毛烏素沙地不同土地利用類型土壤分形特征

高君亮,李玉寶,虞 毅,遲悅春,高 永

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019;2.溫州大學(xué) 生命與環(huán)境學(xué)院,浙江溫州 325027;3.國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心,北京 100102;4.鄂爾多斯市林業(yè)局,內(nèi)蒙古 東勝 017000)

土壤風(fēng)蝕是我國北方干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)土地退化的主要過程之一,其分布范圍占國土面積的1/2以上,嚴(yán)重影響這些地區(qū)資源開發(fā)和社會經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1]。土壤機械組成是影響土壤風(fēng)蝕的主要因素之一,因此,進(jìn)行土壤機械組成的定量描述對土壤風(fēng)蝕的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。近幾十年來,隨著分形學(xué)的發(fā)展,分形理論的應(yīng)用已成為定量描述土壤機械組成的新方法[2-12]。與傳統(tǒng)的方法相比,分形模型更為簡便,并能說明分形維數(shù)的物理意義。

20世紀(jì)50年代以來,針對毛烏素沙地風(fēng)蝕嚴(yán)重和生態(tài)退化的特點,許多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了不同深度的研究,取得了大量的研究成果[13-19]。然而,運用分形理論對毛烏素沙地不同土地利用類型土壤粒徑的研究未見報道。因此,本文計算了毛烏素沙地腹地不同土地利用類型的表層土壤顆粒的分形維數(shù),并分析了土壤分形維數(shù)與土壤機械組成,土地利用類型以及采樣深度之間的關(guān)系,以期為該區(qū)土壤風(fēng)蝕的防治和生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地腹地的“毛烏素沙地開發(fā)整治研究中心”東1 km處,行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn),地理位置為38°57′-39°01′N;109°02′-109°17′E,海拔 1 300 m 。該地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候,年均氣溫 6.5℃,年均積溫890℃,年均降水量 360 mm,多集中在 7-9月,年均蒸發(fā)量2 300 mm。風(fēng)大沙多,年均風(fēng)速3.3 m/s,年大風(fēng)揚沙日數(shù)40～50 d,且多集中在冬春季節(jié)。研究區(qū)內(nèi)地形以流動、固定、半固定沙丘及丘間灘地為主。植被主要有旱柳(Salix matsudana Koidz.),烏柳(Salix cheilophila Schneid.),沙柳(Salix psammophila C.Wang et Ch.Y.Yang.),油蒿(Artemisia ordosica Krasch.),籽蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.),楊柴(Hedysarum Laeve Maxim.),小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam.),中間錦雞兒(Caragana intermedia Kuang et.H.C.Fu.),芨芨草(Achnatherumsplenden(Trin.)Nevski.),蘆葦(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.),牛心樸子(Cynanchumkomarovii Al.Iljinski.)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取與土壤取樣

2009年10 月下旬,在研究區(qū)選擇7個有代表性的樣地(表1),在每個樣地上按照“品”字形選擇3個采樣點,用自制分層取土器分10層采樣,每層深度1 cm,并記錄樣地概況。

表 1 樣地基本概況

2.2 樣品分析

在實驗室將從野外采集的土壤樣品陰干,過 2 mm土壤篩剔除植物根系等雜物,然后按照四分法對每個土樣稱取(100±0.005)g,置入土壤篩(土壤篩按照中國沙物質(zhì)的粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]來選取,即：礫石(＞2 mm)、極粗沙(2～1 mm)、粗沙(1～0.5 mm)、中沙(0.5～0.25 mm)、細(xì)沙(0.25～0.1 mm)、極細(xì)沙(0.1～0.05 mm)、粉沙(＜0.05 mm))中用 ZBSX-92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機震蕩5 min,最后對每一粒級的土壤顆粒稱重并計算其百分含量。

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)的計算

土壤顆粒分形維數(shù)按照楊培嶺等[2]提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來計算。即

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤分形維數(shù)與土壤機械組成的關(guān)系

由土壤分形維數(shù)的計算過程可知,分形維數(shù)與土壤顆粒粒級的百分含量有關(guān)。由圖1可知,土壤分形維數(shù)與各粒級顆粒組分間關(guān)系差異較大,土壤分形維數(shù)與粉沙和極細(xì)沙的百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與細(xì)沙的百分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與中沙、粗沙和極粗沙的百分含量關(guān)系不顯著。說明粉沙和極細(xì)沙含量越高,土壤分維數(shù)越大,反之則小。分形維數(shù)能很好地反映土壤顆粒物質(zhì)的損失狀況,從而可用來反映各類土地風(fēng)蝕的程度。

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

運用SAS 9.0軟件對極粗沙(X 1)、粗沙(X 2)、細(xì)沙(X4)、中沙(X3)、極細(xì)沙(X5)和粉沙(X6)的百分含量與土壤分形維數(shù)進(jìn)行了多元逐步回歸分析,關(guān)系式如式(2)。

D=1.73861+0.0145X 6+0.0501X5-0.0028 X4(2)

P＜0.0001**,R2=0.8462,PX6＜0.0001**,PX5＜0.0001**,PX4=0.0139*

因此,決定土壤分形維數(shù)大小的主要是粉沙、極細(xì)沙和細(xì)沙的百分含量,其余3個粒級顆粒的百分含量對土壤分形維數(shù)影響程度相對較小。

3.2 土壤分形維數(shù)與土地利用類型的關(guān)系

從表2中可知：7個樣地的土壤分形維數(shù)以草地第1層2.51為最大值,以耕地2第10層1.59為最小值。表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數(shù)介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數(shù)從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動沙丘。由此可知,隨著沙漠化程度的加劇,分形維數(shù)逐漸減小,從草地到流動沙丘,分形維數(shù)由2.34下降到了1.85。

表2 不同土地利用類型下的土壤分形維數(shù)

分析結(jié)果認(rèn)為：位于灘地的草地在植被的保護(hù)作用下增大了其地表粗糙度,當(dāng)風(fēng)沙流過境時,風(fēng)速減弱,風(fēng)沙流挾帶物質(zhì)沉降下來而增加了地表細(xì)粒物質(zhì)含量;固定與半固定沙丘同樣在地表植被的保護(hù)作用下表層細(xì)粒物質(zhì)含量相對增加,但是,由于固定與半固定沙丘上的植被大多為灌叢,灌叢與灌叢之間比較大的空隙而使風(fēng)速減弱相對較小,沙物質(zhì)沉降量也相對減少,因此固定與半固定沙丘的土壤分形維數(shù)比草地的小;耕地在人類所從事農(nóng)耕活動的影響下細(xì)粒物質(zhì)不斷地?fù)p失,隨著耕種年限的增加細(xì)粒物質(zhì)損失量也增加;對于地表裸露的流動沙丘來說,沒有植被的抵擋作用,遇到起沙風(fēng)后表層細(xì)粒物質(zhì)馬上被起沙風(fēng)挾帶運移至其他地方,細(xì)粒含量減少致使粗粒含量相對增加。

3.3 土壤分形維數(shù)隨采樣深度的變化

圖2表明土壤分形維數(shù)在7個樣地上都隨著采樣深度發(fā)生波動變化,各個樣地的土壤分形維數(shù)變幅值分別為：草地 0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動沙丘 0.23、耕地 0.27、耕地 0.67、耕地0.13。

另外,從圖2中還可以看出,7個樣地的土壤分形維數(shù)隨采樣深度均呈線性下降趨勢。說明分形維數(shù)能夠反映土壤的結(jié)構(gòu)性狀,表征土壤結(jié)構(gòu)的變化特征。分析認(rèn)為：耕地受到人為翻耕的影響,表層細(xì)粒物質(zhì)喪失,3塊耕地之間分形維數(shù)的差異主要是因為受耕種年限,所種植作物及大風(fēng)來臨之際翻耕與未翻耕等因素的影響;沙丘實施封育后,植被恢復(fù)程度逐年加大,表層細(xì)粒物質(zhì)漸漸增多;草地上生長的植被大多為草本植物,植物根系分布較淺,在植物根系的作用下,下部土壤團聚體含量增加,使得分形維數(shù)相應(yīng)減小。

4 結(jié)論

(1)決定沙地土壤分形維數(shù)的主要是粉沙、極細(xì)沙和細(xì)沙的百分含量,其余粒級土壤顆粒的影響程度相對較小;粉沙與極細(xì)沙的百分含量和土壤分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而細(xì)沙的百分含量和土壤分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)7個樣地的土壤分形維數(shù)最大值為2.51,最小值為1.59;表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數(shù)介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數(shù)從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動沙丘。

(3)土壤分形維數(shù)在7個樣地上隨著采樣深度發(fā)生不同程度的波動變化,變幅值分別為：草地0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動沙丘0.23、耕地0.27、耕地0.67、耕地 0.13,但整體上均呈線性下降趨勢。

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