平茬周期對沙柳林地土壤孔隙結構分形特征的影響

王 凱， 裴志永*， 王文明， 郝少榮， 龐國輝

(1.內蒙古農業大學能源與交通工程學院， 呼和浩特 010018； 2.鄂爾多斯市烏審旗林業局， 鄂爾多斯 017300)

毛烏素沙地是中國風沙治理并取得顯著成效的重點區域之一[1]。沙柳作為當地防風固沙的先鋒種[2]，其大面積種植有效地改善了林地土壤質地，并且對當地治沙防沙、土壤修復有著重要意義[3]。分形理論已被應用于土壤科學中，并為研究土壤科學提供了新思路。通過分形分析，可以實現對更加復雜空間尺度上土壤結構的定量表達，并能反映植被類型對土壤質地的影響[4]。當前對毛烏素沙地土壤分形維數的研究主要集中于土壤顆粒質量分形維數[5]和體積分形維數[4]，對不同平茬周期(stumping period，SP)下的土壤孔隙結構分形特征的研究較少。沙柳平茬周期的不同會導致林地土壤水、肥、熱等條件不同，同時枯落物回歸的量也不同。長此以往會對土壤結構的穩定性產生一定的影響。

針對土壤表面分形維數的研究方法主要有壓汞法、熱力學方法、氣體吸附法等。王升福等[6]對人工凍融軟黏土采取壓汞法研究其孔體積分布分形特征和孔表面積分布分析特征，為研究其孔隙特征提供了新途徑。胡康博等[7]同時利用FHH模型法和熱力學方法得出河渠泥沙沉積物表面的分形特征。Pfeifer等[8]首次采用吸附法研究了多孔介質的孔隙結構和分形特征。氮氣吸附法主要測定的是孔徑小于100 nm的孔隙，在研究微孔和中孔時較有優勢[9]，氣體吸附曲線已經被廣泛用于計算多孔材料的分形維數[10]。

現以不同平茬周期的人工沙柳林地的土壤為研究對象，基于氮氣吸附法測得不同平茬周期的沙柳林地土壤的試驗數據，采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型計算分形維數，對林地土壤孔隙結構進行定量描述，分析分形維數與不同平茬周期的人工沙柳林地土壤孔比表面積、總孔體積和平均孔徑之間的相關關系，闡明林地土壤孔隙結構的分形特征。以期為該地區的沙柳林地土壤演化規律及營林決策等研究提供理論依據。

1 樣品采集和試驗方法

1.1 研究區概況

研究地點為地處毛烏素沙地腹部的烏審旗烏蘭陶勒蓋國有林場。地理位置109°12′E，38°52′N。屬溫帶半干旱半荒漠性氣候，年平均氣溫 7.5 ℃,年溫差 30 ℃,年平均風速3.4 m/s，全年風向以西北風為主，年風沙日數 100～252 d，多集中在3—5月。平均降水量300 mm，年平均蒸發量2 100 mm，干燥度 1.9。土壤以栗鈣土為主。毛烏素沙地生態系統以灌木為主,主要天然灌木種有：沙柳(Salixpsammophila)、沙蒿(Artemisiasphaerocephala)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides)等[11-12]。

1.2 樣品采集

試驗于2019年6月中旬開展，選取三個相同營造時間(1987年)的丘間低地沙柳林試驗區，如圖1所示，試驗區間距為200～300 m。3個試驗區內的沙柳林被當地林業部門按平茬周期為3、5、7 a進行長期撫育，配置形式為一行一帶式，呈西南-東北走向，林帶間距為3 m,株間距為2 m，在3個試驗區內選取長勢良好、均勻的沙柳林作為試驗樣地，大小為20 m×30 m,并調查和采集樣地內沙柳林的平均株高、冠幅、葉面積指數等參數，如表1所示。取土樣方設置在相鄰的沙柳林帶之間，大小為1 m×1.5 m，對樣方內的土壤進行剖面分層取土。由于研究區的地下水位較高，且沙柳主要吸水根系分布在30 cm左右，故取土深度設置為0～50 cm，取樣間隔為10 cm，即0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm，分別用直徑和高均是5 cm、體積為100 cm3環刀分層取土，按五點取樣法每層取5個重復土樣，將其帶回實驗室充分混合均勻，最后取適量土壤樣品進行氮氣吸附試驗。

圖1 樣地所在區域Fig.1 Area of the sample

表1 毛烏素沙地人工沙柳木林試驗樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of test plots of artificial sallow forest in Mu Us Sandy Land

1.3 試驗方法

氮氣吸附試驗采用美國Micromeritics公司生產的Gemini Ⅶ 2390型比表面積測試儀,如圖2所示。試驗前需要將脫氣臺溫度調至300 ℃ 去除樣品中的水分和雜質，并打開和脫氣臺連接好的氦氣瓶及氮氣瓶的減壓閥對樣品進行4 h的脫氣處理。采用容量法在室溫下以高純度氮氣(大于99.99%)液氮為吸附質，以相對壓力(范圍為0.01～1 MPa)為橫坐標，單位樣品質量的氮氣吸附量為縱坐標，繪制得到土壤樣品的吸附等溫線。比表面積的獲得根據BET[13]多分子層吸附理論得到，孔徑和孔隙體積分布根據BJH理論[14]和 Kelvin 方程[15]得到。

圖2 Gemini Ⅶ 2390型比表面積測試儀Fig.2 Gemini Ⅶ 2390 specific surface area tester

1.4 分形維數的計算方法

林地土壤的孔隙結構由許多大小、形狀各不相同的微孔、中孔和少量的大孔組成，其結構形狀具有統計意義上的自相似性質[16]。描述林地土壤分形特征的定量參數是分形維數D，陶高梁等[17]的研究認為其分形維數在2～3，D越接近于2則表面越光滑；而D越接近于3，則表面越粗糙，不規整程度更高。

根據氣體吸附等溫線計算分形維數的方法，并利用低溫氮氣吸附試驗所得數據，提出了基于FHH模型的分形維數理論計算方法，對在分形表面上的氣體吸附有

lnV=Kln[ln(p0/p)]+c

(1)

式(1)中：V為相對吸附量,m3；p/p0為相對壓力，p/p0>0.5；K為與吸附機理和分形維數D有關的常數；C為常數。

Avnir等[18]的研究表明，K的表達式為

K=D-3

(2)

根據測得的氮氣等溫吸附數據，按照式(2)進行數據處理，以ln[ln(p0/p)]為x軸，lnV為y軸作圖并進行線性擬合，斜率為K，即可得FHH分形模型的分形維數D=K+3。

2 結果與分析

2.1 氮氣等溫吸附曲線

圖3所示為不同平茬周期下沙柳林地不同深度土壤樣品的吸附曲線。由圖3可知，各曲線形態略有差別，但整體均呈反“S”形。在相對壓力較低(0

0.95之后,吸附等溫線發生躍階,并且在接近飽和壓力p/p0=1時氮氣吸附量急速上升, 說明孔道形狀為狹縫狀，并且孔道分布不均勻。

圖3 不同平茬周期沙柳林地不同深度土壤的等溫吸附曲線Fig.3 Isothermal adsorption curves of Salix psammophila forests at different depth in different stubble periods

2.2 孔隙結構參數分析

2.2.1 結構參數

表2所示為低溫氮氣吸附試驗所得的孔隙結構數據，對比可知，相同平茬周期的沙柳林地土壤隨著土層的加深各孔隙結構參數變化不一；隨著沙柳平茬周期的延長，三個不同平茬周期下的林地土壤孔隙的BET比表面積和BJH總孔體積的平均值都有所增加，而平均孔徑的均值無明顯變化規律。SP-3 a(SP表示平茬周期)和SP-7 a的沙柳林地土壤孔隙結構參數變化范圍較大，其中SP-7 a的比表面積和總孔體積最大，平均孔徑最小，說明其孔隙內表面越不規則、孔隙結構越復雜；而SP-3 a的平均孔徑最大，比表面積和總孔體積最小。根據國際純粹與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)孔隙分類準則可知，該研究區林地土壤孔徑以中孔(直徑為2～50 nm)為主。

表2 低溫氮氣吸附試驗所得孔隙結構參數Table 2 Paore structure prameters obtained by low temperature nitrogen adsorption test

2.2.2 孔隙結構參數之間的相關性分析

對得到的不同平茬周期下的沙柳林地土壤孔隙結構參數進行相關性分析，如圖4所示，SP-3 a的沙柳林地土壤的BJH總孔體積、BET比表面積與平均孔徑均呈負相關，而BJH總孔體積與BET比表面積呈正相關。說明對于SP-3 a的沙柳林地土壤而言，孔隙的平均孔徑越小，BJH總孔體積和BJH比表面積越大，BJH總孔體積越大，BET比表面積也越大；對于SP-5 a的沙柳林地土壤，BET比表面積和平均孔徑呈負相關，與總孔體積相關性較小；對于不同平茬周期的沙柳林地土壤，BET比表面積與平均孔徑大體上都呈負相關，SP-3 a的R2最大為0.762 2；而SP-7 a的林地土壤，平均孔徑和BJH總孔體積的相關性明顯小于平均孔徑和BET比表面積的相關性。綜上可得出：SP-3 a的沙柳，對林地土壤的孔隙結構的影響最大，SP-5 a的沙柳，對林地土壤孔隙結構的影響最小，而SP-7 a的沙柳，只影響林地土壤的BET比表面積和平均孔徑。

圖4 孔隙結構參數間的關系Fig.4 Pore structure parameter diagram

2.3 FHH模型分析維數的計算結果

根據土壤樣品的等溫吸附曲線和孔徑分布，將吸附相對壓力分為三個區間，為0

表3 FHH模型計算的分形維數Table 3 Fractal dimension calculated by FHH model

2.4 分形維數與不同平茬周期沙柳林地土壤的孔隙結構參數的關系

2.4.1 分形維數與孔比表面積的關系

圖5描述了不同平茬周期的沙柳林地土壤孔比表面積與分形維數D1、D2、D3的關系。由圖5可知，對于SP-3 a和SP-5 a的林地土壤，所有分形維數與孔比表面積的相關性不明顯，但都有增大趨勢，并且D1的變化范圍相對較大，SP-3 a和SP-7 a的土壤孔隙中有部分的孔的表面粗糙程度不一樣；對于SP-7 a的林地土壤，分形維數D2與孔比表面積的相關系數R2=0.765 0，分形維數D1與孔比表面積的相關性不明顯；分形維數D3與孔比表面積的相關系數R2=0.665 3。表明SP-7 a的沙柳林地土壤孔隙的分形維數與孔比表面積呈正相關，即分形維數D2、D3越大，孔比表面積就越大，孔的內部表面粗糙程度越大，孔隙結構分形也越明顯，空間分布情況也越復雜。因此，分形維數可以很好地描述孔隙表面的不規則性和孔隙結構的復雜性特征。

圖5 不同平茬周期的沙柳林地土壤孔比表面積與分形維數的關系Fig.5 Relationship between soil pore specific surface area and fractal dimension of Salix psammophila forests with different flat periods

2.4.2 分形維數與總孔體積的關系

圖6反映了不同平茬周期的沙柳林地土壤總孔體積與分形維數D1、D2、D3的關系。由圖可知，分形維數D2、D3與SP-5 a的林地土壤的總孔體積呈正相關，相關系數分別為0.754 9和0.860 4，即分形維數越大，總孔體積越大；而與SP-3 a和SP-7 a的相關性不明顯，但隨分形維數D1、D2、D3的增大，總孔體積有增大趨勢。表明不同平茬周期的林地土壤分形維數與總孔體積呈正相關，即分形維數越大，總孔體積越大。

圖6 不同平茬周期的沙柳林地土壤總孔體積與分形維數的關系Fig.6 Relationship between total pore volume and fractal dimension of Salix psammophila forest in different flat periods

2.4.3 分形維數與平均孔徑的關系

平均孔徑是反映平均孔徑大小的參數，平均孔徑越小，表示孔隙結構中小孔數量越多，反之則大孔數量較多。圖7描述了不同平茬周期的沙柳林地土壤孔隙的平均孔徑與分形維數D1、D2、D3的關系。由圖7可知，對于SP-7 a的沙柳林地土壤，分形維數D2、D3與平均孔徑的相關性較好，相關系數分別為0.769 1和 0.752 6，而分形維數D1與平均孔徑的相關性不明顯；對于SP-5 a的沙柳林地土壤，分形維數D2與平均孔徑的相關性較好，相關系數為0.830 7，D1、D3與平均孔徑的相關性不明顯；對于不同平茬周期的沙柳林地土壤的分形維數，隨著分形維數的增大，平均孔徑都有減小的趨勢，說明可以通過分形維數來反映林地土壤孔隙結構中平均孔徑的相對大小關系。正是由于林地土壤中小孔隙增多，使土壤的孔隙結構變得復雜，最終導致土壤分形維數增大。

圖7 不同平茬周期的沙柳林地土壤平均孔徑與分形維數的關系Fig.7 Relationship between average pore size and fractal dimension of Salix psammophila forests with different flat periods

3 討論

毛烏素沙地人工沙柳林定期的平茬復壯有效地改善了當地的生態環境，同時沙柳的平茬周期不僅會影響沙柳的可持續經營，還對土壤結構發育產生一定的影響。采用氮氣吸附法及分形維數評價指標，來綜合反映不同平茬周期沙柳林地土壤孔隙結構，也可對該研究區林地土壤孔隙表面復雜、粗糙和不規則程度進行描述。目前，氮氣吸附法較多的運用于頁巖孔隙結構[19-20]和煤體孔隙結構[21-22]；而將該方法用于林地土壤孔隙結構的研究相對較少，考慮到毛烏素沙地沙柳林地土壤中微孔和中孔較多的孔隙結構特征，將氮氣吸附法用于毛烏素沙地沙柳林土壤孔隙結構和表征林地土壤表面的分形特征研究是可行的。

通過氮氣吸附法測得林地土壤的吸附等溫線的形狀為反“S”形，與Paz-Ferreiro等[23]研究的黏性土壤的氮氣吸附等溫線相比，三者吸附量不同，但類型相似，均為IUPAC分類圖中的Ⅱ型等溫吸附曲線[24]，說明林地土壤具有很好的分形特征。通過氮氣吸附實驗測得的土壤孔隙結構參數間對比及相關性分析發現，孔隙結構參數的變化與平茬周期有密切關系，平茬周期為5 a時對林地土壤孔隙結構參數變化影響最小，土壤結構狀況最好，保水保肥能力較好；平茬周期為7 a時對林地土壤孔隙結構參數變化影響最大，土壤結構狀況較差，保水保肥能力也差。綜上分析，從土壤結構變化來講，平茬周期為5 a時較適宜，同海龍等[25]、段廣東等[11]分別從平茬復壯以及防風效益角度研究得出毛烏素地人工沙柳林最優平茬時間為4a基本相符。可見合理的平茬周期不僅可實現沙柳灌叢復壯更新和持續發揮防風效益，還可使林地土壤結構得到改善。

實驗結果表明，林地土壤孔隙結構的分形維數隨土層深度變化不顯著(α=0.05)。利用FHH模型法計算得到的林地土壤表面分形維數平均值為2.684 9，結果與黨亞愛等[26]對黃土高原土壤剖面研究計算得到的體積分形維數相近，與胡康博等[7]利用熱力學方法得到的河渠泥沙沉積物的分形維數范圍也基本接近。通過分形維數與各孔隙結構參數的相關性分析得出，平茬周期為7 a時，林地土壤孔隙結構分形維數與各孔隙結構參數的相關性最強，對孔隙結構參數的變化更敏感；而平茬周期為5 a時，林地土壤孔隙結構分形維數與各孔隙結構參數之間的相關性最弱，進一步說明平茬周期為5 a時更有利于土壤結構的穩定形成。本研究以平茬周期來衡量其對林地土壤孔隙結構的影響，結果表明采用合理的平茬周期有利于林地土壤結構狀況保持一定的穩定性，進一步使營造的沙柳人工林達到其自身的生產經營目的。

毛烏素沙地地形主要以丘間低地及沙丘為主，但本文主要以丘間低地處的土壤為研究對象，而在不同平茬周期下，沙柳對不同坡位處的土壤結構和表面分形特征有何影響，還需進一步的探究，也是團隊接下來需要開展的工作。

4 結論

(1)該研究區的林地土壤孔徑以中孔(2～50 nm)為主，有少量的微孔(≤2nm)和大孔(≥50 nm)。

(2)不同平茬周期的沙柳林地土壤孔隙結構分形特征明顯，分形維數范圍為2.497 1～2.779 7，平均為2.684 9，可較好地描述林地土壤孔隙表面和孔隙結構的分形特征，且不同平茬周期下林地土壤分形維數與各孔隙結構參數有密切關系，分形維數越大，孔隙表面越粗糙，不規整程度越高。

(3)對于該研究區沙柳人工林，平茬周期為5 a時較適宜林地土壤發育并保持結構穩定。