希拉穆仁天然草地不同群落土壤分形特征及其影响因素

王瑞东, 高 永, 党晓宏，2, 蒙仲举

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010018;2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站, 内蒙古 鄂尔多斯 017400)

草地生态系统作为全球陆地生态系统中分布最广、最重要的组成部分，对全球气候变化具有一定的影响[1]。在中国，草地不仅是畜牧业生产的基地，更是构建我国北方生态安全屏障必不可少的资源[2]。近50 a来，由于自然条件的严峻性、气候条件的波动性和人类社会各种不合理扰动性的相互作用，我国草场面积在持续不断地减少[3-4]，尤其位于我国西北方生态环境相对脆弱的地区，草地退化愈来愈严重，使得该地区草地植被的质量和产量下降，土壤有机质含量下降，土壤质地变粗砂化，草地生产力减退，草地覆盖度下降，土壤风蚀加剧，生态环境恶化等一系列现象已对内蒙古西北地区生态环境和可持续发展构成一定的威胁[5-8]。

在我国西北干旱、半干旱及亚湿润干旱地区土壤风蚀是导致草场退化的主要过程之一，而土壤质地的差异直接影响土壤风蚀程度的不同[9]。近年来，随着学者对分形学的研究和探讨，在定量描述土壤质地方面分形理论的应用已有了新的发展，在一定程度上可以表征风蚀地区土壤沙化演变的定量指标[10-14]。与传统方法相比较，分形模型能进一步说明分形维数的物理意义[15]。到目前为止，针对希拉穆仁荒漠草原草场退化及土壤风蚀较严重的生态环境特点，国内学者从不同角度进行探讨和分析，取得了大量的研究成果，当地相关部门也进行了一定的封育等管理措施[16-18]。然而，运用分形理论对希拉穆仁荒漠草原不同群落土壤粒径的研究报道较少。基于此，本研究以内蒙古阴山北麓中部的希拉穆仁荒漠草原围封16 a的不同群落类型为对象，探讨荒漠草原封育措施下不同群落类型土壤颗粒分形特征及其影响因素，阐明其对土壤物理结构的影响，以期为希拉穆仁天然草地生境下的土壤颗粒分形学机制奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古高原中部地带达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)东南部希拉穆仁草原(111°13′39″E，41°21′1″N)，该区域属低山丘陵类型，地形低缓起伏，平均海拔高度1 600 m。中温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量为279.40 mm，主要集中在7—9月；全年多风，年均风速4.50 m/s，年大风日数为63 d，风沙天气主要集中春冬两季，以北风和西北风为主。试验地风蚀和水蚀交替作用造成土壤板结和地表颗粒粗化，使希拉穆仁草原生态环境脆弱，该区域地带性土壤主要以栗钙土主，土壤质地较粗糙，多为砂质壤土。希拉穆仁镇地带性植被建群种植物为克氏针茅(Stipakrylovii)，草地群落主要以羊草(Leymuschimensis)×克氏针茅，其他植物种有蒙古韭(Alliummongolicum)、银灰旋花(Convoloulusammannii)、洽草(Koeleriaglauca)、短花针茅(Stipabrevii)等多年生旱生草本等为主，呈典型荒漠草原特征[19]。

1.2 样地布设与样品采集

试验于2018年8月上旬在希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持试验中心围封区域内进行，试验选择在坡向相同，地势平坦，坡度在2.5°～3.5°的围封区，采样区域东西长1.2 km南北宽1.0 km，沿东西布设4条长度为300 m的样线，每条样线间隔50 m，利用优势种变化情况及其他植物群落特征，在围封的采样区域设置35个样方，各样线布设3～10个1 m×1 m正方形植物样方。利用双向指示种分析法确定6种群落类型样地[20]。在取样前一周天气良好，无大风和降水，采样时选取平整地面，在已确定的6块不同群落类型样地，利用环刀按照(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)土层进行土样采集，将5个样点的重复样混合后以四分法取对角线的土样150 g装入塑封袋进行室内试验。

1.3 室内样品测定方法

土壤样品烘干处理后利用土壤筛去除直径大于3.50 mm的粗物质颗粒和植物根系，利用粒度测定分析仪器自带软件的用户分级功能依据美国制土壤粒径分级标准[21]，将土壤样品按粒径划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂(0.05～0.1 mm)、细砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1 mm)、极粗砂(1～0.2 mm)和砂石(>2 mm)。取筛选后的土样(5.00±0.005)g置于烧杯中，加入45.00 ml蒸馏水充分浸没样品，滴入1～2滴浓度为30%H2O2溶液。静置24h后去除土壤中的有机质，待烧杯中无气泡产时，进行加热，使过剩的H2O2完全挥发反应。冷却后加入纯净水的同时滴入1 ～2 ml浓度为10%的HCL溶液，溶解样品中碳酸盐物质，再次静置24 h，测试样品中的pH值，待样品pH值呈中性后启动激光粒度分析仪(Mastersizer 3000型，英国)，测定前先进行半小时的预热，加入适量样品于仪器中进行试验测定[22]。

1.4 数据处理

土壤颗粒分形维数计算参考杨培岭等[23]利用土壤颗粒粒径的不同分布表征的土壤分形模型。即

(1)

土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重等参数采用环刀法测定，土壤含水量利用烘干法进行测定[24]，并计算一定土层深度内的饱和蓄水量、吸持蓄水量和滞留蓄水量[25]。

2 结果与分析

2.1 土壤分形维数与土壤机械组成的关系

通过土壤分形维数的计算得知，分形维数与土壤颗粒各粒级组分间呈一定关系。为确定土壤颗粒分形维数与各粒级含量的关系，对分形维数与黏粒、粉粒、极细砂、细砂、中砂、粗砂、极粗砂和砾石进行相关性分析。由图1可知，6种不同群落的土壤分形维数与各粒级颗粒大小、含量存在一定关系，土壤颗粒分形维数与粉粒、极细砂的百分含量呈极显著正相关关系，其中粉粒的百分含量与土壤颗粒分形维数的相关系数最大，为0.960，表明粉砂的百分含量对土壤颗粒分形维数的影响极显著，极细砂百分含量与土壤颗粒分形维数的相关系数为0.555。与细砂的百分含量呈负相关关系，系数为0.020，与中砂、粗砂和极粗砂的百分含量的相关性不大，说明粉砂和极细砂含量越高，土壤颗粒分形维数越大。

图1 土壤颗粒分形维数与各粒径土壤颗粒百分含量相关关系

运用Origin 9.0软件对粉砂(X1)、极细砂(X2)、细砂(X3)、中砂(X4)、粗砂(X5)和极粗砂(X6)的百分含量与土壤颗粒分形维数进行了多元逐步回归分析，目的是剔除各变量之间共线性的影响，关系式如式(2)所示。

D=2.226+0.010X1+0.001X2-0.007X3

(2)

经过分析，可以认为决定该地区土壤颗粒分形维数大小的主要是粉砂、极细砂和细砂的百分含量。

2.2 土壤颗粒分形维数与植被类型及采样深度的关系

由表1可知，6种不同群落土壤颗粒分形维数在0—30 cm 采样深度存在差异，6种不同群落类型的土壤分形维数以克氏针茅类型样地0—5 cm土层2.890为最大值，以克氏针茅类型样地20—30 cm土层2.329为最小值。在垂直结构上，土壤颗粒分形维数随采样深度的变化整体呈不同程度的线性下降趋势，变幅分别为：蒙古韭(0.150)、银灰旋花(0.060)、克氏针茅(0.210)、羊草(0.130)、洽草(0.210)、短花针茅(0.190)。地表(0—30 cm)的平均土壤分形维数介于2.518～2.780，土壤平均分形维数依次表现为：克氏针茅(2.750)>短花针茅(2.735)>洽草(2.680)>银灰旋花(2.678)>蒙古韭(2.575)>羊草(2.570)。

表1 土壤颗粒分形维数与植被类型及采样深度的关系

2.3 土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度的关系

土壤颗粒分形维数与土壤总孔隙度(r=0.731，p<0.01)、毛管孔隙度(r=0.788，p<0.01)、均呈显著正相关，与土壤容重呈负相关(p<0.01)，相关系数为0.163(图2)。表明土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度状况存在一定关系，其中土壤总孔隙度、毛管孔隙度与土壤分形维数的关系最明显，其次是土壤容重，但土壤颗粒分形维数对非毛管孔隙度大小的反映程度不高。表明6种不同群落类型下土壤总孔隙度、毛管孔隙度越大，土壤颗粒分形维数越大。在垂直结构上总体土壤孔隙度呈现随土层深度增加而减小的趋势。

2.4 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能的关系

由图3可知，土壤颗粒分形维数与土壤饱和蓄水量、吸持蓄水量呈显著正相关(p<0.01)，相关系数为0.812，0.846，与滞留蓄水量的性关性不显著(r=0.346，p>0.05)。可见土壤颗粒分形维数对土壤蓄水状况的反映程度存在差异，其中反映程度最大的是吸持蓄水量，其次是饱和蓄水量。表明吸持蓄水量和饱和蓄水量越大，土壤颗粒分形维数越大，但土壤颗粒分形维数难以反映滞留蓄水量的大小。

3 讨 论

3.1 土壤颗粒分形维数与土壤机械组成的关系

土壤颗粒机械组成与分形维数的关系，不仅与其成土母质、土壤质地、物理化学风化过程等有关，不同植被类型、土地利用方式对土壤颗粒分形维数也存在一定影响[26-27]。通过土壤颗粒分形维数与各粒径土壤颗粒百分含量相关性分析与回归分析(图1)可知，研究区土壤颗粒分形维数D值与粉砂、极细砂的百分含量呈极显著正相关关系(p<0.01)，其中土壤颗粒分形维数与粉砂的百分含量之间相关系数最大，为0.960。与细砂的百分含量呈负相关关系，相关系数为-0.020，与中砂、粗砂和极粗砂的百分含量的相关关系不显著。这表明粉砂、极细砂含量越高，土壤颗粒的分形维数值越大，反之越小。这一研究结果与众多研究土壤分形维数与粉砂含量关系的结果相一致[28]，而与部分研究关于土壤分形维数与粉砂关系的结果有所不同[29]。根据土壤颗粒分形维数计算过程得知，分形维数在6种不同群落的线性拟合分析方程的R2为0.019 8～0.960 3，说明分形维数拟合效果能反映土壤粒径分布情况。根据学者对土壤细颗粒含量与土壤退化的关系的研究，结合本研究土壤颗粒分形维数与土壤颗粒机械组成之间相关性，也能说明土壤颗粒分形维数可作为指示土壤退化的一个重要指标。

图2 土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度的相关性

图3 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水量的相关性

另外6种不同群落的土壤分形维数随采样深度增加呈现不同程度的波动，整体呈线性下降趋势，原因是由于该样地在实施封育措施后，易形成良好的土壤结构，植被恢复程度逐年加大，植被盖度也随之增加，地表土壤细粒物质逐渐增多，对应的土壤分形维数有增大趋势，在0—10 cm土层中改善作用较明显。另一原因由于草地上80%以上生长的是草本植物，其根系主要分布在相对较浅的土层中，由于植物根系能够有效的增加下层土壤团聚体的含量，使土壤分形维数相应减小。本研究对6种不同群落土壤颗粒分形维数计算发现，希拉穆仁天然草地不同群落类型下土壤颗粒分形维数为2.518～2.780，平均值2.649，说明研究区土壤质地比较均一。根据刘云鹏采用分形模型研究表明[30]，分形维数应在2.75左右土壤其粒径结构较良好。进一步分析发现克氏针茅、短花针茅群落土壤分形维数最接近2.75，说明该群落样地土壤结构状况最好，能够较好的保肥保水。而蒙古韭、银灰旋花、羊草群落分形维数较低，土壤结构较差，这一规律与植被盖度高和枯枝落叶层较厚易增加地表土壤养分含量和粉黏粒含量有一定关系。

3.2 土壤颗粒分形维数与土壤物理参数的关系

结构较为良好的土壤容重通常为1.25～1.35 g/cm3，相应的土壤总孔隙度一般为40%～50%[31]。该地区土壤容重在1.28～2.14 g/cm3，总孔隙度为34.63%～50.17%。一般来讲，土壤颗粒分形维数越高，土壤质地细颗粒物质越多，通透性越差，分形维数值越低，则土壤结构越松散[32]。但在近自然恢复状态下围封的荒漠草原区域内呈现相反的规律，土壤颗粒分形维数与总孔隙度、毛管孔隙度呈显著正相关，与土壤容重呈负相关，与非毛管孔隙度相关性不显著。表明围封区内，土壤孔隙度越大，通气透水性能越好，对应分形维数越高，规律不一致主要与该地区土壤中粗颗粒物质较细颗粒物质相对较高、分形维数总体相对较低有关，即土壤颗粒分形维数随土壤颗粒机械组成、粒径含量的不同与土壤的松散程度、通气性表现出阈值效应[25]。

3.3 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能的关系

土壤颗粒分形维数在某种程度上可以表明土壤的蓄水性能，其中饱和蓄水量为吸持蓄水量和滞留蓄水量的总和，可以较好地反映植被减少地表径流和防止土壤发生侵蚀的功能，而吸持蓄水量又称为毛管持水量，滞留蓄水程为非毛管蓄水，主要反映植被的水源涵养功能[24-25]。土壤蓄水性能的差异主要与土壤孔隙的大小有关，近自然恢复状态下荒漠草原的土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量、吸持蓄水量呈显著正相关(p<0.01)，与滞留蓄水量相关性不显著。表明群落类型不同，土壤颗粒分形维数对土壤蓄水性能表现出一定的差异。土壤颗粒中粉砂、极细砂含量越高的分形维数相对较高，粉砂、极细砂含量高的土壤在改善土壤通气、透水性能的同时，增强土壤毛管孔隙度利于土壤团聚体的形成，提高水分子的吸附力，进而增强土壤的持水性能。从土壤颗粒分形及其蓄水性能特征来看，该地区6种群落改良土壤特性及蓄水功能表现为克氏针茅、短花针茅和洽草群落优于其他3种群落。

4 结 论

(1) 决定该地区土壤颗粒分形维数大小的主要是粉砂(30.59%)和极细砂(18.7 %)的百分含量，其次细砂的百分含量，其余粒级土壤颗粒的影响程度较小；土壤颗粒分形维数与土壤总孔隙度、毛管孔隙度、饱和蓄水量和吸持蓄水量呈正显著相关关系，与土壤容重、非毛管孔隙度、滞留蓄水量的相关性不大。

(2) 6种不同群落类型下土壤颗粒分形维数最大为2.840，最小值为2.490。0—30 cm土层土壤颗粒平均分形维数介于2.575～2.750，从大到小依次为：克氏针茅(2.750)>短花针茅(2.735)>洽草(2.680)>银灰旋花(2.678)>蒙古韭(2.575)>羊草(2.570)。6种不同群落类型样地上土壤分形维数随土壤采样深度的变化发生不同的波动规律，整体上均呈线性下降趋势。

(3) 从土壤分形维数及其蓄水性能来看，希拉穆仁荒漠草原近自然恢复状态下围封区的6种群落改良土壤特性及蓄水功能表现为克氏针茅、短花针茅和洽草群落优于其他3种群落。