封育对荒漠草原沙芦草群落土壤粒径分形维数及理化性质的影响

李国旗， ， ，

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地， 宁夏 银川 750021；2.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， 宁夏 银川750021)

荒漠草原介于荒漠与草原之间，是旱生性最强的一类草原生态系统[1]。宁夏的荒漠草原处于农牧交错区，植被稀疏，且多呈斑块状分布，导致该区生态环境极其脆弱，土地风蚀严重，土壤贫瘠且基质稳定性差[2]。近年来人类的过度放牧等干扰，致使原本脆弱的荒漠草原区日益呈现出草地退化、土地沙化和土壤退化等问题，并不断向裸露化或荒漠化方向发展[3]。在退化生态系统恢复与重建的过程中，围栏封育已成为退化土地恢复的重要举措之一，被世界广泛采用[4]。多年生禾本科植物沙芦草(A.mongolicum)具有很强的抗逆性和很高的饲用营养价值，是荒漠草原的典型植物群落，在土地沙漠化防治过程中起着积极作用。因此，研究该区域围栏封育对荒漠草原区土壤特性的变化规律，对于该地区环境保护和生态建设具有重要的指导意义。

土壤是一种具有不规则形状和自相似结构的多孔介质，由不同颗粒组成，且有一定的分形特征[5-8]。土壤粒径分形维数不但可以表征土壤颗粒大小，而且能反映土壤质地的均匀程度[9-10]。研究表明，土壤质地越细，土壤粒径分形维数越大[9]。也有研究发现，土壤粒径分形维数与土地沙漠化程度、土壤养分以及土壤结构之间存在着显著线性关系[11-13]。许多研究者在前人土壤粒径分形维数与土壤有机碳、全N、全P、速效P、碱解N及速效K有一定的相关关系的基础上，进一步证实了土壤粒径分形维数对土壤肥力有一定影响[11,13-15]。研究表明土壤粒径分形维数可以作为评估土壤肥力和土地退化程度的指标[5,11,13,16-17]。已有研究中关于封育对土壤粒径分形维数、土壤粒径分形维数与土壤养分之间的相关研究还相对欠缺。鉴于此，本文以采集于宁夏荒漠草原沙芦草群落的土壤为研究对象，分析了围封对沙芦草群落土壤颗粒分形维数的变化特征以及分形维数与土壤性状的关系，旨在为荒漠草原的生态恢复与重建提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏东部盐池县(106°30′10″～107°48′ E，37°04′～38°10′ N)四墩子，位于毛乌素沙地西南部半干旱农牧交错区，是黄土高原向鄂尔多斯台地过度地带，自然条件较为恶劣，属于典型的中温带大陆性季风气候，年均温7.1℃，1月平均气温-8.8℃；年日照为2 864 h，年降水量250～300 mm，且大部分集中在6～9月，年蒸发量在2 600 mm左右，年无霜期165 d，气候特征是生长期短、干旱少雨、风沙大[18]。土壤类型主要为灰钙土、风沙土、黄绵土和盐碱土，土壤质地为沙壤和粉沙壤[19]，土壤结构疏松、肥力差。试验区位于我国温带草原的过度地带，属于欧亚草原区，群落表现出旱生植物与典型草原建群种多年生禾草的镶嵌式分布格局。研究区植被主要有沙芦草、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜头(Cynanchumkomarovii)、针茅(Stipacapillata)等。

1.2 采样点设置与调查取样方法

在宁夏盐池县四墩子选取实施围栏封育的以沙芦草为优势种的草地(总覆盖度为60%～70%)类型为研究对象，以其围栏外的沙芦草群落(总覆盖度为30%～40%)作为对照。二者具有相同气候条件和地理位置。于2016年7月底，植物生长最旺盛时期，在两样地内沿着对角线随机选取6个5 m × 5 m的大样方，在大样方中采取5点采样法，各设5个1 m × 1 m的小样方，分别按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm取土，将同一大样方中5个小样方的同层土样混合，装入塑料袋，两样地总计36个土样带回实验室。

1.3 试验方法

土样自然风干，过2 mm筛，并去除树根等杂物，使用英国马尔文公司的利用Mastersizer 3000激光衍射粒度分析仪进行土壤粒径分布(PSD)的测定，粒度分析的粒径范围0.01～3 500 μm，土壤粒径分级采用美国制土壤粒级标准[20](表1)。

表1 土壤粒级制(美国)Table 1 Common soil graded system(America)

土壤化学性状的测定均采用常规分析法[21]，土壤有机碳测定用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮用半微量凯氏定氮法；全磷用钼锑抗比色法；土壤碱解氮采用碱解扩散法；土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法。

1.4 数据分析

分形维数的计算：土壤是具有分形特征的系统，运用分形理论建立土壤颗粒结构的分形模型[22]，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。

公式如下：

式中：D-土壤颗粒分形维数；r-土壤粒径/μm；Ri-粒径等级i的土壤粒径/μm；Vr-土壤颗粒总体积/%；Rmax-土壤粒径的极大值/μm；V-土壤粒径小于的土壤体积百分量/%。

试验数据用 Microsoft Excel 2010进行数据整理及图表制作，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。其中围栏内外数据差异采用配对T检验分析比较，同一样地不同土层间的差异采用单因素方差分析和最小显著差异法(LSD)进行分析比较。所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 围栏封育对沙芦草群落土壤理化性质的影响

2.1.1土壤粒级组成及其变化特征 图1是沙芦草群落围栏内外的土壤粒径含量分布图。由图1可见，沙芦草群落土壤主要组成有黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、极细砂粒(50～100 μm)和细砂粒(100～250 μm)，土壤粒径在100～250 μm之间的颗粒所占比例非常少，且粒径>250 μm的土壤颗粒基本为0。围栏内以黏粒、粉粒为主，而围栏外以极细砂粒所占比例最多。沙芦草群落围栏内，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层均表现为黏粒含量最高，平均值分别为41.95%、47.95%、44.47%，0～10 cm与10～20 cm土层间存在显著差异(P<0.05)；粉粒、细砂粒在不同土层间均无显著差异；极细砂粒含量随土层的加深呈现“V”型变化趋势，且0～10 cm与10～20 cm土层间存在显著差异(P<0.05)。沙芦草群落围栏外，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层均表现为极细砂粒含量最高，平均值依次为43.12%、45.65%、41.94%，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层间无显著差异；黏粒含量在20～40 cm土层最多，显著高于0～10 cm、10～20 cm土层的(P< 0.05)；粉粒含量随土层的加深呈逐渐降低的趋势，20～40 cm土层处粉粒含量出现最小值，显著低于0～10 cm、10～20 cm土层的(P<0.05)。与围栏外相比，围栏内0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层的黏粒含量均显著增加(P<0.05)，分别增加了21.57%、27.90%、16.90%；粉粒含量在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层均有所增加，20～40 cm土层增加显著(P<0.05)，而0～10 cm、10～20 cm土层的增加不显著；围栏内0～10 cm、10～20 cm与20～40 cm土层的极细砂粒含量均显著减少(P<0.05)，依次减少了21.70%、30.42%、23.14%；细砂粒含量在各土层间均无显著变化。

图1 沙芦草群落围栏内外土壤粒径含量分布Fig.1 Distribution of soil particle size inside and outside the fence of A. mongolicum community注：不同大写字母表示两样地同一土层间的显著差异(P<0.05)，不同小写字母表示同一样地不同土层间的显著差异(P<0.05)Note: Different capital letters indicate the significant difference in the same soil layers between two sample plots at the 0.05 level, and the different lowercase letters indicate the significant difference in the same sample plot among different soil layers at the 0.05 level

2.1.2土壤化学性质的变化特征 表2是沙芦草群落围栏内外土壤养分的变化情况。由表2可知，沙芦草群落土壤养分整体上表现为围栏外高于围栏内。围栏内，碱解氮含量随土层的加深而增大，在20～40 cm土层处出现最大值，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层间存在显著差异(P<0.05)；土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷含量均在0～10 cm土层最高，显著高于10～20 cm、20～40 cm土层的(P<0.05)。围栏外，土壤养分表现出较为复杂的变化。其中，土壤有机碳、全氮含量随土层的加深而增加，全磷、碱解氮、速效磷含量均随土层的加深表现为先降低后增大的趋势，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层间存在显著差异(P<0.05)。与围栏外相比，沙芦草群落围栏内土壤有机碳含量在0～10 cm土层有所提高，但差异不显著，10～20 cm、20～40 cm土层显著低于围栏外(P<0.05)；围栏封育显著提高了0～10 cm土层土壤全氮含量，而显著降低10～20 cm、20～40 cm土层的(P<0.05)；围栏内0～10 cm土层土壤全磷含量显著高于围栏外，20～40 cm土层显著低于围栏外的(P<0.05)；围栏内0～10 cm、20～40 cm土层的土壤碱解氮和速效磷含量显著低于围栏外(P<0.05)，10～20 cm土层的无显著变化。

表2 沙芦草群落围栏内外土壤养分的变化Table 2 Changes of soil nutrients inside and outside the fence of A. mongolicum community

注：不同大写字母表示两样地同一土层间的显著差异(P< 0.05)，不同小写字母表示同一样地不同土层间的显著差异(P< 0.05)

Note: The different capital letters indicate the significant difference in the same soil layers between two sample plots at the 0.05 level, and the different lowercase letters indicate the significant difference in the same sample plot among different soil layers at the 0.05 level

2.2 围栏封育对沙芦草群落土壤粒径分形维数特征的影响

2.2.1土壤粒径分形维数的变化 图2是沙芦草群落围栏内外土壤粒径分形维数的变化情况。由图2可知，沙芦草群落土壤粒径分形维数变化于2.65～2.69之间。沙芦草群落围栏内，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层的土壤粒径分形维数依次为2.68、2.68、2.69，各土层间无显著差异。围栏外，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层的土壤粒径分形维数分别为2.66、2.65和2.67，土壤粒径分形维数随土层加深表现为先降低后增加的变化趋势，且20～40 cm土层的分形维数显著高于0～10 cm、10～20 cm土层的(P< 0.05)。通过配对T检验，围栏封育显著提高了0～10 cm、10～20 cm土层的土壤粒径分形维数(P< 0.05)，而20～40 cm土层的土壤粒径分形维数虽有增加，但差异不显著。

图2 沙芦草群落围栏内外土壤粒径分形维数的变化Fig.2 The fractal dimension of soil particle size inside and outside the fence of A. mongolicum community注：不同大写字母表示两样地同一土层间的显著差异(P < 0.05)，不同小写字母表示同一样地不同土层间的显著差异(P < 0.05)Note: Different capital letters indicate the significant difference in the same soil layers between two sample plots at the 0.05 level, and the different lowercase letters indicate the significant difference in the same sample plot among different soil layers at the 0.05 level

2.2.2土壤粒径分形维数与土壤粒级组成的关系 由图3可知，土壤粒径分形维数与土壤中各粒级间存在复杂的关系，其中土壤粒径分形维数与黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)含量呈正相关关系，与黏粒含量达到了极显著正相关关系，相关系数为0.961(P< 0.01)；土壤粒径分形维数与极细砂粒(50～100 μm)、细砂粒(100～250 μm)含量呈负相关关系，与极细砂粒达到了极显著负相关关系，相关系数为-0.903(P<0.01)；而粉粒含量和细砂粒含量与土壤粒径分形维数的相关关系均未达到显著性。土壤分形维数与土壤各粒级含量相关性顺序为黏粒 > 极细砂粒 > 粉粒 > 细砂粒。表明土壤粒径分形维数对土壤黏粒、极细砂粒含量的变化最敏感，且随着黏粒、粉粒含量的增多而增大，随着极细砂粒、细砂粒含量的增多而减小。

2.2.3土壤粒径分形维数与土壤养分的关系 表3为土壤颗粒分形维数与土壤养分含量回归分析拟和结果。由表3可知，土壤粒径分形维数与土壤有机碳含量达到了显著负相关关系，相关系数为-0.538(P< 0.05)，而与土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量均未达到显著相关关系，而且呈现出为土壤粒径分形维数随土壤养分含量增大而减小的变化趋势。

表3 土壤颗粒分形维数与土壤养分含量回归分析拟和结果Table 3 Regression analysis results of fractal dimension of soil particle size and soil nutrient content

注：y为土壤粒径分形维数，x为土壤养分

Note: y is the fractal dimension of soil particle size, x is the soil nutrient

图3 土壤颗粒分形维数与土壤各粒级含量的关系Fig.3 Relationship between fractal dimensions of soil particle and content of particle fractions

3 讨论

3.1 围栏封育对沙芦草群落土壤理化性状的影响

土壤粒径分布是土壤重要的物理特性之一。以往的研究结果显示，土壤粒径分布不仅能够反映土壤颗粒组成及大小，且对土壤的水肥状况及土壤侵蚀等有不同程度的影响[23-24]。本研究中，沙芦草群落围栏内，黏粒(<2 μm)含量在10～20 cm土层显著高于0～10 cm、20～40 m，粉粒(2～50 μm)含量随土层的加深无显著变化，极细砂粒(50～100 μm)含量在10～20 cm土层处出现最小值；围栏外，极细砂粒(50～100 μm)所占比例最大，其次是粉粒，黏粒在20～40 cm土层含量最高；与围栏外相比，围栏内黏粒、粉粒含量均有所增加，而极细砂粒含量减少，黏粒、极细砂粒含量的变化存在显著差异，细砂粒(100～250 μm)含量在围栏内外无显著变化。这与前人[11,13,25-27]在其它关于退化土地逆向演替的研究结果相类似。分析其原因，一是因为对沙芦草群落实施围栏封育后，植被在相对稳定的环境中得以恢复，地上植被覆盖度的提高，有效降低了群落中地表风速，防止原有的土壤细颗的风蚀。同时，植被能够截留大气中的细颗粒物质，使其在群落中堆积[27]；二是围栏封育植被的恢复有利于改善土壤结构，另外，大气中的粉尘得以在降尘、降雨等过程中储存下来，最终导致土壤粒径分布发生改变[28]。

土壤养分是植物生长发育的必要条件之一，对植被具有重要的意义。在已经有的研究中，就围封对土壤养分的影响并未得出定论[29]。有研究结果[30-31]表明围封可以提高土壤养分，也有学者的研究结果表明[32-33]围封反而降低了土壤养分含量；李香真等[34]则认为围封与土壤养分之间的关系极为复杂。本研究中，围封后沙芦草群落土壤养分的变化较为复杂。与围栏外相比，围栏内0～10 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷含量均有所增加，全氮、全磷含量增加显著，而有机碳的变化不显著，这与张建鹏等[30]的研究结果相似。这说明围栏封育对土壤全磷、全氮的影响主要集中在土壤表层。这是因为自然土壤中全氮、全磷主要与土壤母质和黏土矿物有关；另外凋落物分解也是其含量增加来源。而土壤有机碳在0～10 cm土层有所增加但不显著原因可能是，对沙芦草群落实施围栏封育后，凋落物有一部分分解，但过多凋落物堆积，严重阻碍了碳的循环；另外，植被的恢复使植被对碳的需求量大大提高，不利于土壤有机碳的积累[35]。

3.2 围栏封育对沙芦草群落土壤粒径分形维数特征的影响

土壤粒径分形维数是反映土壤结构几何形状的一种参数[11]。关于围封对土壤粒径分形维数的研究报道较少，文海燕等[26]对退化沙质草原围封过程中的土壤颗粒分形特征进行了研究，结果显示：围封后，0～15 cm 层土壤粒径分形维数增大，而15～30 cm 层土壤粒径分形维数无显著变化。本研究发现，与围栏外比较，围栏封育样地0～20 cm土层的土壤粒径分形维数提高，而20～40 cm土层的土壤粒径分形维数的变化不显著，说明围封可以显著提高浅层土壤分形维数。这与文海燕等[26]的研究结果也相一致。

本研究发现，土壤粒径分形维数与土壤黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)等细颗粒含量呈正相关关系，与极细砂粒(50～100 μm)、细砂粒(100～250 μm)含量呈负相关关系，其中与黏粒、极细砂粒含量达到了极显著相关关系。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。已有研究结果[12,17,26,36]与本研究的结果相一致。土壤粒径分形维数很好地表征土壤颗粒大小组成，而且还能够反映土壤质地的均一程度，可以作为评价土壤质地差异的重要指标之一[37-38]。

本研究中，回归分析表明，土壤粒径分形维数与土壤养分含量均呈负相关关系。其中与土壤有机碳呈显著负相关关系，相关系数为-0.538(P<0.05)，与全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量的相关关系均未达到显著性。这与张秦岭等、刘毅等、刘金福等[39-41]的研究结果相似，而与贾晓红等、姜坤等[5,42]的研究结果不一致。造成这种不一致的原因可能是由于研究对象不同所致，也可能是土壤粒径分布的测定方法不同造成的。因此，土壤粒径分形维数是否可以用来反映土壤肥力状况仍需进一步探究。

4 结论

封育有利于改善宁夏荒漠草原沙芦草群落的土壤理化性质。围封可以促使土壤颗粒细化，对土壤养分有不同程度的影响，并增加土壤颗粒的分形维数。土壤颗粒的分形维数可以作为土壤恢复程度的指标，用以表征土壤质地。