毛烏素沙地不同土地利用類型土壤分形特征

高君亮,李玉寶,虞 毅,遲悅春,高 永

(1.內蒙古農業大學 生態環境學院,呼和浩特 010019;2.溫州大學 生命與環境學院,浙江溫州 325027;3.國際竹藤網絡中心,北京 100102;4.鄂爾多斯市林業局,內蒙古 東勝 017000)

土壤風蝕是我國北方干旱、半干旱及部分半濕潤地區土地退化的主要過程之一,其分布范圍占國土面積的1/2以上,嚴重影響這些地區資源開發和社會經濟的持續穩定發展[1]。土壤機械組成是影響土壤風蝕的主要因素之一,因此,進行土壤機械組成的定量描述對土壤風蝕的進一步研究具有指導意義。近幾十年來,隨著分形學的發展,分形理論的應用已成為定量描述土壤機械組成的新方法[2-12]。與傳統的方法相比,分形模型更為簡便,并能說明分形維數的物理意義。

20世紀50年代以來,針對毛烏素沙地風蝕嚴重和生態退化的特點,許多學者從不同的角度進行了不同深度的研究,取得了大量的研究成果[13-19]。然而,運用分形理論對毛烏素沙地不同土地利用類型土壤粒徑的研究未見報道。因此,本文計算了毛烏素沙地腹地不同土地利用類型的表層土壤顆粒的分形維數,并分析了土壤分形維數與土壤機械組成,土地利用類型以及采樣深度之間的關系,以期為該區土壤風蝕的防治和生態建設提供依據。

1 研究區概況

研究區位于毛烏素沙地腹地的“毛烏素沙地開發整治研究中心”東1 km處,行政區劃隸屬內蒙古鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮,地理位置為38°57′-39°01′N;109°02′-109°17′E,海拔 1 300 m 。該地區屬溫帶大陸性半干旱氣候,年均氣溫 6.5℃,年均積溫890℃,年均降水量 360 mm,多集中在 7-9月,年均蒸發量2 300 mm。風大沙多,年均風速3.3 m/s,年大風揚沙日數40～50 d,且多集中在冬春季節。研究區內地形以流動、固定、半固定沙丘及丘間灘地為主。植被主要有旱柳(Salix matsudana Koidz.),烏柳(Salix cheilophila Schneid.),沙柳(Salix psammophila C.Wang et Ch.Y.Yang.),油蒿(Artemisia ordosica Krasch.),籽蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.),楊柴(Hedysarum Laeve Maxim.),小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam.),中間錦雞兒(Caragana intermedia Kuang et.H.C.Fu.),芨芨草(Achnatherumsplenden(Trin.)Nevski.),蘆葦(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.),牛心樸子(Cynanchumkomarovii Al.Iljinski.)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取與土壤取樣

2009年10 月下旬,在研究區選擇7個有代表性的樣地(表1),在每個樣地上按照“品”字形選擇3個采樣點,用自制分層取土器分10層采樣,每層深度1 cm,并記錄樣地概況。

表 1 樣地基本概況

2.2 樣品分析

在實驗室將從野外采集的土壤樣品陰干,過 2 mm土壤篩剔除植物根系等雜物,然后按照四分法對每個土樣稱取(100±0.005)g,置入土壤篩(土壤篩按照中國沙物質的粒徑劃分標準[20]來選取,即：礫石(＞2 mm)、極粗沙(2～1 mm)、粗沙(1～0.5 mm)、中沙(0.5～0.25 mm)、細沙(0.25～0.1 mm)、極細沙(0.1～0.05 mm)、粉沙(＜0.05 mm))中用 ZBSX-92A型震擊式標準振篩機震蕩5 min,最后對每一粒級的土壤顆粒稱重并計算其百分含量。

2.3 土壤顆粒分形維數的計算

土壤顆粒分形維數按照楊培嶺等[2]提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來計算。即

3 結果與分析

3.1 土壤分形維數與土壤機械組成的關系

由土壤分形維數的計算過程可知,分形維數與土壤顆粒粒級的百分含量有關。由圖1可知,土壤分形維數與各粒級顆粒組分間關系差異較大,土壤分形維數與粉沙和極細沙的百分含量呈極顯著正相關關系,與細沙的百分含量呈極顯著負相關關系,與中沙、粗沙和極粗沙的百分含量關系不顯著。說明粉沙和極細沙含量越高,土壤分維數越大,反之則小。分形維數能很好地反映土壤顆粒物質的損失狀況,從而可用來反映各類土地風蝕的程度。

圖1 分形維數與各粒級土壤顆粒百分含量相關關系

運用SAS 9.0軟件對極粗沙(X 1)、粗沙(X 2)、細沙(X4)、中沙(X3)、極細沙(X5)和粉沙(X6)的百分含量與土壤分形維數進行了多元逐步回歸分析,關系式如式(2)。

D=1.73861+0.0145X 6+0.0501X5-0.0028 X4(2)

P＜0.0001**,R2=0.8462,PX6＜0.0001**,PX5＜0.0001**,PX4=0.0139*

因此,決定土壤分形維數大小的主要是粉沙、極細沙和細沙的百分含量,其余3個粒級顆粒的百分含量對土壤分形維數影響程度相對較小。

3.2 土壤分形維數與土地利用類型的關系

從表2中可知：7個樣地的土壤分形維數以草地第1層2.51為最大值,以耕地2第10層1.59為最小值。表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動沙丘。由此可知,隨著沙漠化程度的加劇,分形維數逐漸減小,從草地到流動沙丘,分形維數由2.34下降到了1.85。

表2 不同土地利用類型下的土壤分形維數

分析結果認為：位于灘地的草地在植被的保護作用下增大了其地表粗糙度,當風沙流過境時,風速減弱,風沙流挾帶物質沉降下來而增加了地表細粒物質含量;固定與半固定沙丘同樣在地表植被的保護作用下表層細粒物質含量相對增加,但是,由于固定與半固定沙丘上的植被大多為灌叢,灌叢與灌叢之間比較大的空隙而使風速減弱相對較小,沙物質沉降量也相對減少,因此固定與半固定沙丘的土壤分形維數比草地的小;耕地在人類所從事農耕活動的影響下細粒物質不斷地損失,隨著耕種年限的增加細粒物質損失量也增加;對于地表裸露的流動沙丘來說,沒有植被的抵擋作用,遇到起沙風后表層細粒物質馬上被起沙風挾帶運移至其他地方,細粒含量減少致使粗粒含量相對增加。

3.3 土壤分形維數隨采樣深度的變化

圖2表明土壤分形維數在7個樣地上都隨著采樣深度發生波動變化,各個樣地的土壤分形維數變幅值分別為：草地 0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動沙丘 0.23、耕地 0.27、耕地 0.67、耕地0.13。

另外,從圖2中還可以看出,7個樣地的土壤分形維數隨采樣深度均呈線性下降趨勢。說明分形維數能夠反映土壤的結構性狀,表征土壤結構的變化特征。分析認為：耕地受到人為翻耕的影響,表層細粒物質喪失,3塊耕地之間分形維數的差異主要是因為受耕種年限,所種植作物及大風來臨之際翻耕與未翻耕等因素的影響;沙丘實施封育后,植被恢復程度逐年加大,表層細粒物質漸漸增多;草地上生長的植被大多為草本植物,植物根系分布較淺,在植物根系的作用下,下部土壤團聚體含量增加,使得分形維數相應減小。

4 結論

(1)決定沙地土壤分形維數的主要是粉沙、極細沙和細沙的百分含量,其余粒級土壤顆粒的影響程度相對較小;粉沙與極細沙的百分含量和土壤分形維數呈極顯著正相關關系,而細沙的百分含量和土壤分形維數呈極顯著負相關關系。

(2)7個樣地的土壤分形維數最大值為2.51,最小值為1.59;表層(0-10 cm)的平均土壤分形維數介于1.85～2.34之間,土壤平均分形維數從大到小依次為：草地＞固定沙丘＞半固定沙丘＞耕地1＞耕地2＞耕地3＞流動沙丘。

(3)土壤分形維數在7個樣地上隨著采樣深度發生不同程度的波動變化,變幅值分別為：草地0.57、固定沙丘0.22、半固定沙丘0.32、流動沙丘0.23、耕地0.27、耕地0.67、耕地 0.13,但整體上均呈線性下降趨勢。

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