新疆白杨河-艾里克湖湿地植被的数量分类与排序

新疆白杨河-艾里克湖湿地植被的数量分类与排序

自然界植物群落是植物与环境相互作用的产物。植物群落与环境因素之间的关系是地球植物园的一个非常重要的内容。湿地植被是湿地生态系统的核心,湿地植物作为湿地生态系统食物链中的生产者,影响着湿地生态系统的生存和发展,也决定着湿地动物的种类和数量。湿地独特的水文、土壤、气候条件为多样的植物群落提供了基础。湿地植被的结构、功能和生态特征能综合反映湿地生态环境的基本特点和功能特性,湿地植被既是湿地化过程中形成的湿地生态系统的一部分,反过来又作用于环境,对环境产生一定影响。近年来许多学者从不同角度对湿地植物群落与环境因子的关系进行了研究,但对西北干旱区这种特殊环境下湿地的研究尚少,且干旱区湿地对干旱区植被的分布起着重要的调控作用。本文采用TWINSPAN分类和CCA排序对干旱区的艾里克湖湿地及周边植物群落与环境因子关系进行定量分析,为干旱区湿地的研究提供理论依据。1研究领域的总结和研究方法1.1性荒漠气候艾里克湖位于克拉玛依乌尔禾区东南15km处,主要补给来自白杨河,河水由乌尔禾盆地穿过大峡谷谷口而流入艾里克湖。湖盆三面环山,西南开敞,东面受平面山阻隔,是由河水形成的天然淡水湖泊,面积为52km2,长度为12.4km,最大宽度为4.2km,平均宽度为3.5km。乌尔河区属温带大陆性荒漠气候,其特点是大陆性强,寒暑温差大,干燥少雨,积雪薄,蒸发量大,冻土深,风多且大。年平均气温8.4℃,年平均日照数2637h,适合小麦、玉米、高粱等作物生长。白杨河每年4～5月都会有大量的洪水涌入艾里克湖中,每当这时候湖水的面积就会扩大很多,当湖水退去的时候,在沿途的许多低洼地会形大量的积水,为植被生长提供了充足的水分。样地中的植被种类组成以杨柳科、胡颓子科、柽柳科、藜科、禾本科、豆科等植物为主,构成了乔木、灌木和草本植物群落。乔木主要有胡杨(Populuseuphratica)、苦杨(Populuslaurifolia)、尖果沙枣(Elaeagnusoxycarpa),灌木主要有毛柽柳(Tamarixhispida)、梭梭(Haloxylonammodendron)、盐穗木(Halostachyscaspica)、草本植物主要有芦苇(Phragmitesaustralis)、疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)等。1.2学习方法1.2.1样品的采集和测定于2005年8月沿着白杨河流入艾里克湖的途径,按照植被类型的变化设置植物样地,共设置24个样地。面积分别为乔木100m×100m,再以25m为间隔设置4个25×25m的样方,灌木20m×20m,草本1m×1m。记录样地中每个种的个体数、株高、冠幅、胸径、基径、盖度等指标,并用GPS进行定位。在不同植被类型的生境中布设了18个监测井,地下水位的埋深由监测井实测得到。在每个样地内土样的取样深度为0～10cm、10～20cm、20～30cm,每样地沿对角线取1～3点,混合后同层装袋,带回实验室分析土壤指标,在土样的取样过程中遇到积水环境,就在其边缘就近取土样。实验室共处理土壤样品24个,土壤含水量用烘干法;有机质采用重铬酸钾法;pH值采用5:1水土比酸度计测定;电导率采用5:1水土比电导法;总盐采用5:1水土比烘干残渣法。1.2.2cca的分析方法双向指示种分类法(TWIN-SPAN)和典范对应分析(Canonicalcorrespondenceanalysis,CCA)。用双向指示种分类法对数据进行对应分析排序,得到第一排序轴,再以排序轴为基础进行分类。用典范对应分析进行环境因子排序:这是基于对应分析发展而来的一种排序方法,将对应分析与多元回归分析相结合,每一步计算均与环境因子进行回归。CCA的基本思路是,在对应分析的迭代过程中,每次得到的样方排序坐标值均与环境因子进行多元线性回归。式中:Zj为第j个样方的排序值,b0为截距,bk(k=1,2,3,……q,q为环境因子数)为样方第K个环境因子之间的回归系数,Ukj为第k个环境因子在第j个样方中的观测值。这一方法首先计算出一组样方排序值和种类排序值(同对应分析),然后将样方排序值与环境因子用回归分析方法结合起来,这样得到的样方排序值即反映了样方种类组成及生态重要值对群落的作用,同时也反映了环境因子的影响,再用样方排序值加权平均求种类排序值,使种类排序坐标值也间接地与环境因子相联系。最后用国际通用的CANO-C03.12分析软件和与此相关的CANODRAW3.0作图软件对数据进行图形分析。2结果与分析2.1植物中种毒种的检测植物种类在样方中出现频次的高低,可以间接反映调查地区植物种类的丰富度。表1是调查样地各样方中出现的主要植物种类,计10科、17属、18种。本文中所有的图表中的种类编号均与表1中的编号相同。图2是以不同物种在样地种出现的频次表示的物种丰富度模式。从图1的分析结果中可以看出,艾里克湖地区多数植物种类在样方中出现的频次较低。调查的18种植物中,有5种出现于1个样地中,占所有种数的27.8%,其中花花柴(Kareliniacaspica)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)仅出现在9号样地中,琵琶柴(Reaumuriasoongorica)仅出现在16号样地中,香蒲属(Typhasp.)仅出现在17号样地中,盐豆木(Halimodendronhalodendron)仅出现在22号样地中。4种出现于2个样地中,占所有种数的22.2%。4种出现于3个样地中,占所有种数的22.2%。2种出现于4个样地中,占所有种数的11.1%。在调查的样地中出现频次最高的是胡杨(Populuseuphratica),出现于调查的24个样地中的9个样地,占样地总数的37.5%。其次毛柽柳(Tamarixhispida),出现于调查的24个样地中的8个样地,占总样地数的33.3%。再次为是梭梭(Haloxylonammodendron),占样地总数的29.2%。2.2建群种植被类型表2是应用TWINSPAN多元划分法对24个样地18中植物分类的运算结果。以此为基础进行样地与种类的划分。在划分过程中,首先把所有样地和种类分成0和1两大类,然后这两大类在各自划分成两类。以此类推,直至达到所要求的划分水平为止。选择最多划分水平为7,每次分类最多分类数为2,得到艾里克湖湿地样地与植被种类的TWINSPAN聚类图(图3,图4)。图3右侧显示的是应用TWINSPAN划分出来的9个样地类型,依次代表了从白杨河到艾里克湖不同的地下水位和土壤有机质含量下的植被类型,其中以胡杨为建群种的胡杨林的生态位较宽,能在不同的地下水位和土壤有机质含量的生境中分布。从图3中分析得出:(1)组1代表分布在艾里克湖附近的以芦苇和胡杨为建群种的植被类型。包括6、18、22号样地,样地的地下水位浅,平均0.06～0.61cm,有机质的含量较高,平均0.13%～0.62%。(2)组2代表分布在艾里克湖周边的以无叶假木贼为建群种的植被类型。包括13、14号,样地的地下水位较深,平均0.10～0.99cm,有机质含量较低,平均0.17%～0.10%。(3)组3代表分布在艾里克湖西南洪积扇中、下部和东部的以梭梭为建群种的植被类型。包括15、16、21号样地,样地的地下水位深,平均0.87～0.98cm,有机质的含量低,平均0.09%～0.19%。(4)组4代表分布在白杨河大峡谷和白杨河右岸的以苦杨为建群种的植被类型。包括1、2、12号样地,样地的地下水位较浅,平均0.08～0.20cm,有机质含量高,平均0.33%～0.79%。(5)组5代表分布在白杨河谷和乌尔禾乡的以胡杨为建群种的植被类型。包括10、11、24号样地,样地的地下水位较浅,平均0.08～0.52cm,有机质含量高,平均0.38%～0.92%。(6)组6代表分布在白杨河谷K12公里处和艾里克湖北盐碱滩的以毛柽柳为建群种的植被类型。包括8、9、17号样地,样地的地下水位较深,平均0.08～0.71cm,有机质含量较低,平均0.08%～0.39%。(7)组7代表分布在艾里克湖东南的以盐穗木为建群种的植被类型。包括3、7号样地,样地的地下水位较深,平均0.70～0.71cm,有机质含量较高,平均0.38%～0.47%。(8)组8代表分布在木合拉依河谷、艾里克湖西南及乌尔禾乡的以胡杨为建群种的植被类型。包括4、5、19、23号样地,样地的地下水位较深,平均0.61～1.0cm,有机质含量较高0.04%～1%。(9)组9代表分布在艾里克湖附近的以香蒲为建群种的植被类型。样地的地下水位浅,0.03cm,有机质含量较低,0.12%。图4右侧显示的是应用TWINSPAN对18种植物种类划分的结果。主要分为2个种类组:组Ⅰ包括17个种,组Ⅱ包括1个种。由于TWINSPAN分类主要依据的是植物种类数据,因此对种类的划分不考虑环境因子的影响。2.3样地的排序分析首先对土壤有机质含量、土壤含水量、地下水位、PH值、电导率、总盐、样地盖度这7个环境因子数据进行最大值标准化预处理,即每组实际测定值与该组中最大值之比,并用SPASS对这7个环境因子数据进行相关分析,从分析的结果看样地盖度与有机质和地下水位极显著相关(Sig值<0.01),与电导率和总盐显著相关(Sig值<0.05),地下水位与土壤含水量显著相关(Sig值<0.05),电导率与总盐极显著相关(Sig值<0.01)。以标准化的环境因子数据构成CANOCO环境数据源(*.env);以植物盖度等指标为CANOCO种类数据源(*.spe),构成环境因子与种类数据矩阵,应用典范对应分析(Canonicalcorrespondenceanalysis,CCA)方法对艾里克湖地区24个样地18中植物进行排序分析,得到CCA二维排序图(图5)。图5中,“O”表示样地,“△”表示种类,其数字所代表的样地和种类与表1中的相同。在排序图中,环境因子用带有箭头的线段表示,连线的长短表示样地、植物种类分布与该环境因子关系的大小,箭头连线与排序轴的夹角表示该环境因子与排序轴相关性的大小,箭头所指的方向表示该环境因子的变化趋势。分析时,可以做出某一种类(或样点)与环境因子连线的垂直线,垂直线与环境因子连线相交点离箭头越近,表示该种(或该样点)与该类环境因子的正相关性越大,处于另一端的则表示与该类环境因子具有负的相关性越大。植物种类与样地的分布格局在图中以三角形和圆圈的形式表现出来,种类点与环境因子箭头共同反映出植物种类的分布沿每一环境因子的梯度方向的变化特征。第一排序轴、第二排序轴、第三排序轴(未在图中显示)的特征值分别为0.7011、0.4627和0.2984。第一排序轴与地下水位呈正相关(0.7625),与土壤含水量和样地盖度呈负相关(-0.2420、-0.6579),第二排序轴与有机质正相关(0.5064),与PH值呈也正相关(0.1415)。从图4中可以看出,样地3、4、5、7、8、13、14、15、16、17、19、21、234位于第二、第三这2个象限,包括种类5、6、7、8、9、15、16,这些样地的地下水位都较深,有机质的含量大都较低。样地1、2、6、9、10、11、12、18、20、22、24位于第一、第四象限,包括种类1、2、3、4、10、11、12、13、17、18、19这些样地的地下水位都较浅,有机质的含量大都较高。样地第一、四象限的有机质和土壤含水量有增加的趋势,因此多数植物分布与这2个象限。除此以外土壤电导率、PH值也影响这该地区植被的分布格局,多数样地与植物种类趋向于土壤电导率、PH值降低的方向分布。2.4影响艾里克湖湿地植物分布的环境因子植物群落和群落环境是矛盾的复杂统一体。为确定排序结果中排序轴的意义,从而了解决定研究区域植被分布的主导性因子,我们以植物盖度为指标,对研究区域的24个样地中18种植物的平均盖度与7个环境因子(土壤有机质含量、土壤含水量、地下水位、PH值、电导率、总盐等)作了多元逐步筛选回归分析(图6、图7)。结果表明:在影响艾里克湖湿地植物群落分布的环境因子中,24个样地18中植物在CCA排序第一、第二轴上的位置与地下水位(L,P<0.000),土壤有机质(OM,P<0.000)的关系最为密切,它们之间极显著相关,其逐步回归式如下:式中:X1、X2分别为不同地下水位和土壤有机质含量条件下的植被盖度,L为地下水位,OM为土壤有机质含量。因此,可以认为CCA排序第一轴是一个地下水位梯度变化轴,沿该轴方向地下水位有加深趋势。这种梯度变化趋势还表明,在景观尺度研究范围内,地下水位是决定该范围内植物群落类型分布的主要环境因子。CCA排序的第二轴是一个有机质含量梯度变化轴,沿该轴的方向土壤有机质含量逐渐增高,这种增高趋势相应地影响着植物生长的变化。同时,不同群落类型的分布格局还受所处地形、地貌、温度、光照及人类活动干扰等因素的影响,导致植被分布格局的复杂性和多变性。3干旱区湿地植物群落的数量分布和生境因子的多态性干旱区湿地在分布上呈明显的不连续性,面积相对不大,具有独特的湿地过程和景观生态格局,与荒漠基质有着密切的生态过程联系,在此背景下形成的生境和植物群落类型都相对单一。对于干旱区湿地的保护实际上是对干旱区水源、生物多样性及其人类生存环境的保护。因此,研究该区域荒漠植被和植物群落具有普遍意义和代表性。研究表明:艾里克湖湿地主要植被类型中共有18种植物,隶属10科、17属。其中,多数植物种类在样方中出现的频次较低,说明该地区植物物种丰富度较低。在调查的样地中出现频次最高的是胡杨,出现于调查的24个样地中的9个样地,占样地总数的37.5%。其次是毛柽柳,出现于调查的24个样地中的8个样地,占总样地数的33.3%。再次为是梭梭,占样地总数的29.2%。说明在干旱区湿地区域植被中,胡杨、柽柳和梭梭出现频度较高,分布较为广泛。由植物群落的数量分类和排序及不同环境因子与24个样地的CCA排序的数量分析表明,调查的24个样地植物可以分为9个种类组,代表不同的生境下的不同植被类型,同时TWINSPAN还