不同坡位對荒漠草原檸條灌木林地土壤組成分形維數(shù)的影響

張久飛，郭月峰，孫世賢，祁 偉，滕俊濤，張鵬浩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

荒漠草地是所有草地類型中荒漠化較為嚴重的一類,是草地和沙漠的交接區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,加之自然以及人為因素導致土地不斷退化。為恢復生態(tài)環(huán)境,防治草原沙化,研究區(qū)在原坡耕地上大面積種植檸條(Caraganamicrophylla)純林,取得了較好的生態(tài)恢復效果,栽植檸條已經(jīng)成為當?shù)刂脖唤ㄔO的主要措施。土地的機器組織是產(chǎn)生土壤結(jié)構體的基礎單位[1],土地機器組織取決于土地保肥儲水特性,而且直接影響關系土地緊密程度、空隙總量,進而直接影響土壤通氣、透水等特性,是評判土地基礎特性和生成環(huán)境條件的一項指標[2]。土是一類由不同粒子所構造、帶有不規(guī)則形態(tài)和自相似構造的多孔介質(zhì),并帶有特定的分形特性[3]。利用不同分形模式測定土地粒度、團結(jié)體和空隙度的分形維數(shù)來表現(xiàn)土層質(zhì)量和構造成分及其均衡程度,用作定性表示土地結(jié)構特點的方法[4～9]。實驗結(jié)果表明,土地粒徑分布的分形維數(shù),不但能夠表示土地顆粒質(zhì)量,而且還能夠表現(xiàn)土壤質(zhì)地的均勻性和對土層的滲透性[5];分形維數(shù)與土地水穩(wěn)性團聚體數(shù)量有明確的相對聯(lián)系,能夠反映土地的肥力情況[6];土質(zhì)的分形維數(shù)也被用于建模和預報土壤濕度特性[7];胡云鋒等研究了風蝕區(qū)土質(zhì)的分形維數(shù)對土地利用改變的效應,指出分形維數(shù)可用作土壤退化的重要技術指標[8]土質(zhì)粒度是土質(zhì)結(jié)構變遷產(chǎn)生的重要物質(zhì)基礎,各種粒徑改變將形成不同的土壤質(zhì)地形式,進而改變土的物理性質(zhì)、化工和生物學性質(zhì)過程[10]。分形理論已成為當代新興的學術思想。土壤由不同粒級土粒組成，各粒級的含量差異很大[11]。土壤是由水分、空氣,以及粒度不同的各種物料所構成的帶有不規(guī)則形態(tài)和自相似性的多孔介質(zhì),其構造特性存在著統(tǒng)計學上的自相似性,有分維特性[12]。土地的顆粒分形維數(shù)成了對土層質(zhì)量一致性、透明度、抗蝕性和土壤肥力等診斷標準的一項綜合量化指標[5]。近年來,人們利用分形理論和各類分形模式測定土團粒、微團粒數(shù)量和空隙量的分形維數(shù),以表示對土顆粒的大小組成、土壤質(zhì)地、形狀、構造、過程、均勻程度、土壤含水量特性、土壤溶質(zhì)遷移速度和侵蝕程度等方面的研究并在一定程度上將其特征定量化,是描述土壤結(jié)構特性的新方法。為此,該文以量化地表示土壤顆粒尺寸的分形維數(shù)為主要手段,并利用現(xiàn)有的土壤分形模式對不同坡位條件下土壤的分形特性展開調(diào)查研究。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市達茂旗烏克忽洞鎮(zhèn)(110°59′E，41°46′N)，屬于高原中部地帶，地勢南高北低，整體起伏不大，平均海拔 1367 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，太陽輻射強烈，日照豐富。年平均氣溫 4.4 ℃，年均降水量 261.7 mm，年均風速 4.2 m/s，主導風向為西北風，年均日照時數(shù) 3043.3 h，10 ℃以上積溫為 3043.3 ℃。地帶性土壤以栗鈣土、棕鈣土為主，非地帶性土類型有草甸土、潮土、石質(zhì)圖、巖土；土壤質(zhì)地多 為沙壤、輕壤，并有不同程度礫質(zhì)化。研究區(qū)主要植被為檸條、紅砂(Reaumuriasongarica)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、羊草(Leymuschinensis)、針茅(Stipacapillata)、草木樨(Melilotusofficinalis)等。

2.2 土壤樣品的采集與處理

確認樣地后樣品采集分為(坡上帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡中帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡下帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)取樣,在檸條灌木林坡上1.5 m帶寬處取一點為(上1)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深 1 m長 1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm 劃分5層，每層土壤取5個重復，共計25份土樣。同樣在檸條灌木林坡上帶寬2.5m處取一點為(上2)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深1 m、長1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm劃分5層，每層土壤取5個重復，共計25份土樣。同樣在檸條灌木林坡上帶寬3m處取一點為(上3)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深 1 m長 1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm ，分為五層取樣，共計土樣25份，坡上3個點共計土樣75份。坡中與坡下的取樣與坡上完全一致，坡中分為(中1、中2、中3)、坡下分為(下1、下2 、下3)。坡上、坡中、坡下3點每點各75份土樣，共計225份土樣。將取完的土樣帶回實驗室經(jīng)晾曬、去除植物根系等雜質(zhì)后，將土樣過2 mm篩。最后采用英國 Malvern公司生產(chǎn)的 Mastersizer3000 激光衍射粒度分析儀測定土壤粒度，該粒度分析儀測量范圍為 0.01～3500 μm，重復測量誤差小于1% 。最后的測試結(jié)果以美國制粒徑分級標準輸出2～1、1～0.5、0.5～0.25、0．25～0.1、0.1～0.05、0.05～0.002、<0.002 mm。

2.3 分形模型

泰勒等提出的用土壤粒徑、土壤顆粒質(zhì)量分布為因子的 關系式(1)[13，14]，可以更為直觀地反映土壤粒徑分布分形維數(shù)，這種方法用土壤顆粒的質(zhì)量分布直接計算粒徑分布的分形維數(shù)來表征土粒直徑和質(zhì)地組成的均勻程度。與傳統(tǒng)的用土壤粒徑的數(shù)量分布來描述土壤的分形特征的方法相比，該方法只須通過土壤顆粒的機械組成分析，便可方便地確定相應的分形維數(shù)。

(1)

式(1)中:D代表土壤顆粒分形維數(shù);mi代表粒徑小于di的顆粒 累積質(zhì)量;m0代表土壤各粒徑顆粒質(zhì)量之和;di代表兩篩分粒徑di與di+ 1間的粒徑平均值;dmax代表最大粒徑土粒的平均直徑。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 Microsoft Excel 2016 分析、DPS9.01 軟件處理以及Origin2018 作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機械組成

由圖1可知，不同坡位下1.5m帶寬的土壤隨土層深度增加土壤機械組成發(fā)生變化。黏粒含量,上1>中1>下1，粉粒含量,下1>中1>上1,沙粒含量,上1>中1>下1。3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

注：不同大寫字母表示同一土層深度不同坡位之間差異顯著， 不同小寫字母表示同一坡位不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，下同。圖1 不同坡位下帶寬1.5 m的土壤機械組成

此外，根據(jù)方差分析表明，黏粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土層、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著行差異,坡中1.5 m，無顯著性差異,坡下1.5 m中0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分別于坡下0～20 cm土層存在顯著性差異。坡上、坡中、20～40 cm分別于坡下20～40 cm土層存在顯著性差異。坡上40～60 cm、坡中40～60 cm、坡下40～60 cm土層之間均存在顯著性差異。坡上60～80 cm分別對坡中、坡下60～80 cm土層存在顯著性差異。坡上80～100 cm分別對坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土層存在顯著性差異。

在粉粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土層，分別與60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著行差異,坡中1.5 m，0～20 cm分別對60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著性差異,坡下1.5 m中0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下相同圖層之間均存在顯著性差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、0～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層之間均存在顯著行差異。坡中1.5 m，0～20 cm與60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著性差異。坡下1.5 m，0～20 cm與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層之間均存在顯著差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土層之間均存在顯著性由圖2可知，3種不同坡位2.5 m帶寬下的土壤隨土層深度增加土壤機械組成產(chǎn)生變化。黏粒含量,上2>中2>下2，粉粒含量,下2>中2>上2,沙粒含量,上1、2>中2>下2，3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

圖2 不同坡位下帶寬2.5 m的土壤機械組成

除此之外，根據(jù)方差分析表明黏粒含量在同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層分別與60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著行差異,坡中2.5 m中，0～20 cm20～40 cm與80～100 cm土層存在顯著性差異,坡下2.5 m中0～20 cm與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分別于坡下0～20 cm土層存在顯著性差異。坡上、坡中20～40 cm分別于坡下20～40 cm土層存在顯著性差異。坡中40～60 cm與坡下40～60 cm土層存在顯著性差異。坡上60～80 cm分別于坡中、坡下60～80 cm土層存在顯著性差異。坡上80～100 cm、坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土層，之間均存在顯著性差異。

粉粒粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中2.5 m，0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著性差異。坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上、坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中2.5 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著性差異。

由圖3可知，3種不同坡位3 m帶寬下的土壤隨土層深度增加土壤機械組成產(chǎn)生變化。黏粒含量：上3>中3>下3，粉粒含量：下3>中3>上3,沙粒含量：上3>中3>下3，3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

圖3 不同坡位下帶寬3 m的土壤機械組成

除此之外，根據(jù)方差分析表明在黏粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡中3 m，60～80 cm、土層分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異,坡下3 m，60～80 cm、土層分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中20～40 cm、40～60 cm對坡下20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異。其他3個土層之間均存在顯著性差異。

粉粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡下3m各土層之間均存在顯著性差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下同土層之間均存在顯著性差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間存在顯著性差異。坡下1.5 m，各土層之間均存在顯著差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土層之間均存在顯著性差異。

3.2 分形維數(shù)分析

應用土壤分形維數(shù)計算公式得到不同坡位下相同帶寬的土壤各土層的分形維數(shù)，結(jié)果如表2～4所示。

由表2～表4可知，土壤隨土層深度增加分形維數(shù)均表現(xiàn)出增加的趨勢，這與達茂旗當?shù)氐臍夂驐l件有著密切的聯(lián)系，由于表層土壤受風蝕、水蝕最為頻繁，土壤作為一種多孔介質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的分形特征。其粒徑分布分形維數(shù)反映土粒對空間的充能力[15]。理論上，沒有任何固相填充的孔隙空間的分形維數(shù)為2，沒有任何孔隙巖石的分形維數(shù)等于3[16]。劉云鵬等研究得到，結(jié)構良好的土壤粒徑分布分形維數(shù)應在2.750左右，土壤粒徑分布分形維數(shù)可以作為土壤結(jié)構評價的一個指標，土壤質(zhì)地越粗，越不易形成良好的結(jié)構，分形維數(shù)也較小，土壤質(zhì)地越細，因包含的小土粒越多，形成的微小孔隙也越多，結(jié)構也更復雜，分形維數(shù)就越高[17]。

表1 不同坡位相同帶寬1.5 m的土壤粒徑分形維數(shù)

表2 不同坡位相同帶寬2.5 m的土壤粒徑分形維數(shù)

表3 不同坡位相同帶寬3m的土壤粒徑分形維數(shù)

4 討論

土壤顆粒組成受母質(zhì)特征以及環(huán)境變化的影響[18]，在一定程度上可以決定土壤的基本性狀。 土壤顆粒分布特性是反映土壤物理性質(zhì)特征的最主要的因子之一,它不但與土壤結(jié)構、成土狀態(tài)等有關,同時還對土壤侵蝕、土壤物質(zhì)流動、以及土壤肥力狀態(tài)等也有著明顯的影響作用,土壤顆粒分形量綱不但能夠精確的描述土壤粒徑結(jié)構與組成,而且還能夠表現(xiàn)土壤質(zhì)量的均一性,是衡量土壤質(zhì)地特征的最主要尺度之一,但隨著砂子濃度的增加,其土壤顆粒分形量綱呈下降的態(tài)勢,因砂子濃度過高將引起土壤防雨作用減弱;隨著黏粒濃度的增加,土壤粒徑分形維值會呈上升的態(tài)勢,但黏粒濃度過高將造成土壤通透性能的降低[19]。所以,單憑某一粒級土的質(zhì)量不能表示土壤結(jié)構情況。土是一類多孔介質(zhì),其粒徑分布分形維數(shù)可以表征土粒對空氣的充能性[14],表現(xiàn)了土質(zhì)的結(jié)構特點,對土質(zhì)的通氣透水性、保水保肥能力[20]及抗蝕能力[4～9]等方面都有著重大的借鑒價值,對水土保持林的形成與發(fā)展有著很大的指導意義。

5 結(jié)論

不同坡位相同帶寬下的土壤在不同土層其機械組成大體相似，但各粒級間的含量隨深度的變化有一定的變化。坡上的黏粒含量高于坡中、坡下，粉粒含量坡下高于坡中、坡上，沙粒含量坡上高于坡中、坡下。在 0～100 cm 土層中，土壤的機械組成中各成分的含量均為沙粒>粉粒>黏粒，其中黏粒和粉粒的含量隨土層深度的增加均呈增加的趨勢，沙粒的含量隨土層深度的增加呈減少的趨勢。同一土層土壤的黏粒、粉粒和沙粒的含量也不同。在 0～100 cm 土層中，黏粒和沙粒的含量均為坡上>坡中>坡下 ，粉粒的含量為坡下>坡中>坡上。

同一土層深度不同坡位之間存在顯著性差異， 同一坡位不同土層深度間也存在著顯著性差異。

3種坡位在相同帶寬下土壤粒徑分形維數(shù)均為坡下>坡中>坡上，因此可以看出坡下的土壤結(jié)構狀況相對于坡中、坡上的土壤結(jié)構較好，坡中的土壤結(jié)構狀況相對于坡上的土壤結(jié)構較好一點，坡上的土壤結(jié)構較差一點，由于坡度不同，坡上的大量水分與養(yǎng)分會向坡中、坡下流動，所以坡上的土壤結(jié)構狀況較坡中坡下差一些。