農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)不同土地利用類型土壤顆粒組成和有機(jī)質(zhì)特征

楊圃暢，蒙仲舉，黨曉宏，李浩年，張曉偉，李 新

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.毛烏素沙地生態(tài)發(fā)展有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300)

內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)是我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分[1]，也是生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，該區(qū)地處蒙古高壓的前緣地帶，風(fēng)力作用強(qiáng)烈，風(fēng)蝕沙化、水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。同時(shí)，加之頻繁的人類活動(dòng)，進(jìn)一步增加了土壤潛在可蝕性[3]，如農(nóng)田地不合理耕作、放牧極其不節(jié)制，造成大量土壤表層遭到嚴(yán)重的破壞、植被覆蓋度下降、土壤礫質(zhì)化嚴(yán)重、土地生產(chǎn)力驟減等一系列問題，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[4]。

土壤顆粒組成是土壤最基本的物理性質(zhì)，它影響著水力特性、肥力狀況和土壤侵蝕，不同粒級土壤含量構(gòu)成了不同的土地類型，從而影響土壤的物理、化學(xué)及其生物學(xué)特征。土壤顆粒也是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，關(guān)于土壤質(zhì)量的研究學(xué)者從許多方面進(jìn)行了報(bào)道，如劉暢等[5]通過土壤入滲特征、土壤化學(xué)性質(zhì)反映了黃土高原退耕還林后不同植被類型的土壤質(zhì)量；趙娜等[6]通過土壤微生物、生物量碳和氮等角度反映了華北底丘山地不同耕地年限刺槐人工林的土壤質(zhì)量；周瑤等[7]通過酶活性、微生物、土壤養(yǎng)分反映了不同生態(tài)恢復(fù)下寧夏黃土丘陵典型草原土壤質(zhì)量。有研究表明，土壤粒徑和有機(jī)質(zhì)含量也是反映土地質(zhì)量特征的重要指標(biāo)[8]。

截至目前，針對陰山北麓土地利用的研究國內(nèi)學(xué)者從不同角度進(jìn)行思考，并取得了大量的成果，但運(yùn)用分形理論對陰山北麓不同土地利用類型的土壤粒徑研究報(bào)道較少?；诖耍撗芯恳詢?nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)4種不同利用類型土地為研究對象，探討不同土地利用類型下土壤顆粒的機(jī)械組成、分形維數(shù)和土壤有機(jī)質(zhì)的特征關(guān)系，揭示陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)不同利用類型土壤質(zhì)量的演變規(guī)律，以期為該區(qū)不同類型土壤的保護(hù)及其利用提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況該研究區(qū)位于內(nèi)蒙古陰山北麓中段的武川縣，試驗(yàn)樣點(diǎn)選在武川縣東房子村，地理位置為40°47′～41°23′N、110°31′～111°53′E[9]。屬于典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3 ℃，無霜期為124 d左右，年降水量354 mm 左右。該區(qū)域?yàn)檗r(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型代表地區(qū)，主要以栗鈣土和棕鈣土為主，這類土壤具有多孔隙、沙性、土壤肥力低、有機(jī)質(zhì)含量少的特征，同時(shí)該地區(qū)降水稀少，氣候干燥，植被覆蓋低，所以該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較差，導(dǎo)致土壤退化嚴(yán)重[10]。

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集該試驗(yàn)于2020年4月進(jìn)行，經(jīng)實(shí)地調(diào)查以及結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選取該地區(qū)新開墾農(nóng)田、天然草地、旱作農(nóng)田、棄耕地4種均勻平整的樣地，據(jù)調(diào)查棄耕地的棄耕年限為2年，新開墾農(nóng)田開墾年限為1年。選取樣地中心位置，每個(gè)樣地取3個(gè)重復(fù)，取樣分別在4個(gè)樣地上用分層器分8層，每層深度為10 cm。將待測土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，用105 ℃溫度進(jìn)行烘干，24 h后將待測土樣拿出，用土壤篩篩去直徑大于3.50 mm的粗顆粒和植物根系等物質(zhì)。均勻取篩選后的土樣5 g置于50 mL盛有蒸餾水的小燒杯中，用移液槍加入濃度為10%的H2O2溶液10 mL，加熱后冷卻4～6 h；再將濃度為10%的HCl溶液10 mL置于小燒杯中進(jìn)行加熱，冷卻后將溶液中上層雜質(zhì)去除。之后采用英國Malvem公司生產(chǎn)的Mastersiaer 3000激光粒度儀測定土壤粒徑分布。依據(jù)美國制土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)[11]，將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細(xì)砂(>50～100 μm)、細(xì)砂(>100～250 μm)、中砂(>250～500 μm)、粗砂(>500～1 000 μm)和極粗砂(>1 000～2 000 μm)。

1.3 土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算參考楊培嶺等[12-14]土壤分形模型：

1.4 數(shù)據(jù)處理采用SPSS 26.0和Excel 2007軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用origin 2018對土壤顆粒分形維數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤顆粒含量的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用類型表層土壤顆粒分形特征通過對土壤顆粒的體積百分含量計(jì)算可知(表1)，4種不同類型的土地主要以粉粒(2～50 μm)和極細(xì)砂(>50～100 μm)為主，黏粒(<2 μm)的百分含量偏低。4種類型土地中，天然草地黏粒含量最高，為0.248%，其他3種類型土地的黏粒百分含量在0.183%～0.195%，含量相差較??；粉粒百分含量從高到低依次為天然草地>新開墾農(nóng)田>旱作農(nóng)田>棄耕地；極細(xì)砂百分含量最高的是旱作農(nóng)田，含量最低的是天然草地；此外棄耕地中細(xì)砂、中砂、粗砂、極粗砂含量均比其他3種類型土壤含量高。

表1 不同土地利用類型表層土壤顆粒的百分含量Table 1 The percentage content of surface soil particles in different land use types %

2.2 土壤分形維數(shù)的垂直分布特征應(yīng)用回歸分析法計(jì)算得到4種利用類型土地不同深度分形維數(shù)，從表2可以看出，不同土層深度對土壤的分形維數(shù)產(chǎn)生一定的影響，在0～80 cm土層深度，4種不同利用類型土壤分形維數(shù)以天然草地40～50 cm處有最大值，為2.336，以棄耕地60～70 cm處有最小值，為2.044。在垂直結(jié)構(gòu)上，土壤顆粒分形維數(shù)在土層深度0～50 cm整體上呈不同程度上升趨勢，變幅分別為新開墾農(nóng)田(0.070)、天然草地(0.083)、旱作農(nóng)田(0.126)、棄耕地(0.056)。在0～80 cm土壤平均分形維數(shù)依次表現(xiàn)為棄耕地(2.186)<新開墾農(nóng)田(2.230)<旱作農(nóng)田(2.257)<天然草地(2.290)。

表2 4種利用方式下不同深度土壤分形維數(shù)Table 2 Fractal dimension of soil at different depth under four utilization modes

2.3 分形維數(shù)與機(jī)械組成的關(guān)系由土壤分形維數(shù)的計(jì)算得出，土壤分形維數(shù)與土壤各粒級組分存在一定的相關(guān)關(guān)系。為探尋確定二者之間的關(guān)系，分別對土壤分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、極粗砂的百分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，得出7種土壤顆粒分形維數(shù)與顆粒百分含量之間的關(guān)系(圖1)。從圖1可以看出，黏粒、粉粒的百分含量與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，其中，分形維數(shù)與黏粒百分含量決定系數(shù)(R2)最大(0.930 7)，表明黏粒的百分含量與土壤分形維數(shù)的相關(guān)性最強(qiáng)；與粉粒百分含量相關(guān)性不強(qiáng)；而極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、極粗砂百分含量與分形維數(shù)無對數(shù)函數(shù)關(guān)系。說明黏粒和粉粒百分含量隨土壤顆粒分形維數(shù)增加而增大。

圖1 分形維數(shù)與土壤顆粒含量關(guān)系Fig.1 Relationship between fractal dimension and soil particle content

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)特征從4種不同利用類型土壤的有機(jī)質(zhì)含量和土層深度的關(guān)系(圖2)可以看出，在土層0～10 cm，4種不同利用土地類型的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最高，分別為新開農(nóng)田38.11 g/kg、天然草地38.17 g/kg、旱作農(nóng)田29.35 g/kg和棄耕地23.93 g/kg。棄耕地、天然草地、新開墾農(nóng)田3種不同利用土壤類型的有機(jī)質(zhì)含量均在20～30 cm處有機(jī)質(zhì)含量最低，分別為6.38、4.56、3.97 g/kg；而旱作農(nóng)田在60～70 cm處有機(jī)質(zhì)含量最低。4種類型土壤均在土層深度0～30 cm處有機(jī)質(zhì)含量驟減，而在土層深度30 cm之后有機(jī)質(zhì)含量隨深度的增加有小范圍的波動(dòng)。各土地類型土壤的分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量的線性擬合(圖3)表明，4種類型土壤的分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量均呈負(fù)相關(guān)，其中新開墾農(nóng)田的決定系數(shù)(R2)最大(0.879)，表明新開墾農(nóng)田分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性最強(qiáng)；而棄耕地的決定系數(shù)最小(0.010)，表明棄耕地分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性最弱。

圖2 4種不同利用類型土壤有機(jī)質(zhì)與深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil organic matter and depth of four different utilization types

3 討論

土壤顆粒的分形維數(shù)與土壤質(zhì)地、化學(xué)物理的分化作用、土地利用方式等都對土壤的結(jié)構(gòu)性狀和穩(wěn)定性具有一定影響[16-18]。通過土壤顆粒的百分含量與土壤分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析得出，該地區(qū)分形維數(shù)與黏粘、粉粒的百分含量均呈正相關(guān)，與其余粒級不相關(guān)。這表明分形維數(shù)隨黏粒和粉粒百分含量的增加而增大；這一研究結(jié)果與較多研究土壤分形維數(shù)與土壤顆粒百分含量關(guān)系的結(jié)果相符合[19-20]。根據(jù)土壤分形維數(shù)與粒級百分含量擬合得出，分形維數(shù)在4種不同利用類型土壤對數(shù)函數(shù)擬合分析方程的R2為0.379 6～0.930 7，表明分形維數(shù)擬合效果能反映土壤黏粒和粉粒的分布情況。

圖3 4種利用方式下土壤分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil fractal dimension and organic matter content under four utilization modes

4種不同利用類型的土地中，隨土層0～50 cm深度的增加分形維數(shù)存在不同程度的變化，但總體上分形維數(shù)呈上升趨勢，主要原因是土地利用方式大不相同，棄耕地由于土地利用時(shí)間較長或正處在恢復(fù)階段，經(jīng)自然人為因素的影響，土地粗顆粒逐漸增多，土壤表層0～10 cm粗顆?；^嚴(yán)重，所以分形維數(shù)較?。欢烊徊莸赜捎谥脖坏母采w，使得土壤表層細(xì)顆粒的物質(zhì)逐漸增加，分形維數(shù)較大。

一般來講，土壤顆粒分形維數(shù)越高，土壤結(jié)構(gòu)越緊實(shí)，土壤質(zhì)地細(xì)顆粒物質(zhì)越多，通透性越差；分形維數(shù)越低，則土壤結(jié)構(gòu)相對松散通透性好[21]。土壤有機(jī)質(zhì)也是土壤質(zhì)量評價(jià)的指標(biāo)之一，不僅能反映土壤的肥力狀況，而且是評價(jià)土地利用方式優(yōu)劣的主要參數(shù)[8]。該研究表明4種不同利用類型土壤表層0～10 cm處有機(jī)質(zhì)含量均達(dá)到最高，天然草地和新開墾農(nóng)田經(jīng)細(xì)粒物質(zhì)作用較大，土壤表層細(xì)顆粒較多，土壤中的細(xì)粒物質(zhì)有利于土壤有機(jī)質(zhì)的存留，使得表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，隨深度的增加有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢[22]，由于該地區(qū)鈣積層集中分布在20～30 cm處，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量較低。

4 結(jié)論

(1)該地區(qū)4種不同利用類型土壤表層主要顆粒含量是粉粒，其次是極細(xì)砂、細(xì)砂，黏粒含量偏低。0～80 cm土層中0～50 μm粒級顆粒含量與分形維數(shù)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，分形維數(shù)與土壤黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)百分含量呈正相關(guān)。

(2)4種不同利用類型的土地中，0～80 cm土壤平均分形維數(shù)由小到大依次為棄耕地(2.186)<新開墾農(nóng)田(2.230)<旱作農(nóng)田(2.275)<天然草地(2.290)?？傮w上，4種不同利用類型土壤的分形維數(shù)隨土層深度0～50 cm呈上升趨勢。

(3)4種土地利用類型中，天然草地土壤黏粒和粉粒含量較高，分形維數(shù)在各層均有最大值，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量也最高。