蘭龍焱，馬麗麗，郭曉敏，楊 明，葉 選，羅 英，陳亞東，王洪江，吳平發(fā)，牛德奎*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045；2.萍鄉(xiāng)市林業(yè)科學(xué)研究所，江西 萍鄉(xiāng) 337000；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 ?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，海南 ?？?570100；4.江西省林業(yè)局濕地保護管理辦公室，江西 南昌 330001）

【研究意義】土壤由顆粒狀礦物質(zhì)、有機質(zhì)、空氣、水分、微生物等組成，具有疏松多孔介質(zhì)特性。土壤基本養(yǎng)分特征及物理化學(xué)性質(zhì)都受到土壤顆粒組成形態(tài)和數(shù)量差異的影響[1]。土壤顆粒是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[2]，繼承了土壤母質(zhì)的分形特點并影響著土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)。土壤粒徑分布不僅能夠反映土壤分化過程，還影響著土壤的基本結(jié)構(gòu)及水肥狀況[3-4]。草地生態(tài)系統(tǒng)作為生物圈物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)[5]，構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，為牧養(yǎng)區(qū)的經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展及社會和諧提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，草地生態(tài)系統(tǒng)的面積是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)之最[6]，還具有調(diào)控大氣變化，防治水土流失以及維持生物多樣性等功能，是維護陸地生態(tài)環(huán)境的天然屏障[7]。贛南地區(qū)草地分布零散，是南方天然草地重要的組成部分[8]，其主要草地類型有熱性草叢類（hot grass，HG）、熱性灌草叢類（hot shrub，HS）以及山地草甸類（mountain meadow，MM）。本研究通過分析贛南不同草地類型區(qū)土壤顆粒分形特征及其影響因素，了解研究區(qū)草地植物生長特征、土壤結(jié)構(gòu)性狀，土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，并為研究區(qū)草地灌叢化的成因分析、改造研究、以及草地科學(xué)管理提供基礎(chǔ)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】分形理論可以描述不規(guī)則幾何形體，通過分形理論，可以由事物內(nèi)部的自相似性來判斷其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。Mandelbort等[9-11]學(xué)者成功地將分形維數(shù)計算模型運用在土壤修復(fù)、土地利用以及植被恢復(fù)等領(lǐng)域，取得了創(chuàng)新性的研究成果。馮艷瓊等[12]的研究結(jié)果表明銀川平原地區(qū)草甸濕地土壤粒徑組成及分形特征與該地區(qū)所獨有的地形地貌、水文條件密切相關(guān)；孫忠超等[13]學(xué)者研究表明在荒漠草原向灌叢地人為過渡階段中，土壤粒徑組成中砂粒占比最高，其次為粉粒，占比最低的是黏粒，且砂粒占比隨著過渡進程加深而逐步增大；研究內(nèi)蒙古天然草地土壤發(fā)現(xiàn)粉粒和極細(xì)砂粒的占比決定著分形維數(shù)D值的大小[14]。隨著研究進展，分形理論所具有的結(jié)構(gòu)特征越來越受到各界研究學(xué)者的重視[15]，不斷在草地植物土壤研究中取得進展。

【本研究切入點】由于草地資源有限及經(jīng)濟、技術(shù)等原因，草地畜牧業(yè)發(fā)展相對落后，并且草地資源破壞、浪費較為嚴(yán)重[16]。贛南地區(qū)天然草地植物生長受到水土流失及人為破壞的影響，若不采取有效防范治理措施，將嚴(yán)重阻礙畜牧業(yè)及農(nóng)業(yè)的發(fā)展，影響草地的生態(tài)價值及效益[17]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對贛南不同區(qū)域不同草地類型植被群落特征進行調(diào)查，測定土壤粒徑特征及全量養(yǎng)分指標(biāo)，測定土壤分形維數(shù)D值，旨在揭示贛南地區(qū)土壤顆粒組成特征及草地灌叢化的成因。

1 研究區(qū)概況

本研究以贛南地區(qū)草地分布較廣泛的寧都、石城、于都、安遠(yuǎn)、尋烏、龍南、崇義以及興國8 縣為研究區(qū)（表1）。研究區(qū)地形以山地、丘陵為主，水資源豐富，總面積為39 379.64 km2；亞熱帶季風(fēng)性氣候及酸性紅壤母質(zhì)為草地植物生長提供了良好的水熱及肥力條件。研究區(qū)主要以林地、園地以及耕地為主[18]，且分布著大量白堊系巖漿巖[19]。研究區(qū)植物主要有刺芒野古草（Arundinella setosaTrin）、白茅（Imperata cylindrica（L.）Beauv）、雀稗（Echinochloa crusgali（L.）Beauv.）、金絲草（Pogonatherum crinitum（T.）Kunth）、知風(fēng)草（Eragrostis ferruginea（T.）Beauv.）、地稔（Melastoma dodecandruLour.）等。

表1 樣點基本情況Tab.1 Basic situation

續(xù)表Continuted tab.

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

本試驗于2020 年8 月進行土壤樣品采集，每個樣地設(shè)置3 個1 m×1 m 的植物小樣方，每個樣方相隔距離不小于100 m。本次取樣共設(shè)16個樣地，48個樣方，每個樣方按S型布設(shè)5個取樣點，在每個取樣點挖取土壤剖面，剖面分0～10，10～20 cm 兩層，并按層分別取樣，將采集的土壤樣品混合均勻，按照4 分法分袋裝，最后將袋裝的土壤樣品晾干過篩進行理化性質(zhì)分析[20]。

2.2 樣品測定方法

將采集的土樣自然風(fēng)干，過2 mm 篩，除去草根和其他雜物。使用激光衍射粒度分析儀（Mastersize3000，英國）測量土壤粒徑，粒度分析的粒徑范圍為0.02～2 000μm，土壤粒徑分級采用美國制土壤粒級標(biāo)準(zhǔn)（表2）；pH 值采用電位計法測定；土壤有機質(zhì)測定為重鉻酸鉀（H2SO4-K2Cr2O7）外加熱法；全氮、全磷用HClO4-H2SO4法消煮后用全自動間斷化學(xué)分析儀（Smartchem200Alliance Corp.France）儀器測定，具體測定方法參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[21]。

表2 土壤粒級制（美國）Tab.2 Soil grain（US）

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

本文采用土壤顆粒體積分形維數(shù)模型來計算分形維數(shù)D值，計算公式如下[22]：

對式（1）兩邊取對數(shù)可得

式中：λV為土壤顆粒分級中最大的粒徑值，μm；R為某一特定粒徑值，μm；VR為土壤粒徑小于D的顆?？傮w積；VT為土壤顆?？傮w積；D為土壤顆粒體積分形維數(shù)。

將式（2）轉(zhuǎn)換成散點圖，其右部為橫坐標(biāo)，左部為縱坐標(biāo)，通過添加趨勢線，并運用最小二乘法可得線性擬合方程、擬合系數(shù)（R2）以及該直線的斜率，通過計算可知，直線斜率為式（2）中（3-D），最終可得土壤顆粒體積分形維數(shù)D值[20]。

采用Excel 2016 對試驗所得數(shù)據(jù)進行整理；用SPSS 17.0 軟件對所測數(shù)據(jù)進行方差分析和相關(guān)性分析；采用Origin 18.0制圖。

3 結(jié)果

3.1 土壤顆粒粒徑分布和分形維數(shù)的總體特征

研究區(qū)土壤顆粒粒徑分布及土壤顆粒分形維數(shù)D值的統(tǒng)計結(jié)果見表3?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)土壤顆粒主要集中在（2～2 000μm）的粒徑范圍。土壤粒徑以砂粒為主，黏粒和粉粒占比較少。砂粒中又以細(xì)砂粒為主，其次為中砂粒、極細(xì)砂粒、粗砂粒以及極粗砂粒。HG、HS、MM 砂粒含量均值分別為67.25%、67.58%、69.34%，粉粒含量均值分別為30.98%、30.92%、28.25%，黏粒含量均值分別為1.06%、0.69%、1.38%。而3 種不同草地類型HG，HS，MM 砂粒中極細(xì)砂粒均值分別為12.96%、13.14%、16.35%；細(xì)砂均值分別為24.27%、24.46%、21.09%；中砂粒均值分別為17.20%、17.34%、17.52%；粗砂均值分別為9.65%、9.60%、10.01%；極粗砂均值分別為3.15%、3.14%、4.38%。通過以上對比發(fā)現(xiàn)土壤黏粒、粗砂粒以及極粗砂粒占比表現(xiàn)為MM＞HG＞HS，極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒以及中砂粒占比大小表現(xiàn)為MM＞HS＞HG；而粉粒占比大小表現(xiàn)為HS＞HG＞MM。

表3 贛南地區(qū)不同草地類型土壤顆粒粒徑分布及分形維數(shù)Tab.3 Soil particle size distribution and fractal dimension of different grass type types of grassland in Gannan

根據(jù)土壤顆粒體積分形維數(shù)模型，計算得到研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)D值在2.901 0～2.978 6，其中HG 的分形維數(shù)均值為2.953 4，HS 的分形維數(shù)均值為2.953 2，MM 分形維數(shù)均值為2.934 2，從草地類型上看，土壤顆粒分形維數(shù)D值表現(xiàn)為HG＞HS＞MM。分析結(jié)果可知不同草地類型的土壤顆粒組成存在差異，分形維數(shù)隨著土壤粒徑組成不同而呈現(xiàn)差異。根據(jù)公式（1）、（2）計算出的分形維數(shù)D值的擬合方程相關(guān)系數(shù)R2全部大于0.9，擬合效果良好，分形維數(shù)D值較為準(zhǔn)確。

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒百分?jǐn)?shù)含量的關(guān)系

本研究分析所得到的不同草地類型土壤顆粒分形維數(shù)D值較為準(zhǔn)確，在此前提下，研究發(fā)現(xiàn)贛南不同草地類型區(qū)土壤顆粒體積分形維數(shù)D值與不同顆粒等級所占比例呈線性關(guān)系，結(jié)果如表4 所示。

表4 不同草地類型區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)D與土壤顆粒含量的關(guān)系Tab.4 Relationship between soil particle fractal dimension D and soil particle content in different grass type

從表4可知，3種不同草地類型區(qū)變化趨于一致，但是在顯著性上有所區(qū)別。其中3種不同草地類型土壤分形維數(shù)D值與粉粒呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，與粗砂粒和極粗砂粒呈顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；分形維數(shù)與細(xì)砂粒和中砂粒在HG 與HS 叢呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），在MM 中與細(xì)砂粒呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。表現(xiàn)為分形維數(shù)D值隨粉粒和極細(xì)砂粒含量增高而增大，隨細(xì)砂粒、中砂粒、粗砂粒以及極粗砂粒含量增高而減小。

3.3 土壤顆粒百分?jǐn)?shù)含量及分形維數(shù)在垂直剖面上的變化

3.3.1 土壤顆粒含量在垂直剖面上的變化 由圖1 可知，HG、HS、MM 3 種草地類型區(qū)的土壤顆粒各粒級占比隨土層變化而變化，表現(xiàn)為3種不同草地類型變化趨勢相似。土壤中粒徑＜50μm（黏粒、粉粒）的土壤顆粒粒級占比隨著土層深度的增加而增加，粒徑＞500μm（粗砂、極粗砂）則表現(xiàn)相反。

圖1 不同類型草地土壤顆粒含量在垂直剖面上的變化Fig.1 Changes of soil particles in different types of grassland in vertical profile

3.3.2 土壤顆粒分形維數(shù)在垂直剖面上的變化 從圖2 可得知研究區(qū)3 種不同草地類型區(qū)的土壤顆粒分形維數(shù)與土層深度的關(guān)系。當(dāng)土層為0～10 cm 時，土壤顆粒的分形維數(shù)HG 為2.947 4，HS 為2.927 7，MM為2.901 0；當(dāng)土層為10～20 cm時，土壤顆粒的分形維數(shù)分別為2.954 9，2.978 6，2.967 4。由此可知，3種類型草地土壤分形維數(shù)D值變化基本一致，隨土層深度的增加分形維數(shù)D值均有增大的趨勢，但增大的范圍較小。且在0～10 cm土層深度上，3種不同類型草地分形維數(shù)D值均表現(xiàn)為HG＞HS＞MM；在10～20 cm土層深度上則表現(xiàn)為HS＞MM＞HG。由于不同草地類型區(qū)土壤粒徑組成和分布的不同，致使分形維數(shù)D值的大小存在差異。

圖2 土壤顆粒分形維數(shù)與土層深度的關(guān)系Fig.2 The relationship between the fractal dimension of soil particles and the depth of soil layer

3.4 不同草地類型土壤體積分形維數(shù)、粒徑組成與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

如表5 所示，土壤有機質(zhì)和全氮含量與土壤顆粒組成中中砂粒和粗砂粒均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但與黏粒、粉粒體積百分?jǐn)?shù)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與細(xì)砂以及極粗砂無相關(guān)性（P＞0.05）。土壤全氮含量與極細(xì)砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤pH 與土壤細(xì)砂體積百分?jǐn)?shù)含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與其他指標(biāo)無相關(guān)性。

表5 不同草地類型土壤體積分形維數(shù)、粒徑組成與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient of particle size composition and soil nutrients in different grass type soils

4 討論

土壤顆粒是土壤組成不可或缺的一部分，其對植被的生長起著至關(guān)重要的作用，并且直接影響土壤的基本性質(zhì)。由于土壤顆粒的大小、組成與排列狀況的不同，土壤的養(yǎng)分、水分以及其他性能也會有相應(yīng)的差異[23]。部分研究發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地均勻程度可以通過土壤顆粒分形維數(shù)大小來判斷[24]。

本文研究了贛南地區(qū)不同草地類型區(qū)土壤顆粒組成分形特征，發(fā)現(xiàn)土壤的分形維數(shù)介于2.901 0～2.978 6，總體水平較好。研究表明，土壤中黏粒、粉粒含量占比與土壤顆粒分形維數(shù)值存在密切相關(guān)性，土壤中黏粒及粉粒顆粒含量越多，土壤分形維數(shù)D值越大，反之相反[25]。

研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)土壤顆粒組成砂粒占比最大，黏粒、粉粒占比最小，且三者之間的比例差異明顯，土壤質(zhì)地不均勻。分形維數(shù)D值與粗砂粒、極粗砂粒呈顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與粉粒呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，這與童春元等[20,26]在研究楊樹低效林及煤礦沉陷治理區(qū)土壤顆粒組成及分形維數(shù)特征時的部分結(jié)果一致。這與本文的研究結(jié)果有所不同，可能是因為本研究區(qū)黏粒的含量極少，不足以探討其與分形維數(shù)D值的關(guān)系，從而無法得出黏粒含量與分形維數(shù)D值得相關(guān)性結(jié)果；其次本研究結(jié)果受多種環(huán)境因子空間異質(zhì)性的影響，包括氣候，海拔、地形、植被類型以及土地利用方式不同，土壤的粒徑分級同樣會有改變。杜海燕等[27]研究發(fā)現(xiàn)在阿拉爾墾區(qū)綠洲化過程中，土壤中的細(xì)顆粒物質(zhì)在逐步增加，然而粗顆粒物質(zhì)含量卻在減少，相應(yīng)的分形維數(shù)D值呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。這種結(jié)論與本研究研究結(jié)果存在部分相同。本研究認(rèn)為土壤中粒徑＜50μm（黏粒、粉粒）的土壤顆粒粒級占比隨著土層深度的增加而增加，粒徑＞500μm（粗砂、極粗砂）則表現(xiàn)相反。并且隨土層深度的增加，土壤分形維數(shù)D值也在增加，只是增加的幅度不明顯。而鄧良基等[28]研究發(fā)現(xiàn)，土壤的分形維數(shù)D值隨著土層深度增加而呈現(xiàn)減小趨勢，與本研究中結(jié)果相反。

現(xiàn)如今研究分形維數(shù)影響因素時，土壤的養(yǎng)分指標(biāo)具有一定的指示作用[29]。研究人員對于研究方法、研究區(qū)域以及研究尺度[30]等因素的不同，使得研究結(jié)果具有較大差異。董雪等[31]探討了荒漠化草原土壤分形特征與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨著土壤深度的增加速效鉀含量減少，在不同物種中土壤有機質(zhì)、速效磷等土壤養(yǎng)分含量差異顯著（P＜0.05）；HS 下土壤的有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量與土壤分形維數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；而伏耀龍等[32]發(fā)現(xiàn)土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤有機質(zhì)，全磷，全氮含量均不呈顯著性。劉陽等[33]研究發(fā)現(xiàn)冀北山地不同典型森林土壤顆粒分形維數(shù)與速效氮和有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；且唐海龍等[34]研究坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)闂壐剡^程中研究得出相似結(jié)論。本研究結(jié)果表明土壤中的有機質(zhì)、全氮含量與中砂粒和粗砂粒均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），但與分形維數(shù)、黏粒、粉粒體積百分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。土壤pH 與細(xì)砂體積百分含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）?？赡苁且驗楸狙芯繀^(qū)地處贛南紅壤丘陵區(qū)，水土流失與土壤退化嚴(yán)重，20世紀(jì)80～90年代進行大規(guī)模生態(tài)修復(fù)治理工作，在植被恢復(fù)過程中土壤基本養(yǎng)分狀況得到改善，但土壤水穩(wěn)性團聚體及土壤顆粒組成性狀并未及時得到改善[35]。

5 結(jié)論

贛南地區(qū)草地土壤顆粒以粉粒為主，說明土壤顆粒進一步風(fēng)化成黏粒并釋放原巖礦物養(yǎng)分潛力大，具有一定調(diào)節(jié)土壤水分的能力；研究區(qū)草地土壤分形維數(shù)值較高，且熱量豐富，水分充沛，有利于草地植物的生長，但也在一定程度上導(dǎo)致了草地植物灌叢化；因此在對贛南地區(qū)草地植物保護的同時應(yīng)更加注重土壤粒徑分布及分形特征。