克拉玛依市玛依湖区不同土壤条件的植被生长状况及影响因子1)

尚白军 郑博文 周智彬 王著峰 王利界

(中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐，830011) (中国科学院大学) (泰州市高港区政府办公室)

植被是陆地生态系统的重要组成部分[1]，在陆地表面能量交换、水分循环和生物地球化学循环过程中起着重要作用[2]。而在生态脆弱的干旱区，植被对生态系统的维持有着重要的作用[3]，因此对干旱区的植被研究对于监测该地区的生态系统和环境变化有着重要意义[4]。而植被指数常作为植被生长状况及覆盖度变化的最佳指示因子，已普遍用来评估植被覆盖及其长势[5]。归一化植被指数(NDVI)的变化不仅可以反映植被覆盖度的增减，也能了解某一地区的生态状况[6-7]，已被广泛应用于陆地生态系统植被生长状况监测以及植被生产力估算、碳源/碳汇估算的研究中[8]。运用植被归一化指数(NDVI)的研究主要有以下几个方面：探究NDVI对气候变化的响应[9]、运用NDVI探究植被覆盖度演化特征[10]、运用NDVI等光谱指数进行生物量估算[11]、利用NDVI探究研究区植被覆盖度的时空动态变化[12-18]、研究区NDVI时空分布特征对水热等环境因子的响应[19-22]、植被指数对城市扩展的响应[23]、利用NDVI探究防护林的防风固沙效应等[24]。虽然已经有很多利用植被指数探究植被生长状况等方面的研究，但是植被指数与土壤理化性质耦合的研究相对较少。玛依湖作为克拉玛依市东部重要的生态屏障，湖区外围植被的生长状况与克拉玛依市的生态安全密切相关。本研究通过分析玛依湖区不同土壤环境下植被生长状况，结合土壤理化性质，拟说明玛依湖区植被生长状况与土壤理化性质之间的关系。这不仅可以了解玛依湖区植被、土壤的基本情况，还能为湖区植被恢复、生态建设、土地开发利用、防护林选种以及林带合理配置提供科学依据和理论支撑。

1 研究区概况

玛依湖区(45°14′～45°35′N，85°7′～85°26′E)位于克拉玛依市东南部、玛纳斯河下游古河道区，东部濒临古尔班通古特沙漠[25]。该区域位于中纬度内陆地区，属于典型的温带大陆性气候。年平均气温为8.6 ℃；1月为最冷月，月平均气温-15.4 ℃，极端低温-40.5 ℃；7月为最热月，月平均气温27.9 ℃，极端高温46.2 ℃。多年平均降水量108.9 mm，年潜在蒸发量高达1 492.0 mm，是同期降水量的13.7倍；全年日照时间2 704.0 h，7月最多，达302.5 h，12月最少，仅99.8 h，无霜期232.3 d，年平均风速为3.2 m·s-1。湖区内梭梭(Haloxylonammodendron)、柽柳(Tamarixchinensis)、西伯利亚白刺(Nitrariasibirica)等荒漠植物生长茂盛，土壤类型以灰漠土、草甸土和沼泽土为主。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

2017年11月，对玛依湖上、中、下3个湖区的土壤进行随机取样，筛选出具有代表性的采样点。利用GPS定位，在选定点挖取土壤剖面，并按照土壤层次的取样原则，土层深度(h)在0

2.2 归一化植被指数的计算

从地理空间数据云下载Landsat 8 OLI_TIRS卫星数字产品2017年的遥感影像，空间分辨率为30 m×30 m，通过图像配准、辐射定标、大气校正等预处理后，用近红外波段反射率和可见光中红波段反射率计算出NDVI值。

(1)

式中：NDVI表示归一化植被指数；NIR表示近红外波段反射率；VIS表示可见光中红波段反射率。

2.3 分形维数

分形维数采用王国梁等[27]推导的土壤颗粒体积分形维数公式计算：

(2)

式中：r表示土壤颗粒半径；V(r

对(2)式的两边同时取对数，可得：

(3)

以式(3)左边的lg[V(r

2.4 土壤盐渍化分级标准

采用黄帅等[28]使用的土壤盐渍化分级标准，见表1。

表1 盐渍化分级标准

2.5 数据分析

利用SPSS 21对数据进行描述性统计分析、正态分布检验、相关性分析、多重比较和主成分分析；在ENVI 5.2中对玛依湖区的遥感影像进行图像配准、辐射定标、大气校正等预处理后，利用波段反射率计算出NDVI值；在Arcgis 10.2中处理研究区DEM数据、计算各土壤类型面积和不同土壤盐渍化占比、对土壤含盐量、NDVI值进行趋势分析。

3 结果与分析

3.1 玛依湖区NDVI与土壤理化性质的基本特征

通过Kolmogorov-Smirnow检验对玛依湖流域的NDVI和有机质、氮、磷、钾、盐分质量分数均值、pH均值、分形维数等土壤属性进行非参数检验，除了磷和盐分质量分数均值外，均大于0.05，表明数据符合正态分布，后对磷均值和盐分均值取对数进行正态转化，得到相应变量磷转换和盐分转换，其P值分别为0.311和0.267，皆大于0.05，因此可认为NDVI和土壤所有属性均服从正态分布，可进行相应分析。从表2可见，pH最小值为8.35，表明整个研究区的土壤均是碱性土，由变异系数可知，玛依湖流域的pH值和分形维数的变异系数是4.32%和5.59%，呈弱变异性，有机质、氮、磷、钾、盐分质量分数均值和NDVI的变异系数分别为50.22%、38.18%、33.22%、56.26%、88.42%和21.83%，呈中等程度变异，正态转化后的磷均值，变异系数为100.06%，属于强变异，正态转换后的盐分均值，变异系数为50.54%，属于中等程度变异。

如果宝宝经常间隔10～20分钟定期哭闹，屈膝收腹，有时还会有呕吐、红果酱样便或鲜血便等现象，应怀疑是否患有肠套叠。要立即就医B超确诊，空气灌肠治疗，充气无效时要进行手术治疗。肠套叠如果不及时治疗有生命危险，应及时发现。

表2 玛依湖区土壤各属性统计特征值

3.2 不同地形条件下土壤属性变化特征

从图1可知，研究区地势平坦，最大坡度为18°，并且绝大部分区域的坡度为0～2°，土壤有机质、氮、磷、钾、pH和分形维数受地形坡度影响很小。阴阳坡植被生长状况差异不显著，可能的原因是，玛依湖位于西北干旱区，植物光照充足，太阳辐射不是植被生长的限制因子。

图1 研究区地形条件

3.3 玛依湖区土壤盐渍化程度

由图2可见，玛依湖区土壤均呈现不同程度的盐渍化，上湖、中湖主要以轻度盐渍化和中度盐渍化为主，下湖基本都属于重度盐渍化，这可能是因为下湖是盐分集聚区，因此土壤含盐量较高。从表3可见，玛依湖流域土壤均呈现不同程度的盐渍化，其中重度盐渍化的占比最大，为37.25%，轻度盐渍化和中度盐渍化的占比相近，分别为30.28%和31.47%。

3.4 玛依湖流域植被生长特征

从研究区NDVI的分布图(图3)可见，越靠近湖区NDVI值越大，植被生长越好；随着与湖区距离的增加，NDVI值逐渐减少；在湖区外围，NDVI值最低。可见，随着与湖区距离的增加，植被长势逐渐变差，这种规律也符合实际情况，干旱区荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，随着与湖区距离的增加，地下水位越来越低，植物可利用的水资源逐渐减少，植被受到干旱胁迫，进而影响植物生长。

表3 玛依湖区土壤盐渍化情况

图2 玛依湖区土壤盐渍化分布

图3 玛依湖流域植物NDVI分布

3.5 不同土壤条件下植被生长状况

从表4可见，玛依湖区土壤类型有盐土、灰漠土、沼泽土、草甸土、风沙土和灰棕漠土6类，其种灰漠土分布最广，占总面积的33.49%，主要分布在上湖和下湖，其次是草甸土，占总面积的21.17%，主要分布在中湖，沼泽土、盐土、灰棕漠土和风沙土面积较少，分别为8.45%、2.74%、7.64%和2.96%，在上、中、下湖均有零星分布。

表4 玛依湖区各土壤类型面积

为了准确说明土壤类型对植被生长状况的影响，分别对玛依湖流域的土壤类型与NDVI、土壤盐渍化程度与NDVI做了单因素方差分析，结果显示：沼泽土的NDVI值最大，植被生长最好，风沙土的NDVI值最小，植被受到较强的抑制性，而风沙土、盐土和灰漠土的NDVI的值无显著差异，沼泽土和风沙土、盐土存在显著差异，与草甸土、灰漠土之间差异不显著；轻度盐渍化土壤中的NDVI值最大，植被生长较好，中度盐渍化土壤的NDVI值最低；轻度盐渍化、中度盐渍化和重盐渍化的NDVI值差异不显著。

为了探讨土壤理化性质与植被生长状况之间的关系，对土壤理化性质和NDVI值之间进行了Pearson相关分析(表5)。

表5 NDVI和土壤各属性间的相关性

从表5可见，NDVI值与有机质、盐分、pH成负相关，与全氮、全磷、全钾和分形维数成正相关，但是NDVI值与土壤理化性质之间的相关性都比较弱，与pH的相关性比其他属性的高，可能的原因是研究区位于西北干旱区，自然植被都是耐盐碱的树种，并且限制植被生长的主导因子不是太阳辐射和土壤理化性质，植被的生长状况可能更多的受制于水分条件。在相关性分析的基础上，为了准确说明影响湖区植被生长的因素，对NDVI和有机质、全氮、全磷、全钾、盐分、pH和分形维数进行主成分分析。将上述所有变量进行标准化，然后根据特征值大于1的原则，提取出2个主成分，特征值分别为2.361和1.323，主成分累计解释52.64%的数据变异。主成分1可解释全磷、全氮、pH、全钾和有机质，对应的因子载荷分别为0.828、0.682、-0.623、0.609和0.581，主成分2可解释分形维数和盐分，对应因子载荷分别为0.794和0.590，将上述各因子载荷除以特征值的平方根，即可得到主成分载荷，详见表6。

表6 主成分载荷

根据主成分载荷构建主成分Y1和Y2的表达式：

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为全磷；X2为全氮；X3为pH；X4为全钾；X5为有机质；X6为分形维数；X7为盐分。

计算出的主成分Y1和Y2与标准化的NDVI值进行回归分析(图4)，结果表明：研究区NDVI值与主成分1、2均成正相关，与主成分Y1的相关性为0.219，与主成分Y2的相关性为0.091，即玛依湖植被生长状况受全磷、全氮、pH、全钾和有机质的影响更大一些，受分形维数和盐分的影响较小。

图4 NDVI与主成分Y1、Y2回归关系

4 讨论

本研究用植被指数(NDVI)和土壤理化性质之间的关系，探究了湖区外围植被在不同土壤环境下的生长状况。本研究区地势平坦，大部分区域坡度为0～2°，植被在不同坡度下的生长状况无显著差异，并且由于地势平坦，使得阴坡、阳坡受到的太阳辐射无显著差异，植被生长受阴阳坡的影响较小。雷斯越等[29]研究了不同坡位植被生长状况和土壤养分空间分布之间的关系，发现植被生长状况与土壤养分在不同地形上变化趋势基本一致，具有一定的相关性。本研究区属于典型的内陆干旱区，植被生长状况与土壤有机质、全氮、全钾、全磷、分型维数的相关性较弱，但是与土壤pH的相关性较高，并且研究区土壤全部属于碱性土，可能在长期的自然选择下，现存活的植被已经适应了碱性土壤环境。马祥华等[30]研究了黄土丘陵沟壑区退耕地土壤养分因子对植被恢复的贡献，研究表明土壤有机质、有效氮、全磷和速效磷对植被恢复的贡献较大，是限制该地区植被恢复的主导因子；刘勇等[31]研究表明黄土高原植被演替过程中植被与土壤养分、水分之间关系密切，玛依湖区多年平均降水量108.9 mm，年潜在蒸发量高达1 492.0 mm，是同期降水量的13.7倍，研究区植被主要依靠地下水补给，并且随着与湖区距离的增加，地下水位逐渐降低，植物可利用的水资源越来越少，植被受到干旱胁迫。此外，笔者在主成分分析中发现，提取出的2个主成分累计解释52.64%的数据变异，说明研究区植被生长还受其他因素的影响，并且这些因素能够解释47.36%的数据变异。已有关于玛依湖区的研究相对较少，并且地下水位的变化也无详实记录，因此本研究未定量分析地下水位对研究区植被生长的影响，只能将地下水位的变化与距湖区的距离联系起来定性分析地下水位对植被生长的影响，未能充分反映出地下水位的变化与玛依湖区植被生长之间的关系。

本研究分析了玛依湖区植被在不同土壤环境下的生长状况，揭示了影响干旱区植被生长的主导因子不是光照、土壤有机质、分形维数、土壤养分(全氮、全磷、全钾)和pH。植被的生长受诸多因素影响，光合有效辐射、氮限制、磷限制、地形条件、CO2摩尔分数都会对植被生理特征产生影响，但是在干旱少雨的西北内陆区，植被的生长可能更多的受制于水分条件(地下水位)，在未来的研究中应该将水分条件和土壤理化性质结合起来，探究不同水分条件、不同土壤环境的耦合对植被生长的影响，全面、合理地揭示影响玛依湖区植被生长状况的因素，为研究区生态环境的保护提供理论支撑。

5 结论

玛依湖区土壤均呈现不同程度的盐渍化，其中重度盐渍化占37.25%，轻度盐渍化和中度盐渍化的占比相近，分别为30.28%和31.47%，轻度盐渍化土壤中植被NDVI值最大，植被生长较好，重度盐渍化次之，中度盐渍化土壤中植被NDVI最小，植被生长受到抑制。

玛依湖区土壤以灰漠土为主，占了总面积的33.49%，主要分布在上湖和下湖，其次是草甸土，占了总面积的21.17%，主要分布在中湖，其他类型的土壤占比较少，在上、中、下湖均有零星分布。不同土壤类型植被的生长状况差异明显，沼泽土的NDVI值最大，植被生长最好，风沙土的NDVI值最小，植被受到较强的抑制。

越靠近湖区NDVI值越大，植被生长越好，随着与湖区距离的增加，NDVI值逐渐减少，在湖区外围，NDVI值最低，这种植被生长规律也符合实际情况，干旱区荒漠植被的主要限制因子是土壤水分，随着与湖区距离的增加，地下水位越来减低，植物可利用的水资源逐渐减少，植被受到干旱胁迫，进而影响植物生长。

玛依湖区阴坡和阳坡植被的生长状况差异不显著，植被生长状况受全磷、全氮、全钾、有机质质量分数和pH的影响更大一些，受分形维数和盐分的影响较小。此外，植被与pH相关性较高，与土壤其他属性间的相关性较低，可能的原因是，研究区位于西北干旱区，自然植被大多是耐盐碱的树种，植被的生长状况可能更多的受制于水分因子。