不同放牧強度荒漠草原土壤粒徑分形維數(shù)和養(yǎng)分特征研究

摘要：研究荒漠草原地區(qū)不同放牧處理土壤粒徑、分形維數(shù)以及土壤養(yǎng)分之間的關系及動態(tài)變化，為該地區(qū)放牧制度制定及草原土壤侵蝕的恢復提供理論依據。本研究以荒漠草原地區(qū)4種不同放牧處理和1個對照組的樣地為研究對象，分析放牧對土壤粒徑、分形維數(shù)及養(yǎng)分的影響，并對三者的關系進行進一步分析。結果顯示：（1）與對照組相比，隨放牧強度增加，樣地中土壤粘粒和粉粒含量呈現(xiàn)下降趨勢，其中粘粒的下降比例在0.14%～0.88%，粉粒的下降比例在1.21%～4.65%之間，砂粒含量隨放牧強度增加呈上升趨勢，上升比例在1.07%～5.53%之間，圍封禁牧能有效提高土壤細顆粒含量。（2）土壤分形維數(shù)隨放牧強度的增加逐漸降低，分形維數(shù)D值在對照處理下最大，在極重度放牧下顯著低于其他放牧處理。土壤分形維數(shù)與土壤粘粒和粉粒的關系為極顯著正相關關系（Plt;0.01），與土壤砂粒的關系為極顯著負相關關系（Plt;0.01），土壤顆粒組成是限制分形維數(shù)的重要因素，分形維數(shù)可以作為評價土壤質量的重要指標。在荒漠草原地區(qū)，適度地進行放牧能有效提高土壤質量，但應該控制在中度及以下范圍。

關鍵詞：荒漠草原；放牧強度；土壤粒徑；分形維數(shù)

中圖分類號：S812""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）12-3698-08

收稿日期：2024-04-07;修回日期：2024-06-21

基金項目：國家自然基金青年基金項目“放牧對荒漠草原短花針茅錐形繁殖體擴散和幼苗定居的影響機制”（32101449）；內蒙古自治區(qū)技術攻關項目“渾善達克沙地水資源保護與植被近自然修復技術研究與示范”（2021GG0056）資助

作者簡介：

郭振寧（1996-），男，漢族，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治，E-mail：2043742139@qq.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：13514717170@163.com

Study on Fractal Dimension and Nutrient Characteristics in

Different Grazing Intensity

GUO Zhen-ning1，4， TAN Jian-guo2*， SUN Shi-xian1， ZHUANG Ling3， CHEN Yi-fei1

（1.Institute of Grassland Research of CAAS， Hohhot， Inner Mongolia 010010， China;2. Inner Mongolia Autonomous Region Forestry

and Grassland Work Station， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China;3.Bayannur Forestry and Grassland Development Center， Bayannur，

Inner Mongolia 015000， China， 4.Ejina Banner Water Conservancy Development Center， Alxa， Inner Mongolia 735400， China）

Abstract：This study examines the relationship and dynamic changes between soil particle size，fractal dimension，and soil nutrients under different grazing treatments in a desert steppe region. The goal is to provide a theoretical basis for the formulation of grazing management strategies and the restoration of soil erosion in the region. The study analyzed the effects of grazing on soil particle size，fractal dimension，and nutrients using plots with four different grazing treatments and one control group，and further explored the relationship among these factors. The results showed：（1） Compared to the control group，as grazing intensity increased，the clay and silt content in the soil exhibited a declining trend，with clay content decreasing by 0.14% to 0.88% and silt content decreasing by 1.21% to 4.65%. In contrast，the sand content increased with grazing intensity，with an increase ranging from 1.07% to 5.53%. Enclosure and grazing exclusion effectively increased the fine particle content in the soil. （2） The soil fractal dimension gradually decreased with increasing grazing intensity，with the D value of the fractal dimension being highest in the control treatment and significantly lower under heavy grazing than in other grazing treatments. The fractal dimension was significantly positively correlated with soil clay and silt content （Plt;0.01） and significantly negatively correlated with sand content （Plt;0.01）. Soil particle composition was identified as an important factor limiting the fractal dimension，which can serve as a critical indicator for assessing soil quality. In desert steppe regions，moderate grazing can effectively improve soil quality，but grazing intensity should be controlled to moderate levels or lower.

Key words：Desert grassland;Grazing intensity;Soil particle size;Fractal dimension

草原作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有防風固沙、保持水土和保護生物多樣性等重要的生態(tài)功能。放牧作為草地利用的主要方式之一，一方面影響草地生態(tài)系統(tǒng)的群落特征，抑制了植被生長［1］。另一方面，影響草原土壤的各項理化性質，尤其是對土壤粒徑和養(yǎng)分的影響最大，使土壤養(yǎng)分循環(huán)發(fā)生改變［2-5］。放牧對土壤理化性質的改變進一步影響牲畜的活動。前人的研究已表明，過度放牧會導致土壤理化性質惡化、植被退化以及土壤侵蝕加?。?，6］，土壤粗?；瘒乐卦黾樱M一步降低土壤質地，荒漠化現(xiàn)象出現(xiàn)［7］。因此，過度放牧是引起草地退化、沙化和土壤養(yǎng)分異質化的重要外在因素。但是由于放牧強度不同，土壤養(yǎng)分含量也會存在差異。所以研究不同放牧下的土壤粒徑和養(yǎng)分的變化是草地生態(tài)系統(tǒng)的熱點話題，能有效降低草地退化和保護草地生態(tài)功能。

土壤作為一種不規(guī)則形狀的多孔介質是由不同顆粒組成，不同顆粒間通過理化性質的相互作用形成相對穩(wěn)定并具有黏結力的土壤結構［8］，可以更好地促進植物生長并抵御土壤侵蝕的發(fā)生。土壤粒徑特征是最基本的土壤物理性質之一，它與土壤其他性質尤其是土壤養(yǎng)分的關系最密切，影響了土壤養(yǎng)分的變化及土壤侵蝕過程［9］，可以作為對土壤質地、肥力以及土地退化與恢復效果評價的重要指標［10］。已有研究主要集中在土壤理化性質的改變，而對土壤粒徑、分形維數(shù)以及土壤養(yǎng)分之間的關系尚不完善［11］。因此，本研究以內蒙古蘇尼特右旗荒漠草原為研究對象，研究荒漠草原不同放牧強度下土壤粒徑及分形維數(shù)與養(yǎng)分的動態(tài)變化特征，并進一步了解土壤粒徑及分形維數(shù)與養(yǎng)分之間的相互關系。為荒漠草原放牧制度制定以及草原土壤侵蝕的恢復提供一定的理論基礎，并且對維護草地生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定具有重要意義。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古短花針茅（Stipa breviflora）荒漠草原地帶，地理位置在內蒙古錫林郭勒盟境內的朱日和鎮(zhèn)（112°47′16.9″E，42°16′26.2″N），屬于北溫帶，全年盛行北風和西北風，平均風速5.5 m·s-1年平均降水量為185 mm。年平均蒸發(fā)量為2500～2800 mm。年平均氣溫5.8℃，日照時數(shù)3137.3 h，年蒸發(fā)量2793.4 mm，研究區(qū)主要以短花針茅為建群種，無芒隱子草（Cleistogenes songorica）和堿韭（Allium polyrhizum）為優(yōu)勢種，群落中的主要伴生種有銀灰旋花（Convolvulus ammannii）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、木地膚（Kochia prostrata）、寸草苔（Carex duriuscula）、細葉韭（Allium tenuissimum）、櫛葉蒿（Neopallasia pectinata）等，狹葉錦雞兒（Caragana stenophylla）在群落中零散出現(xiàn)。

1.2" 試驗設計與方法

放牧試驗于2022年5月—2023年4月間進行，試驗設置4個放牧處理和1個對照組，每個處理3個重復，分別是輕度放牧（LG）、中度放牧（MG）、重度放牧（HG）、極重度放牧（EG）和對照（CK），共15個放牧小區(qū)。每個放牧小區(qū)面積2.60 hm2，樣地隨機分布，每個放牧小區(qū)內分別放牧蘇尼特羊4，8，12，18只，換算成載畜率分別為1.54只羊·hm-2·a-1、3.08只羊·hm-2·a-1、4.62只羊·hm-2·a-1、6.92只羊·hm-2·a-1和0只羊·hm-2·a-1［12］，每年5月中旬開始放牧，10月末結束放牧，期間羊群不歸牧，每個小區(qū)內配有飲水裝置。

分別于2022年5月和2023年5月在每個放牧小區(qū)內選擇典型地段，利用小土鏟隨機鏟取0～2 cm，2～5 cm的表層土用于粒徑和養(yǎng)分的測定。將所有集沙盒的樣品和土壤樣品帶回實驗室風干，全部樣品均通過2 mm篩，去除大于2 mm的雜質。其中集沙盒中的樣品用于粒徑的測定，另外在各放牧小區(qū)內鏟取的表土樣品分為兩份，其中一份用于粒徑的測定，另外一份通過研缽研磨以后用于土壤養(yǎng)分的測定。所有樣品粒徑測定主要通過激光粒度儀（Mastersizer2000）進行測定，之后以美國制土壤粒徑分級標準進行整理，單位μm。土壤全效養(yǎng)分和有機質測定主要采用元素分析法，速效養(yǎng)分按照種類不同，方法上略有差異。其中，速效磷用NaHCO3溶液浸提法，速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法［13］。

1.3" 數(shù)據處理

本文采用國際制土壤質地劃分標準對土壤粒徑進行劃分，砂粒（20～2000 μm）、粉粒（2～20 μm）、粘粒（lt;2 μm）。分形維數(shù)參考王國梁［14］的方式進行計算，計算公式如下：

V（rlt;Ri）VT=（RiRmax）3－D

式中D為土壤粒徑的分形維數(shù)，r為土壤粒徑（mm），Ri為第i級的土壤粒徑（mm），Rmax土壤粒徑的極大值（mm），本試驗中為2 mm。V（r＜Ri） 為土壤粒徑小于R的土壤體積分數(shù)（%）；VT為各粒徑等級體積分數(shù)之和（%）。

利用Origin 2018線性擬合方式直觀反映不同放牧強度土壤顆粒分布的動態(tài)變化（圖2）。然后利用雷達圖對不同放牧強度速效養(yǎng)分和全效養(yǎng)分的變化進行評價（圖3）。雷達圖表明，不同放牧處理下各類速效養(yǎng)分距離中心點的位置越遠，說明該類速效養(yǎng)分含量越多。圍成的面積越大表示該指標的作用分越高。最后利用SPSS 24的單因素方差分析方法分析不同放牧強度下土壤粒徑和養(yǎng)分的動態(tài)變化（表2-4）。

2" 結果與分析

2.1" 不同放牧強度下土壤粒徑變化

如圖1所示，可以看出隨著放牧強度的增加，土壤中砂粒的百分比數(shù)量逐漸增加，砂粒體積分數(shù)大小在兩個土層間均表現(xiàn)為極重度放牧條件下最大，分別達到了70.14%和73.32%。而粉粒和粘粒的百分比數(shù)量呈下降趨勢，但變化不明顯。百分比數(shù)量分別在20%～27%和7%～9%，粘粒的體積百分比在中度放牧條件下最大，兩個土層中粘粒分別為9.34%和8.04%。粉粒的體積分數(shù)在0～2 cm土層中的中度放牧條件下最大，為26.91%。在2～5 cm土層中的對照條件下最大，為24.43%。整體看來，隨放牧強度增大，土壤中的砂粒含量明顯高于不放牧處理，而粘粒和粉粒的體積分數(shù)變化趨勢與砂粒相反。

圖2為5種不同放牧處理下土壤顆粒分布曲線，隨著放牧強度的增加，土壤顆粒主要集中在1000～1200 μm之間，顆粒逐漸變粗，土壤顆粒的異質性降低。在對照處理和低強度放牧處理下，各土壤顆粒粒徑的分布規(guī)律相對比較均衡，土壤細顆粒（lt;50 μm）分布較多，土壤異質性較高。

2.2" 不同放牧強度下土壤分形維數(shù)

如表1所示，不同放牧處理下各土層土壤顆粒的分形維數(shù)決定系數(shù)R2均接近1，說明不同放牧處理下土壤分形維數(shù)擬合效果良好。土壤分形維數(shù)在EG處理下顯著低于CK，其他各放牧處理之間差異不顯著。說明隨放牧強度增加，土壤中粘粒含量顯著降低。而且分形維數(shù)的值越大，表示土壤中粘粒的含量越高。

2.3" 不同放牧處理下土壤養(yǎng)分含量

如表2和表3所示，速效養(yǎng)分NH4-N、NO3-N、速效磷和速效鉀的含量均隨著放牧強度的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且在LG處理下達到最大值。除速效鉀以外，其余元素含量均在LG處理下顯著高于其他放牧處理（Plt;0.05）。2～5 cm土層中，速效養(yǎng)分NH4-N含量隨著放牧強度的增大逐漸降低，在CK處理下顯著高于EG處理（Plt;0.05）；NO3-N的含量隨著放牧強度的增大整體呈增大趨勢，且在EG處理下顯著高于CK，MG和HG處理（Plt;0.05）。速效磷含量的變化趨勢與0～2 cm土層一致，呈先增大后減少趨勢，且在LG處理下顯著高于其他處理（Plt;0.05）。速效鉀的變化趨勢與0～2 cm土層一致，表現(xiàn)為先升高后降低趨勢，但是各放牧處理之間差異不顯著。0～2 cm土層中，全效養(yǎng)分中C、N和P均隨著放牧強度的增大呈先增大后下降趨勢，K2O含量隨著放牧強度的增大呈先減小后增大趨勢，但是各元素在不同放牧處理之間差異不顯著。2～5 cm土層中，全效養(yǎng)分中各元素的變化趨勢與0～2 cm土層一致，各元素含量在不同放牧處理之間均沒有達到顯著水平。

2.4" 土壤養(yǎng)分指標評價

由圖3雷達圖可知，隨著土層深度的增加，除了速效磷的含量降低外，其余各速效養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)上升態(tài)勢。另外，在各土層中，速效磷和銨態(tài)氮所圍成的面積最大，其中0～2 cm土層上述速效養(yǎng)分的得分均大于3，2～5 cm土層的得分也均大于4。速效鉀面積最小，兩個土層中得分均接近0。說明土壤速效養(yǎng)分中，速效磷和銨態(tài)氮能很好反映土壤狀況，而速效鉀不能很好地反映土壤狀況。磷和氧化鉀所圍成的面積排在前二，而且兩者的得分在兩個土層中均在2.5～4.0之間，這說明土壤的全效養(yǎng)分中磷含量和氧化鉀的含量能很好地體現(xiàn)土壤質地。另外，土壤有機質含量在兩個土層的得分均接近1.0，這說明土壤有機質含量也是體現(xiàn)土壤質地水平的重要參數(shù)。

2.5" 土壤分形維數(shù)與土壤結構及養(yǎng)分的關系

將土壤中各類速效養(yǎng)分和全效養(yǎng)分以及土壤體積分形維數(shù)和土壤粒徑體積分數(shù)進行相關性分析如表4所示，土壤分形維數(shù)與土壤的粘粒、粉粒呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與砂粒的體積分數(shù)呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）。說明土壤分形維數(shù)越高，土壤中粘粒和粉粒的體積分數(shù)越大。另外，土壤中速效鉀含量與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05）。土壤有機質含量與土壤速效磷、速效鉀之間呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與全磷呈極顯著正相關關系（Plt;0.01）。這說明土壤中速效磷和速效鉀的多少對土壤有機質起正向決定作用。

3" 討論

3.1" 不同放牧強度對土壤顆粒分布狀況的影響

土壤顆粒分布狀況受土壤質地和環(huán)境等多重因素影響［15］，對土壤的基本情況起決定性作用。研究區(qū)位于荒漠草原地區(qū)，受氣候影響草地生態(tài)系統(tǒng)組成單一。在環(huán)境和人為活動的共同作用下，草地退化現(xiàn)象越來越嚴重［16］?；哪菰貐^(qū)氣候干燥，常年受風力侵蝕的影響，土壤中的細顆粒含量逐年減少，土壤粗粒化嚴重。在本研究中隨放牧強度增加，0～2 cm和2～5 cm土層中粘粒和粉粒的體積分數(shù)顯著降低，砂粒含量增多。林永崇等［17］在對藏北高原地區(qū)的土壤的研究中也得到了與本文相似的結論，這主要是由于研究區(qū)本身位于荒漠草原地區(qū)，受風沙影響成土母質質地較差，土質疏松。相關研究也已經表明，圍封禁牧能有效提高粘粒和粉粒的體積分數(shù)。謝莉等人［18］的研究表明，與其他放牧樣地對照而言，圍封禁牧的樣地的土壤中細顆粒的體積分數(shù)相對較高，這主要是因為微封禁牧的樣地沒有受到人為和牲畜的干擾，植被長勢良好，覆蓋度與其他放牧處理對比顯著提高，風蝕作用減弱，減少了土壤細顆粒流失，同時植被的枝葉可以截留一部分細小顆粒，從其他地方過來的風蝕物質也會殘留在植物的葉片上，增加圍封樣地的細顆粒含量，提高土壤均勻程度。

3.2" 不同放牧強度對分形維數(shù)的影響

土壤顆粒分布頻率曲線可以很直觀地反映出土壤質地的動態(tài)變化，曲線變化幅度越小，說明土壤顆粒的異質性越高［12］。土壤分形維數(shù)能夠體現(xiàn)出土壤顆粒物質的損失情況，是表征土壤物理性質的重要指標［19］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著放牧強度的增大，土壤逐漸粗粒化。各放牧處理之間的土壤粒徑差異顯著，土壤分形維數(shù)也存在顯著差異。這說明草地放牧強度的改變是影響土壤質地的重要因素，羅楠等［20］的研究結果與本研究相似。屈志強等人［21］研究表明，圍封樣地的分形維數(shù)大于非圍封樣地；李國旗等［10］的研究也表明圍封樣地的分形維數(shù)顯著高于圍封樣地外的其他樣地。本研究也發(fā)現(xiàn)了與上述研究相似的結果，5種不同放牧處理下土壤分形維數(shù)的分布范圍在3.00～5.55之間。未放牧的樣地常年植被覆蓋，土壤發(fā)育比較完善，土壤顆粒變細。但是由于荒漠草原地區(qū)本身環(huán)境條件惡劣，植被生長速度緩慢會導致土壤結構不穩(wěn)定。與其他放牧處理相比，對照處理能顯著提高土壤顆粒的集中程度，分布規(guī)律不均勻。這主要是由于對照處理下人為干擾減少，提高了土壤有機質的含量，土壤有機質的含量直接決定了土壤質地?；哪菰貐^(qū)的草地退化過程比較復雜，受多方面因素的影響。除了人為和自然的作用，還受試驗年限長短的影響，由于對照處理下植物枯落物的長時間堆積，會影響草地各方面的周轉效率，不利于草地形成穩(wěn)定結構。

3.3" 土壤分形維數(shù)與土壤粒徑及理化性質的關系

土壤顆粒的結構組成直接影響土壤養(yǎng)分的供應能力，對植物的生長具有促進作用［22］。本研究中，土壤有機質與全效磷、速效磷和速效鉀均為顯著正相關關系，羅雅曦等［23］的研究也得到了類似的結論。一方面，隨著放牧的不斷進行，植被演替過程也在一直發(fā)生，地上生物量不斷增多，枯落物在微生物的作用下不斷分解，土壤中的碳、氮含量也會增多。另一方面，長勢良好的植被能對土壤的細顆粒進行保存，有效避免土壤養(yǎng)分的流失。尤其在荒漠草原地區(qū)，土壤中粘粒的粘結作用對植物根系和土壤之間的養(yǎng)分循環(huán)更是起到了決定性作用［24］。

土壤顆粒是影響土壤分形維數(shù)的重要指標。前人研究已經證明，土壤顆粒組成與分形維數(shù)有顯著的相關關系［25］。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與土壤的粘粒和粉粒呈現(xiàn)極顯著正相關關系（表4）。魏茂宏等［26］關于高寒草甸草原退化土壤粒徑的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與土壤粘粒百分含量的關系為顯著正相關關系，說明土壤分形維數(shù)受土壤顆粒含量的影響，能表示土壤顆粒的組成情況及變化規(guī)律，土壤顆粒越小，分形維數(shù)越高，這充分說明利用分形維數(shù)描述土壤質地情況具有一定意義。可以用其來表示荒漠草原土壤隨環(huán)境的變化趨勢，并作為土壤質量變化的重要指標。王瑞東等［27］在希拉穆仁草原對土壤分形維數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤分形維數(shù)大小主要與粉粒含量有關，而和砂粒粘粒的關系不明顯。這可能與研究區(qū)的環(huán)境和土壤結構的差異有關，同時由于不同研究地區(qū)在試驗設計方面存在差異也可能影響土壤分形維數(shù)的變化。

張毅等［28］在以長江三角洲地區(qū)為研究對象的土壤粒徑和分形維數(shù)的試驗中發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與有機質呈現(xiàn)顯著正相關關系。杜雅仙等［29］的研究表明，土壤分形維數(shù)與有機質和全氮含量呈現(xiàn)顯著負相關，與全磷、全鉀的含量關系不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與土壤有機質和土壤養(yǎng)分之間關系不顯著，這與宛倩等［30］的研究結論相似。姜海鑫等［31］的研究也發(fā)現(xiàn)土壤分形維數(shù)與土壤理化性質關系不明顯，表明土壤分形維數(shù)在表征土壤質地上能有效提高空間特異性，并且可以作為衡量土壤結構和質量的有效依據。由于本研究放牧強度僅處理1年，而土壤指標的變化相對緩慢；因此，本研究僅為放牧初期結果，可能無法客觀反映放牧強度對土壤特性的實質影響。想要準確判斷土壤各項指標的動態(tài)變化，還需要延長放牧時間并長期對土壤進行采集測定。

4" 結論

（1）各放牧處理之間的土壤顆粒主要以砂粒為主。隨放牧強度的增加土壤中砂粒含量顯著增大，增幅在1.07%～5.53%之間，而粘粒和粉粒含量明顯降低，降幅分別為0.14%～0.88%和1.21%～4.65%之間，土壤粗?；潭让黠@。土壤養(yǎng)分在各土層均基本表現(xiàn)為先增加后降低趨勢，在輕度或中度放牧強度下達到最大值。另外，土壤養(yǎng)分中速效磷和銨態(tài)氮能很好反映土壤狀況，而速效鉀對土壤狀況的反映度差。

（2）土壤分形維數(shù)隨放牧強度的增加逐漸降低。土壤分形維數(shù)與粘粒和粉粒的關系為極顯著正相關關系，與砂粒的關系為極顯著負相關關系。土壤分形維數(shù)可以很好地表征土壤物理性質的動態(tài)特征。

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（責任編輯" 劉婷婷）