民勤白刺灌叢沙堆演替過程中土壤粒徑分形特征

馬劍平，王 飛,2*，郭樹江,3，紀永福,3，張瑩花，張裕年,2，張衛(wèi)星，宋達成

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省荒漠化與風沙災(zāi)害防治國家重點實驗室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300)

土壤是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)物質(zhì)，土壤粒徑分布是重要的土壤物理參數(shù)，能夠反映土壤風化成土、退化過程及侵蝕程度[1]，與土壤水分[2]、結(jié)構(gòu)[3-4]、肥力狀況[5-6]關(guān)系密切，進一步影響著土壤水分、養(yǎng)分截留與轉(zhuǎn)運、植被生產(chǎn)力和生態(tài)恢復(fù)過程[7-8]。土壤是由不同大小、形狀的固體顆粒物構(gòu)成的多孔介質(zhì)，具有分形特征[9]。B.B.Mandelbort et al[10]提出分形理論，隨著分形理論的發(fā)展，該理論在土壤學研究中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明[11-13]，分形維數(shù)能夠反映土壤物理性質(zhì)，海拔、植物群落、土壤pH、水分等因素與土壤粒徑分布有關(guān)。

灌叢沙堆的發(fā)育過程是植被與荒漠環(huán)境相互作用的過程[14]，是我國干旱荒漠區(qū)特有地貌類型，在民勤綠洲-荒漠過渡帶分布廣泛。白刺(Nitrariatangutorum)是超旱生植物，耐風沙、抗鹽堿，具有超強的適應(yīng)能力，由于其易分枝、耐沙埋、枝條沙埋后易著生不定根等諸多特性，因此常常形成大小不等的白刺灌叢沙堆。石羊河下游民勤綠洲外圍形成了我國干旱區(qū)獨具特色的以白刺灌叢沙堆與丘間地相間分布的景觀格局，對維護該區(qū)的生態(tài)平衡發(fā)揮著重要的作用。隨著白刺灌叢沙堆的演替發(fā)展，土壤結(jié)構(gòu)會有較大差異，但關(guān)于不同演替階段白刺灌叢沙堆土壤粒徑分布及其分形維數(shù)特征與土壤理化性質(zhì)的相互關(guān)系的研究較少。鑒于此，以民勤白刺灌叢沙堆為對象，利用野外調(diào)查與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，開展白刺灌叢沙堆演替過程中(發(fā)育階段、穩(wěn)定階段、衰退階段、嚴重衰退階段)土壤粒度組成、土壤分形維數(shù)、土壤理化性質(zhì)的研究，探析白刺灌叢沙堆演替過程中土壤粒徑分布及分形特征與土壤理化性質(zhì)的相互關(guān)系，以期為干旱荒漠區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)性提供理論和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)設(shè)在民勤綠洲-荒漠過渡帶，位于巴丹吉林沙漠東南緣(38°34′-39°38′N，102°53′-102°58′E)，屬于典型的干旱荒漠地區(qū)，海拔高度1 376～1 383 m。該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水量少，多年平均降水量115.2 mm，集中于7-9月；多年平均蒸發(fā)量2 419.6 mm，是降水量的21倍；多年平均氣溫為7.7 ℃；熱量資源充足，日照時間長，年平均日照時數(shù)達2 832.1 h；風大沙多，年平均風速2.5 m·s-1；土壤類型以風沙土為主；現(xiàn)有的植被主要包括天然和人工2種類型，主要的植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺、沙拐棗(Calligonummongolicum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、豬毛菜(Salsolacollina)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。

1.2 試驗設(shè)計與方法

選擇白刺灌叢沙堆集中分布地帶，根據(jù)野外實地調(diào)查和已有的劃分標準[15]，結(jié)合白刺灌叢沙堆形態(tài)、土壤及植被狀況，選擇4個不同演替階段白刺灌叢沙堆為研究對象，主要包括發(fā)育階段、穩(wěn)定階段、衰退階段、嚴重衰退階段，每個演替階段沙堆的大小、植被生長狀況、風積狀況相對一致，以減小試驗誤差，每個演替階段3次重復(fù)。對樣地內(nèi)白刺灌叢沙堆高度、長度以及植被、土壤狀況進行調(diào)查(表1)。

表1 白刺灌叢沙堆形態(tài)、植被及土壤特征

1.2.1 土壤樣品采集 于2019年夏季在不同演化階段白刺灌叢沙堆頂部的中心位置采集土樣，將土層共劃分為4個層次：0～10、10～20、20～40、40～60 cm，分別采集2份土壤樣品，一份用于土壤含水量測定；另一份裝入自封袋，帶回實驗室，測定土壤粒度及養(yǎng)分含量。

1.2.2 指標測定 采集的土壤在室內(nèi)自然風干后分成2部分：一部分用于土壤粒度測定；另一部分用于土壤理化性質(zhì)的測定。土壤粒度用馬爾文激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000測定，各粒級含量以體積百分含量表示。試驗結(jié)果以美國制土壤粒徑分級標準輸出：黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細砂(50～100 μm)、細砂(100～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)和極粗砂(1 000～2 000 μm)。分形維數(shù)采用土壤粒度體積含量數(shù)據(jù)進行計算，即獲取土壤粒度體積分形維數(shù)D[16]：

(1)

式中：r是粒徑；Ri表征粒徑劃分中第i級粒徑；V(r

共測定了6個土壤因子。具體測定方法如下：采用烘干法測定土壤含水量(%)；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[18]土壤有機質(zhì)含量(%)；采用半微量凱氏法測定[18]土壤全N含量(%)；采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定[18]土壤速效P含量(mg·100 g-1)；采用電導儀法測定[19]土壤電導率μS；采用電極法測定[19]土壤pH。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析與多重比較，回歸分析進行線性擬合，用Pearson法對各指標間的相關(guān)性進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 白刺灌叢沙堆演替過程中土壤粒度特征

由表2可知，民勤干旱荒漠區(qū)發(fā)育階段白刺灌叢沙堆土壤以細砂含量最高，為54.79%，其次為中砂，為19.30%；其他3種演替階段白刺灌叢沙堆土壤以細砂和極細砂為主，分別為46.71%～64.06%和17.70%～36.29%。經(jīng)方差分析，除極粗砂外，不同演替階段白刺灌叢沙堆土壤各粒級含量差異極顯著(P<0.01)。黏粒、粉粒、極細砂含量在0～60 cm土層衰退階段>嚴重衰退階段>穩(wěn)定階段>發(fā)育階段，發(fā)育階段黏粒、極細砂含量顯著(P<0.05)低于其他演替階段；細砂含量在0～60 cm土層穩(wěn)定階段>嚴重衰退階段>發(fā)育階段>衰退階段，差異極顯著(P<0.01)，其中穩(wěn)定階段細砂含量顯著(P<0.05)高于發(fā)育與衰退階段；中砂含量在0～60 cm土層發(fā)育階段>穩(wěn)定階段>衰退階段>嚴重衰退階段，發(fā)育階段中砂含量顯著(P<0.05)高于其他演替階段；粗砂含量在0～60 cm土層發(fā)育階段>衰退階段>嚴重衰退階段>穩(wěn)定階段，差異顯著(P<0.05)，其中發(fā)育階段粗砂含量顯著(P<0.05)高于嚴重衰退階段與穩(wěn)定階段；極粗砂含量在0～60 cm土層不同演替階段差異不顯著(P>0.05)。綜上所述，隨著白刺灌叢沙堆不斷演替發(fā)展，黏粒、粉粒、極細砂含量逐漸增多，到嚴重衰退階段降低；細砂含量從發(fā)育階段到穩(wěn)定階段呈升高趨勢，穩(wěn)定階段達到最大，隨后呈下降趨勢；中砂、粗砂、極粗砂含量整體呈降低趨勢，發(fā)育階段含量最高。

表2 白刺灌叢沙堆土壤粒度組成

發(fā)育階段、穩(wěn)定階段白刺灌叢沙堆土壤各粒級在不同土層之間差異不顯著(P>0.05)；衰退階段0～10 cm土層黏粒、極細砂含量顯著(P<0.05)高于40～60 cm土層，而40～60 cm土層中砂、粗砂含量顯著(P<0.05)高于0～10 cm土層；嚴重衰退階段0～10 cm土層黏粒、粉粒含量顯著(P<0.05)高于其他土層，而40～60 cm土層細砂含量顯著(P<0.05)高于0～40 cm土層。

4個演替階段土壤分形維數(shù)變化范圍為1.665～2.242，隨著白刺灌叢沙堆的演替，分形維數(shù)呈先升高后降低趨勢，衰退階段達到最大，發(fā)育階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤分形維數(shù)顯著(P<0.05)低于其他3個演替階段，其他3個演替階段差異不顯著(P>0.05)。同時，4個演替階段中表層0～10 cm分形維數(shù)高于其他土層。

2.2 土壤粒度分形維數(shù)與粒徑分布的關(guān)系

由表3可知，除細砂、粗砂、極粗砂以外，土壤分形維數(shù)與其他粒級顆粒百分含量間呈一定的線性關(guān)系。分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂、中砂的擬合程度均較好，決定系數(shù)介于0.573～0.783，且分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明土壤中細顆粒物質(zhì)越多，分形維數(shù)值越大；與中砂呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，即土壤中砂粒含量越高，分形維數(shù)值越小。

表3 分形維數(shù)與各參數(shù)間線性擬合關(guān)系

2.3 不同演替階段白刺灌叢沙堆土壤理化性質(zhì)

由表4可知，不同演替階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤含水量隨土層增加整體呈增加趨勢。經(jīng)方差分析，衰退階段白刺灌叢沙堆土壤含水量顯著(P<0.05)高于發(fā)育、嚴重衰退階段，與穩(wěn)定階段差異不顯著(P>0.05)。不同演替階段白刺灌叢沙堆土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷含量均表現(xiàn)出隨土層增加而降低的趨勢，其表層(0～10 cm)含量最大，表聚性明顯。經(jīng)方差分析，4個演替階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷含量差異顯著(P<0.05)，變化規(guī)律為衰退階段>嚴重衰退階段>穩(wěn)定階段>發(fā)育階段，其中衰退階段顯著(P<0.05)高于穩(wěn)定、發(fā)育階段，與嚴重衰退階段差異不顯著(P>0.05)，而穩(wěn)定與發(fā)育階段差異不顯著(P>0.05)。4個演替階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤電導率差異不顯著(P>0.05)，變化規(guī)律為衰退階段>嚴重衰退階段>穩(wěn)定階段>發(fā)育階段，其中衰退階段顯著(P<0.05)高于發(fā)育階段。4個演替階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤pH差異顯著(P<0.05)，變化規(guī)律與其他指標相反，發(fā)育階段顯著(P<0.05)高于衰退階段。4個演替階段白刺灌叢沙堆不同土層有機質(zhì)、速效磷、pH差異不顯著(P>0.05)；發(fā)育、穩(wěn)定、衰退階段白刺灌叢沙堆不同土層全氮含量、電導率差異不顯著(P>0.05)，而嚴重衰退階段表層(0～10 cm)顯著(P<0.05)高于其他土層。

表4 白刺灌叢沙堆土壤理化性質(zhì)

2.4 土壤理化性質(zhì)、土壤粒度組成及分形維數(shù)間的相關(guān)關(guān)系

由表5可知，黏粒、粉粒及極細砂含量與有機質(zhì)、全N、速效P含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且與含水量、電導率、pH值的相關(guān)性不顯著(P>0.05)；細砂含量與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與pH值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；中砂含量與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與速效P含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；粗砂含量與全N含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；極粗砂含量與各指標之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。分形維數(shù)與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與速效P含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。綜合分析表明，白刺灌叢沙堆土壤粒度的形成受到土壤有機質(zhì)、全N、速效P及pH的影響較大(P<0.05)。

表5 土壤理化性質(zhì)與土壤粒度組成、分形維數(shù)間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

民勤白刺灌叢發(fā)育階段沙堆土壤以細砂(54.79%)含量最高，其次為中砂(19.30%)；其他3種演替階段白刺灌叢沙堆土壤以細砂和極細砂為主，分別為46.71%～64.06%和17.70%～36.29%，隨著白刺灌叢沙堆的演替，土壤細顆粒呈先增加后降低的趨勢，衰退階段土壤黏粒、粉粒、極細砂含量最高。分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與中砂呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，表明黏粉粒、極細砂含量越多，土壤分形維數(shù)越高。土壤分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分之間存在顯著相關(guān)性，因此可以用分形維數(shù)來反映土壤質(zhì)地及肥力狀況。白刺灌叢沙堆充分發(fā)揮了防風固沙作用以及對土壤的保育功能，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力，為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供物質(zhì)保障。

3.2 討論

3.2.1 白刺灌叢沙堆演替過程中土壤粒度組成與分形維數(shù) 土壤顆粒組成受母質(zhì)特征及環(huán)境變化的影響[20]，在一定程度上決定土壤的基本性狀。民勤荒漠-綠洲過渡帶生態(tài)環(huán)境脆弱，近年來，由于土壤水分收支不平衡導致白刺沙堆退化[21]。本研究中，白刺灌叢沙堆在演替過程中，土壤粒度組成仍以細砂為主，除極粗砂外，不同演替階段白刺灌叢沙堆土壤各粒級含量差異極顯著(P<0.01)。其中從發(fā)育階段到穩(wěn)定階段粒度組成變化最大，除粉粒與極粗砂外，其他土壤各粒級含量存在顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為：白刺灌叢沙堆穩(wěn)定后，黏粒、極細砂、細砂含量增加，中砂與粗砂含量降低。到衰退階段，黏粒、粉粒、極細砂含量增加，細砂與中砂含量降低，但粗砂與極粗砂含量升高，與穩(wěn)定階段相比，黏粒、粉粒增加顯著，細砂顯著降低(P<0.05)。嚴重衰退階段，白刺灌叢沙堆活化，黏粒、粉粒、極細砂含量降低，砂粒含量增加。本研究中，白刺灌叢沙堆處衰退階段時，黏粒、粉粒含量相對較高，砂粒含量降低，主要是因為該階段處于白刺灌叢沙堆衰退初期，與穩(wěn)定階段相比，白刺存在一定的枯枝率，但是覆蓋度仍較高，以及沙堆表層結(jié)皮較厚、堅固，有效地減弱了風力對灌叢沙堆土壤黏粒、粉粒的吹蝕。從整個土層垂直剖面來看，發(fā)育、穩(wěn)定階段白刺灌叢沙堆土壤黏粒、粉粒含量表現(xiàn)為“高-低-高”，衰退階段與嚴重衰退階段表現(xiàn)為“高-低”。

土壤粒度分形維數(shù)能夠反映土壤顆粒分布及質(zhì)地的均勻程度[22-23]，一般來說土壤分形維數(shù)越大，土壤抗侵蝕能力越強[24]。本研究中，4個演替階段土壤分形維數(shù)變化范圍為1.665～2.242，發(fā)育階段白刺灌叢沙堆0～60 cm土壤分形維數(shù)顯著(P<0.05)低于其他3個演替階段，其他3個演替階段差異不顯著(P>0.05)，說明白刺灌叢沙堆對土壤分形維數(shù)的影響較大，發(fā)育階段白刺灌叢沙堆植被覆蓋度相對較低，風蝕嚴重，土壤黏粉粒被風蝕。結(jié)果表明，分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與中砂呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，表明土壤粒度分形維數(shù)較好地反映了白刺灌叢沙堆的顆粒粗細狀況，且分形維數(shù)隨著黏粒、粉粒與極細砂含量的增加而增大，隨著中砂含量的增加而減小。因此，土壤分形維數(shù)在一定程度上能夠反映土壤粒徑的分布狀況和土壤質(zhì)地的均勻程度，并作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標。

3.2.2 分形維數(shù)與土壤顆粒組成與理化性質(zhì)的關(guān)系 土壤顆粒組成影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)與植物的生長發(fā)育。土壤養(yǎng)分含量主要與土壤細顆粒含量有關(guān)，即土壤細顆粒物質(zhì)的含量更能夠反映土壤質(zhì)量水平[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，黏粒、粉粒及極細砂含量與有機質(zhì)、全N、速效P含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；細砂含量與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與pH值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；中砂含量與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與速效P含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；粗砂含量與全N含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；極粗砂含量與各指標之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。這表明，土壤黏粒、粉粒及極細砂含量與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果相一致[25]。本研究中，分形維數(shù)與有機質(zhì)、全N含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與速效P含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，同時分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細砂呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明土壤顆粒組成特征、分形維數(shù)和養(yǎng)分含量三者之間密切相關(guān)，土壤中細顆粒含量增多有利于土壤養(yǎng)分的積累，在一定程度上土壤分形維數(shù)可以作為土壤質(zhì)量演變的評價指標。土壤分形維數(shù)與含水量、pH間均無顯著相關(guān)性(P>0.05)，這與羅雅曦等[26]的研究結(jié)果相一致，說明土壤顆粒大小不是土壤含水量與pH值變化的主要影響因素。土壤分形維數(shù)與電導率無顯著相關(guān)性(P>0.05)，這與蔣嘉瑜[27]的研究結(jié)果一致，可能與研究區(qū)惡劣的自然環(huán)境狀況有關(guān)，使鹽堿程度受土壤顆粒組成影響比較小。