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        草海不同石漠化程度土壤分形特征研究

        2015-12-16 08:15:34李翠蓮戴全厚
        水土保持研究 2015年1期
        關(guān)鍵詞:研究

        李翠蓮,戴全厚,姚 云

        (1.貴州大學(xué) 林學(xué)院,貴陽550025;2.息烽縣林業(yè)綠化局,貴州 息烽551100;3.息烽縣水務(wù)管理局,貴州 息烽551100)

        草海濕地是我國一級保護(hù)鳥類黑頸鶴的主要越冬棲息地,由水域、沼澤、草甸以及豐富的水生動植物和較高生產(chǎn)力的水生生物群落組成,是一個完整的高原濕地生態(tài)系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)和功能完整,是我國亞熱帶高原濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。由于受人為活動的影響,作為國家的一級重要保護(hù)濕地[1],草海的生態(tài)壞境受到嚴(yán)重的威脅。目前,威寧全縣石漠化面積占土地總面積的17.53%,其中,輕度石漠化占69.46%,中度石漠化占27.69%,強(qiáng)度石漠化(含極強(qiáng)度)占2.85%[2]。石漠化的形成,加大了上游地區(qū)的水土流失,大量的地表徑流攜帶泥沙進(jìn)入草海,造成草海泥沙淤積,庫容減小。泥沙還攜帶大量養(yǎng)分進(jìn)入草海,造成水體富營養(yǎng)化,擾亂整個濕地生態(tài)系統(tǒng)。水土流失的加劇,導(dǎo)致原本脆弱的石漠化形勢更加嚴(yán)峻。

        土壤是由大小、形狀各異的土壤顆粒和孔隙組成的結(jié)構(gòu)極不規(guī)則的多孔介質(zhì),是一種較典型的分形材料,具有統(tǒng)計意義上的自相似性,是具有分形特征的系統(tǒng)[3-5]。分維值D的大小直接表征樣本之間的結(jié)構(gòu)性,能較好地表征喀斯特石漠化過程中的土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分狀況以及石漠化的程度,可作為評價喀斯特地區(qū)土壤退化的定量指標(biāo)之一[6]。

        自分形理論提出以來,國內(nèi)外對土壤的分形特征有了大量的研究,但其研究方向主要集中在不同植被類型[7-9]、植被破壞前后[10]及不同土地利用方式[11]下的土壤分形特征,而對不同石漠化程度土壤分形特征的研究不多[6,12-14]。尤其對草海石漠化地區(qū)土壤分形特征的研究幾乎是空白。因此,本研究運(yùn)用分形理論,對草海不同石漠化程度土地的土壤顆粒及團(tuán)聚體的分形特征進(jìn)行研究,旨在揭示草海地區(qū)石漠化土壤的結(jié)構(gòu)特征,為草海地區(qū)石漠化治理和草海濕地的保護(hù)提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧彝族回族苗族自治縣草海鎮(zhèn),屬草海濕地上游集水區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°36′—104°45′,北緯26°30′—27°25′,最高海拔2 879m,最低海拔1 234m,相對高差1 645m,平均海拔2 220m。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,年均氣溫為10.4℃,冬季寒冷,夏季溫涼,日溫差大,年溫差小。年平均降雨量為962mm,且主要集中在6—9月,約占全年降水量的89.30%,年均日照時數(shù)為1 800h,無霜期180d,全年干濕分明,光照充足。

        1.2 研究方法

        1.2.1 樣地選擇及土樣的采集 根據(jù)不同石漠化程度(石漠化程度的劃分參考彭琴等[15]學(xué)者的劃分方法),在研究區(qū)設(shè)置5個樣地(樣地特征見表1),每個樣地分別設(shè)置3個20m×20m的樣方,在樣方內(nèi)按S型布設(shè)5個采樣點(diǎn),用鋁盒采集表層(0—20cm)原狀土,用于測定土壤團(tuán)聚體;用土鉆在5個采樣點(diǎn)鉆取0—20 cm的土樣,帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干,分別過1mm和0.25mm篩,用于測定土壤機(jī)械組成和土壤微團(tuán)聚體。

        表1 樣地基本特征

        1.2.2 測定方法 土壤機(jī)械組成及微團(tuán)聚體的測定采用吸管法,土壤團(tuán)聚體的測定采用干—濕篩法[16]。

        1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及圖表的繪制、用Spss 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

        1.3 土壤分形維數(shù)計算方法

        分形維數(shù)采用楊培嶺等[17]的方法,計算公式為:

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤顆粒組成及其分形特征

        土壤顆粒組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元。不同土壤粒徑含量組合構(gòu)成不同質(zhì)地的土壤類型,影響土壤的理化性質(zhì),決定土壤的持水性、通透性及保溫、保肥能力,進(jìn)而影響土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程[13]。由表2可知,Ⅳ號樣地的砂粒(1~0.05mm)含量最高,達(dá)11.59%,其次是Ⅲ號樣地,11.03%,Ⅰ號樣地含量最少,僅為8.14%;Ⅴ號樣地的粉粒(0.001~0.005mm)含量最高,Ⅰ號樣地最低,粉粒含量從高到低依次是:Ⅴ號(49.60%)、Ⅳ號(46.14%)、Ⅲ號(44.40%)、Ⅱ號(43.47%)、Ⅰ號(37.85%);各樣地土壤中黏粒(<0.001mm)的含量大小與粉粒(0.001~0.005mm)相 反,表 現(xiàn) 為:Ⅰ號 (54.01%)>Ⅱ號(47.78%)>Ⅲ號(44.57%)>Ⅳ號(42.27%)>Ⅴ號(41.73%);從土壤顆粒的分形維數(shù)可看出,Ⅰ號樣地分形維數(shù)最大,為2.908 4,Ⅴ號樣地最小,為2.854 3,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號樣地分別為2.881 8,2.865 5,2.861 5。同時,分形維數(shù)呈隨著粉粒含量的增加而減小,隨著黏粒的增加而增加的規(guī)律。通過對各粒徑含量與分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn):顆粒分形維數(shù)與<0.001mm含量呈極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.995**,與0.001~0.005mm 含量呈正相關(guān)(未達(dá)到顯著),與0.005~0.01mm,0.01~0.05mm,0.05~1mm 含量均呈負(fù)相關(guān),但僅與0.01~0.05mm的含量達(dá)到顯著水平,相關(guān)系數(shù)為-0.957*。對分形維數(shù)與土壤砂粒(1~0.05mm)、粉粒(0.001~0.5mm)、黏粒(<0.001mm)作線性回歸,關(guān)系式為D顆粒=2.949~0.008X砂粒,相關(guān)系數(shù)為0.007;D顆粒=3.088~0.005X粉粒,相關(guān)系數(shù)為-0.963**;D顆粒=2.678+0.004X粘粒,相關(guān)系數(shù)為0.995**。結(jié)果表明,土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粉粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤黏粒含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,即土壤粘性越重,顆粒分形維數(shù)越大。

        表2 土壤顆粒組成及其分形維數(shù)

        2.2 土壤微團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

        土壤微團(tuán)聚體是土壤細(xì)小顆粒在有機(jī)—無機(jī)膠結(jié)物的作用下相互凝聚和粘結(jié)而成的復(fù)雜綜合體,對土壤中水分和營養(yǎng)元素保貯、釋供及轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著重要的作用,影響著土壤肥力水平的高低和土壤結(jié)構(gòu)的改善[18]。由表3可以看出,Ⅰ號樣地<0.001mm微團(tuán)聚體的含量最高(21.61%),Ⅴ號樣地含量最低(10.13%),從Ⅰ號樣地到Ⅴ號樣地呈遞減趨勢。Ⅰ號樣地1~0.25mm微團(tuán)聚體含量最低,為19.73%,且與其他樣地相差較大,其余樣地從大到小依次為:Ⅴ號樣地(41.34%)>Ⅳ號樣地(34.89%)>Ⅱ號樣地(33.75%)>Ⅲ號樣地(30.89%)。0.25~0.05mm微團(tuán)聚體含量變化范圍為8.71%~11.74%,其中Ⅴ號樣地含量最高,Ⅲ號樣地最低。0.05~0.01mm微團(tuán)聚體含量介于15.68~19.08%之間,高低順序依次為Ⅰ號樣地>Ⅲ號樣地>Ⅴ號樣地>Ⅳ號樣地>Ⅱ號樣地。0.01~0.005mm微團(tuán)聚體含量最少,只占了6.73%~8.03%,其中以Ⅳ號樣地含量最高,Ⅰ號樣地次之,Ⅴ號樣地最低。0.005~0.001mm微團(tuán)聚體含量,由高到低依次是:Ⅰ號樣地(22.27%)>Ⅲ號樣地(17.62%)>Ⅳ號樣地(17.37%)>Ⅱ號樣地(16.93%)>Ⅴ號樣地(12.47%)。陳恩鳳等[19]認(rèn)為小于和大于0.01mm的兩類“特征微團(tuán)聚體”的組成比例,是綜合評價土壤肥力的新的有用指標(biāo),且<0.01 mm/>0.01mm微團(tuán)聚體含量的比值是肥地<瘦地。從表3可以得出,Ⅴ號樣地大粒級(>0.01mm)微團(tuán)聚體含量最高,為70.67%,Ⅳ號樣地次之,為62.92%,Ⅰ號樣地最低,為48.39%;除Ⅰ號樣地外,其余樣地大粒級(>0.01mm)微團(tuán)聚體含量都大于50%(Ⅲ號樣地為58.46%,Ⅱ號樣地為60.1%),說明研究區(qū)土壤微團(tuán)聚體主要以>0.01mm的大粒級為主。從<0.01mm/>0.01mm微團(tuán)聚體含量的比值來看,Ⅰ號樣地(1.066 5)>Ⅲ號樣地(0.710 57)>Ⅱ號樣地(0.663 9)>Ⅳ號樣地(0.589 3)>Ⅴ號樣地(0.415 0)。

        表3 土壤微團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

        不同石漠化程度土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)為2.697 6~2.795 0,其大小分別是Ⅰ號樣地(2.795 0)>Ⅲ號樣地(2.753 5)>Ⅱ號樣地(2.753 3)>Ⅳ號樣地(2.713 1)>Ⅴ號樣地(2.697 6)。將分形維數(shù)D微團(tuán)與各粒級團(tuán)聚體之間進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明分形維數(shù)D微團(tuán)與1~0.25mm微團(tuán)聚體呈顯著的負(fù)相關(guān)(r=-0.942*,P<0.05),與0.005~0.001mm微團(tuán)聚體呈顯著的正相關(guān)(r=0.893*,P<0.05),與<0.001mm微團(tuán)聚體呈極顯著的正相關(guān)(r=0.991**,P<0.01)。對分形維數(shù)D微團(tuán)與大粒(>0.01mm)微團(tuán)聚體作線性回歸,關(guān)系式為D微團(tuán)=3.018~0.005X大粒,相關(guān)系數(shù)為-0.964**。顯然,土壤微團(tuán)聚體較大粒級含量越多,微團(tuán)聚體分形維數(shù)越小。

        2.3 土壤團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

        土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分,有保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱,影響土壤酶活性的種類和活性,維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層的作用,其大、小粒級的組成比例,影響著土壤肥力水平的高低[20]。

        由土壤團(tuán)聚體干篩結(jié)果可知(表4),各樣地>5 mm土壤團(tuán)聚體的含量均在70%以上,Ⅰ號樣地最高,達(dá)到了87.27%,Ⅱ號樣地最低,為70.27%,結(jié)果表明研究區(qū)土壤團(tuán)聚體以>5mm的大粒級團(tuán)聚體為主。5~2mm團(tuán)聚體的含量次之,各樣地間的含量大小順序?yàn)棰蛱枠拥兀劲籼枠拥兀劲筇枠拥兀劲裉枠拥亍?~1mm,1~0.5mm,0.5~0.25mm,<0.25mm土壤團(tuán)聚體的含量相對較少,其中2~1 mm,1~0.5mm,0.5~0.25mm土壤團(tuán)聚體含量最大值均出現(xiàn)在Ⅱ號樣地,且Ⅰ號樣地2~1mm,1~0.5mm,<0.25mm土壤團(tuán)聚體含量均最小。土壤團(tuán)聚體干篩分形維數(shù)變化范圍為1.909 3~2.046 0,從大到小依次為Ⅲ號樣地(2.046 0)>Ⅴ號樣地(2.022 6)>Ⅰ號樣地(1.973 9)>Ⅳ號樣地(1.914)>Ⅱ號樣地(1.909 3)。

        經(jīng)過濕篩后,>5mm土壤團(tuán)聚體含量急劇下降,其中減幅最大的是Ⅰ號樣地,減少了86.07%;其次是Ⅴ號樣地,減少了65.37%;Ⅳ號樣地減少量最小,也減少了30.72%。結(jié)果表明,在石漠化地區(qū),土壤團(tuán)聚體抵抗水力分離、崩解的能力比較弱。樣地土壤中其他粒級土壤團(tuán)聚體含量都有不同程度的提高,以<0.25mm 土壤團(tuán)聚體含量增幅最大,為680.20%~3812.28%,各樣地含量從大到小依次為:Ⅰ號樣地(22.30%)>Ⅲ號樣地(17.46%)>Ⅱ號樣地(11.56%)> Ⅴ 號 樣 地 (9.76%)> Ⅳ 號 樣 地(7.88%)。

        從表中可以看出,各樣地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在較大粒級,Ⅰ—Ⅳ號樣地>2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體 的 含 量 分 別 為 37.26%,60.94%,68.70%,71.22%,58.68%。通過計算得到各樣地結(jié)構(gòu)體破壞率,結(jié)果為:Ⅰ號樣地>Ⅲ號樣地>Ⅱ號樣地>Ⅴ號樣地>Ⅳ號樣地。土壤經(jīng)過濕篩處理后,其團(tuán)聚體分形維數(shù)也有所提高,各土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)為:Ⅲ號樣地(2.648 8)>Ⅰ號樣地(2.491 4)>Ⅱ號樣地(2.374 0)>Ⅳ號樣地(2.317 2)>Ⅴ號樣地(2.261 9)。對>0.25mm土壤團(tuán)聚體與團(tuán)聚體分形維數(shù)進(jìn)行線性回歸分析,得到:D團(tuán)聚體=5.049~0.031X>0.25mm,r=-0.932**。說明土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)隨土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體含量的增加而減小。

        表4 土壤團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

        2.4 不同石漠化等級土壤分形維數(shù)

        從表5可知,不同石漠化程度土壤各分形維數(shù)均表現(xiàn)出D顆粒>D微團(tuán)>D濕篩>D干篩,且D顆粒與D微團(tuán)的最大值都出現(xiàn)在重度石漠化土壤中,無石漠化樣地土壤D顆粒、D微團(tuán)值最小。對土壤顆粒組成分形維數(shù)D顆粒和土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)D微團(tuán)作相關(guān)性分析后,發(fā)現(xiàn)土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.922*。土壤顆粒組成分形維數(shù)從Ⅰ—Ⅴ號樣地逐漸減小,即隨石漠化等級的增加而增大。分形維數(shù)越大,土壤粘性越重,土壤通透性就越差。相比無石漠化地,石漠化樣地的土壤顆粒組成分形維數(shù)都較大,說明石漠化發(fā)展過程中,土壤有向重粘性質(zhì)地發(fā)展的趨勢。有研究認(rèn)為隨著石漠化的發(fā)展,土壤物理性黏粒(粒徑<0.01mm)含量逐漸增加,物理性砂粒(粒徑>0.01 mm)含量逐漸減少,土壤向粘質(zhì)化、緊密化發(fā)展[13]。同時,土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線表現(xiàn)出先下降再上升后下降的趨勢,但從石漠化程度來看,土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)總體上是隨石漠化程度的降低而下降;各石漠化等級土壤風(fēng)干團(tuán)聚體經(jīng)過濕篩處理后,出現(xiàn)分形維數(shù)升高的現(xiàn)象。就土壤風(fēng)干團(tuán)聚體分形維數(shù)而言,最高值出現(xiàn)在中度石漠化樣地,其次是無石漠化樣地,但它在石漠化發(fā)展過程中的變化規(guī)律并不明顯。濕篩后,土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線與風(fēng)干土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線相似,只有無石漠化樣地的團(tuán)聚體分形維數(shù)從風(fēng)干時的第二,變成了濕篩處理后的最低值。

        表5 不同石漠化程度土壤分形維數(shù)

        3 結(jié)論與討論

        (1)石漠化地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)為2.854 5~2.908 4,且土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.963**,P<0.01)、與黏粒呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.995**,P<0.01)。這與許多學(xué)者的研究結(jié)果類似,都認(rèn)為分形維數(shù)的大小主要是由粒級較細(xì)的顆粒含量所決定[21]。土壤微團(tuán)聚體主要以>0.01mm的大粒級微團(tuán)聚體為主,同時對土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)與大粒(>0.01mm)微團(tuán)聚體含量做線性回歸之后相關(guān)性顯著。各樣地土壤風(fēng)干團(tuán)聚體>5mm粒級的含量均在70%以上,經(jīng)過濕篩處理,>5mm土壤團(tuán)聚體含量大量的減少,而其他粒級土壤團(tuán)聚體都有不同程度的提高,其中<0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量增加最明顯。造成這種現(xiàn)象的原因可能是土粒間、微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力較小[22],膠結(jié)物含量較少。土壤團(tuán)聚體抵抗水流崩解、分散的能力往往表征土壤抵抗水流侵蝕的能力,因此研究區(qū)一旦遇到徑流,就很容易發(fā)生土壤侵蝕,造成水土流失。

        (2)不同石漠化程度土壤各分形維數(shù)均表現(xiàn)出D顆粒>D微團(tuán)>D濕篩>D干篩,且土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)相關(guān)性顯著。從石漠化演化過程來看,土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)都有隨石漠化等級的減小而逐漸降低的趨勢。這是由于在石漠化的水蝕區(qū)土壤的侵蝕程度越大,其重量分形維數(shù)就越小,這與陳子玉[23]等學(xué)者對南方水蝕區(qū)土壤顆粒分形的研究結(jié)果相似。同時也表明對于石漠化過程中土壤團(tuán)聚體分形特征來說,土壤干、濕篩分形維數(shù)變化相似,但隨石漠化程度的變化規(guī)律并不明顯。

        (3)隨著石漠化程度增強(qiáng),土壤顆粒分形維數(shù)增加,土壤黏粒含量表現(xiàn)出增加的趨勢。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于受人為因素的影響,石漠化的加劇造成植被覆蓋率下降、植物群落從高級到低級演替的結(jié)果,同時植物根系對土壤的穿插和網(wǎng)絡(luò)固結(jié)作用,可以改變土壤的通透性和力學(xué)性質(zhì),使顆粒組成和理化性質(zhì)發(fā)生變化[23]。有研究表明,石漠化地區(qū)土壤物理性黏粒與植被覆蓋率有顯著的相關(guān)性[24]。因此,應(yīng)基于不同程度石漠化土壤分形特征的研究,探究研究區(qū)石漠化綜合治理模式,從根本上改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤抗侵蝕能力,為研究區(qū)的石漠化治理提供重要依據(jù)。

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