風(fēng)沙區(qū)不同種植年限苜蓿地土壤團(tuán)粒組成分形特征研究

陳 林，楊新國，宋乃平，王 磊

(寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心，寧夏 銀川 750021)

分形理論是以自然界和非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則的幾何形體作為研究對(duì)象、以分形幾何學(xué)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)[1]。土壤是由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀和自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特性。從20世紀(jì)80年代起，分形理論被應(yīng)用到土壤學(xué)中[2]。土壤團(tuán)粒是土壤的重要組成部分[3]，其含量是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。

土壤分形維數(shù)不僅能夠表征土壤粒徑的大小組成，反映質(zhì)地均一程度[5]，還可以描述、刻畫土壤顆粒的粒徑及孔隙分布狀況，闡明土壤的其他物理化學(xué)性狀及其對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的指示意義[6]，而且不同級(jí)別土壤團(tuán)粒的含量會(huì)影響土壤團(tuán)粒的分形維數(shù)及土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程[7]。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數(shù)不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對(duì)土壤復(fù)雜與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的描述[8]。有研究表明，土壤物理性質(zhì)隨土壤團(tuán)粒分形維數(shù)的變化而變化，即分形維數(shù)越小，>0.25 mm的團(tuán)粒含量越高，土壤的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[9]；土壤中團(tuán)粒含量的多寡影響整個(gè)土壤的孔隙狀況及比表面積，進(jìn)而對(duì)土壤水分蓄持能力有較大影響，土壤持水能力隨顆粒含量增加而遞減[10]；土壤顆粒分形維數(shù)可以作為評(píng)價(jià)土地沙質(zhì)荒漠化程度的定量指標(biāo)之一[11]。

苜蓿作為優(yōu)質(zhì)的多年生豆科牧草，具有適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、品質(zhì)優(yōu)和耐刈割等特點(diǎn)，有“牧草之王”的美譽(yù)。近年來，我國優(yōu)質(zhì)牧草及飼料作物種植面積大幅度增加，苜蓿的種植面積居世界第5位，并且隨著西部生態(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷推進(jìn)，苜蓿人工草地面積逐年增加。目前，關(guān)于不同地區(qū)不同土地利用方式或植被類型下土壤團(tuán)粒分形特征的研究，以及土壤分形維數(shù)與土壤類型、水分、養(yǎng)分狀況等關(guān)系的報(bào)道較多[12]，但關(guān)于不同種植年限下苜蓿地土壤團(tuán)粒分形特征的研究還較少，特別是針對(duì)風(fēng)沙區(qū)苜蓿地土壤團(tuán)粒分形特征及其與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的研究尚不多見。因此，為探索苜蓿種植年限對(duì)風(fēng)沙區(qū)土壤性質(zhì)的效應(yīng)，我們研究了不同種植年限下苜蓿樣地土壤團(tuán)粒粒徑分布的分形特征，以及與粒度組成和土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、碳酸鈣含量等的相關(guān)關(guān)系，以期為研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中人工建植草地的科學(xué)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)寧夏鹽池縣皖記溝行政村，位于鹽池縣城東北約3 km，地貌為鄂爾多斯緩坡起伏高原。氣候特點(diǎn)為干旱少雨，蒸發(fā)量大，冬春兩季風(fēng)大沙多，屬典型的中溫帶大陸性氣候。1954—2010年年平均氣溫為8.46 ℃，年均降水量為276.3 mm，年均日照時(shí)數(shù)為2 862.6 h。地表植被屬荒漠草原，沙生特征明顯。土壤以有機(jī)質(zhì)含量低、易沙化的淡灰鈣土和風(fēng)沙土為主。地表水與地下水資源匱乏。20世紀(jì)60年代以來，由于人類活動(dòng)加劇，土地沙化面積不斷擴(kuò)大[13]。研究區(qū)在地形上從南向北是從黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地(沙地)的過渡地帶，在氣候上是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶，在植被上是從干草原向荒漠草原的過渡地帶，在資源利用上是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)的過渡地帶。這種地理上的過渡性造成了該區(qū)自然資源的多樣性和脆弱性的特點(diǎn)。

1.2 研究方法

本研究采用空間代替時(shí)間的方法進(jìn)行研究，通過選取種植1、4、8、12和22年具有代表性的苜蓿樣地(序號(hào)分別為M-1、M-4、M-8、M-12和M-22)，分析其土壤團(tuán)粒分形特征的變化，來反映該地區(qū)不同種植年限土壤團(tuán)粒的變化特征。在各樣地內(nèi)用S形布點(diǎn)法挖取0—20 cm土樣5個(gè)，混合后裝入樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。

1.3 樣品分析測試

將每個(gè)樣地內(nèi)的所有土壤樣品混合均勻后分成兩部分，一部分隨機(jī)選取500 g左右的土樣，用來進(jìn)行土壤團(tuán)粒組成分析?？紤]到體積分形維數(shù)相對(duì)低于質(zhì)量分形維數(shù)[14]，而目前研究地區(qū)尚欠缺相關(guān)資料，故本研究中采用楊培嶺[5]提出的用粒徑的質(zhì)量分布來描述土壤分形特征。土壤團(tuán)粒組成采用篩分法測定：過2、1、0.5、0.25和0.106 mm的套篩，收集各粒級(jí)土壤團(tuán)粒(去掉石塊)，用天平(精度為0.000 1 g)分別稱量各粒級(jí)土壤團(tuán)粒質(zhì)量。另一部分研磨過篩后用來測定土壤的理化性狀。土壤理化性狀的測定均采用常規(guī)分析方法，土壤pH值和電導(dǎo)率分別采用1 ∶5土水比懸液和浸提液直接測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，碳酸鈣采用氣量法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，全氮采用凱氏法測定。

1.4 土壤團(tuán)粒分形維數(shù)模型

通常，粒徑分形是由一定粒徑間隔的粒徑質(zhì)量分布表示的。Mandelbrot首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler[15]和楊培嶺[5]在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行推廣，提出用粒徑的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型，即

對(duì)上述公式兩邊取對(duì)數(shù)，則可得

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL 2003計(jì)算土壤分形維數(shù)，并用SPSS 17.0分析分形維數(shù)與各粒級(jí)含量、土壤性質(zhì)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 分形維數(shù)的分布特征

對(duì)0—20 cm土壤樣品的機(jī)械組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表1)表明，不同種植年限苜蓿樣地土壤團(tuán)粒組成中，0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，分別在39.03%～60.19%、25.63%～49.24%之間，其平均值分別為52.23%、36.98%；0.5—1、1—2 mm的次之，分別在1.66%～12.33%、0.36%～4.39%之間，其平均值分別為5.88%、2.74%；再次為<0.106 mm的，在1.08%～1.80%之間，其平均值為1.49%；>2 mm的最少，在0.05%～1.28%之間，其平均值僅為0.67%。

隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25 mm、<0.106 mm的團(tuán)粒含量有所增加，在種植22年的苜蓿樣地中含量最高；不同種植年限苜蓿樣地土壤團(tuán)粒分形維數(shù)的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，也隨著種植年限的增加而增大。這表明研究區(qū)土壤分形維數(shù)隨著土壤質(zhì)地的粗細(xì)程度發(fā)生變化，土壤質(zhì)地越細(xì)分形維數(shù)越大，反之亦然；同時(shí)反映了隨著種植苜蓿年限的增加，土壤質(zhì)地具有細(xì)?；F(xiàn)象。

表1 不同種植年限土壤團(tuán)粒組成及分形維數(shù)

2.2 分形維數(shù)與不同粒級(jí)團(tuán)粒含量的關(guān)系

表2為分形維數(shù)與不同粒級(jí)團(tuán)粒含量的線性單相關(guān)分析結(jié)果?？梢钥闯?，分形維數(shù)與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm的團(tuán)粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與0.106—0.25和<0.106 mm的含量呈正相關(guān)關(guān)系，但均沒有達(dá)到顯著水平。表明隨著團(tuán)粒直徑減小，其分形維數(shù)增大，這和上面的研究結(jié)果一致。進(jìn)一步對(duì)6個(gè)粒徑含量(x)和分形維數(shù)(y)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，得到了進(jìn)入方程的變量和剔除的變量，結(jié)果表明分形維數(shù)與<0.106 mm含量的偏相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關(guān)關(guān)系不顯著，其關(guān)系式為y=2.725+0.096x<0.106 mm(R2=0.99，F(xiàn)=2 581.88，P<0.01)。因此，決定不同種植年限土壤團(tuán)粒分形維數(shù)的為<0.106 mm的粒徑含量，其他粒徑分布的影響程度相對(duì)較小。

表2 分形維數(shù)(y)與不同粒級(jí)團(tuán)粒含量(x)的線性關(guān)系

2.3 分形維數(shù)與土壤性狀的關(guān)系

經(jīng)分析，分形維數(shù)與土壤性狀的關(guān)系見表3，與土壤性狀的相關(guān)分析結(jié)果見表4。

表3 不同種植年限下苜蓿地分形維數(shù)(y)與土壤性狀(x)的線性關(guān)系

表4 不同種植年限下苜蓿地分形維數(shù)(y)與不同粒徑土壤質(zhì)地及土壤性狀(x)的相關(guān)分析

由表3和表4可知，本研究區(qū)分形維數(shù)與土壤1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm顆粒含量和有機(jī)質(zhì)含量、pH值、電導(dǎo)率、堿解氮含量、速效磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均不顯著；與>2、0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全磷、碳酸鈣、全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，除與0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全氮含量為顯著正相關(guān)(P<0.05)外，其他均未達(dá)到顯著水平。>2 mm土壤顆粒含量與1—2 mm土壤顆粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與其他均未達(dá)到顯著水平。1—2 mm土壤顆粒含量與有機(jī)質(zhì)含量在P<0.05的水平呈顯著正相關(guān)關(guān)系。0.25—0.5 mm土壤顆粒含量與全磷含量在P<0.05的水平呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。0.106—0.25 mm土壤顆粒含量與<0.106 mm土壤顆粒含量在P<0.05的水平呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

(1)粒徑分布是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，0—20 cm土壤樣品的團(tuán)粒組成中粒徑0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，>2 mm的含量最低。隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25、<0.106 mm的含量有所增加，反映了研究區(qū)隨著苜蓿種植年限的增加，土壤質(zhì)地具有細(xì)?；F(xiàn)象。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數(shù)不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對(duì)土壤復(fù)雜與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的描述[8]，不同種植年限苜蓿樣地土壤團(tuán)粒分形維數(shù)的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，隨著種植年限的增加而增大。在干旱區(qū)植被恢復(fù)過程中，分形維數(shù)與土壤質(zhì)地的細(xì)?；兓恢?，且隨著恢復(fù)時(shí)間延長有增大的趨勢(shì)，這與賈曉紅等[16]的研究結(jié)果相一致。這可能是研究地區(qū)存在著強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，由于種植苜蓿減少了開墾對(duì)土地的翻耕等人為干擾，地表有了植被的保護(hù)，因而有效地減緩了風(fēng)蝕導(dǎo)致的細(xì)團(tuán)粒物質(zhì)流失，同時(shí)還能促進(jìn)細(xì)團(tuán)粒物質(zhì)的沉積，增加細(xì)團(tuán)粒物質(zhì)的含量。土壤團(tuán)粒的分形維數(shù)隨著苜蓿種植年限的增加而增大，說明分形維數(shù)可以反映苜蓿草地土壤恢復(fù)的程度，能夠很好地表征風(fēng)沙區(qū)苜蓿草地土壤物理性狀的變化趨勢(shì)，可以作為評(píng)價(jià)風(fēng)沙區(qū)人工草地土壤物理性狀的一個(gè)指標(biāo)。

(2)土壤團(tuán)粒分形維數(shù)與各粒徑含量的單相關(guān)關(guān)系和復(fù)相關(guān)關(guān)系不同，分形維數(shù)與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與0.106—0.25和<0.106 mm含量呈正相關(guān)關(guān)系，均沒有達(dá)到顯著水平。但進(jìn)一步對(duì)分形維數(shù)和6個(gè)粒徑含量進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，結(jié)果表明分形維數(shù)與粒徑<0.106 mm顆粒含量的偏相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關(guān)關(guān)系不顯著。因此，決定不同種植年限土壤團(tuán)粒分形維數(shù)的為粒徑<0.106 mm的顆粒含量，其他粒徑分布的影響程度相對(duì)較小。同時(shí)也表明土壤團(tuán)粒分形維數(shù)是反映土壤質(zhì)地的一個(gè)較好指標(biāo)，主要反映<0.106 mm的顆粒含量。已有的研究也表明，土壤顆粒組成中細(xì)沙含量越多，其分形維數(shù)越大[17]，也就是說隨著團(tuán)粒直徑減小，其分形維數(shù)增大。所以，用土壤粒徑分布分形維數(shù)代替土壤團(tuán)粒組成來表征土壤質(zhì)地特性顯得更為簡單。

(3)分形維數(shù)在一定程度上可以表征土壤的養(yǎng)分概況[8]。關(guān)于土壤團(tuán)粒分形維數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系已有大量研究，均表明分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，本研究也得出了同樣的結(jié)論，但負(fù)相關(guān)未能達(dá)到顯著水平，這主要是因?yàn)闃拥刂型寥烙袡C(jī)質(zhì)的含量相對(duì)較少，隨著苜蓿種植年限的增加沒有明顯變化。土壤各粒級(jí)團(tuán)粒對(duì)土壤養(yǎng)分元素的吸附保持能力不相同，分形維數(shù)越高，比表面積大的黏粒含量越豐富，黏結(jié)性越強(qiáng)，養(yǎng)分越易積累，因此對(duì)養(yǎng)分的吸附和固定作用越強(qiáng)。但不同地區(qū)土壤的養(yǎng)分狀況不同，因此分形維數(shù)所表征的養(yǎng)分狀況也有所不同。本研究表明，土壤團(tuán)粒分形維數(shù)與全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即分形維數(shù)越高，全氮含量越大。這是由于苜蓿屬固氮植物，因此隨著種植年限的增加，土壤中氮素含量也增大，說明分形維數(shù)可以反映風(fēng)沙區(qū)苜蓿草地土壤氮素恢復(fù)的程度，具有指示作用。同時(shí)，分形維數(shù)對(duì)于了解干旱風(fēng)沙區(qū)人工苜蓿草地土壤質(zhì)量和演化機(jī)制等都具有重要的理論依據(jù)和實(shí)踐意義。

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