民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒徑分形特征研究

郭樹江,楊自輝，3,王多澤,王強強,詹科杰，張劍揮,張大彪

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

綠洲-荒漠過渡帶作為綠洲與沙漠生態(tài)系統(tǒng)的緩沖區(qū)域，是綠洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有特定的水熱環(huán)境、地貌特征和生態(tài)群落，形成了獨特的生態(tài)功能[1-2]。民勤綠洲-荒漠過渡帶位于民勤綠洲與其周邊巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠之間，是阻擋沙漠風(fēng)沙入侵的天然屏障。近60年來，為了保護民勤綠洲生態(tài)安全，國家在風(fēng)沙危害嚴重的綠洲邊緣連續(xù)開展大規(guī)模治沙造林，民勤綠洲邊緣固沙林面積逐步擴大，綠洲-荒漠過渡帶逐漸延伸加寬，目前過渡帶寬度已達10 km左右。民勤綠洲-荒漠過渡帶主要有人工梭梭固沙林、沙拐棗固沙林、天然白刺灌叢及沙生草本沙米、鹽生草等植物，植被蓋度在4%～28%之間、高度10～260 cm。

土壤是一種由不同大小、形狀的固體顆粒及孔隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)，具有自相似特征或分形特征[3],因此可以利用分形幾何學(xué)來研究土壤的性狀特征。分形維數(shù)可以表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成均勻程度，描述土壤顆粒的粒徑及孔隙分布狀況，對土壤的其他物理化學(xué)性狀及其周邊生態(tài)環(huán)境具有指示意義[4]。目前關(guān)于民勤綠洲-荒漠過渡帶的研究主要集中在群落特征、土壤水分養(yǎng)分、風(fēng)蝕特征[5-7]等方面，對過渡帶土壤粒徑分形特征研究較少。本研究通過對民勤綠洲荒漠過渡帶固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘等土壤粒度特征進行分析，旨在揭示綠洲-荒漠過渡帶風(fēng)成沉積物粒度的空間變化特征及其對綠洲發(fā)展演化的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處甘肅省河西走廊東端石羊河流域下游民勤沙井子綠洲-荒漠過渡帶，位于巴丹吉林沙漠東南緣，地理位置在38°34′～39°38′N、102°53′～102°58′E，海拔在1 376～1 383 m。該地區(qū)屬于溫帶荒漠氣候區(qū)，據(jù)2014年氣象觀測資料，2014年平均氣溫8.5 ℃，極端最高氣溫37.7 ℃(2014年6月17日)，極端最低氣溫-20.5 ℃(2014年1月9日)；光熱充足，年日照時數(shù)達2 534 h；年降水量127 mm，降水主要集中于6—9月，期間降水量占年降水量的75.12%；年蒸發(fā)量1 559.7 mm，平均干燥度5.15，相對濕度54%；年沙塵暴日數(shù)10 d，年浮塵日數(shù)11 d，年均風(fēng)速1.0 m/s。研究區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，地下水埋深在16 m以下[8]。

2 研究方法

沿民勤沙井子綠洲-荒漠過渡帶分別選擇流動沙丘梭梭林、半固定沙丘梭梭林、固定沙丘梭梭林、流動白刺沙包、半固定白刺沙包、固定白刺沙包、流動沙丘沙拐棗、平沙地沙拐棗8塊觀測樣地，各樣地位置、物種組成見表1。在每個樣地設(shè)置3個采集點，于2014年8月進行土壤樣品采集，采集深度為表層(0～2 mm)、0～20、20～40、40～60 cm。采集同一層次的土壤樣品，混合后剔除石塊、植物殘根等雜物，裝入無菌塑料袋帶回實驗室進行風(fēng)干、研磨、過篩等處理，以備土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量、全鹽量和pH值等測定[9]。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用原子吸收分光光度法測定，速效鉀含量采用原子吸收光譜法測定，全鹽量采用殘渣烘干-質(zhì)量法測定，pH值采用電極法測定。土壤粒度由馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 2000) 測定，參考《中國土壤》(1978年)中的土壤質(zhì)地分類方法和美國制土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤粒級輸出標(biāo)準(zhǔn)為細黏粒(<0.001 mm)、粗黏粒(0.001～0.005 mm)、細粉粒(0.005～0.01 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)、極細砂(0.05～0.1 mm)、細砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1 mm)、極粗砂(1～2 mm)，每個土壤樣品由粒度分析儀輸出3組數(shù)據(jù)并計算平均值。本研究中粒級最大劃分為64級，用64級粒級數(shù)據(jù)進行分形維數(shù)計算[10]。土壤分形維數(shù)采用土壤粒度體積含量數(shù)據(jù)計算，計算公式[11]為

V/VT=(Ri/Rmax)3-D

(1)

式中：Ri為粒徑劃分中第i級的粒徑；V為粒徑小于Ri的土壤顆粒體積；VT為土壤所有顆粒體積；Rmax為土壤顆粒中的最大粒徑；D為分形維數(shù)。

公式(1)兩邊取對數(shù)，由對數(shù)曲線的擬合斜率求得D值。應(yīng)用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 11.0進行相關(guān)性分析和回歸分析。

表1 樣地概況

3 結(jié)果與分析

3.1 民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒度分布及其分形維數(shù)

民勤綠洲-荒漠過渡帶依次由固定沙丘向半固定沙丘、流動沙丘過渡，分布著不同的植被類型，不同的立地條件、植被類型形成的土壤粒徑分布有所差異，具有不同的分維特征(表2)。民勤綠洲-荒漠過渡帶0～60 cm土壤粒徑分布以細砂、中砂為主，平均含量分別為48.52%和23.16%；其次為極細砂，平均含量為14.11%；極粗砂平均含量僅為0.24%。經(jīng)方差分析，3種植被類型土壤的黏粒、粉粒含量差異不顯著(p>0.05)；白刺群落土壤極細砂、細砂含量顯著(p<0.05)高于梭梭、沙拐棗群落；梭梭、沙拐棗群落土壤中砂含量極顯著(p<0.01)高于白刺群落，但梭梭、沙拐棗群落之間中砂含量差異不顯著(p>0.05)；沙拐棗群落粗砂含量顯著(p<0.05)高于梭梭、白刺群落，梭梭、白刺群落之間粗砂含量差異不顯著(p>0.05)。總之，白刺群落土壤以細砂為主，梭梭、沙拐棗群落土壤以中砂、粗砂為主，沙拐棗群落土壤中砂、粗砂含量相對較高。

由表2可知，不同立地條件下各植被類型不同層次土壤的粒徑分形維數(shù)擬合方程的決定系數(shù)R2>0.9(p<0.01)，擬合效果較好，土壤粒徑分形維數(shù)為2.144～2.398。由于所處的立地條件不同，因此不同的植被類型土壤分形維數(shù)存在差異，3種植被類型均為固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘(或平沙地>流動沙丘)。經(jīng)方差分析，梭梭群落3種立地條件土壤粒徑的分形維數(shù)之間差異顯著(p<0.05)，其中，固定沙丘與半固定沙丘、流動沙丘之間差異顯著(p<0.05)，半固定沙丘與流動沙丘之間差異不顯著(p>0.05)。白刺、沙拐棗群落不同立地條件土壤粒徑的分形維數(shù)之間差異不顯著(p>0.05)。

3.2 土壤分形維數(shù)與粒徑分布的關(guān)系

土壤分形維數(shù)與土壤顆粒的粗細程度有關(guān)， 但相關(guān)關(guān)系不同(表3)。由表3可知，分形維數(shù)與<0.001、0.001～0.005、0.005～0.01、0.01～0.05 mm 粒徑含量呈顯著正相關(guān)，與0.05～0.1、1～2 mm粒徑含量呈正相關(guān)但不顯著，與0.1～0.25、0.25～0.5、0.5～1 mm 粒徑含量呈負相關(guān)但不顯著。這表明分形維數(shù)隨土壤質(zhì)地的粗細程度發(fā)生明顯變化，對黏粒、粉粒含量的變化最為敏感。民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤以細砂、中砂及粗砂為主，受其含量影響土壤粒徑分形維數(shù)偏小。

表2 民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒度分布及其分形維數(shù)

表3 分形維數(shù)與粒徑分布的相關(guān)關(guān)系

3.3 土壤顆粒組成和分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

表4為土壤顆粒組成和分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系。由表4可知，分形維數(shù)與全氮、速效磷含量分別呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)和顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤含水量、全鹽量、pH值呈負相關(guān)，但均未達到顯著水平(p>0.05)，與有機質(zhì)、全鉀、速效鉀含量呈正相關(guān)，亦未達到顯著水平(p>0.05)。土壤黏粒含量與有機質(zhì)、全氮、速效磷含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與其他理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系不顯著。土壤粉粒、砂粒含量與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與其他理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系均未達到顯著性水平。

表4 土壤顆粒組成和分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

注: *表示相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著；**表示相關(guān)系數(shù)在0.01水平上顯著。

4 討論與結(jié)論

本研究中，民勤綠洲-荒漠過渡帶土壤粒徑以細砂和中砂為主，兩者合計占土壤顆粒組成的71.68%，極粗砂顆粒含量最低，平均值僅為0.24%，分形維數(shù)為2.144～2.398。3種植被類型土壤粒徑分形維數(shù)均為固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘(或平沙地>流動沙丘)，表明民勤綠洲-荒漠過渡帶不同立地條件、不同植被覆蓋對土壤性質(zhì)的作用存在差異。

土壤粒徑分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)、性狀的重要參數(shù)，在維數(shù)上表現(xiàn)為質(zhì)地越粗分形維數(shù)越小[12]。陳小紅等[13]研究表明，在黑河中游荒漠-綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過渡帶，土壤粒徑分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著(p<0.05)負相關(guān)，與黏、粉粒含量及各養(yǎng)分指標(biāo)均呈顯著(p<0.05)正相關(guān)；王富等[14]認為，在不同生態(tài)修復(fù)措施下，桃林口水庫水源涵養(yǎng)區(qū)土壤粒徑分形維數(shù)與不同粒級含量的相關(guān)性具有明顯差異。本研究中，土壤分形維數(shù)與黏粒、粉粒含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與細砂、中砂、粗砂含量呈負相關(guān)但不顯著，與極細砂、極粗砂含量呈正相關(guān)但也不顯著。可見，土壤粒徑分形維數(shù)不僅能夠反映土壤中不同粒徑的顆粒組成狀況，而且能體現(xiàn)出不同植被覆蓋對土壤的改良作用。

相關(guān)研究[15]表明，土壤中養(yǎng)分主要與土壤中的細顆粒，即粉粒和黏粒含量有關(guān)。本研究中，分形維數(shù)D值與全氮、速效磷含量分別呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)和顯著正相關(guān)(p<0.05)，土壤黏粒含量與有機質(zhì)、全氮、速效磷含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，土壤粉粒、砂粒含量與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，這與前人的研究結(jié)果一致。因此，土壤粒徑分形維數(shù)可以作為衡量綠洲-荒漠過渡帶土壤養(yǎng)分、土地退化狀況的指標(biāo)之一。受不同的立地條件、植被類型、水分、土地利用等因素的影響，土壤粒徑組成和分形特征與土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系復(fù)雜，目前對民勤綠洲-荒漠過渡帶這方面的研究較少，今后有待加強。