民勤沙區(qū)沙丘丘間地不同類型土壤粒度分布特征研究

萬 翔，劉淑娟，袁宏波，劉虎俊

(甘肅省治沙研究所&甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州730070)

隨著時代的進步，時間的推移，環(huán)境惡化問題已經(jīng)慢慢進入人心，各個國家都意識到環(huán)境問題對各國的可持續(xù)性發(fā)展和生存的重要性，特別是現(xiàn)在的自然環(huán)境開始頻繁的發(fā)生惡化現(xiàn)象，不論是天氣異常，還是水土流失等多種現(xiàn)象，無不讓人擔心。而關(guān)于土地荒漠化的話題，成為了重要的生態(tài)問題之一[1]。雖然現(xiàn)在國內(nèi)土地荒漠化的治理情況慢慢變好，但是絕大多數(shù)的情況依然嚴峻[2]，主要因為人工治理趕不上自然惡化的速度。而土地荒漠化最根本的原因就是在于土壤的肥力開始消失了，質(zhì)地開始變化了，其中的原因不只是有人為干擾的因素，大自然的自然變化的因素也不可小噓。在此基礎(chǔ)上，土壤質(zhì)地的好壞又是一大重要的信息，土壤的存在為人類，動物，微生物，植物等多種有生命活動跡象的提供了重要的作用。土壤是各種不一樣的形狀大小顆粒拼湊而成的多孔物質(zhì)，而土地是否退化的最有力的依據(jù)就是土壤顆粒的大小有沒有改變到一定的程度[3-4]。土壤顆粒含量分布影響著土壤分形維數(shù)，并且植被類型和地形等因素也會對土壤分形維數(shù)產(chǎn)生一定的影響。分形維數(shù)可以很直接的展現(xiàn)出土壤顆粒的分布特征和分布規(guī)律，還可以顯現(xiàn)出土壤的質(zhì)地的平均程度[5]。土壤粒徑的分形維數(shù)D還可以非常好地展現(xiàn)出土壤的結(jié)構(gòu)還有土壤的現(xiàn)處的性狀特征，另一個方面上，土壤顆粒的分形維數(shù)D和沙區(qū)地區(qū)的荒漠化土壤中的有機質(zhì)含量的多少等多種重要的數(shù)值有著很密切的關(guān)系，在一定的程度上來說。土壤顆粒的分形維數(shù)D的數(shù)值還會跟隨著荒漠化程度的變化而發(fā)生改變，在一般的情況下，兩者的關(guān)系會呈現(xiàn)出反比關(guān)系，荒漠化程度越大的時候，土壤顆粒的分形維數(shù)D反而就會越小[6-8]。因此組成土壤結(jié)構(gòu)單位的土壤顆粒在很大的程度上可以直接或者間接的反映出荒漠地區(qū)或者沙漠地區(qū)里面的植被生長狀況，分布的特征，或者可以了解到土壤本身性質(zhì)上發(fā)生了什么變化。這對于我們致力于治理土地荒漠化有很重要的研究意義。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

本文以處于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠交匯的石羊河下游甘肅民勤沙區(qū)的丘間地和沙坡土層里的土壤顆粒大小為研究對象，這個地方的顆粒單位作為本次研究的研究材料。

1.2 實驗方法

采用土壤剖面取樣法。

1）實驗設(shè)計。設(shè)計三個不同的樣地采樣，并且三個樣地的主要研究區(qū)域數(shù)量不同試驗：

在植被調(diào)查的同時，在對應(yīng)樣方選取土壤特征調(diào)查及采樣點。由于沙區(qū)地表淺層土壤受風(fēng)沙活動影響明顯，也是植物定居的關(guān)鍵層次，同時，土壤的理化特征對丘間地水分運移、植物種子萌發(fā)具有重要影響，因此，對應(yīng)植被調(diào)查樣地，每個樣方選擇土壤取樣點一處，根據(jù)不同深度的土壤顆粒采樣，以無人為干擾的樣地類型作為樣地一所選擇的丘間地數(shù)量為三個，土層顆粒樣本按土層深度0～5cm，5～20cm，20～40cm取樣，每處樣本取三組，以人工種植梭梭林的樣地類型作為樣地二選擇的丘間地數(shù)量為兩個，以退耕地的樣地類型作為樣地三所選擇的丘間地數(shù)量為一個。以三個樣地的對比實驗來說明不同區(qū)域的丘間地與土壤粒度分布的相互作用及影響。另外，在這個基礎(chǔ)上，還對上面所描述的作用、影響增添了對照對比說明的參照組，這四個區(qū)域的參照組能夠結(jié)合上面的主要實驗組的分析結(jié)果來更準確更具有說服力的說明分析的結(jié)論。而這四個區(qū)域的參照實驗組分別在前沙迎風(fēng)坡、前沙背風(fēng)坡、后沙迎風(fēng)坡、后沙背風(fēng)坡。

2）實驗步驟。（1）首先在我們選定的研究區(qū)域劃分不同區(qū)域類型，我們可以使用帶有鮮艷的具有明顯特點的線來進行分割試驗區(qū)域，然后做好標記，對劃分區(qū)域進行包圍，最后對劃分包圍的區(qū)域進行樣地和小區(qū)域的編排序列實驗號。（2）選中了大的研究區(qū)域后，我們可以對每個區(qū)域的樣地取樣的時候選擇三個區(qū)域作為我們主要的三個對照組，每個樣地的區(qū)域再按小區(qū)域來分割每個取樣地，然后我們可以把這小區(qū)域分別劃分為前沙迎風(fēng)坡、前沙迎風(fēng)坡、丘間地、后沙迎風(fēng)坡、后沙背風(fēng)坡，區(qū)域劃分好后，就可以進行下一步實驗的步驟。（3）在每個樣地的區(qū)域選擇土壤取樣點一處，然后采用經(jīng)常用到的剖面取樣法來取樣土，在土層的深度我們把所取土層深度定為40cm深，而分級按0～5cm、5～20m和20～40cm三個深度分層采樣，每層的樣品取三組，然后保留樣品完整度，帶回實驗室用相關(guān)的儀器分析相關(guān)的結(jié)果。（4）對每個樣地的每個區(qū)域所采集的不同深度的土壤顆粒，進行顆粒的粒徑度大小進行分類，按照 0.01～2（粘粒），2～20（粉粒），20～200（細砂粒），200～2000（粗砂粒）的標準，記錄每個樣地選擇的不同采樣區(qū)域中不同深度的土壤顆粒大小進行歸類。

3）數(shù)據(jù)處理與分析。土壤粒徑可以使用Coulter LS23.激光粒度儀測量，而粒度的分級分類使用的是美國制[15]。再然后通過將不同樣地劃分的不同區(qū)域所采集的不同深度的土壤顆粒樣品的數(shù)據(jù)大小輸入到Excel里面，按土壤顆粒的劃分，采集樣地區(qū)域，劃分區(qū)域，土層深度，不同編號等一一進行分類整理。

本文采用：D=3-K這個公式可以算出每組顆粒粒徑的分形維數(shù)。式中：D為分型維數(shù)，K為lg[（mi直徑小于di的累積質(zhì)量（g））/（m0土壤樣品總質(zhì)量（g））]/lg[（di兩相鄰粒級 di與 di+1間土粒平均直徑（mm））/dmax最大粒級土粒平均直徑（mm）]并將二者進行線性擬合，分析求得斜率K[16]。數(shù)據(jù)結(jié)果用Excel和SPASS相互結(jié)合使用可以處理出來。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域及其不同土層深度土壤粒徑的分布

從無人為干擾的類型、人工種植梭梭林的類型、退耕地的類型三個樣地類型見表1～3，三個表中可以看出，在前沙迎風(fēng)坡、前沙背風(fēng)坡、后沙迎風(fēng)坡、后沙背風(fēng)坡、丘間地這幾個區(qū)域中，土壤顆粒大小在 0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）兩個顆粒范圍內(nèi)的含沙量要比20～200μm（細砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）這兩種粒徑范圍內(nèi)的含沙量要低很多，從而可以確定在這一片研究的區(qū)域內(nèi)，它主要的組成物質(zhì)的直徑大小是細砂粒和粗砂粒。因此，在這個研究的地方，這兩種砂粒所占百分比比例也很高。而在不同的土層深度中，處于 0～5cm、5～20cm、20～40cm 的土層深度中，前沙迎風(fēng)坡、前沙背風(fēng)坡、后沙迎風(fēng)坡、后沙背風(fēng)坡、丘間地這五個區(qū)域的四個土壤粒徑范圍中的0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）兩個粒徑范圍里的土壤含量百分比依舊占的很小，而這五個區(qū)域里 20～200μm（細砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）兩種粒徑大小的土壤顆粒所占含量百分比的平均值基本在50%左右，或者大于50%。說明在處于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠交匯的石羊河下游甘肅民勤沙區(qū)里[14]，粗砂粒和細砂粒，兩種直徑大小的顆粒所占百分比例最多。

表1 樣地一中不同區(qū)域不同土層深度土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

表2 樣地二中不同區(qū)域不同土層深度土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

表3 樣地三中不同區(qū)域不同土層深度土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

從以上三個表的每個表中按 0～5cm、5～20cm、20～40cm的土層深度分析土壤粒徑百分比含量，在0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）、20～200μm（細砂粒）這三個粒徑范圍內(nèi)，土壤顆粒百分含量大小是按0～5cm＞5～20cm＜20～40cm這么排序的，說明在土層深度為5～20cm的粘粒、粉粒、細砂粒的含量最少，而在土層深度為0～5cm、20～40cm的粘粒、粉粒、細砂粒的含量相對比較多；但在200～2000μm（粗砂粒）粒徑范圍內(nèi)，土壤顆粒百分比含量大小是按 0～5cm＜5～20cm＞20～40cm 這么排序的，說明土層深度為5～20cm的粗砂粒含量最多。

2.2 不同區(qū)域以及不同深度的土壤顆粒分形維數(shù)的特征

土壤顆粒的粒徑分布是表現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的主要參數(shù)之一，土粒徑分布可以表現(xiàn)出土壤明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，它就越難形成優(yōu)良的結(jié)構(gòu)[10]；土壤質(zhì)地越細，可以形成的微小孔隙度也就越多，結(jié)構(gòu)也就更為復(fù)雜，隨之它的分形維數(shù)也越高[9-13]。

從表4、5、6的數(shù)據(jù)來看，分析可以得出：三個樣地中，土深為0～5cm的D的大小先增加、后減小、再增加。而深度在5～20cm、20～40cm的范圍內(nèi)卻是先增大、后減小、再不變、最后再增加，整體趨勢先上升再下降，再趨于平緩，最后再上升。綜合分析得出，前沙背風(fēng)坡和靠近丘間地的區(qū)域、后沙迎風(fēng)坡和靠近丘間地區(qū)域的這兩個地方更利于形成土壤顆粒結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，微小孔隙度越多的優(yōu)質(zhì)顆粒。

表4 樣地一不同的土壤顆粒粒徑分布與分形維數(shù)D的相關(guān)關(guān)系

表5 樣地二 不同的土壤顆粒粒徑分布與分形維數(shù)D的相關(guān)關(guān)系

表6 樣地三 不同的土壤顆粒粒徑分布與分形維數(shù)D的相關(guān)關(guān)系

從土壤分形維數(shù)的計算可以知道，分形維數(shù)和土壤粒徑大小的百分含量有聯(lián)系[5-6]。通過線性和數(shù)據(jù)分析，綜合分析表4、表5、表6可以得出：在土層深度為0～5cm的粉粒和粗砂粒兩組粒徑的量所占百分比比例和分形維數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，剩下兩種粒徑的量所占百分比比例和分形維數(shù)成正相關(guān)；在土層深度為5～20cm、20～40cm的粘粒、粉粒和分形維數(shù)呈負相關(guān)性，粗細砂粒和分形維數(shù)呈正相關(guān)性。換個說法可以這么講，在0～5cm時，這個顆粒的粒徑的分形維數(shù)越大，粉粒和粗砂粒的百分含量所占百分比例就越少；在5～20cm、20～40cm時，分形維數(shù)數(shù)值越小，粘粒和粉粒的百分含量所占百分比例就越高，如圖1所示。

圖1 為不同土層深度與分形維數(shù)的關(guān)系

從圖1中可以看得出：在不同的土層深度里，土層深度為0～5cm的三個樣地中，分形維數(shù)相差比較大，而在土層深度為5～20cm、20～40cm的三個樣地中，分形維數(shù)相差不是很大。所以表明土壤里顆粒分形維數(shù)是反映土壤質(zhì)地粗細的一個很好的指標系數(shù)[10]。在 5～20cm、20～40cm 土層中，各個土壤顆粒大小分布比較集中，而在0～5cm土層中各個顆粒土壤大小分布比較分散，我們可以通過這個結(jié)果的，又一次的驗證了在本文中前面的內(nèi)容說到的，這個研究的地方的砂?；蛘咄寥李w粒分布的百分比比例高的是細的和粗的砂粒，就是顆粒直徑和前幾組直徑大小劃分的直徑小的顆粒相比較數(shù)量多的、直徑大的砂粒。

3 討論

1）研究區(qū)域中沙粒粒徑的分布主要是以20～200μm（細砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）的砂粒為主，其次為2～20μm（粉粒），剩下的顆粒的百分比含量的所占比例是最低的。

2）在我們所選擇的研究區(qū)域的三個樣地中，當改變土層深度，慢慢向下增加深度大小的時候，四種不同的顆粒大小的砂粒種類的分布密集度也跟著深度的增加而增多。

3）土壤顆粒的粒徑分布是表現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的主要參數(shù)之一，土粒徑分布可以表現(xiàn)出土壤明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，它就越難形成優(yōu)良的結(jié)構(gòu)[10]；土壤質(zhì)地越細，可以形成的微小孔隙度也就越多，結(jié)構(gòu)也就更為復(fù)雜，隨之它的分形維數(shù)也越高[9-13]。在土層深度為0～5cm的粉粒和粗砂粒兩組粒徑的量所占百分比比例和分形維數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，粘粒、細砂粒兩種粒徑的量所占百分比比例和分形維數(shù)成正相關(guān)；在土層深度為 5～20cm、20～40cm的粘粒、粉粒和分形維數(shù)呈負相關(guān)性，粗細砂粒和分形維數(shù)呈正相關(guān)性。換個說法可以這么講，在0～5cm時，這個顆粒的粒徑的分形維數(shù)越大，粉粒和粗砂粒的百分含量所占百分比例就越少；在5～20cm、20～40cm時，分形維數(shù)數(shù)值越小，粘粒和粉粒的百分含量所占百分比例就越高。