風沙區不同種植年限苜蓿地土壤團粒組成分形特征研究

陳 林，楊新國，宋乃平，王 磊

(寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室/西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地/西部生態與生物資源開發聯合研究中心，寧夏 銀川 750021)

分形理論是以自然界和非線性系統中出現的不光滑和不規則的幾何形體作為研究對象、以分形幾何學為數學基礎的科學[1]。土壤是由不同顆粒組成、具有不規則形狀和自相似結構的多孔介質，具有一定的分形特性。從20世紀80年代起，分形理論被應用到土壤學中[2]。土壤團粒是土壤的重要組成部分[3]，其含量是表征土壤質量的重要指標[4]。

土壤分形維數不僅能夠表征土壤粒徑的大小組成，反映質地均一程度[5]，還可以描述、刻畫土壤顆粒的粒徑及孔隙分布狀況，闡明土壤的其他物理化學性狀及其對周邊生態環境的指示意義[6]，而且不同級別土壤團粒的含量會影響土壤團粒的分形維數及土壤的物理、化學和生物學過程[7]。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對土壤復雜與不規則結構的描述[8]。有研究表明，土壤物理性質隨土壤團粒分形維數的變化而變化，即分形維數越小，>0.25 mm的團粒含量越高，土壤的結構越穩定[9]；土壤中團粒含量的多寡影響整個土壤的孔隙狀況及比表面積，進而對土壤水分蓄持能力有較大影響，土壤持水能力隨顆粒含量增加而遞減[10]；土壤顆粒分形維數可以作為評價土地沙質荒漠化程度的定量指標之一[11]。

苜蓿作為優質的多年生豆科牧草，具有適應性強、產草量高、品質優和耐刈割等特點，有“牧草之王”的美譽。近年來，我國優質牧草及飼料作物種植面積大幅度增加，苜蓿的種植面積居世界第5位，并且隨著西部生態建設和農業結構調整的不斷推進，苜蓿人工草地面積逐年增加。目前，關于不同地區不同土地利用方式或植被類型下土壤團粒分形特征的研究，以及土壤分形維數與土壤類型、水分、養分狀況等關系的報道較多[12]，但關于不同種植年限下苜蓿地土壤團粒分形特征的研究還較少，特別是針對風沙區苜蓿地土壤團粒分形特征及其與土壤理化性質關系的研究尚不多見。因此，為探索苜蓿種植年限對風沙區土壤性質的效應，我們研究了不同種植年限下苜蓿樣地土壤團粒粒徑分布的分形特征，以及與粒度組成和土壤有機質、全氮、碳酸鈣含量等的相關關系，以期為研究區生態恢復過程中人工建植草地的科學評價提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區寧夏鹽池縣皖記溝行政村，位于鹽池縣城東北約3 km，地貌為鄂爾多斯緩坡起伏高原。氣候特點為干旱少雨，蒸發量大，冬春兩季風大沙多，屬典型的中溫帶大陸性氣候。1954—2010年年平均氣溫為8.46 ℃，年均降水量為276.3 mm，年均日照時數為2 862.6 h。地表植被屬荒漠草原，沙生特征明顯。土壤以有機質含量低、易沙化的淡灰鈣土和風沙土為主。地表水與地下水資源匱乏。20世紀60年代以來，由于人類活動加劇，土地沙化面積不斷擴大[13]。研究區在地形上從南向北是從黃土高原向鄂爾多斯臺地(沙地)的過渡地帶，在氣候上是從半干旱區向干旱區的過渡地帶，在植被上是從干草原向荒漠草原的過渡地帶，在資源利用上是從農區向牧區的過渡地帶。這種地理上的過渡性造成了該區自然資源的多樣性和脆弱性的特點。

1.2 研究方法

本研究采用空間代替時間的方法進行研究，通過選取種植1、4、8、12和22年具有代表性的苜蓿樣地(序號分別為M-1、M-4、M-8、M-12和M-22)，分析其土壤團粒分形特征的變化，來反映該地區不同種植年限土壤團粒的變化特征。在各樣地內用S形布點法挖取0—20 cm土樣5個，混合后裝入樣品袋帶回實驗室風干備用。

1.3 樣品分析測試

將每個樣地內的所有土壤樣品混合均勻后分成兩部分，一部分隨機選取500 g左右的土樣，用來進行土壤團粒組成分析。考慮到體積分形維數相對低于質量分形維數[14]，而目前研究地區尚欠缺相關資料，故本研究中采用楊培嶺[5]提出的用粒徑的質量分布來描述土壤分形特征。土壤團粒組成采用篩分法測定：過2、1、0.5、0.25和0.106 mm的套篩，收集各粒級土壤團粒(去掉石塊)，用天平(精度為0.000 1 g)分別稱量各粒級土壤團粒質量。另一部分研磨過篩后用來測定土壤的理化性狀。土壤理化性狀的測定均采用常規分析方法，土壤pH值和電導率分別采用1 ∶5土水比懸液和浸提液直接測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，碳酸鈣采用氣量法，堿解氮采用堿解擴散法，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，全氮采用凱氏法測定。

1.4 土壤團粒分形維數模型

通常，粒徑分形是由一定粒徑間隔的粒徑質量分布表示的。Mandelbrot首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler[15]和楊培嶺[5]在此基礎上對模型進行推廣，提出用粒徑的質量分布表征的土壤分形模型，即

對上述公式兩邊取對數，則可得

1.5 數據處理

利用EXCEL 2003計算土壤分形維數，并用SPSS 17.0分析分形維數與各粒級含量、土壤性質的相關性。

2 結果與分析

2.1 分形維數的分布特征

對0—20 cm土壤樣品的機械組成進行統計分析(見表1)表明，不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒組成中，0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，分別在39.03%～60.19%、25.63%～49.24%之間，其平均值分別為52.23%、36.98%；0.5—1、1—2 mm的次之，分別在1.66%～12.33%、0.36%～4.39%之間，其平均值分別為5.88%、2.74%；再次為<0.106 mm的，在1.08%～1.80%之間，其平均值為1.49%；>2 mm的最少，在0.05%～1.28%之間，其平均值僅為0.67%。

隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25 mm、<0.106 mm的團粒含量有所增加，在種植22年的苜蓿樣地中含量最高；不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒分形維數的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，也隨著種植年限的增加而增大。這表明研究區土壤分形維數隨著土壤質地的粗細程度發生變化，土壤質地越細分形維數越大，反之亦然；同時反映了隨著種植苜蓿年限的增加，土壤質地具有細粒化現象。

表1 不同種植年限土壤團粒組成及分形維數

2.2 分形維數與不同粒級團粒含量的關系

表2為分形維數與不同粒級團粒含量的線性單相關分析結果。可以看出，分形維數與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm的團粒含量呈負相關關系，與0.106—0.25和<0.106 mm的含量呈正相關關系，但均沒有達到顯著水平。表明隨著團粒直徑減小，其分形維數增大，這和上面的研究結果一致。進一步對6個粒徑含量(x)和分形維數(y)進行多元線性逐步回歸分析，得到了進入方程的變量和剔除的變量，結果表明分形維數與<0.106 mm含量的偏相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關關系不顯著，其關系式為y=2.725+0.096x<0.106 mm(R2=0.99，F=2 581.88，P<0.01)。因此，決定不同種植年限土壤團粒分形維數的為<0.106 mm的粒徑含量，其他粒徑分布的影響程度相對較小。

表2 分形維數(y)與不同粒級團粒含量(x)的線性關系

2.3 分形維數與土壤性狀的關系

經分析，分形維數與土壤性狀的關系見表3，與土壤性狀的相關分析結果見表4。

表3 不同種植年限下苜蓿地分形維數(y)與土壤性狀(x)的線性關系

表4 不同種植年限下苜蓿地分形維數(y)與不同粒徑土壤質地及土壤性狀(x)的相關分析

由表3和表4可知，本研究區分形維數與土壤1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm顆粒含量和有機質含量、pH值、電導率、堿解氮含量、速效磷含量呈負相關關系，但均不顯著；與>2、0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全磷、碳酸鈣、全氮含量呈正相關關系，除與0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全氮含量為顯著正相關(P<0.05)外，其他均未達到顯著水平。>2 mm土壤顆粒含量與1—2 mm土壤顆粒含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與其他均未達到顯著水平。1—2 mm土壤顆粒含量與有機質含量在P<0.05的水平呈顯著正相關關系。0.25—0.5 mm土壤顆粒含量與全磷含量在P<0.05的水平呈顯著負相關關系。0.106—0.25 mm土壤顆粒含量與<0.106 mm土壤顆粒含量在P<0.05的水平呈現顯著正相關關系。

3 結論與討論

(1)粒徑分布是表征土壤物理性質的重要參數之一，0—20 cm土壤樣品的團粒組成中粒徑0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，>2 mm的含量最低。隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25、<0.106 mm的含量有所增加，反映了研究區隨著苜蓿種植年限的增加，土壤質地具有細粒化現象。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對土壤復雜與不規則結構的描述[8]，不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒分形維數的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，隨著種植年限的增加而增大。在干旱區植被恢復過程中，分形維數與土壤質地的細粒化變化一致，且隨著恢復時間延長有增大的趨勢，這與賈曉紅等[16]的研究結果相一致。這可能是研究地區存在著強烈的風蝕作用，由于種植苜蓿減少了開墾對土地的翻耕等人為干擾，地表有了植被的保護，因而有效地減緩了風蝕導致的細團粒物質流失，同時還能促進細團粒物質的沉積，增加細團粒物質的含量。土壤團粒的分形維數隨著苜蓿種植年限的增加而增大，說明分形維數可以反映苜蓿草地土壤恢復的程度，能夠很好地表征風沙區苜蓿草地土壤物理性狀的變化趨勢，可以作為評價風沙區人工草地土壤物理性狀的一個指標。

(2)土壤團粒分形維數與各粒徑含量的單相關關系和復相關關系不同，分形維數與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm含量呈負相關關系，與0.106—0.25和<0.106 mm含量呈正相關關系，均沒有達到顯著水平。但進一步對分形維數和6個粒徑含量進行多元線性逐步回歸分析，結果表明分形維數與粒徑<0.106 mm顆粒含量的偏相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關關系不顯著。因此，決定不同種植年限土壤團粒分形維數的為粒徑<0.106 mm的顆粒含量，其他粒徑分布的影響程度相對較小。同時也表明土壤團粒分形維數是反映土壤質地的一個較好指標，主要反映<0.106 mm的顆粒含量。已有的研究也表明，土壤顆粒組成中細沙含量越多，其分形維數越大[17]，也就是說隨著團粒直徑減小，其分形維數增大。所以，用土壤粒徑分布分形維數代替土壤團粒組成來表征土壤質地特性顯得更為簡單。

(3)分形維數在一定程度上可以表征土壤的養分概況[8]。關于土壤團粒分形維數與土壤性質的關系已有大量研究，均表明分形維數與有機質含量呈負相關，本研究也得出了同樣的結論，但負相關未能達到顯著水平，這主要是因為樣地中土壤有機質的含量相對較少，隨著苜蓿種植年限的增加沒有明顯變化。土壤各粒級團粒對土壤養分元素的吸附保持能力不相同，分形維數越高，比表面積大的黏粒含量越豐富，黏結性越強，養分越易積累，因此對養分的吸附和固定作用越強。但不同地區土壤的養分狀況不同，因此分形維數所表征的養分狀況也有所不同。本研究表明，土壤團粒分形維數與全氮呈顯著正相關關系(P<0.05)，即分形維數越高，全氮含量越大。這是由于苜蓿屬固氮植物，因此隨著種植年限的增加，土壤中氮素含量也增大，說明分形維數可以反映風沙區苜蓿草地土壤氮素恢復的程度，具有指示作用。同時，分形維數對于了解干旱風沙區人工苜蓿草地土壤質量和演化機制等都具有重要的理論依據和實踐意義。

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