民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒徑分形特征研究

郭樹江,楊自輝，3,王多澤,王強強,詹科杰，張劍揮,張大彪

(1.甘肅省治沙研究所,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300；3.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地)，甘肅 武威 733000)

綠洲-荒漠過渡帶作為綠洲與沙漠生態(tài)系統的緩沖區(qū)域，是綠洲生態(tài)系統的重要組成部分，具有特定的水熱環(huán)境、地貌特征和生態(tài)群落，形成了獨特的生態(tài)功能[1-2]。民勤綠洲-荒漠過渡帶位于民勤綠洲與其周邊巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠之間，是阻擋沙漠風沙入侵的天然屏障。近60年來，為了保護民勤綠洲生態(tài)安全，國家在風沙危害嚴重的綠洲邊緣連續(xù)開展大規(guī)模治沙造林，民勤綠洲邊緣固沙林面積逐步擴大，綠洲-荒漠過渡帶逐漸延伸加寬，目前過渡帶寬度已達10 km左右。民勤綠洲-荒漠過渡帶主要有人工梭梭固沙林、沙拐棗固沙林、天然白刺灌叢及沙生草本沙米、鹽生草等植物，植被蓋度在4%～28%之間、高度10～260 cm。

土壤是一種由不同大小、形狀的固體顆粒及孔隙構成的多孔介質，具有自相似特征或分形特征[3],因此可以利用分形幾何學來研究土壤的性狀特征。分形維數可以表征土粒直徑的大小和質地組成均勻程度，描述土壤顆粒的粒徑及孔隙分布狀況，對土壤的其他物理化學性狀及其周邊生態(tài)環(huán)境具有指示意義[4]。目前關于民勤綠洲-荒漠過渡帶的研究主要集中在群落特征、土壤水分養(yǎng)分、風蝕特征[5-7]等方面，對過渡帶土壤粒徑分形特征研究較少。本研究通過對民勤綠洲荒漠過渡帶固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘等土壤粒度特征進行分析，旨在揭示綠洲-荒漠過渡帶風成沉積物粒度的空間變化特征及其對綠洲發(fā)展演化的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處甘肅省河西走廊東端石羊河流域下游民勤沙井子綠洲-荒漠過渡帶，位于巴丹吉林沙漠東南緣，地理位置在38°34′～39°38′N、102°53′～102°58′E，海拔在1 376～1 383 m。該地區(qū)屬于溫帶荒漠氣候區(qū)，據2014年氣象觀測資料，2014年平均氣溫8.5 ℃，極端最高氣溫37.7 ℃(2014年6月17日)，極端最低氣溫-20.5 ℃(2014年1月9日)；光熱充足，年日照時數達2 534 h；年降水量127 mm，降水主要集中于6—9月，期間降水量占年降水量的75.12%；年蒸發(fā)量1 559.7 mm，平均干燥度5.15，相對濕度54%；年沙塵暴日數10 d，年浮塵日數11 d，年均風速1.0 m/s。研究區(qū)土壤以風沙土為主，地下水埋深在16 m以下[8]。

2 研究方法

沿民勤沙井子綠洲-荒漠過渡帶分別選擇流動沙丘梭梭林、半固定沙丘梭梭林、固定沙丘梭梭林、流動白刺沙包、半固定白刺沙包、固定白刺沙包、流動沙丘沙拐棗、平沙地沙拐棗8塊觀測樣地，各樣地位置、物種組成見表1。在每個樣地設置3個采集點，于2014年8月進行土壤樣品采集，采集深度為表層(0～2 mm)、0～20、20～40、40～60 cm。采集同一層次的土壤樣品，混合后剔除石塊、植物殘根等雜物，裝入無菌塑料袋帶回實驗室進行風干、研磨、過篩等處理，以備土壤有機質含量、全氮含量、速效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量、全鹽量和pH值等測定[9]。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用原子吸收分光光度法測定，速效鉀含量采用原子吸收光譜法測定，全鹽量采用殘渣烘干-質量法測定，pH值采用電極法測定。土壤粒度由馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 2000) 測定，參考《中國土壤》(1978年)中的土壤質地分類方法和美國制土壤粒徑分級標準，土壤粒級輸出標準為細黏粒(<0.001 mm)、粗黏粒(0.001～0.005 mm)、細粉粒(0.005～0.01 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)、極細砂(0.05～0.1 mm)、細砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1 mm)、極粗砂(1～2 mm)，每個土壤樣品由粒度分析儀輸出3組數據并計算平均值。本研究中粒級最大劃分為64級，用64級粒級數據進行分形維數計算[10]。土壤分形維數采用土壤粒度體積含量數據計算，計算公式[11]為

V/VT=(Ri/Rmax)3-D

(1)

式中：Ri為粒徑劃分中第i級的粒徑；V為粒徑小于Ri的土壤顆粒體積；VT為土壤所有顆粒體積；Rmax為土壤顆粒中的最大粒徑；D為分形維數。

公式(1)兩邊取對數，由對數曲線的擬合斜率求得D值。應用Excel 2003軟件進行數據整理，用SPSS 11.0進行相關性分析和回歸分析。

表1 樣地概況

3 結果與分析

3.1 民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒度分布及其分形維數

民勤綠洲-荒漠過渡帶依次由固定沙丘向半固定沙丘、流動沙丘過渡，分布著不同的植被類型，不同的立地條件、植被類型形成的土壤粒徑分布有所差異，具有不同的分維特征(表2)。民勤綠洲-荒漠過渡帶0～60 cm土壤粒徑分布以細砂、中砂為主，平均含量分別為48.52%和23.16%；其次為極細砂，平均含量為14.11%；極粗砂平均含量僅為0.24%。經方差分析，3種植被類型土壤的黏粒、粉粒含量差異不顯著(p>0.05)；白刺群落土壤極細砂、細砂含量顯著(p<0.05)高于梭梭、沙拐棗群落；梭梭、沙拐棗群落土壤中砂含量極顯著(p<0.01)高于白刺群落，但梭梭、沙拐棗群落之間中砂含量差異不顯著(p>0.05)；沙拐棗群落粗砂含量顯著(p<0.05)高于梭梭、白刺群落，梭梭、白刺群落之間粗砂含量差異不顯著(p>0.05)?？傊状倘郝渫寥酪约毶盀橹?，梭梭、沙拐棗群落土壤以中砂、粗砂為主，沙拐棗群落土壤中砂、粗砂含量相對較高。

由表2可知，不同立地條件下各植被類型不同層次土壤的粒徑分形維數擬合方程的決定系數R2>0.9(p<0.01)，擬合效果較好，土壤粒徑分形維數為2.144～2.398。由于所處的立地條件不同，因此不同的植被類型土壤分形維數存在差異，3種植被類型均為固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘(或平沙地>流動沙丘)。經方差分析，梭梭群落3種立地條件土壤粒徑的分形維數之間差異顯著(p<0.05)，其中，固定沙丘與半固定沙丘、流動沙丘之間差異顯著(p<0.05)，半固定沙丘與流動沙丘之間差異不顯著(p>0.05)。白刺、沙拐棗群落不同立地條件土壤粒徑的分形維數之間差異不顯著(p>0.05)。

3.2 土壤分形維數與粒徑分布的關系

土壤分形維數與土壤顆粒的粗細程度有關， 但相關關系不同(表3)。由表3可知，分形維數與<0.001、0.001～0.005、0.005～0.01、0.01～0.05 mm 粒徑含量呈顯著正相關，與0.05～0.1、1～2 mm粒徑含量呈正相關但不顯著，與0.1～0.25、0.25～0.5、0.5～1 mm 粒徑含量呈負相關但不顯著。這表明分形維數隨土壤質地的粗細程度發(fā)生明顯變化，對黏粒、粉粒含量的變化最為敏感。民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤以細砂、中砂及粗砂為主，受其含量影響土壤粒徑分形維數偏小。

表2 民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒度分布及其分形維數

表3 分形維數與粒徑分布的相關關系

3.3 土壤顆粒組成和分形維數與土壤理化性質的關系

表4為土壤顆粒組成和分形維數與土壤理化性質的相關關系。由表4可知，分形維數與全氮、速效磷含量分別呈極顯著正相關(p<0.01)和顯著正相關(p<0.05)，與土壤含水量、全鹽量、pH值呈負相關，但均未達到顯著水平(p>0.05)，與有機質、全鉀、速效鉀含量呈正相關，亦未達到顯著水平(p>0.05)。土壤黏粒含量與有機質、全氮、速效磷含量呈顯著正相關(p<0.05)，與其他理化性質相關關系不顯著。土壤粉粒、砂粒含量與有機質含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與其他理化性質相關關系均未達到顯著性水平。

表4 土壤顆粒組成和分形維數與土壤理化性質相關關系

注: *表示相關系數在0.05水平上顯著；**表示相關系數在0.01水平上顯著。

4 討論與結論

本研究中，民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒徑以細砂和中砂為主，兩者合計占土壤顆粒組成的71.68%，極粗砂顆粒含量最低，平均值僅為0.24%，分形維數為2.144～2.398。3種植被類型土壤粒徑分形維數均為固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘(或平沙地>流動沙丘)，表明民勤綠洲-荒漠過渡帶不同立地條件、不同植被覆蓋對土壤性質的作用存在差異。

土壤粒徑分形維數是反映土壤結構、性狀的重要參數，在維數上表現為質地越粗分形維數越小[12]。陳小紅等[13]研究表明，在黑河中游荒漠-綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過渡帶，土壤粒徑分形維數與砂粒含量呈顯著(p<0.05)負相關，與黏、粉粒含量及各養(yǎng)分指標均呈顯著(p<0.05)正相關；王富等[14]認為，在不同生態(tài)修復措施下，桃林口水庫水源涵養(yǎng)區(qū)土壤粒徑分形維數與不同粒級含量的相關性具有明顯差異。本研究中，土壤分形維數與黏粒、粉粒含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與細砂、中砂、粗砂含量呈負相關但不顯著，與極細砂、極粗砂含量呈正相關但也不顯著。可見，土壤粒徑分形維數不僅能夠反映土壤中不同粒徑的顆粒組成狀況，而且能體現出不同植被覆蓋對土壤的改良作用。

相關研究[15]表明，土壤中養(yǎng)分主要與土壤中的細顆粒，即粉粒和黏粒含量有關。本研究中，分形維數D值與全氮、速效磷含量分別呈極顯著正相關(p<0.01)和顯著正相關(p<0.05)，土壤黏粒含量與有機質、全氮、速效磷含量呈顯著正相關(p<0.05)，土壤粉粒、砂粒含量與有機質含量呈極顯著正相關(p<0.01)，這與前人的研究結果一致。因此，土壤粒徑分形維數可以作為衡量綠洲-荒漠過渡帶土壤養(yǎng)分、土地退化狀況的指標之一。受不同的立地條件、植被類型、水分、土地利用等因素的影響，土壤粒徑組成和分形特征與土壤理化性質之間關系復雜，目前對民勤綠洲-荒漠過渡帶這方面的研究較少，今后有待加強。