基于CCA方法的黄河三角洲不同健康刺槐林的土壤属性研究

宋 音,王 红,路开宇,仲 懿

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;2.江苏省南京莱斯信息技术股份有限公司,江苏 南京 210014)

基于CCA方法的黄河三角洲不同健康刺槐林的土壤属性研究

宋 音1,王 红1,路开宇2,仲 懿1

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100;2.江苏省南京莱斯信息技术股份有限公司,江苏 南京 210014)

通过对不同健康状况(健康、中度枯梢、重度枯梢或死亡)刺槐林的生态调查、林下土壤采样,分析了不同健康林地不同采样深度(0～260 cm)的土壤属性差异性及变化特征。研究结果表明：(1)土壤水分和盐分含量在不同健康状况刺槐林地间存在显著的差异,且随着刺槐林退化程度的加深,土壤水分、盐分、粘粒含量和容重显著地增加;(2)在相同健康状况林地的不同土层间,只有土壤颗粒含量存在显著性的差异;(3)随着采样深度的增加,土壤颗粒显著变粗,土壤水分则显著地减少(在健康林地)或增加(在重度枯梢林地),土壤盐分则具有明显的表聚性。采用典范对应分析方法进行分析,发现刺槐林的健康属性与土壤属性相关性大,且土壤水分和盐分是影响刺槐林健康状况的最重要的土壤属性因素；由地下水位抬升而导致的土壤含水量增加是刺槐林退化的最重要因素。

土壤；属性;健康状况;刺槐林;典范对应分析法;黄河三角洲

Abstract： The soil properties ofRobiniapseudoacaciaforests with different health statuses (health, medium dieback, and severe dieback or death) in the Yellow River delta were studied through ecological survey and soil layer (0～260 cm) sampling based on canonical correspondence analysis (CCA). The results indicated that there were significant differences in soil moisture and salinity contents amongR.pseudoacaciaforests with different health statuses, and the soil moisture, salinity and clay particle contents, as well as the soil bulk density increased significantly with the continuous degradation ofR.pseudoacaciaforest. There was a significant difference only in soil particle content among different soil layers ofR.pseudoacaciaforest with the same health status. Along with the increase in soil layer depth, the soil particle size was significantly increased, while the soil moisture content was significantly reduced (in healthy forest land) or increased (in severe dieback forest land). The soil salinity was obviously accumulated in the topsoil. The canonical correspondence analysis showed that the health status ofR.pseudoacaciaforest was well correlated with the soil properties, and soil moisture and soil salinity were the most important soil property factors affecting the health status ofR.pseudoacaciaforest. The increase in soil moisture content caused by the upraising of underground water level was the most important cause for the degradation ofR.pseudoacaciaforest.

Keywords： Soil; Property; Health status;Robiniapseudoacaciaforest; Canonical correspondence analysis; Yellow River delta

2.3 槐耳清膏对NCI-N87细胞相关自噬蛋白表达的影响 通过RT-PCR和Western blot对自噬相关蛋白Beclin-1、LC3-II、PTEN mRNA和蛋白水平进行了检测，结果表明，与对照组相比，槐耳清膏作用 NCI-N87 细胞 24h 后，Beclin-1、LC3-II、PTEN mRNA水平和蛋白表达水平逐渐升高，均有统计学意义（P＜0.05）。 结果见图 1、图 2、图 3 及图 4。

黄河三角洲地区由于受盐渍化土壤限制,土地生产力低下,很多乔木树种难以存活。由于刺槐(Robiniapseudoacacia)具有一定的抗旱、耐盐碱能力,因此自20世纪70年代始在黄河三角洲广泛种植刺槐,黄河三角洲成为我国面积最大的人工刺槐林地。但是,自20世纪90年代以后,刺槐出现了大面积枯梢或死亡的现象。调查显示,目前黄河三角洲刺槐林生长状况较差,枯梢普遍,刺槐断顶、枯梢及死亡的比率达41%,且随着树龄的增加刺槐枯梢率明显提高[1]。调查发现,随着刺槐林退化程度的增加,土壤特征发生了明显的变化:土壤密度、盐分增加,多项养分指标、各种酶活性、微生物总量降低[2-3],由此导致土壤吸持、贮水能力的下降[4]。

对我国刺槐枯梢死亡分析发现,不同地方由于气候、立地条件不一,枯梢原因也不同。吉林省刺槐枯梢死亡是由寒冷和干旱造成的[5]；河北漳河林场刺槐枯梢死亡主要是由微地貌类型、土层厚度、林龄等原因造成的[6]。目前对黄河三角洲刺槐林衰退分析发现,自1985年以来,研究区气温呈明显升高趋势,高温加剧树木蒸腾、土壤水分蒸发,因此,刺槐可能因干旱缺水而衰退[7];对比健康林和衰退林的土壤特征,发现刺槐枯梢可能是由土壤盐碱化引起的地力衰退造成的[2]。林木根系特别是细根,作为植被吸收土壤水分和养分的主要器官,其分布空间直接影响到林木拥有土壤水分和营养空间的大小。刺槐在遗传上虽然属于浅根性树种(其根系主要集中在40～60 cm土层),但在黄河三角洲,刺槐的根系最深达210 cm,在深层也有较多分布[8]。这是因为研究区处于大陆性季风气候区,春季干旱,而这时刺槐的耗水性又特强[9],为了能利用深层土壤水分,根系向下生长;夏季雨水多而集中,地下水位抬升,处于低洼、排水状况不好区域的刺槐根系就会浸泡于较高盐分含量的土壤溶液中,根细胞发生脱水或生理干旱,这可能也是引起刺槐枯梢的原因[8]。

3.1不同健康状况刺槐林下土壤属性差异及相关性分析

数量生态学典范对应分析(Canonical correspondence analysis, CCA)方法是利用综合变量之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性的多元统计分析方法,能从总体上把握两组指标之间的相关关系[13]。该方法能在由环境因子特征变量构成的空间上,对环境变量和物种数据等进行排序作图,在同一排序图上反映群落、生物种类与环境三者或两者间的关系,是分析生物群落与环境因子间复杂关系的有效工具[14],被广泛地应用于生态质量评价[15]。

为了验证立地因子是否是影响刺槐生长的重要因素,本文在已有的刺槐遥感健康状况分类的基础上,对不同健康状况的深达260 cm林下土壤剖面进行分层采样,分析了土壤理化特性和根系垂向分布特点,探究了刺槐退化枯梢的原因,以期为区域防护林建设、植被更新及重建提供科学依据。

此次研究结果指出了,CTn T阳性组病变率大于CTn T阴性组,P<0.05;CK-MB阳性组病变率比照CK-MB阴性组,P>0.05,符合任焕民等[6]研究结果。

1 研究区概况

11月20日，职业打假人王海在微博公开举报美团涉嫌非法经营二次清算，称“美团涉非法经营支付业务，可被挪用或吃利差的资金高达70亿元”。中国支付清算协会官网显示举报已经受理，正在调查中。

2 研究方法

2.1刺槐健康状况的分级

根据美国农业部林业局的树冠条件分级向导[18],用5个树木活力指标(叶片透光度、冠幅、郁闭度、死亡率、活冠比)来估量样方内刺槐的健康情况；根据两层采样调查策略、5个树木活力指标调查数据和林冠条件分类阈值[17],将刺槐的健康状况分为三级:3级为健康或轻度枯梢；2级为中度枯梢；1级为重度枯梢或死亡。

2.2土壤垂直分层取样

1.3.3 观察指标与标本采集 开始治疗当天记为d1，分别记录d1、d4、d7、d10和d13各组小鼠体质量，观察各组小鼠体质量变化。各组治疗结束后处死小鼠，完整剥离肿瘤并称取瘤质量，肿瘤标本取下后放入质量分数为4%多聚甲醛溶液中固定，进行脱水、透明、浸蜡、包埋及切片。

在林场北侧有条东西走向的河流——神仙沟。我们的前期研究结果显示：刺槐林的健康状况与神仙沟流向一致，离河流越近枯梢程度越严重[19]。据此,我们在垂直于该河流的3种健康状况刺槐林地,分别选择了5个典型样方,在每个样方中间进行土壤采样,将每个采样点的土壤剖面分为8层:0～20、20～40、40～60、60～100、100～140、140～180、180～220、220～260 cm,分别在每层中心部位用环状刀具获取原状土,记录每层剖面刺槐细根(粗度小于2 mm)的分布状况。采样日期为2015年4月25～29日。

2.3土壤理化属性测定及数据分析

分别采用环刀法和烘干法测定土壤容重(g/cm3)和土壤水分含量(%)[20]。用粒径分析仪法测定土壤各粒径(粘粒<2 μm,粉粒2～50 μm,砂粒>50 μm)颗粒的组成比例(%)。用电导率仪测定土壤电导率(土水比为1∶5，计量单位为μs/cm),间接反映土壤盐分含量。

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和作图。采用SPSS 10.0统计学软件进行方差分析(ANOVA)、多重比较分析(LSD比较法,P<0.05)和Pearson相关性分析。采用极差标准化法[21]对土壤属性数据进行归一化处理。

1)在考虑上、下层逻辑关系的基础上，将每一个上层元素与下层元素之间进行两两判断，并构造出判断矩阵B=(bij)n×m。

2011年的个税改革，将“扩中、控高、提低”作为改革重点，当时刘克崮正在外地出差，看到征求意见稿，心想“坏了！”于是立刻找到相关部门，建议减少超额累进税率的级距，降低最低边际税率。这一意见终被采纳，超额累进税率由9级减少为7级，最低边际税率由5%降到3%。

3 结果与分析

在忽略温度、降水量等气候差异，以及忽略风暴潮[10]、风灾[11]、病虫害等局部短暂影响的条件下，对不同衰退程度的刺槐个体进行同功酶酶谱分析,发现刺槐林衰退的主导因子并非遗传因子[7]。发现影响黄河三角洲滨海平原地区刺槐生长发育的最重要的立地因子是土壤质地、地下水位和土壤含盐量[12]。壤土是适于刺槐生长的土壤质地,刺槐根系要求土壤通气排水良好；地下水位如果浅于1 m,则易烂根、枯梢,较长时间积水会引起刺槐死亡；当土壤含盐量在0.3%以下时,刺槐能正常生长发育。由此推测,同一地区刺槐生长状况的不同是由立地条件差异引起的。

用国际标准通用软件CANOCO 4.5进行典范对应分析。分析规则：在由主轴1和主轴2构成的平面图中,箭头表征环境因子在平面上的相对位置,所处象限表征环境因子与排序轴的相关性正负,向量长短代表其与主轴的作用[22]。

方差分析显示不同健康状况刺槐林地土壤容重、水分、盐分及颗粒含量都存在显著的差异。LSD方法显示土壤水和电导率在3种健康状况林地间存在显著差异,而土壤容重和颗粒含量只在重度枯梢林地与其它健康状况林地间存在显著差异,在中度枯梢林地和健康林地间无显著性差异(表1)。Pearson相关分析显示刺槐林的健康状况与上述土壤理化属性存在显著的相关性(表2)。土壤中砂粒含量越高,刺槐健康状况越好;而其它土壤属性则与刺槐健康状况存在负的相关关系。土壤水分与刺槐林的健康状况相关性最高,其次是土壤盐分含量。土壤水分和盐分含量越大,刺槐健康状况越差,越容易枯梢乃至死亡。

表1 不同健康状况刺槐林地土壤属性方差分析和LSD分析结果

注：H、M和S分别指健康、中度枯梢和重度枯梢刺槐林地土壤。

表2 刺槐健康状况与土壤属性间的相关性

注：“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

3.2相同健康状况刺槐林地不同土层的土壤属性差异及变化趋势分析

方差分析结果显示：在α=0.05的显著性条件下,土壤容重和土壤盐分在健康和中度枯梢刺槐林下不同土层之间没有显著差异性；土壤盐分在重度枯梢林下不同土层间也无显著性差异；而其它土壤属性则在相同健康状况刺槐林地不同土层间均存在显著的差异(表3)。LSD分析显示,在相同健康状况林地中,只有土壤颗粒含量在不同土层间具有较为显著的差异,其它土壤属性则在不同土层间均无显著的差异。

图1是不同健康状况林地归一化的土壤属性数据的垂直剖面变化趋势。结果显示：在α=0.01检验水准下,不同健康状况林地砂粒含量都随着采样深度增加而显著地增加,粉粒和粘粒含量则显著地减少,土壤容重则无显著性的变化趋势；在健康林地,土壤水分随着采样深度增加而显著地减少;在重度枯梢林地,土壤水分则随着采样深度增加而显著地增加。土壤盐分具有表聚性,健康林地土壤表层盐分最高,枯梢林地则是土壤次表层(20～40 cm采样深度)含盐量最高。

表3 相同健康状况刺槐林地不同土层的土壤属性方差分析结果

3.3刺槐林地属性与土壤属性的典范对应(CCA)分析

为了直观地反映研究区刺槐林地与土壤属性之间的相互关系,采用典范对应分析法进行探讨。以刺槐林地活力属性(叶片透光度、冠幅、枯梢率、活冠比)作为生态变量,以土壤属性(土壤水、容重、砂粒、粉粒、粘粒、电导率)作为环境因子，对114个样本进行CCA分析,得出了刺槐属性与环境变量的CCA排序轴特征值、生态变量与环境变量间的相关系数。

黄河三角洲(117°32′～119°10′E,36°56′～38°12′N)位于山东省东营市,位于暖温带半湿润的大陆性季风气候地区,年降水量500～600 mm[4],其中雨季时的6～8月降水量占全年的70%,蒸降比为3.5∶1。黄河三角洲自然土壤的成土母质是黄河冲积物覆盖海相层的二元相结构。黄河冲积物主要来自中游黄土高原的古老耕作土,具有较高的有机质和养分含量[16]。由于近代黄河三角洲是1855年以来建造的,冲积物覆盖海相层的时间短,底土含盐量高,地下潜水受海水侧渗影响,矿化度高,使得盐渍化、次生盐渍化土壤广布,以盐化潮土和滨海盐土为主[4]。研究区中有4个人工刺槐林区:孤岛、马场、黄河古道、自然保护区,总面积27.94 km2[17]。本次研究土壤样品采自孤岛林场,林场中大部分刺槐具有25年以上的树龄。

图1 不同健康状况林地土壤属性的垂直变化(数据归一化至0～1)

由表4可知：生态变量与环境因子间的相关系数在前两个排序轴分别为0.910和0.338;第一排序轴和第二排序轴累积解释了研究区刺槐林空间分布的76.8%的变异;第一排序轴的蒙特卡洛显著性检验值达344.411,所有排序轴蒙特卡洛显著性检验值达59.540。以上结果说明CCA排序分析能较好地反映刺槐林地属性与土壤属性之间的关系。

2.4典范对应分析

从刺槐林地属性与土壤属性的CCA二位排序图(图2)可以看出：与树冠枯梢率相关性的排序为土壤盐分>土壤水分(土壤粘粒)>土壤容重>粉粒；pH值与树冠枯梢率呈偏向正相关,但相关性不大；枯梢率、叶片透光度与砂粒呈明显的负相关；刺槐林的冠幅、活冠比与砂粒呈正相关。从向量长度看,对环境因子正相关作用的排序为土壤水>土壤盐分>粘粒(容重)>粉粒>pH值>砂粒,可见土壤水分和盐分对刺槐属性的影响很大。这些结果表明土壤含水量和盐分越高,则刺槐的健康水平越差。

表4 CCA排序轴的特征值以及生态变量与环境因子间的相关性

图2 刺槐林属性与土壤属性的CCA二维排序图

4 讨论

本研究区土壤水分具有明显的干湿季动态变化规律,干季时土壤含水量低,湿季时土壤含水量增加[23]。本研究土壤采样时间在4月底，正处于干季。通过地下水观测井观测，中度枯梢林地的地下水埋深为2.3 m。取土样时我们发现重度枯梢林地地下水埋深仅为1.8 m左右，而健康林地的地下水埋深目测在3.0 m以上。可见刺槐林地土壤含水量的垂直分布不仅与树木健康状况、土壤中树木细根分布及林地蒸散发量有关,还与地下水位有密切关系。Sawada等[24]发现林下土壤含水量自表层向下呈减少趋势。在本研究中，我们也发现健康林地的土壤水分大量集中在表层,随着土层深度增加,土壤含水量逐渐降低,靠近地下水位线附近时逐渐增加,所以中间层(60～120 cm)根系量最少,土壤水分含量也最低(图1)；枯梢林地则无此规律；重度枯梢林地的土壤含水量随着采样深度增加反而显著地增加(图1)。高善明等发现由于研究区地下水矿化度普遍较高,土壤质地以轻壤和中壤为主,地下水埋深(干季)小于3 m的地区,土壤水毛管作用强烈,在强蒸发作用下潜水蒸发，盐滞留于地表[16]。土壤水分会间接地影响土壤盐分含量；地下水埋深越浅,林地土壤水分和盐分含量就会越高。据调查,重度枯梢林地距北侧河流(神仙沟)的距离在100 m以内,受河水侧渗影响,加之地势低平、排水不畅,地下水埋深较浅,土壤含水量高,土壤盐分积累量也高,土壤表层含盐量也越高；随着与河流距离的增加,地下水埋深逐渐增加,土壤含水量降低,土壤含盐量也降低。因此土壤水分与土壤盐分具有显著的正相关关系(表2)。

1、我自横刀向天笑，笑完我就去睡觉。2、收银员说：没零钱了，找你两个塑料袋吧！3、你的手机比话费还便宜。4、路漫漫其修远兮，不如我们打的吧。5、别人装处，我只好装经验丰富。6、不怕偷儿带工具，就怕偷儿懂科技！7、失败不可怕，关键看是不是成功他妈。

黄河三角洲地区盐渍化、次生盐渍化土壤广布[25]。盐渍化会造成土壤物理性状变差,降低土壤中养分的有效性及林木根系对养分的吸收性能。盐胁迫会对植物的生理生化活动产生负面影响[26]。因此土壤盐渍化会降低植被的活力甚至引起植被死亡。本研究也发现刺槐的健康状况与土壤含盐量呈显著的负相关关系(表2)。

土壤质地决定了土壤的孔隙度和透水性,因而会对水分和盐分的迁移、累积产生影响[27]。砂土层的土壤粒间孔隙较大,对土壤水、盐的上移及表层聚集具有明显的阻隔效应,而黏土层有良好的保水和隔盐能力,对表土积盐的抑制效果显著[28]。本研究发现：土壤砂粒含量高的刺槐林生长健康,而当粉粒和粘粒含量增加后,刺槐林容易枯梢退化(表2)；中度和重度枯梢林地土壤次表层(20～40 cm深)的含盐量最高，这可能与植被生长、根系分布及其吸水有关。

Firstly,the Cumulative Distribution Function(CDF)for the stored N observations are computedbased on the law of total probability.

McDowell等[29]认为干旱是引起全球大范围森林死亡的主要原因。同样,水分过多也会导致森林退化。如在西班牙温带落叶林[30]、亚马逊原始雨林[31]和北美洲东北橡树林[32]都存在这一现象。过多的土壤水分会造成植物根部缺氧,使根部的呼吸受阻[33-34];会使土壤的通气性变差,降低植物的光合效率，导致碳饥饿[30]。我们对黄河三角洲孤岛林场的研究发现,土壤含水量与刺槐的健康状况间的相关系数达到-0.90(表2)；对故道林场的野外生态调查也发现，处于山坡的刺槐生长健康,而处于山沟的则中度或重度枯梢,其原因就在于山沟的土壤水分较多,不适于刺槐生长。张金池等[35]的研究结果也表明低洼地刺槐生长比高平地和堤坎处的要差。因此土壤水分可能是影响刺槐健康状况的首要因素,且人为活动不当会恶化刺槐林的生长状况。

5 结论

本研究结果表明:(1)健康与退化的刺槐林下土壤属性具有显著的差异,且随着退化程度的加深,土壤水分、盐分、粘粒含量和容重明显增加;(2)在相同健康等级的不同土壤采样层间,只有土壤颗粒含量存在显著性差异;(3)在相同健康等级林地下，随着土层深度增加，土壤砂粒含量明显增加，土壤水分在健康林地减少,而在退化林地则增加;土壤盐分具有明显的表层聚集性;(4)典范对应分析法能较好地模拟土壤属性对刺槐属性的影响大小,反映出土壤含水量和盐分对刺槐健康状况的影响较大。

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(责任编辑:黄荣华)

StudyonSoilPropertiesofRobiniapseudoacaciaForestunderDifferentHealthConditionsinYellowRiverDeltaBasedonCanonicalCorrespondenceAnalysis

SONG Yin1, WANG Hong1, LU Kai-yu2, ZHONG Yi1

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China;2. Nanjing Les Information Technology Limited Company in Jiangsu Province, Nanjing 210014, China)

S714.2

A

1001-8581(2017)10-0048-06

2017-06-29

国家自然科学基金项目“黄河三角洲刺槐林健康时空变化成因及模拟”(41471419)。

宋音(1993─),男,江西瑞金人,硕士研究生,从事土壤属性方面的研究。