黃土丘陵區紅豆草和苜蓿植物籬對土壤顆粒組成的影響

姚志杰, 張社朝, 陳云明

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省防護林建設工作站,西安 710082; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵區紅豆草和苜蓿植物籬對土壤顆粒組成的影響

姚志杰1, 張社朝2, 陳云明3

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省防護林建設工作站,西安 710082; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

以苜蓿、紅豆草兩種植物籬為研究對象，對黃土丘陵溝壑區坡耕地布設植物籬后不同坡位土壤顆粒含量的變化、土壤分形維數進行研究，分析了植物籬對土壤顆粒組成的影響。結果表明：(1) 同坡面相比，中坡及下坡土壤極細沙粒與粗粉粒含量增加，細粉粒與黏粒含量減少，出現相對于上坡的土壤機械組成粗化現象，且下坡粗化程度大于中坡；(2) 相對于對照坡面，植物籬坡面各坡位粗化現象均得到緩解，紅豆草對土壤顆粒的影響在上坡表現明顯，苜蓿的影響在下坡表現明顯；(3) 坡面土壤分形維數呈現上部>中部>下部，苜蓿>紅豆草>對照樣地；(4) 土壤顆粒與土壤分形維數的相關性分析顯示，土壤分形維數與極細沙粒、粗粉粒呈極顯著(P<0.01)負相關，與黏粒呈顯著(P<0.05)正相關。

黃土丘陵區; 坡耕地; 植物籬; 土壤分形維數

土壤是由大小、形狀不同的固體顆粒以一定連結方式組成的具有自相似性[1]的多孔介質，外觀上為不規則的幾何體[2]，分形維數是一個描述具有自相似性的粗糙或零碎的幾何形狀或物體對空間填充程度的統計量，為精確描述土壤特性及結構提供了可靠的理論支持[3]。近年來，運用分形理論描述土壤物理結構特征作為一種新方法被廣泛應用[4-6]。Perfect和Kay[7]把分形理論在土壤學研究中的應用分為3類：(1) 描述土壤的物理特征；(2) 建立土壤的物理過程模型；(3) 定量分析土壤的空間變異性。土壤分形維數在表征土壤顆粒組成、大小的同時，還可以反映土壤質地的均一性[8]；土壤團粒結構的分形維數研究表明，分形維數可以反映土壤的肥力狀況[9]；分形維數與反映土壤沙質荒漠化的土壤有機質含量以及植物重要值顯著相關[10]；土壤分形維數還可以用于模擬與預測土壤的水分特征[11]。

植物籬技術是指沿坡地等高線密植木本植物、灌木、多年生草本植物或灌草結合的植物籬帶并間以農作物，實現保護土地資源、提高土地生產力的一種農林復合的土地利用技術。植物籬技術自20世紀90年代初被引入我國以后，在水土保持方面發揮了重要作用[12]，我國學者在植物籬推廣的過程中對植物籬進行了大量研究，研究表明：植物籬通過根部阻擋徑流，減小流速，降低徑流的挾沙能力，細溝不易形成，進而減少土壤侵蝕[13-14]；植物籬可以顯著提高土壤中>0.25 mm水穩性團聚體含量和機械穩定性[15]；汪三樹[16]對桑樹的研究表明桑樹地埂植物籬對坡耕地土壤的影響范圍主要集中在籬帶30 cm以內，其外則受農田耕作的影響更大；馬云等[17]的研究表明皇竹草植物籬對黏粒攔截作用顯著，黏粒在籬前產生富集作用，且土壤分形維數與粉粒、黏粒的含量呈正相關關系，劉霞等[18]在沂蒙山區的研究表明土壤分形維數可以較好的反映植物群落對土壤顆粒組成的影響，認為土壤分形維數是一項評價土壤物理結構的綜合性指標。

目前國內植物籬研究進展南北差異較大，北方研究較少，且國內對植物籬防止水土流失方面的研究多集中對土壤流失總量的研究，對土壤中不同顆粒成分的深入研究較少。在本文以黃土丘陵溝壑區植物籬作用下的土壤為研究對象，研究植物籬作用下坡面不同部位的土壤顆粒分形維數的變異，有利于了解植物籬作用下土壤顆粒狀況的變化及其空間分布格局，為植物籬在黃土丘陵區的應用和推廣提供科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

安塞地處黃土高原中部，東徑108°51′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′31″，海拔997～1 731 m，屬典型黃土丘陵溝壑區。土壤類型上處于黃綿土與沙黃土交錯區，主要土類黃土性土，包括黃綿土、綿沙土、灰綿土3個亞類，占總土地面積的88.36%，是主要耕作土壤。氣候上處于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區，年均溫8.8℃，無霜期157 d；年平均降雨量505.3 mm，受季風的影響，四季降水分配很不均勻，夏季最多，平均282.4 mm，占年降水量的56%；年總輻射量492.20 kJ/cm2，以6月份總輻射最高，占年總輻射量的13%。境內水土流失嚴重，水土流失面積占總土地面積的97%左右，土壤侵蝕模數一般在4 000～15 000 t/(km2·a)，多年平均輸沙量2 388萬t，年平均輸沙量達8 373 t/km2，屬強度水土流失區。

研究區位于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站敦山試驗地，試驗地建立徑流小區3個，分別為苜蓿植物籬徑流小區、紅豆草植物籬徑流小區和空白對照小區，小區寬5 m，長20 m，坡度22°～24°，每條植物籬帶布設植物4行，行距30 cm，帶寬1 m左右，蓋度70%～90%,帶間距4 m，其間不種植作物，定期清理雜草。

試驗地在試驗前為沙棘林徑流小區，2011年秋進行整地、深耕，徹底清理沙棘地上地下部分，并于2012年4月開始布設植物籬，進行一年預處理以減少沙棘林對土壤的影響，至2013年11月已經歷兩個完整的生長周期。

1.2 樣品采集與分析

2013年11月上旬，在徑流小區坡面的上、中、下坡位分別選取代表性植物籬帶5條，在帶內及籬帶上部30，60 cm處采集0—20 cm的表層土壤，帶內取樣兩次，其余取樣一次，每條籬帶共取樣品四個，每個樣品取樣時重復三次，混合成一個土樣，樣品帶回室內去除雜物后風干，過2 mm篩備用。每種植物籬小區的樣品均取自同一小區。

測定前用雙氧水浸泡24 h，去除有機質，然后用超純水浸泡24 h，確保土粒分散。粒度測量用中科院水土保持研究所重點室MS-200激光粒度分析儀(英國馬爾文公司產)分析測得。該儀器的測量范圍是0.02～2 000 μm，重復測量誤差小于2%，試驗中測得粒徑分11個級別：0～0.001，0.001～0.002，0.002～0.005，0.005～0.01，0.01～0.02，0.02～0.05，0.05～0.1，0.1～0.2，0.2～0.25，0.25～0.5，0.5～2 mm。

1.3 土壤分形維數計算方法

楊培嶺等[2]通過假設不同直徑土粒具有相同密度的方式推倒了土壤顆粒質量分形維數，但是有學者質疑不同土粒具有相同密度這一假設[19]。本文參考楊培嶺的推導過程，進行土壤顆粒粒徑分形維數的推倒，過程如下：

設大于某一粒徑di(di>di+1，i=1，2,3，……)的土粒的體積為V(δ>di)，則：

(1)

式中：δ——顆粒直徑；A，k——描述形狀、尺度的常數；D——土壤的分形維數。

以di表示兩粒徑di與di+1之間粒徑的平均值，則：

(2)

(3)

由(2)，(3)可知：

(4)

(5)

或

(6)

2 結果與分析

2.1 土壤粒徑結構變化

由表1可知，所測試的土樣樣品中極細沙粒(0.05～0.1 mm)的含量為26.22%～28.67%，粗粉粒(0.02～0.05 mm)為38.89%～42.07%，細粉粒(0.002～0.02 mm)為15.54%～18.85%，黏粒(<0.002 mm)為5.20%～6.74%，較大土壤顆粒的規律性較差，部分樣品不含中砂、粗砂與極粗砂，分析時把極粗砂、粗砂、中砂與細砂歸為一類，統稱沙粒(0.1～2 mm)，其變化范圍為8.40%～11.15%。苜蓿、紅豆草植物籬小區的土壤粒徑結構表現出相同趨勢，坡面從上至下，極細砂粒、粗粉粒表現出增加趨勢，極細沙粒含量增加幅度分別為4.8%和4.5%，粗粉粒含量增加幅度分別為3.1%和3.9%；細粉粒與黏粒表現出含量減少的趨勢，細粉粒減少幅度分別為8.3%和6.2%，黏粒減少幅度分別為10.6%和4.4%。紅豆草徑流小區土壤主要顆粒成分包括極細沙粒、粗粉粒、細粉粒和黏粒等在上坡與中坡及上坡與下坡之間的含量差異均達顯著水平；苜蓿徑流小區中極細沙粒、粗粉粒在上坡與下坡及中坡與下坡之間的含量差異達到顯著水平，細粉粒僅在上坡與下坡之間達到顯著。可見植物籬的存在對坡面顆粒的空間分布有顯著影響，且不同植物籬對土壤顆粒的影響不同：紅豆草對土壤顆粒分布的影響在上坡表現的更顯著，且影響顆粒范圍比苜蓿植物籬廣，對較細小的顆粒也能產生顯著影響；苜蓿對土壤顆粒的影響在下坡表現的更顯著，而且其影響主要集中在極細沙粒與粗粉粒等較大顆粒。空白對照小區中土壤顆粒在不同坡位的含量差異除細粉粒在中坡與下坡之間達到顯著水平外，其余各粒徑的百分含量在各坡面的差異均不顯著。

表1 各徑流小區不同坡位表層土壤粒徑結構 %

同列不同大寫字母表示不同徑流小區間差異顯著，同行不同小寫字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤粒徑分布的分形特征

根據土壤粒度儀分析得出的土壤粒徑體積數據，結合上述分維數計算過程，可得到各土壤樣品的土壤分形維數(圖1)。

結果顯示，從上坡至下坡，紅豆草徑流小區的分形維數為2.529 3，2.512 4和2.508 8；苜蓿徑流小區為2.511 4，2.507 1和2.501 7；對照徑流小區為2.487 1，2.492 1和2.481 5。同一徑流小區，分形維數表現出上坡>中坡>下坡，紅豆草徑流小區分形維數變化量為0.020 5，苜蓿徑流小區為0.009 7，對照徑流小區為0.005 6；不同小區之間，相同坡位的土壤分形維數的大小均是紅豆草>苜蓿>對照。土壤的分形維數越大，土壤質地越細，土壤的結構越復雜，就越容易形成良好土壤結構，由試驗數據可知，植物籬處理可增大土壤分形維數，降低不同坡位之間土壤分形維數的差異，即植物籬能改善土壤狀況，促進土壤形成良好土壤結構，且紅豆草植物籬效果高于苜蓿植物籬。

對土壤各粒徑與土壤分形維數進行相關性分析，結果顯示極細沙粒和粗粉粒與土壤分形維數呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.632(P<0.01)，-0.728(P<0.01)，即極細沙粒與粗粉粒含量越高，土壤分形維數越低；黏粒與土壤分形維數呈顯著正相關，相關系數為0.333(P<0.05)，即黏粒含量越高，土壤分形維數越高；細粉粒與土壤分形維數的相關性不顯著。該研究區位于黃土丘陵溝壑區，水力侵蝕對該區的土壤侵蝕有重要影響，侵蝕發生時往往是土壤表層細顆粒物質首先流失，黏粒與細粉粒會早于粗粉粒與極細沙粒產生流失，從這方面說土壤中極細沙粒與粗粉粒的含量反映土壤的粗化程度，由此可以得出結論：土壤分形維數可以描述該地區土壤的粗化程度。

圖1 各坡面不同坡位土壤的粒徑組成關系

3 結論與討論

在徑流小區內通過兩年的植物籬栽培，分析小區內不同位置土壤的分形維數，結果表明，從上坡至下坡，土壤不同粒徑顆粒含量出現規律性變化，其中極細砂粒、粗粉粒的百分含量在下坡得到提升，細粉粒與黏粒在下坡百分含量有所降低，說明經過降雨的沖刷，土壤的機械組成出現粗化現象，且下坡粗化程度高于上坡，這一點與符素華的研究結果相似[20]，而與王曉燕的研究結果不同[21]。顆粒含量差異的顯著性分析顯示不同植物籬對顆粒的影響稍有不同，這一點可能與植物籬物種特性包括枝條密度、根系數量、根系分布等以及栽植密度有關，需要進一步研究分析。

土壤中的細小顆粒能促進土壤形成良好土壤結構，提高土壤肥力供應能力，其中土壤黏粒的含量與土壤碳氮含量之間呈現顯著正相關[22]。不同坡面間進行比較發現，植物籬處理的小區極細砂粒、粗粉粒的百分含量小于對照坡的最低百分含量，而細粉粒與黏粒的百分含量高于對照坡面的最高百分含量，即植物籬小區土壤粗化程度低于對照小區，說明植物籬可以減小徑流對土壤的侵蝕作用，改變坡面土壤的機械組成，提高細粉粒與黏粒的含量。可見植物籬在保持坡面土壤肥力方面具有重要意義。

土壤是一種多孔介質，土壤分形維數作為反映土壤結構與質地性狀一種重要參數，實際上反映了土壤顆粒的大小組成和對空間的填充能力。土壤分形維數越大，小顆粒含量就越高，土壤質地越細，微小孔隙的數量就越多，土壤結構也就越復雜；土壤分形維數越小，則越難形成復雜土壤結構。本試驗運用分型模型對土壤的分形維數進行了計算，結果表明，植物籬小區的土壤分形維數高于對照小區的土壤分形維數，植物籬小區區內土壤分形維數差異小于對照小區，可見植物籬對促進土壤形成復雜結構、防止坡面因徑流侵蝕而快速粗化方面有積極作用。

大量深入的研究植物籬與土壤之間的關系，對進一步運用土壤分形維數描述土壤結構以及在促進植物籬的推廣方面等都具有重要意義。

[1] Turcotte D L. Fractals and fragmentation [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978—2012),1986,91(B2):1921-1926.

[2] 楊培嶺,羅遠培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學通報,1993,38(20):1896-1899.

[3] 程先富,趙明松,史學正,等.興國縣紅壤顆粒分形及其與環境因子的關系[J].農業工程學報,2008,23(12):76-79.

[4] 劉金福,洪偉,吳承禎.中亞熱帶幾種珍貴樹種林分土壤團粒結構的分維特征[J].生態學報,2002,22(2):197-205.

[5] 王德,傅伯杰,陳利頂,等.不同土地利用類型下土壤粒徑分形分析[J].生態學報,2007,27(7)：3081-3089.

[6] 王展,張玉龍,虞娜,等.凍融作用對土壤微團聚體特征及分形維數的影響[J].土壤學報,2013,50(1):83-88.

[7] Perfect E, Kay B D. Applications of fractals in soil and tillage research:a review[J]. Soil and Tillage Research,1995,36(1):1-20.

[8] 鄭偉,朱進忠,潘存德.喀納斯草地群落和土壤理化特征對放牧干擾的響應[J].草業科學,2008,25(8):103-109.

[9] 趙文智,劉志民,程國棟.土地沙質荒漠化過程的土壤分形特征[J].土壤學報,2002,39(6):877-881.

[10] 張世熔,鄧良基,周倩,等.耕層土壤顆粒表面的分形維數及其與主要土壤特性的關系[J].土壤學報,2002,39(2):221-226.

[11] Turcotte D L. Fractals and fragmentation[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),1986,91(B2):1921-1926.

[12] Angima S D, Stott D E, O’Neill M K, et al. Use of calliandra-Napier grass contour hedges to control erosion in central Kenya[J]. Agriculture, ecosystems & environment,2002,91(1):15-23.

[13] 蔡強國,黎四龍.植物籬笆減少侵蝕的原因分析[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(2):54-60.

[14] 馬云,何丙輝,何建林,等.基于水動力學的紫色土區植物籬控制面源污染的臨界帶間距確定[J].農業工程學報,2011,27(4):60-64.

[15] 蒲玉琳,林超文,謝值體,等.植物籬—農作坡地土壤團聚體組成和穩定性特征[J]. 應用生態學報,2013,24(1):122-128.

[16] 汪三樹,黃先智,史東梅,等.基于LeBissonnais法的石漠化區桑樹地埂土壤團聚體穩定性研究[J].生態學報,2013,33(18):5589-5598.

[17] 馬云,何丙輝,何建林,等.三峽庫區皇竹草植物籬對坡面土壤分形特征及可蝕性的影響[J].水土保持學報,2012,25(4):79-82.

[18] 劉霞,姚孝友,張光燦,等.沂蒙山林區不同植物群落下土壤顆粒分形與孔隙結構特征[J].林業科學,2011,47(8):31-37.

[20] 符素華,段淑懷,劉寶元.密云石匣小流域土地利用對土壤粗化的影響[J].地理研究,2009,20(6):697-702.

[21] 王曉燕,尹潔.坡面小區土壤流失過程中粒徑組成變化及其影響因素[J].水土保持學報,2010,24(4):113-118.

[22] 田佳倩,周志勇,包彬,等.農牧交錯區草地利用方式導致的土壤顆粒組分變化及其對土壤碳氮含量的影響[J].植物生態學報,2008,32(3):601-610.

EffectofSainfoinandAlfalfaHedgerowonSoilParticlesinLoessHillyRegion

YAO Zhi-jie1, ZHANG She-chao2, CHEN Yun-ming3

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiWorkStationofShelterForestsConstruction,Xi′an710082,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To figure out the effect of hedgerow on soil particles in loess hilly region, the particle contents and fractal dimension of soil were measured, and the their correlation were analyzed at different slope positions in alfalfa and sainfoin hedgerows. The results showed that: (1) very fine sand and coarse silt contents increased from the top slope to the bottom slope, but contents of fine silt and clay decreased from the top slope to the bottom slope. Therefore, the coarsening of soil increased from the top slope to the bottom slope;(2) compared with control slope，hedgerows had significant effect on reducing the coarsening of soil at different slope positions, the effect of sainfoin hedgerow is more effective on soil particle in the top slope, while alfalfa hedgerow is more effective on the bottom slope; (3) the soil fractal dimension at different slope positions showed as following order: the top>the middle>the bottom, and for the order different hedgerow plots was alfalfa>sainfoin>control; (4) the fractal dimension of soil has negative correlation with the contents of very fine sand and coarse silt (P<0.01), and has positive correlation with content of clay (P<0.05).

loess hilly areas; sloping land; hedgerow; fractal dimension of soil

2013-01-20

：2014-02-20

“十二五”農村領域國家科技計劃“農田水土保持關鍵技術研究與示范”(2011BAD31B05-02)

姚志杰(1988—),男,河南淮陽縣人,碩士研究生,主要研究方向為農田水土保持。E-mail:yaozj2011@163.com

陳云明(1967—),男,陜西省澄城縣人,研究員,博士,主要研究方向為植被生態。E-mail:ymchen@ms.iswc.ac.cn

S714

：A

：1005-3409(2014)06-0020-05