毛烏素沙地西南緣不同土地利用類型土壤顆粒分形特征

董智今, 展秀麗, 丁小花

(1.寧夏大學 地理科學與規劃學院, 銀川750021; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌712100)

土壤粒徑分布(PSD)是土壤的重要物理特性之一，不僅影響著土壤水分、養分的轉運與截留，還影響著土壤的生產力、土壤侵蝕程度以及當地的生態恢復狀況[1-4]。因此，定量描述土壤PSD是解釋和理解土壤結構及其特性的重要內容[5-7]。分形維數理論與其模型已經在土壤學領域被廣泛應用，既可以描述土壤的特性，也能在一定的時空尺度內，定量化的表征土地沙化程度，以及土壤粗粒化的演變特征[8-12]，同時也可以定量的描述旱區農牧交錯帶不同土地利用類型下的土壤粒徑分布的均勻程度，以及土壤結構空間上的變異性[13-14]，還能夠間接反映自然環境變化和人類活動對土壤理化性質的影響，例如土壤的肥力，土壤的侵蝕狀況，土壤退化程度等，是評價土壤狀況的綜合指標[15-16]，也為土壤恢復提供了重要理論依據。

土壤粒度是研究土地沙漠化及其成因的主要指標之一。Tyler和Wheat craft最先提出土壤粒度質量與分形維數的關系；W. S. Chepil分析了土壤可蝕性受土壤中細粉粒的含量影響且分析了不同粒徑土壤與風力的相關性；在中國西北部，有關土壤粒度的研究主要集中在黃土和沙漠分布區，對民勤綠洲、艾比湖、毛烏素沙地、北方農牧交錯帶等區域的沉積物開展了土壤粒度研究[17-23]；王國玲等在鄂爾多斯高原的農牧交錯帶研究發現當地表沉積物類型不同時，表層土壤分形維數與粒級含量相關性有著明顯差異[17]；淮態等研究發現分形維數與土壤細顆粒物質呈顯著正相關，與粗顆粒物質呈顯著負相關[20]；羅鳳敏等研究發現烏蘭布和沙漠東北緣5種不同立地土壤粒徑以細沙為主，不同立地土壤分形維數差異極顯著[24]；杜海燕等研究阿拉爾墾區綠洲化過程中土壤粒徑時發現，0.05 mm是土壤粒徑與分形維數關系的臨界粒徑[25]；一些學者研究了渾善達克沙地3種不同灌木覆蓋下的沙地，其分形維數要高于裸沙地，土壤結構與肥力較裸沙地也有明顯改善[26-29]；王燕等發現在陰山北麓中部的農牧交錯區，不同管理方式下土壤顆粒組成以粉粒細粒為主[30]；陳新闖等發現在烏蘭布和沙漠沿黃段，耕地、草地和林地3種土地利用類型對土壤粒徑分布與分形維數影響明顯[31]。

寧夏鹽池縣位于毛烏素沙地西南緣，在空間上屬于我國北方旱區農牧交錯帶，多年來，一直是國家和寧夏回族自治區生態治理的重點區域，研究區內灌叢沙堆面積較大且未受人為干擾，其余樣地土壤類型均為灰鈣土且主要的土壤侵蝕過程為風力侵蝕。近年來，該地區防沙治沙工作取得重大效果，本文選擇5種不同土地利用類型為研究對象，計算、分析土壤顆粒特征及其單分形維數，旨在探討荒漠化治理與生態恢復過程中土壤粒度特征的變化，闡明不同土地利用類型對土壤粒度特征的影響，進而為該區域土地資源合理開發利用提供基礎依據，同時為為該區域生態恢復與可持續發展提供科學數據。

1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區中東部，鹽池縣高沙窩鎮和楊柳堡地區(37°48′N，107°17′E)。北側與毛烏素沙漠相連，南側為黃土高原，是典型的干旱草原向荒漠草原的過渡地帶。研究區是典型的中溫帶大陸性氣候，降雨集中在7—9月，降雨量年際變化大，多年平均降水量280 mm，蒸發量為1 517.8 mm，年均氣溫8.3℃，氣溫日較差21.7℃，日照時數3 054 h，有效積溫(>10℃)3 146.2℃，無霜期150 d，輻射量5 885.8 MJ/m2。

研究區地帶性土壤以灰鈣土為主，非地帶性土壤主要有風沙土和草甸土，土壤結構松散，肥力較低。研究區為典型的農牧交錯地帶，區域耕地表土層干燥疏松，長時間裸露于地表，風蝕程度較高，再加上長時間的耕作灌溉，使得土壤侵蝕嚴重。區域內牧業發達，過度放牧使得草地退化嚴重。研究區植被類型以草甸、沙地植被和荒漠植被為主，群落中常見植物種類以旱生和中旱生類型為主．主要優勢植物種有中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)和阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

樣地設置在毛烏素沙地西南緣，寧夏鹽池縣高沙窩鎮和楊柳堡區，選取5種不同土地利用類型，各樣地基本情況見表1，包括：農田(NT)；林地(LD)；灌叢沙堆(GC)的上(GC-S)、中(GC-Z)、下(GC-X)部分；草地(CD)；棄耕地(HD)。

2.2 土壤樣品采集

2019年10月，在研究區內選取農田、棄耕地、草地、林地、灌叢沙堆，5種具有代表性的采樣地，每個采樣點土壤剖面深度為30 cm，分5層( 0—5，5—10，10—15，15—20，20—25，25—30 cm)采樣，其中，對農田、棄耕地、草地、林地的每個樣地采用“S”型路線取三次重復進行混合，對灌叢沙堆的每個樣地在頂部、中部、底部3個位置每個取三次重復進行混合，然后將每個采樣地3個采樣點同一層次的土樣混合裝袋并進行編號。

2.3 分析方法

土壤粒度采用英國Malvern公司生產的Mastersizer 3000激光粒度儀測定。每個樣品重復測定3次，取平均值作為該樣品的最終測定結果，單位以體積百分比表示，重復性誤差≤±0.5%，準確性誤差≤±1%。根據美國農業部(USAD)制土壤質地分級標準劃分土壤質地劃分為：粗砂粒(500～1 000 μm)、中砂粒(250～500 μm)、細砂粒(100～250 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)共6個等級[28]。

表1 各樣地基本情況

以激光粒度分析儀所獲得粒徑體積數據為基礎，根據Tyler等[23]對土壤顆粒體積分形維數的概念及其計算公式推導，得到如下體積分形維數計算公式：

(1)

式(1)兩邊同時取對數可得土壤分形維數的計算公式：

(2)

式中:V為小于粒徑R的土壤總體積(%);VT為測定的土壤總體積(%);R為兩篩分粒級Ri與Ri+1間粒徑的平均值(mm);Rmax為土壤粒徑分級中最大粒徑,本研究中土壤最大粒徑為1 000 μm;D為土壤顆粒的體積分形維數,式(2)左邊為縱坐標,右邊為橫坐標線性回歸擬合方程,求出斜率值,3與直線斜率值的差值即為土壤分形維數D值。

2.4 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，Pearson相關系數進行相關性分析(α=0.05)，Origin 2018作圖。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用類型的土壤粒徑分布

由表2可知，GC-S，GC-X中極細砂粒體積含量最大，分別為38.25%和36.45%，粉粒，細砂粒次之，粗砂粒含量最少，GC-Z以細砂粒體積含量最大，為34.2%，粉粒，極細砂粒次之，黏粒與中砂粒體積含量最少，但相較于GC-S和GC-X，GC-Z的土壤粒徑分布更均勻，且粗顆粒體積含量更多，整體而言，GC上中下三部分土壤粒徑分布差異較小。LD土壤粒徑組成以細砂粒體積含量最大，為57.34%，極細砂粒體積含量次之，為30.04%，黏粒與粗砂粒體積含量最少，粒徑組成以細顆粒為主，且粒徑組成均勻度差。CD土壤粒徑組成以細砂粒體積含量最大，為50.19%，極細砂粒次之，為22.17%，含有較少的黏粒和粉粒，粗砂粒含量極少或沒有。NT土壤粒徑組成以粉粒體積含量最大，為34.18%，其次是細砂粒31.94%，粒徑組成更多的集中在粉粒，極細砂粒和細砂粒，相加所占比達92.98%，黏粒含量高于中砂粒，粗砂粒極少或無。HD土壤粒徑組成以粉粒體積含量最大，為45.10%，極細砂粒次之，粗砂粒極少或無。

表2 樣地土壤粒徑組成和土壤顆粒分形維數

3.2 不同土地利用類型的土壤顆粒分形特征

3.2.1 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數的差異由圖1可知，研究區內，不同土地利用類型下分形維數存在差異。高植被覆蓋度條件下的GC上中下3部分，土壤顆粒分形維數在2.55—2.62，質地更細的GC-S的分形維數值更大，砂粒含量更多的GC-Z分形維數值最小；灌木林地，檸條林，林帶間草本覆蓋的LD，其土壤顆粒砂粒體積含量高達93.64%，分形維數為1.83，是5種土地類型中分形維數值最小的；CD土壤顆粒分形維數為2.30；NT玉米留茬地，分形維數為2.62；HD土壤顆粒組成以粉粒、極細砂粒為主，質地更細，其分形維數為2.72，為5種土地類型中分形維數最大的。

綜上5種不同土地利用類型下，GC-S，GC-Z和NT差異不顯著，其余各土地利用類型存在顯著差異，HD平均分形維數最大(2.72)，LD最小(1.83)，分形維數呈現HD>NT=GC-S>GC-X >GC-Z>CD>LD的趨勢。分形維數的大小反映了土壤中細粒物質含量的多寡，LD土壤中細粒物質含量少，其分形維數也?。欢牡?，耕地和灌叢沙堆上部粉粒與黏粒含量較多，故其分形維數值更大。

3.2.2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數垂直分布差異 由圖2可知，在土壤粒徑的垂直分布上，GC表現為隨著土層深度的增加，各級粒徑體積含量與分形維數值變化不大，剖面整體D>2.5，最大值均出現在剖面表層0—5 cm處，其原因為表層受風化侵蝕嚴重，含有更多的細質顆粒物；LD中黏粒，粉粒與極細砂粒體積含量都表現為隨著土層深度的增加而明顯減少，細砂粒與中砂粒體積含量增加，體現在分形維數上則是隨著土層深度的增加，分形維數值降低明顯，剖面整體D<2.2，底層土壤粒徑組成單一且以粗質粒徑為主，在25—30 cm處達最小值1.42；CD則與LD相反，表現為隨著土層深度的增加，黏粒、粉粒與極細砂粒體積含量增加，細砂粒與中砂粒體積含量降低，分形維數隨土層深度增加而變大，表明CD土層越深細質顆粒越多，土壤顆粒組成越復雜，但是表層由于植被覆蓋較低，風化作用明顯，粗質顆粒多；NT與HD土壤粒徑表現為隨著土層深度的增加，各粒徑體積含量變與，分形維數值變化不大，由于受人為耕地活動的影響，剖面中黏粒和粉粒體積含量多，土壤粒徑組成復雜，剖面整體D<2.59。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數垂直分布

3.3 土壤粒徑與分形維數的關系

3.3.1 表層土壤顆粒分形維數與粒徑含量的關系 由于土壤風蝕主要發生在土壤表層，故僅對5種土地利用類型0—5 cm土壤粒徑體積百分含量與分形維進行回歸分析，其結果(圖3)。由圖可知，5種土地利用類型的分形維數與土壤黏粒含量、粉粒含量均成極顯著正相關(p<0.01)，與砂粒含量呈極顯著負相關(p<0.01)，這一結果與其他地區的研究結果一致[25]。顯然，土壤顆粒的粒徑組成不同，會導致土壤顆粒分形維數發生明顯變化，土壤中細小物質比例越高，分形維數愈大，且細小物質如黏粒、粉粒占的比例越大，對分形維數的影響也越大。分形維數與3組土壤粒徑的相關系數R2整體上呈粉粒>砂粒>黏粒的變化趨勢，這表明粉粒含量對分形維數的影響具有決定作用。

圖3 土地表層黏粒、粉粒和砂粒體積含量與分形維數相關關系

3.3.2 土壤顆粒分形維數與粒徑分布的關系 為探究毛烏素沙地西南緣風沙土顆粒分形維數的臨界粒徑，分析了土壤表層分形維數與6個土壤粒徑分布的相關性。由表3可知，分形維數與500～1 000 μm粒徑含量無明顯相關性，與<100 μm粒徑的粉砂、黏粒體積含量呈極顯著線性正相關，粉砂、黏粒體積含量越高，分形維數越大；與100～250 μm，250～500 μm細砂、中砂含量呈極顯著負相關，細砂、中砂含量越高，分形維數越?。坏c 250～500 μm粒徑體積含量呈不顯著線性負相關，相關系數0.488 2，所以100 μm成為土壤顆粒體積含量與分形維數正負相關的分界，是反應研究區域土壤顆粒分形維數的臨界粒徑，決定不同土地利用類型下土壤顆粒分形維數的粒徑分布為<100 μm的黏粒，粉粒，極細砂粒含量，同時該粒徑體積含量的大小也反應了不同土地利用類型的防止風蝕和攔截細粒物質的效果。

表3 土壤分形維數 D與土壤粒徑含量d的線性回歸關系

4 討 論

分形維數對細顆粒含量的變化最為敏感，由此可以將土壤顆粒分形維數作為評價毛烏素沙地西南緣土壤結構、肥力狀況及土壤退化程度的指標之一。研究表明，土壤分形維數與土壤顆粒組成密切相關[29]，且分形維數隨土壤質地由粗到細，呈現由小到大的變化趨勢[30]。我國主要的沙漠(沙地)，其沙物質大多為細砂(0.1～0.25 mm)，占總量的66.78%～99.38%，粗砂及粉砂含量很低[6]，本研究中，林地、草地和自然條件下形成的高覆蓋灌叢沙堆均以極細砂粒和細砂粒為主，而在人為耕作管理下的農田，以及雜草高度覆蓋的荒地則以粉粒，細砂為主，粒徑特征體現在分形維數上則呈現：荒地>農田>灌叢沙堆>草地>林地，這反映了不同土地利用方式導致土壤質地的變化，使得分形維數因此而變化，研究結果與前人研究相似。

林地、草地與自然形成的高覆蓋度灌叢沙堆土壤顆粒含量與分形維數的差異，可歸因于研究區域作為國家生態治理重點地區，防風治沙與生態修復取得了重大效果，植被能夠通過覆蓋地表、分解風力及阻擋輸沙來改變近地面流場，不同植被類型會導致沉積物組成產生差異[24]，防護林中的林地可以有效提高地表粗糙度，而且林草可以攔截風沙流中的細粒物質使之沉積于地表。研究區內，林地土壤表層可以截留下風沙中的細顆粒物質，但其深層土壤顆粒仍以粗粒為主，呈現出隨土層深度增加，分形維數減小的情況；草地為典型荒漠草原，受風蝕影響，表層土壤中細粒物質損失，分形維數小，深層土壤受風蝕影響較小，分形維數值大；農田為蕎麥翻耕地，植被覆蓋度較林草更高，且在人為耕作管理情況下，土壤結構得到改善，土體顆粒粒徑組成復雜，分形維數值大；棄耕地前期人為干預明顯，現階段已形成全面雜草覆蓋，高植被覆蓋下土壤結構發育完整，其粉粒，極細砂粒含量也更多，分形維數值也大。羅鳳敏等[24]、陳新闖等[31]的研究證實，在沙漠地區，特別是農牧交錯生態治理區，林地植被下土壤分形維數會增大，其原因是林草植被有效地攔截了因風蝕過程中的細顆粒物質，導致林地表面細?；潭燃訌姡寥婪中尉S數在表層值最高。這從另一方面也表明，植樹造林后，林草下細粒物質會增加，土壤顆粒粒徑分布、土壤質地與分形維數也隨之發生變化，因而，生長植被的地表土壤風蝕相對較輕。

土壤顆粒粒徑組成是決定土壤抗蝕性的重要因素[27-29]，不同土地利用方式體現了干擾對土壤粒徑分布的改變[23]。對于風蝕而言，損失的是易蝕或可蝕部分[9]，細沙與極細沙是極易被吹蝕的部分，而粉砂則具有最大的團聚度和抗風蝕度，土壤中粉砂的比率越大，砂的比率越小，則風蝕度越低[25]。本研究中粒徑分布與分形維數的相關性也說明，>100 μm的沙粒與分形維數呈負相關，且分形維數與粉砂，極細砂粒的含量的相關性最大，因此，100 μm可以用做表征研究區域的分形維數的臨界粒徑，研究區域的分形維數主要受<100 μm的粉砂與極細砂粒決定。

5 結 論

(1) 土地利用方式對毛烏素沙地西南緣土壤顆粒組成、分布影響明顯。草地，高覆蓋度灌叢沙堆以及林地的土壤粒度組成以細沙和中砂為主，耕地和荒地則以粉粒和極細砂為主。

(2) 5種土地利用類型土壤顆粒分形特征差異明顯，其分形維數呈現荒地>農田>灌叢沙堆>草地>林地的趨勢；土壤垂直分布上，林地土壤顆粒的分形維數隨土層深度的增加而減小，草地則隨深度的增加而增加，灌叢沙堆、農田與荒地變化幅度不明顯。

(3) 不同土地利用類型的土壤顆粒分形維數的大小與土壤質地的細粒化變化相一致，決定土壤顆粒分形維數的粒徑分布為<100 μm的黏粒，粉粒和極細砂極細砂粒含量，表明可反映該區域土壤顆粒分形維數的臨界粒徑為100 μm。