劉淑娟，袁宏波，劉世增，劉虎俊，李發(fā)明，郭樹江，王 琪，郭春秀，李菁菁，魏懷東

（甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站 甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州730070）

土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質(zhì)，土壤顆粒組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元。土壤顆粒組成的變化是土地退化過程中最普遍而有代表性的現(xiàn)象，從土壤顆粒組成的變化和差異特征，可以用來判斷土地退化的強(qiáng)弱和發(fā)展強(qiáng)度［1－3］。土壤分形維數(shù)能夠表征土壤粒徑大小組成，且反映質(zhì)地均一程度［4］。Tyler［5］、楊培嶺［4］等用極限法推導(dǎo)出土壤顆粒的重量與粒徑分布分形維數(shù)的關(guān)系式。研究表明［6］砂粒組成中的細(xì)沙越多，其分形維數(shù)越大；在干旱區(qū)植被恢復(fù)過程中，分形維數(shù)與土壤質(zhì)地的細(xì)?；兓恢?，且隨著恢復(fù)時(shí)間延長有增大的趨勢［7］。土壤顆粒分形維數(shù)D能夠很好地表征土壤的結(jié)構(gòu)性狀，且土壤顆粒分形維數(shù)與沙質(zhì)荒漠化的土壤有機(jī)質(zhì)含量以及指示植物的重要值顯著相關(guān)，其數(shù)值隨著沙漠化程度的加劇而降低［8－10］。因此，研究土壤顆粒組成的變化對了解土壤、植被等環(huán)境特征的演變都具有重要意義［3］。

石羊河尾閭——青土湖，位于騰格里沙漠西北緣，是古潴野澤湖群的一部分［11］。北魏后期，古潴野澤分化解體為休屠澤（西海，青土湖前身）和潴野澤（東海，今白堿湖）兩個(gè)互不連接的水域。20世紀(jì)初期，青土湖（即現(xiàn)今的“湖區(qū)”）水域面積大約120 km2。隨著流域人口的增長和灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展，青土湖水域面積逐漸萎縮。20世紀(jì)40年代末，水域面積尚有約70km2，20世紀(jì)50年代中后期，湖泊開始萎縮，1959年完全干涸，僅殘留有東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等鹽堿灘地或沼澤性草灘，大部分已被流沙覆蓋或墾殖［11－12］。青土湖作為石羊河的終端，又是民勤綠洲與兩大沙漠（騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠）之間的一個(gè)生態(tài)屏障，其重要性顯而易見。為盡快遏制流域生態(tài)惡化態(tài)勢，2007年底國務(wù)院審批通過了《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，投資47億元推進(jìn)石羊河流域的重點(diǎn)治理。根據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，從2010年9月開始由政府主導(dǎo)，以渠道輸送的形式向青土湖注入生態(tài)用水，截至2012年11月4日，在青土湖形成了15km2水面。青土湖注水和形成水面的預(yù)期是促進(jìn)湖區(qū)植被恢復(fù)，延緩區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化，減緩沙漠化的不斷推進(jìn)，推動(dòng)石羊河流域乃至整個(gè)區(qū)域環(huán)境整治和生態(tài)恢復(fù)。但是，由于地理空間和氣候特異性，青土湖區(qū)域處于極度干旱地區(qū)，年平均降雨量在100mm以下，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有其特殊性。因此，水面形成后該區(qū)地下水、植被、土壤、氣候、風(fēng)沙活動(dòng)等生態(tài)因子響應(yīng)如何，水面形成對周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響究竟有多大，其作用過程和機(jī)理如何等問題，就成為當(dāng)前急需研究和探討的研究課題。為此，本研究以土壤顆粒特征分析為著眼點(diǎn)，通過分形特征分析距水面邊緣不同距離的土壤粒徑變化及其分形特征，以期為合理、定量地評價(jià)水面形成對生態(tài)環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處騰格里沙漠西北緣，甘肅省民勤縣城東北70km處，屬于石羊河下游干三角洲，海拔高度約為1 292～1 310m。該區(qū)年平均氣溫7.8℃，大于10℃的有效積溫3 289.1℃；年降水量110mm左右，且降水多集中于7—9月，占全年降水量73%，蒸發(fā)量達(dá)2 600mm以上；無霜期168d，光照3 181h，太陽輻射630kJ/cm2；全年盛行西北、西北偏西風(fēng)，夏秋季東風(fēng)也比較盛行。主要害風(fēng)為西北風(fēng)，風(fēng)勢強(qiáng)烈，年均風(fēng)速4.1m/s；屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。區(qū)域地形地貌以湖相沉積基質(zhì)上分布3～10m高低不等的流動(dòng)、半固定、固定沙丘與丘間低地相互交錯(cuò)分布的地貌類型。研究區(qū)主要以湖相沉積物的砂土及壤質(zhì)砂土為主；植被類型為典型的荒漠植被，自然植被整體稀疏、種類較少，白刺、蘆葦群落是研究區(qū)的主要植被類型，白刺沙堆呈斑塊狀分布，面積相對較大，蘆葦群落主要分布在水面邊緣區(qū)域或地下水位較淺區(qū)域，同時(shí)有蘇枸杞、鹽爪爪為主要伴生灌木；草本植物種類相對較豐富，主要有駝蹄瓣（Zygophyllum fabago），戟葉鵝絨藤（Cynanchumsibiricum），刺沙蓬（Salsolaruthenica），豬毛菜（Salsolacollina），砂引草（Messerschmidiasibirica），沙蓬（Agriophyllumsquarrosum），碟果蟲實(shí)（Corispermumpatelliforme），砂藍(lán)刺頭（Echinopsgmelini）等。

1.2 樣地選擇和樣品采集

根據(jù)研究區(qū)地貌特征、植被和土地利用狀況，以典型性和代表性為原則，選擇垂直水面邊緣東北方向每隔50m挖取土壤剖面在每個(gè)剖面采集土層深度分別為0—20cm，20—40cm土樣各3份，將所取土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干，過2mm篩，去根，備用。

1.3 樣品分析測試

稱取土樣0.5g，加30%過氧化氫，在72℃下去除有機(jī)質(zhì)，加鹽酸去除碳酸鹽，加超純水稀釋，靜置后，除上清液以除酸，反復(fù)靜置除酸直至pH值為6.5～7.0，然后加入六偏磷酸鈉（NaHMP），超聲30s后用英國馬爾文MS2000激光粒度儀測定土壤粒徑的質(zhì)量百分比。

1.4 粒度分級(jí)

本研究土壤粒度分級(jí)采用1978年《中國土壤》中的土壤質(zhì)地分類方法。細(xì)黏粒（＜0.001mm），粗黏粒（0.001～0.005mm），細(xì)粉粒（0.005～0.01mm），粗粉粒（0.01～0.05mm），細(xì)砂粒（0.05～0.25mm）和粗砂粒（0.25～2.0mm）。

1.5 分形維數(shù)

土壤是具有分形特征的系統(tǒng)，運(yùn)用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型［4，13］，計(jì)算土壤顆粒的分形維數(shù)。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系式為:

式中:D——土壤顆粒分形維數(shù)；di——兩相鄰粒級(jí)di與di＋1間土粒平均直徑（mm）；dmax——最大粒級(jí)土粒平均直徑（mm）；mi——直徑小于di的累積質(zhì)量（g）；m0——土壤樣品總質(zhì)量（g）。具體應(yīng)用時(shí)，首先求出土壤樣品不同粒徑di的lg（di/dmax）和lg（mi/m0）值，并將二者進(jìn)行線性擬合，分析求得斜率K，則土壤分形維數(shù)為D＝3－K。試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel和SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水面邊緣距離及不同土層深度土壤粒徑分布

表1為不同水面邊緣距離與不同土層深度粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量的關(guān)系。由表1可以看出，在0—20cm土層0.05～0.25mm的細(xì)砂粒含量最高，距水面邊緣不同距離土壤粒徑介于57.19%～87.91%，平均值為79.68%；同樣在20—40cm土層的細(xì)砂粒含量最高，土壤粒徑介于56.98%～89.75%，均值小于0—20cm土層的粒徑含量，為74.53%；再次為粗砂粒（0.25～2.0mm），在0—20 cm土層介于2.18%～12.79%，均值7.80%，而在20—40cm土層粗砂粒介于0.54%～29.72%，均值大于0—20cm土層粒徑含量，為9.24%；在青土湖水面邊緣周邊細(xì)砂粒的含量明顯大于其他粒徑的含量。由于1959年湖泊完全干涸，該區(qū)域被流沙覆蓋。從表1可以看出，0—20cm和20—40cm土層的不同水面邊緣距離粒度百分比，距水面邊緣0～150m，粗粉粒（0.01～0.05mm）、細(xì)粉粒（0.005～0.01 mm）和粗黏粒（0.001～0.005mm）含量明顯增加，均在150m處達(dá)到最大。分析可知在距水面邊緣150 m內(nèi)土壤粒徑表現(xiàn)為細(xì)砂粒含量減少，黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒成分增加趨勢，土壤向黏質(zhì)化、緊密化發(fā)展，隨后因受水面形成影響較小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增多，土壤再次向砂質(zhì)化、疏松化發(fā)展。

表1 不同土層深度和距水面邊緣不同距離的土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

2.2 不同深度及不同水面距離土壤顆粒分形特征

粒徑分布是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，表現(xiàn)出明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，越難形成很好的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地越細(xì)，形成的微小孔隙越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)也越高［14－18］。運(yùn)用回歸分析法，由公式（1）計(jì)算出距水面邊緣不同距離0—20cm和20—40cm土層土壤顆粒的分形維數(shù)，回歸分析所得相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，線性相關(guān)顯著（表1）。將距水面邊緣不同距離不同土壤深度的土壤粒徑分形維數(shù)求平均值，0—20cm，20—40cm 土層范圍分別在2.370 8～2.879 6，2.359 0～2.750 9之間，不同土層分形維數(shù)差異不顯著（p＞0.05）。從圖1可以看出，0—20cm土層在0～150m土壤粒徑分形維數(shù)呈緩慢增加趨勢，在150m處達(dá)到最大2.879 6，隨后逐漸降低；而20—40cm土層在0～100m呈緩慢增加趨勢，在100m處達(dá)到最大2.750 9，隨后降低。綜合分析可知，水面形成對0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—40cm土層土壤粒徑的影響范圍100m。水面的形成增加土壤黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒質(zhì)量含量的作用，土壤顆粒分形維數(shù)被提高；而超過一定距離水面的影響變小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增加，因此，其土壤顆粒分形維數(shù)相差不大。

2.3 分形維數(shù)與土壤粒徑分布的關(guān)系

由土壤分形維數(shù)的計(jì)算可知，分形維數(shù)與土壤顆粒含量從小到大的累計(jì)含量有關(guān)。對6個(gè)粒徑含量和分形維數(shù)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。由表2可知，分形維數(shù)與土壤顆粒大小密切相關(guān)，在0—20cm土層，分形維數(shù)與＜0.05mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與其它粒徑含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在20—40cm土層，分形維數(shù)與＜0.05mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與0.05～0.25mm粒徑含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明土壤顆粒分形維數(shù)對各個(gè)土壤粒徑分布含量的反映程度不同，其中反映程度最大的是細(xì)黏粒含量﹝相關(guān)系數(shù)分別為0.939 5，0.944 2（p＜0.01）﹞，其次是粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量，即在0—20cm土層，土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量越高，細(xì)砂粒、粗砂粒含量越低；在20—40cm土層，土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量越高，細(xì)砂粒含量越低。

表2 分形維數(shù)D與土壤粒級(jí)含量的線性關(guān)系

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)砂粒粒徑分布主要以＞0.05mm的砂粒為主，其次為黏粒。距水面邊緣150m內(nèi)表現(xiàn)細(xì)砂粒含量減少，黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒成分增加趨勢。

（2）粒徑分布是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，表現(xiàn)出明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，越難形成很好的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地越細(xì)，形成的微小孔隙越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)也越高［15－18］。距水面邊緣距離不同、土層深度不同，土壤的粒徑分布有所差異，具有不同的分形特征，其分形維數(shù)界于2.370 8～2.879 6。綜合分析可知，水面對0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—40cm土層土壤粒徑的影響范圍為100m。水面的形成增加土壤黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒質(zhì)量含量的作用，土壤顆粒分形維數(shù)被提高；而超過一定距離水面的影響變小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增加，因此，其土壤顆粒分形維數(shù)相差不大。

（3）無論是0—20cm還是20—40cm土層，分形維數(shù)與砂粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與黏粒、粉粒含量（＜0.05mm）呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。表明土壤顆粒分形維數(shù)是反映土壤質(zhì)地的一個(gè)較好指標(biāo)，土壤顆粒分形維數(shù)主要反映了土壤黏粒、粉粒的含量，這與許多研究結(jié)果一致。土壤顆粒分形維數(shù)大小與土壤質(zhì)地的細(xì)粒化有一致的變化趨勢，許多研究表明土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤顆粒大小的分形維數(shù)越高［19］即土壤顆粒直徑越小，細(xì)粒物質(zhì)（黏粒、粉粒）含量越高，對空間的填充能力越強(qiáng)，土壤分形維數(shù)就越大。＞0.05mm粒徑是決定作為土壤各粒徑含量的綜合指標(biāo)土壤分形維數(shù)的臨界粒徑，＜0.05mm粒徑物質(zhì)含量的增加和＞0.05mm粒徑物質(zhì)含量的降低共同導(dǎo)致了土壤顆粒分形維數(shù)增大。青土湖區(qū)域土壤分形維數(shù)與細(xì)粒物質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，與其它粒徑含量呈負(fù)相關(guān)的重要原因。也可以說，在青土湖區(qū)域，水面的形成能通過改變土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量而改變土壤分形維數(shù)的大小，也是其改善土壤物理結(jié)構(gòu)、發(fā)揮水土保持功能的分形學(xué)機(jī)制。在強(qiáng)勁的風(fēng)力吹蝕下，水面的形成不僅降低砂粒的風(fēng)蝕，而且水面可阻截更多過境的細(xì)粒物質(zhì)（＜0.05mm）并使其在水面及水面周邊聚集，導(dǎo)致細(xì)粒物質(zhì)成分增加，＞0.05mm的砂粒含量降低，分形維數(shù)相應(yīng)升高。而超過一定距離，水面的截存作用減小，分形維數(shù)相應(yīng)降低。在極度干旱地區(qū)，應(yīng)急輸水后青土湖水面形成使得部分植被植被恢復(fù)，土壤粉粒、黏粒含量的增加和沙粒含量降低共同導(dǎo)致土壤質(zhì)地細(xì)?；?，也使得在影響區(qū)域范圍內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)增大。

（4）眾多研究表明，土壤顆粒分形維數(shù)能較好地反映土壤物理性狀，土壤顆粒分形維數(shù)和土壤總孔隙度呈較明顯正相關(guān)關(guān)系［10，15］，且不同土壤粒徑含量的組合構(gòu)成不同的土壤質(zhì)地類型，進(jìn)而在一定程度上影響土壤性狀和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化［18］。青土湖水面形成是否也影響了土壤養(yǎng)分狀況和物理性狀，將做進(jìn)一步研究。

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