寧夏東部荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑分形特征

孫忠超，郭天斗，于露，馬彥平，趙亞楠，李雪穎，王紅梅，2*

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021；2.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，寧夏銀川750021）

寧夏東部荒漠草原地處農(nóng)牧交錯區(qū)，該地區(qū)環(huán)境脆弱，土壤貧瘠且基質(zhì)穩(wěn)定性差，加之氣候常年干旱，易導(dǎo)致自然恢復(fù)、牧草重建緩慢［1］。為緩解這一問題，20世紀(jì)末期大規(guī)模的人工引入灌叢已成為草原恢復(fù)的一項(xiàng)重要措施，錦雞兒屬檸條（Caragana korshinskii）植物栽培種，因其蒸騰速率低、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于干旱半干旱區(qū)的生態(tài)重建。但隨著人為灌叢的不斷擴(kuò)張，覆蓋度的逐漸增加，植被與水的矛盾日益突出，導(dǎo)致草原旱化，原生草本退化，土壤侵蝕加劇，對荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)和土壤穩(wěn)定性等方面可能造成不可逆轉(zhuǎn)的影響［2-3］。

相關(guān)研究表明，灌叢引入導(dǎo)致荒漠草原人為灌叢化，而灌叢化產(chǎn)生的“沃島”效應(yīng)，使得土壤養(yǎng)分在水平和垂直方向發(fā)生分異，產(chǎn)生土壤高度異質(zhì)性，最終導(dǎo)致草地嚴(yán)重沙化和破碎化［4-5］。土壤是由不規(guī)則形狀的不同顆粒組成的多孔介質(zhì)，具有自相似的分形特征［6］。土壤粒徑分布（particle size distribution，PSD）是重要的土壤物理參數(shù)，不僅與土壤結(jié)構(gòu)、土地利用類型和植被蓋度等存在很強(qiáng)的相關(guān)性，還影響著土壤水分、養(yǎng)分截留與轉(zhuǎn)運(yùn)、植被生產(chǎn)力和生態(tài)恢復(fù)過程［7-8］。傳統(tǒng)的表征土壤顆粒大小的方法無法進(jìn)一步區(qū)分不同性質(zhì)土壤的細(xì)微差異，也無法解釋不同尺度土壤系統(tǒng)中各種自然現(xiàn)象的不均勻程度［9-10］，而分形理論能夠表征土壤顆粒的局部與整體的相似性，被廣泛應(yīng)用于土壤顆粒分布的分析［11］，其中土壤分形維數(shù)（D）可作為判斷土壤質(zhì)地的重要指標(biāo)，不僅可以表征土壤顆粒的分布特征、土壤的均勻程度和肥力，而且還可作為模擬和預(yù)測土壤水分特征曲線、土壤導(dǎo)水率的綜合定量指標(biāo)［12］。Wang等［13］的結(jié)果表明，多重分形維數(shù)反映了土壤物理性質(zhì)和土壤質(zhì)量，并與土地利用顯著相關(guān)。Zhao等［14］得出分形分析可用于評估淤地壩對農(nóng)田土壤質(zhì)地沉積的影響。Gui等［15］發(fā)現(xiàn)海拔、植物群落、土壤pH值、水分等與土壤粒徑分布有關(guān)。Jia等［16］發(fā)現(xiàn)土壤分形維數(shù)隨植物年齡增加而增加，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。Bimueller等［17］、Zhou等［18］發(fā)現(xiàn)不同的土壤粒徑分布驅(qū)動吸附特性會影響有機(jī)物分解過程中脫耦碳氮的礦化以及轉(zhuǎn)化酶和木聚糖酶的活性。Su等［19］指出，土壤分形維數(shù)可以用來描述荒漠化的特征及其與土地荒漠化的關(guān)系。以上研究均反映利用土壤粒徑分布分形維數(shù)來分析土壤侵蝕與草原退化的可行性。根據(jù)前人針對不同土地利用方式下土壤粒徑分形維數(shù)特征以及對土壤理化性質(zhì)關(guān)系的研究，可為荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤顆粒組成、土壤顆粒分形維數(shù)特征及其與土壤理化性質(zhì)特性相互關(guān)系深入研究提供借鑒。

鑒于此，本研究以寧夏東部荒漠草原人工灌叢引入形成的草地-灌叢地鑲嵌體為研究對象，利用野外采樣室內(nèi)分析的方法，開展荒漠草原向灌叢地過渡過程各樣地（荒漠草地、草地邊緣、灌叢邊緣、灌叢地）土壤顆粒組成、土壤分形維數(shù)、土壤理化變化特征研究，探析荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程中土壤粒徑分布特征及其分形維數(shù)特征與土壤性質(zhì)的相互關(guān)系，以期為荒漠草原植被恢復(fù)可持續(xù)性提供理論和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在寧夏鹽池縣花馬池鎮(zhèn)四墩子（E 106°03′-107°04′，N 37°04′-38°10′），該區(qū)南靠黃土高原，北鄰毛烏素沙地，平均海拔1450 m左右，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8℃，年平均無霜期有162 d左右。年平均降水量350 mm左右，7-9月的降水量約占全年降水量的80%左右，冬春少雨雪，年蒸發(fā)量2131.8 mm。研究區(qū)草地類型為荒漠草原，大地貌為緩坡丘陵，土壤類型主要為灰鈣土，土壤結(jié)構(gòu)松散，肥力低，含沙量大。pH值為7.5～8.5。地帶性植被為荒漠草原，主要分布有賴草（Leymus secalimus）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、短花針茅（Stipa breviflora）、遠(yuǎn)志（Polygala tenuifolia）、乳漿大戟（Euphorbia esula）、檸條、蟲實(shí)（Corispermum hyssopifolium）、銀灰旋花（Convolvulus ammannii）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）和狗尾草（Setaria viridis）等。

1.2 樣地選擇

本試驗(yàn)選取寧夏東部荒漠草原人工灌叢引入過程后形成的典型草原-灌叢鑲嵌體作為研究區(qū)，根據(jù)生態(tài)界面理論［20］，分別選取具有典型代表性的荒漠草地（desert grassland，DG）、草地邊緣（grassland edge，GE）、灌叢邊緣（shrubland edge，SE）、灌叢地（shrubland，SL）為4個研究樣地（圖1，表1），來代表荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程?；哪莸丶安莸剡吘夒S機(jī)各設(shè)置6個5 m×5 m樣區(qū)，灌叢邊緣及灌叢地各設(shè)置6個10 m×10 m樣區(qū)，為本試驗(yàn)固定監(jiān)測樣區(qū)，每個樣區(qū)內(nèi)按不同微生境又分為植叢（vegetation patch，VP）和空斑（bare interspace，BI）。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area and site

表1 樣地基本概況Table 1 Descriptions of study sites

1.3 樣品采集與處理

于2019年4月在每個研究樣地隨機(jī)設(shè)置的樣區(qū)內(nèi)進(jìn)行土樣的采集，并對其所采的土樣進(jìn)行測定。在每個樣區(qū)挖一個1 m×1 m的土壤剖面，容重和毛管孔隙度測定深度100 cm，前兩層間隔10 cm，后4層間隔20 cm測定一次，每個樣區(qū)共測定6次；利用土鉆取土烘干法測定0～100 cm層土壤質(zhì)量含水量，分別取0～10 cm、10～20 cm層的土樣，之后每隔20 cm層取1土樣；同時采取相應(yīng)土層的土樣，用于測定土壤粒徑和土壤養(yǎng)分，共計(jì)144個樣品。剔除土樣中植物根系、石塊等非土樣組成部分，自然風(fēng)干，均勻混合后按照四分法分別取土樣進(jìn)行研磨，其中測定土壤粒徑的土樣過2 mm篩，測定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷的土樣過0.149 mm篩。

1.4 室內(nèi)分析

采用烘干法測定土壤水分。用環(huán)刀法測定土壤容重和毛管孔隙度。采用油浴重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳含量。采用凱氏定氮儀（瑞士Buchi Labortechnik AG K-360）測定土壤全氮含量。采用SKALAR San++流動分析儀測定土壤全磷含量。采用Microtrac 3500激光粒度分析儀（美國麥奇克有限公司）測定土壤顆粒組成，重復(fù)測量誤差＜2%。土壤顆粒粒徑設(shè)定為＜1μm、1～2μm、2～5μm、5～10μm、10～20μm、20～50μm、50～100 μm、100～200μm、200～250μm、250～500μm、500～1000μm、1000～2000μm，本研究按照國際制分類標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒（50～2000μm），粉粒（2～50μm）和黏粒（＜2μm）［21］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 土壤粒徑分形維數(shù) 不同于Tyler等［22］和楊培嶺等［23］得到的質(zhì)量分形維數(shù)公式，本研究采用的是王國梁等［24］推導(dǎo)出的體積分形維數(shù)公式。其推導(dǎo)出的計(jì)算公式為：

式（1）兩邊同時取對數(shù)得：

式中，r為土壤顆粒粒徑，μm；V（r＜R）指的是粒徑小于R的顆粒累積體積（這里的體積均為體積百分?jǐn)?shù)）；VT指的是土壤顆粒的總體積；λV指的是對所有粒級而言的上限值，數(shù)值上等于最大粒徑，本研究中土壤最大粒徑為2000μm；D是土壤顆粒體積分形維數(shù)；V（r＜R）/VT是粒徑小于R的土壤顆粒的累積體積百分含量。計(jì)算時R取某個粒級上限值與下限值的算術(shù)平均值。首先分別計(jì)算出lg［V（r＜R）/VT］與lg（R/λV），其次以lg［V（r＜R）/VT］為縱坐標(biāo)，以lg（R/λV）為橫坐標(biāo)作出雙對數(shù)曲線，將各典型土壤的粒徑分布的數(shù)據(jù)繪于圖上，最后用最小二乘法擬合成一條直線，該直線斜率等于3-D，進(jìn)一步求出分形維數(shù)D值。

1.5.2 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析 運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算各樣地0～100 cm土層土壤粒徑的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)，以此反映不同處理土壤粒徑及分形維數(shù)的總變異程度。變異程度用變異系數(shù)CV衡量，變異系數(shù)的大小可以反映特征變量的空間變異程度［25］。

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)方差；X為變量均值。

1.5.3 土壤容重和毛管孔隙度的計(jì)算公式為［26］：

1.5.4 土壤含水量的計(jì)算：

式中：稱量烘干鋁盒干重，稱重為W1；烘干前鋁盒及鮮土重，稱重為W2；采用恒溫鼓風(fēng)干燥箱于105℃烘干24 h至恒重，稱量烘干后鋁盒及干土樣重，記為W3。

利用Microsoft Excel 2010和Origin 2017軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用one-way ANOVA進(jìn)行單因素的方差分析以及Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑分布及分形維數(shù)

荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑體積百分含量均以砂粒（50～2000μm）為主（表2），粉粒（2～50 μm）次之，黏粒（＜2μm）最少，其百分含量分別為40.22%～98.97%、1.03%～53.55%和0～7.32%。隨著灌叢蓋度不斷增加，0～40 cm土層土壤黏粒、粉粒含量均表現(xiàn)為荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢邊緣＞灌叢地，且草地邊緣、灌叢邊緣、灌叢地的土壤黏粒、粉粒含量分別較荒漠草地顯著降低了38.2%和12.2%、89.9%和62.7%、100%和91.6%。而0～40 cm土層砂粒與黏粒、粉粒的變化趨勢相反，表現(xiàn)為荒漠草地＜草地邊緣＜灌叢邊緣＜灌叢地，與荒漠草地相比，草地邊緣、灌叢邊緣、灌叢地的土壤砂粒含量分別增加了6.5%、31.1%和46.0%。40～100 cm土層，各轉(zhuǎn)變過渡樣地土壤黏粒和粉粒含量整體呈降低-增加-降低變化趨勢，其中灌叢邊緣土壤黏粒和粉粒含量最高，灌叢地表現(xiàn)最低，各樣地土壤砂粒含量表現(xiàn)為灌叢邊緣＜荒漠草地＜草地邊緣＜灌叢地，與灌叢地相比，土壤砂粒含量分別顯著降低了53.6%、25.8%、18.8%。各轉(zhuǎn)變樣地0～100 cm土層土壤粒徑分布變異系數(shù)表現(xiàn)為黏粉粒＞砂粒，其中草地邊緣和灌叢邊緣在0～100 cm土層黏粒整體變異系數(shù)較高，分別為1.37和1.00；灌叢邊緣下粉粒和砂粒的變異系數(shù)較高，分別為0.65和0.34，而灌叢地砂粒變異系數(shù)較低，為0.01。

表2 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑分布及分形維數(shù)Table 2 Soil particle size distribution and its fractal dimension in different desert grassland-shrubland transition stages

各轉(zhuǎn)變樣地不同土層土壤分形維數(shù)介于1.02～2.58。隨灌叢蓋度增加，土壤0～100 cm層土壤分形維數(shù)表現(xiàn)為荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢邊緣＞灌叢地，荒漠草地土壤分形維數(shù)分別為草地邊緣、灌叢邊緣和灌叢地的1.03、1.08和1.71倍。各個轉(zhuǎn)變樣地不同土層土壤分形維數(shù)，除40～60 cm土層外，均存在顯著性差異（P＜0.05），表明荒漠草地、草地邊緣、灌叢邊緣抵抗侵蝕能力相對穩(wěn)定，而灌叢地較差。

2.2 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑與分形維數(shù)的相關(guān)性

研究區(qū)樣地土壤分形維數(shù)與粉粒、黏粒含量均呈正相關(guān)關(guān)系（圖2），其R2分別為0.8235、0.4443，而與砂粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其R2為0.8072。土壤分形維數(shù)與土壤各粒級含量的相關(guān)性順序整體表現(xiàn)為粉粒＞砂粒＞黏粒。表明土壤分形維數(shù)對土壤粉粒、砂粒含量的變化最為敏感，且隨著黏粒，粉粒的含量增加而增大，隨著砂粒的增加而減小。

圖2 分形維數(shù)D值與不同土壤粒徑體積百分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.2 Correlation between D value of fractal dimension and volumetric content of soil particle size

2.3 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤理化性質(zhì)

各轉(zhuǎn)變樣地不同土層理化指標(biāo)均存顯著性差異（P＜0.05），其中0～100 cm土層含水量為4.69%～16.24%，土壤毛管孔隙度為27.4%～40.1%，土壤容重為1.30～1.67 g·cm-3，土壤有機(jī)碳含量為2.63～12.76 g·kg-1，土壤全氮含量為0.20～0.72 g·kg-1，土壤全磷含量為0.07～0.31 g·kg-1（圖3）。轉(zhuǎn)變過程0～100 cm土壤水分含量各樣地表現(xiàn)為荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢邊緣＞灌叢地，與荒漠草地相比，草地邊緣、灌叢邊緣和灌叢地分別顯著降低13.15%、27.97%和46.72%。20～60 cm層，荒漠草地、灌叢邊緣和灌叢地整體變化規(guī)律基本一致，而草地邊緣顯著高于其他處理。60～100 cm層，土壤水分整體呈波動增加趨勢。轉(zhuǎn)變過程0～60 cm土層，荒漠草地、草地邊緣、灌叢邊緣、灌叢地土壤毛管孔隙度隨深度增加呈先降低后增加變化趨勢。60～100 cm層各樣地差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為灌叢邊緣＞荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢地。0～100 cm土層在轉(zhuǎn)變過程中土壤容重整體表現(xiàn)為荒漠草地＜草地邊緣＜灌叢邊緣＜灌叢地，荒漠草地、草地邊緣和灌叢邊緣分別較灌叢地降低10.58%、8.35%和7.25%。0～60 cm層，草地邊緣、灌叢邊緣土壤容重隨土壤深度增加呈先增加后降低趨勢，而60～100 cm土層隨土壤深度的增加而降低趨勢。轉(zhuǎn)變過程中荒漠草地和草地邊緣0～60 cm土層土壤有機(jī)碳差異不顯著、灌叢邊緣和灌叢地差異不顯著，且荒漠草地、草地邊緣顯著高于灌叢邊緣、灌叢地，60～100 cm土層荒漠草地、草地邊緣和灌叢邊緣差異不顯著，且3個樣地均高于灌叢地；各樣地0～10 cm土層土壤全氮存在顯著性差異，20～80 cm層土壤全氮，荒漠草地和草地邊緣隨土壤深度增加而逐漸降低，而灌叢邊緣和灌叢地隨深度的增加而逐漸升高；轉(zhuǎn)變過程中灌叢地土壤全磷隨深度增加呈降低趨勢；灌叢邊緣和灌叢地土壤全磷無顯著性差異，草地邊緣為0～60 cm層呈先增加后降低的趨勢，而60～100 cm層呈降低趨勢。

圖3 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤理化性質(zhì)Fig.3 Soil physical and chemical properties in the process of anthropogenic transition from desert steppe to shrub land誤差線由樣地之間指標(biāo)均值可得且表示各樣地間差異顯著（P＜0.05）。The error bar is obtained from the average value of the indexes between the plots and indicates that the differences between the plots are significant（P＜0.05）.

2.4 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程粒徑分布與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)和主成分分析

土壤水分含量與土壤分形維數(shù)、粉粒含量、毛管孔隙度呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與砂粒、容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與土壤黏粒、有機(jī)碳、全氮、全磷含量無顯著相關(guān)關(guān)系（圖4）。土壤容重與土壤砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與土壤分形維數(shù)、土壤黏粒、粉粒、水分、有機(jī)碳、全磷含量呈極顯著性負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。土壤毛管孔隙度與土壤分形維數(shù)、黏粒、粉粒、水分、有機(jī)碳、全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與土壤全氮含量無顯著相關(guān)關(guān)系。有機(jī)碳與土壤分形維數(shù)、粉粒、毛管孔隙度、全氮、全磷呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系，與砂粒、容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與黏粒、土壤含水量無顯著相關(guān)關(guān)系。土壤全氮與土壤容重呈顯著性負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與土壤有機(jī)碳和土壤全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與土壤分形維數(shù)、土壤粉粒、黏粒、砂粒含量、土壤含水量、毛管孔隙度無顯著相關(guān)關(guān)系。全磷與粉粒、毛管孔隙度、有機(jī)碳、全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與砂粒、容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與黏粒、土壤水分含量無顯著相關(guān)性。

圖4 0～100 cm土層土壤粒徑分布與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of soil particle size distribution of 0-100 cm soil layer and soil physical and chemical properties*：P＜0.05，**：P＜0.01.D：分形維數(shù)Soil fractal dimension；Clay：黏粒；Silt：粉粒；Sand：砂粒；SWC：土壤水分含量Soil water content；BD：容重Bulk density；CP：毛管孔隙度Capillary porosity；SOC：土壤有機(jī)碳Soil organic carbon；TN：全氮Total nitrogen；TP：全磷Total phosphorus.下同The same below.

主成分的特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，將4個樣地的9個與土壤分形維數(shù)有關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。主成分分析表明，荒漠草原向灌叢地轉(zhuǎn)變過程在第一主成分貢獻(xiàn)率達(dá)53.6%，第二主成分貢獻(xiàn)率為24.2%（圖5），前兩個主成分分析貢獻(xiàn)率累計(jì)77.8%，能夠解釋大多數(shù)信息。在第一主成分上載荷值較大的為粉粒、砂粒、容重、毛管孔隙度，說明這4個物理指標(biāo)更有利于反映土壤分形維數(shù)變化，而在第二主成分上載荷值較大的為土壤全氮、有機(jī)碳、全磷，說明這3個化學(xué)指標(biāo)更有利于反映土壤分形維數(shù)的變化。

圖5 土壤理化性質(zhì)與分形維數(shù)的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil physical and chemical properties and fractal dimension

3 討論

3.1 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑分布與分形維數(shù)的關(guān)系

土壤粒徑分布是土壤物理特征的基本參數(shù)，通過定量描述土壤粒徑，可以研究土壤的形成和結(jié)構(gòu)［27］。本研究表明隨灌叢引入，0～40 cm土層各處理黏粒、粉粒含量逐漸降低，而砂粒含量有所增加。這可能是由于檸條灌叢在引入的過程中，隨著各樣地檸條覆蓋度的增加，植被水肥競爭日益加劇，短花針茅等優(yōu)勢植被消失，這就導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕，土壤黏粉粒等細(xì)小顆粒的遷移損失，從而使其砂粒含量增加。而黏粉粒含量同時也會受到大氣中粉塵和降水共同作用的影響。除40～100 cm土層，灌叢邊緣土壤粉粒和砂粒含量最高，這可能與土壤母質(zhì)分解有關(guān)。隨灌叢引入，灌叢邊緣和灌叢地的變異系數(shù)較大，上述植被退化和母質(zhì)分解也可解釋出現(xiàn)的這種情況。土壤分形維數(shù)（D）被作為判別土壤質(zhì)地的重要指標(biāo)，一般來說土壤分形維數(shù)越大，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)［28］。本研究結(jié)果表明荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程各樣地和土層的土壤分形維數(shù)（D值）為1.02～2.58，且荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢邊緣＞灌叢地，荒漠草地土壤分形維數(shù)分別為草地邊緣、灌叢邊緣和灌叢地的1.03、1.08和1.71倍。表明隨著灌叢的引入，土壤抗侵蝕能力逐漸減弱，灌叢地抗侵蝕能力最低。造成抗侵蝕能力差的原因可能是在灌叢引入的過程中，檸條灌叢致使植被水肥競爭，進(jìn)而導(dǎo)致土壤沙化、固土固沙的植被減少、土壤黏粉粒被風(fēng)蝕以及發(fā)生不同程度的沃島效應(yīng)等［5］。

土壤粒徑分形維數(shù)隨土壤質(zhì)地中粒徑分布發(fā)生一定的變化。土壤質(zhì)地中黏粉粒含量越多土壤分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地中砂粒含量越少土壤分形維數(shù)越大。本研究區(qū)土壤分形維數(shù)與粉粒、黏粒含量均呈正相關(guān)關(guān)系，其R2分別為0.4443、0.8235，而與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其R2為0.8072。本研究結(jié)果與已有研究［8，29］較為一致。表明土壤分形維數(shù)對土壤黏粒、砂粒含量的變化最敏感，且隨著黏粒、粉粒含量的增加而增大，隨著砂粒的增加而減小。因此，土壤分形維數(shù)在一定程度上可以表征土壤質(zhì)地中粒徑大小的分布狀況和土壤質(zhì)地的均勻程度，并作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標(biāo)。

3.2 荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程土壤粒徑分布及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

豆科灌木的侵占改變了土壤性質(zhì)、土壤水分模式和植物的繁殖情況?；哪菰蚬鄥驳厝藶檗D(zhuǎn)變過程中，由于土壤基質(zhì)中土壤顆粒大小的不同，其土壤理化性質(zhì)存在一定的差異。在本研究中荒漠草原隨著灌叢引入，0～10 cm土層草地邊緣土壤水分含量低于荒漠草地，但高于灌叢邊緣和灌叢地，這可能是由于在草原向灌叢轉(zhuǎn)變過程中，植被根系下扎深度不同，進(jìn)而對水分的消耗不同。草地邊緣土壤水分含量在20～100 cm土層盡管無顯著波動變化，但在20～60 cm土層顯著高于其他樣地。而荒漠草地、灌叢邊緣和灌叢地在0～100 cm變化規(guī)律基本一致，其中在0～60 cm無波動變化，在60～100 cm土層水分呈波動增加，這可能與檸條灌叢的引入及植被的演變退化有關(guān)。從整體來看，各樣地0～100 cm土層土壤水分含量隨轉(zhuǎn)變過程逐漸降低，即荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢邊緣＞灌叢地。土壤毛管孔隙度在0～100 cm土層整體表現(xiàn)為灌叢邊緣＞荒漠草地＞草地邊緣＞灌叢地，表明隨灌叢引入，在一定程度上可以降低土壤的孔隙度，灌叢地邊緣毛管孔隙度最大，這可能與轉(zhuǎn)變過程植被變化有關(guān)。隨灌叢引入，0～100 cm土層容重表現(xiàn)為逐漸增加趨勢，主要是因?yàn)橹脖婚g水肥競爭，土壤旱化等，最終土壤沙化，導(dǎo)致土壤容重增加。隨灌叢引入，0～100 cm土層土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為逐漸降低趨勢。彭文英等［30］的研究結(jié)果得出，土壤退耕后土壤容重減小，孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，且刺槐（Robinia pseudoacacia）地和檸條地的土壤質(zhì)量恢復(fù)程度最好，本研究結(jié)果與其不一致?；哪菰莸叵蚬鄥厕D(zhuǎn)變過程各處理0～10 cm土層的土壤全氮存在顯著性差異（P＜0.05）；荒漠草地和草地邊緣處理20～80 cm土層土壤全氮隨深度的增加逐漸降低，而灌叢邊緣和灌叢地隨深度的增加逐漸升高。這是由于引入的灌叢為檸條灌叢，檸條為豆科植物灌叢，具有固氮的作用。它的引入直接影響了土壤水分含量的分布及枯落物的量，從而間接影響了土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入通量［31］。

由于土壤形成是由氣候、母質(zhì)、地形、生物和時間因子共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致土壤質(zhì)地、容重、孔隙度、持水量等土壤物理性質(zhì)存在著一定相關(guān)性，而且在不同地區(qū)各物理指標(biāo)的相互關(guān)系也存在差別［32］。單個土壤顆粒的大小和形狀、化學(xué)組成和礦物質(zhì)以及顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，進(jìn)而影響土壤的肥力狀況、植被生長繁衍、土壤溶質(zhì)的運(yùn)移。土壤粒徑分布影響土壤中水、肥、氣、熱等儲存和轉(zhuǎn)運(yùn)，是評估土壤性質(zhì)和土壤分類的重要特征［33］。在本研究中土壤分形維數(shù)與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，表明土壤分形維數(shù)隨土壤含水量的增加而增加，這與羅雅曦等［34］的研究結(jié)果不一致，其表明土壤分形維數(shù)與土壤含水量不相關(guān)；土壤分形維數(shù)與土壤毛管孔隙度相關(guān)性結(jié)果與白一茹等［35］的研究結(jié)果不一致，本研究結(jié)果表明土壤分形維數(shù)隨毛管孔隙度的增大而增大，而白一茹等［35］研究結(jié)果表明土壤分形維數(shù)與土壤毛管孔隙度不相關(guān)；土壤分形維數(shù)與土壤容重的相關(guān)結(jié)果與已有研究結(jié)果［16，27］一致，均表明土壤分形維數(shù)隨容重的降低而增高；土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性結(jié)果與羅雅曦等［34］的研究結(jié)果一致，表明土壤分形維數(shù)隨有機(jī)碳的增加而增加；土壤分形維數(shù)與土壤全氮的相關(guān)性結(jié)果與伏耀龍等［29］、程先富等［36］的研究結(jié)果一致，但與肖靈香［37］和陳林等［38］的研究得出的土壤全氮與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，即全氮含量越高，分形維數(shù)越大不一致；土壤分形維數(shù)與土壤全磷呈正相關(guān)關(guān)系，表明土壤分形維數(shù)隨全磷的增加而增加，但與伏耀龍等［29］的研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)橥寥滥纲|(zhì)不同，也可能是研究對象或測定方法不同，還需更進(jìn)一步的研究。本研究中結(jié)合相關(guān)性和主成分分析，表明土壤粉粒、砂粒、土壤毛管孔隙度、容重、有機(jī)碳、全磷對其土壤分形維數(shù)的影響較大。

4 結(jié)論

荒漠草原向灌叢地轉(zhuǎn)變過程，0～100 cm土層土壤粒徑比例表現(xiàn)為砂粒＞粉粒＞黏粒，其中，灌叢地各土層砂粒含量高達(dá)95.54%～98.97%，粗?；潭燃觿。煌寥婪中尉S數(shù)變化介于1.02～2.58，土壤抗侵蝕能力逐漸下降，灌叢地均顯著低于其他樣地，且灌叢邊緣和灌叢地分形維數(shù)變異系數(shù)均高于荒漠地和草地邊緣。轉(zhuǎn)變過程中的土壤分形維數(shù)與黏粒含量、粉粒含量、土壤全磷含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），但與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；與土壤水分含量、毛管孔隙度、有機(jī)碳含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），但與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與土壤全氮無顯著相關(guān)性（P＞0.05），且荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程中土壤分形維數(shù)的變化易受土壤粉粒、砂粒、毛管孔隙度、容重、有機(jī)碳、全磷的影響（P＜0.05）。該研究探析了荒漠草原向灌叢地人為轉(zhuǎn)變過程中的土壤粒徑和理化性質(zhì)的響應(yīng)過程，旨在為草地-灌叢地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變內(nèi)部驅(qū)動機(jī)制的深入研究打下基礎(chǔ)。