黄河中下游典型河岸带植被格局与土壤性质的耦合关系

摘要

土壤和植被作为河岸带生态系统服务维持的根基，其空间分布与变异对河岸带的生态功能的发挥起着决定性的作用。黄河中下游河岸带作为连接流域陆地生态系统和水生生态系统的脆弱敏感区域，正面临着植被面积减少、水土流失加剧等一系列问题引起的河岸带结构改变和功能退化的考验。开展黄河中下游河岸带植被格局动态研究，探讨研究区土壤环境因子的时空格局，并在不同尺度上揭示植被格局与土壤环境过程之间的相互关系与尺度效应，最后构建适用于研究区的植被-土壤关系耦合模型，为研究河岸生态系统结构与功能提供新的思路，对于加快退化河岸带生态系统的恢复与重建有重要的指导作用。
　　本研究以黄河中下游河南段典型河岸带为研究对象，采用野外调查、实验分析与统计分析相结合的方法，研究了黄河中下游河岸带植被格局动态以及研究区土壤环境因子的时空格局，并在不同尺度上揭示植被格局与土壤环境过程之间的相互关系与尺度效应。首先，本研究选取2003、2009和2015年的遥感影像图，根据在野外调查的基础上，将研究区内土地利用/覆盖类型分为：黄河、农田、林地、草地、河漫滩、居民区、沟渠及坑塘八大类；对该区近12年的植被空间格局及其动态并结合驱动力因子(距道路距离(Dis_road)、距居民区距离(Dis_jmq)和距坑塘距离(Dis_pond))，分析该研究区植被空间分布特征、植被格局动态表现，以及植被格局变化的驱动机制。其次，本研究以黄河中下游典型河段河岸带土壤为研究对象，通过实验分析与冗余分析(RDA)相结合的方法，研究了河岸带土壤理化性质空间分异特征及其对环境的响应。分别对河岸带的土壤理化指标进行统计分析和空间变异分析，定量揭示不同植被类型的土壤变化程度和尺度。最后，通过对植物群落特征与土壤特性的排序分析，确定影响河岸带土壤性质分异的影响因子；应用主成份分析及回归分析，分析植被与土壤性质在距地和景观不同尺度上的关系，并建立相应关系的数学关系式。研究结果如下：
　　(1)草地的总面积增加，草地密度、斑块数量都与草地总面积在不同年份有相同的增加趋势，而斑块形状指数和斑块周长面积分维数却有下降的趋势。草地和林地的聚集度指数、相似毗邻百分比不断增加，说明斑块分布不断集中。林地总面积在每一年都有不同程度的增加，斑块数量增加，同时斑块密度是一个先减少后增加的趋势。林地景观斑块形状指数不断变大，说明林地景观的几何形状不断变得复杂。草地和林地的斑块面积和斑块数量与至居民区距离在每个年份都有显著相关性。2015年草地景观格局的周长面积分维数与至道路距离显著负相关(p<0.05)。草地和林地的形状指数变化在每个年份都与距道路和居民区距离有显著的相关性(p<0.05, p<0.01)，与距居民区距离是显著正相关，与距道路距离是显著负相关。草地和林地分别在2003年和2009年、2015年中斑块结合度指数与至坑塘距离显著负相关(p<0.05)，林地在2015年斑块结合度指数与至居民区距离显著正相关。距居民区的距离在三个时期对林地相似毗邻百分比数均显著正相关。
　　(2)研究区土壤以粉粒为主，随缓冲距离增大，土壤容重呈现先增后减的趋势，而土壤含水量呈相反的趋势；不同缓冲区土壤的全磷含量差异较大，杨树人工林(Populus tomentosaplantation)和柳树人工林(Salix matsudanaplantation)土壤氮素差异不显著，随缓冲距离增大硝态氮含量增加；不同植被类型对土壤有机碳含量的影响差异明显，但不同河岸缓冲距离内差异不显著；研究区土壤理化性质间关系密切，其中，土壤有机碳与全氮、硝态氮和铵态氮含量均呈显著正相关关系(P<0.01、P<0.01和P<0.05)，土壤全碳和有机碳含量均与砂粒含量呈显著负相关关系(P<0.01)，与粘粒呈显著正相关(P<0.01)；另外，RDA结果显示，土壤有机碳和铵态氮含量随乔木层高度与盖度的增加而增加，土壤全磷与硝态氮随乔木层植物胸径和草本层盖度的增加而增加，铵态氮含量随海拔的升高呈递增趋势，表明黄河中下游河岸带土壤性质受群落结构和海拔梯度的影响显著。
　　(3)在局地尺度上，土壤质量与乔木盖度的拟合方程为ya=0.467+0.067x，相关系数为0.319，R2=0.102，差异显著(F=5.322, p=0.026)。该方程说明土壤质量因子变动与植被特征(乔木盖度)间存在着线性关系。河岸带不同缓冲区内林地植被景观格局变化特征的分析表明，随着缓冲距离的增加，河岸带林地植被景观的林地斑块面积、斑块数量、斑块密度和斑块形状指数都呈现先增加后减少的趋势，并且都在1.5-3.0 km缓冲区内达到最大值，说明在这个缓冲区内林地斑块破碎化高于其他缓冲区。斑块周长面积分维数呈现相反的趋势，即先减后增，相似毗邻百分比和聚集度指数都在3.0-4.5 km缓冲距离内达到最大值，斑块结合度指数以3.0-4.5 km缓冲距离内的值最高，以1.5-3.0 km缓冲距离内的斑块结合度最低。研究区1.5-3.0 km缓冲距离内林地的形状指数最大，斑块数量和斑块密度皆为最大，表明在此区域内林地主要受到人类规划下的有序干扰，破碎化程度最高。在斑块数量、斑块密度和斑块形状指数都表现为先增后减，而斑块周长面积分维数呈现先减后增的趋势，并在1.5 km缓冲区内达到最大值。相似毗邻百分比和聚集度指数的相关性非常大，其随缓冲区内林地格局的变化趋势基本一致。3.0-4.5 km缓冲距离内的相似毗邻百分比和聚集度指数最大，1.5-3.0 km缓冲距离内的值为最小。说明3.0-4.5 km缓冲距离内林地景观类型的聚集度较高，斑块分布较为集中，而1.5-3.0 km缓冲距离内的聚集度较低，斑块分布较为分散，这与斑块数量和斑块密度的结果相吻合。斑块结合度指数以3.0-4.5 km缓冲距离内的值最高，说明此区域内的空间连通较好，而1.5-3.0 km缓冲距离内的斑块结合度最低，其连通性要明显小于其他缓冲区，使得此区域内的斑块之间相对分散。
　　在大尺度上，植被格局与土壤质量并无显著相关关系，说明在较大范围的尺度上，随着空间尺度的变化，影响其变化的因素也将增多，土壤在养分流失数量增加，流失过程变为比较复杂，因此土壤养分可能不是决定植被格局的关键因素，植被格局与土壤养分可能受到不同的环境因素影响或其他的干扰过程。

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1 绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

2 研究区概况

2.1地理位置

2.2自然地理概况

2.3社会经济概况

3 研究方法

3.1 样地设置

3.2数据资料

3.3 研究技术路线

4 植被格局动态

4.1 植被格局动态

4.2 植被格局驱动力分析

4.3 本章小结

5 土壤理化性质的空间分异

5.1 土壤理化性质的空间分布特征

5.2 土壤理化性质间相关性分析

5.3 土壤理化性质与环境因子的关系分析

5.4 本章小结

6 植被格局与土壤性质关系的尺度分析

6.1主成份分析法综合评价

6.2群落结构与土壤性质关系的局地尺度分析

6.3植被格局与土壤性质关系的景观尺度分析

6.5本章小结

7 结论

参考文献

致谢

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