基于分形维数的不同发育阶段胡杨对土壤理化性质的影响

关添泽 于萌 卢刚

摘要：为探究不同发育阶段胡杨树下土壤颗粒分形维数（D）特征及其主要影响因素，并为该地区胡杨种群植被恢复策略和生态系统的保护、治理提供理论依据，以新疆艾比湖流域绿洲-荒漠过渡带幼龄、中龄、老龄、枯死胡杨树下土壤为研究对象，对土壤颗粒组成及其养分进行测定，利用分形维数模型比较土壤颗粒组成、土壤理化性状、土壤颗粒分形维数等的变化。结果显示：（1）不同发育阶段胡杨树下养分具有明显差异，土壤养分含量表现出全氮、有机质含量为枯死胡杨>中龄胡杨，速效磷含量为幼龄胡杨>枯死胡杨>中龄胡杨;（2）不同发育阶段胡杨树下土壤质地以粉粒、沙粒为主，黏粒含量最少，沙粒含量最多，其中极细沙粒含量较多，分形维数与土壤黏粒含量、粉粒含量呈极显著或显著正相关，与沙粒含量呈显著负相关，并且与黏粒的相关性最好;（3）不同发育阶段胡杨树下土壤分形维数表现出较强的空间异质性，分形维数均值为2.271～2.542，分形维数与土壤速效磷含量呈极显著负相关（P<0.01），与有机质含量呈显著负相关（P<0.05），与全磷含量、全氮含量、pH值、电导率的相关性不显著。土壤分形维数在一定程度上可以客观反映出土壤理化性质的变化特征，胡杨的生长发育对土壤分形维数的影响效果明显。

关键词：胡杨;不同发育阶段;土壤粒径组成;分形维数;土壤理化性质

中图分类号： S152.3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）20-0293-08

土壤是地球重要的组成部分，它是植物赖以生存和生长的重要自然资源之一[1]。在资源胁迫的干旱生态系统中，土壤资源不仅是植被结构、功能、动态的主要限制性因子，同时也会影响绿洲农业的水土流失预防和水土流失治理[2]。新疆维吾尔自治区位于我国西北干旱区，地处亚欧大陆腹地，是重要的农牧业、能源基地，也是“一带一路”丝绸之路经济带核心区，其中艾比湖流域是天山北坡生态防护体系中重要的防沙治沙、水土保持、湿地保护功能区。由于大规模农牧业开发、人口数量激增，并伴随区域气候变化，该区域土地沙化严重，且长期受到土壤盐渍化的威胁，土壤肥力衰退，导致此流域生态环境脆弱，逐渐成为典型的干旱区生态环境退化区，严重影响国家生态文明建设。因此，实现干旱半干旱区土壤物理化学性质的精准监测对该区域的荒漠林保育、水土保持、防灾减灾、协调人地关系、生态恢复与重建具有非常重要的现实意义。此外，实现土壤结构变化监测和评价土壤养分迁移率也已经成为近年来土壤学领域的研究热点[3-4]。

土壤颗粒粒径分布（PSD）作为土壤基本物理参数之一，可以表征土壤结构、养分状况、养分迁移速率等土壤理化和生物学特性，但是这种表示方法较繁琐。而利用分形维数（fractal dimension）这一单个参数来代替土壤颗粒粒径分布更为便捷，在土壤物理结构变化的描述上被广泛应用，成为其定量研究的重要方法[5-6]。罗雅曦等在研究腾格里沙漠东南缘不同年限草方格固沙造林后植被恢复过程时提出，不同样地中的土壤颗粒分形维数存在显著差异，人工固沙可有效促进土壤颗粒细化[7]。郑兴波等通过湿筛法研究长白山天然针阔混交林群落恢复演替中土壤团聚体粒径组成及有机碳含量的变化，结果表明土壤团聚体粒径分布受演替过程的影响较大，各粒级所占比例差异显著，土壤中不同粒级团聚体内的有机碳含量具有明显的垂直分布特性[8]。Ersahin等对土耳其安纳托利亚中部22种不同质地土壤的颗粒大小分布、分形维数及其与比表面积（SSA）、阳离子交换量（CEC）的关系进行了研究，成功描述了分形维数与SSA、CEC之间的关系[9]。以往研究多集中在不同土地利用类型、土壤质量评价等方面，而关于绿洲荒漠过渡带不同发育阶段胡杨林地土壤颗粒分形维数特征以及对土壤理化性质的影响研究报道较少。

基于此，本研究在新疆维吾尔自治区艾比湖流域选取不同发育阶段的胡杨林地为研究样地，分析其土壤基本理化性状，并利用土壤颗粒分形维数反映土壤质地差异，探讨其与理化性质间的关系，以期为艾比湖流域绿洲-荒漠过渡带胡杨林的保护，荒漠化治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于艾比湖湿地国家级自然保护区内（图1）。地处新疆北部，阿拉山口东部，地跨精河县和博乐市，地理位置为82°30′47″～83°50′21″E，44°37′05″～45°10′35″N。该地区地处欧亚大陆中緯度，属于典型的温带大陆性干旱气候，具有夏热冬冷、昼夜温差大、干旱少雨、蒸发旺盛、大风频起等特点。多年平均降水量低于100 mm，多年平均气温为6.60～7.80 ℃。因其下垫面类型为湿地景观又表现出早晚湿润，中午干燥的小气候特点，土壤类型以荒漠土为代表[10]。4个不同发育阶段胡杨（Populus euphratica）根据其胸径分为幼龄胡杨（HY_Y，胸径≤10 cm）、中龄胡杨（HY_M，胸径≤30 cm）、老龄胡杨（HY_O，胸径≤70 cm）、枯死胡杨（HY_W）。

1.2 样品采集与土样制备

于2018年8月采集不同发育阶段的胡杨树土壤样品，根据胡杨发育阶段选取冠幅、株高、胸径相似的胡杨各3棵（表1）。选好的每棵胡杨分别在胡杨根部、冠幅边缘、株间空地挖土壤剖面（样点间隔230 cm，每个样点3次重复），每个土壤剖面分3层（0～5、5～10、10～20 cm），取每个土层的原状土壤样品，使用全球定位系统（GPS）（精度<10 m）记录样点位置;采集后的样品带回实验室于25 ℃自然风干2周，剔除其中的植物根系，一部分土壤样品研磨后过0.25 mm孔筛，用于测定土壤的理化性质，另一部分样品过2 mm孔筛，用于测定土壤粒径。

1.3 样品分析

室内进行土壤有机质、全氮、速效磷、全磷含量的测定分析。其中，有机质含量采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，全磷含量采用碱融-钼锑抗比色法测定[11]。

采用S3500型激光粒度仪对土壤颗粒的粒径分布（PSD）进行测定，土壤粒径组成采用美国农部制标准对土壤粒径进行分级：1 000 μm≤极粗沙<2 000 μm、500 μm≤粗沙<1 000 μm、250 μm≤中沙<500 μm、100 μm≤细沙<250 μm、50 μm≤极细沙<100 μm、2 μm≤粉粒<50 μm、黏粒<2 μm等7个等级[12]。

1.4 数据处理

土壤颗粒分形维数采用土壤颗粒体积分形模型计算，利用土壤颗粒体积与平均粒径间的关系计算土壤颗粒的分形维数[13]。公式如下：

V（r 式中：r为粒径;Ri为粒径划分中的第i级粒径;V（r   利用方差分析计算胡杨树下土壤粒径分布和土壤理化因子的均值和标准误差，利用单因素方差分析（one-way ANOVA）法比较不同发育阶段胡杨土壤分形维数的差异，若方差为齐性，则利用最小显著性差异（LSD）法进行多重比较;若方差为非齐性，则利用新复极差法（Dunnetts T3）进行多重比较。利用相关分析法分析土壤颗粒分形维数与土壤理化性质的关系，方差分析、相关分析在 SPSS 170 中完成，数据的整理和图表的绘制均在Excel 2013中完成。

2 结果与分析

2.1 胡杨土壤颗粒的粒径分布特征

不同土壤颗粒组成比例与土壤的养分吸附持有性能有密切的关系，一般粉粒、黏粒含量高的土壤，保肥能力较强。由表2可知，黏粒含量所占比重较小，占总体积的0.13%～1.15%;粉粒含量占总体积的13.97%～45.43%，极细沙粒和细沙粒颗粒含量占总体积的34.84%～65.97%;不同发育阶段的胡杨0～5 cm土壤粒径分布规律差异较大，最大差异表现为极细沙、细沙的颗粒含量，在胡杨发育阶段中，极细沙在土壤中的分布较多，其中老龄胡杨阶段含量为14.67%～4097%。老龄胡杨株间空地、冠幅边缘的土壤细颗粒整体上多于胡杨根部，粗颗粒少于胡杨根部，幼龄胡杨冠幅边缘的黏粒、粉粒0～20 cm总含量均小于根部，而中龄胡杨根部粉粒0～20 cm总含量最大。在垂直方向上，老龄胡杨根部土壤中沙、粗沙的土壤颗粒在0～5 cm土層最高。

如表3所示，老龄胡杨根部土壤的D随土层加深有所增大，胡杨根部与冠幅边缘、株间空地差异明显。中龄胡杨根部、冠幅边缘、株间空地0～20 cm 土壤的D随土层加深有所减小。幼龄胡杨各取样部位土壤的D随土层加深先减后增。枯死胡杨根部、冠幅边缘土壤的D随土层加深而减小，株间空地土壤的D随土层加深先减后增。分形维数最大值（2.542）出现在老龄胡杨株间空地0～5 cm土层，最小值（2.271）出现在老龄胡杨根部5～10 cm 土层。

2.2 胡杨立地土壤理化性质变化特征

从图2中可以看出，老龄、中龄、幼龄、枯死胡杨树下土壤pH值分别为8.05～8.74、7.77～8.52、725～825、7.99～9.01，没有明显差异，土壤均呈碱性，说明不同发育阶段下胡杨生长对土壤pH值的影响较小。土壤电导率最大值出现在枯死胡杨根部0～5 cm 的土壤中，最小值出现在幼龄胡杨株间空地0～5 cm的土壤中，最大值和最小值分别为14.72、160 mS/cm，并且4种不同发育阶段胡杨土壤的电导率均表现为随着土层加深逐渐降低。

总体来看，不同发育阶段的胡杨根部的土壤养分指标含量与冠幅边缘和株间空地差异明显，并且整体上具有较大幅度的提高，老龄胡杨根部土壤中的有机质、全磷、速效磷、全氮等4种养分总含量分别比株间空地的提高635.58%、46.78%、20022%、395.10%;中龄胡杨根部土壤中有机质、全磷、速效磷、全氮等4种养分总含量分别比株间空地的提高214.24%、13.64%、20.83%、151.56%;幼龄胡杨根部土壤中有机质、全磷、速效磷、全氮4种养分总含量分别比株间空地的提高81.98%、1560%、65.38%、113.54%;枯死胡杨根部土壤中有机质、全磷、速效磷、全氮等4种养分有机质、全磷、速效磷、全氮4种养分总含量分别比株间空地的提高420.33%、2518%、72.07%、126.92%，胡杨根部土壤养分有较强的聚集，土壤养分含量均表现为胡杨根部>冠幅边缘>株间空地，4种发育阶段的胡杨根部全氮、有机质含量表现为中龄胡杨<枯死胡杨，速效磷含量表现为幼龄胡杨>枯死胡杨>中龄胡杨，4种不同发育阶段胡杨树下土壤有机质含量随土层深度的增加而减少。

2.3 土壤机械组成与分形维数的关系

土壤分形维数可以表征不同粒径的组成比例等土壤结构特征。由图3可知，土壤颗粒分形维数与土壤黏粒含量（<2 μm）呈极显著正相关（r2=0769， P<0.01），与粉粒含量呈显著正相关（r2=0498，P<0.05），与沙粒含量呈显著负相关（r2=0539，P<0.05），并且与黏粒含量的相关性最好。由此可推测，土壤沙粒含量越高，分形维数越小;粉粒和黏粒含量越高，分形维数越大。

2.4 土壤颗粒分形维数与土壤理化性质的关系

如表4所示，土壤分形维数与土壤有机质含量、全磷含量、速效磷含量、全氮含量、pH值、电导率均为负相关关系，其中土壤分形维数与土壤有机质含量呈显著负相关（P<0.05），相关系数为-0.647，与土壤速效磷含量呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为 -0.731，与土壤全磷含量、全氮含量、pH值、电导率等的相关性不显著。

3 讨论

研究结果表明，胡杨根部土壤与冠幅边缘、株间空地土壤在其理化性质方面存在明显差异，胡杨根部土壤中所含的养分和盐分含量高于冠幅边缘和株间空地土壤，并且胡杨对土壤盐分和养分的调节作用与其生长发育有密切的关系，在其根部与冠幅边缘积聚，这种现象是综合因素作用的结果，其面积与作用范围可能与树木大小、根系、水分变化和微生物作用等有关。

自然状态下盐生灌木有积盐作用，并且盐生灌木的生物积盐作用受到植株生长状况的影响[14]。郗金标等通过对灌木根际土壤盐分的研究表明，灌木对土壤盐分的调节作用与其生长发育状况有着密切的关系[15]，本研究结果与之一致。本研究中老龄胡杨冠幅边缘下的土壤电导率小于根际，这表明生长旺盛的植株，盐分的吸收大于归还，高大的树冠具有遮阴作用，导致树冠下的盐分较小。但随着树龄的增长和生长势的衰弱，植株对土壤盐分的吸收减弱，积盐作用增强，其次老龄胡杨各个部位的土壤电导率均小于中等胡杨和幼龄胡杨，也就表明随着植株树龄的增长和生长势的衰弱，植株对土壤盐分的吸收减弱，积盐作用加强。也有许多研究结果表明，植物根系作用以及微生物活动等作用为土壤养分的富集和保护起到了有利作用[16-17]。陈龙池等认为，植物光合作用的产物会通过根系分泌物释放到根际土壤中，从而影响根际土壤环境[18]。由于植物的光合产物以根系分泌物和死亡细根的形式沉积于根际土壤，同时根系从土壤中摄取养分和水分，也向土壤中溢泌质子、离子并释放大量有机物质，这不仅为根际微生物提供了丰富的碳源，而且极大地改变了根际区的土壤环境，从而对根际土壤产生了较大的影响[19-20]。

本研究中枯死胡杨的有机质含量、全氮含量均大于中龄胡杨和幼龄胡杨， 胡杨根部土壤养分有较强的聚集，土壤养分含量均表现为胡杨根部>冠幅边缘>株间空地，4种发育阶段的胡杨根部全氮含量、有机质含量表现为枯死胡杨>中龄胡杨，速效磷含量表现为幼龄胡杨>枯死胡杨>中龄胡杨。这是因为研究区风蚀作用强烈，胡杨冠下土壤养分的积累主要来自于风力带来的风蚀物以及凋落物，胡杨在枯死时也会为土壤带来大量的凋落物，而氮素也是来源于有机质的矿化，因此根冠区土壤与株间空地土壤的氮素含量与有机质含量间呈显著相关性[21]。综上所述，杨根冠区土壤盐分和养分含量组成的变化是生物小循环和地质大循环综合作用的结果，胡杨内部小循环起了主要作用，盐生植物根冠区盐分含量及盐分组成的变化与植物的生活型和耐盐机制密切相关[22]。通过植物根冠区盐分和养分的变化研究可以揭示盐生植物对盐分和养分的适应机制，对荒漠区盐渍土的改良以及荒漠化治理具有一定的指导作用[23]。

在干旱半干旱地区，土壤粒径分布模型（PSD）的擬合参数可以很好地解释土壤质地对土壤理化性质的影响，同时可以间接反映土壤风蚀程度[24-26]。研究区域内胡杨土壤颗粒组分中，沙粒含量最高，为55.21%～79.29%;粉粒含量次之，为13.97%～45.43%;黏粒含量最少，为0.13%～115%。其中在土层垂直结构上，4种不同发育阶段胡杨树下的土壤没有显示出一致性规律，这主要是因为采样地点布设在地处典型绿洲向荒漠过渡的新疆南部地区，主要土壤类型是荒漠土和盐碱土，易受多种因素影响故导致其土壤垂直结构没有一致性规律。其次本研究还发现，老龄、中龄、幼龄胡杨这3个阶段胡杨0～20 cm土壤粒径组成中黏粒总含量变化表现为胡杨根部含量最大，其原因可能是因为胡杨在生长过程中由于根际效应聚集大量养分和盐分，同时树冠遮阴造成胡杨冠下草本植物稀疏，株间空地草本植物群落生长良好，地上植被覆盖度的提高，有效降低了群落中的地表风速，防止土壤细颗粒的风蚀，同时截留空气中的细颗粒物质，使其在群落中堆积[27-28]。

不同发育阶段分形维数的变化表明，分形维数与土壤黏粒、粉粒等细微颗粒含量呈正相关关系。说明土壤粒径越小，土壤粒径分形维数就越高，土壤粒径越大，土壤粒径分形维数越小，分形维数随着沙粒含量的增加不断减少，随着黏粒含量的增多而不断增大，这与前人的研究结果[29-30]一致。胡杨体型越大，分形维数越小，并且在胡杨形体由小到大，直至枯死风化的过程中，分形维数的值先上升后下降。因此，分形分析对沙化过程中土壤的粗化过程具有敏感性。在沙化易发区域，如绿洲-荒漠过渡地带，土壤颗粒组成的选择性改变往往与风蚀土壤有关。分形维数的降低表明细颗粒的收缩和粗颗粒的积累，对土壤沙化研究具有重要意义[31-32]。

本研究中回归分析表明，土壤颗粒体积分形维数与土壤养分呈负相关关系，这与伏耀龙等的研究结果[33-34]一致。土壤分形维数与土壤有机质含量呈显著负相关，与土壤速效磷含量间呈极显著负相关，与土壤全磷含量、全氮含量、pH值、电导率呈负相关关系，但均未达到显著水平。说明土壤中粒径小的黏粒、粉粒在有机无机胶结过程中及土壤良好的结构维持中起主要作用[35]。

4 结论

（1）研究区内不同发育阶段胡杨树下土壤理化性质具有明显的差异。不同发育阶段胡杨树下土壤中的电导率表现为随着土层加深而逐渐降低。土壤养分含量大多表现为全氮、有机质含量为枯死胡杨>中龄胡杨，速效磷含量表现为幼龄胡杨>枯死胡杨>中龄胡杨，4种不同发育阶段胡杨树下土壤有机质含量随土层深度的增加而减少。

（2）研究区内胡杨的体型对土壤粒径分布和土壤分形维数有较大的影响。胡杨体型越大，分形维数越小，并且在胡杨形体由小到大，直至枯死风化的过程中，分形维数的值先上升后下降的趋势。胡杨根部与冠幅边缘、株间空地差异明显。

（3）不同发育阶段胡杨树下土壤分形维数表现出较强的空间异质性，分形维数均值为2.271～2542。土壤分形维数与黏粒含量呈极显著正相关，与粉粒含量呈显著正相关，与沙粒含量呈显著负相关，与黏粒含量的相关性最好。

（4）土壤分形维数与土壤有机质含量、全磷含量、速效磷含量、全氮含量、pH值、电导率均为负相关关系，其中土壤分形维数与土壤有机质含量呈显著负相关，与土壤速效磷含量之间呈极显著负相关，与土壤全磷含量、全氮含量、pH值、电导率等之间的相关性均未达到显著水平。

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