高君亮,李玉寶,虞 毅,遲悅春,高 永

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019;2.溫州大學(xué) 生命與環(huán)境學(xué)院,浙江溫州 325027;3.國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心,北京 100102;4.鄂爾多斯市林業(yè)局,內(nèi)蒙古 東勝 017000)

土壤風(fēng)蝕是我國(guó)北方干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)土地退化的主要過(guò)程之一,其分布范圍占國(guó)土面積的1/2以上,嚴(yán)重影響這些地區(qū)資源開(kāi)發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1]。土壤機(jī)械組成是影響土壤風(fēng)蝕的主要因素之一,因此,進(jìn)行土壤機(jī)械組成的定量描述對(duì)土壤風(fēng)蝕的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。近幾十年來(lái),隨著分形學(xué)的發(fā)展,分形理論的應(yīng)用已成為定量描述土壤機(jī)械組成的新方法[2-12]。與傳統(tǒng)的方法相比,分形模型更為簡(jiǎn)便,并能說(shuō)明分形維數(shù)的物理意義。

20世紀(jì)50年代以來(lái),針對(duì)毛烏素沙地風(fēng)蝕嚴(yán)重和生態(tài)退化的特點(diǎn),許多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了不同深度的研究,取得了大量的研究成果[13-19]。然而,運(yùn)用分形理論對(duì)毛烏素沙地不同土地利用類(lèi)型土壤粒徑的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此,本文計(jì)算了毛烏素沙地腹地不同土地利用類(lèi)型的表層土壤顆粒的分形維數(shù),并分析了土壤分形維數(shù)與土壤機(jī)械組成,土地利用類(lèi)型以及采樣深度之間的關(guān)系,以期為該區(qū)土壤風(fēng)蝕的防治和生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地腹地的“毛烏素沙地開(kāi)發(fā)整治研究中心”東1 km處,行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn),地理位置為38°57′-39°01′N(xiāo);109°02′-109°17′E,海拔 1 300 m 。該地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候,年均氣溫 6.5℃,年均積溫890℃,年均降水量 360 mm,多集中在 7-9月,年均蒸發(fā)量2 300 mm。風(fēng)大沙多,年均風(fēng)速3.3 m/s,年大風(fēng)揚(yáng)沙日數(shù)40～50 d,且多集中在冬春季節(jié)。研究區(qū)內(nèi)地形以流動(dòng)、固定、半固定沙丘及丘間灘地為主。植被主要有旱柳(Salix matsudana Koidz.),烏柳(Salix cheilophila Schneid.),沙柳(Salix psammophila C.Wang et Ch.Y.Yang.),油蒿(Artemisia ordosica Krasch.),籽蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.),楊柴(Hedysarum Laeve Maxim.),小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam.),中間錦雞兒(Caragana intermedia Kuang et.H.C.Fu.),芨芨草(Achnatherumsplenden(Trin.)Nevski.),蘆葦(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.),牛心樸子(Cynanchumkomarovii Al.Iljinski.)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取與土壤取樣

2009年10 月下旬,在研究區(qū)選擇7個(gè)有代表性的樣地(表1),在每個(gè)樣地上按照“品”字形選擇3個(gè)采樣點(diǎn),用自制分層取土器分10層采樣,每層深度1 cm,并記錄樣地概況。

表 1 樣地基本概況

2.2 樣品分析

在實(shí)驗(yàn)室將從野外采集的土壤樣品陰干,過(guò) 2 mm土壤篩剔除植物根系等雜物,然后按照四分法對(duì)每個(gè)土樣稱(chēng)取(100±0.005)g,置入土壤篩(土壤篩按照中國(guó)沙物質(zhì)的粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]來(lái)選取,即：礫石(＞2 mm)、極粗沙(2～1 mm)、粗沙(1～0.5 mm)、中沙(0.5～0.25 mm)、細(xì)沙(0.25～0.1 mm)、極細(xì)沙(0.1～0.05 mm)、粉沙(＜0.05 mm))中用 ZBSX-92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)震蕩5 min,最后對(duì)每一粒級(jí)的土壤顆粒稱(chēng)重并計(jì)算其百分含量。

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)的計(jì)算

土壤顆粒分形維數(shù)按照楊培嶺等[2]提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來(lái)計(jì)算。即

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤分形維數(shù)與土壤機(jī)械組成的關(guān)系

由土壤分形維數(shù)的計(jì)算過(guò)程可知,分形維數(shù)與土壤顆粒粒級(jí)的百分含量有關(guān)。由圖1可知,土壤分形維數(shù)與各粒級(jí)顆粒組分間關(guān)系差異較大,土壤分形維數(shù)與粉沙和極細(xì)沙的百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與細(xì)沙的百分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與中沙、粗沙和極粗沙的百分含量關(guān)系不顯著。說(shuō)明粉沙和極細(xì)沙含量越高,土壤分維數(shù)越大,反之則小。分形維數(shù)能很好地反映土壤顆粒物質(zhì)的損失狀況,從而可用來(lái)反映各類(lèi)土地風(fēng)蝕的程度。

圖1 分形維數(shù)與各粒級(jí)土壤顆粒百分含量相關(guān)關(guān)系

運(yùn)用SAS 9.0軟件對(duì)極粗沙(X 1)、粗沙(X 2)、細(xì)沙(X4)、中沙(X3)、極細(xì)沙(X5)和粉沙(X6)的百分含量與土壤分形維數(shù)進(jìn)行了多元逐步回歸分析,關(guān)系式如式(2)。

D=1.73861+0.0145X 6+0.0501X5-0.0028 X4(2)

P＜0.0001**,R2=0.8462,PX6＜0.0001**,PX5＜0.0001**,PX4=0.0139*

因此,決定土壤分形維數(shù)大小的主要是粉沙、極細(xì)沙和細(xì)沙的百分含量,其余3個(gè)粒級(jí)顆粒的百分含量對(duì)土壤分形維數(shù)影響程度相對(duì)較小。

3.2 土壤分形維數(shù)與土地利用類(lèi)型的關(guān)系

從表2中可知：7個(gè)樣地的土壤分形維數(shù)以草地第1層2.51為最大值,以耕地2第10層1.59為最小值。表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數(shù)介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數(shù)從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動(dòng)沙丘。由此可知,隨著沙漠化程度的加劇,分形維數(shù)逐漸減小,從草地到流動(dòng)沙丘,分形維數(shù)由2.34下降到了1.85。

表2 不同土地利用類(lèi)型下的土壤分形維數(shù)

分析結(jié)果認(rèn)為：位于灘地的草地在植被的保護(hù)作用下增大了其地表粗糙度,當(dāng)風(fēng)沙流過(guò)境時(shí),風(fēng)速減弱,風(fēng)沙流挾帶物質(zhì)沉降下來(lái)而增加了地表細(xì)粒物質(zhì)含量;固定與半固定沙丘同樣在地表植被的保護(hù)作用下表層細(xì)粒物質(zhì)含量相對(duì)增加,但是,由于固定與半固定沙丘上的植被大多為灌叢,灌叢與灌叢之間比較大的空隙而使風(fēng)速減弱相對(duì)較小,沙物質(zhì)沉降量也相對(duì)減少,因此固定與半固定沙丘的土壤分形維數(shù)比草地的小;耕地在人類(lèi)所從事農(nóng)耕活動(dòng)的影響下細(xì)粒物質(zhì)不斷地?fù)p失,隨著耕種年限的增加細(xì)粒物質(zhì)損失量也增加;對(duì)于地表裸露的流動(dòng)沙丘來(lái)說(shuō),沒(méi)有植被的抵擋作用,遇到起沙風(fēng)后表層細(xì)粒物質(zhì)馬上被起沙風(fēng)挾帶運(yùn)移至其他地方,細(xì)粒含量減少致使粗粒含量相對(duì)增加。

3.3 土壤分形維數(shù)隨采樣深度的變化

圖2表明土壤分形維數(shù)在7個(gè)樣地上都隨著采樣深度發(fā)生波動(dòng)變化,各個(gè)樣地的土壤分形維數(shù)變幅值分別為：草地 0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動(dòng)沙丘 0.23、耕地 0.27、耕地 0.67、耕地0.13。

另外,從圖2中還可以看出,7個(gè)樣地的土壤分形維數(shù)隨采樣深度均呈線性下降趨勢(shì)。說(shuō)明分形維數(shù)能夠反映土壤的結(jié)構(gòu)性狀,表征土壤結(jié)構(gòu)的變化特征。分析認(rèn)為：耕地受到人為翻耕的影響,表層細(xì)粒物質(zhì)喪失,3塊耕地之間分形維數(shù)的差異主要是因?yàn)槭芨N年限,所種植作物及大風(fēng)來(lái)臨之際翻耕與未翻耕等因素的影響;沙丘實(shí)施封育后,植被恢復(fù)程度逐年加大,表層細(xì)粒物質(zhì)漸漸增多;草地上生長(zhǎng)的植被大多為草本植物,植物根系分布較淺,在植物根系的作用下,下部土壤團(tuán)聚體含量增加,使得分形維數(shù)相應(yīng)減小。

4 結(jié)論

(1)決定沙地土壤分形維數(shù)的主要是粉沙、極細(xì)沙和細(xì)沙的百分含量,其余粒級(jí)土壤顆粒的影響程度相對(duì)較小;粉沙與極細(xì)沙的百分含量和土壤分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而細(xì)沙的百分含量和土壤分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)7個(gè)樣地的土壤分形維數(shù)最大值為2.51,最小值為1.59;表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數(shù)介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數(shù)從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動(dòng)沙丘。

(3)土壤分形維數(shù)在7個(gè)樣地上隨著采樣深度發(fā)生不同程度的波動(dòng)變化,變幅值分別為：草地0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動(dòng)沙丘0.23、耕地0.27、耕地0.67、耕地 0.13,但整體上均呈線性下降趨勢(shì)。

1] 陳渭南,董光榮,董治寶.中國(guó)北方土壤風(fēng)蝕問(wèn)題研究的進(jìn)展與趨勢(shì)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1994,9(5)：6-12.

[2] 楊培嶺,羅遠(yuǎn)培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學(xué)通報(bào),1993,38(20)：1896-1899.

[3] 吳承禎,洪偉.不同經(jīng)營(yíng)模式土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形特征研究[J].土壤學(xué)報(bào),1999,36(2)：162-167.

[4] 黃冠華,詹衛(wèi)華.土壤顆粒的分形特征及其應(yīng)用[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(4)：490-497.

[5] 趙文智,劉志民,程國(guó)棟.土地沙質(zhì)荒漠化過(guò)程的土壤分形特征[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(6)：877-881.

[6] 蘇永中,趙哈林.科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變中土壤顆粒分形特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(1)：71-74.

[7] 章予舒,謝高地,肖玉.棄耕農(nóng)田土壤分形特征研究：以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗為例[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2005,13(3)：42-44.

[8] 文海燕,傅華,趙哈林.退化沙質(zhì)草地開(kāi)墾和圍封過(guò)程中的土壤顆粒分形特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(1)：55-59.

[9] 李進(jìn)峰,宮淵波,陳林,等.廣元市不同土地利用類(lèi)型土壤的分形特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(5)：167-170,182.

[10] 王德,傅伯杰,陳利頂,等.不同土地利用類(lèi)型下土壤粒徑分形分析：以黃土丘陵溝壑區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(7)：3081-3089.

[11] 宋孝玉,李亞娟,李懷有,等.不同地貌類(lèi)型及土地利用方式下土壤粒徑的分形特征[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,37(9)：155-160,167.

[12] 朱華,程先富,王世航,等.基于GIS的安徽省表層土壤顆粒分形特征研究[J].水土保持研究,2009,16(4)：146-149,155.

[13] 吳波,慈龍駿.五十年代以來(lái)毛烏素沙地荒漠化擴(kuò)展及其原因[J].第四紀(jì)研究,1998(2)：165-172.

[14] 任倉(cāng)鈺.毛烏素沙地沙漠化原因探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2002,13(2)：30-31.

[15] 曹紅霞,張?jiān)葡?岳樂(lè)平,等.毛烏素沙地全新世地層粒度組成特征及古氣候意義[J].沉積學(xué)報(bào),2003,21(3)：482-486.

[16] 哈斯,莊燕美,王蕾,等.毛烏素沙地南緣橫向沙丘粒度分布及其對(duì)風(fēng)向變化的響應(yīng)[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2006,25(6)：42-51.

[17] 隆浩,王乃昂,李育,等.毛烏素沙地北緣泊江海子剖面粒度特征及環(huán)境意義[J].中國(guó)沙漠,2007,27(2)：187-193.

[18] 李智佩,岳樂(lè)平,薛祥煦,等.毛烏素沙地沉積物粒度特征與土地沙漠化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版,2007,37(3)：578-586.

[19] 李占宏,海春興,叢艷靜.毛烏素沙地表土粒度特征及其空間變異[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(2)：74-79.

[20] 馬世威,馬玉明,姚洪林,等.沙漠學(xué)[M].呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社,1998.