风沙区不同种植年限苜蓿地土壤团粒组成分形特征研究

陈 林，杨新国，宋乃平，王 磊

(宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室/西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地/西部生态与生物资源开发联合研究中心，宁夏 银川 750021)

分形理论是以自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体作为研究对象、以分形几何学为数学基础的科学[1]。土壤是由不同颗粒组成、具有不规则形状和自相似结构的多孔介质，具有一定的分形特性。从20世纪80年代起，分形理论被应用到土壤学中[2]。土壤团粒是土壤的重要组成部分[3]，其含量是表征土壤质量的重要指标[4]。

土壤分形维数不仅能够表征土壤粒径的大小组成，反映质地均一程度[5]，还可以描述、刻画土壤颗粒的粒径及孔隙分布状况，阐明土壤的其他物理化学性状及其对周边生态环境的指示意义[6]，而且不同级别土壤团粒的含量会影响土壤团粒的分形维数及土壤的物理、化学和生物学过程[7]。与单纯的土壤粒径分布相比，分形维数不仅是不同粒径含量的综合反映，更是对土壤复杂与不规则结构的描述[8]。有研究表明，土壤物理性质随土壤团粒分形维数的变化而变化，即分形维数越小，>0.25 mm的团粒含量越高，土壤的结构越稳定[9]；土壤中团粒含量的多寡影响整个土壤的孔隙状况及比表面积，进而对土壤水分蓄持能力有较大影响，土壤持水能力随颗粒含量增加而递减[10]；土壤颗粒分形维数可以作为评价土地沙质荒漠化程度的定量指标之一[11]。

苜蓿作为优质的多年生豆科牧草，具有适应性强、产草量高、品质优和耐刈割等特点，有“牧草之王”的美誉。近年来，我国优质牧草及饲料作物种植面积大幅度增加，苜蓿的种植面积居世界第5位，并且随着西部生态建设和农业结构调整的不断推进，苜蓿人工草地面积逐年增加。目前，关于不同地区不同土地利用方式或植被类型下土壤团粒分形特征的研究，以及土壤分形维数与土壤类型、水分、养分状况等关系的报道较多[12]，但关于不同种植年限下苜蓿地土壤团粒分形特征的研究还较少，特别是针对风沙区苜蓿地土壤团粒分形特征及其与土壤理化性质关系的研究尚不多见。因此，为探索苜蓿种植年限对风沙区土壤性质的效应，我们研究了不同种植年限下苜蓿样地土壤团粒粒径分布的分形特征，以及与粒度组成和土壤有机质、全氮、碳酸钙含量等的相关关系，以期为研究区生态恢复过程中人工建植草地的科学评价提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区宁夏盐池县皖记沟行政村，位于盐池县城东北约3 km，地貌为鄂尔多斯缓坡起伏高原。气候特点为干旱少雨，蒸发量大，冬春两季风大沙多，属典型的中温带大陆性气候。1954—2010年年平均气温为8.46 ℃，年均降水量为276.3 mm，年均日照时数为2 862.6 h。地表植被属荒漠草原，沙生特征明显。土壤以有机质含量低、易沙化的淡灰钙土和风沙土为主。地表水与地下水资源匮乏。20世纪60年代以来，由于人类活动加剧，土地沙化面积不断扩大[13]。研究区在地形上从南向北是从黄土高原向鄂尔多斯台地(沙地)的过渡地带，在气候上是从半干旱区向干旱区的过渡地带，在植被上是从干草原向荒漠草原的过渡地带，在资源利用上是从农区向牧区的过渡地带。这种地理上的过渡性造成了该区自然资源的多样性和脆弱性的特点。

1.2 研究方法

本研究采用空间代替时间的方法进行研究，通过选取种植1、4、8、12和22年具有代表性的苜蓿样地(序号分别为M-1、M-4、M-8、M-12和M-22)，分析其土壤团粒分形特征的变化，来反映该地区不同种植年限土壤团粒的变化特征。在各样地内用S形布点法挖取0—20 cm土样5个，混合后装入样品袋带回实验室风干备用。

1.3 样品分析测试

将每个样地内的所有土壤样品混合均匀后分成两部分，一部分随机选取500 g左右的土样，用来进行土壤团粒组成分析。考虑到体积分形维数相对低于质量分形维数[14]，而目前研究地区尚欠缺相关资料，故本研究中采用杨培岭[5]提出的用粒径的质量分布来描述土壤分形特征。土壤团粒组成采用筛分法测定：过2、1、0.5、0.25和0.106 mm的套筛，收集各粒级土壤团粒(去掉石块)，用天平(精度为0.000 1 g)分别称量各粒级土壤团粒质量。另一部分研磨过筛后用来测定土壤的理化性状。土壤理化性状的测定均采用常规分析方法，土壤pH值和电导率分别采用1 ∶5土水比悬液和浸提液直接测定，土壤有机质采用重铬酸钾容量法，土壤全磷采用钼锑抗比色法，碳酸钙采用气量法，碱解氮采用碱解扩散法，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，全氮采用凯氏法测定。

1.4 土壤团粒分形维数模型

通常，粒径分形是由一定粒径间隔的粒径质量分布表示的。Mandelbrot首先建立了二维空间的颗粒大小分形特征模型，Tyler[15]和杨培岭[5]在此基础上对模型进行推广，提出用粒径的质量分布表征的土壤分形模型，即

对上述公式两边取对数，则可得

1.5 数据处理

利用EXCEL 2003计算土壤分形维数，并用SPSS 17.0分析分形维数与各粒级含量、土壤性质的相关性。

2 结果与分析

2.1 分形维数的分布特征

对0—20 cm土壤样品的机械组成进行统计分析(见表1)表明，不同种植年限苜蓿样地土壤团粒组成中，0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量较高，分别在39.03%～60.19%、25.63%～49.24%之间，其平均值分别为52.23%、36.98%；0.5—1、1—2 mm的次之，分别在1.66%～12.33%、0.36%～4.39%之间，其平均值分别为5.88%、2.74%；再次为<0.106 mm的，在1.08%～1.80%之间，其平均值为1.49%；>2 mm的最少，在0.05%～1.28%之间，其平均值仅为0.67%。

随着苜蓿种植年限的增加，0.106—0.25 mm、<0.106 mm的团粒含量有所增加，在种植22年的苜蓿样地中含量最高；不同种植年限苜蓿样地土壤团粒分形维数的变化范围在2.828 2～2.897 8之间，也随着种植年限的增加而增大。这表明研究区土壤分形维数随着土壤质地的粗细程度发生变化，土壤质地越细分形维数越大，反之亦然；同时反映了随着种植苜蓿年限的增加，土壤质地具有细粒化现象。

表1 不同种植年限土壤团粒组成及分形维数

2.2 分形维数与不同粒级团粒含量的关系

表2为分形维数与不同粒级团粒含量的线性单相关分析结果。可以看出，分形维数与1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm的团粒含量呈负相关关系，与0.106—0.25和<0.106 mm的含量呈正相关关系，但均没有达到显著水平。表明随着团粒直径减小，其分形维数增大，这和上面的研究结果一致。进一步对6个粒径含量(x)和分形维数(y)进行多元线性逐步回归分析，得到了进入方程的变量和剔除的变量，结果表明分形维数与<0.106 mm含量的偏相关关系达到极显著水平(P<0.01)，与其他粒径含量的偏相关关系不显著，其关系式为y=2.725+0.096x<0.106 mm(R2=0.99，F=2 581.88，P<0.01)。因此，决定不同种植年限土壤团粒分形维数的为<0.106 mm的粒径含量，其他粒径分布的影响程度相对较小。

表2 分形维数(y)与不同粒级团粒含量(x)的线性关系

2.3 分形维数与土壤性状的关系

经分析，分形维数与土壤性状的关系见表3，与土壤性状的相关分析结果见表4。

表3 不同种植年限下苜蓿地分形维数(y)与土壤性状(x)的线性关系

表4 不同种植年限下苜蓿地分形维数(y)与不同粒径土壤质地及土壤性状(x)的相关分析

由表3和表4可知，本研究区分形维数与土壤1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm颗粒含量和有机质含量、pH值、电导率、碱解氮含量、速效磷含量呈负相关关系，但均不显著；与>2、0.106—0.25、<0.106 mm颗粒含量和全磷、碳酸钙、全氮含量呈正相关关系，除与0.106—0.25、<0.106 mm颗粒含量和全氮含量为显著正相关(P<0.05)外，其他均未达到显著水平。>2 mm土壤颗粒含量与1—2 mm土壤颗粒含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与其他均未达到显著水平。1—2 mm土壤颗粒含量与有机质含量在P<0.05的水平呈显著正相关关系。0.25—0.5 mm土壤颗粒含量与全磷含量在P<0.05的水平呈显著负相关关系。0.106—0.25 mm土壤颗粒含量与<0.106 mm土壤颗粒含量在P<0.05的水平呈现显著正相关关系。

3 结论与讨论

(1)粒径分布是表征土壤物理性质的重要参数之一，0—20 cm土壤样品的团粒组成中粒径0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量较高，>2 mm的含量最低。随着苜蓿种植年限的增加，0.106—0.25、<0.106 mm的含量有所增加，反映了研究区随着苜蓿种植年限的增加，土壤质地具有细粒化现象。与单纯的土壤粒径分布相比，分形维数不仅是不同粒径含量的综合反映，更是对土壤复杂与不规则结构的描述[8]，不同种植年限苜蓿样地土壤团粒分形维数的变化范围在2.828 2～2.897 8之间，随着种植年限的增加而增大。在干旱区植被恢复过程中，分形维数与土壤质地的细粒化变化一致，且随着恢复时间延长有增大的趋势，这与贾晓红等[16]的研究结果相一致。这可能是研究地区存在着强烈的风蚀作用，由于种植苜蓿减少了开垦对土地的翻耕等人为干扰，地表有了植被的保护，因而有效地减缓了风蚀导致的细团粒物质流失，同时还能促进细团粒物质的沉积，增加细团粒物质的含量。土壤团粒的分形维数随着苜蓿种植年限的增加而增大，说明分形维数可以反映苜蓿草地土壤恢复的程度，能够很好地表征风沙区苜蓿草地土壤物理性状的变化趋势，可以作为评价风沙区人工草地土壤物理性状的一个指标。

(2)土壤团粒分形维数与各粒径含量的单相关关系和复相关关系不同，分形维数与1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm含量呈负相关关系，与0.106—0.25和<0.106 mm含量呈正相关关系，均没有达到显著水平。但进一步对分形维数和6个粒径含量进行多元线性逐步回归分析，结果表明分形维数与粒径<0.106 mm颗粒含量的偏相关关系达到极显著水平(P<0.01)，与其他粒径含量的偏相关关系不显著。因此，决定不同种植年限土壤团粒分形维数的为粒径<0.106 mm的颗粒含量，其他粒径分布的影响程度相对较小。同时也表明土壤团粒分形维数是反映土壤质地的一个较好指标，主要反映<0.106 mm的颗粒含量。已有的研究也表明，土壤颗粒组成中细沙含量越多，其分形维数越大[17]，也就是说随着团粒直径减小，其分形维数增大。所以，用土壤粒径分布分形维数代替土壤团粒组成来表征土壤质地特性显得更为简单。

(3)分形维数在一定程度上可以表征土壤的养分概况[8]。关于土壤团粒分形维数与土壤性质的关系已有大量研究，均表明分形维数与有机质含量呈负相关，本研究也得出了同样的结论，但负相关未能达到显著水平，这主要是因为样地中土壤有机质的含量相对较少，随着苜蓿种植年限的增加没有明显变化。土壤各粒级团粒对土壤养分元素的吸附保持能力不相同，分形维数越高，比表面积大的黏粒含量越丰富，黏结性越强，养分越易积累，因此对养分的吸附和固定作用越强。但不同地区土壤的养分状况不同，因此分形维数所表征的养分状况也有所不同。本研究表明，土壤团粒分形维数与全氮呈显著正相关关系(P<0.05)，即分形维数越高，全氮含量越大。这是由于苜蓿属固氮植物，因此随着种植年限的增加，土壤中氮素含量也增大，说明分形维数可以反映风沙区苜蓿草地土壤氮素恢复的程度，具有指示作用。同时，分形维数对于了解干旱风沙区人工苜蓿草地土壤质量和演化机制等都具有重要的理论依据和实践意义。

[参考文献]

[1] 谢和平,薛秀谦.分形应用中的数学基础与方法[M].北京:科学出版社,1997:69-73.

[2] 刘阳,陈波,杨新兵,等.冀北山地典型森林土壤颗粒分形特征[J].水土保持学报,2012,26(3):159-164.

[3] 沈晶玉,周心澄,张伟华.祁连山南麓植物根系改善土壤抗冲性研究[J].中国水土保持科学,2004,2(4):87-91.

[4] 李春蕾,许端阳,陈蜀江.基于高光谱遥感的新疆北疆地区土壤颗粒含量反演研究[J].干旱区地理,2012,35(3):473-478.

[5] 杨培岭,罗远培,石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J].科学通报,1993,38(20):1896-1899.

[6] 王富,贾志军,董智,等.不同生态修复措施下水库水源涵养区土壤粒径分布的分形特征[J].水土保持学报,2009,23(5):113-117.

[7] Sperry J S,Hacke U G.Desert shrub water relations with respect to soil characteristics and plant functional type[J].Functional Ecology,2002,16(3):367-378.

[8] 伏耀龙,张兴昌,王金贵.岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征[J].农业工程学报,2012,28(3):120-125.

[9] 宁丽丹,石辉,周海军,等.岷江上游不同植被下土壤团粒特征分析[J].应用生态学报,2005,16(8):1405-1410.

[10] 李卓,冯浩,吴普特,等.颗粒含量对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究[J].水土保持学报,2009,23(3):204-208.

[11] 贾晓红,李新荣,张景光,等.沙冬青灌丛地的土壤颗粒大小分形维数空间变异性分析[J].生态学报,2006,26(9):2827-2833.

[12] 刘霞,姚孝友,张光灿,等.沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分析与孔隙结构特征[J].林业科学,2011,47(8):31-37.

[13] 宋乃平,杨新国,何秀珍,等.荒漠草原人工柠条林重建的土壤养分效应[J].水土保持通报,2012,32(4):21-26.

[14] 党亚爱,李世清,王国栋,等.黄土高原典型土壤剖面土壤颗粒组成分形特征[J].农业工程学报,2009,25(9):74-78.

[15] Tyler S W,Wheatcraft S W.Fractal scaling of soil particle-size distribution:Analysis and limitations[J].Soil Science Society of American Journal,1992,56(2):362-369.

[16] 贾晓红,李新荣,李元寿.干旱沙区植被恢复过程中土壤颗粒分形特征[J].地理研究,2007,26(3):518-525.

[17] 武生智,魏春玲.沙粒粗糙度和粒径分布的分形特性[J].兰州大学学报:自然科学版,1999,35(1):53-56.