董智今, 展秀麗, 丁小花

(1.寧夏大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 銀川750021; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100)

土壤粒徑分布(PSD)是土壤的重要物理特性之一，不僅影響著土壤水分、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)與截留，還影響著土壤的生產(chǎn)力、土壤侵蝕程度以及當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)狀況[1-4]。因此，定量描述土壤PSD是解釋和理解土壤結(jié)構(gòu)及其特性的重要內(nèi)容[5-7]。分形維數(shù)理論與其模型已經(jīng)在土壤學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，既可以描述土壤的特性，也能在一定的時(shí)空尺度內(nèi)，定量化的表征土地沙化程度，以及土壤粗?；难葑兲卣鱗8-12]，同時(shí)也可以定量的描述旱區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同土地利用類型下的土壤粒徑分布的均勻程度，以及土壤結(jié)構(gòu)空間上的變異性[13-14]，還能夠間接反映自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，例如土壤的肥力，土壤的侵蝕狀況，土壤退化程度等，是評(píng)價(jià)土壤狀況的綜合指標(biāo)[15-16]，也為土壤恢復(fù)提供了重要理論依據(jù)。

土壤粒度是研究土地沙漠化及其成因的主要指標(biāo)之一。Tyler和Wheat craft最先提出土壤粒度質(zhì)量與分形維數(shù)的關(guān)系；W. S. Chepil分析了土壤可蝕性受土壤中細(xì)粉粒的含量影響且分析了不同粒徑土壤與風(fēng)力的相關(guān)性；在中國西北部，有關(guān)土壤粒度的研究主要集中在黃土和沙漠分布區(qū)，對(duì)民勤綠洲、艾比湖、毛烏素沙地、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶等區(qū)域的沉積物開展了土壤粒度研究[17-23]；王國玲等在鄂爾多斯高原的農(nóng)牧交錯(cuò)帶研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇沓练e物類型不同時(shí)，表層土壤分形維數(shù)與粒級(jí)含量相關(guān)性有著明顯差異[17]；淮態(tài)等研究發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與土壤細(xì)顆粒物質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與粗顆粒物質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)[20]；羅鳳敏等研究發(fā)現(xiàn)烏蘭布和沙漠東北緣5種不同立地土壤粒徑以細(xì)沙為主，不同立地土壤分形維數(shù)差異極顯著[24]；杜海燕等研究阿拉爾墾區(qū)綠洲化過程中土壤粒徑時(shí)發(fā)現(xiàn)，0.05 mm是土壤粒徑與分形維數(shù)關(guān)系的臨界粒徑[25]；一些學(xué)者研究了渾善達(dá)克沙地3種不同灌木覆蓋下的沙地，其分形維數(shù)要高于裸沙地，土壤結(jié)構(gòu)與肥力較裸沙地也有明顯改善[26-29]；王燕等發(fā)現(xiàn)在陰山北麓中部的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，不同管理方式下土壤顆粒組成以粉粒細(xì)粒為主[30]；陳新闖等發(fā)現(xiàn)在烏蘭布和沙漠沿黃段，耕地、草地和林地3種土地利用類型對(duì)土壤粒徑分布與分形維數(shù)影響明顯[31]。

寧夏鹽池縣位于毛烏素沙地西南緣，在空間上屬于我國北方旱區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶，多年來，一直是國家和寧夏回族自治區(qū)生態(tài)治理的重點(diǎn)區(qū)域，研究區(qū)內(nèi)灌叢沙堆面積較大且未受人為干擾，其余樣地土壤類型均為灰鈣土且主要的土壤侵蝕過程為風(fēng)力侵蝕。近年來，該地區(qū)防沙治沙工作取得重大效果，本文選擇5種不同土地利用類型為研究對(duì)象，計(jì)算、分析土壤顆粒特征及其單分形維數(shù)，旨在探討荒漠化治理與生態(tài)恢復(fù)過程中土壤粒度特征的變化，闡明不同土地利用類型對(duì)土壤粒度特征的影響，進(jìn)而為該區(qū)域土地資源合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)為為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中東部，鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)和楊柳堡地區(qū)(37°48′N，107°17′E)。北側(cè)與毛烏素沙漠相連，南側(cè)為黃土高原，是典型的干旱草原向荒漠草原的過渡地帶。研究區(qū)是典型的中溫帶大陸性氣候，降雨集中在7—9月，降雨量年際變化大，多年平均降水量280 mm，蒸發(fā)量為1 517.8 mm，年均氣溫8.3℃，氣溫日較差21.7℃，日照時(shí)數(shù)3 054 h，有效積溫(>10℃)3 146.2℃，無霜期150 d，輻射量5 885.8 MJ/m2。

研究區(qū)地帶性土壤以灰鈣土為主，非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土和草甸土，土壤結(jié)構(gòu)松散，肥力較低。研究區(qū)為典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，區(qū)域耕地表土層干燥疏松，長(zhǎng)時(shí)間裸露于地表，風(fēng)蝕程度較高，再加上長(zhǎng)時(shí)間的耕作灌溉，使得土壤侵蝕嚴(yán)重。區(qū)域內(nèi)牧業(yè)發(fā)達(dá)，過度放牧使得草地退化嚴(yán)重。研究區(qū)植被類型以草甸、沙地植被和荒漠植被為主，群落中常見植物種類以旱生和中旱生類型為主．主要優(yōu)勢(shì)植物種有中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)和阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地設(shè)置在毛烏素沙地西南緣，寧夏鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)和楊柳堡區(qū)，選取5種不同土地利用類型，各樣地基本情況見表1，包括：農(nóng)田(NT)；林地(LD)；灌叢沙堆(GC)的上(GC-S)、中(GC-Z)、下(GC-X)部分；草地(CD)；棄耕地(HD)。

2.2 土壤樣品采集

2019年10月，在研究區(qū)內(nèi)選取農(nóng)田、棄耕地、草地、林地、灌叢沙堆，5種具有代表性的采樣地，每個(gè)采樣點(diǎn)土壤剖面深度為30 cm，分5層( 0—5，5—10，10—15，15—20，20—25，25—30 cm)采樣，其中，對(duì)農(nóng)田、棄耕地、草地、林地的每個(gè)樣地采用“S”型路線取三次重復(fù)進(jìn)行混合，對(duì)灌叢沙堆的每個(gè)樣地在頂部、中部、底部3個(gè)位置每個(gè)取三次重復(fù)進(jìn)行混合，然后將每個(gè)采樣地3個(gè)采樣點(diǎn)同一層次的土樣混合裝袋并進(jìn)行編號(hào)。

2.3 分析方法

土壤粒度采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000激光粒度儀測(cè)定。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值作為該樣品的最終測(cè)定結(jié)果，單位以體積百分比表示，重復(fù)性誤差≤±0.5%，準(zhǔn)確性誤差≤±1%。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USAD)制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤質(zhì)地劃分為：粗砂粒(500～1 000 μm)、中砂粒(250～500 μm)、細(xì)砂粒(100～250 μm)、極細(xì)砂粒(50～100 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)共6個(gè)等級(jí)[28]。

表1 各樣地基本情況

以激光粒度分析儀所獲得粒徑體積數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)Tyler等[23]對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念及其計(jì)算公式推導(dǎo)，得到如下體積分形維數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得土壤分形維數(shù)的計(jì)算公式：

(2)

式中:V為小于粒徑R的土壤總體積(%);VT為測(cè)定的土壤總體積(%);R為兩篩分粒級(jí)Ri與Ri+1間粒徑的平均值(mm);Rmax為土壤粒徑分級(jí)中最大粒徑,本研究中土壤最大粒徑為1 000 μm;D為土壤顆粒的體積分形維數(shù),式(2)左邊為縱坐標(biāo),右邊為橫坐標(biāo)線性回歸擬合方程,求出斜率值,3與直線斜率值的差值即為土壤分形維數(shù)D值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(α=0.05)，Origin 2018作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型的土壤粒徑分布

由表2可知，GC-S，GC-X中極細(xì)砂粒體積含量最大，分別為38.25%和36.45%，粉粒，細(xì)砂粒次之，粗砂粒含量最少，GC-Z以細(xì)砂粒體積含量最大，為34.2%，粉粒，極細(xì)砂粒次之，黏粒與中砂粒體積含量最少，但相較于GC-S和GC-X，GC-Z的土壤粒徑分布更均勻，且粗顆粒體積含量更多，整體而言，GC上中下三部分土壤粒徑分布差異較小。LD土壤粒徑組成以細(xì)砂粒體積含量最大，為57.34%，極細(xì)砂粒體積含量次之，為30.04%，黏粒與粗砂粒體積含量最少，粒徑組成以細(xì)顆粒為主，且粒徑組成均勻度差。CD土壤粒徑組成以細(xì)砂粒體積含量最大，為50.19%，極細(xì)砂粒次之，為22.17%，含有較少的黏粒和粉粒，粗砂粒含量極少或沒有。NT土壤粒徑組成以粉粒體積含量最大，為34.18%，其次是細(xì)砂粒31.94%，粒徑組成更多的集中在粉粒，極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒，相加所占比達(dá)92.98%，黏粒含量高于中砂粒，粗砂粒極少或無。HD土壤粒徑組成以粉粒體積含量最大，為45.10%，極細(xì)砂粒次之，粗砂粒極少或無。

表2 樣地土壤粒徑組成和土壤顆粒分形維數(shù)

3.2 不同土地利用類型的土壤顆粒分形特征

3.2.1 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)的差異由圖1可知，研究區(qū)內(nèi)，不同土地利用類型下分形維數(shù)存在差異。高植被覆蓋度條件下的GC上中下3部分，土壤顆粒分形維數(shù)在2.55—2.62，質(zhì)地更細(xì)的GC-S的分形維數(shù)值更大，砂粒含量更多的GC-Z分形維數(shù)值最小；灌木林地，檸條林，林帶間草本覆蓋的LD，其土壤顆粒砂粒體積含量高達(dá)93.64%，分形維數(shù)為1.83，是5種土地類型中分形維數(shù)值最小的；CD土壤顆粒分形維數(shù)為2.30；NT玉米留茬地，分形維數(shù)為2.62；HD土壤顆粒組成以粉粒、極細(xì)砂粒為主，質(zhì)地更細(xì)，其分形維數(shù)為2.72，為5種土地類型中分形維數(shù)最大的。

綜上5種不同土地利用類型下，GC-S，GC-Z和NT差異不顯著，其余各土地利用類型存在顯著差異，HD平均分形維數(shù)最大(2.72)，LD最小(1.83)，分形維數(shù)呈現(xiàn)HD>NT=GC-S>GC-X >GC-Z>CD>LD的趨勢(shì)。分形維數(shù)的大小反映了土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量的多寡，LD土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量少，其分形維數(shù)也??；而荒地，耕地和灌叢沙堆上部粉粒與黏粒含量較多，故其分形維數(shù)值更大。

3.2.2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)垂直分布差異 由圖2可知，在土壤粒徑的垂直分布上，GC表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，各級(jí)粒徑體積含量與分形維數(shù)值變化不大，剖面整體D>2.5，最大值均出現(xiàn)在剖面表層0—5 cm處，其原因?yàn)楸韺邮茱L(fēng)化侵蝕嚴(yán)重，含有更多的細(xì)質(zhì)顆粒物；LD中黏粒，粉粒與極細(xì)砂粒體積含量都表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而明顯減少，細(xì)砂粒與中砂粒體積含量增加，體現(xiàn)在分形維數(shù)上則是隨著土層深度的增加，分形維數(shù)值降低明顯，剖面整體D<2.2，底層土壤粒徑組成單一且以粗質(zhì)粒徑為主，在25—30 cm處達(dá)最小值1.42；CD則與LD相反，表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，黏粒、粉粒與極細(xì)砂粒體積含量增加，細(xì)砂粒與中砂粒體積含量降低，分形維數(shù)隨土層深度增加而變大，表明CD土層越深細(xì)質(zhì)顆粒越多，土壤顆粒組成越復(fù)雜，但是表層由于植被覆蓋較低，風(fēng)化作用明顯，粗質(zhì)顆粒多；NT與HD土壤粒徑表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，各粒徑體積含量變與，分形維數(shù)值變化不大，由于受人為耕地活動(dòng)的影響，剖面中黏粒和粉粒體積含量多，土壤粒徑組成復(fù)雜，剖面整體D<2.59。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)垂直分布

3.3 土壤粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系

3.3.1 表層土壤顆粒分形維數(shù)與粒徑含量的關(guān)系 由于土壤風(fēng)蝕主要發(fā)生在土壤表層，故僅對(duì)5種土地利用類型0—5 cm土壤粒徑體積百分含量與分形維進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果(圖3)。由圖可知，5種土地利用類型的分形維數(shù)與土壤黏粒含量、粉粒含量均成極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，這一結(jié)果與其他地區(qū)的研究結(jié)果一致[25]。顯然，土壤顆粒的粒徑組成不同，會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒分形維數(shù)發(fā)生明顯變化，土壤中細(xì)小物質(zhì)比例越高，分形維數(shù)愈大，且細(xì)小物質(zhì)如黏粒、粉粒占的比例越大，對(duì)分形維數(shù)的影響也越大。分形維數(shù)與3組土壤粒徑的相關(guān)系數(shù)R2整體上呈粉粒>砂粒>黏粒的變化趨勢(shì)，這表明粉粒含量對(duì)分形維數(shù)的影響具有決定作用。

圖3 土地表層黏粒、粉粒和砂粒體積含量與分形維數(shù)相關(guān)關(guān)系

3.3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與粒徑分布的關(guān)系 為探究毛烏素沙地西南緣風(fēng)沙土顆粒分形維數(shù)的臨界粒徑，分析了土壤表層分形維數(shù)與6個(gè)土壤粒徑分布的相關(guān)性。由表3可知，分形維數(shù)與500～1 000 μm粒徑含量無明顯相關(guān)性，與<100 μm粒徑的粉砂、黏粒體積含量呈極顯著線性正相關(guān)，粉砂、黏粒體積含量越高，分形維數(shù)越大；與100～250 μm，250～500 μm細(xì)砂、中砂含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)砂、中砂含量越高，分形維數(shù)越?。坏c 250～500 μm粒徑體積含量呈不顯著線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.488 2，所以100 μm成為土壤顆粒體積含量與分形維數(shù)正負(fù)相關(guān)的分界，是反應(yīng)研究區(qū)域土壤顆粒分形維數(shù)的臨界粒徑，決定不同土地利用類型下土壤顆粒分形維數(shù)的粒徑分布為<100 μm的黏粒，粉粒，極細(xì)砂粒含量，同時(shí)該粒徑體積含量的大小也反應(yīng)了不同土地利用類型的防止風(fēng)蝕和攔截細(xì)粒物質(zhì)的效果。

表3 土壤分形維數(shù) D與土壤粒徑含量d的線性回歸關(guān)系

4 討 論

分形維數(shù)對(duì)細(xì)顆粒含量的變化最為敏感，由此可以將土壤顆粒分形維數(shù)作為評(píng)價(jià)毛烏素沙地西南緣土壤結(jié)構(gòu)、肥力狀況及土壤退化程度的指標(biāo)之一。研究表明，土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成密切相關(guān)[29]，且分形維數(shù)隨土壤質(zhì)地由粗到細(xì)，呈現(xiàn)由小到大的變化趨勢(shì)[30]。我國主要的沙漠(沙地)，其沙物質(zhì)大多為細(xì)砂(0.1～0.25 mm)，占總量的66.78%～99.38%，粗砂及粉砂含量很低[6]，本研究中，林地、草地和自然條件下形成的高覆蓋灌叢沙堆均以極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒為主，而在人為耕作管理下的農(nóng)田，以及雜草高度覆蓋的荒地則以粉粒，細(xì)砂為主，粒徑特征體現(xiàn)在分形維數(shù)上則呈現(xiàn)：荒地>農(nóng)田>灌叢沙堆>草地>林地，這反映了不同土地利用方式導(dǎo)致土壤質(zhì)地的變化，使得分形維數(shù)因此而變化，研究結(jié)果與前人研究相似。

林地、草地與自然形成的高覆蓋度灌叢沙堆土壤顆粒含量與分形維數(shù)的差異，可歸因于研究區(qū)域作為國家生態(tài)治理重點(diǎn)地區(qū)，防風(fēng)治沙與生態(tài)修復(fù)取得了重大效果，植被能夠通過覆蓋地表、分解風(fēng)力及阻擋輸沙來改變近地面流場(chǎng)，不同植被類型會(huì)導(dǎo)致沉積物組成產(chǎn)生差異[24]，防護(hù)林中的林地可以有效提高地表粗糙度，而且林草可以攔截風(fēng)沙流中的細(xì)粒物質(zhì)使之沉積于地表。研究區(qū)內(nèi)，林地土壤表層可以截留下風(fēng)沙中的細(xì)顆粒物質(zhì)，但其深層土壤顆粒仍以粗粒為主，呈現(xiàn)出隨土層深度增加，分形維數(shù)減小的情況；草地為典型荒漠草原，受風(fēng)蝕影響，表層土壤中細(xì)粒物質(zhì)損失，分形維數(shù)小，深層土壤受風(fēng)蝕影響較小，分形維數(shù)值大；農(nóng)田為蕎麥翻耕地，植被覆蓋度較林草更高，且在人為耕作管理情況下，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，土體顆粒粒徑組成復(fù)雜，分形維數(shù)值大；棄耕地前期人為干預(yù)明顯，現(xiàn)階段已形成全面雜草覆蓋，高植被覆蓋下土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育完整，其粉粒，極細(xì)砂粒含量也更多，分形維數(shù)值也大。羅鳳敏等[24]、陳新闖等[31]的研究證實(shí)，在沙漠地區(qū)，特別是農(nóng)牧交錯(cuò)生態(tài)治理區(qū)，林地植被下土壤分形維數(shù)會(huì)增大，其原因是林草植被有效地?cái)r截了因風(fēng)蝕過程中的細(xì)顆粒物質(zhì)，導(dǎo)致林地表面細(xì)?；潭燃訌?qiáng)，土壤分形維數(shù)在表層值最高。這從另一方面也表明，植樹造林后，林草下細(xì)粒物質(zhì)會(huì)增加，土壤顆粒粒徑分布、土壤質(zhì)地與分形維數(shù)也隨之發(fā)生變化，因而，生長(zhǎng)植被的地表土壤風(fēng)蝕相對(duì)較輕。

土壤顆粒粒徑組成是決定土壤抗蝕性的重要因素[27-29]，不同土地利用方式體現(xiàn)了干擾對(duì)土壤粒徑分布的改變[23]。對(duì)于風(fēng)蝕而言，損失的是易蝕或可蝕部分[9]，細(xì)沙與極細(xì)沙是極易被吹蝕的部分，而粉砂則具有最大的團(tuán)聚度和抗風(fēng)蝕度，土壤中粉砂的比率越大，砂的比率越小，則風(fēng)蝕度越低[25]。本研究中粒徑分布與分形維數(shù)的相關(guān)性也說明，>100 μm的沙粒與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且分形維數(shù)與粉砂，極細(xì)砂粒的含量的相關(guān)性最大，因此，100 μm可以用做表征研究區(qū)域的分形維數(shù)的臨界粒徑，研究區(qū)域的分形維數(shù)主要受<100 μm的粉砂與極細(xì)砂粒決定。

5 結(jié) 論

(1) 土地利用方式對(duì)毛烏素沙地西南緣土壤顆粒組成、分布影響明顯。草地，高覆蓋度灌叢沙堆以及林地的土壤粒度組成以細(xì)沙和中砂為主，耕地和荒地則以粉粒和極細(xì)砂為主。

(2) 5種土地利用類型土壤顆粒分形特征差異明顯，其分形維數(shù)呈現(xiàn)荒地>農(nóng)田>灌叢沙堆>草地>林地的趨勢(shì)；土壤垂直分布上，林地土壤顆粒的分形維數(shù)隨土層深度的增加而減小，草地則隨深度的增加而增加，灌叢沙堆、農(nóng)田與荒地變化幅度不明顯。

(3) 不同土地利用類型的土壤顆粒分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地的細(xì)?；兓嘁恢?，決定土壤顆粒分形維數(shù)的粒徑分布為<100 μm的黏粒，粉粒和極細(xì)砂極細(xì)砂粒含量，表明可反映該區(qū)域土壤顆粒分形維數(shù)的臨界粒徑為100 μm。