黑河中游荒漠-绿洲过渡带固沙植物根区土壤颗粒组成及分形特征

周成乾,胡广录,2,李嘉楠,刘 鹏,陶 虎

(1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院,兰州 730070;2. 甘肃省黄河水环境重点实验室, 兰州 730070;3. 甘肃省水土保持科学研究所,兰州 730020)

土壤是由形态各异、大小不同的土壤颗粒组成,其颗粒组成具有一定的分形特征[1]。土壤颗粒组成的变化和差异可以用于判断土壤退化和发展强度[2],土壤的理化特征也随之改变,如土壤沙化、土壤通气透水能力增加,保水能力降低,土壤颗粒组成也是重要的土壤性质之一[3]。分形维数作为分形理论的重要参数,在自然界不规则现象中反映了复杂形体占有空间的有效性,同样也是对形体不规则性的度量[4-5]。随着分形理论的不断发展,分形理论在土壤学中被广泛应用[6-7],土壤颗粒分形维数D可作为评价土壤沙化演变的定量指标之一[8]。研究者对土壤颗粒特征及分形特征开展了诸多研究。南富森等[9]研究了北岸兰州段沙漠-草原过渡带的土壤分形特征,发现荒漠化加剧使得土壤中较细的颗粒物流失,土壤颗粒分形维数D降低。罗凤敏等[10]研究了乌兰布和沙漠边缘的5种不同利用类型土地的土壤粒度特征,发现植被区风蚀活动显著小于流动沙丘和沙障治理区。

荒漠-绿洲过渡带作为荒漠生态系统和绿洲生态系统之间的交错带,其内部有着许多人工和自然生长的固沙植被[11]。固沙植物通过降低风沙流速、防治风蚀、固定沙丘、改善土壤的理化性质,进而使得沙化土地生态功能和土地生产力恢复[12-13]。近年来,黑河中游荒漠-绿洲过渡带受人为干扰,内部固沙植物出现了不同程度的衰退,对已固定的沙丘稳定性产生影响,进而严重威胁着黑河中游绿洲生态系统。随着固沙植物的退化,植被覆盖度降低,土壤颗粒逐渐变粗[14],生态植被稳定性变差。土壤颗粒组成作为固沙植物生长发育的物质基础[15],对于构建稳定的生态系统具有重要作用。因此,研究固沙植物根区的土壤颗粒组成及其分形特征十分重要,对维持过渡带生态稳定和荒漠沙化土壤恢复具有现实意义。

目前,学者们针对黑河中游荒漠-绿洲过渡带的固沙植物开展了许多研究[16-18],并取得了大量成果,但对固沙植物根区土壤颗粒特征的研究鲜有报道。为探究黑河中游荒漠-绿洲过渡带根区土壤颗粒及分形特征,本文以过渡带中的梭梭、沙拐枣和泡泡刺这3种固沙植物根区土壤为研究对象,对根区土壤颗粒组成及其分形特征、土壤颗粒分形维数D与土壤粒度组成的相关关系进行了分析,揭示了固沙植物根区的土壤颗粒组成及分析特征。研究结果有助于理解干旱沙漠地区固沙植物在风沙活动中的作用,也可为黑河中游荒漠-绿洲过渡带固沙植物的恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省张掖市临泽县境内,地理坐标为东经(100°09′12″～100°09′14″),北纬(39°21′53″～39°22′01″),地处临泽绿洲、荒漠和巴丹吉林沙漠延伸带之间,地势较为平坦,平均海拔1 350 m左右(见图1)。气候属于典型的温带大陆性荒漠气候,多年平均降雨量为117 mm,多年平均蒸发量为2 146.3 mm,是降雨量的18倍,多年平均气温为7.6 ℃,年日照时间为3 053 h,日照充足;研究区风沙活动强烈,每年3～5月是风沙活动的主要时期,由于长期受到风沙侵蚀的影响,土壤类型以风沙土为主;研究区内部植被群落结构简单,呈斑块状或带状分布,植被覆盖度在10%～30%之间,主要的固沙植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa),柽柳(Tamarixramosissima)、沙拐枣(Calligonummongolicum)等。

图1 研究区概况图

1.2 样地选择与样品采集

2021年8月,在研究区范围内选择一块200 m×200 m的丘间低地作为代表性样地,选取样地内不同固沙植物(泡泡刺沙堆、沙拐枣、梭梭)各4棵(丛)作为研究对象(见图2)。被挑选的同种固沙植物长势基本相近(冠幅、高度、枝干粗细等),且每个被选植株(或沙堆)均与周围(约5 m内)的其他固沙植物互不影响。野外对被选固沙植物进行调查测量,结果见表1。在距离被选固沙植物冠幅边缘0～1 m范围设置采样点,每棵固沙植物根区范围设3个采样点,如图3所示。在采样点先挖掘剖面,然后在0～120 cm土层内按照20 cm垂直间距为一土层,用环刀采集每一土层的原状土样,每一层3个环刀样混合后,先清除土样中的石烁和植物残体,再四分法取约1 kg散土样装入自封袋并分类标记,带回实验室待测。

表1 固沙植物基本性质

图2 固沙植物示意图

图3 样地设置及采样点位示意图

1.3 测定项目与方法

土壤粒径分布使用Mastersizer 3000激光粒度仪(英国,马尔文公司)测定。土壤颗粒粒径划分参考美国农业部(USDA)土壤质地分级标准[20](见表2)。

表2 土壤颗粒粒径分级标准

1.4 土壤颗粒分形维数D计算

土壤颗粒分形维数D通过粒度仪测定结果和土壤颗粒体积分形维数[21]的计算方法来计算:

式中:r表示测量粒径;Rmax为最大粒级土壤颗粒的直径;D为土壤颗粒分形维数;Ri为第i级粒级,计算中Ri为粒级区间的平均值;V(r

1.5 数据处理

数据的处理和统计分析采用Excel 2010和SPSS 26软件完成;对固沙植物根区土壤颗粒分形维数D和不同粒级颗粒进行皮尔逊相关性分析;对固沙植物根区土壤颗粒分形维数D运用邓肯法进行差异显著性检验;用Origin 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 固沙植物根区土壤颗粒分布特征

根据激光粒度仪输出结果,绘制土壤粒度频率曲线(PSD),如图4所示。研究区3种固沙植物根区0～120 cm土层土壤粒径分布频率曲线的峰值区间较接近,变化幅度不大,粒径主要集中在0.1～0.5 mm之间,峰型呈单峰。与0～40 cm土层相比,泡泡刺根区40～120 cm土层土壤粒径分布非均匀程度明显增加;与0～60 cm土层相比,梭梭根区60～120 cm土层土壤粒径分布非均匀程度亦明显增加;沙拐枣根区0～120 cm土层土壤粒径分布则无明显变化。

图4 土壤粒度频率曲线

如表3所列,3种固沙植物根区0～120 cm土层土壤中,粗砂粒的平均质量分数为泡泡刺(6.12%)>梭梭(5.68%)>沙拐枣(0.01%),中砂粒的平均质量分数为泡泡刺(38.86%)>梭梭(37.32%)>沙拐枣(21.46%),细砂粒的平均质量分数为沙拐枣(68.47%)>梭梭(49.05%)>泡泡刺(46.09%),极细砂粒的平均质量分数为沙拐枣(6.01%)>梭梭(4.05%)>泡泡刺(4.01%),粉粒的平均质量分数为泡泡刺(4.70%)>沙拐枣(3.92%)>梭梭(3.56%),黏粒的平均质量分数为泡泡刺(0.23%)>梭梭(0.16%)>沙拐枣(0.14%)。固沙植物的存在增加了地表的粗糙程度,可以有效地降低风速,使得风沙流中的细颗粒物质在根区附近沉积,但不同的固沙植物由于其植被形态存在差异,导致根区细颗粒物质的沉积也存在显著差异。3种固沙植物中,由于泡泡刺冠幅较大贴近地表,且枝条较为繁密,根区的细颗粒物质质量分数显著高于梭梭和沙拐枣,泡泡刺的固沙能力高于梭梭和沙拐枣。沙拐枣根区土壤砂粒中,粗砂粒和中砂粒质量分数显著低于泡泡刺和梭梭,细砂粒和极细砂粒质量分数显著高于梭梭和泡泡刺,沙拐枣根区土壤颗粒整体偏细。

表3 不同固沙植物根区土壤粒径分布

2.2 固沙植物根区土壤颗粒分形维数D的特征

如表3所列,除沙拐枣根区20～40 cm土层的拟合优度为0.77外,其余土层的拟合优度均大于0.93,说明本文利用土壤体积分形维数拟合得到的土壤颗粒分形维数D结果可靠。

比较不同固沙植物根区各土层深度(0～120 cm)的土壤颗粒分形维数D(见图5),泡泡刺根区土壤颗粒分形维数D的变化范围为1.85～2.10,平均值为2.00;沙拐枣根区土壤颗粒分形维数D变化范围为1.73～2.00,平均值为1.91;梭梭根区土壤颗粒分形维数D变化范围为1.79～2.04,平均值为1.94。随采样深度增加,3种固沙植物根区浅层(0～60 cm)土壤颗粒分形维数D变化幅度较大,在深层(60～120 cm)土壤颗粒分形维数D变化幅度相对较小,其中梭梭和沙拐枣的土壤颗粒分形维数D随采样深度增加,变化趋势基本一致。综合分析可知,不同固沙植物根区土壤颗粒分形维数D从大到小依次排序为:泡泡刺>梭梭>沙拐枣,且浅层土壤容易受到外界因素的影响,其土壤颗粒分形维数D值变化浮动较大。

图5 不同固沙植物根区土壤颗粒分形维数D随土层深度的变化

2.3 固沙植物根区土壤颗粒分形维数D与粒度组成相关关系

土壤颗粒分形维数D与不同粒级土壤颗粒质量分数的皮尔逊相关性如表4所列。土壤颗粒分形维数D与土壤颗粒中的黏粒和粉粒质量分数呈极显著的正相关关系,与土壤中颗粒的砂粒质量分数呈极显著负相关关系。土壤砂粒中的各级土壤颗粒与土壤颗粒分形维数D的相关性未达到显著水平。土壤中小于0.05 mm的细颗粒越多,土壤颗粒分形维数D值就越大,反之越小。

表4 土壤机械组成与土壤颗粒分形维数D的相关关系

3 讨论

土壤颗粒粒径分布与组成是土壤最基本的物理性质,反映了土壤的结构特征[22]。本研究中,黑河中游荒漠-绿洲过渡带的成土母质为风沙土,地形和植被类型影响土壤颗粒组成及粒径分布。已有研究[23]表明,黑河中游荒漠-绿洲过渡带地表0～10 cm土层土壤的粒度组成以中砂(0.25～0.5 mm)和细砂(0.075～0.25 mm)为主,本文研究也得出了相似结果。这是由于研究区位于干旱地区,降水量少、风速较大,风选作用严重,所以土壤中以中砂粒质量分数居多,土壤粒度频率曲线也反映了土壤粒径分布的这一特征。固沙植物的种类与其根区土壤的粒度组成有着密切的关系[24],而土壤的粒度组成又显著影响着土壤理化性质和微生物环境[25]。固沙植物不仅能降低风沙活动的风速,减轻地表风蚀,使风沙流中携带的细颗粒物质沉积到植物根区,而且随着固沙植物的生长发育,受植物根系挤压的根区土壤变得更为致密,增加土壤结构的稳定性,使根区土壤的抗风蚀能力增强[26]。由于固沙植物的生物学形态差异,其表现出的防风固沙效能也不同。本研究中,泡泡刺根区细颗粒物质最多,其固沙效能最强,主要原因是泡泡刺贴近沙堆地表,冠幅较大、枝叶繁密[27],有效增加了地表粗糙度,降低了风沙流速,使得细颗粒物沉积在根区。梭梭虽然冠幅较大,但其地表0～50 cm处的枝条较少[28],难以降低地表的风速,地表仍存在一定的风蚀。沙拐枣虽然拥有较为繁密的枝条,但其冠幅较小、叶片较少[19],在风沙活动中无法有效降低风速和使得颗粒物沉积,其固沙能力为三者中最差。有研究表明,梭梭垂直根系发达,侧根系较少[29],由于“湿岛效应”的存在泡泡刺根系主要集中在沙堆内部,沙堆下部根系较少[30],沙拐枣垂直根系不发达,侧根极其发达,侧根系走向基本与地面平行[31]。本研究表明,沙拐枣根区土壤中细砂粒和极细砂粒质量分数显著高于泡泡刺和梭梭,而粗砂粒和中砂粒质量分数显著低于泡泡刺和梭梭,沙拐枣显著减小了根区土壤中粗颗粒粒径质量分数,这可能与沙拐枣的侧根系发达,对浅层土壤的固结作用较强有关。

土壤颗粒分形维数D是土壤结构的表征,而土壤细颗粒物质的质量分数是土壤结构稳定与否的关键[32]。本研究表明,固沙植物根区土壤中粉粒、黏粒质量分数越高,土壤颗粒分形维数D越大,即土壤质地越细腻,分形维数值越高,这与Qi[33]和Gao[34]的研究结果基本一致,土壤中细颗粒物质(粉粒、黏粒)质量分数越高,越容易填充土壤中的细小孔隙,使得土壤结构越紧实[35],增强了土壤的稳定性和抗侵蚀能力。本研究中,固沙植物根区浅层的土壤颗粒分形维数D变化幅度较大,深层的变化幅度较小,这是因为浅层土壤中的粉粒和黏粒质量分数受风沙活动影响较大所导致。有研究[36]表明,某一粒级颗粒质量分数过高和过低都会导致土壤质量和土壤结构变差,如土壤细颗粒物质流失,土壤砂粒质量分数增大,土壤大孔隙增多,土壤的保水保肥性变差[37]。由于风蚀作用,黑河中游荒漠-绿洲过渡带土壤中砂粒质量分数过高,土壤的持水能力较低,这是目前区域生态植被恢复所面临的最主要问题。因此,在未来沙化土壤治理过程中,对土壤中各粒径颗粒质量分数进行研究,合理调控土壤颗粒的配比,增加土壤中细颗粒质量分数、改善粗粒化的土壤结构是该地区生态恢复的关键。

土壤细颗粒物质的流失,是导致土地荒漠化发生的重要原因[36]。而固沙植物的根系固持和茎叶截流能够有效的减少细颗粒物质的流失,并在根区附近产生一定量的沉积,同时也改善了根区土壤结构和理化性质[38]。因此,增加过渡带内固沙植物数量及覆盖面积对维持沙丘的稳定性和减少土壤沙化的风险具有重要意义。

4 结论

1) 3种固沙植物根区0～120 cm土层中,土壤颗粒均以细砂粒和中砂粒为主,质量分数占比超过75%,除这两种主要颗粒外,其他土壤颗粒质量分数从高到低依次为极细砂粒、粗砂粒、粉粒和黏粒。3种固沙植物根区土壤颗粒组成存在显著差异(P<0.05),泡泡刺根区土壤粉粒和黏粒质量分数显著高于沙拐枣和梭梭,沙拐枣根区土壤细砂粒和极细砂粒质量分数显著高于泡泡刺和梭梭,粗砂粒和中砂粒质量分数则显著低于泡泡刺和梭梭,可以看出,3种固沙植物中,泡泡刺的固沙能力最出色,而沙拐枣根区的粒径整体上最细。

2) 3种固沙植物根区的土壤颗粒分形维数D存在显著差异(P<0.05),根区平均土壤颗粒分形维数D为泡泡刺(2.00)>梭梭(1.94)>沙拐枣(1.91),且固沙植物根区的土壤颗粒分形维数D的范围为1.73～2.10,整体处于较低水平,且浅层(0～60 cm)土壤易受外界因素干扰,土壤颗粒分形维数D变化幅度较大。

3) 3种固沙植物根区土壤中,土壤颗粒分形维数D与土壤颗粒中黏粒和粉粒的质量分数呈极显著正相关关系,与土壤颗粒中砂粒的质量分数呈极显著负相关关系,土壤砂粒中的各级土壤颗粒与土壤颗粒分形维数D的相关性未达到显著水平。土壤颗粒分形维数D的大小反映了土壤的机械组成,其中细颗粒物质是影响固沙植物根区土壤颗粒分形维数D的主要原因。因此,提高固沙植物根区土壤中细颗粒物质的质量分数,可有效改善土壤结构,维持过渡带生态植被的稳定。