青藏高原不同草地利用方式對土壤粒徑分形特征的影響

宛 倩,王 杰,王向濤,劉國彬,張 超,*

1 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西藏農牧學院動物科學學院, 林芝 860000 3 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

青藏高原是我國主要牧區之一,草地類型豐富,其面積占我國草地面積的42%[1]。近年來,由于環境變化以及人類生產活動的影響,青藏高原草地退化日趨嚴重,生產力急劇下降[2]。過度放牧是導致草地退化的主要因素之一[3],不僅抑制植被生長,并且降低土壤肥力[4—7]。因此,必須采取有效的生態措施來恢復退化的草原生態系統,如圍封禁牧、禁牧+補植和合理放牧[8]等措施,目前,關于不同利用方式對退化草地生態系統恢復的影響研究越來越多,但并沒有得出一致的結論。仲波[9]對若爾蓋草地土壤微生物的研究中發現,適度放牧提高了酶活性以及土壤碳氮礦化速率,促進退化草地的恢復。劉艷萍[10]在研究不同恢復措施對退化草地土壤和植被的影響中發現,禁牧顯著改變群落結構和增加土壤養分。

土壤粒徑分布屬于土壤物理性質,可以表征土壤結構,反映土壤的發育狀況,對土壤水、肥等物理特性具有一定的影響。土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質[11],具有一定的分形特征。分形理論作為一種揭示物質局部結構和形態的工具在研究土壤結構中得到了廣泛運用。例如,孫梅等[12]研究長期不同施肥條件下紅壤粒徑分維,表明施用有機肥可以促進土壤細化改善土壤粒徑分布格局。王德等[13]對黃土丘陵區不同土地利用下土壤粒徑分析中表明,多重分形維數與有機碳顯著相關,可以為描述土壤基本性質提供科學參考。因此,利用分形模型研究土壤的粒徑分布對于理解當地草地恢復的演變過程,以及評價當地土壤質量有著至關重要的作用。前人大都使用單重分形描述土壤粒徑分布[14],但其只能描述土壤結構的整體性特征[15],不能表征具體粒徑的分布范圍。而多重分形維數能詳細反映土壤粒徑分布的均勻程度,并且表征土壤粒徑分布的異質性和自相似性[16],可以更準確的分析土壤結構特性。因此,二者的聯合使用更能全面揭示土壤粒徑的分布特征,但目前的研究多以單一分形或多重分形為主,將兩種方法結合的研究較少,尤其是生態環境比較脆弱的青藏高原。鑒于此,本研究在青藏高原選取了4個不同利用方式的草地(放牧草地、圍欄禁牧草地、圍欄禁牧+補植草地和未干擾草地),結合單重分形和多重分形理論,研究不同草地利用對土壤粒徑分布的影響,探討土壤粒徑分布與土壤結構、土壤理化性質、土壤質量的關系,以期為退化草地的恢復提供理論依據。

1 研究區概況

試驗區(91°40′E,32°21′N)位于西藏自治區林芝市工布達江縣邦杰塘草原野外試驗場。該區屬于高原溫帶半濕潤氣候,地勢平坦,平均海拔4672 m,年平均氣溫-3.1℃,最冷1 月平均氣溫-15℃,最熱月7月平均氣溫 9.3℃。年平均降雨量409 mm,主要集中在夏季,風速≥17 m/s的天數為139 d。年積溫846℃,年均日照2580 h,無絕對無霜期。該區土壤類型為高山草甸土,土壤質地為砂質土(圖1),植被類型為典型的高寒草地,主要植被有高山蒿草(Kobresiapygmaea)、紫花針茅(Kobresiapygmaea)、馬先蒿(Pedicularisreaupinanta)、高山委陵菜(Potentillapolyschista)、垂穗披堿草(Elymusnutans)。

圖1 采樣點土壤質地

2 材料與方法

2.1 實驗設計與土壤樣品采集

采樣區面積約為200 hm2,在研究區內設置了4種草地管理類型:放牧草地、圍欄禁牧草地、圍欄禁牧+補植草地以及未干擾草地。試驗區地勢平坦,無水蝕現象發生,且地表無風蝕造成上凸下凹及地表粗化現象。所選各處理植被特征如表1所示。每種處理5個重復小區,共20個試驗小區,每個小區占地1 hm2。處理方法如下:(1)放牧草地:每公頃每年放牧4頭牦牛,其放牧頭數根據研究區的平均生物量、牦牛進食量、放牧面積以及放牧時間來確定。(2)圍欄禁牧草地:2009年,采用圍欄禁牧方式防止食草動物進入,在圍封之前該草地與放牧草地相同。(3)圍欄禁牧+補植草地:2009年,在禁牧草地的基礎上,種植鄉土優勢植物披堿草(Elymusnutansgriseb)、冷地早熟禾(Poacymphila)和梭羅草(Kengyiliathoroldiana), 播種密度分別為3、5和8 g/m2的速率播種,播種穴深3 cm,間距20 cm。(4)未干擾草地:1999年之前為放牧地,1999年之后完全禁牧,至今無人為干擾以及放牧活動的草地。

表1 不同草地利用方式的植被特征

2018年9月采集土壤樣品,在各處理中的小區中沿對角線建立9個10 m×10 m的樣方,相鄰樣方間隔為10—20 m,在每個樣地內中隨機設置5個1 m×1 m的小樣方,在樣方內按“S”型采用土鉆取0—15 cm土壤樣品,混合。將9個樣地的土壤混合形成一個土壤樣品,即每個小區1個混合土樣,將所有土壤帶回實驗室風干過篩。

2.2 樣品處理與分析

土壤顆粒組成使用MS2000型激光粒度分析儀進行測定,儀器測量范圍為0.02—2000 μm,攪拌速度 2500 r/min,遮光范圍 10%—20%。稱取0.5 g過2 mm篩的風干土壤,加入10 mL10%的 H2O2沙浴加熱以去除土壤中的有機碳,隨即加入10 mL 10%的HCl煮沸使其反應完全。在上清液中加入六偏磷酸鈉分散劑并使用超聲波清洗機振蕩,隨即用MS2000粒度儀進行土壤顆粒分析。

土壤理化性質采用常規方法測定[17]:土壤pH采用電位法測定；土壤有機碳含量用重鉻酸外加熱法測定; 全氮含量用凱氏定氮法測定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；使用有機碳分析儀(Phoenix,800TOC)測定浸提液來分析水溶性有機碳和水溶性有機氮；銨態氮和硝態氮含量采用 2 mol/L KCl 以1∶5的比例提取新鮮土樣,浸提液使用3-AA3連續流動自動分析儀測定；速效磷含量用 Olsen方法測定。土壤理化性質見表2。

表2 不同草地利用方式下土壤理化性質[18]

2.3 土壤分形維數

2.3.1單重分形維數

利用激光粒度儀獲取土壤顆粒體積分布數據,采用土壤顆粒體積分形模型來計算單重分形維數[19],計算公式如下:

(1)

式中,Ri為某粒徑區間上下限算術平均值,Rmax為最大粒徑(本研究中Rmax=2),V(r

2.3.2多重分形維數

多重分形是定義在分形結構上的有無窮多個標度指數所組成的一個集合,是通過一個譜函數來描述分形結構上不同的局域條件、或分形結構在演化過程中不同層次所導致的特殊的結構行為與特征,是從系統的局部出發來研究其整體的特征,并借助統計物理學的方法來討論特征參量的概率測度的分布規律[20]。取激光粒度儀測量范圍為I=[0.02,2000],將其劃分為對數等差遞增的100個小區間Ii=[φi,φi+1],i=1,2,…,100,其中lg(φi+1/φi)為一個常數,這樣劃分區間即遵循了土壤粒徑分布規律并且更加客觀。利用多重分形方法分析區間I的土壤顆粒粒徑分布特征,須使各子區間長度相同,令φi= lg(φi,φ1),構造一個新的無量綱區間J =[lg(0.02/0.02),lg(2 000/0.02)]=[0,5],并且生成了100個新的等距離小區間Ji=[φi,φi+1],i=1,2,…,100。用v表示100個區間粒徑對應的體積分數,即v1,v2,…,v100。

式中q為實數;μi(q,ε)為第i個子區間q階概率,則粒徑分布的多重分形廣義維數譜為

(2)

(3)

利用式(2)可以得到廣義維數譜D(q),當q=0時,D0為信息維數；q=1時,D1為信息維數；q=2時,D2為關聯維數。

2.4 數據處理

采用Pearson相關分析和逐步回歸分析評價土壤顆粒組成、土壤分形維數與土壤理化性質的關系。采用冗余分析(RDA)對分形維數變化的環境驅動因素進行分析。本研究中響應變量包含D、D0、D1、D1/D0、D2,解釋變量為速效磷、銨態氮、硝態氮、有機碳、全氮、溶解性有機碳、溶解性有機氮、全磷、粉粒、黏粒、砂粒、pH,包含共12 個指標。所有統計分析和作圖在Rv.3.6.0中進行,圖表中數據為平均值±標準誤。

3 結果

3.1 不同草地利用方式下土壤顆粒分布特征

本研究中粒徑分類采用美國制分類標準,從圖2可知,不同草地利用方式的土壤顆粒體積分數差異顯著(P<0.05),主要以粉粒、極細砂粒和細砂粒為主。其中,砂粒的體積分數最高(47.37%—76.95%),其次為粉粒(16.26%—40.81%),黏粒的體積分數最低(6.78%—12.98%)。黏粒體積分數表現為圍欄禁牧草地和未干擾草地高于放牧草地和圍欄禁牧+補植草地；粉粒體積分數依次為放牧草地<圍欄禁牧+補植草地<圍欄禁牧草地<未干擾草地,分別為40.81%、29.28%、20.40%、16.26%。相較與放牧草地和圍欄禁牧+補植草地,圍欄禁牧草地黏粒、粉粒含量顯著增加(P<0.05),增幅分別為60.0%—91.4%、43.5%—80.1%。極細砂粒體積分數未干擾草地最高,放牧草地最低。細砂粒、中砂粒、粗砂粒體積分數依次為未干擾草地<圍欄禁牧草地<圍欄禁牧+補植草地<放牧草地。

圖2 不同草地利用方式下土壤顆粒組成

土壤顆粒分布頻率曲線可以反映土壤質地情況,曲線的變化幅度越小,顆粒異質程度越大[13]。圖3為4種不同草地利用方式下土壤的顆粒分布頻率曲線,未干擾草地和禁牧草地曲線變化幅度較小,各粒徑段土壤體積含量分布相對均勻,分布異質性較大,細顆粒(<50 μm)含量較高；禁牧+補植草地和放牧草地的曲線變化幅度較大,顆粒主要集中在50—500 μm粒徑范圍,以粗顆粒為主,異質性較小,非均勻程度小。

圖3 不同草地利用方式下土壤顆粒分布頻率曲線

3.2 不同草地利用方式下土壤單重分形維數

利用式1,通過最小二乘法擬合回歸曲線,計算出4種草地利用方式下土壤顆粒的單重分形維數,如表3所示,4種草地擬合方程的決定系數均接近1,說明線性擬合效果較好。從不同草地利用方式來看,體積分形維數依次為放牧草地<圍欄禁牧+補植草地<未干擾草地=圍欄禁牧草地,其中,圍封禁牧草地單重分形維數D最高；放牧的單重分形維數最小(2.56),質地較粗。

表3 不同草地利用方式土壤顆粒分形維數

圖4為土壤顆粒組成與單重分形維數D回歸分析結果,分形維數D與粉粒、黏粒體積含量呈極顯著的正相關關系,與砂粒相關性較差。從關系系數R2來看,黏粒含量與分形維數D的相關系數較大,粉粒次之,砂粒最小,說明土壤分形維數和黏粒的體積含量之間相關性最大。

圖4 粒徑體積分數與土壤單重分形維數的相關關系

3.3 不同草地利用方式下土壤多重分形維數

取q值變化區間[-10,10],根據公式(2)、(3),計算出4種不同草地利用方式下廣義維數普D(q)。由圖5可知,4種不同草地利用方式D(q)-q曲線呈現反“S”型單調遞減,并且具有一定的寬度。土壤分形越均勻,D(q)-q越趨近一條直線；而在非均勻分形下,D(q)變化范圍較大,土壤粒徑呈現非均勻分布,因此進一步說明了對土壤粒徑進行多重分形分析的重要性。q<0時D(q)的下降趨勢比q>0顯著,說明D(q)在稀疏區域更為敏感。

圖5 不同草地利用方式下土壤粒徑分布廣義維數譜

表4為不同草地利用方式下土壤廣義維數譜維數。容量維數D0可以反映土壤粒徑分布范圍,D0值越大表明粒徑分布范圍越廣,4種草地下D0值變化差異不顯著。從信息維數D1來看,不同草地利用方式的D1值介于0.86—0.89之間,表現為放牧草地<圍欄禁牧+補植草地<圍欄禁牧草地<未退化草地。其中,未退化的D1值為0.89,表明各粒徑分布不規律,異質性較大；放牧草地最低,粒徑分布異質性較小。D1/D0可以衡量土壤粒徑分布的集中程度[22],4種草地依次為放牧<圍欄禁牧+補植草地<圍欄禁牧草地<未退化草地,未退化草地土壤粒徑分布最集中,放牧草地次之,放牧草地最分散。關聯維數D2反映土壤粒徑的均勻性,D2值越大,分布越均勻,未退化草地、圍欄禁牧+補植草地、圍欄禁牧草地、放牧草地的值分別為0.88、0.82、0.85和0.82,其中,未退化草地和放牧草地的D2值最高,土壤顆粒各分級百分比趨向一致；放牧最低,土壤顆粒分布均勻性最低。

表4 不同草地利用方式下土壤廣義維數譜維數

3.4 土壤理化性質、土壤顆粒組成以及分形維數之間的關系

不同草地利用下土壤理化性質、土壤質地以及分形維數的相關分析如表5所示,黏粒與pH呈顯著正相關(P<0.05)。粉粒與信息維數D1與有機碳、全氮和硝態氮表現極顯著正相關(P<0.01),與全磷表現顯著相關(P<0.05),其中與有機碳相關性最大,相關系數為0.647。砂粒與土壤理化性質表現負相關關系,其中與全氮呈現極顯著負相關(P<0.01),相關系數為-0.707。單重分形維數D與土壤理化性質沒有相關性,多重分形維數(D1、D1/D0、D2)與有機碳、全氮、全磷和硝態氮呈顯著正相關(P<0.05)。

表5 土壤理化性質與分形維數及土壤質地的相關性

從圖6可知,土壤基本性質共解釋了96.78%分形維數的變異,其中第一軸的解釋率為71.44%,第二軸的解釋率為25.34%。砂粒、黏粒、SOC、TN和粉粒對D、D0和D2解釋率較大。砂粒對D0的影響最大,SOC對D2的影響最大,銨態氮對D的影響最大。逐步回歸結果顯示(表6),粉粒和黏粒能共同解釋D值99%的變異,表明黏粒和粉粒是不同草地利用方式下D值變化的主控因素；粉粒能夠獨立解釋D159.85%的變異,是D1變化的主控因素；砂粒能夠分別解釋D1/D0、D2值82.2%和79.5%的變異,表明黏粒和粉粒是不同草地利用方式下D1/D0、D2值變化的主控因素。

表6 分形維數與土壤基本性質的逐步回歸模型

圖6 分形維數及土壤基本特性的冗余分析(RDA)

4 討論

4.1 不同草地利用方式對土壤顆粒分布特征的影響

土壤顆粒組成受母質特征以及環境變化的影響[23],在一定程度上可以決定土壤的基本性狀。研究區位于青藏高原高寒氣候帶,由于氣候條件影響,草地生態系統結構單一,在環境以及人為活動干擾下草地退化日趨嚴重[24]。草原氣候干燥,在風力侵蝕作用下,細顆粒流失,土壤逐漸粗粒化。在本研究中,4種草地土壤顆粒主要分布在20—250 μm之間,0—2 μm和500—2000 μm范圍內粒徑含量較少,林永崇[25]在對藏北高原土壤的研究中也發現了類似的結果,這是由于樣地位于荒漠化地帶,成土母質源于風塵沉積,土質疏松,以風沙土為主。有研究表明,圍封禁牧可以有效促進土壤顆粒細化[26]。本研究發現,放牧草地和圍欄禁牧+補植草地的砂粒含量較多,細顆粒較少；圍欄禁牧草地和未干擾草地的黏粒與粉粒含量相對較多。謝莉等[27]研究發現,相較于放牧草地,圍欄封育草地中土壤細顆粒含量顯著增加。這可能是由于采取禁牧措施后,植被生長恢復,覆蓋度提高,風蝕作用減弱,減少了細顆粒的流失,同時植被能夠截存降塵[26],外來的風蝕物質依附在植物表面隨之沉積,成為土壤細顆粒重要組成部分。從土壤顆粒分布頻率曲線(圖2)來看,未干擾草地變化幅度最小,質地較均勻,這說明未干擾草地由于植被覆蓋以及礦物質含量的供應,土壤發育良好,且地下根系較多,須根發達,能夠固結土體、改善土壤結構。

4.2 不同草地利用方式對分形維數的影響

單重分形維數可以反映土壤顆粒物質的損失狀況,是表征土壤物理性質的重要工具[28]。本研究發現,和未干擾草地相比,其他草地土壤質地都逐漸粗顆?；?各草地間土壤粒徑分布差異明顯,分形維數也有所不同,說明不同草地利用方式是影響土壤質地的重要因素,這與羅楠[29]的研究相似。文海燕等[30]研究表明,圍封禁牧后表層土壤單重分形維數顯著增加；李國旗[31]的研究結果顯示圍欄封育內的單重分形維數大于圍欄外的單重分形維數。本研究也得到了相似的結論,4種草地利用方式下分形維數D的分布范圍為2.56—2.67,依次為放牧草地<圍欄禁牧+補植草地<未干擾草地<圍欄禁牧草地。放牧草地和圍欄禁牧+補植草地分形維數明顯低于圍欄禁牧草地和未干擾草地。未干擾草地植被常年覆蓋,土壤發育能力強,其土壤粒度組成越細；實行圍封禁牧后的草地,人為活動少、干擾小,植被覆蓋度逐漸提高,降低了風蝕的影響,促進細粒物質沉積；經過補植后的草地雖然放牧活動減少,但是草原環境惡劣,植物生長速度較慢,由于彌補損耗使得土壤結構不穩定。

本研究中4種草地利用方式下的土壤都具有多重分形特征,D(q)-q曲線呈現反“S”型單調遞減,q<0時D(q)的下降趨勢比q>0顯著,說明D(q)在稀疏區域更為敏感,這與王德[13]研究結果相似。其中,q<0時,放牧草地與其他草地利用方式相比其變化趨勢最小,波普最窄,說明放牧草地的土壤分形結構的復雜程度較低；q>0時,未干擾草地變化趨勢較小,說明其土壤質地較均勻,這與本文單重分形結果一致。D0可以作為土壤質地分類的維數[21],本研究表明,4種草地利用方式下D0變化不明顯,孫梅[12]研究中也得到了類似的結果表明4種草地利用方式并沒有改變土壤質地組成。本研究表明,4種草地利用方式下D1、D1/D0和D2均遵循放牧草地<圍欄禁牧+補植草地<圍欄禁牧草地<未干擾草地這一規律,與圍欄禁牧+補植草地和放牧草地相比,圍欄禁牧顯著提高土壤粒徑集中程度,呈現不規律分布,異質性較大,土壤逐漸細顆?；Ｔ蚩赡苁菄鷻诮梁笾脖换謴?、凋落物增加,提高了土壤有機質的含量,有機質利于土壤細顆粒的形成；青藏高原退化過程較為復雜,除了人為活動的干擾還受自然環境的制約,同時由于實驗處理的年限限制,圍欄禁牧+補植草地植物凋落物長時間堆積,影響周轉效率,不利于草地土壤穩定。

4.3 分形維數與土壤顆粒組成與理化性質的關系

土壤顆粒組成能夠影響土壤養分的供應能力,對植被的生長也有一定的促進作用[32]。本研究中,有機碳、全氮和全磷與粉粒呈顯著正相關,羅雅曦[33]研究中也得到了相似的結果,一方面隨著植被演替的進行,地上生物量逐漸增多,凋落物在微生物的作用下不斷分解,導致土壤碳、氮含量增加,另一方面,植被能有效減少土壤細顆粒的吹蝕,同時細顆粒具有粘結性,使得土壤中的碳、氮含量得到了保持。在荒漠化地帶,黏粉粒的粘結作用能夠促進土壤-植被系統的良性循環,這也說明土壤顆粒組成對有機碳的固持有至關重要的作用[34]。

土壤顆粒組成是影響分形維數的重要因素之一。已有研究表明,土壤顆粒組成與單重分形維數有顯著的相關關系[19—35],本研究發現,單重分形維數D與黏粒體積含量呈極顯著正相關,與粉粒呈顯著正相關(圖4)。魏茂宏[36]在高寒草甸退化土壤粒徑分布的研究中發現,單重分形維數與黏粒百分含量呈顯著正相關,說明單重分形受土壤細顆粒含量的影響,能夠表示土壤顆粒組成情況并且反映其變化特征,土壤顆粒越小,分形維數越高。以上表明利用單重分形維數描述高寒高原土壤的質地變化具有一定的可行性,可以用其來表征荒漠土壤隨環境變化的趨勢,并且能夠作為土壤質量演變的評價指標。而王瑞東[37]通過對希拉穆仁草地的土壤分形維數進行研究發現,該地區單重分形維數的大小主要與土壤粉粒含量有關,黏粒和砂粒含量對其影響較小?？赡苁怯捎谘芯繀^的環境和土壤的差異,同時,在采樣過程中,取樣的隨機性也會對單重分形維數產生影響。

張毅[38]在研究黃河三角洲地區土壤顆粒的分形特征中發現,單重分形維數D與有機質呈顯著正相關；杜雅仙[39]的研究表明單重分形維數與有機質和全氮含量呈顯著負相關,與全磷和全鉀含量關系不顯著,而本研究發現,分形維數D與土壤理化性質顯著關系不明顯,這與單桂梅[40]的研究結果一致,表明土壤單重分形在表征土壤質量上具有加強的空間特異性。相較于D值,D1、D1/D0和D2與土壤理化性質具有較好的相關性,因此多重分形維數能更好的反映土壤質量特征[41]。逐步回歸分析表明(表6),粉粒是不同草地利用方式下D、D1值變化的主控因素,這與白一茹[19]的研究相似,說明隨著粉粒含量增多,土壤顆粒分布呈現異質性和不規律性。而孫梅[12]在研究紅壤多重分形特征中發現,多重分形維數與粉粒呈負相關關系,這可能與研究區的土壤質地有關,該地為紅壤土,而本研究土壤以砂質土為主,由于研究區質地不同,導致多重分形維數也因此不同。在本研究中,多重分形維數(D1、D1/D0與D2)和土壤理化性質表現極顯著正相關,孫哲[42]在高寒草甸退化的研究發現,多重分形維數與有機質含量呈顯著相關。土壤有機質是土壤質量評價的重要指標[43],有機質含量與D1,D2,和D1/D0的相關關系使得這些分形維數可能作為反映土壤質量的潛在指標,說明多重分形維數可以為衡量土壤結構和質量提供參考。

5 結論

單重和多重分形結果表明,禁牧促使土壤粒徑分布異質性更大,顆粒分布更加集中,質地更均勻,且提高了細顆粒含量,促進砂粒向黏粒和粉粒轉變,改善了土壤質地和結構,可以作為草地恢復的參考,但是與未干擾草地相比,還有一定差距。單重分形維數與黏粒、粉粒呈極顯著正相關(P<0.01),與沙粒呈負相關(P<0.01),可以用來反映土壤的物理性質,而多重分形維數與土壤有機碳、全磷、全氮表現極顯著的正相關關系,可以作為衡量土壤養分的重要指標。