銀川平原草甸濕地土壤分形特征

馮艷瓊 ，何彤慧 ，吳春燕 ，喬 斌 ，蘇芝屯

（1.寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810000）

【研究意義】濕地被稱之為地球之腎，是地球生物化學循環(huán)不可替代的部分。銀川平原濕地屬于典型的綠洲濕地，不僅是生物多樣性的載體，還具有重要的環(huán)境調節(jié)功能及較高的生產力，其本身還具有很高的景觀價值［1］。銀川平原草甸濕地作為典型的濕地類型，是重要的后備土地資源，其土壤特性對該系統(tǒng)的生存和發(fā)展起到至關重要的作用。土壤是由不同粒徑組成的具有自相似結構和分形特征的多孔介質［2-4］，因此, 對土粒組合比例或土壤質地類型進行定量化描述, 具有重要的現實意義。與傳統(tǒng)的采用土壤粒徑的數量分布來描述土壤特性相比，用土壤粒徑的質量分布來描述土壤的分形特征，模型更為簡便，并能說明分形維數的物理意義?！厩叭搜芯窟M展】已有研究表明，分形維數不僅能反映土壤質地、粒徑分布和肥力等，還可以模擬和預測土壤水分特征的綜合性指標，近年來被廣泛應用［5］,如應用在土地利用［2，6-9］、環(huán)境指示［2，5，10-11］、土壤質地反映［12-14］和土壤沙漠化評價［15-17］。我國對土壤分形維數的研究較晚［18］，且多集中在不同土地類型方式下的土壤顆粒分形特征和空間變異性以及與土壤養(yǎng)分相關關系［19］?！颈狙芯壳腥朦c】分形維數在濕地土壤結構的研究很少，且將土壤分形維數與植物群落的物種多樣性聯系在一起的研究少之又少。據統(tǒng)計銀川平原濕地總面積達2.07×105hm2，生物多樣性豐富，生態(tài)功能明顯，在整個系統(tǒng)中扮演著重要的角色［20］，研究濕地土壤質地和植物群落多樣性有助于深入了解該系統(tǒng)?！緮M解決的關鍵問題】本研究以銀川平原草甸濕地作為研究對象，采用Tyler等［21］和楊培嶺等［22］提出的用土壤粒級顆粒質量計算分形維數的方法來計算銀川平原草甸濕地土壤粒徑分形維數，以探究研究區(qū)土壤在不同水分和鹽分梯度下的分形特征、粒徑分布特點以及它們在垂直剖面上的變化規(guī)律，并對研究區(qū)土壤分形維數與植物群落的物種多樣性的關系做了初探，以期為評價銀川平原濕地的土壤性質提供參考，為研究濕地土壤質地與植物群落物種多樣性關系、了解草甸濕地的水土作用和保護草甸濕地資源提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

銀川平原地處中國西北地區(qū)，是在新生代斷陷盆地基礎上發(fā)育的堆積平原。年均氣溫為8～10 ℃，年降水量約為200 mm，屬于溫帶大陸性氣候，是干旱區(qū)半干旱區(qū)過渡帶。自古以來黃河縱穿其中，為銀川平原的濕地提供水源，使其成為干旱地區(qū)別具特色的綠洲。草甸濕地是銀川平原的典型濕地類型，發(fā)育在徑流容易匯集的低地和地下水位高的洼地，且因水位的變化，在荒漠草原-沼澤濕地之間不斷擺動，土壤性質復雜。

1.2 野外采樣

2016年8月選取銀川平原濕地生物多樣性較高的低濕草甸樣地3個、典型草甸樣地5個和鹽生草甸樣地2個，每個樣地3次重復，共有30個植物群落樣方，大小為1 m×1 m，調查植物名稱、多度、高度、蓋度等。并采用分層采樣法取土樣，土層深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm，帶回實驗室在自然條件下風干后過2 mm篩，以用來剔除石塊及枯落物等，過篩后的樣品用于測定土壤粒徑等指標。

低濕草甸植物種群以蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水葫蘆苗（Halerpestes mbalaria）、水莎草（Juncellus serotinus）、苔草（Carex tristachya）、野大豆（Glycine soja）為優(yōu)勢種，以寸草（Carex duriuscula）、賴草（Leymus secalinus）、灰綠藜（Chenopodium glaucum）、臭蒿（Artemisia hedinii）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、油蒿（Artemisia ordosica）、海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、稗草（Echinochloa crusgalli）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、苜蓿（Medicago sativa）、鵝絨藤（Cynanchum chinense）、刺兒菜（Cirsium setosum）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、藎草（Arthraxon hispidus）、牻牛兒苗（Erodium stephanianum）、牛筋草（Eleusine indica）、節(jié)節(jié)草（Equisetum ramosissimum）為伴生種，土壤含水量為30.61（±2.69）%，含鹽量為0.536（±0.060）g/kg。

典型草甸植物種群以堿蓬（Suaeda glauca）、拂子茅（Calamagrostis epigios）、蘆葦（Phragmites australis）為優(yōu)勢種，以藎草（Arthraxon hispidus）、水莎草（Juncellus serotinus） 、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、灰綠藜（Chenopodium glaucum）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、水葫蘆苗（Halerpestes cymbalaria）、賴草（Leymus secalinus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、掃帚苗（Kochia scoparia）、黃花蒿（Artemisia annua）為伴生種，土壤含水量為21.33（±0.77）%，含鹽量為1.233（±0.162）g/kg。

鹽生草甸植物種群以堿蓬（Suaeda glauca）、蘆葦（矮生）（Phragmites australis）為優(yōu)勢種，以拂子茅（Calamagrostis epigios）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、掃帚苗（Kochia scoparia）、萹蓄（Polygonum aviculare）為伴生種，土壤含水量為16.75（±5.53）%，含鹽量為2.830（±0.346）g/kg。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤粒徑的測定 取風干土樣放入Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀（英國，馬爾文公司）取樣槽中，Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀可自動測定土壤粒徑的體積百分比，重復性誤差≤ ±0.5%，準確性誤差≤ ±1%［23］，可測得粒徑分別為粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、極細砂粒（0.05～0.1 mm）、細砂粒（0.1～0.25 mm）、中砂粒（0.25～0.5 mm）和粗砂粒（0.5～1 mm）。

1.3.2 分形維數計算方法 采用Tyler等［21］和楊培嶺等［22］提出的用粒徑質量分布表征土壤的分形特征，即：

1.3.3 植物多樣性選取 采用張琳等［24］和屈月雷等［25］選用的Simpson物種優(yōu)勢度指數、Shannon-Weiner物種多樣性指數、Margalef物種豐富度指數和Pielou物種均勻度指數作為植物的多樣性指數。計算公式為：

式中，N為i類植物所在樣方的各個種類的相對重要值之和；S為i類植物所在樣方的物種總數；Pi為第i種植物的相對重要值，Pi=（相對高度+相對蓋度）/2。

試驗數據采用Excel2010軟件進行處理，運用IBM SPSS Statistics 20軟件進行相關性和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同生境土壤粒徑及分形維數

由表1可知，研究區(qū)土壤粒級含量表現為：粘粒（53.53%）＞極細砂粒（20.81%）＞粉粒（15.41%）＞細砂粒（7.92%）＞中砂粒（0.57%）＞粗砂粒（0.49%）。研究區(qū)的分形維數值變化范圍在2.23～2.84之間，分形維數在典型草甸、鹽生草甸和低濕草甸中分別表現為2.74、2.72、2.66。3種生境土壤各粒級含量差異顯著，低濕草甸細砂粒含量較高，典型草甸的粉粒和中砂粒含量較高，鹽生草甸的極細砂粒和粗砂粒含量較高。

表1 不同生境土壤粒徑分布及分形維數Table 1 Soil particle size distribution and fractal dimension in different habitats

2.2 3種生境土壤分形維數與粒級含量的關系

由表2可知，研究區(qū)3種生境土壤分形維數與土壤粘粒含量呈極顯著正相關（3種生境R2依次為0.945、0.770、0.924），與土壤極細砂粒和細砂粒呈極顯著負相關。說明研究區(qū)土壤粘粒越多，分形維數越大；土壤極細砂粒和細砂粒越多，分形維數越小。3種生境土壤分形維數與粉粒的關系表現為：典型草甸呈極顯著負相關（R2=-0.581），鹽生草甸呈顯著正相關（R2=0.444），低濕草甸無顯著相關性（R2=0.128）。3種生境土壤分形維數與中砂粒的關系表現為：低濕草甸呈極顯著負相關（R2=-0.392），典型草甸呈極顯著正相關（R2=0.573），鹽生草甸無顯著相關性（R2=-0.293）。3種生境土壤分形維數與粗砂粒的關系表現為：鹽生草甸呈顯著負相關（R2=-0.427），低濕草甸和典型草甸無顯著相關性（R2分別為0.111和0.294）。說明土壤粉粒、中砂粒和粗砂粒含量的不同是導致3種生境土壤結構存在差異的原因。

表2 不同生境土壤顆粒分形維數（D）與粒級含量（d）分布回歸關系Table 2 Regression relationship between soil particle fractal dimension (D) and particle size distribution (d) in different habitats

2.3 不同生境土壤粒級含量在不同土層上的分布

土壤顆粒在土層垂直方向上的變化顯示：低濕草甸中土壤粘粒、粉粒和中砂粒在表層含量較高，細砂粒和極細砂粒深層累積，粗砂粒僅出現在表層；典型草甸中土壤黏粒和粉粒在表層含量較高，細砂粒、極細砂粒和中砂粒在深層累積，粗砂粒僅出現在深層；鹽生草甸中土壤粘粒和粉粒含量無明顯變化，極細砂粒和細砂粒深層累積，中砂粒在表層含量較高，粗砂粒僅出現在表層（圖1）。

圖1 不同生境下的土壤粒級含量在土壤剖面上的變化Fig. 1 Changes of soil particle size on soil profiles in different habitats

2.4 不同生境植物群落的多樣性與土壤分形維數

如圖2所示，4種多樣性指數整體上表現為低濕草甸＞典型草甸＞鹽生草甸。其中Simpson指數和Shannon-Weiner指數表現出相同的差異性，即低濕草甸顯著高于鹽生草甸，而與典型草甸間無顯著差異；Margalef指數表現為低濕草甸顯著高于典型草甸，而與鹽生草甸間無顯著差異；Pielou指數在3種生境下均無顯著差異。

圖2 不同生境植物群落的多樣性指數Fig. 2 Diversity indexes of plant communities in different habitats

圖3為研究區(qū)土壤分形維數與植物群落的多樣性關系，從y=Ax+B、y=AeBx、y=A+B和y=Ax2+Bx+C中選取R2最佳作為擬合方程，其中與Simpson指數和Margalef指數以指數函數擬合（R2分別為0.105和0.238），呈現出隨著土壤分形維數的增大，Simpson指數和Margalef指數有變小的趨勢；與Shannon-Weiner指數和Pielou指數以多項式函數擬合（R2分別為0.179和0.176），隨著土壤分形維數的增大，Shannon-Weiner指數和Pielou指數呈現出先增大后減少的趨勢，且在分形維數值為2.6左右出現峰值。

3 討論

圖3 不同土壤分形維數對應的植物4種多樣性指數Fig. 3 4 diversity indexes corresponding to different fractal dimensions of soil

草甸是在適中的水分條件下發(fā)育起來的以多年生中生草本植被為主體的典型區(qū)域；草甸土是溫帶區(qū)域低洼地上在地下水浸潤作用下形成的半水成土壤，主要分布在我國東北平原、內蒙古和西北地區(qū)的河谷平原或湖盆地區(qū)。在干旱半干旱地區(qū)濕地研究中，草甸被視為陸域過濕土壤上的濕地類型。銀川平原的草甸濕地植被中，低濕草甸的植物物種較為多樣，主要以蘆葦、香蒲、水葫蘆苗和水莎草等為建群種；典型草甸以堿蓬、拂子茅和蘆葦為建群種；鹽生草甸中植物物種數較為單一，為堿蓬和矮生蘆葦組成的單優(yōu)群落。銀川平原草甸濕地土壤母質主要為河流洪積物，分選型較好，沉積層次明顯，沙粘層相間，其分布地段地形較低平，地下水位較高。本研究結果表明，銀川平原草甸濕地土壤主要由以粘粒為主的微團聚體構成，中砂粒和粗砂粒的大團聚體占極少部分；其土壤分形維數值趨于2.28～2.84，處于具有良好結構和肥力狀況土壤［26-27］（分形維數在 2.60～2.80）與砂土類［26，28］（分形維數在1.83～2.64）土壤的分形維數之間，這也表征了草甸濕地土壤母質的泥沙沉積特征。在土壤分形維數粒徑組成的關系上，分形維數越大，粘粒含量越高，極細砂粒和細砂粒含量越少，這與相關研究［2，8，29］基本一致。銀川平原草甸濕地土壤分形維數的垂直分布特征，顯示土壤粘粒和粉粒表層含量較高，極細砂粒和細砂粒深層含量較高，這不僅與草甸土形成中的腐殖化過積、淀積化過程有關，還與草甸發(fā)育過程中的河湖水漫淤過程有關。銀川平原是黃河洪泛平原，黃河洪水漫灘、引黃灌溉過程中的溝渠引排、尾閭匯水、潛水水位升降等，無疑都是草甸濕地發(fā)育的影響因素。

研究區(qū)草甸濕地主要分布在銀川平原溝渠內外邊坡與尾閭、渠邊洼地、蓄洪區(qū)、黃河洪泛平原和湖邊周圍［30］，其形成受局地地形、水文、人類耕作活動等成土因素的影響較大，具有很強的隱域性，在3種生境下其土壤性質表現出差異性。低濕草甸土壤細砂粒含量相對較高，中砂粒表層含量較高，粗砂粒僅在表層出現。因為低濕草甸主要分布在溝邊及平原低洼地，排水不良，地下水埋深較淺，且黃河渠道大水漫淤的機會較大，土壤腐殖化較明顯，土壤中稍大顆粒物在生草層（土壤平均厚度18.6 cm）含量比本研究其他兩種草甸相對較多。鹽生草甸土壤極細砂粒和粗砂粒含量相對較高，且粗砂粒僅出現在表層。因為鹽生草甸主要分布在平原地區(qū)的湖灘邊緣或干灘地，地下水位高，基本出現地表水漫灘的可能性，以地下水為其補給水源，地下水含鹽量較高，在土壤毛管作用下將鹽分帶至表層，且土壤存在較明顯的潴育化過程，使土壤粗化［31］。而典型草甸土壤粉粒和中砂粒含量較高，分形維數相對較大，且在土壤分形維數和粒徑關系上顯示：與粉粒含量呈極顯著負相關，與中砂粒含量呈極顯著正相關；在土層剖面上，中砂粒深層含量較多，粗砂粒僅出現在深層。這是因為典型草甸主要分布在渠邊洼地，黃河水和溝渠尾水漫淤的機會較多，沉淀的泥沙較細，粉粒含量相對較多，地表水及地下水側向雙重補給，受地下水周期性升降的影響，土壤性質不穩(wěn)定，空間異質性較高，土壤粒徑分布規(guī)律復雜。

本研究得出水分含量較高的低濕草甸植物群落物種多樣性較高，與李文嬌等［32］的單一水分的增加有助于植物群落物種多樣性的增加的觀點，以及張欽弟等［33］的土壤水分與物種多樣性在水分梯度上存在較好的相關性的觀點基本一致，說明草甸濕地植物群落物種多樣性受水文的直接影響；而土壤物理結構通過影響地表及地下水的再分配，進而對草甸濕地植物群落物種多樣性產生了間接影響。值得注意的是整個草甸濕地在土壤分形維數變大的過程中，植物群落的Simpson指數和Margalef指數有變小的趨勢，Shannon-Weiner指數和Pielou指數出現了先增大后減少的規(guī)律，且均在土壤分形維數為2.6左右出現峰值，結果均與預想的規(guī)律相悖。這可能是因為不同物種對不同土壤屬性的依賴差異較大［34］，加之研究區(qū)有放牧活動，人為干擾較為嚴重，對淺根的植物群落的多樣性影響較大。持續(xù)的人為干擾會降低群落植物多樣性［35］，進而猜想對Shannon-Weiner指數和Pielou指數的影響出現了波動可能是因為土壤分形維數在2.6左右是接受人為干擾對于該兩種生物多樣性指數影響的最大閾限。

4 結論

銀川平原草甸濕地是干旱區(qū)典型的濕地類型，其形成受局地地形、水文、人類耕作活動等多重因素影響。銀川平原草甸濕地土壤以粘粒的微團聚體為主，分形維數值趨于2.28～2.84；3種草甸濕地土壤分形維數存在顯著差異，表現為典型草甸（2.74）＞鹽生草甸（2.72）＞低濕草甸（2.66）；土壤分形維數與粘粒含量呈極顯著正相關，與極細砂粒和細砂粒含量呈極顯著負相關；土壤垂直剖面上表層粘粒和粉粒含量較高，深層極細砂粒和細砂粒含量較高，中砂粒波動較大，粗砂粒僅出現在表層或深層；土壤粒徑和分形特點受局部地形環(huán)境的水文關系影響較明顯。低濕草甸的植物群落物種多樣性較高，多樣性指數平均值達1.15；水土過程對植物群落物種多樣性產生直接影響，土壤物理結構對植物群落物種多樣性起間接驅動作用，同時人為因素也起著重要的作用。