婁泊遠(yuǎn)， 王永東， 周 娜， 閆晉升， 艾柯代·艾斯凱爾

（1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.國(guó)家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤為植被發(fā)育和生長(zhǎng)提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)地則直接影響著土壤結(jié)構(gòu)、水分、肥力狀況及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，對(duì)于土壤的蓄水保肥能力以及植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用有著重要影響，其變化對(duì)干旱區(qū)林木的生長(zhǎng)和林地生產(chǎn)力具有重要影響［1］。土壤粒度組成與土地利用類型、土地覆被、土壤退化程度等密切相關(guān)［2-4］，而且影響著土壤水力特性、肥力狀況、抗侵蝕性等［5-7］。土壤粒度組成是表征不同土壤理化性質(zhì)差異的重要指標(biāo)，其顆粒的粗細(xì)變化直接影響著土壤養(yǎng)分和水分的變化［8-9］。土壤作為由不同顆粒構(gòu)成的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征［10］。王國(guó)梁等［11］提出土壤顆粒體積分形維數(shù)概念，詳細(xì)合理的闡釋了分形維數(shù)和土壤粒度組成的關(guān)系。分形維數(shù)可以作為綜合評(píng)價(jià)土壤狀況的指標(biāo)之一，能夠定量描述土壤粒度參數(shù)的變化，可反映土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)特性、土壤退化程度等［12］。目前針對(duì)人工林對(duì)土壤粒度組成的影響已有很多研究，蘇敏等［13］研究表明，在呼倫貝爾沙地種植樟子松人工林能夠有效增加土壤細(xì)顆粒含量；黃剛等［14］研究科爾沁沙地樟子松人工林土壤發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的增加來(lái)源于樟子松林的降塵截留作用。應(yīng)用分形維數(shù)是評(píng)價(jià)土壤粒度組成特征的合理方法［15］，熱依拉·木民等［16］指出，土壤分形維數(shù)與土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷等顯著相關(guān)，分形維數(shù)可以表征土壤的肥力狀況。王賢等［17］研究重慶山區(qū)林地土壤分形維數(shù)發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)特征能夠用于林地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。目前，關(guān)于努爾蘇丹地區(qū)森林土壤粒度組成及分形特征的研究較少，分析探究當(dāng)?shù)厝斯ち滞寥懒６葏?shù)及分形特征，對(duì)于評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)厝斯ち址N植對(duì)土壤的影響、評(píng)估不同生長(zhǎng)年限人工林土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量具有重要的意義。

哈薩克斯坦地處歐亞大陸腹地，首都努爾蘇丹位于哈薩克斯坦中北部的荒漠草原地帶，屬于典型的大陸性氣候，夏季干燥炎熱、降水量少，冬季寒冷漫長(zhǎng)、大風(fēng)天氣頻繁。惡劣的氣候給努爾蘇丹居民的生產(chǎn)生活和生態(tài)建設(shè)帶來(lái)了極大的不便，困擾著當(dāng)?shù)氐娜司迎h(huán)境發(fā)展。自1997年起，哈薩克斯坦政府啟動(dòng)了綠環(huán)工程，通過(guò)20 a的努力，在首都周邊營(yíng)造了6×104hm2的人工林，為首都的生態(tài)環(huán)境改善發(fā)揮了作用。但當(dāng)前對(duì)于哈薩克斯坦努爾蘇丹區(qū)域的土壤理化性質(zhì)的研究仍然較少。對(duì)人工林建設(shè)過(guò)程中土壤粒度的變化不夠了解，不利于人工林的后續(xù)建設(shè)和科學(xué)管理。因此，系統(tǒng)全面的獲得該區(qū)域土壤理化特性，闡明努爾蘇丹區(qū)域人工林土壤粒度特征，對(duì)進(jìn)一步研究人工林對(duì)土壤的影響，以及探究人工林的穩(wěn)定性和未來(lái)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文選取努爾蘇丹不同林齡樟子松人工林的土壤作為研究對(duì)象，對(duì)其土壤粒度特征進(jìn)行分析，探究其土壤粒度組成和分形維數(shù)特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，為該地區(qū)的土地保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供參考，為人工林的可持續(xù)利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于歐亞大陸腹地哈薩克斯坦首都努爾蘇丹外圍的防護(hù)林（50°55′～51°36′N，71°01′～71°57′E）。該研究區(qū)為溫帶大陸性半干旱-干旱氣候，屬于亞寒帶地區(qū)，大風(fēng)及暴風(fēng)雪天氣頻繁，有“風(fēng)都”之稱，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季干燥少雨，年降雨量為335 mm。該區(qū)域人工林樹(shù)種豐富，主要造林樹(shù)種為樟子松（Pinus sylvestris）、白樺（Betula platyphylla）、梣葉槭（Acer negundo）等。研究區(qū)造林前為荒漠草原，當(dāng)?shù)赝寥乐饕獮槔踱}土，土壤下層存在堅(jiān)硬緊實(shí)的鈣積層。

1.2 土壤樣品采集

2019年7—9月，在研究區(qū)分別選取生境條件相似，林齡為4 a、15 a、49 a的樟子松人工林，并以相同地段的裸地進(jìn)行對(duì)照（表1）。采樣時(shí)在林內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)設(shè)置樣方挖取剖面，去除土層上枯落物，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm共3個(gè)深度分層采取3次土壤樣品，相同樣點(diǎn)同一深度土壤混合后按四分法取約1 kg裝入自封袋，并記錄樣地的經(jīng)緯度，地形地貌等。采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除枯落物、植物根系、礫石等雜物，一部分過(guò)2 mm篩用于測(cè)定土壤粒度組成，一部分過(guò)0.149 mm篩用于測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量。

表1 研究樣地概況Tab.1 Overview of the study sites

1.3 土壤樣品粒度組成及理化指標(biāo)的測(cè)定

使用馬爾文激光粒度儀分析土壤樣品的粒度組成，其測(cè)定范圍為0.2～2000 μm。并按照國(guó)際制土壤粒徑分級(jí)方法，將土壤分為砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和黏粒（＜0.002 mm）。具體測(cè)定方法為：稱取5 g土樣，加入濃度為30%的H2O2，低溫消煮以去除有機(jī)質(zhì)；冷卻后加入濃度為10%的HCl充分?jǐn)嚢璨⒅蠓?，去除樣品中的碳酸鹽雜質(zhì)；加入0.5 mol·L-1的（NaPO3）6溶液10 mL，攪拌均勻，放置12 h 后待測(cè)。使用激光粒度儀測(cè)量時(shí)充分搖勻樣品溶液，迅速加入儀器中［18］，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，并輸出顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤粒徑和累計(jì)百分含量，用于后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀容-外加熱法測(cè)定；全氮（TN）采用高氯酸-硫酸消化法，使用福斯1035 全自動(dòng)定氮儀測(cè)定；全磷（TP）采用酸溶-鉬銻抗比色法，使用安捷倫CARY60 紫外分光光度計(jì)測(cè)定；全鉀（TK）采用酸溶-原子吸收法，使用賽默飛S系列原子吸收光譜儀測(cè)定［19］。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

使用王國(guó)梁等［11］提出的公式計(jì)算土壤體積分形維數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中：V（r＜R）為粒徑r小于R的顆粒累積體積；R為土壤粒徑分級(jí)中最大的粒徑值；VT是土壤顆粒的總體積；λV是對(duì)所有粒級(jí)而言的上限值；D是土壤顆粒體積分形維數(shù)。

計(jì)算時(shí)，首先對(duì)公式兩邊取對(duì)數(shù)，即lg（V(r＜R)/VT）與（3-D）lg（R/λV）,分別以兩者為縱、橫坐標(biāo)做出雙對(duì)數(shù)曲線，根據(jù)最小二乘法原理利用回歸分析可得出直線斜率，即3-D，進(jìn)而求出分形維數(shù)D值［20］。

使用Excel 和SPSS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用單因素方差分析（one way ANOWA）檢驗(yàn)不同林齡土壤粒度參數(shù)及分形維數(shù)的之間的顯著性差異。不同林分類型間土壤差異用Duncan 進(jìn)行多重比較。運(yùn)用Pearson 相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。使用Origin軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡樟子松林土壤粒度組成特征

由不同林齡樟子松人工林土壤粒徑分布（圖1）可知，0～20 cm 土層，研究區(qū)土壤主要由粉粒構(gòu)成，含量為35.64%～62.47%，其次為砂粒，含量為32.05%～61.54%，黏粒含量最少。0～20 cm 土層，4 a、15 a、49 a 樟子松人工林土壤黏粒含量顯著高于對(duì)照組裸地，15 a 林齡土壤黏粒含量最高，為5.49%，對(duì)照組裸地黏粒含量最低，為2.83%；人工林土壤粉粒含量顯著高于對(duì)照組裸地，其中15 a林齡人工林粉粒含量最高，為62.46%，對(duì)照組裸地土壤粉粒含量最低，為35.64%；4 a、15 a、49 a人工林土壤砂粒含量顯著低于對(duì)照組裸地，土壤砂粒含量最高的為對(duì)照組裸地，為61.54%，砂粒含量最低的為15 a林齡樟子松人工林，為35.05%。

圖1 不同林齡樟子松林地土壤粒徑分布Fig.1 Soil particle size distributions of Pinus sylvestris at different ages

20～40 cm土層，不同林齡間的樟子松人工林土壤黏粒、粉粒、砂粒含量差異不顯著。40～60 cm 土層，15 a 林齡樟子松人工林土壤黏粒含量最高，為3.62%，對(duì)照組裸地土壤黏粒含量最低，為2.26%，15 a 林齡人工林土壤黏粒含量顯著高于4 a 林齡人工林和裸地土壤。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層，對(duì)照組裸地的土壤黏粒、粉粒含量均低于4 a、15 a、49 a 樟子松人工林；4 a、15 a、49 a 樟子松人工林土壤砂粒含量均低于對(duì)照組裸地。

2.2 不同林齡樟子松人工林土壤分形維數(shù)特征

研究區(qū)土壤分形維數(shù)變化范圍為2.059～2.569，整體處于較低水平（表2）。土壤分形維數(shù)作為反映土壤結(jié)構(gòu)形態(tài)的參數(shù)之一，土壤質(zhì)地越粗，砂粒含量越高，分形維數(shù)越低［13］。

表2 各樣地不同土壤深度分形維數(shù)變化及方差分析Tab.2 Soil fractal dimension changes and ANOVA at different soil depths in various sampling sites

0～20 cm 土層，對(duì)照組裸地土壤分形維數(shù)顯著低于3 個(gè)不同林齡的樟子松人工林土壤，樟子松人工林的種植能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)及粒度分布。隨著種植年限增加，土壤表層分形維數(shù)呈下降趨勢(shì)，但不顯著。20～40 cm土層，各林齡樟子松土壤分形維數(shù)差異不顯著。40～60 cm 土層，15 a 樟子松土壤分形維數(shù)顯著高于對(duì)照組裸地，但不同林齡間差異不顯著，這可能和土壤母質(zhì)構(gòu)成有關(guān)。

不同林齡樟子松人工林分形維數(shù)在垂直梯度上變化各異。對(duì)照組裸地分形維數(shù)值在垂直梯度上無(wú)明顯變化。4 a、15 a人工林土壤分形維數(shù)隨深度增加而增大，49 a 人工林土壤分形維數(shù)呈隨深度增加而減小，說(shuō)明不同種植年限的樟子松人工林在垂直梯度上，分形維數(shù)變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

對(duì)土壤粒度組成與分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2）表明，土壤黏粒、粉粒含量與土壤分形維數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，土壤砂粒含量與土壤分形維數(shù)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與石占飛等［21］的研究結(jié)果一致。由圖可知，土壤粉粒含量與分形維數(shù)的回歸方程決定系數(shù)R2最大，為0.9399，說(shuō)明研究區(qū)土壤粉粒含量對(duì)土壤分形維數(shù)的影響最大。土壤黏粒含量每增加1%，土壤分形維數(shù)增大0.0799，土壤粉粒含量每增加1%，土壤分形維數(shù)增大0.0081，土壤砂粒含量每增加1%，土壤分形維數(shù)減小0.0076。這說(shuō)明，20 μm粒徑是反映研究區(qū)人工林土壤分形維數(shù)的臨界粒徑，＜20 μm 土壤顆粒的增加和＞20 μm 土壤顆粒的減少共同影響著土壤分形維數(shù)的增大。

圖2 土壤粒度組成與土壤體積分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between different soil particle composition and fractal dimension of soil volume

2.3 土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

為進(jìn)一步分析樟子松人工林土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，對(duì)分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、土壤容重進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表3 所示。研究區(qū)土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量間呈極顯著正相關(guān),與容重間呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明分形維數(shù)可以表征研究區(qū)人工林土壤的部分理化性質(zhì)，即分形維數(shù)越大，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量越高，而容重含量越低。土壤分形維數(shù)與全磷、全鉀含量未達(dá)到顯著水平。

表3 土壤分形維數(shù)與土壤性質(zhì)相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between soil fractal dimension and soil properties

3 討論

努爾蘇丹生態(tài)屏障樟子松人工林表層土壤黏粒和粉粒含量顯著高于對(duì)照組裸沙地，這是由于防護(hù)林的沉積作用所致［22］。努爾蘇丹常年大風(fēng)，黏粒和粉粒因粒徑較小、啟動(dòng)風(fēng)速較小，更易受風(fēng)的搬運(yùn)作用影響。隨著林齡的增長(zhǎng)，人工林林帶下方逐漸開(kāi)始有草本植物生長(zhǎng)，植物多樣性開(kāi)始增加，生態(tài)系統(tǒng)變得穩(wěn)定，因此可在一定程度上影響土壤的風(fēng)蝕［23］。樟子松林帶疏透度較低，樹(shù)木冠層可以有效地降低風(fēng)速，抑制風(fēng)力侵蝕［24］，其次植被通過(guò)枝葉的攔截作用，降低雨水對(duì)地表的沖刷，從而減小了土壤細(xì)顆粒的流失。森林通過(guò)凋落物與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換并改變土壤的性質(zhì)。林地地表凋落物可以增大地表粗糙度，提升土壤顆粒的起風(fēng)速度，凋落物還能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而抑制風(fēng)沙侵蝕。裸沙地表層沙粒組分含量明顯高于林地表層，而中層和深層沙粒組分并無(wú)明顯差異，是由于樟子松人工林冠層可以有效攔截風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，使得細(xì)顆粒物質(zhì)遇阻沉降堆積，導(dǎo)致表層土壤細(xì)顆粒物質(zhì)含量比下層土壤要高［25］。20～40 cm、40～60 cm 土層，各林齡樟子松人工林土壤粒度無(wú)明顯差異，種植樟子松對(duì)深層土壤粒度組成無(wú)明顯改變作用。但也有學(xué)者認(rèn)為，樟子松的根系可以增加土壤養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而影響粒度組成［26］。由于樹(shù)木冠層對(duì)風(fēng)沙的截留，以及植物凋落物對(duì)土壤的改善，導(dǎo)致樟子松對(duì)于土壤的改良是自上而下的，下層土壤的細(xì)化過(guò)程具有一定的滯后性［22］。

4 a、15 a、49 a林齡樟子松人工林土壤分形維數(shù)均顯著高于對(duì)照組裸地，表明人工林的種植具有改良土壤粒徑組成的作用。人工林的種植促進(jìn)了土壤表層的細(xì)化，使土壤分形維數(shù)顯著增大。樟子松人工林土壤分形維數(shù)隨著種植年限呈先升高后降低的趨勢(shì)，49 a 人工林土壤分形維數(shù)低于4 a、15 a人工林，這可能由于樟子松人工林群落物種單一，長(zhǎng)期種植對(duì)土壤養(yǎng)分消耗過(guò)度，使得一定年限后土壤發(fā)生退化。研究區(qū)4 a、15 a人工林土壤分形維數(shù)在垂直梯度上呈隨深度的增加而減小的趨勢(shì)，這是由于土壤細(xì)顆粒物質(zhì)在垂直梯度的變化主要是通過(guò)降水淋溶作用，由土壤大孔隙向下緩慢運(yùn)移［27］；植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)造成土壤顆粒在垂直梯度的變化，但植物根系對(duì)土壤的影響作用主要體現(xiàn)在表層。

相關(guān)研究表明，土壤分形維數(shù)可以較好地反映土壤肥力特征［28］。研究區(qū)土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，種植人工林能夠有效提高土壤分形維數(shù)，改善當(dāng)?shù)赝寥澜Y(jié)構(gòu)與肥力。同時(shí)，從回歸分析可以看出，分形維數(shù)與土壤黏粒、粉粒含量呈正相關(guān)，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)含量越高，分形維數(shù)越大，土壤養(yǎng)分含量越高。含細(xì)顆粒物質(zhì)較多的土壤對(duì)養(yǎng)分的吸附和固定能力強(qiáng)，包含的養(yǎng)分越多［29］。土壤各粒級(jí)顆粒對(duì)養(yǎng)分的吸附能力不同，細(xì)顆粒物質(zhì)比表面積大，吸附能力強(qiáng)，對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和固定更容易，分形維數(shù)也更大［30］；土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)的增加，由細(xì)粒物質(zhì)的沉淀和土壤養(yǎng)分的表聚作用綜合引起［31］。隨著人工林的種植與發(fā)育，樹(shù)木凋落物將養(yǎng)分歸還到土壤中，表層土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分含量逐漸增加，土壤的分形維數(shù)也逐漸增大。因此，可以用土壤分形維數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土壤的養(yǎng)分狀況。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)努爾蘇丹不同林齡樟子松人工林土壤粒度組成進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）努爾蘇丹生態(tài)屏障樟子松人工林表層土壤主要以粉粒為主，其次為沙粒，黏粒含量最少，樟子松人工林表層土壤黏粒和粉粒含量顯著高于裸沙地。20～40 cm、40～60 cm 深度土壤主要以砂粒為主，不同林齡人工林深層土壤粒度含量差異不顯著。種植樟子松人工林對(duì)土壤粒度的影響主要在表層區(qū)域。

（2）研究區(qū)土壤分形維數(shù)變化范圍為2.059～2.569，整體處于較低水平，樟子松人工林的種植能顯著改善表層土壤結(jié)構(gòu)及粒度分布。土壤黏粒、粉粒含量與土壤分形維數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，20 μm 粒徑是反映研究區(qū)人工林土壤分形維數(shù)的臨界粒徑。

（3）研究區(qū)土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤分形維數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤的養(yǎng)分狀況。在努爾蘇丹種植樟子松人工林時(shí)，要注意恢復(fù)年限的調(diào)控，可以考慮與其他植物進(jìn)行混種以增加群落物種多樣性，防止土壤退化。