干旱與半干旱荒漠草原區(qū)檸條灌叢土壤分形維數(shù)與理化性質(zhì)對比分析

蔣嘉瑜, 劉任濤, 張安寧

(寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021)

荒漠草原是介于沙漠與草原之間對環(huán)境有強(qiáng)烈反應(yīng)的敏感區(qū)，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(fā)生退化和沙漠化[1]。為促進(jìn)荒漠草原退化生態(tài)系統(tǒng)的有效恢復(fù)，我國開展了大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)[2]。其中，檸條(Caraganakorshinskii)作為最常見的造林樹種之一，其獨(dú)特的生理生態(tài)學(xué)特性，不僅對惡劣的生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，還為當(dāng)?shù)匦竽撂峁┝藘?yōu)質(zhì)的飼草資源，已成為人工林建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)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(jìn)地表植被和土壤性質(zhì)變化，以及水分格局的再分配，從而導(dǎo)致檸條灌叢呈現(xiàn)“肥島”效應(yīng)[4]，對荒漠草原區(qū)的水土保持、草地退化和沙化的治理具有重要生態(tài)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(huán)有重要作用。因此，研究干旱與半干旱荒漠草原區(qū)檸條灌叢土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)對比分析，對于退化草地生態(tài)系統(tǒng)有效恢復(fù)及響應(yīng)氣候變化均具有重要意義。

目前，干旱、半干旱區(qū)灌叢土壤理化性質(zhì)及分形特征的變化研究，一直是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。賈曉紅等[5]研究發(fā)現(xiàn)，騰格里沙漠沙冬青灌叢中土壤粒徑分形維數(shù)不僅能表征土壤顆粒大小組成，還能反映土壤質(zhì)地的均一程度和土壤結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性。代豫杰等[6]發(fā)現(xiàn)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(jìn)細(xì)粒物質(zhì)積累的作用。麥爾哈巴·尼加提等[7]研究了準(zhǔn)噶爾盆地東南緣荒漠的鹽生假木賊灌叢林地，發(fā)現(xiàn)灌叢下土壤的水分和養(yǎng)分均增加。Wezel等[8]發(fā)現(xiàn)，尼日爾Guiera灌木林地中的土壤養(yǎng)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(zhì)研究分析發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成、理化性質(zhì)之間存在相關(guān)關(guān)系。而不同干旱環(huán)境條件下，由于降水分布條件存在較大差異，結(jié)果將導(dǎo)致檸條灌叢內(nèi)外水分再分配格局、養(yǎng)分空間分布產(chǎn)生較大差異[10]。綜合分析表明，灌叢對土壤分形維數(shù)和土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響，土壤分形維數(shù)與理化性質(zhì)可作為評價(jià)土壤沙漠化演變的一項(xiàng)綜合性定量指標(biāo)。但是，關(guān)于干旱與半干旱荒漠草原區(qū)檸條灌叢分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)變化特征對比研究，報(bào)道較少。關(guān)于檸條灌叢微生境土壤分形維數(shù)及理化性質(zhì)分布對干旱環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律，尚不清楚。

鑒于此，本文以寧夏鹽池和內(nèi)蒙古烏拉特荒漠草原為研究區(qū)域，以檸條灌叢為研究對象，開展灌叢內(nèi)外微生境土壤分形特征和土壤理化性質(zhì)對比研究，旨在探討干旱與半干旱荒漠草原區(qū)灌叢微生境土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)分布特征及對干旱環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律，為該區(qū)域人工林建設(shè)、荒漠化防治及退化草地生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于半干旱區(qū)寧夏鹽池縣和干旱區(qū)內(nèi)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(fēng)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(nèi)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年9月，在鹽池和烏拉特荒漠草原封育試驗(yàn)研究樣地內(nèi)，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(nèi)外均布設(shè)調(diào)查樣點(diǎn)(為消除灌叢的干擾，灌叢外裸露地需遠(yuǎn)離灌叢10 m以上)。試驗(yàn)共布設(shè)48個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)(2地區(qū)×2微生境×12重復(fù))。

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(fēng)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(gè)調(diào)查樣點(diǎn)，利用五點(diǎn)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(jīng)自然風(fēng)干后，去除葉、莖、根系、石塊等雜物，并按照試驗(yàn)后期要求過篩，用于土壤電導(dǎo)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(dǎo)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(jì)和便攜式電導(dǎo)率儀(雷磁DDSJ-308F)進(jìn)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(jìn)行其粒徑體積百分含量的測定。本研究根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部的分類系統(tǒng)對土壤顆粒進(jìn)行分級(jí)：黏粒(<2 μm)，粉粒(2～50 μm)，極細(xì)砂粒(50～100 μm)，細(xì)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(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下:

(1)

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS Statistics 25統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用配對樣本t檢驗(yàn)分析不同荒漠草原類型、不同微生境間的差異，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤理化性質(zhì)與分形特征間的相關(guān)性。采用雙尾檢測，顯著水平為p=0.05。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤粒徑分布與分形維數(shù)

由圖2可知，鹽池和烏拉特荒漠草原檸條灌叢內(nèi)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(xì)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(shù)變化

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

同時(shí)，無論是灌叢還是裸地，土壤粉粒含量均表現(xiàn)為鹽池高于烏拉特，而土壤細(xì)砂粒均表現(xiàn)為烏拉特高于鹽池。土壤極細(xì)砂粒表現(xiàn)為在灌叢中烏拉特顯著高于鹽池，而在裸地中2個(gè)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(shù)、黏粒、粗砂粒以及極粗砂粒含量均表現(xiàn)為鹽池和烏拉特間無顯著差異(p>0.05)。

3.2 土壤理化性質(zhì)

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(xiàn)為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內(nèi)外則無顯著差異(p>0.05)。同時(shí)，灌叢和裸地微生境土壤含水量均表現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內(nèi)外微生境間則無顯著差異(p>0.05)。同時(shí)，灌叢土壤pH值表現(xiàn)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(xiàn)為裸地顯著高于灌叢(p<0.05)，而在烏拉特荒漠草原灌叢內(nèi)外則無顯著差異(p>0.05)。同時(shí)，灌叢和裸地微生境土壤全碳、碳氮比均表現(xiàn)為鹽池顯著高于烏拉特(p<0.05)。

3.3 土壤理化性質(zhì)、土壤粒徑分布及分形維數(shù)的相關(guān)性

圖4 干旱與半干旱荒漠草原區(qū)檸條灌叢土壤粒徑分形維數(shù)與土壤粒徑分布相關(guān)性

3.3.2 土壤粒徑分布、土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系 由表3可知，土壤黏粒含量與土壤全氮含量間呈正相關(guān)性(p<0.05)，而與土壤全碳間呈顯著正相關(guān)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(guān)性(p<0.01)。土壤極細(xì)砂粒含量僅與土壤全氮呈顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.01)。土壤細(xì)砂粒含量與土壤全碳、碳氮比及含水量間呈顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.01)。土壤中砂粒含量與土壤碳氮比、含水量間呈負(fù)相關(guān)性(p<0.05)，與土壤全碳間呈顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.01)。土壤粗砂粒和極粗砂粒含量與土壤性質(zhì)指標(biāo)間均無相關(guān)性(p>0.05)。土壤分形維數(shù)與土壤全氮、全碳含量呈正相關(guān)性(p<0.05)，而與土壤碳氮比、含水量、pH值以及電導(dǎo)率含量間均無相關(guān)性(p>0.05)。

表3 灌叢微生境土壤理化性質(zhì)與土壤粒徑、土壤分形維數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

4 討 論

4.1 干旱與半干旱荒漠草原區(qū)檸條灌叢對土壤粒徑組成與分形維數(shù)的影響

土壤粒徑分布是反映土壤結(jié)構(gòu)和土壤發(fā)育程度的指標(biāo)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(nèi)外土壤粒徑含量分布高峰范圍相近，且2個(gè)研究區(qū)土壤顆粒組成以極細(xì)砂粒為主，黏粒和粉粒次之(表2)。這主要是由于荒漠草原區(qū)環(huán)境條件惡劣，土地和植被退化，風(fēng)蝕作用導(dǎo)致土壤黏粉粒遷移損失，極細(xì)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(xiàn)為裸地顯著高于灌叢，但在鹽池荒漠草原土壤中砂粒表現(xiàn)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(xì)砂粒和細(xì)砂粒表現(xiàn)為灌叢下顯著高于裸地，這與灌叢“沃島”效應(yīng)[4]呈現(xiàn)的結(jié)果相悖。分析原因可能是研究區(qū)檸條灌叢發(fā)生老化而導(dǎo)致其局部攔截風(fēng)沙流的能力降低，導(dǎo)致風(fēng)蝕作用增強(qiáng)而使得灌叢下土壤黏粒減少而細(xì)砂粒和中砂粒增加[21-22]。同時(shí)，灌叢內(nèi)外微生境土壤粉粒含量均表現(xiàn)為鹽池高于烏拉特，而土壤細(xì)砂粒均表現(xiàn)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(fēng)，風(fēng)蝕與土壤堆積極不穩(wěn)定，導(dǎo)致土壤表層粉粒流失，細(xì)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(huì)影響土壤顆粒組成。

在鹽池荒漠草原，土壤分形維數(shù)表現(xiàn)為灌叢內(nèi)外無顯著差異，但在烏拉特荒漠草原，土壤分形維數(shù)則表現(xiàn)為灌叢下低于裸地，這與文星躍等[24]關(guān)于岷江上游河谷草本灌木植被下土壤分形維數(shù)變化的研究結(jié)果不一致。一方面說明在鹽池檸條灌叢對土壤分形維數(shù)的影響較小，土壤分形維數(shù)主要還是與土壤本身的物理基質(zhì)有關(guān)[25]。同時(shí)也說明較為干旱的烏拉特，降雨量偏少，風(fēng)蝕強(qiáng)度大，導(dǎo)致其細(xì)顆粒物質(zhì)減少，粗顆粒物質(zhì)增多，土壤結(jié)構(gòu)松散，故土壤分形維數(shù)降低[26]。無論灌叢內(nèi)外，鹽池與烏拉特荒漠草原土壤分形維數(shù)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(fēng)沙土為主，土壤母質(zhì)以風(fēng)積物為主(表1)，土壤質(zhì)地相對均一，而土壤分形維數(shù)主要與成土母質(zhì)特征和沉積環(huán)境有關(guān)[18]，從而導(dǎo)致鹽池和烏拉特荒漠草原土壤分形維數(shù)無顯著差異性。

本文的研究結(jié)果表明，荒漠草原土壤分形維數(shù)與土壤黏粒含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與土壤極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明土壤黏粒含量可以指示土壤分形維數(shù)的大小，這與羅清虎等[27]的研究結(jié)果一致。而土壤分形維數(shù)與粗砂粒、極粗砂粒間則無相關(guān)性。這與呂圣橋等[28]在黃河三角洲的研究結(jié)果相似，說明土壤分形維數(shù)并不是對所有土壤粒級(jí)的土壤顆粒含量變化都有明顯反應(yīng)。另外，烏拉特荒漠草原土壤分形維數(shù)與土壤粉粒呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與中砂粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？偠灾?，土壤顆粒組成的分形維數(shù)隨著土壤質(zhì)地變細(xì)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(qū)檸條灌叢對土壤理化性質(zhì)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(yīng)以及土壤中水分的運(yùn)移和分配均受到土壤結(jié)構(gòu)和功能的影響[29]。本研究，鹽池荒漠草原的土壤含水量表現(xiàn)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(fā)達(dá)的多層側(cè)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(fā)生強(qiáng)烈的相互作用而形成大孔隙，降雨過程中，水分到達(dá)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(qū)蒸騰作用強(qiáng)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(nèi)外水分異質(zhì)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(fēng)沙較大，土壤表層風(fēng)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(dǎo)致灌叢內(nèi)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(guān)，這與索立柱等[32]在黃土高原的研究結(jié)果一致。

本文的研究結(jié)果顯示土壤電導(dǎo)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(gè)研究區(qū)的土壤母質(zhì)和土壤類型(風(fēng)沙土)相似有關(guān)；另一方面，是由于研究區(qū)風(fēng)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(dāng)?shù)赝寥离妼?dǎo)率變化不大[33]。進(jìn)而說明降水分布和灌叢微生境對于土壤電導(dǎo)率影響微弱，但具體原因還需進(jìn)一步研究。

土壤酸堿度是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一。本研究結(jié)果顯示，在鹽池荒漠草原，土壤pH值表現(xiàn)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(jī)酸的分泌間的相互作用，導(dǎo)致土壤pH值降低，這與牛西午等[34]的研究結(jié)果相似。通過比較干旱與半干旱荒漠草原區(qū)內(nèi)同種微生境的土壤pH值，發(fā)現(xiàn)裸地土壤pH值在兩地間無顯著差異，這是由于研究區(qū)降水量小，蒸發(fā)量大，土壤淋溶作用弱，土壤呈弱堿性，且荒漠草原生物化學(xué)循環(huán)緩慢，短期內(nèi)降水對土壤pH值影響較小[25]。而灌叢下土壤pH值則表現(xiàn)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(xì)根分布較多，根系有機(jī)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(tái)地區(qū)對不同林齡的樟子松林土壤的相關(guān)研究結(jié)果相似。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要基礎(chǔ)，而由于灌叢的生長發(fā)育、灌叢下枯落物的積累以及土壤顆粒組成變化，可能導(dǎo)致土壤全氮和全碳含量的變化[36]。本研究結(jié)果顯示在鹽池荒漠草原，土壤全碳含量表現(xiàn)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(yǎng)分元素更多，土壤中的養(yǎng)分為滿足其生長需要，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分資源庫的枯竭，這與牛西午等[34]認(rèn)為檸條在達(dá)到一定樹齡后，會(huì)出現(xiàn)灌叢土壤部分營養(yǎng)元素的虧損的研究結(jié)果相一致。在烏拉特荒漠草原，土壤全碳含量在灌叢內(nèi)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(chǔ)量含量低，碳循環(huán)較慢，處于灌叢內(nèi)外的碳素平衡，在一定時(shí)間內(nèi)很難受到降水分布與微生境變化的影響[37]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，灌叢和裸地土壤全碳含量均表現(xiàn)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(zhì)量影響的結(jié)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(dǎo)致有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分元素在土壤表層積累。本研究結(jié)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(zhì)的研究結(jié)果不一致，其原因是由于土壤母質(zhì)與土壤的緩沖性能，導(dǎo)致土壤氮素含量在短期內(nèi)很難改變，使研究區(qū)土壤處于氮素循環(huán)平衡的狀態(tài)[38]。土壤碳氮比與土壤全碳變化規(guī)律一致，是反映土壤質(zhì)量程度和有機(jī)質(zhì)組成的重要指標(biāo)，也反映了土壤碳與氮的平衡關(guān)系[38]。

本研究通過對土壤理化性質(zhì)和土壤粒徑分布、土壤分形維數(shù)之間的相關(guān)性綜合分析發(fā)現(xiàn)，土壤黏粉粒含量與土壤養(yǎng)分含量間呈正相關(guān)關(guān)系，而土壤砂粒含量(50～500 μm)與土壤養(yǎng)分間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。桑巴葉等[39]的研究表明土壤養(yǎng)分含量主要與土壤細(xì)顆粒含量有關(guān)，且土壤粉粒是與有機(jī)質(zhì)膠結(jié)的主要無機(jī)膠體，對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著至關(guān)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(guān)系，即土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的含量更能反映土壤質(zhì)量水平。另外，土壤粉粒與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而細(xì)砂粒、中砂粒與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與倉木拉等[19]的研究結(jié)果相似。也進(jìn)一步說明土壤細(xì)顆粒物質(zhì)越多，對土壤的保水能力越強(qiáng)。因此，土壤含水量與土壤結(jié)構(gòu)及土壤粒徑分布有著極為密切的聯(lián)系。土壤粒徑各粒級(jí)間與土壤pH值均無相關(guān)性，主要原因是由于2個(gè)研究區(qū)的非地帶性土壤均為風(fēng)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(shù)僅與土壤全碳、土壤全氮呈正相關(guān)性。并且，土壤黏粉粒含量與土壤分形維數(shù)呈正相關(guān)(表3)，土壤中細(xì)顆粒含量增多有利于土壤養(yǎng)分的積累，說明在一定程度上，土壤分形維數(shù)可以作為評價(jià)土壤肥力水平的定量指標(biāo)。但土壤分形維數(shù)與含水量、pH值間均無相關(guān)性，這與羅雅曦等[25]的研究結(jié)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(shù)與電導(dǎo)率含量無相關(guān)性，這與杜雅仙[18]和呂圣橋[28]等的結(jié)果不一致。分析原因可能與研究區(qū)的自然狀況和惡劣的區(qū)域環(huán)境相關(guān)，使鹽堿程度受土壤顆粒組成影響不大。

5 結(jié) 論

(1) 半干旱區(qū)更有利于灌叢和裸地土壤細(xì)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(xì)砂粒、細(xì)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(shù)及理化性質(zhì)具有調(diào)控作用。

(2) 土壤分形維數(shù)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(jí)有明顯反應(yīng)，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(yīng)不明顯。

(3) 研究表明，不同干旱環(huán)境條件下，由于降水分布條件存在較大差異，結(jié)果將導(dǎo)致檸條灌叢內(nèi)外水分再分配格局、養(yǎng)分空間分布產(chǎn)生較大差異。