祁连山及山前绿洲荒漠区植物生长与水分变化分析

4.4.1　植物生长和水分年际变化特征分析

根据平均值μ、标准差σ、变异系数Cv统计分析，2006—2014年生长季节的3—11月份，研究区0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土壤质量含水率，植物平均生物量，盖度，地下水埋深，降水量年均值，标准差，变异系数，波动范围上下限如表21所示，由于各层次土壤水分在垂直空间变化上不明显，所以可以将土壤各层质量含水率的平均值、标准差、变异系数及波动范围再次求得平均值分别为6.51％、2.08％、0.32、4.44％～8.59％。从表21可知，土壤质量含水率、生物量、盖度变异系数很接近，且都较大，降水量次之，地下水埋深最小。从图10可以看出，生物量、盖度呈波动性增大趋势较明显，降水、土壤水、地下水位（地下水埋深与水位相反）变化呈波动性略有降低趋势，但不明显。说明植物的生长不仅与水分密切相关，还与外界干扰关系紧密，近几年退耕还林和生态保护工程力度加大，减少了人为对荒漠区植物生长的干扰，虽然水分没增加，但是植被的生长和覆盖度是增长的。

表21　黑河中游龙首滩荒漠区植物生长和水分年际变化特征

图10　黑河中游龙首滩荒漠区植物生长和水分年际变化特征

4.4.2　植物生长和水分年内变化特征分析

如图11所示，在一年植物生长季的3—11月份，降水量、地下水埋深变化步调基本一致，3月份降水量为4.14 mm，地下水埋深为83.56 cm，随后均逐渐增大，直到7月份降水量为36.10 mm，地下水埋深为578.11 cm，均达到最大值，然后又逐渐降低，进入10月份，地下水埋深为191.89 cm，11月份又升为300.20 cm，而降水量继续降低至11月份的0.70 mm。土壤各层含水率变化步调基本一致，3月份各层土壤质量含水率平均值为5.67％，随后逐渐升高，直到11份达到最大值7.96％。从表22可见，土壤水分垂直变化较小。生物量和盖度变化步调基本一致，3月份盖度为15.59％，生物量为51.03 g/m2，随后均逐渐增大，直到9月份盖度为23.26％，达到最大值，然后又减小，直到11月份减至16.43％；而生物量9月份为121.52 g/m2，继续逐渐增加，直到11月份达到最大为187.37 g/m2。

图11　黑河中游龙首滩荒漠区植物生长和水分年内变化特征

各层土壤质量含水率变异系数平均为0.14，结合图11可以看出，年内变化幅度（变异系数）从大到小依次为降水量＞生物量＞地下水埋深＞平均盖度＞土壤质量含水率。

表22　黑河中游龙首滩荒漠区植物生长和水分年内变化特征

4.4.3　植物生长和水分相关性分析

在月份尺度上进行相关性分析，a=0.05（P＜0.05）水平上查得临界值F0.05（1，9）为5.117，代入相关系数临界值，求得r0.05为0.602，相关系数大于临界值为相关显著，小于则为相关不显著（表23中标注“＊”为相关显著，未标注者不显著）。如表23所示，盖度与0～20 cm土壤质量含水率显著相关，与其它因子相关不显著；生物量与0～20、20～40、40～60 cm土壤质量含水率显著相关，与其它因子相关不显著。同理，在年际尺度上进行相关性分析，求得相关系数临界值r0.05为0.666，盖度与生物量显著相关，与其它因子相关不显著；生物量除与盖度显著相关外，与其它因子相关不显著。综上，可初步筛选月平均盖度与0～20 cm土壤质量含水率，月均生物量与0～20、20～40、40～60 cm土壤质量含水率进行回归分析。

表23　黑河中游龙首滩荒漠区植物月生长和水分相关系数及显性分析

续表(www.xing528.com)

注：＊为相关显著性。

4.4.4　回归模型分析

（1）回归模型拟合及方差分析

根据表24可知，由于月盖度与0～20 cm土壤质量含水率，月生物量与0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤含水量呈显著相关，因此，将土壤质量含水率作为因变量进行线性逐步回归分析，可得盖度与0～20 cm土壤质量含水率，生物量与0～20 cm、与20～40 cm、与40～60 cm土壤质量含水率回归模型均通过R拟合检验、F方差检验、t回归系数检验（如表24、表25）。

表24　黑河中游龙首滩荒漠区植物生长与水分拟合

盖度与0～20 cm土壤质量含水率，生物量与0～20 cm、与20～40 cm、与40～60 cm土壤质量含水率回归拟合及方差分析的F检验值及显著水平如表24所示，根据复相关系数判读标准，一般地，复相关系数|R|＞0.95，存在显著性相关；0.95≤|R|≥0.8高度相关；0.5≤|R|＜0.8中度相关；0.3≤|R|＜0.5低度相关；|R|＜0.3关系极弱，认为不相关。盖度与0～20 cm土壤质量含水率、生物量与0～20 cm土壤质量含水率属于显著性相关，说明模型拟合效果均较理想。虽然生物量与20～40 cm、与40～60 cm土壤质量含水率属于高度相关，但0～20 cm与20～40 cm、40～60 cm土壤质量含水率属显著相关（如表23），又由于0～20 cm土壤质量含水率与生物量显著水平最高，因此，仅取0～20 cm土壤质量含水率与生物量建立回归模型。

0～20 cm土壤质量含水率可解释盖度变差的99.0％。0～20 cm土壤质量含水率可解释生物量变差的91.4％。调整后复测定系数表明自变量可解释因变量变化的权重，0～20 cm土壤质量含水率可解释盖度变化的86.5％。0～20 cm土壤质量含水率可解释生物量变化的78.9％，剩余部分需由其他因素来解释，如陆面的微地形变化等因子。标准误差说明预测值与实测值之间的平均误差，此值越小，说明拟合程度越理想。表24中F值是方差分析检验值，是回归均方差与剩余均方差的比值，由于我们期望回归均方差越大越理想，剩余均方差越小越理想，所以，F值越大，说明模型预测结果越理想。一般地，我们期望F显著水平a≤0.05。从表24可以看出，F显著水平均小于0.05，因此，在a=0.05（P＜0.05）水平上查得F0.05（1，8）、F0.05（1，7）的临界值Fa分别为5.591、5.318，F检验值远远大于临界值Fa，初步确定利用土壤质量含水率建立的模型能较理想地预测盖度和生物量变化。

（2）回归系数分析

回归系数分析主要是检验相关系数的显著程度，表25中P值表示回归系数的显著程度，P值越小，回归系数变化越显著。采用逐步回归分析方法，如表25中P值均小于0.05，因此，a=0.05水平上，查得t0.05（9）、t0.05（8）的临界值分别为2.262、2.306，从表25可看出，其相对应的t检验值的绝对值均大于临界值，这说明常数、土壤质量含水率在a=0.05（P＜0.05）水平上极显著，且置信度为95％。

表25　黑河中游龙首滩荒漠区植物盖度、生物量与水分回归系数显性分析

综合上述R拟合检验、F方差检验、t回归系数检验，可得出生物量回归模型为：C=2.918Sw10（R2=0.99，P＜0.05），B=16.496Sw10（R2=0.914，P＜0.05），式中Sw10为0～20土壤质量含水率（％），B、C分别为平均生物量（g/m2）、平均盖度（％）。