黑河中游荒漠-綠洲過渡帶固沙植物根區土壤顆粒組成及分形特征

周成乾,胡廣錄,2,李嘉楠,劉 鵬,陶 虎

(1. 蘭州交通大學 環境與市政工程學院,蘭州 730070;2. 甘肅省黃河水環境重點實驗室, 蘭州 730070;3. 甘肅省水土保持科學研究所,蘭州 730020)

土壤是由形態各異、大小不同的土壤顆粒組成,其顆粒組成具有一定的分形特征[1]。土壤顆粒組成的變化和差異可以用于判斷土壤退化和發展強度[2],土壤的理化特征也隨之改變,如土壤沙化、土壤通氣透水能力增加,保水能力降低,土壤顆粒組成也是重要的土壤性質之一[3]。分形維數作為分形理論的重要參數,在自然界不規則現象中反映了復雜形體占有空間的有效性,同樣也是對形體不規則性的度量[4-5]。隨著分形理論的不斷發展,分形理論在土壤學中被廣泛應用[6-7],土壤顆粒分形維數D可作為評價土壤沙化演變的定量指標之一[8]。研究者對土壤顆粒特征及分形特征開展了諸多研究。南富森等[9]研究了北岸蘭州段沙漠-草原過渡帶的土壤分形特征,發現荒漠化加劇使得土壤中較細的顆粒物流失,土壤顆粒分形維數D降低。羅鳳敏等[10]研究了烏蘭布和沙漠邊緣的5種不同利用類型土地的土壤粒度特征,發現植被區風蝕活動顯著小于流動沙丘和沙障治理區。

荒漠-綠洲過渡帶作為荒漠生態系統和綠洲生態系統之間的交錯帶,其內部有著許多人工和自然生長的固沙植被[11]。固沙植物通過降低風沙流速、防治風蝕、固定沙丘、改善土壤的理化性質,進而使得沙化土地生態功能和土地生產力恢復[12-13]。近年來,黑河中游荒漠-綠洲過渡帶受人為干擾,內部固沙植物出現了不同程度的衰退,對已固定的沙丘穩定性產生影響,進而嚴重威脅著黑河中游綠洲生態系統。隨著固沙植物的退化,植被覆蓋度降低,土壤顆粒逐漸變粗[14],生態植被穩定性變差。土壤顆粒組成作為固沙植物生長發育的物質基礎[15],對于構建穩定的生態系統具有重要作用。因此,研究固沙植物根區的土壤顆粒組成及其分形特征十分重要,對維持過渡帶生態穩定和荒漠沙化土壤恢復具有現實意義。

目前,學者們針對黑河中游荒漠-綠洲過渡帶的固沙植物開展了許多研究[16-18],并取得了大量成果,但對固沙植物根區土壤顆粒特征的研究鮮有報道。為探究黑河中游荒漠-綠洲過渡帶根區土壤顆粒及分形特征,本文以過渡帶中的梭梭、沙拐棗和泡泡刺這3種固沙植物根區土壤為研究對象,對根區土壤顆粒組成及其分形特征、土壤顆粒分形維數D與土壤粒度組成的相關關系進行了分析,揭示了固沙植物根區的土壤顆粒組成及分析特征。研究結果有助于理解干旱沙漠地區固沙植物在風沙活動中的作用,也可為黑河中游荒漠-綠洲過渡帶固沙植物的恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省張掖市臨澤縣境內,地理坐標為東經(100°09′12″～100°09′14″),北緯(39°21′53″～39°22′01″),地處臨澤綠洲、荒漠和巴丹吉林沙漠延伸帶之間,地勢較為平坦,平均海拔1 350 m左右(見圖1)。氣候屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候,多年平均降雨量為117 mm,多年平均蒸發量為2 146.3 mm,是降雨量的18倍,多年平均氣溫為7.6 ℃,年日照時間為3 053 h,日照充足;研究區風沙活動強烈,每年3～5月是風沙活動的主要時期,由于長期受到風沙侵蝕的影響,土壤類型以風沙土為主;研究區內部植被群落結構簡單,呈斑塊狀或帶狀分布,植被覆蓋度在10%～30%之間,主要的固沙植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa),檉柳(Tamarixramosissima)、沙拐棗(Calligonummongolicum)等。

圖1 研究區概況圖

1.2 樣地選擇與樣品采集

2021年8月,在研究區范圍內選擇一塊200 m×200 m的丘間低地作為代表性樣地,選取樣地內不同固沙植物(泡泡刺沙堆、沙拐棗、梭梭)各4棵(叢)作為研究對象(見圖2)。被挑選的同種固沙植物長勢基本相近(冠幅、高度、枝干粗細等),且每個被選植株(或沙堆)均與周圍(約5 m內)的其他固沙植物互不影響。野外對被選固沙植物進行調查測量,結果見表1。在距離被選固沙植物冠幅邊緣0～1 m范圍設置采樣點,每棵固沙植物根區范圍設3個采樣點,如圖3所示。在采樣點先挖掘剖面,然后在0～120 cm土層內按照20 cm垂直間距為一土層,用環刀采集每一土層的原狀土樣,每一層3個環刀樣混合后,先清除土樣中的石爍和植物殘體,再四分法取約1 kg散土樣裝入自封袋并分類標記,帶回實驗室待測。

表1 固沙植物基本性質

圖2 固沙植物示意圖

圖3 樣地設置及采樣點位示意圖

1.3 測定項目與方法

土壤粒徑分布使用Mastersizer 3000激光粒度儀(英國,馬爾文公司)測定。土壤顆粒粒徑劃分參考美國農業部(USDA)土壤質地分級標準[20](見表2)。

表2 土壤顆粒粒徑分級標準

1.4 土壤顆粒分形維數D計算

土壤顆粒分形維數D通過粒度儀測定結果和土壤顆粒體積分形維數[21]的計算方法來計算:

式中:r表示測量粒徑;Rmax為最大粒級土壤顆粒的直徑;D為土壤顆粒分形維數;Ri為第i級粒級,計算中Ri為粒級區間的平均值;V(r

1.5 數據處理

數據的處理和統計分析采用Excel 2010和SPSS 26軟件完成;對固沙植物根區土壤顆粒分形維數D和不同粒級顆粒進行皮爾遜相關性分析;對固沙植物根區土壤顆粒分形維數D運用鄧肯法進行差異顯著性檢驗;用Origin 2021軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 固沙植物根區土壤顆粒分布特征

根據激光粒度儀輸出結果,繪制土壤粒度頻率曲線(PSD),如圖4所示。研究區3種固沙植物根區0～120 cm土層土壤粒徑分布頻率曲線的峰值區間較接近,變化幅度不大,粒徑主要集中在0.1～0.5 mm之間,峰型呈單峰。與0～40 cm土層相比,泡泡刺根區40～120 cm土層土壤粒徑分布非均勻程度明顯增加;與0～60 cm土層相比,梭梭根區60～120 cm土層土壤粒徑分布非均勻程度亦明顯增加;沙拐棗根區0～120 cm土層土壤粒徑分布則無明顯變化。

圖4 土壤粒度頻率曲線

如表3所列,3種固沙植物根區0～120 cm土層土壤中,粗砂粒的平均質量分數為泡泡刺(6.12%)>梭梭(5.68%)>沙拐棗(0.01%),中砂粒的平均質量分數為泡泡刺(38.86%)>梭梭(37.32%)>沙拐棗(21.46%),細砂粒的平均質量分數為沙拐棗(68.47%)>梭梭(49.05%)>泡泡刺(46.09%),極細砂粒的平均質量分數為沙拐棗(6.01%)>梭梭(4.05%)>泡泡刺(4.01%),粉粒的平均質量分數為泡泡刺(4.70%)>沙拐棗(3.92%)>梭梭(3.56%),黏粒的平均質量分數為泡泡刺(0.23%)>梭梭(0.16%)>沙拐棗(0.14%)。固沙植物的存在增加了地表的粗糙程度,可以有效地降低風速,使得風沙流中的細顆粒物質在根區附近沉積,但不同的固沙植物由于其植被形態存在差異,導致根區細顆粒物質的沉積也存在顯著差異。3種固沙植物中,由于泡泡刺冠幅較大貼近地表,且枝條較為繁密,根區的細顆粒物質質量分數顯著高于梭梭和沙拐棗,泡泡刺的固沙能力高于梭梭和沙拐棗。沙拐棗根區土壤砂粒中,粗砂粒和中砂粒質量分數顯著低于泡泡刺和梭梭,細砂粒和極細砂粒質量分數顯著高于梭梭和泡泡刺,沙拐棗根區土壤顆粒整體偏細。

表3 不同固沙植物根區土壤粒徑分布

2.2 固沙植物根區土壤顆粒分形維數D的特征

如表3所列,除沙拐棗根區20～40 cm土層的擬合優度為0.77外,其余土層的擬合優度均大于0.93,說明本文利用土壤體積分形維數擬合得到的土壤顆粒分形維數D結果可靠。

比較不同固沙植物根區各土層深度(0～120 cm)的土壤顆粒分形維數D(見圖5),泡泡刺根區土壤顆粒分形維數D的變化范圍為1.85～2.10,平均值為2.00;沙拐棗根區土壤顆粒分形維數D變化范圍為1.73～2.00,平均值為1.91;梭梭根區土壤顆粒分形維數D變化范圍為1.79～2.04,平均值為1.94。隨采樣深度增加,3種固沙植物根區淺層(0～60 cm)土壤顆粒分形維數D變化幅度較大,在深層(60～120 cm)土壤顆粒分形維數D變化幅度相對較小,其中梭梭和沙拐棗的土壤顆粒分形維數D隨采樣深度增加,變化趨勢基本一致。綜合分析可知,不同固沙植物根區土壤顆粒分形維數D從大到小依次排序為:泡泡刺>梭梭>沙拐棗,且淺層土壤容易受到外界因素的影響,其土壤顆粒分形維數D值變化浮動較大。

圖5 不同固沙植物根區土壤顆粒分形維數D隨土層深度的變化

2.3 固沙植物根區土壤顆粒分形維數D與粒度組成相關關系

土壤顆粒分形維數D與不同粒級土壤顆粒質量分數的皮爾遜相關性如表4所列。土壤顆粒分形維數D與土壤顆粒中的黏粒和粉粒質量分數呈極顯著的正相關關系,與土壤中顆粒的砂粒質量分數呈極顯著負相關關系。土壤砂粒中的各級土壤顆粒與土壤顆粒分形維數D的相關性未達到顯著水平。土壤中小于0.05 mm的細顆粒越多,土壤顆粒分形維數D值就越大,反之越小。

表4 土壤機械組成與土壤顆粒分形維數D的相關關系

3 討論

土壤顆粒粒徑分布與組成是土壤最基本的物理性質,反映了土壤的結構特征[22]。本研究中,黑河中游荒漠-綠洲過渡帶的成土母質為風沙土,地形和植被類型影響土壤顆粒組成及粒徑分布。已有研究[23]表明,黑河中游荒漠-綠洲過渡帶地表0～10 cm土層土壤的粒度組成以中砂(0.25～0.5 mm)和細砂(0.075～0.25 mm)為主,本文研究也得出了相似結果。這是由于研究區位于干旱地區,降水量少、風速較大,風選作用嚴重,所以土壤中以中砂粒質量分數居多,土壤粒度頻率曲線也反映了土壤粒徑分布的這一特征。固沙植物的種類與其根區土壤的粒度組成有著密切的關系[24],而土壤的粒度組成又顯著影響著土壤理化性質和微生物環境[25]。固沙植物不僅能降低風沙活動的風速,減輕地表風蝕,使風沙流中攜帶的細顆粒物質沉積到植物根區,而且隨著固沙植物的生長發育,受植物根系擠壓的根區土壤變得更為致密,增加土壤結構的穩定性,使根區土壤的抗風蝕能力增強[26]。由于固沙植物的生物學形態差異,其表現出的防風固沙效能也不同。本研究中,泡泡刺根區細顆粒物質最多,其固沙效能最強,主要原因是泡泡刺貼近沙堆地表,冠幅較大、枝葉繁密[27],有效增加了地表粗糙度,降低了風沙流速,使得細顆粒物沉積在根區。梭梭雖然冠幅較大,但其地表0～50 cm處的枝條較少[28],難以降低地表的風速,地表仍存在一定的風蝕。沙拐棗雖然擁有較為繁密的枝條,但其冠幅較小、葉片較少[19],在風沙活動中無法有效降低風速和使得顆粒物沉積,其固沙能力為三者中最差。有研究表明,梭梭垂直根系發達,側根系較少[29],由于“濕島效應”的存在泡泡刺根系主要集中在沙堆內部,沙堆下部根系較少[30],沙拐棗垂直根系不發達,側根極其發達,側根系走向基本與地面平行[31]。本研究表明,沙拐棗根區土壤中細砂粒和極細砂粒質量分數顯著高于泡泡刺和梭梭,而粗砂粒和中砂粒質量分數顯著低于泡泡刺和梭梭,沙拐棗顯著減小了根區土壤中粗顆粒粒徑質量分數,這可能與沙拐棗的側根系發達,對淺層土壤的固結作用較強有關。

土壤顆粒分形維數D是土壤結構的表征,而土壤細顆粒物質的質量分數是土壤結構穩定與否的關鍵[32]。本研究表明,固沙植物根區土壤中粉粒、黏粒質量分數越高,土壤顆粒分形維數D越大,即土壤質地越細膩,分形維數值越高,這與Qi[33]和Gao[34]的研究結果基本一致,土壤中細顆粒物質(粉粒、黏粒)質量分數越高,越容易填充土壤中的細小孔隙,使得土壤結構越緊實[35],增強了土壤的穩定性和抗侵蝕能力。本研究中,固沙植物根區淺層的土壤顆粒分形維數D變化幅度較大,深層的變化幅度較小,這是因為淺層土壤中的粉粒和黏粒質量分數受風沙活動影響較大所導致。有研究[36]表明,某一粒級顆粒質量分數過高和過低都會導致土壤質量和土壤結構變差,如土壤細顆粒物質流失,土壤砂粒質量分數增大,土壤大孔隙增多,土壤的保水保肥性變差[37]。由于風蝕作用,黑河中游荒漠-綠洲過渡帶土壤中砂粒質量分數過高,土壤的持水能力較低,這是目前區域生態植被恢復所面臨的最主要問題。因此,在未來沙化土壤治理過程中,對土壤中各粒徑顆粒質量分數進行研究,合理調控土壤顆粒的配比,增加土壤中細顆粒質量分數、改善粗粒化的土壤結構是該地區生態恢復的關鍵。

土壤細顆粒物質的流失,是導致土地荒漠化發生的重要原因[36]。而固沙植物的根系固持和莖葉截流能夠有效的減少細顆粒物質的流失,并在根區附近產生一定量的沉積,同時也改善了根區土壤結構和理化性質[38]。因此,增加過渡帶內固沙植物數量及覆蓋面積對維持沙丘的穩定性和減少土壤沙化的風險具有重要意義。

4 結論

1) 3種固沙植物根區0～120 cm土層中,土壤顆粒均以細砂粒和中砂粒為主,質量分數占比超過75%,除這兩種主要顆粒外,其他土壤顆粒質量分數從高到低依次為極細砂粒、粗砂粒、粉粒和黏粒。3種固沙植物根區土壤顆粒組成存在顯著差異(P<0.05),泡泡刺根區土壤粉粒和黏粒質量分數顯著高于沙拐棗和梭梭,沙拐棗根區土壤細砂粒和極細砂粒質量分數顯著高于泡泡刺和梭梭,粗砂粒和中砂粒質量分數則顯著低于泡泡刺和梭梭,可以看出,3種固沙植物中,泡泡刺的固沙能力最出色,而沙拐棗根區的粒徑整體上最細。

2) 3種固沙植物根區的土壤顆粒分形維數D存在顯著差異(P<0.05),根區平均土壤顆粒分形維數D為泡泡刺(2.00)>梭梭(1.94)>沙拐棗(1.91),且固沙植物根區的土壤顆粒分形維數D的范圍為1.73～2.10,整體處于較低水平,且淺層(0～60 cm)土壤易受外界因素干擾,土壤顆粒分形維數D變化幅度較大。

3) 3種固沙植物根區土壤中,土壤顆粒分形維數D與土壤顆粒中黏粒和粉粒的質量分數呈極顯著正相關關系,與土壤顆粒中砂粒的質量分數呈極顯著負相關關系,土壤砂粒中的各級土壤顆粒與土壤顆粒分形維數D的相關性未達到顯著水平。土壤顆粒分形維數D的大小反映了土壤的機械組成,其中細顆粒物質是影響固沙植物根區土壤顆粒分形維數D的主要原因。因此,提高固沙植物根區土壤中細顆粒物質的質量分數,可有效改善土壤結構,維持過渡帶生態植被的穩定。