馮艷瓊 ，何彤慧 ，吳春燕 ，喬 斌 ，蘇芝屯

（1.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810000）

【研究意義】濕地被稱(chēng)之為地球之腎，是地球生物化學(xué)循環(huán)不可替代的部分。銀川平原濕地屬于典型的綠洲濕地，不僅是生物多樣性的載體，還具有重要的環(huán)境調(diào)節(jié)功能及較高的生產(chǎn)力，其本身還具有很高的景觀價(jià)值［1］。銀川平原草甸濕地作為典型的濕地類(lèi)型，是重要的后備土地資源，其土壤特性對(duì)該系統(tǒng)的生存和發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。土壤是由不同粒徑組成的具有自相似結(jié)構(gòu)和分形特征的多孔介質(zhì)［2-4］，因此, 對(duì)土粒組合比例或土壤質(zhì)地類(lèi)型進(jìn)行定量化描述, 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與傳統(tǒng)的采用土壤粒徑的數(shù)量分布來(lái)描述土壤特性相比，用土壤粒徑的質(zhì)量分布來(lái)描述土壤的分形特征，模型更為簡(jiǎn)便，并能說(shuō)明分形維數(shù)的物理意義。【前人研究進(jìn)展】已有研究表明，分形維數(shù)不僅能反映土壤質(zhì)地、粒徑分布和肥力等，還可以模擬和預(yù)測(cè)土壤水分特征的綜合性指標(biāo)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用［5］,如應(yīng)用在土地利用［2，6-9］、環(huán)境指示［2，5，10-11］、土壤質(zhì)地反映［12-14］和土壤沙漠化評(píng)價(jià)［15-17］。我國(guó)對(duì)土壤分形維數(shù)的研究較晚［18］，且多集中在不同土地類(lèi)型方式下的土壤顆粒分形特征和空間變異性以及與土壤養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系［19］。【本研究切入點(diǎn)】分形維數(shù)在濕地土壤結(jié)構(gòu)的研究很少，且將土壤分形維數(shù)與植物群落的物種多樣性聯(lián)系在一起的研究少之又少。據(jù)統(tǒng)計(jì)銀川平原濕地總面積達(dá)2.07×105hm2，生物多樣性豐富，生態(tài)功能明顯，在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著重要的角色［20］，研究濕地土壤質(zhì)地和植物群落多樣性有助于深入了解該系統(tǒng)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以銀川平原草甸濕地作為研究對(duì)象，采用Tyler等［21］和楊培嶺等［22］提出的用土壤粒級(jí)顆粒質(zhì)量計(jì)算分形維數(shù)的方法來(lái)計(jì)算銀川平原草甸濕地土壤粒徑分形維數(shù)，以探究研究區(qū)土壤在不同水分和鹽分梯度下的分形特征、粒徑分布特點(diǎn)以及它們?cè)诖怪逼拭嫔系淖兓?guī)律，并對(duì)研究區(qū)土壤分形維數(shù)與植物群落的物種多樣性的關(guān)系做了初探，以期為評(píng)價(jià)銀川平原濕地的土壤性質(zhì)提供參考，為研究濕地土壤質(zhì)地與植物群落物種多樣性關(guān)系、了解草甸濕地的水土作用和保護(hù)草甸濕地資源提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

銀川平原地處中國(guó)西北地區(qū)，是在新生代斷陷盆地基礎(chǔ)上發(fā)育的堆積平原。年均氣溫為8～10 ℃，年降水量約為200 mm，屬于溫帶大陸性氣候，是干旱區(qū)半干旱區(qū)過(guò)渡帶。自古以來(lái)黃河縱穿其中，為銀川平原的濕地提供水源，使其成為干旱地區(qū)別具特色的綠洲。草甸濕地是銀川平原的典型濕地類(lèi)型，發(fā)育在徑流容易匯集的低地和地下水位高的洼地，且因水位的變化，在荒漠草原-沼澤濕地之間不斷擺動(dòng)，土壤性質(zhì)復(fù)雜。

1.2 野外采樣

2016年8月選取銀川平原濕地生物多樣性較高的低濕草甸樣地3個(gè)、典型草甸樣地5個(gè)和鹽生草甸樣地2個(gè)，每個(gè)樣地3次重復(fù)，共有30個(gè)植物群落樣方，大小為1 m×1 m，調(diào)查植物名稱(chēng)、多度、高度、蓋度等。并采用分層采樣法取土樣，土層深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm，帶回實(shí)驗(yàn)室在自然條件下風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，以用來(lái)剔除石塊及枯落物等，過(guò)篩后的樣品用于測(cè)定土壤粒徑等指標(biāo)。

低濕草甸植物種群以蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水葫蘆苗（Halerpestes mbalaria）、水莎草（Juncellus serotinus）、苔草（Carex tristachya）、野大豆（Glycine soja）為優(yōu)勢(shì)種，以寸草（Carex duriuscula）、賴(lài)草（Leymus secalinus）、灰綠藜（Chenopodium glaucum）、臭蒿（Artemisia hedinii）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、油蒿（Artemisia ordosica）、海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、稗草（Echinochloa crusgalli）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、苜蓿（Medicago sativa）、鵝絨藤（Cynanchum chinense）、刺兒菜（Cirsium setosum）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、藎草（Arthraxon hispidus）、牻牛兒苗（Erodium stephanianum）、牛筋草（Eleusine indica）、節(jié)節(jié)草（Equisetum ramosissimum）為伴生種，土壤含水量為30.61（±2.69）%，含鹽量為0.536（±0.060）g/kg。

典型草甸植物種群以堿蓬（Suaeda glauca）、拂子茅（Calamagrostis epigios）、蘆葦（Phragmites australis）為優(yōu)勢(shì)種，以藎草（Arthraxon hispidus）、水莎草（Juncellus serotinus） 、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、灰綠藜（Chenopodium glaucum）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、水葫蘆苗（Halerpestes cymbalaria）、賴(lài)草（Leymus secalinus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、掃帚苗（Kochia scoparia）、黃花蒿（Artemisia annua）為伴生種，土壤含水量為21.33（±0.77）%，含鹽量為1.233（±0.162）g/kg。

鹽生草甸植物種群以堿蓬（Suaeda glauca）、蘆葦（矮生）（Phragmites australis）為優(yōu)勢(shì)種，以拂子茅（Calamagrostis epigios）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、掃帚苗（Kochia scoparia）、萹蓄（Polygonum aviculare）為伴生種，土壤含水量為16.75（±5.53）%，含鹽量為2.830（±0.346）g/kg。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤粒徑的測(cè)定 取風(fēng)干土樣放入Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀（英國(guó)，馬爾文公司）取樣槽中，Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀可自動(dòng)測(cè)定土壤粒徑的體積百分比，重復(fù)性誤差≤ ±0.5%，準(zhǔn)確性誤差≤ ±1%［23］，可測(cè)得粒徑分別為粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、極細(xì)砂粒（0.05～0.1 mm）、細(xì)砂粒（0.1～0.25 mm）、中砂粒（0.25～0.5 mm）和粗砂粒（0.5～1 mm）。

1.3.2 分形維數(shù)計(jì)算方法 采用Tyler等［21］和楊培嶺等［22］提出的用粒徑質(zhì)量分布表征土壤的分形特征，即：

1.3.3 植物多樣性選取 采用張琳等［24］和屈月雷等［25］選用的Simpson物種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Weiner物種多樣性指數(shù)、Margalef物種豐富度指數(shù)和Pielou物種均勻度指數(shù)作為植物的多樣性指數(shù)。計(jì)算公式為：

式中，N為i類(lèi)植物所在樣方的各個(gè)種類(lèi)的相對(duì)重要值之和；S為i類(lèi)植物所在樣方的物種總數(shù)；Pi為第i種植物的相對(duì)重要值，Pi=（相對(duì)高度+相對(duì)蓋度）/2。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2010軟件進(jìn)行處理，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境土壤粒徑及分形維數(shù)

由表1可知，研究區(qū)土壤粒級(jí)含量表現(xiàn)為：粘粒（53.53%）＞極細(xì)砂粒（20.81%）＞粉粒（15.41%）＞細(xì)砂粒（7.92%）＞中砂粒（0.57%）＞粗砂粒（0.49%）。研究區(qū)的分形維數(shù)值變化范圍在2.23～2.84之間，分形維數(shù)在典型草甸、鹽生草甸和低濕草甸中分別表現(xiàn)為2.74、2.72、2.66。3種生境土壤各粒級(jí)含量差異顯著，低濕草甸細(xì)砂粒含量較高，典型草甸的粉粒和中砂粒含量較高，鹽生草甸的極細(xì)砂粒和粗砂粒含量較高。

表1 不同生境土壤粒徑分布及分形維數(shù)Table 1 Soil particle size distribution and fractal dimension in different habitats

2.2 3種生境土壤分形維數(shù)與粒級(jí)含量的關(guān)系

由表2可知，研究區(qū)3種生境土壤分形維數(shù)與土壤粘粒含量呈極顯著正相關(guān)（3種生境R2依次為0.945、0.770、0.924），與土壤極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明研究區(qū)土壤粘粒越多，分形維數(shù)越大；土壤極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒越多，分形維數(shù)越小。3種生境土壤分形維數(shù)與粉粒的關(guān)系表現(xiàn)為：典型草甸呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2=-0.581），鹽生草甸呈顯著正相關(guān)（R2=0.444），低濕草甸無(wú)顯著相關(guān)性（R2=0.128）。3種生境土壤分形維數(shù)與中砂粒的關(guān)系表現(xiàn)為：低濕草甸呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2=-0.392），典型草甸呈極顯著正相關(guān)（R2=0.573），鹽生草甸無(wú)顯著相關(guān)性（R2=-0.293）。3種生境土壤分形維數(shù)與粗砂粒的關(guān)系表現(xiàn)為：鹽生草甸呈顯著負(fù)相關(guān)（R2=-0.427），低濕草甸和典型草甸無(wú)顯著相關(guān)性（R2分別為0.111和0.294）。說(shuō)明土壤粉粒、中砂粒和粗砂粒含量的不同是導(dǎo)致3種生境土壤結(jié)構(gòu)存在差異的原因。

表2 不同生境土壤顆粒分形維數(shù)（D）與粒級(jí)含量（d）分布回歸關(guān)系Table 2 Regression relationship between soil particle fractal dimension (D) and particle size distribution (d) in different habitats

2.3 不同生境土壤粒級(jí)含量在不同土層上的分布

土壤顆粒在土層垂直方向上的變化顯示：低濕草甸中土壤粘粒、粉粒和中砂粒在表層含量較高，細(xì)砂粒和極細(xì)砂粒深層累積，粗砂粒僅出現(xiàn)在表層；典型草甸中土壤黏粒和粉粒在表層含量較高，細(xì)砂粒、極細(xì)砂粒和中砂粒在深層累積，粗砂粒僅出現(xiàn)在深層；鹽生草甸中土壤粘粒和粉粒含量無(wú)明顯變化，極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒深層累積，中砂粒在表層含量較高，粗砂粒僅出現(xiàn)在表層（圖1）。

圖1 不同生境下的土壤粒級(jí)含量在土壤剖面上的變化Fig. 1 Changes of soil particle size on soil profiles in different habitats

2.4 不同生境植物群落的多樣性與土壤分形維數(shù)

如圖2所示，4種多樣性指數(shù)整體上表現(xiàn)為低濕草甸＞典型草甸＞鹽生草甸。其中Simpson指數(shù)和Shannon-Weiner指數(shù)表現(xiàn)出相同的差異性，即低濕草甸顯著高于鹽生草甸，而與典型草甸間無(wú)顯著差異；Margalef指數(shù)表現(xiàn)為低濕草甸顯著高于典型草甸，而與鹽生草甸間無(wú)顯著差異；Pielou指數(shù)在3種生境下均無(wú)顯著差異。

圖2 不同生境植物群落的多樣性指數(shù)Fig. 2 Diversity indexes of plant communities in different habitats

圖3為研究區(qū)土壤分形維數(shù)與植物群落的多樣性關(guān)系，從y=Ax+B、y=AeBx、y=A+B和y=Ax2+Bx+C中選取R2最佳作為擬合方程，其中與Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)以指數(shù)函數(shù)擬合（R2分別為0.105和0.238），呈現(xiàn)出隨著土壤分形維數(shù)的增大，Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)有變小的趨勢(shì)；與Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)以多項(xiàng)式函數(shù)擬合（R2分別為0.179和0.176），隨著土壤分形維數(shù)的增大，Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)，且在分形維數(shù)值為2.6左右出現(xiàn)峰值。

3 討論

圖3 不同土壤分形維數(shù)對(duì)應(yīng)的植物4種多樣性指數(shù)Fig. 3 4 diversity indexes corresponding to different fractal dimensions of soil

草甸是在適中的水分條件下發(fā)育起來(lái)的以多年生中生草本植被為主體的典型區(qū)域；草甸土是溫帶區(qū)域低洼地上在地下水浸潤(rùn)作用下形成的半水成土壤，主要分布在我國(guó)東北平原、內(nèi)蒙古和西北地區(qū)的河谷平原或湖盆地區(qū)。在干旱半干旱地區(qū)濕地研究中，草甸被視為陸域過(guò)濕土壤上的濕地類(lèi)型。銀川平原的草甸濕地植被中，低濕草甸的植物物種較為多樣，主要以蘆葦、香蒲、水葫蘆苗和水莎草等為建群種；典型草甸以堿蓬、拂子茅和蘆葦為建群種；鹽生草甸中植物物種數(shù)較為單一，為堿蓬和矮生蘆葦組成的單優(yōu)群落。銀川平原草甸濕地土壤母質(zhì)主要為河流洪積物，分選型較好，沉積層次明顯，沙粘層相間，其分布地段地形較低平，地下水位較高。本研究結(jié)果表明，銀川平原草甸濕地土壤主要由以粘粒為主的微團(tuán)聚體構(gòu)成，中砂粒和粗砂粒的大團(tuán)聚體占極少部分；其土壤分形維數(shù)值趨于2.28～2.84，處于具有良好結(jié)構(gòu)和肥力狀況土壤［26-27］（分形維數(shù)在 2.60～2.80）與砂土類(lèi)［26，28］（分形維數(shù)在1.83～2.64）土壤的分形維數(shù)之間，這也表征了草甸濕地土壤母質(zhì)的泥沙沉積特征。在土壤分形維數(shù)粒徑組成的關(guān)系上，分形維數(shù)越大，粘粒含量越高，極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒含量越少，這與相關(guān)研究［2，8，29］基本一致。銀川平原草甸濕地土壤分形維數(shù)的垂直分布特征，顯示土壤粘粒和粉粒表層含量較高，極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒深層含量較高，這不僅與草甸土形成中的腐殖化過(guò)積、淀積化過(guò)程有關(guān)，還與草甸發(fā)育過(guò)程中的河湖水漫淤過(guò)程有關(guān)。銀川平原是黃河洪泛平原，黃河洪水漫灘、引黃灌溉過(guò)程中的溝渠引排、尾閭匯水、潛水水位升降等，無(wú)疑都是草甸濕地發(fā)育的影響因素。

研究區(qū)草甸濕地主要分布在銀川平原溝渠內(nèi)外邊坡與尾閭、渠邊洼地、蓄洪區(qū)、黃河洪泛平原和湖邊周?chē)?0］，其形成受局地地形、水文、人類(lèi)耕作活動(dòng)等成土因素的影響較大，具有很強(qiáng)的隱域性，在3種生境下其土壤性質(zhì)表現(xiàn)出差異性。低濕草甸土壤細(xì)砂粒含量相對(duì)較高，中砂粒表層含量較高，粗砂粒僅在表層出現(xiàn)。因?yàn)榈蜐癫莸橹饕植荚跍线吋捌皆屯莸?，排水不良，地下水埋深較淺，且黃河渠道大水漫淤的機(jī)會(huì)較大，土壤腐殖化較明顯，土壤中稍大顆粒物在生草層（土壤平均厚度18.6 cm）含量比本研究其他兩種草甸相對(duì)較多。鹽生草甸土壤極細(xì)砂粒和粗砂粒含量相對(duì)較高，且粗砂粒僅出現(xiàn)在表層。因?yàn)辂}生草甸主要分布在平原地區(qū)的湖灘邊緣或干灘地，地下水位高，基本出現(xiàn)地表水漫灘的可能性，以地下水為其補(bǔ)給水源，地下水含鹽量較高，在土壤毛管作用下將鹽分帶至表層，且土壤存在較明顯的潴育化過(guò)程，使土壤粗化［31］。而典型草甸土壤粉粒和中砂粒含量較高，分形維數(shù)相對(duì)較大，且在土壤分形維數(shù)和粒徑關(guān)系上顯示：與粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與中砂粒含量呈極顯著正相關(guān)；在土層剖面上，中砂粒深層含量較多，粗砂粒僅出現(xiàn)在深層。這是因?yàn)榈湫筒莸橹饕植荚谇呁莸?，黃河水和溝渠尾水漫淤的機(jī)會(huì)較多，沉淀的泥沙較細(xì)，粉粒含量相對(duì)較多，地表水及地下水側(cè)向雙重補(bǔ)給，受地下水周期性升降的影響，土壤性質(zhì)不穩(wěn)定，空間異質(zhì)性較高，土壤粒徑分布規(guī)律復(fù)雜。

本研究得出水分含量較高的低濕草甸植物群落物種多樣性較高，與李文嬌等［32］的單一水分的增加有助于植物群落物種多樣性的增加的觀點(diǎn)，以及張欽弟等［33］的土壤水分與物種多樣性在水分梯度上存在較好的相關(guān)性的觀點(diǎn)基本一致，說(shuō)明草甸濕地植物群落物種多樣性受水文的直接影響；而土壤物理結(jié)構(gòu)通過(guò)影響地表及地下水的再分配，進(jìn)而對(duì)草甸濕地植物群落物種多樣性產(chǎn)生了間接影響。值得注意的是整個(gè)草甸濕地在土壤分形維數(shù)變大的過(guò)程中，植物群落的Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)有變小的趨勢(shì)，Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)出現(xiàn)了先增大后減少的規(guī)律，且均在土壤分形維數(shù)為2.6左右出現(xiàn)峰值，結(jié)果均與預(yù)想的規(guī)律相悖。這可能是因?yàn)椴煌锓N對(duì)不同土壤屬性的依賴(lài)差異較大［34］，加之研究區(qū)有放牧活動(dòng)，人為干擾較為嚴(yán)重，對(duì)淺根的植物群落的多樣性影響較大。持續(xù)的人為干擾會(huì)降低群落植物多樣性［35］，進(jìn)而猜想對(duì)Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)的影響出現(xiàn)了波動(dòng)可能是因?yàn)橥寥婪中尉S數(shù)在2.6左右是接受人為干擾對(duì)于該兩種生物多樣性指數(shù)影響的最大閾限。

4 結(jié)論

銀川平原草甸濕地是干旱區(qū)典型的濕地類(lèi)型，其形成受局地地形、水文、人類(lèi)耕作活動(dòng)等多重因素影響。銀川平原草甸濕地土壤以粘粒的微團(tuán)聚體為主，分形維數(shù)值趨于2.28～2.84；3種草甸濕地土壤分形維數(shù)存在顯著差異，表現(xiàn)為典型草甸（2.74）＞鹽生草甸（2.72）＞低濕草甸（2.66）；土壤分形維數(shù)與粘粒含量呈極顯著正相關(guān)，與極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤垂直剖面上表層粘粒和粉粒含量較高，深層極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒含量較高，中砂粒波動(dòng)較大，粗砂粒僅出現(xiàn)在表層或深層；土壤粒徑和分形特點(diǎn)受局部地形環(huán)境的水文關(guān)系影響較明顯。低濕草甸的植物群落物種多樣性較高，多樣性指數(shù)平均值達(dá)1.15；水土過(guò)程對(duì)植物群落物種多樣性產(chǎn)生直接影響，土壤物理結(jié)構(gòu)對(duì)植物群落物種多樣性起間接驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)人為因素也起著重要的作用。