不同坡位对荒漠草原柠条灌木林地土壤组成分形维数的影响

张久飞，郭月峰，孙世贤，祁 伟，滕俊涛，张鹏浩

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

荒漠草地是所有草地类型中荒漠化较为严重的一类,是草地和沙漠的交接区,生态环境脆弱,加之自然以及人为因素导致土地不断退化。为恢复生态环境,防治草原沙化,研究区在原坡耕地上大面积种植柠条(Caraganamicrophylla)纯林,取得了较好的生态恢复效果,栽植柠条已经成为当地植被建设的主要措施。土地的机器组织是产生土壤结构体的基础单位[1],土地机器组织取决于土地保肥储水特性,而且直接影响关系土地紧密程度、空隙总量,进而直接影响土壤通气、透水等特性,是评判土地基础特性和生成环境条件的一项指标[2]。土是一类由不同粒子所构造、带有不规则形态和自相似构造的多孔介质,并带有特定的分形特性[3]。利用不同分形模式测定土地粒度、团结体和空隙度的分形维数来表现土层质量和构造成分及其均衡程度,用作定性表示土地结构特点的方法[4～9]。实验结果表明,土地粒径分布的分形维数,不但能够表示土地颗粒质量,而且还能够表现土壤质地的均匀性和对土层的渗透性[5];分形维数与土地水稳性团聚体数量有明确的相对联系,能够反映土地的肥力情况[6];土质的分形维数也被用于建模和预报土壤湿度特性[7];胡云锋等研究了风蚀区土质的分形维数对土地利用改变的效应,指出分形维数可用作土壤退化的重要技术指标[8]土质粒度是土质结构变迁产生的重要物质基础,各种粒径改变将形成不同的土壤质地形式,进而改变土的物理性质、化工和生物学性质过程[10]。分形理论已成为当代新兴的学术思想。土壤由不同粒级土粒组成，各粒级的含量差异很大[11]。土壤是由水分、空气,以及粒度不同的各种物料所构成的带有不规则形态和自相似性的多孔介质,其构造特性存在着统计学上的自相似性,有分维特性[12]。土地的颗粒分形维数成了对土层质量一致性、透明度、抗蚀性和土壤肥力等诊断标准的一项综合量化指标[5]。近年来,人们利用分形理论和各类分形模式测定土团粒、微团粒数量和空隙量的分形维数,以表示对土颗粒的大小组成、土壤质地、形状、构造、过程、均匀程度、土壤含水量特性、土壤溶质迁移速度和侵蚀程度等方面的研究并在一定程度上将其特征定量化,是描述土壤结构特性的新方法。为此,该文以量化地表示土壤颗粒尺寸的分形维数为主要手段,并利用现有的土壤分形模式对不同坡位条件下土壤的分形特性展开调查研究。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区包头市达茂旗乌克忽洞镇(110°59′E，41°46′N)，属于高原中部地带，地势南高北低，整体起伏不大，平均海拔 1367 m，属于中温带半干旱大陆性气候区，太阳辐射强烈，日照丰富。年平均气温 4.4 ℃，年均降水量 261.7 mm，年均风速 4.2 m/s，主导风向为西北风，年均日照时数 3043.3 h，10 ℃以上积温为 3043.3 ℃。地带性土壤以栗钙土、棕钙土为主，非地带性土类型有草甸土、潮土、石质图、岩土；土壤质地多 为沙壤、轻壤，并有不同程度砾质化。研究区主要植被为柠条、红砂(Reaumuriasongarica)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、羊草(Leymuschinensis)、针茅(Stipacapillata)、草木樨(Melilotusofficinalis)等。

2.2 土壤样品的采集与处理

确认样地后样品采集分为(坡上带宽1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡中带宽1.5 m、2.5 m、3 m)、(坡下带宽1.5 m、2.5 m、3 m)取样,在柠条灌木林坡上1.5 m带宽处取一点为(上1)点，去除土壤表层的植被与枯落物，挖掘深 1 m长 1.5 m、宽1.5 m 的土壤剖面，按照 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm 划分5层，每层土壤取5个重复，共计25份土样。同样在柠条灌木林坡上带宽2.5m处取一点为(上2)点，去除土壤表层的植被与枯落物，挖掘深1 m、长1.5 m、宽1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm划分5层，每层土壤取5个重复，共计25份土样。同样在柠条灌木林坡上带宽3m处取一点为(上3)点，去除土壤表层的植被与枯落物，挖掘深 1 m长 1.5 m、宽1.5 m 的土壤剖面，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm ，分为五层取样，共计土样25份，坡上3个点共计土样75份。坡中与坡下的取样与坡上完全一致，坡中分为(中1、中2、中3)、坡下分为(下1、下2 、下3)。坡上、坡中、坡下3点每点各75份土样，共计225份土样。将取完的土样带回实验室经晾晒、去除植物根系等杂质后，将土样过2 mm筛。最后采用英国 Malvern公司生产的 Mastersizer3000 激光衍射粒度分析仪测定土壤粒度，该粒度分析仪测量范围为 0.01～3500 μm，重复测量误差小于1% 。最后的测试结果以美国制粒径分级标准输出2～1、1～0.5、0.5～0.25、0．25～0.1、0.1～0.05、0.05～0.002、<0.002 mm。

2.3 分形模型

泰勒等提出的用土壤粒径、土壤颗粒质量分布为因子的 关系式(1)[13，14]，可以更为直观地反映土壤粒径分布分形维数，这种方法用土壤颗粒的质量分布直接计算粒径分布的分形维数来表征土粒直径和质地组成的均匀程度。与传统的用土壤粒径的数量分布来描述土壤的分形特征的方法相比，该方法只须通过土壤颗粒的机械组成分析，便可方便地确定相应的分形维数。

(1)

式(1)中:D代表土壤颗粒分形维数;mi代表粒径小于di的颗粒 累积质量;m0代表土壤各粒径颗粒质量之和;di代表两筛分粒径di与di+ 1间的粒径平均值;dmax代表最大粒径土粒的平均直径。

2.4 数据分析

数据分析采用 Microsoft Excel 2016 分析、DPS9.01 软件处理以及Origin2018 作图。

3 结果与分析

3.1 土壤机械组成

由图1可知，不同坡位下1.5m带宽的土壤随土层深度增加土壤机械组成发生变化。黏粒含量,上1>中1>下1，粉粒含量,下1>中1>上1,沙粒含量,上1>中1>下1。3种坡位带宽下的土壤机械组成均为沙粒>粉粒>黏粒。

注：不同大写字母表示同一土层深度不同坡位之间差异显著， 不同小写字母表示同一坡位不同土层深度间差异显著(P<0.05)，下同。图1 不同坡位下带宽1.5 m的土壤机械组成

此外，根据方差分析表明，黏粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土层、分别与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层存在显著行差异,坡中1.5 m，无显著性差异,坡下1.5 m中0～20 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层均存在显著性差异,同土层不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分别于坡下0～20 cm土层存在显著性差异。坡上、坡中、20～40 cm分别于坡下20～40 cm土层存在显著性差异。坡上40～60 cm、坡中40～60 cm、坡下40～60 cm土层之间均存在显著性差异。坡上60～80 cm分别对坡中、坡下60～80 cm土层存在显著性差异。坡上80～100 cm分别对坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土层存在显著性差异。

在粉粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上1.5 m，0～20 cm、20～40 cm土层，分别与60～80 cm、80～100 cm土层存在显著行差异,坡中1.5 m，0～20 cm分别对60～80 cm、80～100 cm土层存在显著性差异,坡下1.5 m中0～20 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层均存在显著性差异,同土层不同坡位下，坡上、坡中、坡下相同图层之间均存在显著性差异。

沙粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上1.5 m，0～20 cm、0～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层之间均存在显著行差异。坡中1.5 m，0～20 cm与60～80 cm、80～100 cm土层存在显著性差异。坡下1.5 m，0～20 cm与20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层之间均存在显著差异。同土层不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土层之间均存在显著性由图2可知，3种不同坡位2.5 m带宽下的土壤随土层深度增加土壤机械组成产生变化。黏粒含量,上2>中2>下2，粉粒含量,下2>中2>上2,沙粒含量,上1、2>中2>下2，3种坡位带宽下的土壤机械组成均为沙粒>粉粒>黏粒。

图2 不同坡位下带宽2.5 m的土壤机械组成

除此之外，根据方差分析表明黏粒含量在同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层分别与60～80 cm、80～100 cm土层均存在显著行差异,坡中2.5 m中，0～20 cm20～40 cm与80～100 cm土层存在显著性差异,坡下2.5 m中0～20 cm与20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层均存在显著性差异,同土层不同坡位下，坡上、坡中0～20 cm分别于坡下0～20 cm土层存在显著性差异。坡上、坡中20～40 cm分别于坡下20～40 cm土层存在显著性差异。坡中40～60 cm与坡下40～60 cm土层存在显著性差异。坡上60～80 cm分别于坡中、坡下60～80 cm土层存在显著性差异。坡上80～100 cm、坡中80～100 cm、坡下80～100 cm土层，之间均存在显著性差异。

粉粒粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上2.5 m中，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间均存在显著行差异。坡中2.5 m，0～20 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在显著性差异。坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间均存在显著行差异。

沙粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上、坡下2.5 m，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间均存在显著行差异。坡中2.5 m，0～20 cm、20～40 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间均存在显著性差异。

由图3可知，3种不同坡位3 m带宽下的土壤随土层深度增加土壤机械组成产生变化。黏粒含量：上3>中3>下3，粉粒含量：下3>中3>上3,沙粒含量：上3>中3>下3，3种坡位带宽下的土壤机械组成均为沙粒>粉粒>黏粒。

图3 不同坡位下带宽3 m的土壤机械组成

除此之外，根据方差分析表明在黏粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分别与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在显著行差异,坡中3 m，60～80 cm、土层分别对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在显著性差异,坡下3 m，60～80 cm、土层分别对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm存在显著性差异。同土层不同坡位下，坡上、坡中20～40 cm、40～60 cm对坡下20～40 cm、40～60 cm存在显著性差异。其他3个土层之间均存在显著性差异。

粉粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm、分别与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在显著行差异,坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm、分别与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm存在显著行差异,坡下3m各土层之间均存在显著性差异。同土层不同坡位下，坡上、坡中、坡下同土层之间均存在显著性差异。

沙粒含量中同一坡位不同土层的显著性差异如下，坡上3 m，0～20 cm、20～40 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间均存在显著行差异。坡中3 m，0～20 cm、20～40 cm与40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm之间存在显著性差异。坡下1.5 m，各土层之间均存在显著差异。同土层不同坡位下，坡上、坡中、坡下，同土层之间均存在显著性差异。

3.2 分形维数分析

应用土壤分形维数计算公式得到不同坡位下相同带宽的土壤各土层的分形维数，结果如表2～4所示。

由表2～表4可知，土壤随土层深度增加分形维数均表现出增加的趋势，这与达茂旗当地的气候条件有着密切的联系，由于表层土壤受风蚀、水蚀最为频繁，土壤作为一种多孔介质，表现出明显的分形特征。其粒径分布分形维数反映土粒对空间的充能力[15]。理论上，没有任何固相填充的孔隙空间的分形维数为2，没有任何孔隙岩石的分形维数等于3[16]。刘云鹏等研究得到，结构良好的土壤粒径分布分形维数应在2.750左右，土壤粒径分布分形维数可以作为土壤结构评价的一个指标，土壤质地越粗，越不易形成良好的结构，分形维数也较小，土壤质地越细，因包含的小土粒越多，形成的微小孔隙也越多，结构也更复杂，分形维数就越高[17]。

表1 不同坡位相同带宽1.5 m的土壤粒径分形维数

表2 不同坡位相同带宽2.5 m的土壤粒径分形维数

表3 不同坡位相同带宽3m的土壤粒径分形维数

4 讨论

土壤颗粒组成受母质特征以及环境变化的影响[18]，在一定程度上可以决定土壤的基本性状。 土壤颗粒分布特性是反映土壤物理性质特征的最主要的因子之一,它不但与土壤结构、成土状态等有关,同时还对土壤侵蚀、土壤物质流动、以及土壤肥力状态等也有着明显的影响作用,土壤颗粒分形量纲不但能够精确的描述土壤粒径结构与组成,而且还能够表现土壤质量的均一性,是衡量土壤质地特征的最主要尺度之一,但随着砂子浓度的增加,其土壤颗粒分形量纲呈下降的态势,因砂子浓度过高将引起土壤防雨作用减弱;随着黏粒浓度的增加,土壤粒径分形维值会呈上升的态势,但黏粒浓度过高将造成土壤通透性能的降低[19]。所以,单凭某一粒级土的质量不能表示土壤结构情况。土是一类多孔介质,其粒径分布分形维数可以表征土粒对空气的充能性[14],表现了土质的结构特点,对土质的通气透水性、保水保肥能力[20]及抗蚀能力[4～9]等方面都有着重大的借鉴价值,对水土保持林的形成与发展有着很大的指导意义。

5 结论

不同坡位相同带宽下的土壤在不同土层其机械组成大体相似，但各粒级间的含量随深度的变化有一定的变化。坡上的黏粒含量高于坡中、坡下，粉粒含量坡下高于坡中、坡上，沙粒含量坡上高于坡中、坡下。在 0～100 cm 土层中，土壤的机械组成中各成分的含量均为沙粒>粉粒>黏粒，其中黏粒和粉粒的含量随土层深度的增加均呈增加的趋势，沙粒的含量随土层深度的增加呈减少的趋势。同一土层土壤的黏粒、粉粒和沙粒的含量也不同。在 0～100 cm 土层中，黏粒和沙粒的含量均为坡上>坡中>坡下 ，粉粒的含量为坡下>坡中>坡上。

同一土层深度不同坡位之间存在显著性差异， 同一坡位不同土层深度间也存在着显著性差异。

3种坡位在相同带宽下土壤粒径分形维数均为坡下>坡中>坡上，因此可以看出坡下的土壤结构状况相对于坡中、坡上的土壤结构较好，坡中的土壤结构状况相对于坡上的土壤结构较好一点，坡上的土壤结构较差一点，由于坡度不同，坡上的大量水分与养分会向坡中、坡下流动，所以坡上的土壤结构状况较坡中坡下差一些。