不同坡位對荒漠草原檸條灌木林地土壤組成分形維數的影響

張久飛，郭月峰，孫世賢，祁 偉，滕俊濤，張鵬浩

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

荒漠草地是所有草地類型中荒漠化較為嚴重的一類,是草地和沙漠的交接區,生態環境脆弱,加之自然以及人為因素導致土地不斷退化。為恢復生態環境,防治草原沙化,研究區在原坡耕地上大面積種植檸條(Caraganamicrophylla)純林,取得了較好的生態恢復效果,栽植檸條已經成為當地植被建設的主要措施。土地的機器組織是產生土壤結構體的基礎單位[1],土地機器組織取決于土地保肥儲水特性,而且直接影響關系土地緊密程度、空隙總量,進而直接影響土壤通氣、透水等特性,是評判土地基礎特性和生成環境條件的一項指標[2]。土是一類由不同粒子所構造、帶有不規則形態和自相似構造的多孔介質,并帶有特定的分形特性[3]。利用不同分形模式測定土地粒度、團結體和空隙度的分形維數來表現土層質量和構造成分及其均衡程度,用作定性表示土地結構特點的方法[4～9]。實驗結果表明,土地粒徑分布的分形維數,不但能夠表示土地顆粒質量,而且還能夠表現土壤質地的均勻性和對土層的滲透性[5];分形維數與土地水穩性團聚體數量有明確的相對聯系,能夠反映土地的肥力情況[6];土質的分形維數也被用于建模和預報土壤濕度特性[7];胡云鋒等研究了風蝕區土質的分形維數對土地利用改變的效應,指出分形維數可用作土壤退化的重要技術指標[8]土質粒度是土質結構變遷產生的重要物質基礎,各種粒徑改變將形成不同的土壤質地形式,進而改變土的物理性質、化工和生物學性質過程[10]。分形理論已成為當代新興的學術思想。土壤由不同粒級土粒組成，各粒級的含量差異很大[11]。土壤是由水分、空氣,以及粒度不同的各種物料所構成的帶有不規則形態和自相似性的多孔介質,其構造特性存在著統計學上的自相似性,有分維特性[12]。土地的顆粒分形維數成了對土層質量一致性、透明度、抗蝕性和土壤肥力等診斷標準的一項綜合量化指標[5]。近年來,人們利用分形理論和各類分形模式測定土團粒、微團粒數量和空隙量的分形維數,以表示對土顆粒的大小組成、土壤質地、形狀、構造、過程、均勻程度、土壤含水量特性、土壤溶質遷移速度和侵蝕程度等方面的研究并在一定程度上將其特征定量化,是描述土壤結構特性的新方法。為此,該文以量化地表示土壤顆粒尺寸的分形維數為主要手段,并利用現有的土壤分形模式對不同坡位條件下土壤的分形特性展開調查研究。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區包頭市達茂旗烏克忽洞鎮(110°59′E，41°46′N)，屬于高原中部地帶，地勢南高北低，整體起伏不大，平均海拔 1367 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區，太陽輻射強烈，日照豐富。年平均氣溫 4.4 ℃，年均降水量 261.7 mm，年均風速 4.2 m/s，主導風向為西北風，年均日照時數 3043.3 h，10 ℃以上積溫為 3043.3 ℃。地帶性土壤以栗鈣土、棕鈣土為主，非地帶性土類型有草甸土、潮土、石質圖、巖土；土壤質地多 為沙壤、輕壤，并有不同程度礫質化。研究區主要植被為檸條、紅砂(Reaumuriasongarica)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、羊草(Leymuschinensis)、針茅(Stipacapillata)、草木樨(Melilotusofficinalis)等。

2.2 土壤樣品的采集與處理

確認樣地后樣品采集分為(坡上帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡中帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡下帶寬1.5 m、2.5 m、3 m)取樣,在檸條灌木林坡上1.5 m帶寬處取一點為(上1)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深 1 m長 1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm 劃分5層，每層土壤取5個重復，共計25份土樣。同樣在檸條灌木林坡上帶寬2.5m處取一點為(上2)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深1 m、長1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm劃分5層，每層土壤取5個重復，共計25份土樣。同樣在檸條灌木林坡上帶寬3m處取一點為(上3)點，去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深 1 m長 1.5 m、寬1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm ，分為五層取樣，共計土樣25份，坡上3個點共計土樣75份。坡中與坡下的取樣與坡上完全一致，坡中分為(中1、中2、中3)、坡下分為(下1、下2 、下3)。坡上、坡中、坡下3點每點各75份土樣，共計225份土樣。將取完的土樣帶回實驗室經晾曬、去除植物根系等雜質后，將土樣過2 mm篩。最后采用英國 Malvern公司生產的 Mastersizer3000 激光衍射粒度分析儀測定土壤粒度，該粒度分析儀測量范圍為 0.01～3500 μm，重復測量誤差小于1% 。最后的測試結果以美國制粒徑分級標準輸出2～1、1～0.5、0.5～0.25、0．25～0.1、0.1～0.05、0.05～0.002、<0.002 mm。

2.3 分形模型

泰勒等提出的用土壤粒徑、土壤顆粒質量分布為因子的 關系式(1)[13，14]，可以更為直觀地反映土壤粒徑分布分形維數，這種方法用土壤顆粒的質量分布直接計算粒徑分布的分形維數來表征土粒直徑和質地組成的均勻程度。與傳統的用土壤粒徑的數量分布來描述土壤的分形特征的方法相比，該方法只須通過土壤顆粒的機械組成分析，便可方便地確定相應的分形維數。

(1)

式(1)中:D代表土壤顆粒分形維數;mi代表粒徑小于di的顆粒 累積質量;m0代表土壤各粒徑顆粒質量之和;di代表兩篩分粒徑di與di+ 1間的粒徑平均值;dmax代表最大粒徑土粒的平均直徑。

2.4 數據分析

數據分析采用 Microsoft Excel 2016 分析、DPS9.01 軟件處理以及Origin2018 作圖。

3 結果與分析

3.1 土壤機械組成

由圖1可知，不同坡位下1.5m帶寬的土壤隨土層深度增加土壤機械組成發生變化。黏粒含量,上1>中1>下1，粉粒含量,下1>中1>上1,沙粒含量,上1>中1>下1。3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

注：不同大寫字母表示同一土層深度不同坡位之間差異顯著， 不同小寫字母表示同一坡位不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，下同。圖1 不同坡位下帶寬1.5 m的土壤機械組成

此外，根據方差分析表明，黏粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土層、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著行差異,坡中1.5 m，無顯著性差異,坡下1.5 m中0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分別于坡下0～20 cm土層存在顯著性差異。坡上、坡中、20～40 cm分別于坡下20～40 cm土層存在顯著性差異。坡上40～60 cm、坡中40～60 cm、坡下40～60 cm土層之間均存在顯著性差異。坡上60～80 cm分別對坡中、坡下60～80 cm土層存在顯著性差異。坡上80～100 cm分別對坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土層存在顯著性差異。

在粉粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土層，分別與60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著行差異,坡中1.5 m，0～20 cm分別對60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著性差異,坡下1.5 m中0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下相同圖層之間均存在顯著性差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上1.5 m，0～20 cm、0～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層之間均存在顯著行差異。坡中1.5 m，0～20 cm與60～80 cm、80～100 cm土層存在顯著性差異。坡下1.5 m，0～20 cm與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層之間均存在顯著差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土層之間均存在顯著性由圖2可知，3種不同坡位2.5 m帶寬下的土壤隨土層深度增加土壤機械組成產生變化。黏粒含量,上2>中2>下2，粉粒含量,下2>中2>上2,沙粒含量,上1、2>中2>下2，3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

圖2 不同坡位下帶寬2.5 m的土壤機械組成

除此之外，根據方差分析表明黏粒含量在同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層分別與60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著行差異,坡中2.5 m中，0～20 cm20～40 cm與80～100 cm土層存在顯著性差異,坡下2.5 m中0～20 cm與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層均存在顯著性差異,同土層不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分別于坡下0～20 cm土層存在顯著性差異。坡上、坡中20～40 cm分別于坡下20～40 cm土層存在顯著性差異。坡中40～60 cm與坡下40～60 cm土層存在顯著性差異。坡上60～80 cm分別于坡中、坡下60～80 cm土層存在顯著性差異。坡上80～100 cm、坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土層，之間均存在顯著性差異。

粉粒粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中2.5 m，0～20 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著性差異。坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上、坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中2.5 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著性差異。

由圖3可知，3種不同坡位3 m帶寬下的土壤隨土層深度增加土壤機械組成產生變化。黏粒含量：上3>中3>下3，粉粒含量：下3>中3>上3,沙粒含量：上3>中3>下3，3種坡位帶寬下的土壤機械組成均為沙粒>粉粒>黏粒。

圖3 不同坡位下帶寬3 m的土壤機械組成

除此之外，根據方差分析表明在黏粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡中3 m，60～80 cm、土層分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異,坡下3 m，60～80 cm、土層分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中20～40 cm、40～60 cm對坡下20～40 cm、40～60 cm存在顯著性差異。其他3個土層之間均存在顯著性差異。

粉粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm、分別與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在顯著行差異,坡下3m各土層之間均存在顯著性差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下同土層之間均存在顯著性差異。

沙粒含量中同一坡位不同土層的顯著性差異如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間均存在顯著行差異。坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm與40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之間存在顯著性差異。坡下1.5 m，各土層之間均存在顯著差異。同土層不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土層之間均存在顯著性差異。

3.2 分形維數分析

應用土壤分形維數計算公式得到不同坡位下相同帶寬的土壤各土層的分形維數，結果如表2～4所示。

由表2～表4可知，土壤隨土層深度增加分形維數均表現出增加的趨勢，這與達茂旗當地的氣候條件有著密切的聯系，由于表層土壤受風蝕、水蝕最為頻繁，土壤作為一種多孔介質，表現出明顯的分形特征。其粒徑分布分形維數反映土粒對空間的充能力[15]。理論上，沒有任何固相填充的孔隙空間的分形維數為2，沒有任何孔隙巖石的分形維數等于3[16]。劉云鵬等研究得到，結構良好的土壤粒徑分布分形維數應在2.750左右，土壤粒徑分布分形維數可以作為土壤結構評價的一個指標，土壤質地越粗，越不易形成良好的結構，分形維數也較小，土壤質地越細，因包含的小土粒越多，形成的微小孔隙也越多，結構也更復雜，分形維數就越高[17]。

表1 不同坡位相同帶寬1.5 m的土壤粒徑分形維數

表2 不同坡位相同帶寬2.5 m的土壤粒徑分形維數

表3 不同坡位相同帶寬3m的土壤粒徑分形維數

4 討論

土壤顆粒組成受母質特征以及環境變化的影響[18]，在一定程度上可以決定土壤的基本性狀。 土壤顆粒分布特性是反映土壤物理性質特征的最主要的因子之一,它不但與土壤結構、成土狀態等有關,同時還對土壤侵蝕、土壤物質流動、以及土壤肥力狀態等也有著明顯的影響作用,土壤顆粒分形量綱不但能夠精確的描述土壤粒徑結構與組成,而且還能夠表現土壤質量的均一性,是衡量土壤質地特征的最主要尺度之一,但隨著砂子濃度的增加,其土壤顆粒分形量綱呈下降的態勢,因砂子濃度過高將引起土壤防雨作用減弱;隨著黏粒濃度的增加,土壤粒徑分形維值會呈上升的態勢,但黏粒濃度過高將造成土壤通透性能的降低[19]。所以,單憑某一粒級土的質量不能表示土壤結構情況。土是一類多孔介質,其粒徑分布分形維數可以表征土粒對空氣的充能性[14],表現了土質的結構特點,對土質的通氣透水性、保水保肥能力[20]及抗蝕能力[4～9]等方面都有著重大的借鑒價值,對水土保持林的形成與發展有著很大的指導意義。

5 結論

不同坡位相同帶寬下的土壤在不同土層其機械組成大體相似，但各粒級間的含量隨深度的變化有一定的變化。坡上的黏粒含量高于坡中、坡下，粉粒含量坡下高于坡中、坡上，沙粒含量坡上高于坡中、坡下。在 0～100 cm 土層中，土壤的機械組成中各成分的含量均為沙粒>粉粒>黏粒，其中黏粒和粉粒的含量隨土層深度的增加均呈增加的趨勢，沙粒的含量隨土層深度的增加呈減少的趨勢。同一土層土壤的黏粒、粉粒和沙粒的含量也不同。在 0～100 cm 土層中，黏粒和沙粒的含量均為坡上>坡中>坡下 ，粉粒的含量為坡下>坡中>坡上。

同一土層深度不同坡位之間存在顯著性差異， 同一坡位不同土層深度間也存在著顯著性差異。

3種坡位在相同帶寬下土壤粒徑分形維數均為坡下>坡中>坡上，因此可以看出坡下的土壤結構狀況相對于坡中、坡上的土壤結構較好，坡中的土壤結構狀況相對于坡上的土壤結構較好一點，坡上的土壤結構較差一點，由于坡度不同，坡上的大量水分與養分會向坡中、坡下流動，所以坡上的土壤結構狀況較坡中坡下差一些。