贛南不同草地類型區(qū)土壤粒徑分布及分形特征

蘭龍焱，馬麗麗，郭曉敏，楊 明，葉 選，羅 英，陳亞東，王洪江，吳平發(fā)，牛德奎*

（1.江西農業(yè)大學 林學院/森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045；2.萍鄉(xiāng)市林業(yè)科學研究所，江西 萍鄉(xiāng) 337000；3.中國地質調查局 ?？诤Ｑ蟮刭|調查中心，海南 ?？?570100；4.江西省林業(yè)局濕地保護管理辦公室，江西 南昌 330001）

【研究意義】土壤由顆粒狀礦物質、有機質、空氣、水分、微生物等組成，具有疏松多孔介質特性。土壤基本養(yǎng)分特征及物理化學性質都受到土壤顆粒組成形態(tài)和數量差異的影響[1]。土壤顆粒是土壤結構的基本單元[2]，繼承了土壤母質的分形特點并影響著土壤養(yǎng)分和理化性質。土壤粒徑分布不僅能夠反映土壤分化過程，還影響著土壤的基本結構及水肥狀況[3-4]。草地生態(tài)系統作為生物圈物質循環(huán)和能量轉化的基礎[5]，構成了陸地生態(tài)系統中最為關鍵的部分，為牧養(yǎng)區(qū)的經濟穩(wěn)定發(fā)展及社會和諧提供了物質基礎。同時，草地生態(tài)系統的面積是全球陸地生態(tài)系統之最[6]，還具有調控大氣變化，防治水土流失以及維持生物多樣性等功能，是維護陸地生態(tài)環(huán)境的天然屏障[7]。贛南地區(qū)草地分布零散，是南方天然草地重要的組成部分[8]，其主要草地類型有熱性草叢類（hot grass，HG）、熱性灌草叢類（hot shrub，HS）以及山地草甸類（mountain meadow，MM）。本研究通過分析贛南不同草地類型區(qū)土壤顆粒分形特征及其影響因素，了解研究區(qū)草地植物生長特征、土壤結構性狀，土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分的關系，并為研究區(qū)草地灌叢化的成因分析、改造研究、以及草地科學管理提供基礎依據?！厩叭搜芯窟M展】分形理論可以描述不規(guī)則幾何形體，通過分形理論，可以由事物內部的自相似性來判斷其復雜的結構特征。Mandelbort等[9-11]學者成功地將分形維數計算模型運用在土壤修復、土地利用以及植被恢復等領域，取得了創(chuàng)新性的研究成果。馮艷瓊等[12]的研究結果表明銀川平原地區(qū)草甸濕地土壤粒徑組成及分形特征與該地區(qū)所獨有的地形地貌、水文條件密切相關；孫忠超等[13]學者研究表明在荒漠草原向灌叢地人為過渡階段中，土壤粒徑組成中砂粒占比最高，其次為粉粒，占比最低的是黏粒，且砂粒占比隨著過渡進程加深而逐步增大；研究內蒙古天然草地土壤發(fā)現粉粒和極細砂粒的占比決定著分形維數D值的大小[14]。隨著研究進展，分形理論所具有的結構特征越來越受到各界研究學者的重視[15]，不斷在草地植物土壤研究中取得進展。

【本研究切入點】由于草地資源有限及經濟、技術等原因，草地畜牧業(yè)發(fā)展相對落后，并且草地資源破壞、浪費較為嚴重[16]。贛南地區(qū)天然草地植物生長受到水土流失及人為破壞的影響，若不采取有效防范治理措施，將嚴重阻礙畜牧業(yè)及農業(yè)的發(fā)展，影響草地的生態(tài)價值及效益[17]?！緮M解決的關鍵問題】本研究通過對贛南不同區(qū)域不同草地類型植被群落特征進行調查，測定土壤粒徑特征及全量養(yǎng)分指標，測定土壤分形維數D值，旨在揭示贛南地區(qū)土壤顆粒組成特征及草地灌叢化的成因。

1 研究區(qū)概況

本研究以贛南地區(qū)草地分布較廣泛的寧都、石城、于都、安遠、尋烏、龍南、崇義以及興國8 縣為研究區(qū)（表1）。研究區(qū)地形以山地、丘陵為主，水資源豐富，總面積為39 379.64 km2；亞熱帶季風性氣候及酸性紅壤母質為草地植物生長提供了良好的水熱及肥力條件。研究區(qū)主要以林地、園地以及耕地為主[18]，且分布著大量白堊系巖漿巖[19]。研究區(qū)植物主要有刺芒野古草（Arundinella setosaTrin）、白茅（Imperata cylindrica（L.）Beauv）、雀稗（Echinochloa crusgali（L.）Beauv.）、金絲草（Pogonatherum crinitum（T.）Kunth）、知風草（Eragrostis ferruginea（T.）Beauv.）、地稔（Melastoma dodecandruLour.）等。

表1 樣點基本情況Tab.1 Basic situation

續(xù)表Continuted tab.

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

本試驗于2020 年8 月進行土壤樣品采集，每個樣地設置3 個1 m×1 m 的植物小樣方，每個樣方相隔距離不小于100 m。本次取樣共設16個樣地，48個樣方，每個樣方按S型布設5個取樣點，在每個取樣點挖取土壤剖面，剖面分0～10，10～20 cm 兩層，并按層分別取樣，將采集的土壤樣品混合均勻，按照4 分法分袋裝，最后將袋裝的土壤樣品晾干過篩進行理化性質分析[20]。

2.2 樣品測定方法

將采集的土樣自然風干，過2 mm 篩，除去草根和其他雜物。使用激光衍射粒度分析儀（Mastersize3000，英國）測量土壤粒徑，粒度分析的粒徑范圍為0.02～2 000μm，土壤粒徑分級采用美國制土壤粒級標準（表2）；pH 值采用電位計法測定；土壤有機質測定為重鉻酸鉀（H2SO4-K2Cr2O7）外加熱法；全氮、全磷用HClO4-H2SO4法消煮后用全自動間斷化學分析儀（Smartchem200Alliance Corp.France）儀器測定，具體測定方法參照鮑士旦《土壤農化分析》[21]。

表2 土壤粒級制（美國）Tab.2 Soil grain（US）

2.3 數據分析與處理方法

本文采用土壤顆粒體積分形維數模型來計算分形維數D值，計算公式如下[22]：

對式（1）兩邊取對數可得

式中：λV為土壤顆粒分級中最大的粒徑值，μm；R為某一特定粒徑值，μm；VR為土壤粒徑小于D的顆粒總體積；VT為土壤顆粒總體積；D為土壤顆粒體積分形維數。

將式（2）轉換成散點圖，其右部為橫坐標，左部為縱坐標，通過添加趨勢線，并運用最小二乘法可得線性擬合方程、擬合系數（R2）以及該直線的斜率，通過計算可知，直線斜率為式（2）中（3-D），最終可得土壤顆粒體積分形維數D值[20]。

采用Excel 2016 對試驗所得數據進行整理；用SPSS 17.0 軟件對所測數據進行方差分析和相關性分析；采用Origin 18.0制圖。

3 結果

3.1 土壤顆粒粒徑分布和分形維數的總體特征

研究區(qū)土壤顆粒粒徑分布及土壤顆粒分形維數D值的統計結果見表3?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)土壤顆粒主要集中在（2～2 000μm）的粒徑范圍。土壤粒徑以砂粒為主，黏粒和粉粒占比較少。砂粒中又以細砂粒為主，其次為中砂粒、極細砂粒、粗砂粒以及極粗砂粒。HG、HS、MM 砂粒含量均值分別為67.25%、67.58%、69.34%，粉粒含量均值分別為30.98%、30.92%、28.25%，黏粒含量均值分別為1.06%、0.69%、1.38%。而3 種不同草地類型HG，HS，MM 砂粒中極細砂粒均值分別為12.96%、13.14%、16.35%；細砂均值分別為24.27%、24.46%、21.09%；中砂粒均值分別為17.20%、17.34%、17.52%；粗砂均值分別為9.65%、9.60%、10.01%；極粗砂均值分別為3.15%、3.14%、4.38%。通過以上對比發(fā)現土壤黏粒、粗砂粒以及極粗砂粒占比表現為MM＞HG＞HS，極細砂粒、細砂粒以及中砂粒占比大小表現為MM＞HS＞HG；而粉粒占比大小表現為HS＞HG＞MM。

表3 贛南地區(qū)不同草地類型土壤顆粒粒徑分布及分形維數Tab.3 Soil particle size distribution and fractal dimension of different grass type types of grassland in Gannan

根據土壤顆粒體積分形維數模型，計算得到研究區(qū)土壤顆粒分形維數D值在2.901 0～2.978 6，其中HG 的分形維數均值為2.953 4，HS 的分形維數均值為2.953 2，MM 分形維數均值為2.934 2，從草地類型上看，土壤顆粒分形維數D值表現為HG＞HS＞MM。分析結果可知不同草地類型的土壤顆粒組成存在差異，分形維數隨著土壤粒徑組成不同而呈現差異。根據公式（1）、（2）計算出的分形維數D值的擬合方程相關系數R2全部大于0.9，擬合效果良好，分形維數D值較為準確。

3.2 土壤顆粒分形維數與土壤顆粒百分數含量的關系

本研究分析所得到的不同草地類型土壤顆粒分形維數D值較為準確，在此前提下，研究發(fā)現贛南不同草地類型區(qū)土壤顆粒體積分形維數D值與不同顆粒等級所占比例呈線性關系，結果如表4 所示。

表4 不同草地類型區(qū)土壤顆粒分形維數D與土壤顆粒含量的關系Tab.4 Relationship between soil particle fractal dimension D and soil particle content in different grass type

從表4可知，3種不同草地類型區(qū)變化趨于一致，但是在顯著性上有所區(qū)別。其中3種不同草地類型土壤分形維數D值與粉粒呈顯著性正相關關系，與粗砂粒和極粗砂粒呈顯著性負相關關系（P＜0.01）；分形維數與細砂粒和中砂粒在HG 與HS 叢呈現顯著性正相關關系（P＜0.01），在MM 中與細砂粒呈現正相關關系（P＜0.05）。表現為分形維數D值隨粉粒和極細砂粒含量增高而增大，隨細砂粒、中砂粒、粗砂粒以及極粗砂粒含量增高而減小。

3.3 土壤顆粒百分數含量及分形維數在垂直剖面上的變化

3.3.1 土壤顆粒含量在垂直剖面上的變化 由圖1 可知，HG、HS、MM 3 種草地類型區(qū)的土壤顆粒各粒級占比隨土層變化而變化，表現為3種不同草地類型變化趨勢相似。土壤中粒徑＜50μm（黏粒、粉粒）的土壤顆粒粒級占比隨著土層深度的增加而增加，粒徑＞500μm（粗砂、極粗砂）則表現相反。

圖1 不同類型草地土壤顆粒含量在垂直剖面上的變化Fig.1 Changes of soil particles in different types of grassland in vertical profile

3.3.2 土壤顆粒分形維數在垂直剖面上的變化 從圖2 可得知研究區(qū)3 種不同草地類型區(qū)的土壤顆粒分形維數與土層深度的關系。當土層為0～10 cm 時，土壤顆粒的分形維數HG 為2.947 4，HS 為2.927 7，MM為2.901 0；當土層為10～20 cm時，土壤顆粒的分形維數分別為2.954 9，2.978 6，2.967 4。由此可知，3種類型草地土壤分形維數D值變化基本一致，隨土層深度的增加分形維數D值均有增大的趨勢，但增大的范圍較小。且在0～10 cm土層深度上，3種不同類型草地分形維數D值均表現為HG＞HS＞MM；在10～20 cm土層深度上則表現為HS＞MM＞HG。由于不同草地類型區(qū)土壤粒徑組成和分布的不同，致使分形維數D值的大小存在差異。

圖2 土壤顆粒分形維數與土層深度的關系Fig.2 The relationship between the fractal dimension of soil particles and the depth of soil layer

3.4 不同草地類型土壤體積分形維數、粒徑組成與土壤養(yǎng)分的關系

如表5 所示，土壤有機質和全氮含量與土壤顆粒組成中中砂粒和粗砂粒均呈極顯著正相關關系，但與黏粒、粉粒體積百分數含量呈極顯著負相關關系（P＜0.01），與細砂以及極粗砂無相關性（P＞0.05）。土壤全氮含量與極細砂粒呈極顯著負相關，土壤pH 與土壤細砂體積百分數含量呈現極顯著負相關關系，而與其他指標無相關性。

表5 不同草地類型土壤體積分形維數、粒徑組成與土壤養(yǎng)分的相關系數Tab.5 Correlation coefficient of particle size composition and soil nutrients in different grass type soils

4 討論

土壤顆粒是土壤組成不可或缺的一部分，其對植被的生長起著至關重要的作用，并且直接影響土壤的基本性質。由于土壤顆粒的大小、組成與排列狀況的不同，土壤的養(yǎng)分、水分以及其他性能也會有相應的差異[23]。部分研究發(fā)現，土壤質地均勻程度可以通過土壤顆粒分形維數大小來判斷[24]。

本文研究了贛南地區(qū)不同草地類型區(qū)土壤顆粒組成分形特征，發(fā)現土壤的分形維數介于2.901 0～2.978 6，總體水平較好。研究表明，土壤中黏粒、粉粒含量占比與土壤顆粒分形維數值存在密切相關性，土壤中黏粒及粉粒顆粒含量越多，土壤分形維數D值越大，反之相反[25]。

研究發(fā)現，研究區(qū)內土壤顆粒組成砂粒占比最大，黏粒、粉粒占比最小，且三者之間的比例差異明顯，土壤質地不均勻。分形維數D值與粗砂粒、極粗砂粒呈顯著性負相關關系，與粉粒呈顯著性正相關關系，這與童春元等[20,26]在研究楊樹低效林及煤礦沉陷治理區(qū)土壤顆粒組成及分形維數特征時的部分結果一致。這與本文的研究結果有所不同，可能是因為本研究區(qū)黏粒的含量極少，不足以探討其與分形維數D值的關系，從而無法得出黏粒含量與分形維數D值得相關性結果；其次本研究結果受多種環(huán)境因子空間異質性的影響，包括氣候，海拔、地形、植被類型以及土地利用方式不同，土壤的粒徑分級同樣會有改變。杜海燕等[27]研究發(fā)現在阿拉爾墾區(qū)綠洲化過程中，土壤中的細顆粒物質在逐步增加，然而粗顆粒物質含量卻在減少，相應的分形維數D值呈現逐步增加的趨勢。這種結論與本研究研究結果存在部分相同。本研究認為土壤中粒徑＜50μm（黏粒、粉粒）的土壤顆粒粒級占比隨著土層深度的增加而增加，粒徑＞500μm（粗砂、極粗砂）則表現相反。并且隨土層深度的增加，土壤分形維數D值也在增加，只是增加的幅度不明顯。而鄧良基等[28]研究發(fā)現，土壤的分形維數D值隨著土層深度增加而呈現減小趨勢，與本研究中結果相反。

現如今研究分形維數影響因素時，土壤的養(yǎng)分指標具有一定的指示作用[29]。研究人員對于研究方法、研究區(qū)域以及研究尺度[30]等因素的不同，使得研究結果具有較大差異。董雪等[31]探討了荒漠化草原土壤分形特征與土壤養(yǎng)分之間的關系，結果表明隨著土壤深度的增加速效鉀含量減少，在不同物種中土壤有機質、速效磷等土壤養(yǎng)分含量差異顯著（P＜0.05）；HS 下土壤的有機質、速效磷和速效鉀含量與土壤分形維數存在顯著正相關關系（P＜0.05）；而伏耀龍等[32]發(fā)現土壤顆粒體積分形維數與土壤有機質，全磷，全氮含量均不呈顯著性。劉陽等[33]研究發(fā)現冀北山地不同典型森林土壤顆粒分形維數與速效氮和有機質呈顯著負相關關系；且唐海龍等[34]研究坡耕地轉變?yōu)闂壐剡^程中研究得出相似結論。本研究結果表明土壤中的有機質、全氮含量與中砂粒和粗砂粒均呈極顯著正相關（P＜0.01），但與分形維數、黏粒、粉粒體積百分含量呈極顯著負相關（P＜0.01）。土壤pH 與細砂體積百分含量呈現極顯著負相關（P＜0.01）?？赡苁且驗楸狙芯繀^(qū)地處贛南紅壤丘陵區(qū)，水土流失與土壤退化嚴重，20世紀80～90年代進行大規(guī)模生態(tài)修復治理工作，在植被恢復過程中土壤基本養(yǎng)分狀況得到改善，但土壤水穩(wěn)性團聚體及土壤顆粒組成性狀并未及時得到改善[35]。

5 結論

贛南地區(qū)草地土壤顆粒以粉粒為主，說明土壤顆粒進一步風化成黏粒并釋放原巖礦物養(yǎng)分潛力大，具有一定調節(jié)土壤水分的能力；研究區(qū)草地土壤分形維數值較高，且熱量豐富，水分充沛，有利于草地植物的生長，但也在一定程度上導致了草地植物灌叢化；因此在對贛南地區(qū)草地植物保護的同時應更加注重土壤粒徑分布及分形特征。