干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢土壤分形維數與理化性質對比分析

蔣嘉瑜, 劉任濤, 張安寧

(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, 銀川 750021)

荒漠草原是介于沙漠與草原之間對環境有強烈反應的敏感區，也是一種較為干旱的草原類型，往往容易受到人類干擾和氣候變化的影響而發生退化和沙漠化[1]。為促進荒漠草原退化生態系統的有效恢復，我國開展了大規模的植樹造林活動[2]。其中，檸條(Caraganakorshinskii)作為最常見的造林樹種之一，其獨特的生理生態學特性，不僅對惡劣的生態環境具有較強的適應能力，還為當地畜牧提供了優質的飼草資源，已成為人工林建設與生態恢復的主要植物種之一[3]。研究表明，在退化土地上種植旱生灌木檸條林，能夠促進地表植被和土壤性質變化，以及水分格局的再分配，從而導致檸條灌叢呈現“肥島”效應[4]，對荒漠草原區的水土保持、草地退化和沙化的治理具有重要生態意義。并且荒漠草原地下水位較深，植物維持生長的水分主要來源于降水，而不同程度的降水，對土壤與植被的水分循環有重要作用。因此，研究干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢土壤分形維數與土壤理化性質對比分析，對于退化草地生態系統有效恢復及響應氣候變化均具有重要意義。

目前，干旱、半干旱區灌叢土壤理化性質及分形特征的變化研究，一直是生態學領域的熱點問題。賈曉紅等[5]研究發現，騰格里沙漠沙冬青灌叢中土壤粒徑分形維數不僅能表征土壤顆粒大小組成，還能反映土壤質地的均一程度和土壤結構的空間異質性。代豫杰等[6]發現烏蘭布和沙漠沙冬青、花棒等灌叢下土壤均具有良好的分形特征，具有有效防止表土粗化、促進細粒物質積累的作用。麥爾哈巴·尼加提等[7]研究了準噶爾盆地東南緣荒漠的鹽生假木賊灌叢林地，發現灌叢下土壤的水分和養分均增加。Wezel等[8]發現，尼日爾Guiera灌木林地中的土壤養分積累和土壤肥力有明顯的空間變化。陳東[9]通過對鹽池油蒿灌叢土壤理化性質研究分析發現，土壤分形維數與土壤顆粒組成、理化性質之間存在相關關系。而不同干旱環境條件下，由于降水分布條件存在較大差異，結果將導致檸條灌叢內外水分再分配格局、養分空間分布產生較大差異[10]。綜合分析表明，灌叢對土壤分形維數和土壤理化性質產生深刻影響，土壤分形維數與理化性質可作為評價土壤沙漠化演變的一項綜合性定量指標。但是，關于干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢分形維數與土壤理化性質變化特征對比研究，報道較少。關于檸條灌叢微生境土壤分形維數及理化性質分布對干旱環境的響應規律，尚不清楚。

鑒于此，本文以寧夏鹽池和內蒙古烏拉特荒漠草原為研究區域，以檸條灌叢為研究對象，開展灌叢內外微生境土壤分形特征和土壤理化性質對比研究，旨在探討干旱與半干旱荒漠草原區灌叢微生境土壤分形維數與土壤理化性質分布特征及對干旱環境的響應規律，為該區域人工林建設、荒漠化防治及退化草地生態恢復提供依據。

1 研究區概況

研究區位于半干旱區寧夏鹽池縣和干旱區內蒙古烏拉特后旗。其中，寧夏鹽池縣荒漠草原(37°49′12.90″N，107°27′30.18″E，平均海拔1 348 m)，屬于典型溫帶大陸性季風氣候。全年62%以上的降水集中在7—9月。于1973年種植人工檸條林，封育管理27 a[11]。地表植物主要為檸條、中亞白草(Penni-setumcentrasiaticum)、牛枝子(LespedezapotaniniiVass.)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等。

內蒙古烏拉特后旗荒漠草原(41°26′23.48″N，106°59′0.59″E，平均海拔1 621 m)，屬于典型的大陸性干旱氣候。全年70%以上降水集中在7—8月。于2001年種植人工檸條林，封育管理15 a。地表植物主要為檸條、紅砂(Reaumuriasoongorica)、駱駝蓬(Peganumharmala)、多根蔥(Alliumpolyrhizum)和小針茅(Stipaklemenzii)等[12]。試驗研究樣地基本氣候條件和土壤類型情況見表1[13-14]和圖1。

表1 研究樣地基本氣候條件和土壤類型情況

圖1 研究樣地2017年各月平均降雨量和月氣溫

2 材料與方法

2.1 試驗設計

于2017年9月，在鹽池和烏拉特荒漠草原封育試驗研究樣地內，分別選擇12株高度、大小、長勢一致的老林齡[15](林齡>14 a)檸條灌叢作為研究對象。在每株灌叢內外均布設調查樣點(為消除灌叢的干擾，灌叢外裸露地需遠離灌叢10 m以上)。試驗共布設48個調查樣點(2地區×2微生境×12重復)。

本研究選取的樣地地勢平坦、地形、植被及土壤類型基本一致，且主要以風沙土為主。其中鹽池檸條灌叢平均高度為(1.04 ±0.07) m，冠幅平均直徑為(1.89±0.57) m。烏拉特檸條灌叢平均高度為(0.88±0.05) m，冠幅平均直徑為(1.86±0.68) m。

2.2 土壤樣品采集與測定

在每個調查樣點，利用五點取樣法采取混合土樣，取樣深度0—10 cm。用鋁盒取部分混合新鮮土樣用于土壤含水量的測定，剩余混合土樣經自然風干后，去除葉、莖、根系、石塊等雜物，并按照試驗后期要求過篩，用于土壤電導率和pH值、全碳和全氮以及土壤粒徑組成的測定。

土壤含水量(%)采用烘干稱重法測定(105℃，24 h)。土壤pH值和電導率(μS/m)，則采用1∶5的土水比浸提后，靜置一夜取上清液，分別使用PHS-3C酸度計和便攜式電導率儀(雷磁DDSJ-308F)進行測定。土壤全碳(%)和全氮(%)通過元素分析儀(意大利DK6，UDK140分析儀)來測定。土壤粒徑組成采用Mastersizer 3000激光衍射粒度分析儀進行其粒徑體積百分含量的測定。本研究根據美國農業部的分類系統對土壤顆粒進行分級：黏粒(<2 μm)，粉粒(2～50 μm)，極細砂粒(50～100 μm)，細砂粒(100～250 μm)，中砂粒(250～500 μm)，粗砂粒(500～1 000 μm)，極粗砂粒(1 000～2 000 μm)[16]。

本研究選擇Tyler[17]、杜雅仙[18]等提出的體積分形模型，對土壤顆粒體積分形維數進行計算，計算公式如下:

(1)

2.3 數據處理與統計分析

應用SPSS Statistics 25統計軟件進行數據分析。采用配對樣本t檢驗分析不同荒漠草原類型、不同微生境間的差異，采用Pearson相關系數分析土壤理化性質與分形特征間的相關性。采用雙尾檢測，顯著水平為p=0.05。圖表中數據均為平均值±標準誤差。

3 結果與分析

3.1 土壤粒徑分布與分形維數

由圖2可知，鹽池和烏拉特荒漠草原檸條灌叢內外土壤粒徑分布高峰范圍相近：粒徑峰值集中分布在2～100 μm。均呈單峰型，且變化幅度較大，土壤粒徑分布的非均勻程度較高。從表2可以看出，灌叢微生境土壤中，土壤顆粒組成以黏粒、粉粒和極細砂粒為主，而粗砂粒和極粗砂粒含量所占比例較少，在烏拉特荒漠草原檸條灌叢甚至無土壤極粗砂粒。

圖2 荒漠草原檸條灌叢微生境土壤粒徑分布頻率曲線

表2 土壤顆粒分布特征及其土壤分形維數變化

在鹽池荒漠草原，土壤黏粒表現為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而土壤中砂粒表現為裸地顯著低于灌叢(p<0.05)。土壤粉粒、極細砂粒、細砂粒、粗砂粒、極粗砂粒含量和土壤分形維數表現為灌叢內外間無顯著差異(p>0.05)。

在烏拉特荒漠草原，土壤黏粒含量和土壤分形維數表現為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而土壤極細砂粒和細砂粒含量為灌叢顯著高于裸地(p<0.05)。土壤粉粒、中砂粒、粗砂粒、極粗砂粒含量表現為灌叢內外間無顯著差異(p>0.05)。

同時，無論是灌叢還是裸地，土壤粉粒含量均表現為鹽池高于烏拉特，而土壤細砂粒均表現為烏拉特高于鹽池。土壤極細砂粒表現為在灌叢中烏拉特顯著高于鹽池，而在裸地中2個類型間則無顯著差異(p>0.05)。但是，灌叢和裸地中土壤分形維數、黏粒、粗砂粒以及極粗砂粒含量均表現為鹽池和烏拉特間無顯著差異(p>0.05)。

3.2 土壤理化性質

由圖3A可知，土壤含水量既受到荒漠草原類型的影響，也受到灌叢微生境變化的影響。在鹽池荒漠草原，土壤含水量表現為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內外則無顯著差異(p>0.05)。同時，灌叢和裸地微生境土壤含水量均表現為鹽池顯著高于烏拉特(p<0.05)。

注：不同小寫字母表示不同微生境之間差異顯著，*表示不同荒漠草原之間差異顯著(p<0.05)。

從圖3B—C可以看出，土壤電導率受荒漠草原類型和灌叢微生境變化的影響較小。但土壤pH值既受到荒漠草原類型的影響，亦受到微生境變化的影響。在鹽池荒漠草原，土壤pH值表現為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內外微生境間則無顯著差異(p>0.05)。同時，灌叢土壤pH值表現為烏拉特顯著高于鹽池(p<0.05)，而裸地土壤pH值在兩地間無顯著差異(p>0.05)。

由圖3D—F可知，土壤全氮受到荒漠草原類型和微生境變化的影響較小(p>0.05)。土壤全碳含量與碳氮比既受到荒漠草原類型的影響，也受到微生境變化的影響。在鹽池荒漠草原，土壤全碳含量與碳氮比表現為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內外則無顯著差異(p>0.05)。同時，灌叢和裸地微生境土壤全碳、碳氮比均表現為鹽池顯著高于烏拉特(p<0.05)。

3.3 土壤理化性質、土壤粒徑分布及分形維數的相關性

圖4 干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢土壤粒徑分形維數與土壤粒徑分布相關性

3.3.2 土壤粒徑分布、土壤分形維數與土壤理化性質之間的相關關系 由表3可知，土壤黏粒含量與土壤全氮含量間呈正相關性(p<0.05)，而與土壤全碳間呈顯著正相關性(p<0.01)。土壤粉粒含量與土壤全碳、碳氮比及含水量間均呈顯著正相關性(p<0.01)。土壤極細砂粒含量僅與土壤全氮呈顯著負相關性(p<0.01)。土壤細砂粒含量與土壤全碳、碳氮比及含水量間呈顯著負相關性(p<0.01)。土壤中砂粒含量與土壤碳氮比、含水量間呈負相關性(p<0.05)，與土壤全碳間呈顯著負相關性(p<0.01)。土壤粗砂粒和極粗砂粒含量與土壤性質指標間均無相關性(p>0.05)。土壤分形維數與土壤全氮、全碳含量呈正相關性(p<0.05)，而與土壤碳氮比、含水量、pH值以及電導率含量間均無相關性(p>0.05)。

表3 灌叢微生境土壤理化性質與土壤粒徑、土壤分形維數之間的相關系數

4 討 論

4.1 干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢對土壤粒徑組成與分形維數的影響

土壤粒徑分布是反映土壤結構和土壤發育程度的指標之一，也是影響土壤水力特性、土壤侵蝕以及土壤退化的重要土壤物理特性之一[19]。本研究中，鹽池和烏拉特荒漠草原檸條灌叢內外土壤粒徑含量分布高峰范圍相近，且2個研究區土壤顆粒組成以極細砂粒為主，黏粒和粉粒次之(表2)。這主要是由于荒漠草原區環境條件惡劣，土地和植被退化，風蝕作用導致土壤黏粉粒遷移損失，極細砂粒含量增加[20]。在鹽池和烏拉特荒漠草原，土壤黏粒含量均表現為裸地顯著高于灌叢，但在鹽池荒漠草原土壤中砂粒表現為灌叢下顯著高于裸地，在烏拉特荒漠草原灌叢下土壤極細砂粒和細砂粒表現為灌叢下顯著高于裸地，這與灌叢“沃島”效應[4]呈現的結果相悖。分析原因可能是研究區檸條灌叢發生老化而導致其局部攔截風沙流的能力降低，導致風蝕作用增強而使得灌叢下土壤黏粒減少而細砂粒和中砂粒增加[21-22]。同時，灌叢內外微生境土壤粉粒含量均表現為鹽池高于烏拉特，而土壤細砂粒均表現為烏拉特高于鹽池，主要原因在于烏拉特荒漠草原年降雨量低且多風，風蝕與土壤堆積極不穩定，導致土壤表層粉粒流失，細砂粒含量上升[23]。由此可見，人工檸條林土壤顆粒組成變化是由多種因素決定的，而降水分布會影響土壤顆粒組成。

在鹽池荒漠草原，土壤分形維數表現為灌叢內外無顯著差異，但在烏拉特荒漠草原，土壤分形維數則表現為灌叢下低于裸地，這與文星躍等[24]關于岷江上游河谷草本灌木植被下土壤分形維數變化的研究結果不一致。一方面說明在鹽池檸條灌叢對土壤分形維數的影響較小，土壤分形維數主要還是與土壤本身的物理基質有關[25]。同時也說明較為干旱的烏拉特，降雨量偏少，風蝕強度大，導致其細顆粒物質減少，粗顆粒物質增多，土壤結構松散，故土壤分形維數降低[26]。無論灌叢內外，鹽池與烏拉特荒漠草原土壤分形維數均無顯著差異。分析原因可能是荒漠草原的土壤類型主要以風沙土為主，土壤母質以風積物為主(表1)，土壤質地相對均一，而土壤分形維數主要與成土母質特征和沉積環境有關[18]，從而導致鹽池和烏拉特荒漠草原土壤分形維數無顯著差異性。

本文的研究結果表明，荒漠草原土壤分形維數與土壤黏粒含量呈顯著的正相關關系，與土壤極細砂粒、細砂粒含量呈顯著負相關關系，說明土壤黏粒含量可以指示土壤分形維數的大小，這與羅清虎等[27]的研究結果一致。而土壤分形維數與粗砂粒、極粗砂粒間則無相關性。這與呂圣橋等[28]在黃河三角洲的研究結果相似，說明土壤分形維數并不是對所有土壤粒級的土壤顆粒含量變化都有明顯反應。另外，烏拉特荒漠草原土壤分形維數與土壤粉粒呈顯著正相關關系，與中砂粒呈負相關關系。總而言之，土壤顆粒組成的分形維數隨著土壤質地變細而增大，隨砂粒含量的增加而變小。

4.2 干旱與半干旱荒漠草原區檸條灌叢對土壤理化性質的影響

水分是影響荒漠草原土壤及植被生長的重要因素，灌叢對降水的響應以及土壤中水分的運移和分配均受到土壤結構和功能的影響[29]。本研究，鹽池荒漠草原的土壤含水量表現為裸地高于檸條灌叢，主要是由于多年生檸條根系龐大，有明顯的主根和發達的多層側根組成，入土較深，使得根系在垂直方向和水平方向覆蓋面增大，利于吸收不同深度的水分，在其根部生長過程中與土壤發生強烈的相互作用而形成大孔隙，降雨過程中，水分到達地表后通過大孔隙通道迅速滲入并貯存于深層土壤，且研究區蒸騰作用強烈，使灌叢表層土壤水分含量較低，因此，極易造成植物冠幅內外水分異質性分布[30]。而烏拉特荒漠草原不同微生境土壤含水量無顯著差異，可能是由于烏拉特風沙較大，土壤表層風蝕作用較大，植被覆蓋度低，使該地的土壤保水能力差，土壤含水量低，導致灌叢內外土壤含水量無顯著差異性[31]。此外，本研究中，鹽池荒漠草原灌叢和裸地的土壤含水量均高于烏拉特荒漠草原，這與烏拉特荒漠草原更為稀少的降雨量密切相關，這與索立柱等[32]在黃土高原的研究結果一致。

本文的研究結果顯示土壤電導率不受荒漠草原類型和微生境的影響。一方面，這可能與兩個研究區的土壤母質和土壤類型(風沙土)相似有關；另一方面，是由于研究區風沙較大，天氣條件惡劣，枯落物在地表層的積累量小，枯落物中的可溶性鹽的沉積較小。因此，使當地土壤電導率變化不大[33]。進而說明降水分布和灌叢微生境對于土壤電導率影響微弱，但具體原因還需進一步研究。

土壤酸堿度是土壤重要的化學性質之一。本研究結果顯示，在鹽池荒漠草原，土壤pH值表現為裸地顯著高于灌叢，可能是由于土壤微生物與灌叢根系有機酸的分泌間的相互作用，導致土壤pH值降低，這與牛西午等[34]的研究結果相似。通過比較干旱與半干旱荒漠草原區內同種微生境的土壤pH值，發現裸地土壤pH值在兩地間無顯著差異，這是由于研究區降水量小，蒸發量大，土壤淋溶作用弱，土壤呈弱堿性，且荒漠草原生物化學循環緩慢，短期內降水對土壤pH值影響較小[25]。而灌叢下土壤pH值則表現為烏拉特高于鹽池，可能是由于鹽池降雨量高于烏拉特，且檸條根系的細根分布較多，根系有機酸的分泌物對pH值的影響更大，這與雷澤勇等[35]在遼寧章古臺地區對不同林齡的樟子松林土壤的相關研究結果相似。

土壤養分是土壤肥力的重要基礎，而由于灌叢的生長發育、灌叢下枯落物的積累以及土壤顆粒組成變化，可能導致土壤全氮和全碳含量的變化[36]。本研究結果顯示在鹽池荒漠草原，土壤全碳含量表現為裸地顯著高于灌叢。這是由于多年生檸條灌叢隨生物量的增大所需的養分元素更多，土壤中的養分為滿足其生長需要，從而導致土壤養分資源庫的枯竭，這與牛西午等[34]認為檸條在達到一定樹齡后，會出現灌叢土壤部分營養元素的虧損的研究結果相一致。在烏拉特荒漠草原，土壤全碳含量在灌叢內外無顯著差異。原因可能是烏拉特荒漠草原自身土壤條件比較貧瘠，本身的碳儲量含量低，碳循環較慢，處于灌叢內外的碳素平衡，在一定時間內很難受到降水分布與微生境變化的影響[37]。同時研究發現，灌叢和裸地土壤全碳含量均表現為鹽池顯著高于烏拉特，這與劉佳楠等[36]在沙地檸條灌叢枯落物對土壤質量影響的結果相似。分析原因主要是由于鹽池降雨量較高，檸條長勢相對較好，枯落物的積累量大，導致有機質等養分元素在土壤表層積累。本研究結果顯示，土壤全氮含量既不受荒漠草原類型的影響，亦不受土壤微生境的影響，這與牛西午等[34]在晉西北人工檸條林土壤理化性質的研究結果不一致，其原因是由于土壤母質與土壤的緩沖性能，導致土壤氮素含量在短期內很難改變，使研究區土壤處于氮素循環平衡的狀態[38]。土壤碳氮比與土壤全碳變化規律一致，是反映土壤質量程度和有機質組成的重要指標，也反映了土壤碳與氮的平衡關系[38]。

本研究通過對土壤理化性質和土壤粒徑分布、土壤分形維數之間的相關性綜合分析發現，土壤黏粉粒含量與土壤養分含量間呈正相關關系，而土壤砂粒含量(50～500 μm)與土壤養分間呈負相關關系。桑巴葉等[39]的研究表明土壤養分含量主要與土壤細顆粒含量有關，且土壤粉粒是與有機質膠結的主要無機膠體，對土壤結構的穩定性起著至關重要的作用。這也在一定程度上反映了土壤肥力和土壤顆粒的大小關系，即土壤細顆粒物質的含量更能反映土壤質量水平。另外，土壤粉粒與土壤含水量呈顯著正相關關系，而細砂粒、中砂粒與土壤含水量呈負相關關系，這與倉木拉等[19]的研究結果相似。也進一步說明土壤細顆粒物質越多，對土壤的保水能力越強。因此，土壤含水量與土壤結構及土壤粒徑分布有著極為密切的聯系。土壤粒徑各粒級間與土壤pH值均無相關性，主要原因是由于2個研究區的非地帶性土壤均為風沙土，土壤中鹽分主要為中性鹽，而中性鹽對pH值的影響較小[25]。除此之外，土壤分形維數僅與土壤全碳、土壤全氮呈正相關性。并且，土壤黏粉粒含量與土壤分形維數呈正相關(表3)，土壤中細顆粒含量增多有利于土壤養分的積累，說明在一定程度上，土壤分形維數可以作為評價土壤肥力水平的定量指標。但土壤分形維數與含水量、pH值間均無相關性，這與羅雅曦等[25]的研究結果一致。說明土壤的顆粒大小不是土壤含水量與pH值的主要影響因素。土壤分形維數與電導率含量無相關性，這與杜雅仙[18]和呂圣橋[28]等的結果不一致。分析原因可能與研究區的自然狀況和惡劣的區域環境相關，使鹽堿程度受土壤顆粒組成影響不大。

5 結 論

(1) 半干旱區更有利于灌叢和裸地土壤細顆粒含量的積累。隨著降水量的增加，檸條灌叢微生境的粉粒含量、含水量、土壤全碳及碳氮比增加，而極細砂粒、細砂粒、土壤pH值降低。說明降水量分布對灌叢的土壤分形維數及理化性質具有調控作用。

(2) 土壤分形維數能更好地反映不同荒漠草原類型與不同微生境間土壤的空間差異性，且并不是對所有土壤粒級有明顯反應，主要是受到土壤黏、粉粒含量的大小影響。但對微生境變化與降水分布反應不明顯。

(3) 研究表明，不同干旱環境條件下，由于降水分布條件存在較大差異，結果將導致檸條灌叢內外水分再分配格局、養分空間分布產生較大差異。