王雪梅，曹麗君

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”， 新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】綠洲-荒漠過渡帶是綠洲生態(tài)屏障的重要組成部分，在綠洲環(huán)境保障和綠洲生態(tài)系統(tǒng)安全等方面都具有極其重要的功能性作用，它既是綠洲抵御風(fēng)沙等危害的第一道屏障，又是風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)地段[1]。在這樣的重要地段，土壤粒度特征和覆蓋其上的植被的對(duì)應(yīng)關(guān)系尤其引人關(guān)注。土壤不僅為陸生植物提供基底而且為其生長提供所需的水肥氣熱，進(jìn)而影響其表層植物群落的物種構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化，從而具有很好的生態(tài)指示意義。土壤粒度是土壤的一個(gè)穩(wěn)定的自然屬性，表征了土壤的機(jī)械組成狀況，在成土過程中，由于受各種物理、化學(xué)和生物因素的影響，土壤粒度特征在空間上存在很大的差異[2]。土壤的粒度組成差異與土壤持水能力、儲(chǔ)養(yǎng)能力以及抗風(fēng)蝕能力有著密切的關(guān)系。土壤粒度空間變化特征，在一定程度上可以反映植被防風(fēng)固沙的效果，同時(shí)也可以表征荒漠化程度?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近些年來，眾多學(xué)者對(duì)綠洲-荒漠過渡帶的土壤粒度進(jìn)行了相關(guān)，研究區(qū)域主要分布于干旱區(qū)的甘肅河西地區(qū)的荒漠綠洲、新疆塔里木盆地邊緣的荒漠綠洲區(qū)以及內(nèi)蒙古的荒漠草原。陳小紅等[3]研究了黑河中游荒漠綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過渡帶的土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒級(jí)分布及各養(yǎng)分指標(biāo)的關(guān)系。郭挺等[4]分析了民勤沙區(qū) 3 種典型微區(qū)土壤水分及其粒度特征變化，桂東偉等[5]探討塔里木盆地南緣策勒綠洲邊緣綠洲化進(jìn)程中不同土地利用方式對(duì)土壤粒徑分布屬性的影響。毛冬雷等[6]研究了策勒綠洲—沙漠過渡帶不同地貌部位表面及近地表輸沙和降塵物質(zhì)粒度及粒徑分形特征。劉志強(qiáng)等[7]研究了多倫縣防風(fēng)固沙區(qū)生態(tài)修復(fù)植物群落下土壤顆粒的分形維數(shù)及其在土壤剖面上的變化規(guī)律。但目前針對(duì)干旱區(qū)綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落的土壤粒度特征分析方面的研究開展相對(duì)較少。由于塔里木盆地北緣綠洲-荒漠過渡帶對(duì)于渭干河-庫車河三角洲綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要的保護(hù)意義。【本研究的切入點(diǎn)】本文對(duì)該綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落下的土壤分形維數(shù)和粒度特征值的差異及相關(guān)性進(jìn)行探究，分析了土壤粒度的空間變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為渭干河-庫車河綠洲三角洲綠洲建設(shè)和荒漠化防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲位于天山南麓，塔里木盆地北緣，在行政上隸屬于阿克蘇地區(qū)管轄(圖1)。地勢北高南低，北部為南天山南坡，中部為河流宏積沖積平原，南部為塔克拉瑪干沙漠，主要河流是渭干河、庫車河，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，降雨量少，日照長，晝夜溫差大，無霜期183～227 d，年平均氣溫在9.9～11.5 ℃，年降水量42.4～94.4 mm，具有冬季干冷和夏季干熱的特點(diǎn)，且風(fēng)力很強(qiáng)。研究區(qū)土壤以砂質(zhì)土壤為主，植被稀疏，植被類型主要為灌叢和草本。其中，草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、花花柴[Kareliniacaspia(Pall. ) Less]、豬毛菜(Salsolaarbuscula)等，灌木主要為檉柳(Tamarixramosissima)、鹽穗木(Halostachyscaspica)、鹽節(jié)木(Halocnemumstrobilace)和白刺(NitrariatangutorumBobr)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 調(diào)查取樣 在前期布點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用GPS于2016年8月在渭干河-庫車河三角洲綠洲-荒漠過渡帶選點(diǎn)采樣。在研究區(qū)范圍共調(diào)查45個(gè)樣地，每個(gè)采樣點(diǎn)均用GPS精確定位，并獲取海拔高度，將45個(gè)樣地劃分為4個(gè)樣區(qū)，調(diào)查并確定每個(gè)樣區(qū)內(nèi)的主要植物群落。植物采樣的方法[8]：每個(gè)樣地內(nèi)取1個(gè)50 m×50 m喬層木樣方，3個(gè)10 m×10 m灌木層樣方，5個(gè)1 m×1 m草木層樣方，將其植物名稱、個(gè)體數(shù)、最高高度、最低高度冠幅及蓋度等指標(biāo)記錄在植物樣點(diǎn)調(diào)查表中，各調(diào)查區(qū)域的典型植物群落概況見表1。采用土壤剖面和多點(diǎn)混合取樣法分層取樣，取樣深度為100 cm，每個(gè)樣地內(nèi)分0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm以及>80 cm 6層進(jìn)行取樣，每層隨機(jī)取3個(gè)樣品混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過2 mm篩后進(jìn)行室內(nèi)分析。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

表1 典型植物群落概況

表2 ?？?沃德(1957)公式定義的粒度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 土壤粒徑分級(jí)與統(tǒng)計(jì)分析參數(shù) 土樣預(yù)處理后，采用Malvern 2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，其粒度測定范圍為0.2～2000 μm。采用國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)：粗砂粒>250 μm；砂粒20～250 μm；粉砂2～20 μm；粘粒< 2 μm，最后根據(jù)?？?沃德(1957)公式[9]和定義用求GRADISTAT粒度分析軟件得各粒度參數(shù)(表2)。

分形維數(shù)應(yīng)用王國梁等[9]、Tyler和Wheatcraft[10]提出的關(guān)系式：

(1)

式中，R為兩篩分粒級(jí)Rx與Rx+1間粒徑的平均值，Rmax為最大粒級(jí)土粒的粒徑，V(r

2 結(jié)果與分析

2.1 典型植物群落土壤的粒級(jí)分布

表3 典型植物群落土壤粒徑在不同土層的分布

續(xù)表3 Continued table 3

群落類型Community type土層(cm)Soil layer百分含量(%)Percentage粗砂粒>250 μm砂粒20～250 μm粉砂粒2～20 μm黏粒﹤2 μm>8043.723.530.12.8蘆葦+駱駝刺Phragmites australis+Tamarix ramosissima0～1035.927.335.31.510～2035.731.731.80.820～4036.025.537.31.240～6035.528.334.41.860～8035.226.534.53.7>8037.431.729.31.5鹽節(jié)木Halocnemum strobilace0～1043.828.125.82.310～2039.935.123.21.920～4042.430.325.91.340～6040.827.231.01.060～8047.835.415.31.5>8042.833.621.81.8蘆葦Phragmites australis0～1033.428.634.83.210～2038.526.831.33.320～4034.630.131.14.240～6035.829.631.72.960～8037.030.231.01.8>8035.632.628.53.4

根據(jù)表3和圖2對(duì)典型植物群落下的土壤粒徑組成進(jìn)行分析：從總體來看，研究區(qū)典型植物群落土壤以粗砂粒、砂粒和粉砂粒為主，平均含量分別介于 33.4 %～49.1 %、23.5 %～35.4 % 和15.3 %～35.3 % 之間，3種粒級(jí)含量之和大于95 %，而黏粒含量極少，平均值介于0.8 %～4.2 % 之間。從水平方向來看，檉柳群落土壤的粗砂粒平均含量最多(在4個(gè)植物群落中比較，下同)，為46.0 %，蘆葦+駱駝刺群落土壤的粉砂粒平均含量最多，為33.8 %，鹽節(jié)木群落的砂粒平均含量最多，為31.6 %，蘆葦群落的黏粒平均含量最多，為3.2 %?？拷哪闹参锶郝渫寥来稚傲Ｆ骄颗c粉砂粒平均含量差異較大，靠近綠洲的植物群落土壤則相反。從垂直方向看，隨土層深度的增加，不同粒級(jí)的百分含量都有輕微的波動(dòng)，但各層土壤都以粗砂粒含量最高，黏粒含量最低。

圖2 不同植物群落土壤的粒徑組成Fig.2 Particle size composition of soil in different plant communities

表4 分形維數(shù)與粒徑分布的相關(guān)關(guān)系

注：D為分形維數(shù)；a、b、c和d表示不同粒級(jí)粒徑體積百分含量；**表示在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

Note:Dis the fractal dimension;a,b,canddrepresent the volume percentage content of different particle sizes; ** indicates that the correlation is significant when the confidence (bilateral) is 0.01.

2.2 典型植物群落土壤的分形維數(shù)

2.2.1 分形維數(shù)與粒徑分布的相關(guān)性 分形維數(shù)可以反映土壤的質(zhì)地均勻度[11-12]，可作為土壤質(zhì)地綜合性的定量化指標(biāo)。研究區(qū)典型植物群落下的土壤分形維數(shù)與黏粒含量的擬合方程的確定系數(shù)0.583，擬合效果與其他粒徑相比較好，且分形維數(shù)與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(表4)，與粗砂粒含量、砂粒含量和粉砂粒含量沒有顯著的相關(guān)性(P﹤0.01)，說明2 μm粒徑是決定研究區(qū)土壤分形維數(shù)與土壤粒徑關(guān)系的臨界粒徑。﹤2 μm粒徑的土壤顆粒體積百分含量越高，分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地均勻度越好，表征土壤結(jié)構(gòu)越緊實(shí)，土壤質(zhì)地粘重、通透性較差，﹥2 μm粒徑的土壤顆粒體積百分含量越高，分形維數(shù)越小，土壤質(zhì)地均勻度越差，表征土壤質(zhì)地相對(duì)松散，通透性較好。

2.2.2 分形維數(shù)在土層剖面的變化 從水平方向來看，不同植物群落土壤分形維數(shù)的比較(圖3)：蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落﹥鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落?？拷G洲的蘆葦+駱駝刺群落和蘆葦群落，土壤含水量較大，而靠近荒漠的檉柳群落和鹽節(jié)木群落，土壤含水量較少，植被覆蓋度：蘆葦群落﹥蘆葦駱駝刺群落，鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落，因此，可以初步推斷，影響不同植物群落下土壤粒度分形維數(shù)的因素首先是水分條件，土壤含水量越高，分形維數(shù)越大，其次是植被覆蓋度，同分布于靠近綠洲或靠近荒漠的土壤，植被覆蓋度越大，分形維數(shù)越大。從垂直方向來看，隨著土層加深，靠近綠洲的植物群落土壤分形維數(shù)波動(dòng)幅度較大，靠近荒漠的植物群落土壤的分形維數(shù)變化幅度較小，而這可能是因?yàn)榭拷G洲的植物群落土壤受到一定程度的人為因素干擾。在0～20 cm的表層土壤，檉柳群落和蘆葦+駱駝刺群落的的分形維數(shù)呈減小趨勢，而鹽節(jié)木群落和蘆葦群落的分形維數(shù)呈增大趨勢，說明鹽節(jié)木群落和蘆葦群落的對(duì)表層土壤具有一定的改善作用。

2.3 典型植物群落土壤的粒度特征

研究區(qū)典型植物群落土壤的粒度特征總體上表現(xiàn)為：平均粒徑比較粗，分選性比較差，粗偏程度比較大，粒度比較分散。從水平方向來看：靠近綠洲的植物群落土壤平均粒徑較細(xì)，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的植物群落土壤則相反，原因可能是，由于綠洲的植物群落覆蓋度較大，地下水含量較高，有機(jī)制的含量較高，對(duì)土壤有較好的細(xì)化作用。典型植物群落土壤的粒度特征值在垂直方向上沒有明顯的變化規(guī)律，但在表層都有平均粒徑變粗、分選性變好的趨勢，這可能是由于研究區(qū)風(fēng)力較大，表層土壤遭到一定程度的風(fēng)蝕，細(xì)顆粒被風(fēng)吹走，而粗顆粒留下的原因。

圖3 不同植物群落土壤分形維數(shù)在土層剖面上的變化Fig.3 Variation of soil fractal dimension in soil profiles of different plant communities

圖4 不同植物群落粒度特征值差異Fig.4 Differences in grain size characteristics of different plant communities

平均粒徑。平均粒徑表征沉積物顆粒的粗細(xì)。典型植物群落土壤的平均粒徑的均值介于311.96～673.72 μm(圖4)。從水平方向來看，不同植物群落間土壤平均粒徑的比較：檉柳群落﹥鹽節(jié)木群落﹥蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落。從垂直方向來看，隨土層深度的增加，檉柳群落和鹽節(jié)木群落土壤平均粒徑波動(dòng)較大，在0～20 cm土層4種典型植物群落的平均粒徑都呈變粗趨勢。

分選性。分選性反映土壤顆粒粗細(xì)的均勻程度，分選系數(shù)越小，土壤顆粒物的分選性越好。研究區(qū)典型植物群落土壤的分選系數(shù)平均值的變化范圍是3.03～4.83(圖4)，分選性處于比較差和極差之間。不同植物群落土壤的分選性比較：鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落﹥蘆葦+駱駝刺群落﹥蘆葦群落。從垂直方向來看：蘆葦群落土壤粒度的分選性波動(dòng)最小，在0～20 cm土層，4種典型植物群落土壤分選性呈變好趨勢。

偏度。偏度反映土壤粒度分布的不對(duì)稱性，偏度系數(shù)為負(fù)值時(shí)，土壤顆粒為粗偏，偏度系數(shù)的值越小，粗偏程度越大。研究區(qū)典型植物群落土壤粒度的偏度系數(shù)平均值介于-0.57～-0.31之間(圖4)，說明研究區(qū)土壤屬于極粗偏。不同植物群落偏度系數(shù)比較：蘆葦+駱駝刺群落﹥蘆葦群落﹥鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落。從垂直方向來看，隨著土層深度的增加，蘆葦+駱駝刺群落土壤的偏度系數(shù)波動(dòng)最小。

峰態(tài)。峰態(tài)描述分布形態(tài)的陡緩程度，也可以反映頻率曲線中粒度分布中的集中分散情況，峰度系數(shù)越大，峰態(tài)越尖窄粒度分布越集中。研究區(qū)典型植物群落土壤的峰度平均值介于0.75～1.06(圖4)，介于寬平峰到中等峰之間，說明粒度分布比較分散，各粒度級(jí)別的含量不突出。不同植物群落土壤粒度的峰度平均值的比較：鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落﹥蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落，這與土壤的分選性的比較表現(xiàn)完全一致。4種植物群落土壤粒度的峰度系數(shù)在垂直方向上都有較大的波動(dòng)。

2.4 土壤粒度特征與粒級(jí)組成、分形維數(shù)之間的相關(guān)性分析

粒度特征值與粒徑分布的相關(guān)性(表5)，平均粒徑與粗砂粒、砂粒含量呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01，下同)與粉砂粒、黏粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)；分選系數(shù)與粗砂粒、砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉砂粒含量、黏粒含量呈極顯著正相關(guān)，說明當(dāng)粗砂粒、砂粒含量越高，分選性越好，粉砂粒、黏粒含量越高時(shí)，分選性越差；偏度與粗砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉砂粒含量呈極顯著正相關(guān)；峰度與粗砂粒含量和砂粒含量呈極顯著的正相關(guān)，與粉砂粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)，說明粗砂粒、砂粒含量越高，粒度分布越集中，粉砂粒含量越高則粒度越分散。分形維數(shù)與粒度特征值的相關(guān)性：分形維數(shù)與平均粒徑呈極顯著的負(fù)相關(guān)分選系數(shù)呈極顯著的正相關(guān)，與其它粒度特征值沒有顯著的相關(guān)性，說明平均粒徑越小，分選性越差時(shí)，分形維數(shù)越大。粒度特征值之間的相關(guān)性：平均粒徑與分選系數(shù)和偏度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與峰度呈極顯著的正相關(guān)；分選系數(shù)與偏度呈極顯著的正相關(guān)，與峰度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，偏度與峰度呈極顯著的負(fù)相關(guān)。

表5 典型植物群落土壤粒度指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：**表示在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

Note: ** indicates that the correlation is significant at a confidence level(bilateral) of 0.01.

3 討論與結(jié)論

研究區(qū)綠洲-荒漠過渡帶4種典型植物群落的土壤均以粗砂粒、砂粒和粉砂粒含量為主，含量之和大于95 %，黏粒含量較少，不足5 %。土壤的分形維數(shù)與黏粒含量呈顯著的正相關(guān)，與粗砂粒、砂粒和粉砂粒含量沒有明顯的相關(guān)性，土壤分形維數(shù)首先受到水分影響，其次受植被覆蓋度影響，植被覆蓋度越大，分形維數(shù)越大，反映土壤中的細(xì)顆粒愈多[13-14]。

粒度作為沉積物的一個(gè)基本特征，可以反映外界環(huán)境的變化特征。通過對(duì)粒度特征分析來進(jìn)一步判斷土壤的發(fā)育程度與來源[15-16]。本文研究得出，由于受水分影響較大，靠近綠洲的植物群落土壤平均粒徑較細(xì)，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的植物群落土壤則相反，這與張凱等的結(jié)論相一致[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的平均粒徑與分選系數(shù)和偏度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與峰度呈極顯著的正相關(guān)；分選系數(shù)與偏度呈極顯著的正相關(guān)，與峰度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，偏度與峰度呈極顯著的負(fù)相關(guān)。這與李萬娟[18]等人對(duì)新疆艾比湖周邊檉柳沙堆的土壤粒徑分析結(jié)果有所不同。通過分析認(rèn)為，艾比湖周邊土壤顆粒以細(xì)顆粒為主，而渭-庫綠洲-荒漠過渡帶以粗顆粒為主，造成粒度特征值之間的相關(guān)性不同。通過以上研究，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地北緣渭-庫綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤粒度的粒級(jí)組成、土壤分形維數(shù)、土壤粒度特征存在一定的差異。

(1)該綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤以粗砂粒、砂粒和粉砂粒為主，不同土層之間以粗砂粒含量和粉砂粒含量波動(dòng)頻率較大。

(2)典型植物群落土壤分形維數(shù)與黏粒含量顯著相關(guān)，靠近綠洲的蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落的分形維數(shù)明顯大于靠近荒漠的鹽節(jié)木群落和檉柳群落，且靠近綠洲的植物群落土壤分形維數(shù)在不同土層變化較大。

(3)研究區(qū)典型植物群落土壤平均粒徑較粗，分選性為比較差、極差，偏度為粗偏、極粗偏，峰態(tài)為寬平峰、中等峰?？拷G洲的蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落土壤平均粒徑較細(xì)，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的檉柳群落和鹽節(jié)木群落土壤則相反。

(4)典型植物群落土壤不同粒徑含量與分形維數(shù)和粒度特征值之間存在一定的顯著相關(guān)性。

(5)蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落對(duì)植物群落對(duì)整體土壤質(zhì)地有更好地改善作用，檉柳群落和鹽節(jié)木群落對(duì)表層土壤起到了較好的抗風(fēng)蝕作用。

經(jīng)過分析，影響塔里木盆地北緣綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤的粒徑分布、分形維數(shù)及粒度特征值的因素，首先是土壤水分含量，其次植被覆蓋度、風(fēng)蝕因素、有機(jī)質(zhì)含量以及人為因素等，后者造成的影響比較復(fù)雜。