青藏高原不同草地利用方式對土壤粒徑分形特征的影響

宛 倩,王 杰,王向濤,劉國彬,張 超,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西藏農(nóng)牧學(xué)院動(dòng)物科學(xué)學(xué)院, 林芝 860000 3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

青藏高原是我國主要牧區(qū)之一,草地類型豐富,其面積占我國草地面積的42%[1]。近年來,由于環(huán)境變化以及人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響,青藏高原草地退化日趨嚴(yán)重,生產(chǎn)力急劇下降[2]。過度放牧是導(dǎo)致草地退化的主要因素之一[3],不僅抑制植被生長,并且降低土壤肥力[4—7]。因此,必須采取有效的生態(tài)措施來恢復(fù)退化的草原生態(tài)系統(tǒng),如圍封禁牧、禁牧+補(bǔ)植和合理放牧[8]等措施,目前,關(guān)于不同利用方式對退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的影響研究越來越多,但并沒有得出一致的結(jié)論。仲波[9]對若爾蓋草地土壤微生物的研究中發(fā)現(xiàn),適度放牧提高了酶活性以及土壤碳氮礦化速率,促進(jìn)退化草地的恢復(fù)。劉艷萍[10]在研究不同恢復(fù)措施對退化草地土壤和植被的影響中發(fā)現(xiàn),禁牧顯著改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和增加土壤養(yǎng)分。

土壤粒徑分布屬于土壤物理性質(zhì),可以表征土壤結(jié)構(gòu),反映土壤的發(fā)育狀況,對土壤水、肥等物理特性具有一定的影響。土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質(zhì)[11],具有一定的分形特征。分形理論作為一種揭示物質(zhì)局部結(jié)構(gòu)和形態(tài)的工具在研究土壤結(jié)構(gòu)中得到了廣泛運(yùn)用。例如,孫梅等[12]研究長期不同施肥條件下紅壤粒徑分維,表明施用有機(jī)肥可以促進(jìn)土壤細(xì)化改善土壤粒徑分布格局。王德等[13]對黃土丘陵區(qū)不同土地利用下土壤粒徑分析中表明,多重分形維數(shù)與有機(jī)碳顯著相關(guān),可以為描述土壤基本性質(zhì)提供科學(xué)參考。因此,利用分形模型研究土壤的粒徑分布對于理解當(dāng)?shù)夭莸鼗謴?fù)的演變過程,以及評價(jià)當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。前人大都使用單重分形描述土壤粒徑分布[14],但其只能描述土壤結(jié)構(gòu)的整體性特征[15],不能表征具體粒徑的分布范圍。而多重分形維數(shù)能詳細(xì)反映土壤粒徑分布的均勻程度,并且表征土壤粒徑分布的異質(zhì)性和自相似性[16],可以更準(zhǔn)確的分析土壤結(jié)構(gòu)特性。因此,二者的聯(lián)合使用更能全面揭示土壤粒徑的分布特征,但目前的研究多以單一分形或多重分形為主,將兩種方法結(jié)合的研究較少,尤其是生態(tài)環(huán)境比較脆弱的青藏高原。鑒于此,本研究在青藏高原選取了4個(gè)不同利用方式的草地(放牧草地、圍欄禁牧草地、圍欄禁牧+補(bǔ)植草地和未干擾草地),結(jié)合單重分形和多重分形理論,研究不同草地利用對土壤粒徑分布的影響,探討土壤粒徑分布與土壤結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)、土壤質(zhì)量的關(guān)系,以期為退化草地的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)(91°40′E,32°21′N)位于西藏自治區(qū)林芝市工布達(dá)江縣邦杰塘草原野外試驗(yàn)場。該區(qū)屬于高原溫帶半濕潤氣候,地勢平坦,平均海拔4672 m,年平均氣溫-3.1℃,最冷1 月平均氣溫-15℃,最熱月7月平均氣溫 9.3℃。年平均降雨量409 mm,主要集中在夏季,風(fēng)速≥17 m/s的天數(shù)為139 d。年積溫846℃,年均日照2580 h,無絕對無霜期。該區(qū)土壤類型為高山草甸土,土壤質(zhì)地為砂質(zhì)土(圖1),植被類型為典型的高寒草地,主要植被有高山蒿草(Kobresiapygmaea)、紫花針茅(Kobresiapygmaea)、馬先蒿(Pedicularisreaupinanta)、高山委陵菜(Potentillapolyschista)、垂穗披堿草(Elymusnutans)。

圖1 采樣點(diǎn)土壤質(zhì)地

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與土壤樣品采集

采樣區(qū)面積約為200 hm2,在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置了4種草地管理類型:放牧草地、圍欄禁牧草地、圍欄禁牧+補(bǔ)植草地以及未干擾草地。試驗(yàn)區(qū)地勢平坦,無水蝕現(xiàn)象發(fā)生,且地表無風(fēng)蝕造成上凸下凹及地表粗化現(xiàn)象。所選各處理植被特征如表1所示。每種處理5個(gè)重復(fù)小區(qū),共20個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)占地1 hm2。處理方法如下:(1)放牧草地:每公頃每年放牧4頭牦牛,其放牧頭數(shù)根據(jù)研究區(qū)的平均生物量、牦牛進(jìn)食量、放牧面積以及放牧?xí)r間來確定。(2)圍欄禁牧草地:2009年,采用圍欄禁牧方式防止食草動(dòng)物進(jìn)入,在圍封之前該草地與放牧草地相同。(3)圍欄禁牧+補(bǔ)植草地:2009年,在禁牧草地的基礎(chǔ)上,種植鄉(xiāng)土優(yōu)勢植物披堿草(Elymusnutansgriseb)、冷地早熟禾(Poacymphila)和梭羅草(Kengyiliathoroldiana), 播種密度分別為3、5和8 g/m2的速率播種,播種穴深3 cm,間距20 cm。(4)未干擾草地:1999年之前為放牧地,1999年之后完全禁牧,至今無人為干擾以及放牧活動(dòng)的草地。

表1 不同草地利用方式的植被特征

2018年9月采集土壤樣品,在各處理中的小區(qū)中沿對角線建立9個(gè)10 m×10 m的樣方,相鄰樣方間隔為10—20 m,在每個(gè)樣地內(nèi)中隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方,在樣方內(nèi)按“S”型采用土鉆取0—15 cm土壤樣品,混合。將9個(gè)樣地的土壤混合形成一個(gè)土壤樣品,即每個(gè)小區(qū)1個(gè)混合土樣,將所有土壤帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過篩。

2.2 樣品處理與分析

土壤顆粒組成使用MS2000型激光粒度分析儀進(jìn)行測定,儀器測量范圍為0.02—2000 μm,攪拌速度 2500 r/min,遮光范圍 10%—20%。稱取0.5 g過2 mm篩的風(fēng)干土壤,加入10 mL10%的 H2O2沙浴加熱以去除土壤中的有機(jī)碳,隨即加入10 mL 10%的HCl煮沸使其反應(yīng)完全。在上清液中加入六偏磷酸鈉分散劑并使用超聲波清洗機(jī)振蕩,隨即用MS2000粒度儀進(jìn)行土壤顆粒分析。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定[17]:土壤pH采用電位法測定；土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸外加熱法測定; 全氮含量用凱氏定氮法測定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；使用有機(jī)碳分析儀(Phoenix,800TOC)測定浸提液來分析水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用 2 mol/L KCl 以1∶5的比例提取新鮮土樣,浸提液使用3-AA3連續(xù)流動(dòng)自動(dòng)分析儀測定；速效磷含量用 Olsen方法測定。土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 不同草地利用方式下土壤理化性質(zhì)[18]

2.3 土壤分形維數(shù)

2.3.1單重分形維數(shù)

利用激光粒度儀獲取土壤顆粒體積分布數(shù)據(jù),采用土壤顆粒體積分形模型來計(jì)算單重分形維數(shù)[19],計(jì)算公式如下:

(1)

式中,Ri為某粒徑區(qū)間上下限算術(shù)平均值,Rmax為最大粒徑(本研究中Rmax=2),V(r

2.3.2多重分形維數(shù)

多重分形是定義在分形結(jié)構(gòu)上的有無窮多個(gè)標(biāo)度指數(shù)所組成的一個(gè)集合,是通過一個(gè)譜函數(shù)來描述分形結(jié)構(gòu)上不同的局域條件、或分形結(jié)構(gòu)在演化過程中不同層次所導(dǎo)致的特殊的結(jié)構(gòu)行為與特征,是從系統(tǒng)的局部出發(fā)來研究其整體的特征,并借助統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法來討論特征參量的概率測度的分布規(guī)律[20]。取激光粒度儀測量范圍為I=[0.02,2000],將其劃分為對數(shù)等差遞增的100個(gè)小區(qū)間Ii=[φi,φi+1],i=1,2,…,100,其中l(wèi)g(φi+1/φi)為一個(gè)常數(shù),這樣劃分區(qū)間即遵循了土壤粒徑分布規(guī)律并且更加客觀。利用多重分形方法分析區(qū)間I的土壤顆粒粒徑分布特征,須使各子區(qū)間長度相同,令φi= lg(φi,φ1),構(gòu)造一個(gè)新的無量綱區(qū)間J =[lg(0.02/0.02),lg(2 000/0.02)]=[0,5],并且生成了100個(gè)新的等距離小區(qū)間Ji=[φi,φi+1],i=1,2,…,100。用v表示100個(gè)區(qū)間粒徑對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù),即v1,v2,…,v100。

式中q為實(shí)數(shù);μi(q,ε)為第i個(gè)子區(qū)間q階概率,則粒徑分布的多重分形廣義維數(shù)譜為

(2)

(3)

利用式(2)可以得到廣義維數(shù)譜D(q),當(dāng)q=0時(shí),D0為信息維數(shù)；q=1時(shí),D1為信息維數(shù)；q=2時(shí),D2為關(guān)聯(lián)維數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Pearson相關(guān)分析和逐步回歸分析評價(jià)土壤顆粒組成、土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。采用冗余分析(RDA)對分形維數(shù)變化的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。本研究中響應(yīng)變量包含D、D0、D1、D1/D0、D2,解釋變量為速效磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)碳、全氮、溶解性有機(jī)碳、溶解性有機(jī)氮、全磷、粉粒、黏粒、砂粒、pH,包含共12 個(gè)指標(biāo)。所有統(tǒng)計(jì)分析和作圖在Rv.3.6.0中進(jìn)行,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3 結(jié)果

3.1 不同草地利用方式下土壤顆粒分布特征

本研究中粒徑分類采用美國制分類標(biāo)準(zhǔn),從圖2可知,不同草地利用方式的土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05),主要以粉粒、極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒為主。其中,砂粒的體積分?jǐn)?shù)最高(47.37%—76.95%),其次為粉粒(16.26%—40.81%),黏粒的體積分?jǐn)?shù)最低(6.78%—12.98%)。黏粒體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為圍欄禁牧草地和未干擾草地高于放牧草地和圍欄禁牧+補(bǔ)植草地；粉粒體積分?jǐn)?shù)依次為放牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<圍欄禁牧草地<未干擾草地,分別為40.81%、29.28%、20.40%、16.26%。相較與放牧草地和圍欄禁牧+補(bǔ)植草地,圍欄禁牧草地黏粒、粉粒含量顯著增加(P<0.05),增幅分別為60.0%—91.4%、43.5%—80.1%。極細(xì)砂粒體積分?jǐn)?shù)未干擾草地最高,放牧草地最低。細(xì)砂粒、中砂粒、粗砂粒體積分?jǐn)?shù)依次為未干擾草地<圍欄禁牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<放牧草地。

圖2 不同草地利用方式下土壤顆粒組成

土壤顆粒分布頻率曲線可以反映土壤質(zhì)地情況,曲線的變化幅度越小,顆粒異質(zhì)程度越大[13]。圖3為4種不同草地利用方式下土壤的顆粒分布頻率曲線,未干擾草地和禁牧草地曲線變化幅度較小,各粒徑段土壤體積含量分布相對均勻,分布異質(zhì)性較大,細(xì)顆粒(<50 μm)含量較高；禁牧+補(bǔ)植草地和放牧草地的曲線變化幅度較大,顆粒主要集中在50—500 μm粒徑范圍,以粗顆粒為主,異質(zhì)性較小,非均勻程度小。

圖3 不同草地利用方式下土壤顆粒分布頻率曲線

3.2 不同草地利用方式下土壤單重分形維數(shù)

利用式1,通過最小二乘法擬合回歸曲線,計(jì)算出4種草地利用方式下土壤顆粒的單重分形維數(shù),如表3所示,4種草地?cái)M合方程的決定系數(shù)均接近1,說明線性擬合效果較好。從不同草地利用方式來看,體積分形維數(shù)依次為放牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<未干擾草地=圍欄禁牧草地,其中,圍封禁牧草地單重分形維數(shù)D最高；放牧的單重分形維數(shù)最小(2.56),質(zhì)地較粗。

表3 不同草地利用方式土壤顆粒分形維數(shù)

圖4為土壤顆粒組成與單重分形維數(shù)D回歸分析結(jié)果,分形維數(shù)D與粉粒、黏粒體積含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與砂粒相關(guān)性較差。從關(guān)系系數(shù)R2來看,黏粒含量與分形維數(shù)D的相關(guān)系數(shù)較大,粉粒次之,砂粒最小,說明土壤分形維數(shù)和黏粒的體積含量之間相關(guān)性最大。

圖4 粒徑體積分?jǐn)?shù)與土壤單重分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.3 不同草地利用方式下土壤多重分形維數(shù)

取q值變化區(qū)間[-10,10],根據(jù)公式(2)、(3),計(jì)算出4種不同草地利用方式下廣義維數(shù)普D(q)。由圖5可知,4種不同草地利用方式D(q)-q曲線呈現(xiàn)反“S”型單調(diào)遞減,并且具有一定的寬度。土壤分形越均勻,D(q)-q越趨近一條直線；而在非均勻分形下,D(q)變化范圍較大,土壤粒徑呈現(xiàn)非均勻分布,因此進(jìn)一步說明了對土壤粒徑進(jìn)行多重分形分析的重要性。q<0時(shí)D(q)的下降趨勢比q>0顯著,說明D(q)在稀疏區(qū)域更為敏感。

圖5 不同草地利用方式下土壤粒徑分布廣義維數(shù)譜

表4為不同草地利用方式下土壤廣義維數(shù)譜維數(shù)。容量維數(shù)D0可以反映土壤粒徑分布范圍,D0值越大表明粒徑分布范圍越廣,4種草地下D0值變化差異不顯著。從信息維數(shù)D1來看,不同草地利用方式的D1值介于0.86—0.89之間,表現(xiàn)為放牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<圍欄禁牧草地<未退化草地。其中,未退化的D1值為0.89,表明各粒徑分布不規(guī)律,異質(zhì)性較大；放牧草地最低,粒徑分布異質(zhì)性較小。D1/D0可以衡量土壤粒徑分布的集中程度[22],4種草地依次為放牧<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<圍欄禁牧草地<未退化草地,未退化草地土壤粒徑分布最集中,放牧草地次之,放牧草地最分散。關(guān)聯(lián)維數(shù)D2反映土壤粒徑的均勻性,D2值越大,分布越均勻,未退化草地、圍欄禁牧+補(bǔ)植草地、圍欄禁牧草地、放牧草地的值分別為0.88、0.82、0.85和0.82,其中,未退化草地和放牧草地的D2值最高,土壤顆粒各分級百分比趨向一致；放牧最低,土壤顆粒分布均勻性最低。

表4 不同草地利用方式下土壤廣義維數(shù)譜維數(shù)

3.4 土壤理化性質(zhì)、土壤顆粒組成以及分形維數(shù)之間的關(guān)系

不同草地利用下土壤理化性質(zhì)、土壤質(zhì)地以及分形維數(shù)的相關(guān)分析如表5所示,黏粒與pH呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。粉粒與信息維數(shù)D1與有機(jī)碳、全氮和硝態(tài)氮表現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全磷表現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.05),其中與有機(jī)碳相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)為0.647。砂粒與土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中與全氮呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.707。單重分形維數(shù)D與土壤理化性質(zhì)沒有相關(guān)性,多重分形維數(shù)(D1、D1/D0、D2)與有機(jī)碳、全氮、全磷和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表5 土壤理化性質(zhì)與分形維數(shù)及土壤質(zhì)地的相關(guān)性

從圖6可知,土壤基本性質(zhì)共解釋了96.78%分形維數(shù)的變異,其中第一軸的解釋率為71.44%,第二軸的解釋率為25.34%。砂粒、黏粒、SOC、TN和粉粒對D、D0和D2解釋率較大。砂粒對D0的影響最大,SOC對D2的影響最大,銨態(tài)氮對D的影響最大。逐步回歸結(jié)果顯示(表6),粉粒和黏粒能共同解釋D值99%的變異,表明黏粒和粉粒是不同草地利用方式下D值變化的主控因素；粉粒能夠獨(dú)立解釋D159.85%的變異,是D1變化的主控因素；砂粒能夠分別解釋D1/D0、D2值82.2%和79.5%的變異,表明黏粒和粉粒是不同草地利用方式下D1/D0、D2值變化的主控因素。

表6 分形維數(shù)與土壤基本性質(zhì)的逐步回歸模型

圖6 分形維數(shù)及土壤基本特性的冗余分析(RDA)

4 討論

4.1 不同草地利用方式對土壤顆粒分布特征的影響

土壤顆粒組成受母質(zhì)特征以及環(huán)境變化的影響[23],在一定程度上可以決定土壤的基本性狀。研究區(qū)位于青藏高原高寒氣候帶,由于氣候條件影響,草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一,在環(huán)境以及人為活動(dòng)干擾下草地退化日趨嚴(yán)重[24]。草原氣候干燥,在風(fēng)力侵蝕作用下,細(xì)顆粒流失,土壤逐漸粗粒化。在本研究中,4種草地土壤顆粒主要分布在20—250 μm之間,0—2 μm和500—2000 μm范圍內(nèi)粒徑含量較少,林永崇[25]在對藏北高原土壤的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,這是由于樣地位于荒漠化地帶,成土母質(zhì)源于風(fēng)塵沉積,土質(zhì)疏松,以風(fēng)沙土為主。有研究表明,圍封禁牧可以有效促進(jìn)土壤顆粒細(xì)化[26]。本研究發(fā)現(xiàn),放牧草地和圍欄禁牧+補(bǔ)植草地的砂粒含量較多,細(xì)顆粒較少；圍欄禁牧草地和未干擾草地的黏粒與粉粒含量相對較多。謝莉等[27]研究發(fā)現(xiàn),相較于放牧草地,圍欄封育草地中土壤細(xì)顆粒含量顯著增加。這可能是由于采取禁牧措施后,植被生長恢復(fù),覆蓋度提高,風(fēng)蝕作用減弱,減少了細(xì)顆粒的流失,同時(shí)植被能夠截存降塵[26],外來的風(fēng)蝕物質(zhì)依附在植物表面隨之沉積,成為土壤細(xì)顆粒重要組成部分。從土壤顆粒分布頻率曲線(圖2)來看,未干擾草地變化幅度最小,質(zhì)地較均勻,這說明未干擾草地由于植被覆蓋以及礦物質(zhì)含量的供應(yīng),土壤發(fā)育良好,且地下根系較多,須根發(fā)達(dá),能夠固結(jié)土體、改善土壤結(jié)構(gòu)。

4.2 不同草地利用方式對分形維數(shù)的影響

單重分形維數(shù)可以反映土壤顆粒物質(zhì)的損失狀況,是表征土壤物理性質(zhì)的重要工具[28]。本研究發(fā)現(xiàn),和未干擾草地相比,其他草地土壤質(zhì)地都逐漸粗顆粒化,各草地間土壤粒徑分布差異明顯,分形維數(shù)也有所不同,說明不同草地利用方式是影響土壤質(zhì)地的重要因素,這與羅楠[29]的研究相似。文海燕等[30]研究表明,圍封禁牧后表層土壤單重分形維數(shù)顯著增加；李國旗[31]的研究結(jié)果顯示圍欄封育內(nèi)的單重分形維數(shù)大于圍欄外的單重分形維數(shù)。本研究也得到了相似的結(jié)論,4種草地利用方式下分形維數(shù)D的分布范圍為2.56—2.67,依次為放牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<未干擾草地<圍欄禁牧草地。放牧草地和圍欄禁牧+補(bǔ)植草地分形維數(shù)明顯低于圍欄禁牧草地和未干擾草地。未干擾草地植被常年覆蓋,土壤發(fā)育能力強(qiáng),其土壤粒度組成越細(xì)；實(shí)行圍封禁牧后的草地,人為活動(dòng)少、干擾小,植被覆蓋度逐漸提高,降低了風(fēng)蝕的影響,促進(jìn)細(xì)粒物質(zhì)沉積；經(jīng)過補(bǔ)植后的草地雖然放牧活動(dòng)減少,但是草原環(huán)境惡劣,植物生長速度較慢,由于彌補(bǔ)損耗使得土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

本研究中4種草地利用方式下的土壤都具有多重分形特征,D(q)-q曲線呈現(xiàn)反“S”型單調(diào)遞減,q<0時(shí)D(q)的下降趨勢比q>0顯著,說明D(q)在稀疏區(qū)域更為敏感,這與王德[13]研究結(jié)果相似。其中,q<0時(shí),放牧草地與其他草地利用方式相比其變化趨勢最小,波普最窄,說明放牧草地的土壤分形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較低；q>0時(shí),未干擾草地變化趨勢較小,說明其土壤質(zhì)地較均勻,這與本文單重分形結(jié)果一致。D0可以作為土壤質(zhì)地分類的維數(shù)[21],本研究表明,4種草地利用方式下D0變化不明顯,孫梅[12]研究中也得到了類似的結(jié)果表明4種草地利用方式并沒有改變土壤質(zhì)地組成。本研究表明,4種草地利用方式下D1、D1/D0和D2均遵循放牧草地<圍欄禁牧+補(bǔ)植草地<圍欄禁牧草地<未干擾草地這一規(guī)律,與圍欄禁牧+補(bǔ)植草地和放牧草地相比,圍欄禁牧顯著提高土壤粒徑集中程度,呈現(xiàn)不規(guī)律分布,異質(zhì)性較大,土壤逐漸細(xì)顆粒化。原因可能是圍欄禁牧后植被恢復(fù)、凋落物增加,提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量,有機(jī)質(zhì)利于土壤細(xì)顆粒的形成；青藏高原退化過程較為復(fù)雜,除了人為活動(dòng)的干擾還受自然環(huán)境的制約,同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)處理的年限限制,圍欄禁牧+補(bǔ)植草地植物凋落物長時(shí)間堆積,影響周轉(zhuǎn)效率,不利于草地土壤穩(wěn)定。

4.3 分形維數(shù)與土壤顆粒組成與理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤顆粒組成能夠影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力,對植被的生長也有一定的促進(jìn)作用[32]。本研究中,有機(jī)碳、全氮和全磷與粉粒呈顯著正相關(guān),羅雅曦[33]研究中也得到了相似的結(jié)果,一方面隨著植被演替的進(jìn)行,地上生物量逐漸增多,凋落物在微生物的作用下不斷分解,導(dǎo)致土壤碳、氮含量增加,另一方面,植被能有效減少土壤細(xì)顆粒的吹蝕,同時(shí)細(xì)顆粒具有粘結(jié)性,使得土壤中的碳、氮含量得到了保持。在荒漠化地帶,黏粉粒的粘結(jié)作用能夠促進(jìn)土壤-植被系統(tǒng)的良性循環(huán),這也說明土壤顆粒組成對有機(jī)碳的固持有至關(guān)重要的作用[34]。

土壤顆粒組成是影響分形維數(shù)的重要因素之一。已有研究表明,土壤顆粒組成與單重分形維數(shù)有顯著的相關(guān)關(guān)系[19—35],本研究發(fā)現(xiàn),單重分形維數(shù)D與黏粒體積含量呈極顯著正相關(guān),與粉粒呈顯著正相關(guān)(圖4)。魏茂宏[36]在高寒草甸退化土壤粒徑分布的研究中發(fā)現(xiàn),單重分形維數(shù)與黏粒百分含量呈顯著正相關(guān),說明單重分形受土壤細(xì)顆粒含量的影響,能夠表示土壤顆粒組成情況并且反映其變化特征,土壤顆粒越小,分形維數(shù)越高。以上表明利用單重分形維數(shù)描述高寒高原土壤的質(zhì)地變化具有一定的可行性,可以用其來表征荒漠土壤隨環(huán)境變化的趨勢,并且能夠作為土壤質(zhì)量演變的評價(jià)指標(biāo)。而王瑞東[37]通過對希拉穆仁草地的土壤分形維數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)單重分形維數(shù)的大小主要與土壤粉粒含量有關(guān),黏粒和砂粒含量對其影響較小。可能是由于研究區(qū)的環(huán)境和土壤的差異,同時(shí),在采樣過程中,取樣的隨機(jī)性也會對單重分形維數(shù)產(chǎn)生影響。

張毅[38]在研究黃河三角洲地區(qū)土壤顆粒的分形特征中發(fā)現(xiàn),單重分形維數(shù)D與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)；杜雅仙[39]的研究表明單重分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān),與全磷和全鉀含量關(guān)系不顯著,而本研究發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)D與土壤理化性質(zhì)顯著關(guān)系不明顯,這與單桂梅[40]的研究結(jié)果一致,表明土壤單重分形在表征土壤質(zhì)量上具有加強(qiáng)的空間特異性。相較于D值,D1、D1/D0和D2與土壤理化性質(zhì)具有較好的相關(guān)性,因此多重分形維數(shù)能更好的反映土壤質(zhì)量特征[41]。逐步回歸分析表明(表6),粉粒是不同草地利用方式下D、D1值變化的主控因素,這與白一茹[19]的研究相似,說明隨著粉粒含量增多,土壤顆粒分布呈現(xiàn)異質(zhì)性和不規(guī)律性。而孫梅[12]在研究紅壤多重分形特征中發(fā)現(xiàn),多重分形維數(shù)與粉粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能與研究區(qū)的土壤質(zhì)地有關(guān),該地為紅壤土,而本研究土壤以砂質(zhì)土為主,由于研究區(qū)質(zhì)地不同,導(dǎo)致多重分形維數(shù)也因此不同。在本研究中,多重分形維數(shù)(D1、D1/D0與D2)和土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)極顯著正相關(guān),孫哲[42]在高寒草甸退化的研究發(fā)現(xiàn),多重分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)[43],有機(jī)質(zhì)含量與D1,D2,和D1/D0的相關(guān)關(guān)系使得這些分形維數(shù)可能作為反映土壤質(zhì)量的潛在指標(biāo),說明多重分形維數(shù)可以為衡量土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量提供參考。

5 結(jié)論

單重和多重分形結(jié)果表明,禁牧促使土壤粒徑分布異質(zhì)性更大,顆粒分布更加集中,質(zhì)地更均勻,且提高了細(xì)顆粒含量,促進(jìn)砂粒向黏粒和粉粒轉(zhuǎn)變,改善了土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu),可以作為草地恢復(fù)的參考,但是與未干擾草地相比,還有一定差距。單重分形維數(shù)與黏粒、粉粒呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與沙粒呈負(fù)相關(guān)(P<0.01),可以用來反映土壤的物理性質(zhì),而多重分形維數(shù)與土壤有機(jī)碳、全磷、全氮表現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系,可以作為衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。