高寒草原不同退化階段土壤顆粒分形特征

柳妍妍，胡玉昆，公延明

（中國科學院 新疆生態與地理研究所 中國科學院 干旱區生物地理與生物資源重點實驗室，新疆 烏魯木齊830011）

土壤作為一種由不同顆粒組成，具有不規則形狀和自相似結構的多孔介質，是具有一定分形特征的系統［1］。近年來，分形維數在土壤研究中得到了廣泛應用，利用分形維數可以進一步揭示土壤的其他化學物理性狀以及其對生態環境的指示意義。Katz等［2］采用掃描電子顯微鏡檢查法和光學數據相結合方法對砂巖的研究表明很多砂巖的孔隙具有幾何分形特征；Arya等［3］和 Turcotte［4］分別研究了土壤顆粒的分形現象和分形維數的計算方法；Tyler等［5］和楊培嶺等［6］在前人的基礎上對分形維數的計算公式進行了修正，并提出了土壤顆粒粒徑分布的質量分形維數計算模型，該模型被廣泛應用于表征土壤顆粒的分形特征［1］，不同土地利用類型下土壤粒徑分形特性［7］及退化土壤結構分形特征的研究［8］等方面。但隨著激光衍射技術的發展，王國梁等［9］首次提出了土壤顆粒體積分形維數的概念，并通過多方面的研究證明了土壤體積分形維數的優越性。眾多研究表明，分形維數不僅能夠表征土壤粒徑大小，還能反映土壤質地的均一程度以及土壤的通透性，宮阿都等［8］也認為土壤粒徑分形維數可以作為退化土壤結構評價的一項綜合性定量指標。

巴音布魯克是我國第一大亞高山高寒草原，也是新疆開都河重要的水源涵養地，對全疆尤其是南疆的生態環境保護具有特殊的意義。由于過度放牧、開墾、濫挖、鼠害、毒害草入侵等原因，該地土壤養分降低，土壤質量下降，草地嚴重退化［10］，這引起了學者們的高度關注。有關巴音布魯克地上植被部分的研究已不少，但關于土壤顆粒分形維數的變化方面的研究不足，本文旨在通過對巴音布魯克高寒草原不同退化階段土壤團粒結構分形特征進行研究分析，探討分形維數與土壤理化性質及土壤退化之間的關系，以期為高寒草原恢復治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

巴音布魯克高寒草原位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣西北，天山南坡中段，地理坐標為北緯42°18′—43°34′，東經82°27′—86°17′，海拔在2 460～2 760m。該區氣候屬典型的高寒氣候類型，干旱，寒冷，多風，年均氣溫－4.8℃，年均降水量276.2mm，年蒸發量1 135.2mm±112.3mm，年日照2 541±75h，全年積雪日在150～180d，無絕對無霜期。土壤類型為高寒草原土，成土母質為黃土，表土干燥緊實。高寒草原有高等植物16科，26屬，36種，主要物種有羊茅（Festuca ovina）、紫花針茅（Stipapurpurea）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與取樣方法 2009年8月中旬，在中國科學院巴音布魯克草原生態研究站（海拔2 460m）附近取樣。土壤為亞高山草原土，成土母質為黃土，土層厚度50～150cm。按農業部于2003年頒布的《天然草地退化、沙化和鹽漬化分級標準》確定4個退化階段進行樣地設置，每個退化階段下設置5個面積為10m×10m的樣地，共計20個，用GPS測量每個樣地經度、緯度及海拔高度，樣地具體情況為未退化（CK）（42°53.820′N，83°42.830′E；海拔2 466m）、輕度（42°53.135′N，83°42.339′E；海拔2 470m）、中度（42°56.077′N，83°43.051′E；海拔2 520m）和重度（42°53.499′N，83°42.495′E；海拔2 465m）。

土壤樣品的采集采用5點混合法，按0—10，10—20，20—30cm共3個層面分別采集土壤樣品，采樣完畢后將同一塊樣地、同一層次的土壤混合并按四分法取部分土樣裝入封口袋帶回室內進行理化性質和土壤粒徑的分析，同時用環刀按同樣層次取樣用于土壤容重的測定。

1.2.2 土壤樣品測定方法 有機質采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法，全氮采用重鉻酸鉀—硫酸硝化法，全磷采用氫氧化鉀堿熔—鉬銻抗比色法，全鉀和速效鉀均采用火焰光度法，速效氮采用蒸餾法，速效磷采用碳酸氫鈉法。測定分析工作由中國科學院新疆生態與地理研究所土壤分析實驗室完成。土壤容重采用環刀法，土壤顆粒組成采用吸管法，根據美國制，將懸液分級吸取0.25～2，0.05～0.25，0.02～0.05，0.005～0.02，0.002～0.005和＜0.002mm，共計6個粒級范圍。

1.2.3 土壤分形維數的計算 土壤粒徑分布遵循自相似原理，由大于某一粒徑Ri（Ri＞Ri＋1，i＝1，2，3，…）的土粒構成的體積V（r＞Ri）可由下式計算［9］：

式中：Ri——特征尺度；Cv，λv——顆粒形狀、尺度的常數。當Ri＝0時，式（1）變為計算全部土壤顆粒總體積VT，即V（r＞Ri）＝VT＝Cv；當Ri＝Rmax（Rmax為最大粒徑）時，λv＝Rmax。因此有：

調整式（2）可得：

土壤粒徑體積分布的分形維數為V（r＜Ri）／VT和（Ri／Rmax）的對數線性回歸擬合方程的斜率（3－D）中的D。

1.2.4 土壤退化指數的計算 為定量描述土壤退化程度，本文引進Islam土壤退化指數［11］，具體公式如下［12］：

式中：DI——土壤退化指數；p1′，p2′，…，pn′——未退化草地土壤屬性1，屬性2，…屬性n的值；p1，p2，…，pn——其他不同程度退化草地土壤屬性1，屬性2，…屬性n的值；n——選擇的土壤屬性數。土壤退化指數可為正數也可為負數，負數表明土壤退化，正數表明土壤不僅沒有退化，而且質量有所提高。本文選擇的土壤屬性包括土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和容重。

1.2.5 數據分析 利用Excel和SPSS 13.0軟件對獲取的數據進行統計及相關分析，用SigmaPlot 10.0制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒分形維數及與不同粒徑土壤顆粒含量的關系

吳承禎等［13］認為土壤團粒結構粒徑分布的分形維數不僅能夠表征土壤團聚體粒徑大小的影響，而且還能反映質地均一性的程度、土壤通透性及抗蝕性以及土壤肥力。土壤顆粒分形維數越高，表征土壤結構越緊實，通透性較差，而分形維數越小，則土壤質地相對松散，通透性較好。應用土壤顆粒體積分布確定土壤顆粒大小分布分形維數（表1），各退化演替階段草原0—30cm土壤顆粒的分形維數在2.573～2.635。總體說來3個土層的分形維數，重度退化階段均大于其他退化階段，其值為2.620，2.631，2.635，表明高寒草原退化對土壤機械組成具有一定影響。植物類型由地面芽密叢型群落向地下芽根莖型群落演替使得土壤黏粒下沉，加上淋溶或灌溉等作用，上層土壤黏粒向下淋溶和懸移，造成土壤分形維數增大，土壤黏性增大，通水和透氣性變差，容重增大，有機質含量降低。

表1 不同土壤粒級分布及土壤顆粒的分形維數

土壤粒級之間，0.25～2mm粒級的顆粒組成體積百分含量最小，在0.973%～7.868%；以0.005～0.02mm粒級的顆粒組成體積百分含量最大，在26.732%～41.659%范圍內（表1）。砂粒（0.05～2mm）、粉粒（0.05～0.002mm）、黏粒（＜0.002mm）的體積及百分含量分別在11.829%～31.498%，62.871%～80.464%，5.630%～7.707%，可以看出土壤團聚體較多、通氣性、透水性較好。分析結果表明，土壤粒徑分布分形維數與砂粒含量呈極顯著負相關（p＝0.01），與粉粒含量呈顯著正相關（p＜0.05），與黏粒含量呈極顯著正相關（p＜0.000 1）。應用回歸分析得到土壤粒徑分布分形維數與砂粒、粉粒、黏粒含量之間的決定系數R2分別為0.499，0.409，0.873。分析土壤粒徑分布分形維數與黏粒含量之間的關系發現，土壤粒徑分布分形維數與黏粒含量呈強正相關關系（R2＝0.873，p＜0.000 1），該結果表明應用Tyler公式計算得到的土壤顆粒分布分形維數受土壤黏粒含量的影響較為顯著，黏粒的體積百分含量決定了土壤顆粒分形維數的大小，同時也受土壤最大粒徑級別的影響。由圖1可以看出，當砂粒含量一定時，土壤最小粒徑所占比例越大，分形維數則越大，這與大多數研究結果一致［13－14］，說明土壤顆粒分布分形維數在一定程度上可以表征土壤質地的均一程度。

2.2 土壤分形維數與土壤理化性質的關系

數據分析顯示（表2）土壤有機質除了在中度退化狀態下隨著土壤深度的增加表現為先降低后增大的趨勢外，在其余3種（CK、輕度和重度）狀態下均表現為降低趨勢，并且有機質含量在重度退化情況下減少較為明顯；在4種不同狀態下，土壤全N均隨土壤深度的增加而呈現出減小趨勢，但隨著退化程度的加深，全N含量逐漸減少；全P，全K變化趨勢不明顯，但在輕度退化時平均值最大；速效N和速效K含量最高值都出現在CK 0—10cm處，速效P則出現在輕度退化草地0—10cm處；土壤容重在CK和輕度退化階段隨土壤深度增加其值增加，但在中度退化階段容重最高值出現在0—10cm處，而在重度退化階段其最大值則出現在10—20cm處，隨著退化程度的加深，土壤容重增大，表明高寒草原退化對土壤理化性狀的改變具有明顯作用。相關分析表明（表3），分形維數與土壤有機質含量和全氮含量呈顯著負相關；容重與土壤分形維數呈顯著正相關。由此說明土壤顆粒分形維數可以作為反映土壤理化性質的特征之一，土壤分形維數越大，土壤理化性質越差，容重越大，土壤退化越嚴重，越不適宜植物的生長。

圖1 土壤粒徑分布分形維數與土壤顆粒含量之間的關系

表2 草地不同退化階段不同深度土壤理化性質變化

表3 土壤分形維數與土壤理化性質相關關系

2.3 土壤分形維數與土壤退化指數的關系

根據計算得出的退化草地土壤退化指數（圖2），草地輕度退化時，土壤理化性狀好于對照，土壤退化指數升高，呈現為正數，表明土壤質量有所提高。但隨著放牧程度的加劇，土壤退化指數急劇下降，到中度退化時，土壤退化指數呈現為負數，表明土壤質量下降。到重度退化時，土壤退化指數進一步下降，表明土壤質量進一步下降，土壤退化。這說明在輕度退化階段，土壤質量有所提升，這是由于放牧能夠多途徑地增加土壤微生物的生產力，提高硝化酶和反硝化酶活性以及硝化酶活性P反硝化酶活性比例，促進N素礦化、提高N的有效性，同時抑制N流失［15］，從而提升土壤質量。這與李以康等［16］對三江源區高寒草甸的土壤養分研究和蔡曉布等［17］在藏北退化高寒草原的研究結果一致。在土壤退化過程中土壤有機質和全N，P表現為先增加后降低的趨勢，但也有研究表明，隨退化程度加重，有機質含量降低，土壤全N則表現為先升高后降低［18］。這也反映出草地退化與土壤退化的不一致性，土壤退化滯后于草地退化。

圖2 草地不同退化程度土壤退化指數

對土壤分形維數和土壤退化指數進行相關分析，結果表明，二者呈現負相關關系（r＝－0.743），說明土壤分形維數越高，土壤退化指數越小，表明土壤退化越嚴重。

3 討論與結論

（1）大多數研究結果表明［13－14］，土壤分形維數越大，土壤中細顆粒物質含量越高。以往學者［12，15］提出分形維數能客觀表征土壤粒徑大小組成，為理想的土壤肥力測定指標。本研究分析結果表明，土壤粒徑分布分形維數與砂粒含量呈極顯著負相關（p＝0.01），與粉粒含量呈顯著正相關（p＜0.05），與黏粒含量呈極顯著正相關（p＜0.000 1），說明土壤顆粒分形維數在一定程度上能表征土壤的均一程度。隨著草地退化，黏粒含量增高，土壤顆粒分形維數逐漸增大，表明在草地退化現階段，雖然地表植被已經退化，但是土壤并未表現出沙質化現象，反映出草地退化與土壤退化的不一致性，土壤退化滯后于草地退化，同時也說明了土壤會隨著草地的退化而出現沙質化的發展趨勢。

（2）本研究結果表明，土壤顆粒分形維數與有機質含量具有顯著負相關關系，即分形維數越高，有機質含量越少。這與趙勇鋼等［14］對半干旱典型草原區封育草地的研究結論相近，而與田佳倩等［19］和徐冰等［20］研究結果相反，并且后者的研究區域都是沙質草地，在沙質草地退化過程中，土壤黏粒含量減少，沙粒含量增多，分形維數降低，土壤有機質含量降低。高寒草原放牧時牲畜踐踏會產生壓實效應，上層土壤被踏壓緊實，容易產生地表徑流［21］，有機質被雨水沖蝕，使土壤有機質含量降低。因此，不同的草地類型在退化過程中，土壤顆粒分形維數的表現也不同。宮阿都等［8］對金沙江干熱河谷退化土壤研究發現，對于同一土壤退化系列，分形維數越高，土壤退化越嚴重。本研究結果表明，土壤分形維數和土壤退化指數顯著負相關關系，土壤分形維數越高，土壤退化指數越小，退化越嚴重。

（3）本研究結果表明，草地在輕度放牧時，土壤理化性狀得到提升；中度放牧時，土壤有機質和全氮含量有所增加；而重度放牧時，土壤質量驟降，說明適度的放牧可以提高土壤質量，但不能超過閾值。因此，研究草地生態系統及其組分的特征、動態與相互作用機制，探索系統健康管理的途徑，還有待進一步加強。

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