唐古特白刺+红柳混交林＞唐古特白刺+胡杨混交林。究其原因，从唐古特白刺纯林-唐古特白刺+红柳混交林-唐古特白刺+胡杨混交林上沙堆的发育程度逐渐弱化，个体形态也相应减小。

3.2 变量间的相关分析

唐古特白刺灌丛沙包生物量包括地上生物量、沙丘内生物量和灌丛沙包下粘质土层内生物量等3个部分。唐古特白刺灌丛沙包长度、宽度、高度、地上平均高度是唐古特白刺灌丛沙包的本身特征。在唐古特白刺纯林，其灌丛沙包生物量与沙包形态的内在关联性不同，了解这一点有助于辨析不同生境的生物量估算。本项研究分析新疆博斯腾湖周围的和硕县境内不同生境的唐古特白刺灌丛沙包生物量与沙包的长度、宽度、高度之间的相关性 (表2～4)。

表2 唐古特白刺纯林各变量间的相关系数矩阵Tab．2 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum forest

表3 唐古特白刺+红柳混交林各变量间的相关系数矩阵Tab．3 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum+Tamarix ramosisima mixed forest

表4 唐古特白刺+胡杨混交林各变量间的相关系数矩阵Tab．4 Correlation coefficient matrix among the variables of Nitraria tangutorum+Populus diversifolia mixed forest

从表2可以看出，在唐古特白刺纯林，各变量之间的相关性都很强，呈0．01显著性水平的极正相关。

从表3可以看出，在唐古特白刺+红柳混交林，各变量之间的相关性也都很强，呈0．01显著性水平的正相关。

从表4可以看出，在唐古特白刺+胡杨混交林，除了各变量与沙包高度的相关性不显著，呈0．05显著性水平的正相关以外，其他各变量之间的相关性都很强，呈0．01显著性水平的极正相关。

综上所述，和硕县唐古特白刺纯林，灌丛沙包生物量与沙包形态的内在关联性不同，即在唐古特白刺纯林，沙包生物量与沙包形态的相关性很强，比唐古特白刺+红柳混交林和唐古特白刺+胡杨混交林的还显著。这能进一步说明，哪里的沙丘固定得好，哪里的沙包生物量与沙包形态的内在关联性越好，受损生态系统修复和防风固沙方面的生态效益就强。

3.3 唐古特白刺灌丛沙包生物量预测模型的建立

在上述相关性分析的基础上，参考已有的灌木生物量建模方法，即利用全挖法、平均生物量法、直接收获法、回归模型等灌丛生物量估测方法［11～14］，分别以唐古特白刺灌丛沙包的长度、宽度、高度为自变量，以不同部分的生物量为因变量，选择线性回归模型进行建模，回归分析结果见表5～7。

表5 唐古特白刺纯林的沙包生物量与其沙包特征的回归分析Tab．5 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum forest

表6 唐古特白刺+红柳混交林的沙包生物量与其沙包特征的回归分析Tab．6 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum+Tamarix ramosisima mixed forest

从表5可知，在唐古特白刺纯林，除粘土内生物量回归方程的p值为0．16之外，各回归方程的p值 (0．02～0．03)均小于0．05的显著性水平，这表明，从整体上看，模型与数据的拟合程度非常好，说明灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对唐古特白刺灌丛沙包生物量的作用是极其显著的，因此，本文所建立的回归模型是可用的。

从表6可知，在唐古特白刺+红柳混交林，以沙包内生物量 (因变量)与沙包长度、宽度、高度 (自变量)为变量的回归方程的 p值 (0．02)小于0．05的显著性水平，说明灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对沙包内生物量的作用是显著的;以粘土内生物量 (因变量)与沙包长度、宽度、高度 (自变量)为变量的回归方程的 p值(0．09)，大于0．05的显著性水平，说明灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对唐古特白刺红柳混交林的粘土内生物量的作用是不显著的;除了这两者之外，其他3个回归方程的p值均小于0．05的显著性水平，说明灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对唐古特白刺灌丛沙包生物量的作用是极其显著的，因此，本项研究所建立的回归模型也是可用的。

表7 唐古特白刺+胡杨混交林的沙包生物量与其沙包特征的回归分析Tab．7 Regression analysis between sand dune biomass and its characters of Nitraria tangutorum+Populus diversifolia mixed forest

从表7可知，在唐古特白刺+胡杨混交林中唐古特白刺灌丛除粘土内生物量回归方程的p值(0．01)非常显著之外，唐古特白刺沙包的长度、宽度、高度都很小，各回归方程的 p值均大于0．05的显著性水平，这表明，灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对唐古特白刺+胡杨混交林中唐古特白刺灌丛沙包生物量的作用是不显著的。因此，本项研究所建立的回归模型不可用。

从整体上看，模型与数据的拟合程度非常好，说明新疆博斯腾湖周边唐古特白刺灌丛沙包的长、宽、高度等指标对唐古特白刺纯林及唐古特白刺+红柳混交林的唐古特白刺灌丛沙包生物量的作用是极显著的，因此，本项研究所建立的回归模型是可用的。这能直接反映研究区灌丛沙包的发育状况由唐古特白刺灌丛沙包形态对唐古特白刺灌丛沙包生物量的作用来决定。还能进一步反映形态效益的高低也是由沙包形态对沙包生物量的作用来决定。

从决定系数的R2和调整后的R2adj值来看，整个研究区内，灌丛沙包的长度、宽度、高度对各个模型的解释程度并不相同，其中在唐古特白刺+胡杨混交林对地上生物量的解释程度最低，仅27．7%，这说明沙包形态可以解释地上生物量27．7%的变异状况;其他各因素的解释程度均大于50%，这表明整个研究区内，各因素对唐古特白刺灌丛沙包生物量的影响都较大。

4 结语

(1)新疆博斯腾湖周边的和硕县境内不同林型的唐古特白刺灌丛沙包生物量的统计特征主要表现为:在唐古特白刺纯林，地下生物量＞沙包内生物量＞地上生物量＞粘土内生物量;在唐古特白刺+红柳混交林，地下生物量＞沙包内生物量＞地上生物量＞粘土内生物量;在唐古特白刺+胡杨混交林，地上生物量＞地下生物量＞粘土内生物量＞沙包内生物量。这说明唐古特白刺纯的唐古特白刺属植物的防风固沙功能最强，其次唐古特白刺+红柳混交林，因为红柳的防风固沙功能也很强，唐古特白刺+胡杨混交林的唐古特白刺灌丛沙包一般不大，因此，防风固沙功能较低。

(2)在唐古特白刺纯林灌丛沙包的高度、长度和宽度都大，且沙包内生物量最大，其次为地上生物量。因此，除粘土内生物量与沙包高度呈0．05显著性水平的正相关之外，其他各变量之间的相关性都很强，各回归方程的p值均小于0．05的显著性水平。在唐古特白刺+红柳混交林，除粘土内生物量与沙包长度、宽度、高度的回归方程的p值为0．09，并大于0．05的显著性水平，说明灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对粘土内生物量的作用是不显著外，总生物量、地下生物量、地上生物量及沙包内生物量与沙包长度、宽度、高度的回归方程的p值为0．02，并小于0．05的显著性水平，这表明唐古特白刺+红柳混交林灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对总生物量、地下生物量、地上生物量及沙包内生物量的作用是极其显著的，因此，本项研究所建立的回归模型也是可用的。在唐古特白刺+胡杨混交林，除有粘土内生物量回归方程的p值 (0．01)非常显著之外，其他各回归方程的p值均大于0．05的显著性水平，这表明唐古特白刺+胡杨混交林灌丛沙包的长度、宽度、高度等指标对总生物量、地下生物量、地上生物量及沙包内生物量的作用是不显著的。因此，对唐古特白刺+胡杨混交林，本项研究所建立的回归模型不可用。综上所述，本项研究所建立的回归模型对唐古特白刺纯林和唐古特白刺+红柳混交林都可以用。

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