草海不同石漠化程度土壤分形特征研究

2015-12-16李翠莲戴全厚

水土保持研究 2015年1期

李翠莲，戴全厚，姚云

（1.贵州大学林学院，贵阳550025；2.息烽县林业绿化局，贵州息烽551100；3.息烽县水务管理局，贵州息烽551100）

草海湿地是我国一级保护鸟类黑颈鹤的主要越冬栖息地，由水域、沼泽、草甸以及丰富的水生动植物和较高生产力的水生生物群落组成，是一个完整的高原湿地生态系统，其结构和功能完整，是我国亚热带高原湿地生态系统的典型代表。由于受人为活动的影响，作为国家的一级重要保护湿地［1］，草海的生态坏境受到严重的威胁。目前，威宁全县石漠化面积占土地总面积的17.53%，其中，轻度石漠化占69.46%，中度石漠化占27.69%，强度石漠化（含极强度）占2.85%［2］。石漠化的形成，加大了上游地区的水土流失，大量的地表径流携带泥沙进入草海，造成草海泥沙淤积，库容减小。泥沙还携带大量养分进入草海，造成水体富营养化，扰乱整个湿地生态系统。水土流失的加剧，导致原本脆弱的石漠化形势更加严峻。

土壤是由大小、形状各异的土壤颗粒和孔隙组成的结构极不规则的多孔介质，是一种较典型的分形材料，具有统计意义上的自相似性，是具有分形特征的系统［3－5］。分维值D的大小直接表征样本之间的结构性，能较好地表征喀斯特石漠化过程中的土壤物理性质和养分状况以及石漠化的程度，可作为评价喀斯特地区土壤退化的定量指标之一［6］。

自分形理论提出以来，国内外对土壤的分形特征有了大量的研究，但其研究方向主要集中在不同植被类型［7－9］、植被破坏前后［10］及不同土地利用方式［11］下的土壤分形特征，而对不同石漠化程度土壤分形特征的研究不多［6，12－14］。尤其对草海石漠化地区土壤分形特征的研究几乎是空白。因此，本研究运用分形理论，对草海不同石漠化程度土地的土壤颗粒及团聚体的分形特征进行研究，旨在揭示草海地区石漠化土壤的结构特征，为草海地区石漠化治理和草海湿地的保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省毕节地区威宁彝族回族苗族自治县草海镇，属草海湿地上游集水区。地理坐标为东经103°36′—104°45′，北纬26°30′—27°25′，最高海拔2 879m，最低海拔1 234m，相对高差1 645m，平均海拔2 220m。气候为亚热带季风性湿润气候，年均气温为10.4℃，冬季寒冷，夏季温凉，日温差大，年温差小。年平均降雨量为962mm，且主要集中在6—9月，约占全年降水量的89.30%，年均日照时数为1 800h，无霜期180d，全年干湿分明，光照充足。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择及土样的采集根据不同石漠化程度（石漠化程度的划分参考彭琴等［15］学者的划分方法），在研究区设置5个样地（样地特征见表1），每个样地分别设置3个20m×20m的样方，在样方内按S型布设5个采样点，用铝盒采集表层（0—20cm）原状土，用于测定土壤团聚体；用土钻在5个采样点钻取0—20 cm的土样，带回实验室风干，分别过1mm和0.25mm筛，用于测定土壤机械组成和土壤微团聚体。

表1 样地基本特征

1.2.2 测定方法土壤机械组成及微团聚体的测定采用吸管法，土壤团聚体的测定采用干—湿筛法［16］。

1.2.3 数据处理与分析用 Excel 2010进行数据的处理及图表的绘制、用Spss 18.0软件进行数据的统计分析。

1.3 土壤分形维数计算方法

分形维数采用杨培岭等［17］的方法，计算公式为：

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒组成及其分形特征

土壤颗粒组成是构成土壤结构体的基本单元。不同土壤粒径含量组合构成不同质地的土壤类型，影响土壤的理化性质，决定土壤的持水性、通透性及保温、保肥能力，进而影响土壤的物理、化学和生物学过程［13］。由表2可知，Ⅳ号样地的砂粒（1～0.05mm）含量最高，达11.59%，其次是Ⅲ号样地，11.03%，Ⅰ号样地含量最少，仅为8.14%；Ⅴ号样地的粉粒（0.001～0.005mm）含量最高，Ⅰ号样地最低，粉粒含量从高到低依次是：Ⅴ号（49.60%）、Ⅳ号（46.14%）、Ⅲ号（44.40%）、Ⅱ号（43.47%）、Ⅰ号（37.85%）；各样地土壤中黏粒（＜0.001mm）的含量大小与粉粒（0.001～0.005mm）相反，表现为：Ⅰ号（54.01%）＞Ⅱ号（47.78%）＞Ⅲ号（44.57%）＞Ⅳ号（42.27%）＞Ⅴ号（41.73%）；从土壤颗粒的分形维数可看出，Ⅰ号样地分形维数最大，为2.908 4，Ⅴ号样地最小，为2.854 3，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号样地分别为2.881 8，2.865 5，2.861 5。同时，分形维数呈随着粉粒含量的增加而减小，随着黏粒的增加而增加的规律。通过对各粒径含量与分形维数进行相关性分析发现：颗粒分形维数与＜0.001mm含量呈极显著的正相关，相关系数为0.995＊＊，与0.001～0.005mm 含量呈正相关（未达到显著），与0.005～0.01mm，0.01～0.05mm，0.05～1mm 含量均呈负相关，但仅与0.01～0.05mm的含量达到显著水平，相关系数为－0.957＊。对分形维数与土壤砂粒（1～0.05mm）、粉粒（0.001～0.5mm）、黏粒（＜0.001mm）作线性回归，关系式为D颗粒＝2.949～0.008X砂粒，相关系数为0.007；D颗粒＝3.088～0.005X粉粒，相关系数为－0.963＊＊；D颗粒＝2.678＋0.004X粘粒，相关系数为0.995＊＊。结果表明，土壤颗粒分形维数与土壤粉粒含量呈极显著的负相关关系，与土壤黏粒含量呈极显著的正相关关系，即土壤粘性越重，颗粒分形维数越大。

表2 土壤颗粒组成及其分形维数

2.2 土壤微团聚体组成及其分形维数

土壤微团聚体是土壤细小颗粒在有机—无机胶结物的作用下相互凝聚和粘结而成的复杂综合体，对土壤中水分和营养元素保贮、释供及转化等方面发挥着重要的作用，影响着土壤肥力水平的高低和土壤结构的改善［18］。由表3可以看出，Ⅰ号样地＜0.001mm微团聚体的含量最高（21.61%），Ⅴ号样地含量最低（10.13%），从Ⅰ号样地到Ⅴ号样地呈递减趋势。Ⅰ号样地1～0.25mm微团聚体含量最低，为19.73%，且与其他样地相差较大，其余样地从大到小依次为：Ⅴ号样地（41.34%）＞Ⅳ号样地（34.89%）＞Ⅱ号样地（33.75%）＞Ⅲ号样地（30.89%）。0.25～0.05mm微团聚体含量变化范围为8.71%～11.74%，其中Ⅴ号样地含量最高，Ⅲ号样地最低。0.05～0.01mm微团聚体含量介于15.68～19.08%之间，高低顺序依次为Ⅰ号样地＞Ⅲ号样地＞Ⅴ号样地＞Ⅳ号样地＞Ⅱ号样地。0.01～0.005mm微团聚体含量最少，只占了6.73%～8.03%，其中以Ⅳ号样地含量最高，Ⅰ号样地次之，Ⅴ号样地最低。0.005～0.001mm微团聚体含量，由高到低依次是：Ⅰ号样地（22.27%）＞Ⅲ号样地（17.62%）＞Ⅳ号样地（17.37%）＞Ⅱ号样地（16.93%）＞Ⅴ号样地（12.47%）。陈恩凤等［19］认为小于和大于0.01mm的两类“特征微团聚体”的组成比例，是综合评价土壤肥力的新的有用指标，且＜0.01 mm／＞0.01mm微团聚体含量的比值是肥地＜瘦地。从表3可以得出，Ⅴ号样地大粒级（＞0.01mm）微团聚体含量最高，为70.67%，Ⅳ号样地次之，为62.92%，Ⅰ号样地最低，为48.39%；除Ⅰ号样地外，其余样地大粒级（＞0.01mm）微团聚体含量都大于50%（Ⅲ号样地为58.46%，Ⅱ号样地为60.1%），说明研究区土壤微团聚体主要以＞0.01mm的大粒级为主。从＜0.01mm／＞0.01mm微团聚体含量的比值来看，Ⅰ号样地（1.066 5）＞Ⅲ号样地（0.710 57）＞Ⅱ号样地（0.663 9）＞Ⅳ号样地（0.589 3）＞Ⅴ号样地（0.415 0）。

表3 土壤微团聚体组成及其分形维数

不同石漠化程度土壤微团聚体分形维数为2.697 6～2.795 0，其大小分别是Ⅰ号样地（2.795 0）＞Ⅲ号样地（2.753 5）＞Ⅱ号样地（2.753 3）＞Ⅳ号样地（2.713 1）＞Ⅴ号样地（2.697 6）。将分形维数D微团与各粒级团聚体之间进行相关性分析，结果表明分形维数D微团与1～0.25mm微团聚体呈显著的负相关（r＝－0.942＊，P＜0.05），与0.005～0.001mm微团聚体呈显著的正相关（r＝0.893＊，P＜0.05），与＜0.001mm微团聚体呈极显著的正相关（r＝0.991＊＊，P＜0.01）。对分形维数D微团与大粒（＞0.01mm）微团聚体作线性回归，关系式为D微团＝3.018～0.005X大粒，相关系数为－0.964＊＊。显然，土壤微团聚体较大粒级含量越多，微团聚体分形维数越小。

2.3 土壤团聚体组成及其分形维数

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，有保证和协调土壤中的水肥气热，影响土壤酶活性的种类和活性，维持和稳定土壤疏松熟化层的作用，其大、小粒级的组成比例，影响着土壤肥力水平的高低［20］。

由土壤团聚体干筛结果可知（表4），各样地＞5 mm土壤团聚体的含量均在70%以上，Ⅰ号样地最高，达到了87.27%，Ⅱ号样地最低，为70.27%，结果表明研究区土壤团聚体以＞5mm的大粒级团聚体为主。5～2mm团聚体的含量次之，各样地间的含量大小顺序为Ⅱ号样地＞Ⅳ号样地＞Ⅲ号样地＞Ⅰ号样地。2～1mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm，＜0.25mm土壤团聚体的含量相对较少，其中2～1 mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm土壤团聚体含量最大值均出现在Ⅱ号样地，且Ⅰ号样地2～1mm，1～0.5mm，＜0.25mm土壤团聚体含量均最小。土壤团聚体干筛分形维数变化范围为1.909 3～2.046 0，从大到小依次为Ⅲ号样地（2.046 0）＞Ⅴ号样地（2.022 6）＞Ⅰ号样地（1.973 9）＞Ⅳ号样地（1.914）＞Ⅱ号样地（1.909 3）。

经过湿筛后，＞5mm土壤团聚体含量急剧下降，其中减幅最大的是Ⅰ号样地，减少了86.07%；其次是Ⅴ号样地，减少了65.37%；Ⅳ号样地减少量最小，也减少了30.72%。结果表明，在石漠化地区，土壤团聚体抵抗水力分离、崩解的能力比较弱。样地土壤中其他粒级土壤团聚体含量都有不同程度的提高，以＜0.25mm 土壤团聚体含量增幅最大，为680.20%～3812.28%，各样地含量从大到小依次为：Ⅰ号样地（22.30%）＞Ⅲ号样地（17.46%）＞Ⅱ号样地（11.56%）＞ Ⅴ 号样地（9.76%）＞ Ⅳ 号样地（7.88%）。

从表中可以看出，各样地土壤水稳性团聚体主要集中在较大粒级，Ⅰ—Ⅳ号样地＞2mm水稳性团聚体的含量分别为 37.26%，60.94%，68.70%，71.22%，58.68%。通过计算得到各样地结构体破坏率，结果为：Ⅰ号样地＞Ⅲ号样地＞Ⅱ号样地＞Ⅴ号样地＞Ⅳ号样地。土壤经过湿筛处理后，其团聚体分形维数也有所提高，各土壤水稳性团聚体的分形维数为：Ⅲ号样地（2.648 8）＞Ⅰ号样地（2.491 4）＞Ⅱ号样地（2.374 0）＞Ⅳ号样地（2.317 2）＞Ⅴ号样地（2.261 9）。对＞0.25mm土壤团聚体与团聚体分形维数进行线性回归分析，得到：D团聚体＝5.049～0.031X＞0.25mm，r＝－0.932＊＊。说明土壤团聚体分形维数随土壤团粒结构体含量的增加而减小。

表4 土壤团聚体组成及其分形维数

2.4 不同石漠化等级土壤分形维数

从表5可知，不同石漠化程度土壤各分形维数均表现出D颗粒＞D微团＞D湿筛＞D干筛，且D颗粒与D微团的最大值都出现在重度石漠化土壤中，无石漠化样地土壤D颗粒、D微团值最小。对土壤颗粒组成分形维数D颗粒和土壤微团聚体分形维数D微团作相关性分析后，发现土壤颗粒组成分形维数与土壤微团聚体分形维数呈显著的正相关关系，相关系数为0.922＊。土壤颗粒组成分形维数从Ⅰ—Ⅴ号样地逐渐减小，即随石漠化等级的增加而增大。分形维数越大，土壤粘性越重，土壤通透性就越差。相比无石漠化地，石漠化样地的土壤颗粒组成分形维数都较大，说明石漠化发展过程中，土壤有向重粘性质地发展的趋势。有研究认为随着石漠化的发展，土壤物理性黏粒（粒径＜0.01mm）含量逐渐增加，物理性砂粒（粒径＞0.01 mm）含量逐渐减少，土壤向粘质化、紧密化发展［13］。同时，土壤微团聚体分形维数曲线表现出先下降再上升后下降的趋势，但从石漠化程度来看，土壤微团聚体分形维数总体上是随石漠化程度的降低而下降；各石漠化等级土壤风干团聚体经过湿筛处理后，出现分形维数升高的现象。就土壤风干团聚体分形维数而言，最高值出现在中度石漠化样地，其次是无石漠化样地，但它在石漠化发展过程中的变化规律并不明显。湿筛后，土壤团聚体分形维数曲线与风干土壤团聚体分形维数曲线相似，只有无石漠化样地的团聚体分形维数从风干时的第二，变成了湿筛处理后的最低值。

表5 不同石漠化程度土壤分形维数

3 结论与讨论

（1）石漠化地区土壤颗粒分形维数为2.854 5～2.908 4，且土壤颗粒分形维数与土壤粉粒含量呈极显著负相关（r＝－0.963＊＊，P＜0.01）、与黏粒呈极显著的正相关关系（r＝0.995＊＊，P＜0.01）。这与许多学者的研究结果类似，都认为分形维数的大小主要是由粒级较细的颗粒含量所决定［21］。土壤微团聚体主要以＞0.01mm的大粒级微团聚体为主，同时对土壤微团聚体分形维数与大粒（＞0.01mm）微团聚体含量做线性回归之后相关性显著。各样地土壤风干团聚体＞5mm粒级的含量均在70%以上，经过湿筛处理，＞5mm土壤团聚体含量大量的减少，而其他粒级土壤团聚体都有不同程度的提高，其中＜0.25 mm土壤团聚体含量增加最明显。造成这种现象的原因可能是土粒间、微结构间的胶结力较小［22］，胶结物含量较少。土壤团聚体抵抗水流崩解、分散的能力往往表征土壤抵抗水流侵蚀的能力，因此研究区一旦遇到径流，就很容易发生土壤侵蚀，造成水土流失。

（2）不同石漠化程度土壤各分形维数均表现出D颗粒＞D微团＞D湿筛＞D干筛，且土壤颗粒组成分形维数与土壤微团聚体分形维数相关性显著。从石漠化演化过程来看，土壤颗粒组成分形维数与土壤微团聚体分形维数都有随石漠化等级的减小而逐渐降低的趋势。这是由于在石漠化的水蚀区土壤的侵蚀程度越大，其重量分形维数就越小，这与陈子玉［23］等学者对南方水蚀区土壤颗粒分形的研究结果相似。同时也表明对于石漠化过程中土壤团聚体分形特征来说，土壤干、湿筛分形维数变化相似，但随石漠化程度的变化规律并不明显。

（3）随着石漠化程度增强，土壤颗粒分形维数增加，土壤黏粒含量表现出增加的趋势。出现这一现象的原因可能是由于受人为因素的影响，石漠化的加剧造成植被覆盖率下降、植物群落从高级到低级演替的结果，同时植物根系对土壤的穿插和网络固结作用，可以改变土壤的通透性和力学性质，使颗粒组成和理化性质发生变化［23］。有研究表明，石漠化地区土壤物理性黏粒与植被覆盖率有显著的相关性［24］。因此，应基于不同程度石漠化土壤分形特征的研究，探究研究区石漠化综合治理模式，从根本上改善土壤结构，提高土壤抗侵蚀能力，为研究区的石漠化治理提供重要依据。

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