哈巴湖國家級自然保護區(qū)固沙林地土壤顆粒分形特征

何建龍,蔣 齊,吳旭東,王占軍,尤萬學(xué),楊立瑾

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏哈巴湖國家級自然保護區(qū)管理局，寧夏 鹽池 751500)

在區(qū)域氣候暖干化、過牧、樵采等綜合因素驅(qū)動下，干旱半干旱區(qū)出現(xiàn)不同程度的沙漠化，土壤氮(N)、磷(P)和鉀(K)等土壤養(yǎng)分受到侵蝕，土壤肥力下降，從而影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[1]。然而，土地沙漠化的核心問題仍然是土壤粗?；^程[2]，為此，土地沙化過程中土壤養(yǎng)分、質(zhì)地及相互關(guān)系是干旱半干旱風(fēng)沙區(qū)的重要研究內(nèi)容。沙漠化區(qū)域土壤質(zhì)地演進對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能和土地沙化程度具有重要的指示意義[3]。土壤粒徑分布(Particle size distribution，PSD)是土壤水力特性、土壤水分運動、污染物運移和土壤侵蝕的重要影響因素之一，同時可以表征植被生產(chǎn)力及生態(tài)恢復(fù)進程，是土壤基本物理特征之一[4-5]。描述土壤粒徑分布是理解和量化土壤結(jié)構(gòu)和動態(tài)的重要途徑。分形維數(shù)(Fractal dimension)是判斷土壤質(zhì)地的重要指標，能夠定量描述土壤粒徑分布的均勻性和土壤結(jié)構(gòu)的空間變異，可反映土壤水分曲線特征、土壤肥力、土壤侵蝕和土壤退化程度，也可以間接反映自然環(huán)境變化和人類活動對土壤理化性質(zhì)的影響，分形維數(shù)可作為評價土壤狀況的綜合指標[6]。激光衍射是一種用于測量土壤分形維數(shù)的技術(shù)，它是估算PSD的可靠方法，該方法允許量化和整合關(guān)于土壤測量的生物、化學(xué)和物理特征的信息[7]。因此，土壤分形維數(shù)為土壤質(zhì)量評價和退化土壤恢復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。

毛烏素沙地是受沙漠化影響最嚴重的地區(qū)之一，位于鄂爾多斯高原南部，占地面積約400萬hm2，是中國農(nóng)牧區(qū)的重要組成部分。毛烏素沙地的沙漠化主要表現(xiàn)在以前固定的沙丘轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍潭ê鸵苿由城?。植被覆蓋損失和隨后的沙漠化導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的退化[8-9]。為了恢復(fù)土壤肥力和改變沙地面積，已經(jīng)采用了許多手段和方法，例如引入機械沙障，生物土壤結(jié)皮和植樹造林。大量研究表明[10-13]，在旱區(qū)進行人工固沙造林，能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，局地生境逐步恢復(fù)，有效遏制沙漠化擴張。但退化生態(tài)系統(tǒng)全面恢復(fù)的根本是土壤生境的恢復(fù)，土壤質(zhì)地及其穩(wěn)定性是土地沙化的重要決定因子和指示器[12,14-15]，土壤質(zhì)地在土壤恢復(fù)中具有決定性作用，通過開展土壤質(zhì)地對植樹造林措施的響應(yīng)研究，有助于解析沙漠化土地恢復(fù)過程中土壤物理穩(wěn)定性的維持機制。

鑒于此，本文以寧夏鹽池縣哈巴湖國家級自然保護區(qū)固沙林地為研究對象，選取流動沙地(CK)、黑沙蒿林地、楊樹林地及沙柳林地4種典型的固沙造林地，采用樣方法對植物群落進行野外調(diào)查，采用土壤顆粒體積分形維數(shù)表征土壤質(zhì)地演變，結(jié)合土壤養(yǎng)分測定，揭示固沙林地土壤顆粒組成及分形維數(shù)特征對土壤養(yǎng)分的影響規(guī)律，旨在研究沙質(zhì)土地經(jīng)過人工造林后的土壤質(zhì)地演變及其穩(wěn)定性維持機制，這對揭示沙漠化土地逆轉(zhuǎn)過程中制定有效生物防沙措施具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣哈巴湖國家級自然保護區(qū)(106°53′～107°40′E，37°37′～38°03′N)，海拔1 300 m，總面積8.4萬hm2，屬荒漠-濕地生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)。保護區(qū)處于黃土高原向鄂爾多斯臺地過渡、半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡、草原區(qū)向荒漠過渡、農(nóng)區(qū)向牧區(qū)過渡的交錯地帶，典型灌叢、草原、荒漠草原、草甸、濕地等多種植被類型在此交匯。保護區(qū)內(nèi)大小濕地上百塊，主要濕地有哈巴湖濕地、四兒灘濕地、高沙窩濕地、二道湖濕地、駱駝井濕地等。該區(qū)域?qū)俚湫偷闹袦貛Т箨懶詺夂?，年均?.5℃，年均降水量低于300 mm，蒸發(fā)量大于2 700 mm，年均無霜期164 d，冬春風(fēng)沙活動強烈。土壤類型以易沙化的淡灰鈣土為主，土壤貧瘠、結(jié)構(gòu)疏松、易遭風(fēng)蝕。近年來保護區(qū)采取了機械沙障、生物土壤結(jié)皮和植樹造林等生態(tài)恢復(fù)措施。造林樹種主要以沙柳(Salixcheilophila)、楊樹(Populus)、檸條(CaraganaKorshinskii)、楊柴(Hedysarummongolicum)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)為主，伴生草本植物有沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、白草(Pennisetumflaccidum)、賴草(Leymussecalinus)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、米口袋(Gueldenstaedtiaverna)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地設(shè)置在保護區(qū)內(nèi)幾種典型的人工固沙林地，分別為沙柳固沙造林地(Salixcheilophilafixed sand，SF)，楊樹固沙造林地(Populussimoniifixed sand，PF)，黑沙蒿固沙造林地(Artemisiaordosicafixed sand，AF)，以流動沙丘(mobile sand dune，CK)為對照，開展不同階段固沙林地的土壤演變特征研究，各樣地基本情況見表1。每種類型樣地面積均在1 000 m2以上，各樣地地形與環(huán)境條件基本一致，每種類型樣地設(shè)6個重復(fù)樣區(qū)，面積10 m×10 m，間距100 m左右，調(diào)查固沙林高度、密度及冠幅。在每個重復(fù)樣區(qū)布設(shè)6個1 m×1 m 的調(diào)查樣方，用于調(diào)查樣地內(nèi)草本植物群落，調(diào)查樣方中各種類植物的密度、高度和蓋度。

2.2 土壤樣品采集

于2018年9月，在每個調(diào)查樣方內(nèi)按照“S 形”用環(huán)刀法采集0～10 cm原狀土樣5個，各樣方的重復(fù)土樣均勻混合，四分法取樣，所取土壤樣品剔除可見的植物殘體和石塊后風(fēng)干過2 mm 篩備用，混合土樣取500 g帶回實驗室進行相關(guān)指標測定。

2.3 分析方法

土壤有機質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定。

土壤顆粒體積分形維數(shù)：采用Mastersizer 3000激光衍射粒度分析儀自動測定土壤粒徑的體積百分比，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(US-AD)制土壤質(zhì)地分級標準劃分土壤質(zhì)地：極粗砂粒(1 000～2 000 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、中砂粒(250～500 μm)、細砂粒(100～250 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、粉粒 (2～50 μm)和黏粒(<2 μm)，以激光粒度分析儀所獲得粒徑體積數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)Tyler[16]對土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念及其計算公式推導(dǎo)，得到如下體積分形維數(shù)計算公式：

D=V(r

式中，r為土壤粒徑(mm)；V為粒徑小于R的全部土壤顆粒的總體積(%)；R為兩篩分粒級Ri與Ri+1間粒徑的平均值(mm)；VT為土壤顆粒的總體積(%)；λV為在數(shù)值上等于激光粒度分析儀所獲得的最大粒徑數(shù)RL(mm)；D為土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.0進行方差分析和LSD分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同固沙林地土壤顆粒分布及其分形維數(shù)

從表2可以看出，通過不同固沙林地0～10 cm土層土壤顆粒組成對比發(fā)現(xiàn)，固沙造林地土壤顆粒組成主要以50～250 μm的細沙粒為主，方差分析結(jié)果顯示，黑沙蒿固沙林地(AF)土壤黏粉粒組分體積百分比高于沙柳(SF)、楊樹固沙林地(PF)及流動沙丘(CK)，且在0.01水平上存在極顯著性差異，而50～250 μm細沙粒組分百分比極顯著小于其他樣地(P<0.01)，表明黑沙蒿固沙林地能有效提高土壤細顆粒物質(zhì)，改善土壤質(zhì)地，土質(zhì)由沙土逐漸向沙壤土轉(zhuǎn)變，土壤整體穩(wěn)定性顯著提高；同時，土壤被認為是一種具有分形特征的分散多孔介質(zhì)，土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù)，運用回歸分析法計算出了固沙林地土壤顆粒體積分形維數(shù)，結(jié)果顯示，不同處理下土壤顆粒分形維數(shù)變化范圍在0.96～2.62，表現(xiàn)為：AF>PF>CK>SF，且不同固沙樣地之間土壤顆粒分形維數(shù)差異極顯著(P<0.01)。

表1 樣地植被特征

表2 不同固沙樣地土壤顆粒分布及其分形維數(shù)

注：不同字母表示不同樣地間差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note: Different letters indicate extremely significant under different plot types (P<0.01); The same below.

3.2 固沙林地土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒組成回歸分析

通過線性回歸和相關(guān)分析描述分形維數(shù)與土壤黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、細砂粒(50～250 μm)和中砂粒(250～1 000 μm)體積百分比之間的關(guān)系(圖1)， 結(jié)果顯示土壤顆粒分形維數(shù)D值與土壤黏粒及粉粒組分百分比呈線性正相關(guān)(R2=0.98，P<0.01；R2=0.89，P<0.05)，D值與50～250 μm土壤細砂粒組分百分比呈線性負相關(guān)(R2=0.98，P<0.01)。通過回歸模型可以看出，土壤黏粒每增加1%，土壤顆粒分形維數(shù)增大0.07，土壤粉粒每增加1%，土壤顆粒分形維數(shù)增大0.11，土壤細砂粒每增加50%，土壤顆粒分形維數(shù)減小2.50，說明<50 μm粒徑物質(zhì)百分比的增加和>50 μm粒徑物質(zhì)百分比的降低共同決定了土壤顆粒分形維數(shù)的增大，50 μm粒徑物質(zhì)百分比是反映固沙林地土壤顆粒分形維數(shù)的臨界粒徑。結(jié)合表1可以看出，黑沙蒿固沙林地植被蓋度和黏粉粒組分百分比均高于其他樣地，與流動沙丘相比，黑沙蒿固沙林地表的植被狀況和土壤質(zhì)地均會發(fā)生演變，從而利于流沙上植物的定居與恢復(fù)。

3.3 固沙林地土壤養(yǎng)分特征

通過不同固沙林地土壤養(yǎng)分含量差異性分析可以看出(圖2)，人工林固沙措施對土壤養(yǎng)分作用明顯，土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為黑沙蒿固沙林地最高，沙柳固沙林地次之，楊樹固沙林地及流動沙丘最低，且黑沙蒿固沙林地及沙柳固沙林地與其他樣地呈極顯著差異性(P<0.01)；土壤全氮和全磷均表現(xiàn)為AF>PF>SF>CK，且在0.01水平上呈極顯著差異性。

圖1 分形維數(shù)D值與不同土壤粒徑體積百分數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between fractal dimension D value and different soil particle size and volume percentage

圖2 固沙林地土壤養(yǎng)分含量Fig.2 Soil nutrient content of sand-fixing forest land

3.4 固沙林地分形維數(shù)與土壤性質(zhì)間的關(guān)系

由表3可知，分形維數(shù)D值與土壤黏粒和粉粒體積百分比，以及有機質(zhì)、全氮和全磷含量在0.01水平均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；分形維數(shù)D值與細砂粒體積百分比呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。土壤黏粒體積百分比與有機質(zhì)、全氮和全磷含量在0.01水平呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，而土壤粉粒含量與有機質(zhì)、全氮在0.01水平呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，與全磷含量極顯著負相關(guān)，細砂粒含量與有機質(zhì)、全氮和全磷含量在0.01水平呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)性。通過線性回歸和相關(guān)分析描述分形維數(shù)與土壤有機質(zhì)、全氮和全磷之間的關(guān)系(圖3)，通過回歸模型可以看出，土壤顆粒分形維數(shù)D值每增加1，土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量分別增加2.80、0.13 g·kg-1和0.10 g·kg-1。以上分析表明，不同粒級土壤顆粒吸附土壤養(yǎng)分的能力存在差異，黏粒組分百分比含量越高，分形維數(shù)越大，吸附養(yǎng)分的表面積越大，養(yǎng)分積累更多。因此，分形維數(shù)可以作為表征人工林固沙后沙丘土壤質(zhì)地變化和沙丘土壤環(huán)境演變的敏感性指標。

4 結(jié) 論

1)位于干旱半干旱區(qū)的哈巴湖國家級自然保護區(qū)固沙林地土壤質(zhì)地主要以50～250 μm的細砂粒為主，黑沙蒿固沙林地土壤黏、粉粒組分極顯著高于其他樣地(P<0.01)，土壤顆粒分形維數(shù)表現(xiàn)為：AF(2.62)>PF(1.23)>CK(1.08)>SF(0.96)，各固沙林地間分形維數(shù)差異極顯著(P<0.01)，黏、粉粒含量越高，分形維數(shù)越大，土壤物理穩(wěn)定性越好。

表3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (both sides).

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系Fig.3 Relationship between fractal dimension of soil particles and soil physical and chemical properties

2)分形維數(shù)與土壤黏粒和粉粒體積百分含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與細砂粒體積百分含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。土壤質(zhì)地越粗分形維數(shù)越小，土壤質(zhì)地越細分形維數(shù)越大，土壤粒徑分布分形維數(shù)可以作為表征土壤結(jié)構(gòu)的重要指標。

3)分形維數(shù)與土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量在0.01水平極顯著正相關(guān)，與細砂粒體積百分比呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。土壤顆粒分形維數(shù)D值每增加1，土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量分別增加2.80、0.13 g·kg-1和0.10 g·kg-1。分形維數(shù)可以作為表征人工林固沙后沙丘土壤質(zhì)地變化和沙丘土壤環(huán)境演變的敏感性指標。

5 討 論

在干旱半干旱退化生態(tài)系統(tǒng)中，土壤性狀對土壤生境演變過程非常敏感[17],土壤生境的恢復(fù)是生態(tài)系統(tǒng)全面恢復(fù)的根本[18]。土壤粒徑分布分形維數(shù)在一定程度上可以表征土壤質(zhì)地的均一程度，可以作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標。哈巴湖國家級自然保護區(qū)黑沙蒿和沙柳固沙林地土壤顆粒體積分形維數(shù)較流動沙丘有顯著提高，另外黑沙蒿人工固沙林地植被蓋度最高，提高了地表覆蓋度和粗糙度，降低地表風(fēng)速、減少土壤風(fēng)蝕作用明顯加強[19-20]。 本研究區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地以細砂粒為主，土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒及粉粒體積分數(shù)呈線性正相關(guān)，與細砂粒體積分數(shù)呈線性負相關(guān)，這與管光玉[21]、唐光木等[22]的研究結(jié)論相似。另外，楊培嶺等[6]研究認為黏粒含量越高土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)就越大。土壤顆粒組成不僅影響土壤質(zhì)地，而且還進一步影響土壤的理化性質(zhì)，本研究研究表明，土壤分形維數(shù)及黏、粉粒含量均與土壤有機質(zhì)、全氮含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與葛楠楠等[23]的研究結(jié)果相吻合，由于黏粒和粉粒比表面積比較大，具有較強的表面吸附能力，更易于吸附土壤有機質(zhì)。地表植被的不斷生長繁衍，增加了土壤中碳、氮的含量，再加上覆蓋度較高的黑沙蒿林地大大減弱了地表風(fēng)蝕作用，從而緩解了地表土壤中較細顆粒土壤的風(fēng)蝕，土壤中有機碳、氮含量在很大程度上得到保護。另外，較小的黏粒、粉粒能與土壤中的有機養(yǎng)分黏結(jié)，并為其黏結(jié)作用提供良好的環(huán)境。