農牧交錯區不同土地利用類型土壤顆粒組成和有機質特征

楊圃暢，蒙仲舉，黨曉宏，李浩年，張曉偉，李 新

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.毛烏素沙地生態發展有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017300)

內蒙古陰山北麓農牧交錯區是我國北方農牧交錯帶的重要組成部分[1]，也是生態環境最為脆弱的地區之一，該區地處蒙古高壓的前緣地帶，風力作用強烈，風蝕沙化、水土流失現象嚴重[2]。同時，加之頻繁的人類活動，進一步增加了土壤潛在可蝕性[3]，如農田地不合理耕作、放牧極其不節制，造成大量土壤表層遭到嚴重的破壞、植被覆蓋度下降、土壤礫質化嚴重、土地生產力驟減等一系列問題，給當地農牧業發展和生態環境構成嚴重的威脅[4]。

土壤顆粒組成是土壤最基本的物理性質，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成了不同的土地類型，從而影響土壤的物理、化學及其生物學特征。土壤顆粒也是反映土壤質量的重要指標，關于土壤質量的研究學者從許多方面進行了報道，如劉暢等[5]通過土壤入滲特征、土壤化學性質反映了黃土高原退耕還林后不同植被類型的土壤質量；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量；周瑤等[7]通過酶活性、微生物、土壤養分反映了不同生態恢復下寧夏黃土丘陵典型草原土壤質量。有研究表明，土壤粒徑和有機質含量也是反映土地質量特征的重要指標[8]。

截至目前，針對陰山北麓土地利用的研究國內學者從不同角度進行思考，并取得了大量的成果，但運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道較少。基于此，該研究以內蒙古陰山北麓農牧交錯區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械組成、分形維數和土壤有機質的特征關系，揭示陰山北麓農牧交錯區不同利用類型土壤質量的演變規律，以期為該區不同類型土壤的保護及其利用提供理論依據和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況該研究區位于內蒙古陰山北麓中段的武川縣，試驗樣點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。該區域為農牧交錯帶的典型代表地區，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、有機質含量少的特征，同時該地區降水稀少，氣候干燥，植被覆蓋低，所以該地區土壤結構較差，導致土壤退化嚴重[10]。

1.2 樣地布設與樣品采集該試驗于2020年4月進行，經實地調查以及結合當地實際情況，選取該地區新開墾農田、天然草地、旱作農田、棄耕地4種均勻平整的樣地，據調查棄耕地的棄耕年限為2年，新開墾農田開墾年限為1年。選取樣地中心位置，每個樣地取3個重復，取樣分別在4個樣地上用分層器分8層，每層深度為10 cm。將待測土樣帶回實驗室，用105 ℃溫度進行烘干，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。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置于小燒杯中進行加熱，冷卻后將溶液中上層雜質去除。之后采用英國Malvem公司生產的Mastersiaer 3000激光粒度儀測定土壤粒徑分布。依據美國制土壤粒徑分級標準[11]，將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<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)。

1.3 土壤顆粒分形維數計算土壤顆粒分形維數計算參考楊培嶺等[12-14]土壤分形模型：

1.4 數據處理采用SPSS 26.0和Excel 2007軟件對試驗數據進行統計分析，用origin 2018對土壤顆粒分形維數、土壤有機質含量和土壤顆粒含量的相關性進行分析。

2 結果與分析

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%，含量相差較小；粉粒百分含量從高到低依次為天然草地>新開墾農田>旱作農田>棄耕地；極細砂百分含量最高的是旱作農田，含量最低的是天然草地；此外棄耕地中細砂、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 土壤分形維數的垂直分布特征應用回歸分析法計算得到4種利用類型土地不同深度分形維數，從表2可以看出，不同土層深度對土壤的分形維數產生一定的影響，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。在垂直結構上，土壤顆粒分形維數在土層深度0～50 cm整體上呈不同程度上升趨勢，變幅分別為新開墾農田(0.070)、天然草地(0.083)、旱作農田(0.126)、棄耕地(0.056)。在0～80 cm土壤平均分形維數依次表現為棄耕地(2.186)<新開墾農田(2.230)<旱作農田(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Table 2 Fractal dimension of soil at different depth under four utilization modes

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

圖1 分形維數與土壤顆粒含量關系Fig.1 Relationship between fractal dimension and soil particle content

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

圖2 4種不同利用類型土壤有機質與深度的關系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與土壤質地、化學物理的分化作用、土地利用方式等都對土壤的結構性狀和穩定性具有一定影響[16-18]。通過土壤顆粒的百分含量與土壤分形維數進行相關性分析和回歸分析得出，該地區分形維數與黏粘、粉粒的百分含量均呈正相關，與其余粒級不相關。這表明分形維數隨黏粒和粉粒百分含量的增加而增大；這一研究結果與較多研究土壤分形維數與土壤顆粒百分含量關系的結果相符合[19-20]。根據土壤分形維數與粒級百分含量擬合得出，分形維數在4種不同利用類型土壤對數函數擬合分析方程的R2為0.379 6～0.930 7，表明分形維數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與有機質含量的關系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存在不同程度的變化，但總體上分形維數呈上升趨勢，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間較長或正處在恢復階段，經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粗顆粒化較嚴重，所以分形維數較小；而天然草地由于植被的覆蓋，使得土壤表層細顆粒的物質逐漸增加，分形維數較大。

一般來講，土壤顆粒分形維數越高，土壤結構越緊實，土壤質地細顆粒物質越多，通透性越差；分形維數越低，則土壤結構相對松散通透性好[21]。土壤有機質也是土壤質量評價的指標之一，不僅能反映土壤的肥力狀況，而且是評價土地利用方式優劣的主要參數[8]。該研究表明4種不同利用類型土壤表層0～10 cm處有機質含量均達到最高，天然草地和新開墾農田經細粒物質作用較大，土壤表層細顆粒較多，土壤中的細粒物質有利于土壤有機質的存留，使得表層土壤有機質含量較高，隨深度的增加有機質含量呈下降趨勢[22]，由于該地區鈣積層集中分布在20～30 cm處，導致有機質含量較低。

4 結論

(1)該地區4種不同利用類型土壤表層主要顆粒含量是粉粒，其次是極細砂、細砂，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呈對數函數關系，分形維數與土壤黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)百分含量呈正相關。

(2)4種不同利用類型的土地中，0～80 cm土壤平均分形維數由小到大依次為棄耕地(2.186)<新開墾農田(2.230)<旱作農田(2.275)<天然草地(2.290)。總體上，4種不同利用類型土壤的分形維數隨土層深度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，分形維數在各層均有最大值，同時有機質含量也最高。