（土壤学专业论文）流沙河流域植被与土壤对生态恢复的响应研究.pdf

摘要 根据四川汉源县流沙河流域2 0 0 5 年6 3 个生态恢复样方植物群落特征指标的调查 采集以及土壤样品的化验分析数据，采用多元统计方法对流沙河流域生态恢复样方的 生态恢复进行评价，基于生态恢复程度划分的结果，采用常规统计分析方法研究了流 沙河流域不同恢复程度下植被与土壤的响应特征，并探讨影响研究区生态恢复的敏感 因子。研究结果分述如下。 采用相关分析法并结合专业知识将植被和土壤性质两方面的1 3 个初选指标进行 信息提取，对样地的生态恢复程度进行划分( 由于在现有的研究中，没有对生态恢复 程度的定量划分和明确的恢复程度的界定，根据流沙河流域生态恢复的实际情况，本 文将生态恢复的程度划分为由低到高的“i 级、i l 级、i i i 级、级4 个生态恢复程 度等级。) 。 经相关分析后，确定了生物量、物种多样性、夹砾量、团聚度、有机质、速效 磷等6 个指标作为恢复类型的初步划分指标，划分结果因受“物种多样性”指标的影 响较大，与野外调查的实际情况差距较大。 在恢复类型的正式划分过程中，采用因子分析方法提取出5 个公共因子作为对 流域各样地生态恢复程度进行划分的评价因子，将流域内的6 3 个样地的生态恢复程 度分成了4 级，即i 级为2 4 个样地、i i 级为1 5 个样地、i i i 级为1 6 个样地、级为 8 个样地。 随着生态恢复程度的提高，样地的群落垂直结构逐渐形成并趋于稳定；植物群落 数量特征、多样性以及丰富度呈显著或极显著增加的趋势： 流域恢复与重建区不同生态恢复程度下的6 3 个调查样方中，植物共计3 6 科 7 6 属8 7 种，以蔷薇科、禾本科、马桑科、菊科、松科、毛茛科等6 科为主。其中， i 级恢复程度的2 4 个样地共有植物1 7 科3 6 属3 6 种，i i 级恢复程度的15 个样地中 有植物2 2 科3 8 属3 9 种，i i i 级恢复程度的1 6 个样地中共分布有15 科3 1 属31 种， 级恢复程度中的8 个样地中的物种数为l7 科2 8 属3 1 种。 l 级恢复程度下的生物量平均为2 2 5 2 th m ，i i 级恢复程度下的生物量平均是 7 4 0 5th m ，i i i 级恢复程度下的生物星平均为5 6 5 2 th m ，i v 级恢复程度下的生物 量平均为2 0 1 1 6th m 之。方差分析的结果表明，生物量、盖度两个植被指标随恢复程 度的提高而增大的趋势，且当生态恢复到一定程度后，样地生物量水平急剧提高。 这说明样地生物量、盖度指标是判定流域生态恢复程度的两个重要指标。 在流沙河流域生态恢复过程中，样地土壤质量得到逐步提高： 随恢复程度的提高，样地内的有效土层厚度、土壤团聚度大小的变化不明显； 样地土壤夹砾量大小、容重值则表现出了很明显的随生态恢复程度提高而降低 的变化趋势； 土壤有机质、速效钾、全钾、速效磷、全磷5 个指标中，除有机质随样地恢复 程度的变化明显外，其余4 个指标无明显的变化趋势。方差分析的结果表明，级恢 复程度下的土壤有机质含量与其他3 个恢复程度下的有机质含量大小的差异达到了 极显著性水平f = 9 5 6 料p 5 m m 水稳性团聚体和 0 0 1 m m 微团粒的数量显著地增加。植被恢复过程中有机 碳促进了土壤团聚体的形成，并提高其稳定性( 彭新华等，2 0 0 3 ；彭文英等，2 0 0 5 ) ， 坡耕地退耕后，遭侵蚀破坏的土体构型渐趋恢复，土壤容重、p h 值减小，毛管孔 隙度、饱和含水量等增大；且植被恢复能在一定程度上，提高团聚体含量，提高土 壤的渗透性及增强土壤抗蚀、抗冲能力等方面有明显作用( 王国梁等，2 0 0 3 ) 。 1 2 3 3 土壤容重 经生态恢复后，土壤容重在人工植被建立的时间梯度上降低( 吴彦等，2 0 0 1 ； 彭补拙等，2 0 0 3 ；苏永中等，2 0 0 4 ；杨晓晖等，2 0 0 5 ；c r a i g 等，2 0 0 5 ) 。安韶山等 ( 2 0 0 5 ) 针对不同生态恢复措施对土壤肥力质量的影响进行了研究，结果表明：土 壤p h 和容重降低。但，彭文英等( 2 0 0 5 ) 通过对黄土坡耕地退耕还林后土壤性质变 化研究的结果表明，坡耕地退耕后，遭侵蚀破坏的土体构型渐趋恢复，土壤容重、 p h 值减小，毛管孔隙度、饱和含水量等增大。b r y e 等( 2 0 0 3 ) 的研究指出，在良好 的质地情况下，土壤容重与恢复年限无关。李恩香等( 2 0 0 4 ) 的研究指出，植被的 正向演替可改善土壤a 层的理化性状，降低容重、增加孔隙度、含水量；而b 层理 化性状在演替初期得到改善，后期( 乔林期) 却明显下降，容重增加。c o r s t a n j e 等 ( 2 0 0 6 ) 对佛罗里达州湿地恢复区类的土壤进行了研究，选取的土样为0 1 0 c m 、 1 0 2 0 c m ，分析了土壤性质的变化，其中容重的变化最大。 1 2 3 4 土壤水分 大量的恢复与重建试验表明( s h e l l y 等，1 9 9 8 ；吴彦等，2 0 0 1 ；王风玉等，2 0 0 3 ； 韩维栋等，2 0 0 3 ；李文龙等，2 0 0 4 ；苏永中等，2 0 0 4 ：赵晓飞等，2 0 0 4 ；g r e e r 等， 2 0 0 6 ；t h e r e s a 等，2 0 0 6 ) ：土壤物理性质有所改善，土壤持水量和土壤孔隙度均有 所提高。张远东等( 2 0 0 4 ) 、焦菊英等( 2 0 0 5 ) 、杜峰等( 2 0 0 5 ) 的研究均得出，最 大持水量随林龄增大而棚应增加。王国梁等( 2 0 0 2 ) 以纸坊沟流域为研究对象，研 究了植被恢复后不同植被对土壤水分的影响情况，得出如下结论：草地土壤水分含 6 量大于灌木林地，灌木林地土壤水分含量大于乔木林地；土壤干化程度和植被种类 直接相关。水分是植物生长的关键因素，也是生态脆弱区的限制因素( j u a n 等，2 0 0 4 ； r e z a 等，2 0 0 6 ) ，如：何其华等( 2 0 0 3 ) 指出水分是干旱半干旱区山地植物生长的 主要限制因子；张文辉等( 2 0 0 4 ) 研究得出，影响狼牙刺群落恢复和种群生长的环 境因素主要是水分因子；同时，水分也是接坝农牧交错区植被恢复的主导因子( 冯 伟等，2 0 0 6 ) 。李宗峰等( 2 0 0 5 ) 在岷江上游退化植被不同恢复阶段群落小气候特 征研究中指出，随着恢复时间的增加，撂荒地各层的土壤含水量有所提高，人工恢 复群落土壤上层( 0 。1 5 c m ) 和中层( 1 5 - 3 0 c m ) 含水量随林龄增加而降低，而下层 f 3 0 4 5 c m ) n 增加，自然恢复群落的土壤含水量高于其它群落。 1 2 3 5 土壤有机质 在生态恢复过程中，土壤有机质含量大多呈逐渐增加的趋势( j o r b a 等，2 0 0 0 ； 吴彦等，2 0 0 1 ；周厚诚等，2 0 0 1 ；王国梁等，2 0 0 2 ；彭补拙等，2 0 0 3 ；刘国彬等， 2 0 0 3 ；巩杰等，2 0 0 4 ；肖辉杰，2 0 0 5 ；郝云庆等，2 0 0 6 ；杨建国等，2 0 0 6 ；p e n n o c k ， 2 0 0 5 ；t e j a d a 等，2 0 0 6 ) 。王兵等( 2 0 0 6 ) 植被能明显提高煤矸石山废弃地不同土层 的有机质。冯伟等( 2 0 0 6 ) 对沙地植被恢复进程中植物与土壤相互作用过程进行了 观测分析，土壤有机质随物种多样性的增加而有所改善。安韶山等( 2 0 0 5 ) 的研究 指出，宁南宽谷丘陵区固原试区经过2 0 多年的综合治理与生态恢复重建，天然草地 和灌木林地有机质含量明显高于农地和果园。涂成龙等( 2 0 0 4 ) 在对黔中石漠化地 区生态恢复过程中土壤养分变异特征中指出，恢复过程中土壤有机质累积量较多， 并以无明显石漠化地区土壤含量最高，中度石漠化地区土壤含量最低。彭文英等 ( 2 0 0 5 ) 对黄土坡耕地退耕还林后土壤性质变化研究的结果表明，随恢复时间的增 加，土壤结构不断得到改善，土壤有机质、全碳、全氮以及主要离子含量呈明显增 加趋势，土壤速效养分增加更明显。土壤有机质在植被恢复5 年以上开始明显增加。 1 2 3 6 土壤磷素 王兵等( 2 0 0 6 ) 研究得出，植被能明显提高煤矸石山废弃地不同土层的p 2 0 5 含 量。吴彦等( 2 0 0 1 ) 、周厚诚等( 2 0 0 1 ) 、焦菊英等( 2 0 0 5 ) 、r h o a d e s 等( 2 0 0 5 ) 、 刘瑞禄等( 2 0 0 5 ) 、安韶山等( 2 0 0 6 ) 、郝云庆等( 2 0 0 6 ) 、w h i t e 等( 2 0 0 6 ) 的研究 中均指出，在植被恢复过程中，速效磷含量逐渐增加。肖辉杰( 2 0 0 5 ) 的研究指出， 与恢复前相比土壤中有机质、碱解氮、速效钾含量显著增加，p h 值和速效磷含量降 低。侯扶江等( 2 0 0 2 ) 在黄土高原退耕地的生态恢复研究中得出，退耕地恢复过程 7 中土壤全p ，速效p a n 有机c 持续衰竭。涂成龙等( 2 0 0 4 ) 在对黔中石漠化地区生态 恢复过程中土壤养分变异特征中指出，恢复过程中，土壤全磷由于受到土壤母质条 件的影响，其变异较土壤有机质和氮素趋于平缓。土壤有效磷含量水平处于极低状 态。王国梁等( 2 0 0 2 ) 研究了黄土丘陵区纸坊沟流域植被恢复的土壤养分效应，指 出在植被作用下，土壤表层全磷、速效磷含量明显升高，但不同植被对土壤养分的 影响不同。 1 2 3 7 土壤钾素 吴彦等( 2 0 0 1 ) 的研究结果表明，土壤k 2 0 含量随草本层物种多样性的增加 而减少。周厚诚等( 2 0 0 1 ) 指出在南澳岛植被恢复过程中，交换性k 含量逐渐增加。 王兵等( 2 0 0 6 ) 指出，尽管在植被恢复后，煤矸石山废弃地土壤质量有所提高，但 是只有保水剂可引起土壤全k 含量的明显升高。安韶山等( 2 0 0 5 ) 的研究指出，宁 南宽谷丘陵区固原试区经过2 0 多年的综合治理与生态恢复重建，天然草地和灌木 林地速效钾等养分含量明显高于农地和果园。肖辉杰( 2 0 0 5 ) 的研究指出，与恢复 前相比土壤速效钾含量显著增加。高雷等( 2 0 0 3 ) 西双版纳热带雨林下砂仁拔除后 的生态恢复研究中指出，深层土壤有机质的含量增加显著，速效磷含量需要更长时 间的植被恢复才能有所提高，速效钾受淋洗作用的影响，地表有大量损失。涂成龙 等( 2 0 0 4 ) 在对黔中石漠化地区生态恢复过程中土壤养分变异特征中指出，土壤全 钾由于受到土壤母质条件的影响，其变异较土壤有机质和氮素趋于平缓，土壤钾含 量水平较高。k r i s t o f o r 等( 2 0 0 6 ) 对密西西比河岸带的恢复研究得出，在恢复后土 壤表层1 0 c m 中的交换性k 、c a 、m g 含量增大。 1 3 研究目标、研究内容和技术路线 1 3 1 研究目标 本研究将从生态恢复学的角度出发，探讨植被与土壤因子对干旱河谷生态恢复 的响应情况，定量分析不同。队复程度下的植被群落和土壤养分差异状况，找到该区 生态恢复的敏感因子，为流沙河干旱河谷生态恢复建设提供一定的参考。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 生态恢复样地， 三态恢复程度的定量划分； ( 2 ) 分析植物群落对区域生态恢复的响应； 8 ( 3 ) 分析土壤对区域生态恢复的响应。 1 3 3 技术路线 本研究技术路线作如下设计，首先收集研究区相关资料，包括区域退耕还林规 划图、土地利用现状图、1 9 8 2 年的土壤普查资料以及区域社会经济条件资料；然后 根据研究目的和资料大概拟定采样区域和确定采样点位置，为在野外采集土样做好 准备；野外采样时根据退耕还林年限( 2 0 、1 5 、1 0 、5 、3 年) 、林地实际的生长状 况等实际情况作适当调整，用g p s 精确定位每一个采样点，野外工作包括样地植物 样方调查和土壤样品采集两方面的工作；室内准确鉴定植物标本，统计科、属、种 及其组成，化验分析土壤样品性质，建立样地植被和土壤性质数据库，为进一步分 析奠定基础：在上述工作的基础上，将聚类分析、判别分析和方差分析结合对各生 态恢复样地的生态恢复程度进行划分；运用因子分析、方差分析等定量分析方法， 分析样地植被与土壤对生态恢复的响应情况，确定该区生态恢复的敏感因子。 l 区域退耢还4 一- - l一 按退耕还林年限殴点 区 设 域 土地利用现状图 置 资 林 - - 料 地 收 集 1 9 8 2 年土壤普查资料样 方 - - 4 区域社会经济条件资料 i - - - - 4 按林地实际的生长状况 准备工作 图l 研究技术路线框图 f i g 1g l o b a lf r a m e w o r kf o rt h er e s e a r c h 9 2 研究区域概况与试验方案 2 1 研究区域概况 2 1 1 区域自然条件 流沙河流域位1 雅安市汉源县，地理位置为东经】0 2 。2 0 4 06 “1 0 2 。3 8 。0 31 ”，北 纬2 9 。2 4 0 10 ”2 9 。3 9 155 ”，全长7 10 0 k i n ，流域面积6 5 02 2k m 2 。该流域地处川两 南亚热带气候区，气候垂直变化显著，f 湿鼠殊，年均温1 79 ， 1 0 c 的活动秘温 为5 8 4 47 ，无霜期3 0 0 无，年均1 1 照 时数1 4 7 79 小时，年均降粥量5 3 9o 9 7 6 l m m ， 年蕉发嚣1 4 9 91 m m ，干燥度为12 9 ，属r 媳型的干旱河符( 石承苍等，2 0 0 1 ) ，并 恢女3 年 恢复5 年 饿复1 5 年 目21 流沙m m 域岳蚀复情m f i g2ls t a t e j u s t i o bo f e c o l o g yr e s q ia t i o ni nl i o s h ab a s i n 有向川西南干热河谷气候过渡的特色。研究区主要位于干旱河谷的河谷地带以及低中 山地区，从源头延伸至下游，涵盖了整个流沙河流域。流域内源头地区有定量的云 南松和华山松飞播林，而干旱河谷植被类型则主要是以中生性耐旱植物为主，植物种 类大多具有多刺、多毛、多汁、叶小以及肉质等特征，以适应干旱环境。研究区土壤 类型以石灰岩土、水稻土、黄棕壤以及紫色土为主。 该区由于其独特的气候条件，光、热条件优越，高海拔地区原生植被覆盖较好。 但森林过度采伐、毁林开荒以及陡坡垦殖等人为干扰的影响，流域内水土流失严重、 生态环境破碎化和生物多样性的降低，由此带来严重的生态系统退化问题，使其成 为了川西南典型的生态环境脆弱区之一。 2 。1 2 区域生态恢复工程建设 从2 0 世纪8 0 年代初开始，流沙河流域便开展了天然林保护工程和退耕还林工 程的试点建设以及农村产业结构调整工作，栽种了华山松、云南松等水保植物，并 大量种植了金花梨、樱桃等经济林木。至2 0 0 1 年底，流域林业用地面积3 8 3 1 9 8 公 顷，占总面积的5 9 。林业用地中有林地1 5 1 5 8 7 公顷( 其中：木材林1 1 8 5 2 公顷， 经济林3 3 0 6 7 公顷) ，疏林地2 6 2 2 公顷，灌木林地1 5 3 8 4 7 公顷，未成林造林地 9 9 6 6 公顷，无林地6 5 1 7 7 公顷。全县活立木总蓄积9 1 8 8 8 9 3 立方米，其中木材林 有林地总蓄积8 9 3 6 4 3 4 立方米，蔬林地3 9 4 8 9 立方米，散生木3 0 1 3 2 9 立方米，四 旁树4 8 6 8 5 9 立方米。森林覆盖率5 1 1 。2 0 0 4 年，流域完成成片造林3 6 7 公顷， 退耕还林补植4 8 万株。其中，飞播造林6 6 4 公顷，人工植苗造林5 4 4 公顷。干热 河谷地带实验点播乌桕、青香木、j i i 楝、油桐多种经济植物，面积达2 0 0 0 余亩。 通过两大工程实施，流域森林生态屏障基本形成，野生动物种群数量增加，林木资 源生长量远大于消耗量，水土流失得到基本控制，山体滑坡、洪涝干旱等自然灾害 减少，区域生态状况明显改善。需要特别指出的是流沙河流域干旱河谷区退化严重 地段的生态环境质量得到了明显的提高。 2 2 试验方案 2 2 1 区域资料的收集 ( 1 ) 图件资料。雅安汉源县流沙河流域的地形图、地质图、土壤图、行政区 划图、土地利用现状图等； ( 2 ) 其它资料。雅安汉源县流沙涮流域的气象资料、土壤普查资料、退耕还 林资料和社会经济资料等。 2 2 2 样品的采集 2 2 2 1 样方设置 在收集区域退耕还林规划图和相关资料的基础上，通过大量走访和实地调查， 在野外按林退耕还林的年限和林地实际的生长状况，在流域上游宜东至三交段、中 游九襄至富庄段、下游富林至唐家三段的生态恢复区设置恢复样方共计6 3 个。样 方的设置采用标准样方法，乔木样方1 0 m x1 0 m ，灌木样方5 m 5 m ，草本样方l m xl m ，样地的选取一典型取样一即按主观要求选择样地。在乔木样方内，逐株记录 乔木树种的名称、胸径、树高、郁闭度等；在灌木样方内，记录灌木物种的名称、 高度、盖度、生物量等；在草本样方中记录物种名、株高、盖度以及生物量。并对 样方进行g p s 定位，同时记录样方地理位置及其周围环境的地形因子、成土母质、 土壤类型。 2 2 2 2 植物样的采集与鉴定 ( 1 ) 植物鉴定。在室内准确鉴定植物标本，统计科、属、种及其组成。植物 鉴定及命名参见参考中国植物高等图鉴( 中国科学院植物研究所，1 9 7 2 - - - 1 9 7 6 ) 。 ( 2 ) 盖度的测定。盖度采用目测法测定，以百分率表示。 ( 3 ) 地上生物量估算。在样方内进行每木检尺，实测每株乔木的胸径以及树 高并计算出平均胸径和树高，确定平均木，通过二元材积表( 王定江等，2 0 0 4 ) 查 得材积，再根据h a m e 等( 1 9 9 7 ) 的计算公式求得平均木地上生物量，最后通过平 均木地上生物量以及密度推算出单位面积内乔木层地上生物量；灌革的生物量采用 收获法，在接近地表处将样方内灌草植物地上部分全部收割，称重记录其鲜重，然 后带回实验室烘干( 8 0 。c ，2 4 h ) 至恒重，称量记录样品的干重，根据样品含水率 计算生物量。地上生物量由乔木、灌木以及草本的生物量之和构成。本研究涉及的 生物量均为地上部分生物量，在文中其他地方简称生物量。 ( 4 ) 群落数量特征的确定。植物群落数量特征是植物群落的最重要最基本特 征之一，是群落结构彤成及植物资源开发利用的基础( 张金屯，2 0 0 4 ) 。本研究涉 及的主要植物群落数量特征是生物量、物种多样性、盖度和频度，物种多样性为样 方内出现物种种类的总和。本研究的相关计算公式如下： ( 1 ) 乔木地上生物量 1 2 乔木地上生物量( k gh m 之) = 5 7 6 ( k gr n 3 ) x 材积量( m 3h m 一2 ) ( 2 1 ) ( 2 ) 频度 频度( ) = 某一种出现的样方数目全部样方数目x 1 0 0 ( 2 2 ) 2 2 2 3 土壤样品的采集 每个植物样方内的土壤样品为三重复随机采样，设置典型剖面，并运用g p s 进行定位，共采取土壤样品6 3 个。 2 2 3 化验分析方法 仅对土壤样品的表土进行分析，分析方法采用常规化学实验法。土壤p h 采用 电极法测定，土壤有机质采用重铬酸钾容量法一外加热法，土壤全氮的测定采用半 微量开氏法，全磷和全钾的测定采用n a o h 熔融一钼锑抗比色法，速效磷的用 0 0 2 5 m o ll j h c l 珈0 3 m o ll n h 4 f 浸提一钼锑抗比色法测定；速效钾的测定采用 1 m o ll 。1 n h 4 a c 浸提一火焰光度法；颗粒组成、团聚体采用比重计法，水分采用烘 干法，田间持水量采用室内测定法( 威尔科克斯法) ，土壤容重采用环刀法进行测 定。 2 2 4 定量分析方法 采用s p s s l3 0 、m a t l a b 7 0 统计软件对数据进行分析处理。生态恢复程度评 价指标的筛选与生态恢复评价涉及的方法主要有相关分析、因子分析、聚类分析以 及判别分析。运用单因素方差分析( o n e w a ya n o v a ) 对植被与土壤因子对生态 恢复的响应进行比较分析，如存在显著差异则采用邓肯氏新复极差法( s s r ) 对具 体比较对象之间的差异作进步检验。 ( 1 ) 相关分析法 统计学中，相关分析是以分析变量问的线性关系为主，是研究它们之间线性相 关密切程度的一种统计方法。衡量事物之间，或称变量之间线性相关程度的强弱并 用适当的统计指标表示出来，这个过程就是相关分析。为了筛选出能代表样地恢复 情况的指标，同时也降低后续分析的复杂性，本研究中采用了二元定距变量的相关 分析了来进行因子的筛选，将与其他因子存在显著相关的因子剔除。 二元定距变黾的相关分析是指通过计算定居变量间两两相关的系数，对两个 或两个以上定距变量之间两两相关的程度进行分析。定距变量又称为间隔( i n t e r v a l ) 1 3 变量，它的取值之间可以比较大小，可以用加减法计算出差异的大小。p e a r s o n 简 单相关系数用来衡量定距变量间的线性关系，p e a r s o n 系数通常用r 表示。如果对 变量x 和y 进行观测，得到一组数据：，m ( k1 , 2 ，疗) ，x 和j ，之间相关系数的 公式为： r 矽：_ 亍至兰至；墅磐其中二，多分别为t ，只o = l ，2 ，刀) 的算术 、( 工，一石) 2 y ，一y ) 2 平均值。l r 掣1 1 。0 r 叫 1 ，称y 与x 正相关；一1 r 妙 o 0 5m m 微 团聚体占土壤相应粒级的百分含量表示土壤抗蚀性强弱，其值愈大，抗蚀性愈强。 分散系数表示土壤易蚀性指标，其值愈大，抗蚀性愈弱。以微团聚体分析中低于0 0 0 1 m l n 粒级的含量与机械组成分析中相应粒级含量的比值表示土壤的分散性，愈易分 1 9 散的土壤在微团聚体分析中小于该粒级颗粒含量愈高，分散系数愈大( 王忠林等， 2 0 0 0 ) 。 在生态恢复过程中，土壤有机质含量大多呈逐渐增加的趋势( j o r b a 等，2 0 0 0 ； 周厚诚等，2 0 0 1 ；王国梁等，2 0 0 2 ；刘国彬等，2 0 0 3 ；巩杰等，2 0 0 4 ；p e n n o c k ， 2 0 0 5 ；郝云庆等，2 0 0 6 ；t e j a d a 等，2 0 0 6 ) 。随恢复时间的增加，土壤结构不断得 到改善，土壤有机质、全碳、全氮以及主要离子含量呈明显增加趋势，土壤速效养 分增加更明显。土壤有机质在植被恢复5 年以上开始明显增加( 彭文英等，2 0 0 5 ) 。 土壤中的磷主要来源于成土矿物、有机质和施用的含磷肥料。成上矿物是土壤磷的 主要来源。土壤中全磷的含量只能反应磷素的潜在供应水平，土壤中的各种含磷化 合物对当季作物是否有效要看它们在土壤中的形态和转化。恢复引起土壤有机质的 增加，土壤全磷含量也随之增加，因此，土壤全磷含量水平仍然是土壤恢复的养分 元素指标之一。 综上所述，本文在参考前人研究的基础上，结合研究区实际情况选取了土层厚 度、夹砾量、土壤容重、土壤团聚度、土壤有机质、土壤全磷等作为土壤性质的恢 复评价指标。 3 1 3 生态恢复评价指标体系的建立 大量的研究表明，评价指标若过于冗长，则会在某些指标间有相互重叠的信息； 但如若采用人为确定的评价指标又难免带有一定的主观随意性。所以上述的1 4 个 植被、土壤评价指标仅作为备选，具体的参评指标则通过相关分析法进行分析筛选， 最终获得的作为生态恢复评价的指标应具有相关性高且相互独立的特点。对参评因 子的相关关系如表3 1 所示。盖度、生物量、有效土层厚度、表层厚度、容重和有 机质等6 个指标与其他指标两两之间存在着显著的相关关系，很多指标还存在极显 著相关关系。其中，植被因子中的物种多样性、盖度和生物量指标与土壤性质中的 土壤有机质均存在显著相关关系；盖度和生物量因子分别与有效土层厚度、表层厚 度、土壤容重等3 个土壤物理性质指标呈极显著相关关系。根据上述分析，结合研 究区实际情况以及前入的研究成果，得到评价流沙河流域生态恢复的评价指标体 系，如图3 1 所示。 2 0 表3 1 评价指标问的相关系数 t a b l e3 1c o r r e l a t i o nm a t r i xo f a s s e s s i n gi n d e x 项目h t e md i v e rc o yb m d e p t h s u r f a c es t o n e a g g r e b u l ks o ma kt ka p t p d i v e rl c o y 3 1 5 ( + ) i b i o 3 3 7 ( + + )6 3 4 ( + + ) 1 d e p t h 02 1 2 6 1 8 ( + )3 7 7 ( + ) 1 s u r f a c e 0 0 5 2 6 3 0 ( ”)4 5 6 ( ”)8 0 6 ( ”) 1 s t o n e0 1 3 7 3 7 1 ( + + ) 0 i1 43 0 4 ( + )2 9 3 ( + ) 1 a g g r e 0 1 8 70 2 1 4o 2 1 30 10 2 0 3 4 4 7 ( ”1 1 b u l k0 1 6 6 4 7 8 ( + + )5 7 2 ( + + )4 7 8 ( + + )4 6 3 ( + + ) 0 2 3 8 0 1 2 7i s o m2 6 9 ( + )4 8 7 ( ”)5 3 6 ( ”)4 7 2 ( ”)4 1 3 ( ”) 0 ，1 6 8 0 1 5 6 4 7 6 ( ”)1 a k0 0 9 2 3 1 2 ( + ) o 1 7 1o 2 1 2 2 6 2 ( + ) 02 1 42 6 3 ( + ) o 0 4 1 4 8 6 ( + + ) 1 t k0 0 7 80 0 1 2- 0 1 8 12 5 7 ( + ) 0 ，0 5 50 0 8 90 0 7 1- 0 1 9 l- 0 1 4 5- 0 0 7 2l a p0 0 7 40 2 3 7o 1 0 3 3 5 9 ( + + ) 2 9 8 ( + ) 3 0 9 ( + ) 0 0 3 7 0 0 9 50 2 0 3 0 1 9 200 1 41 t p- 0 0 2 70 0 0 80 0 0 1- 0 0 2 1- 0 0 4 1- 01 3 l- 02 0 2 - 0 0 7 5- 0 0 1 201 0 2- 0 0 6 40 2 1 6l d i v e r ：物种多样性；c o y ：盖度：b i o ：生物量：d e p t h ：有效上层厚度；s u r f a c e ：表层厚度；s t o n e ：夹砾量；a g g r e ：团聚度； b u l k ： 容重：s o m ：土壤有机质：a k ：土壤速效钾：t k = 全钾；a p ：速效磷；t p ：全磷“桫为p 4 l 的变化趋势。为此 我们可以将恢复程度与初步分类的结 果进行一一对应，即第1 类为i 级恢复 程度、第4 类为i i 级恢复程度、第2 类 为i i i 级恢复程度、第3 类为级恢复程 度。方差分析的结果表明，参与聚类分 析的各指标在不同类之间的差异性均 达到了极显著性差异水平。其中，第3 类的物种多样性指标与第1 类和第4 类 的差异均达到了极显著性水平；第3 类 样地中的生物量水平与第1 类和第4 类 的差异性也达到了极显著水平；第3 类 中的土壤夹砾量的含量大小水平也同 样与第1 类、第4 类样地内的大小差异 达到的极显著水平( 注：在数据标准化 处理时，为了满足“值越大，程度越高” 的标准，将夹砾量的数据进行了赋值处 理) ；第4 类样地中的土壤团聚度水平 与其他3 类均存在显著性差异；就有机 质和速效磷而言，除了个别样地地外， 样地之间的差异性不是很明显。 为更直观了解分类结果，将初步分 类结果用树状图表示( 图3 2 ) 。判别 结果表明，6 3 个恢复样方被分为i 级、 i i 级、i i i 级、级4 个等级，其中2 8 个i 级恢复程度样方：y 6 、y 8 、y 9 、 m愀嘲m嘲垤|呈啦m眦哪怕m m 啪惭硒m m吼m愀w啪n他m 骢啪啪加觞烈硒钾嬲约够3砑砣驰5沿粥玛砣4”惦沁的钉敝豫w脚呦嘲似|兰啪嘲啪嘲耶嘲眦眦怕嘲啪煳霎；吼燃啪嘲 y l o 、yll 、y1 2 、yl3 、yl6 、y l 7 、yl8 、y1 9 、y 2 l 、y 2 2 、y 2 5 、y 4 0 、y 4 l 、 y 4 2 、y 4 3 、y 4 4 、y 4 6 、y 4 7 、y 51 、y 5 2 、y 5 3 、y 5 4 、y 5 5 、y 5 7 、y 5 8 ；此恢复 程度中的样地与流域内的裸地相比，地面覆盖有少许植物，主要是草本和稀疏的灌 丛，样地中的物种数大多为2 5 种，土壤中的石砾含量在3 5 0 9 k g q - 4 5 0 9 k 9 1 、容重 值平均为1 3 2gc m 一、土壤团聚度仅为3 0 、个别样地中有岩石裸露，样地人工恢 复的年限为1 、3 、5 、1 0 年不等，此类样地在整个流域中属恢复效果较差水平。1 6 个i i 级恢复程度样方：y 3 、y 4 、y 5 、y 2 7 、y 3 l 、y 3 2 、y 3 3 、y 3 4 、y 3 5 、y 3 8 、 y 5 6 、y 5 9 、y 6 0 、y 6 1 、y 6 2 、y 6 3 ；样地中的草本、灌木数量相比i 级恢复程度有 明显增大，物种数增加到了5 种左右，但园地中的物种数变化不大，土壤中的石砾 含量4 6 0 9k g 以上下浮动，容重值平均为1 2 9gc m 一、土壤团聚度仅为2 3 2 7 ，样地 人工恢复的年限为5 、l o 、1 5 、2 0 年不等，土壤的理化性质整体较i 级恢复程度变 化不大。3 个级恢复程度样方：y 7 、y 3 9 、y 4 5 ；样地物种多样性、生物量大小 等指标相比i 级、i i 级恢复程度有较大提高，其中物种数较i i 级恢复程度提高了3 种以上，样地群落的垂直结构基本形成，土壤的表层厚度均大于2 5 c m ，土壤中的 石砾含量平均仅为l o l gk g 一，容重值平均为1 2 8gc m 一、土壤团聚度为3 8 6 5 ，样 地均为园地且人工抚育年均为2 0 年左右，样地的植被、土壤评价指标在流域的恢 复样地中属中上水平。1 6 个级恢复程度样方：y 1 、y 2 、y 1 4 、y 1 5 、y 2 0 、y 2 3 、 y 2 4 、y 2 6 、y 2 8 、y 2 9 、y 3 0 、y 3 6 、y 3 7 、y 4 8 、y 4 9 、y 5 0 ；样地的群落特征接近 自然林的状态，物种数保持在10 种样地，土壤的表层厚度均为2 2 c m ，土壤中的石 砾含量平均为18 4 9k g ，容重值平均为1 18gc m 。3 、土壤团聚度为4 8 6 7 ，土壤结 构良好、肥力水平高，样地中有上世纪8 0 年代飞播林和人工抚育1 5 年左右的樱桃 园，样地植被、土壤质量在所有的生态恢复样地中属最好。 上述样地恢复类型的初步划分结果表明，流沙河流域内的生态恢复程度不能由 单一的年限或者是植被、土壤指标来确定，必须综合考虑年限、植物生长规律和人 为活动对环境的影响这三个方面的因素，采用现有的可量化的指标对样地的恢复程 度进行科学划分。 由于受园地这一特殊的土地利用类型的影响，园地幼年期杂草较多，样地物种 多样性大：园地发育成熟后，人工管理加强，园地内的杂草数减少，物种多样性降 低，有的成熟园地内仪有果树一种作物，使其物种多样性在相同恢复水平卜的相对 较小。在整个流域中，园地生物多样性有随其成熟度的增大而减小的趋势。在初步 2 4 分类的结果中，园地受物种多样性指标的影响较大，园地的生态恢复程度归类大多 不理想。其中表现较为突出的有y 1 1 、y 4 1 、y 4 2 ，y 1 1 中有物种2 种、土壤中的 石砾含量3 9 5 9k g 一、容重值为1 2 0gc m 一、土壤团聚度为3 4 9 7 、恢复的年限为3 年；y 4 1 中有物种2 种、土壤中的石砾含量1 5 7 9k g - 1 、容重值为1 2 1 9c m 、土壤 团聚度为4 5 。2 6 、恢复的年限为1 0 年；y 4 2 中有物种2 种、土壤中的石砾含量 1 4 9 9k g 、容重值为1 2 5gc m 。、土壤团聚度为2 1 7 1 、恢复的年限为8 年；上述 3 个样地除物种多样性一项指标外，其余各项植被、土壤指标均优于i 级甚至是i i 级恢复程度中的样地。另外，被划分在级恢复程度中的y 3 1 、y 3 5 两个人工抚育2 0 年的樱桃园和桃园也存在类似的问题。为了使流沙河流域各生态恢复样地的程度划 分能更加科学合理，我们有必要尝试采用其他的方法，较全面地考虑综合因子的影 响，来进行样地生态恢复程度的划分。 3 4 恢复类型的正式划分 3 4 1 因子的筛选 本研究数据的k m o = 0 7 0 9 ，表明可以进行因子分析。因子分析目的是去掉冗 余信息因子，提取出代表原始信息的公共因子，以提高聚类分析的准确性和科学性。 然后运用聚类分析法对评价指标进行分析，使所分出的类内各样本间差异最小，各 类间的差异最大，对生态恢复样地的恢复程度进行合理划分。 从表3 3 的因子分析结果可以看到，特征值大于1 的有5 个主成分，前5 个主 成分方差累积贡献率达7 2 6 1 5 。其中第一主成分的贡献率为3 4 2 5 8 ，占累积贡 献率的4 7 以上。所以在确定生态恢复程度评价的指标时主要参考第一主成分中各 指标的因子荷载。前5 个主成分提供的信息量分别为3 4 2 6 、4 5 9 3 、5 5 8 6 、 6 5 0 2 以及7 2 6 2 ( 见表3 3 ) 。主成分以因子特征值的大小进行排序，其中第一 主成分与盖度、生物量、有效土层厚度、表层厚度、土壤容重、土壤有机质有较强 的正荷载( 0 5 ) ，这些指标涵盖了植被以及土壤物理化学性质指标，因此可将第 一主成分称为综合因子。第二主成分与土壤夹砾量和团聚度有较强的正荷载( o 5 ) 。 此外，第三主成分与土壤速效钾、速效磷以及全磷有较强的正荷载( o 5 ) ，第四主 成分以物种多样性的荷载最大达o 8 4 0 ，第五主成分与全钾有较强的正荷载( o 8 6 2 ) 。 从上表贡献率来看，样地的生态恢复程度在很大程度上受到植被和土壤物理性质的 影响，土壤化学性质的变化在该流域的生态恢复样地中的变化相对较小，所以后续 2 5 分析中应充分考虑因子之间的分异。 表3 3 主成分( p c a ) 的因子负荷量、特征值及贡献率 a b l e3 3 f a c t o rl o a d i n g , e i g e n v a l u ea n dc u m u l a t i v ep e r c e n t a g eo fp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s 一 _ i _ _ _ l l _ - _ l - _ 一 指标圭壁坌! ! 竺里! ! ! 竺 i n d e x l234 5 物种多样性d i v e r s i t y 0 0 9 8 0 0 6 00 0 6 1 0 8 4 0o 1 6 8 盖度c o v e r 0 6 4 7 0 2 0 80 2 7 8 0 3 6 9o 1 3 2 生物量b i o m a s s 0 6 5 5 0 0 3 50 0 3 7 0 4 9 4- o 18 7 有效土层厚度s o i ld e p t h 0 7 0 4 o 1 0 40 3 3 6o 1 0 1 0 4 7 6 表层厚度s u r f a c ed e p t h 0 7 180 19 9 0 3 3 2- 0 0 13 0 2 7 0 夹砾量s t o n ec o n t e n t 0 2 2 20 7 4 1 0 2 0 1- 0 0 8 4 o 1 5 0 团聚度a g g r e g a t i o nd e g r e e 0 0 4 40 815 0 0 4 90 2 0 5- 0 0 3 7 容重b u l kd e n s i t y 0 9 0 7o 0 5 4o 1 2 4 0 0 3 5- o 1 8 4 有机质s o m o 5 2 1o 1 4 7o 3 2 6 0 4 4 0- o 2 3 6 速效钾a k 0 0 1 6 0 3 9 3o 5 9 8 0 3 0 6- 0 2 6 2 全钾1 k - 0 13 5 o 0 6 8一o 0 3 30 0 8 8 o 8 6 2 速效磷a p o 1 8 5o 1 0 6 0 6 9 6- 0 1 3 4 0 1 6 5 全磷t p - 0 1 0 3 - 0 4 6 40 6 0 8o 0 4 9 o 1 1 0 特征值e i g e n v a l u e 4 7 9 61 6 3 4 1 3 9 01 2 8 31 0 6 3 贡献率o f v a r i a n c e 3 4 2 5 8l1 6 7 49 9 2 5 9 1 6 67 5 9 1 累积贡献率c u m u l a t i v e 3 4 2 5 84 5 9 3 3 5 5 8 5 86 5 0 2 47 2 6 1 5 表3 4公共因子得分矩阵 一 ：! ：兰垒! ! ! ：! 9 2 巴e 竺竺! 呈! 兰! 竺! 竺竺! 坚! ：! ! 竺! 丝! ! ! ! 三 一 _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - l - - l _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ - _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。- - _ l _ _ - _ l _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。一一一一 指标主成分c o m p o n e n t i n d e x 123 45 物种多样性d i v e r s i t ) ， 盖度c o v e r 生物量b i o m a s s 有效土层厚度s o i ld e p t h 表层厚度s u r f a c ed e p t h 夹砾量s t o n ec o n t e n t 团聚度 a g g r e g a t i o n d e g r e e 容重b u l kd e n s i t y 有机质s o m 速效钾a k 全钾t k 速效磷a p 0 0 9 9 0 0 1 0 9 0 0 1 3 1 0 0 1 8 2 0 0 1 9 2 0 o 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 3 0 3 0 0 0 5 2 0 o 1 5 1 0 ，0 0 5 0 0 0 0 0 3 0 0 0 7 6 0 0 0 0 4 0 0 0 8 8 0 0 0 7 5 0 o 0 1 9 0 0 4 6 4 0 0 5 2 9 0 一o 0 4 0 0 一0 0 0 3 0 0 2 2 0 0 0 0 2 2 0 o 0 1 6 0 0 ，1 2 1 0 0 0 7 5 0 0 0 7 0 0 o 1 1 4 0 o 1 2 3 0 0 ，0 6 9 0 0 6 8 8 0 0 1 6 6 0 o 2 9 4 0 o 0 4 5 0 0 1 6 1 0 0 1 9 9 0 o 1 5 6 0 0 0 9 0 0 o 1 1 6 0 0 ，3 4 4 0 o 1 7 7 0 0 0 3 8 0 0 0 9 3 00 0 7 4 0- 0 0 8 7 0 0 ，1 7 2 0 o 1 3 7 0 0 3 6 8 0 0 0 6 3 0 0 4 4 0 0 - o 1 2 1 0 0 2 3 6 0 o 1 5 7 0 o 1 2 2 0 - o 1 9 5 0 o 1 2 l o o 1 8 2 0 0 2 4 9 0 0 6 4 0 0 0 0 7 6 0 全磷t p - o 0 5 8 0 - 0 3 3 2 0o 4 4 3 0o 0 6 3 0- 0 0 7 4 0 根据5 个因子的得分矩阵( 表3 4 ) ，得出如下5 个方程： f 1 = 一0 0 9 9 0 x l + 0 10 9 0 x 2 + o 1310x 3 + 0 18 2 0 x 4 + o 19 2 0 x 5 0 0 0 9 0 x 6 0 10 0 0 x t + 0 3 0 3 0 2 6 x 8