新疆巴尔鲁克山自然保护区土壤理化因子与植物群落多样性的相关性研究

2016-04-23拜合提亚尔阿布力米提新疆大学资源与环境科学学院新疆乌鲁木齐833000

安徽农业科学 2016年6期

拜合提亚尔·阿布力米提　(新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 833000)

拜合提亚尔·阿布力米提(新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 833000)

摘要[目的]为新疆地区植被恢复与生物多样性的保护提供参考。[方法]结合相应的土壤室内试验数据和野外典型群落的样方调查，采用典型相关分析法对新疆巴尔鲁克山自然保护区土壤理化因子与植物群落多样性的相关性进行了研究。[结果]各群落组成简单，多样性指数不存在较大的差异，且对应的指数值都较低。在影响新疆巴尔鲁克山自然保护区植物群落的多样性方面，有机质含量和pH是其中的主要因子。土壤理化因子第一典型变量解释方面，其中植物群落多样性的变异比例仅为5.8%。[结论]该研究结果可为新疆地区植被恢复与生物多样性的保护提供参考。

关键词新疆巴尔鲁克山自然保护区；植物群落多样性；土壤理化因子；相关性

Correlation Research on Soil Physicochemical Factors and Plant Community Diversity in Baerluke Nature Reserve of Xinjiang

Baihetiyaer· Abulimt

(College of Resources and Environmental Sciences, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 833000)

Abstract[Objective] To provide references for the vegetation recovery and biodiversity protection in Xinjiang Area. [Method] Combining with the data of corresponding soil indoor test and the sample plot investigation wild typical community, canonical correlation analysis was used to research the correlation of soil physicochemical factors and plant community diversity in Baerluke Nature Reserve of Xinjiang. [Result] Each community had simple composition; there were relatively great differences in diversity index. And the corresponding index values were all relatively low. In the aspect of diversity affecting the plant community plant community, organic matter content and pH were the main factors. In the aspect of the first canonical variable of soil physicochemical factors, variance proportion of plant community diversity was only 5.8%. [Conclusion] This research provides references for the vegetation recovery and biodiversity protection in Xinjiang Area.

Key wordsBaerluke Nature Reserve of Xinjiang; Plant community diversity; Soil physicochemical factors; Correlation

自然界发展中，土壤不仅是植物群落生长、发展的基础，而且是对其多样性的产生和发展具有极其重要的作用，所以长期的发展演变过程中土壤环境的差异势必促使群落物种多样性发生变化，这也是自然界发展演变的规律。Whittaker[1]于1972年提出将生态多样性指数分为α多样性指数、β多样性指数和γ多样性指数。在植物生态学研究中，植被群落物种分布与多样性的环境因子的关系已逐渐成为生态学家研究的重点课题[2]。研究表明，植物群落多样性或物种多样性(α多样性)影响特定群落或生境内部物种的多样性[3]。结合新疆巴尔鲁克山自然保护区的相关情况，笔者对其土壤理化因子与植物群落多样性的相关性进行了分析，旨在揭示它们之间相互作用的关系及存在的生态学意义，以期为新疆地区植被恢复与生物多样性的保护方面提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况新疆巴尔鲁克山自然保护区总面积11.5×104hm2，位于82°26′～83°13′ E，45°42′～46°03′ N，此地冬夏长，春秋短，最高气温41.8 ℃，最低气温-35.9 ℃，平均蒸发量1 021 mm，相对湿度为44%，与同期降水量相比蒸发量是同期降水量的3.7倍，年均径流量达7.39×108m3，是新疆历史上建立的第1个自然保护区，最初建立于1980年4月。该研究区林地用地面积34 614.95 hm2，共有植物81科444属1 178种，巴尔鲁克山北坡山峦起伏明显，灌木、草原型植被生长茂盛，加之丰富的降水，使得此地区成为优良的夏牧场，且土质松软肥沃，草木繁茂，更有宽谷和丘状山连绵起伏。裕民县有着发源于巴尔鲁克山区的河流16条，此地的野生巴旦杏片林更被誉为世界面积最大的野生珍稀植物“活化石”，森林总蓄积量为521 km3，针叶林面积为3 499.81 hm2，是主要的森林类型；此外，还有占地面积3 787.03 hm2的阔叶林等，天山桦、疣枝桦、苦杨树及、新疆野苹果等树种是其中最主要的树种；灌木林面积为15 564.1 hm2，灌木层主要种植蔷薇、野巴旦杏、忍冬和新疆圆柏等[4]。

1.2数据来源2014年7月，在新疆巴尔鲁克山自然保护区管护站附近选取典型的植物群落，结合最小面积法，共选取样方60个，其中草本样方5 m×5 m、1 m×1 m，灌木样方10 m×10 m，此外乔木样方大小20 m×20 m，并对每个样方中乔木的种类、数量、冠幅、高度和胸径进行调查，此外还需要调查草本的物种数、平均高度、物候相和盖度以及灌木的种类、数量、南北冠幅、高度等。在采集数据的同时，需要对各样地的海拔高度、经纬度及各种土壤理化因子进行测定。

1.3研究方法

1.3.1土壤理化性质。采用烘干法测定土壤含水量；采用残渣烘干法测定可溶性总盐；采用电位法测定土壤pH；有机质则采用重铬酸钾容量法(稀释热法)进行测定，结合《土壤农化分析》中的相关测定方法，确保每个指标重复3次[3]。

1.3.2群落多样性指数。

1.3.2.1物种重要值[5]的计算。按照以下公式计算物种重要值：物种重要值=(相对频度+相对盖度+相对高度)/3×100%；相对频度(%)=某个种的频度/所有种的频度之和×100%；相对高度(%)=某个种的高度/所有种的高度之和×100%；相对盖度(%)=某个种的盖度/所有种盖度之和×100，其中灌木盖度(%)=东西冠幅×南北冠幅/样地面积。

1.3.2.2物种多样性的测定。相关测定方法较多，选取4类多样性指标，包括物种优势度、物种均匀度、物种丰富度及物种多样性指数。

1.3.3典型相关性分析。对植物群落多样性和土壤理化性质指标关系的研究采用典型相关分析法。首先，先建立两类指标，使得植物群落多样性指标被选定为第一类典型指标，也叫多样性组，将其用V表示，包括Simpson优势度指数(C)(X3)、Margalef指数(Ma)(X1)、Pielou均匀度指数Jsw(X5)和Jgi(X6)、Monk丰富度指数(MO)(X2)；在此前提下，将第二典型变量选定为土壤理化性质指标，即理化因子组，用W表示，包括pH(Y4)、有机质(Y2)、土壤含水量(Y1)和可溶性总盐(Y3)。

在上述2类典型变量随机数量矩阵的前提下，建立土壤理化因子和植物群落多样性的线性组合函数：

V=a1X1+a2X2+…apXp

(1)

W=b1Y1+b2Y2+…bqYq

(2)

式中，a1,a2，…ap和b1,b2，…bq可使得V、W具有最大相关系数，所以其为待定系数，最终取得典型相关系数，在此基础上对2组指标间的内部联系进行了分析。

1.3.4数据处理。在收集土壤实验室测定数据、土壤实验室测定数据的基础上，使用了Excel2010和SAS8.1统计软件对试验数据进行统计与分析。

2结果与分析

2.2植物群落的物种多样性此自然保护区内，作为群落生态组织水平可测定的生物学特征，其中的植物群落物种的作用还体现在反应群落功能等方面，结合典型植物群落物种多样性指数表可知，新疆巴尔鲁克山自然保护区荒漠植物群落存在较低的丰富度指数，因此其优势度相对较高，从物种多样性指数考虑，其指数值相对较低，所以认为其不存在显著差异。

由表1可知，丰富度指数最大的是白麻，说明在新疆巴尔鲁克山自然保护区白麻的数量较多，同时其分布较为广泛。从群落的优势度指数来看，与乔灌木相比，芦苇、芨芨草和甘草的优势度指数更大，说明新疆巴尔鲁克山自然保护区的植物生长受到水分和土壤盐分的限制，而草本植物的适应性强于乔灌木，所以其生长更好；典型群落间的均匀度指数相差不大，表明植被受到恶劣环境的影响。

2.3土壤理化因子与植物群落物种多样性的相关性基于原始变量单位的不同，采用标准化的典型系数，而非直接进行比较。多样性第一典型变量V1的作用体现在对Pielou均匀度指数(X5)和(X6)的反映，而对应的第二典型变量V2的作用主要体现在对Pielou均匀度指数(X5)、Shannon-Wiener多样性指数(X4)和Simpson优势度指数(X3)的反映。此外，pH(Y4)则主要由第二典型变量W2来反映。有机质、pH、土壤含水率是最具代表性的土壤理化因子，它们与植物群落物种多样性的关系最为密切。

表1　典型植物群落物种多样性指数

典型变量线性表示：

V1=0.069 1X1-0.107 3X2-0.145 5X3+0.329 0X4+0.842 6X5+1.256 4X6

(3)

W1=0.394 3Y1-0.744 7Y2-0.189 7Y3+0.031 2Y4

(4)

V2=0.182 6X1+0.196 1X2+1.009 1X3+0.940 4X4+0.819 9X5+0.458 8X6

(5)

W2=-0.246 0Y1-0.137 0Y2+0.022 2Y3-1.001 9Y4

(6)

表2多样性指数典型变量的标准化典型系数

Table 2Standardization typical coefficient of typical variable of diversity index

多样性变量DiversityvariableV2V1X10.18260.0609X20.1961-0.1073X31.0091-0.1455X40.94040.3290X50.81990.8426X60.45881.2564

表3土壤理化因子典型变量的标准化典型系数

Table 3Standardization typical coefficient of typical variable of soil physicochemical factor

土壤理化因子SoilphysicochemicalfactorW2W1Y1-0.24600.3943Y2-0.1370-0.7447Y30.0222-0.1897Y4-1.00190.0312

由表2、表3可知，Pielou均匀度指数(X6)、Sinpson优势度指数(X3)与多样性组第一典型变量(V1)呈正相关，而与其他4个指数呈负相关，其中Pielou均匀度指数(X6)与V1存在最高的正相关，相关系数达到0.724 9；Monk丰富度指数(X2)与V1存在最高的负相关，相关系数为-0.517 1。此外，Simpson优势度指数(X3)与第二典型变量(V2)呈负相关，此外第二典型变量(V2)与其他4个指数均呈较高的正相关，其中相关性最高的是与Pielou均匀度指数(X5)，相关系数为0.839 3。典型变量V1所提取的信息中贡献最大的是X6，而X5则是典型变量V2所提取的信息中贡献最大的。此外，理化因子第二典型变量W2与X5的相关性最高。

由此可见，从第1对典型变量(V1，W1)来看，新疆巴尔鲁克山自然保护区植物群落物种多样性的第1个典型变量V1，后续研究发现其决定性因素为Pielou均匀度指数(X6)，而有机质(Y2)则决定了土壤理化性质的第1个典型变量W1，呈现出最高的相关性，而X6和Y2呈线性负相关，Pielou均匀度指数(X5)决定了植物群落物种多样性的第2个典型变量V2，对应的pH(Y4)则决定了土壤理化性质的第2个典型变量W2，呈现出最高的相关性。

综上所述，pH与植物群落均匀度、土壤有机质含量的相关关系最大，此外其他理化性质与多样性指标的相关性较低。

3结论与讨论

新疆巴尔鲁克山自然保护区多年平均降水量仅为147 mm，属于干旱和极干旱地区，年降水量不足全国平均降水量的1/4，加之蒸散较为强烈，使得此地区的许多植物生长发育无法得到所需要的水分，唯有极端干旱的荒漠植物生存更为容易，所以此地区的植被景观往往以荒漠地区景观最具有代表性，荒漠植物群落大多为寡种群落且盖度均较低，使得其多样性具有较强的一致性，多样性综合指数相差不大[7]。

新疆巴尔鲁克山的野生植物共有988种，隶属71科。这些植物大部分均含有多种经济用途，例如野生植物方面，蜜源植物有244种(属)、药用植物292种、油料植物135种、绿化观赏植物143种、防风固沙植物48种等。饲用植物、蜜源植物及中药用植储量大，且种类丰富，独具特色，形成此地区的独有风景，而当前此地的土地退化情况严重，水土流失及沙漠化现象严重，巴尔鲁克山自然保护区出现大面积的土地退化现象，更表现为pH普遍偏高、土壤有机质缺乏，此种环境下势必会对地区植物物种多样性造成极大的影响。这也表明该地区植物分布稀疏的主要原因是高盐碱及有机质缺乏、干旱少雨。因此，在该地区生态环境的改良方面，应当注重从提高土壤肥力、降低盐碱方面入手，促使新疆巴尔鲁克山自然保护区的可持续发展，使其起到保护动植物的作用[8]。

参考文献

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[3] 塔吉古丽·艾麦提，努尔巴依·阿布都沙力克，努热曼古丽·图尔孙.新疆巴尔鲁克山自然保护区森林生态系统服务功能价值评估[J].北京联合大学学报(自然科学版)，2014(1)：44-50.

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中图分类号S 759.9

文献标识码A