王瑞東, 高 永, 黨曉宏，2, 蒙仲舉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

草地生態(tài)系統(tǒng)作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、最重要的組成部分，對全球氣候變化具有一定的影響[1]。在中國，草地不僅是畜牧業(yè)生產(chǎn)的基地，更是構(gòu)建我國北方生態(tài)安全屏障必不可少的資源[2]。近50 a來，由于自然條件的嚴(yán)峻性、氣候條件的波動性和人類社會各種不合理擾動性的相互作用，我國草場面積在持續(xù)不斷地減少[3-4]，尤其位于我國西北方生態(tài)環(huán)境相對脆弱的地區(qū)，草地退化愈來愈嚴(yán)重，使得該地區(qū)草地植被的質(zhì)量和產(chǎn)量下降，土壤有機質(zhì)含量下降，土壤質(zhì)地變粗砂化，草地生產(chǎn)力減退，草地覆蓋度下降，土壤風(fēng)蝕加劇，生態(tài)環(huán)境惡化等一系列現(xiàn)象已對內(nèi)蒙古西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成一定的威脅[5-8]。

在我國西北干旱、半干旱及亞濕潤干旱地區(qū)土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致草場退化的主要過程之一，而土壤質(zhì)地的差異直接影響土壤風(fēng)蝕程度的不同[9]。近年來，隨著學(xué)者對分形學(xué)的研究和探討，在定量描述土壤質(zhì)地方面分形理論的應(yīng)用已有了新的發(fā)展，在一定程度上可以表征風(fēng)蝕地區(qū)土壤沙化演變的定量指標(biāo)[10-14]。與傳統(tǒng)方法相比較，分形模型能進一步說明分形維數(shù)的物理意義[15]。到目前為止，針對希拉穆仁荒漠草原草場退化及土壤風(fēng)蝕較嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境特點，國內(nèi)學(xué)者從不同角度進行探討和分析，取得了大量的研究成果，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門也進行了一定的封育等管理措施[16-18]。然而，運用分形理論對希拉穆仁荒漠草原不同群落土壤粒徑的研究報道較少?；诖?，本研究以內(nèi)蒙古陰山北麓中部的希拉穆仁荒漠草原圍封16 a的不同群落類型為對象，探討荒漠草原封育措施下不同群落類型土壤顆粒分形特征及其影響因素，闡明其對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響，以期為希拉穆仁天然草地生境下的土壤顆粒分形學(xué)機制奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古高原中部地帶達爾罕茂明安聯(lián)合旗(簡稱達茂旗)東南部希拉穆仁草原(111°13′39″E，41°21′1″N)，該區(qū)域?qū)俚蜕角鹆觐愋?，地形低緩起伏，平均海拔高? 600 m。中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為279.40 mm，主要集中在7—9月；全年多風(fēng)，年均風(fēng)速4.50 m/s，年大風(fēng)日數(shù)為63 d，風(fēng)沙天氣主要集中春冬兩季，以北風(fēng)和西北風(fēng)為主。試驗地風(fēng)蝕和水蝕交替作用造成土壤板結(jié)和地表顆粒粗化，使希拉穆仁草原生態(tài)環(huán)境脆弱，該區(qū)域地帶性土壤主要以栗鈣土主，土壤質(zhì)地較粗糙，多為砂質(zhì)壤土。希拉穆仁鎮(zhèn)地帶性植被建群種植物為克氏針茅(Stipakrylovii)，草地群落主要以羊草(Leymuschimensis)×克氏針茅，其他植物種有蒙古韭(Alliummongolicum)、銀灰旋花(Convoloulusammannii)、洽草(Koeleriaglauca)、短花針茅(Stipabrevii)等多年生旱生草本等為主，呈典型荒漠草原特征[19]。

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集

試驗于2018年8月上旬在希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持試驗中心圍封區(qū)域內(nèi)進行，試驗選擇在坡向相同，地勢平坦，坡度在2.5°～3.5°的圍封區(qū)，采樣區(qū)域東西長1.2 km南北寬1.0 km，沿東西布設(shè)4條長度為300 m的樣線，每條樣線間隔50 m，利用優(yōu)勢種變化情況及其他植物群落特征，在圍封的采樣區(qū)域設(shè)置35個樣方，各樣線布設(shè)3～10個1 m×1 m正方形植物樣方。利用雙向指示種分析法確定6種群落類型樣地[20]。在取樣前一周天氣良好，無大風(fēng)和降水，采樣時選取平整地面，在已確定的6塊不同群落類型樣地，利用環(huán)刀按照(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)土層進行土樣采集，將5個樣點的重復(fù)樣混合后以四分法取對角線的土樣150 g裝入塑封袋進行室內(nèi)試驗。

1.3 室內(nèi)樣品測定方法

土壤樣品烘干處理后利用土壤篩去除直徑大于3.50 mm的粗物質(zhì)顆粒和植物根系，利用粒度測定分析儀器自帶軟件的用戶分級功能依據(jù)美國制土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)[21]，將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細砂(0.05～0.1 mm)、細砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1 mm)、極粗砂(1～0.2 mm)和砂石(>2 mm)。取篩選后的土樣(5.00±0.005)g置于燒杯中，加入45.00 ml蒸餾水充分浸沒樣品，滴入1～2滴濃度為30%H2O2溶液。靜置24h后去除土壤中的有機質(zhì)，待燒杯中無氣泡產(chǎn)時，進行加熱，使過剩的H2O2完全揮發(fā)反應(yīng)。冷卻后加入純凈水的同時滴入1 ～2 ml濃度為10%的HCL溶液，溶解樣品中碳酸鹽物質(zhì)，再次靜置24 h，測試樣品中的pH值，待樣品pH值呈中性后啟動激光粒度分析儀(Mastersizer 3000型，英國)，測定前先進行半小時的預(yù)熱，加入適量樣品于儀器中進行試驗測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤顆粒分形維數(shù)計算參考楊培嶺等[23]利用土壤顆粒粒徑的不同分布表征的土壤分形模型。即

(1)

土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重等參數(shù)采用環(huán)刀法測定，土壤含水量利用烘干法進行測定[24]，并計算一定土層深度內(nèi)的飽和蓄水量、吸持蓄水量和滯留蓄水量[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤分形維數(shù)與土壤機械組成的關(guān)系

通過土壤分形維數(shù)的計算得知，分形維數(shù)與土壤顆粒各粒級組分間呈一定關(guān)系。為確定土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級含量的關(guān)系，對分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂、細砂、中砂、粗砂、極粗砂和礫石進行相關(guān)性分析。由圖1可知，6種不同群落的土壤分形維數(shù)與各粒級顆粒大小、含量存在一定關(guān)系，土壤顆粒分形維數(shù)與粉粒、極細砂的百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中粉粒的百分含量與土壤顆粒分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，為0.960，表明粉砂的百分含量對土壤顆粒分形維數(shù)的影響極顯著，極細砂百分含量與土壤顆粒分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.555。與細砂的百分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，系數(shù)為0.020，與中砂、粗砂和極粗砂的百分含量的相關(guān)性不大，說明粉砂和極細砂含量越高，土壤顆粒分形維數(shù)越大。

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

運用Origin 9.0軟件對粉砂(X1)、極細砂(X2)、細砂(X3)、中砂(X4)、粗砂(X5)和極粗砂(X6)的百分含量與土壤顆粒分形維數(shù)進行了多元逐步回歸分析，目的是剔除各變量之間共線性的影響，關(guān)系式如式(2)所示。

D=2.226+0.010X1+0.001X2-0.007X3

(2)

經(jīng)過分析，可以認(rèn)為決定該地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)大小的主要是粉砂、極細砂和細砂的百分含量。

2.2 土壤顆粒分形維數(shù)與植被類型及采樣深度的關(guān)系

由表1可知，6種不同群落土壤顆粒分形維數(shù)在0—30 cm 采樣深度存在差異，6種不同群落類型的土壤分形維數(shù)以克氏針茅類型樣地0—5 cm土層2.890為最大值，以克氏針茅類型樣地20—30 cm土層2.329為最小值。在垂直結(jié)構(gòu)上，土壤顆粒分形維數(shù)隨采樣深度的變化整體呈不同程度的線性下降趨勢，變幅分別為：蒙古韭(0.150)、銀灰旋花(0.060)、克氏針茅(0.210)、羊草(0.130)、洽草(0.210)、短花針茅(0.190)。地表(0—30 cm)的平均土壤分形維數(shù)介于2.518～2.780，土壤平均分形維數(shù)依次表現(xiàn)為：克氏針茅(2.750)>短花針茅(2.735)>洽草(2.680)>銀灰旋花(2.678)>蒙古韭(2.575)>羊草(2.570)。

表1 土壤顆粒分形維數(shù)與植被類型及采樣深度的關(guān)系

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重、孔隙度的關(guān)系

土壤顆粒分形維數(shù)與土壤總孔隙度(r=0.731，p<0.01)、毛管孔隙度(r=0.788，p<0.01)、均呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.163(圖2)。表明土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重、孔隙度狀況存在一定關(guān)系，其中土壤總孔隙度、毛管孔隙度與土壤分形維數(shù)的關(guān)系最明顯，其次是土壤容重，但土壤顆粒分形維數(shù)對非毛管孔隙度大小的反映程度不高。表明6種不同群落類型下土壤總孔隙度、毛管孔隙度越大，土壤顆粒分形維數(shù)越大。在垂直結(jié)構(gòu)上總體土壤孔隙度呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢。

2.4 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水性能的關(guān)系

由圖3可知，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤飽和蓄水量、吸持蓄水量呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.812，0.846，與滯留蓄水量的性關(guān)性不顯著(r=0.346，p>0.05)。可見土壤顆粒分形維數(shù)對土壤蓄水狀況的反映程度存在差異，其中反映程度最大的是吸持蓄水量，其次是飽和蓄水量。表明吸持蓄水量和飽和蓄水量越大，土壤顆粒分形維數(shù)越大，但土壤顆粒分形維數(shù)難以反映滯留蓄水量的大小。

3 討 論

3.1 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤機械組成的關(guān)系

土壤顆粒機械組成與分形維數(shù)的關(guān)系，不僅與其成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、物理化學(xué)風(fēng)化過程等有關(guān)，不同植被類型、土地利用方式對土壤顆粒分形維數(shù)也存在一定影響[26-27]。通過土壤顆粒分形維數(shù)與各粒徑土壤顆粒百分含量相關(guān)性分析與回歸分析(圖1)可知，研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)D值與粉砂、極細砂的百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，其中土壤顆粒分形維數(shù)與粉砂的百分含量之間相關(guān)系數(shù)最大，為0.960。與細砂的百分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.020，與中砂、粗砂和極粗砂的百分含量的相關(guān)關(guān)系不顯著。這表明粉砂、極細砂含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)值越大，反之越小。這一研究結(jié)果與眾多研究土壤分形維數(shù)與粉砂含量關(guān)系的結(jié)果相一致[28]，而與部分研究關(guān)于土壤分形維數(shù)與粉砂關(guān)系的結(jié)果有所不同[29]。根據(jù)土壤顆粒分形維數(shù)計算過程得知，分形維數(shù)在6種不同群落的線性擬合分析方程的R2為0.019 8～0.960 3，說明分形維數(shù)擬合效果能反映土壤粒徑分布情況。根據(jù)學(xué)者對土壤細顆粒含量與土壤退化的關(guān)系的研究，結(jié)合本研究土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒機械組成之間相關(guān)性，也能說明土壤顆粒分形維數(shù)可作為指示土壤退化的一個重要指標(biāo)。

圖2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重、孔隙度的相關(guān)性

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水量的相關(guān)性

另外6種不同群落的土壤分形維數(shù)隨采樣深度增加呈現(xiàn)不同程度的波動，整體呈線性下降趨勢，原因是由于該樣地在實施封育措施后，易形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，植被恢復(fù)程度逐年加大，植被蓋度也隨之增加，地表土壤細粒物質(zhì)逐漸增多，對應(yīng)的土壤分形維數(shù)有增大趨勢，在0—10 cm土層中改善作用較明顯。另一原因由于草地上80%以上生長的是草本植物，其根系主要分布在相對較淺的土層中，由于植物根系能夠有效的增加下層土壤團聚體的含量，使土壤分形維數(shù)相應(yīng)減小。本研究對6種不同群落土壤顆粒分形維數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，希拉穆仁天然草地不同群落類型下土壤顆粒分形維數(shù)為2.518～2.780，平均值2.649，說明研究區(qū)土壤質(zhì)地比較均一。根據(jù)劉云鵬采用分形模型研究表明[30]，分形維數(shù)應(yīng)在2.75左右土壤其粒徑結(jié)構(gòu)較良好。進一步分析發(fā)現(xiàn)克氏針茅、短花針茅群落土壤分形維數(shù)最接近2.75，說明該群落樣地土壤結(jié)構(gòu)狀況最好，能夠較好的保肥保水。而蒙古韭、銀灰旋花、羊草群落分形維數(shù)較低，土壤結(jié)構(gòu)較差，這一規(guī)律與植被蓋度高和枯枝落葉層較厚易增加地表土壤養(yǎng)分含量和粉黏粒含量有一定關(guān)系。

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤物理參數(shù)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)較為良好的土壤容重通常為1.25～1.35 g/cm3，相應(yīng)的土壤總孔隙度一般為40%～50%[31]。該地區(qū)土壤容重在1.28～2.14 g/cm3，總孔隙度為34.63%～50.17%。一般來講，土壤顆粒分形維數(shù)越高，土壤質(zhì)地細顆粒物質(zhì)越多，通透性越差，分形維數(shù)值越低，則土壤結(jié)構(gòu)越松散[32]。但在近自然恢復(fù)狀態(tài)下圍封的荒漠草原區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)相反的規(guī)律，土壤顆粒分形維數(shù)與總孔隙度、毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與非毛管孔隙度相關(guān)性不顯著。表明圍封區(qū)內(nèi)，土壤孔隙度越大，通氣透水性能越好，對應(yīng)分形維數(shù)越高，規(guī)律不一致主要與該地區(qū)土壤中粗顆粒物質(zhì)較細顆粒物質(zhì)相對較高、分形維數(shù)總體相對較低有關(guān)，即土壤顆粒分形維數(shù)隨土壤顆粒機械組成、粒徑含量的不同與土壤的松散程度、通氣性表現(xiàn)出閾值效應(yīng)[25]。

3.3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水性能的關(guān)系

土壤顆粒分形維數(shù)在某種程度上可以表明土壤的蓄水性能，其中飽和蓄水量為吸持蓄水量和滯留蓄水量的總和，可以較好地反映植被減少地表徑流和防止土壤發(fā)生侵蝕的功能，而吸持蓄水量又稱為毛管持水量，滯留蓄水程為非毛管蓄水，主要反映植被的水源涵養(yǎng)功能[24-25]。土壤蓄水性能的差異主要與土壤孔隙的大小有關(guān)，近自然恢復(fù)狀態(tài)下荒漠草原的土壤顆粒分形維數(shù)與飽和蓄水量、吸持蓄水量呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，與滯留蓄水量相關(guān)性不顯著。表明群落類型不同，土壤顆粒分形維數(shù)對土壤蓄水性能表現(xiàn)出一定的差異。土壤顆粒中粉砂、極細砂含量越高的分形維數(shù)相對較高，粉砂、極細砂含量高的土壤在改善土壤通氣、透水性能的同時，增強土壤毛管孔隙度利于土壤團聚體的形成，提高水分子的吸附力，進而增強土壤的持水性能。從土壤顆粒分形及其蓄水性能特征來看，該地區(qū)6種群落改良土壤特性及蓄水功能表現(xiàn)為克氏針茅、短花針茅和洽草群落優(yōu)于其他3種群落。

4 結(jié) 論

(1) 決定該地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)大小的主要是粉砂(30.59%)和極細砂(18.7 %)的百分含量，其次細砂的百分含量，其余粒級土壤顆粒的影響程度較??；土壤顆粒分形維數(shù)與土壤總孔隙度、毛管孔隙度、飽和蓄水量和吸持蓄水量呈正顯著相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、非毛管孔隙度、滯留蓄水量的相關(guān)性不大。

(2) 6種不同群落類型下土壤顆粒分形維數(shù)最大為2.840，最小值為2.490。0—30 cm土層土壤顆粒平均分形維數(shù)介于2.575～2.750，從大到小依次為：克氏針茅(2.750)>短花針茅(2.735)>洽草(2.680)>銀灰旋花(2.678)>蒙古韭(2.575)>羊草(2.570)。6種不同群落類型樣地上土壤分形維數(shù)隨土壤采樣深度的變化發(fā)生不同的波動規(guī)律，整體上均呈線性下降趨勢。

(3) 從土壤分形維數(shù)及其蓄水性能來看，希拉穆仁荒漠草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下圍封區(qū)的6種群落改良土壤特性及蓄水功能表現(xiàn)為克氏針茅、短花針茅和洽草群落優(yōu)于其他3種群落。