封育对天然草地深层土壤粒径分形特征的影响

张 翼,李建平,2,井 乐

(1.宁夏大学 农学院,银川 750021; 2.西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地,银川 750021)

草地是世界上分布最广的植被类型之一，也是目前受人类活动影响最为严重的区域[1]。作为陆地生态系统的重要组分，其覆盖了全球陆地面积的26%[2]。在草地退化与重建的过程中，封育已经成为恢复退化草地的一项重要措施，并被广泛使用[3]。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，且具有一定的分维特征。土壤分形不仅能够反映出土壤颗粒的分布特征，还能反映土壤质地的均一程度[4]，运用分形理论研究不同植被恢复措施下土壤颗粒的分形特征，对实施不同修复措施具有重要的理论和实践意义[5]。Arya等[6]率先提出了土壤颗粒的分形现象及其分形维数的计算方法，但是这些方法不便于直接利用常规试验数据进行计算，杨培岭等[7]将Kat的计算方法进行改进，使分形维数的计算能直接利用常规试验数据求得。

耕地利用变化显著影响土壤分形特征，分形维数与黏粒呈极强的正相关[8]，土壤分形特征与土壤类型、成土母质、植被类型和地形等因素具有较强的相关性[9]，土壤的粒径分布分维主要受细颗粒物质含量的影响，土地利用类型对土壤粒径分形有显著的影响[10]，种植灌木(欧李)对黄土丘陵沟壑区控制坡耕地黏粒流失，提高土壤有机质含量，优化土壤结构，增强土壤抗蚀能力有显著的促进作用[11]。草地和林地相对于耕地和农地大颗粒含量明显增多,小颗粒明显减少,土壤颗粒分布的分形维数可以作为表征土壤肥力的状况指标[12]，分形维数与全钾含量和自然含水率都在p<0.05水平呈显著正相关，与土壤有机质、全磷、全氮、土壤容重、总孔隙度的相关性未达到显著水平[13]。土壤颗粒分布的分形维数不仅能直观地定量表征土壤特性及其相关关系，科学有效地描述土地利用及其空间形态[14]，还可以作为判断土壤质地差异与土壤养分差异的重要指标[15]。

目前对于长期封育草地深层土壤粒径分形维数的研究尚未见报道，长期封育对深层土壤粒径分形维数与土壤粒级组成及各粒级组成之间关系的研究存在薄弱环节。因此，本文以宁夏固原云雾山放牧草地和封育草地为研究对象，以空间代替时间方法，假设封育草地是放牧草地的正向演替，研究封育对深层土壤粒径分形维数的影响，及土壤粒径分形维数与土壤粒级组成及各粒级组成之间的关系，以期为草地封育措施提供有力的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地位于宁夏固原东北部45 km处的云雾山国家自然保护区(106°21′—106°27′E，36°10′—36°17′N),海拔1 700～2 148 m,属于温带半干旱气候区，具有典型半干旱气候特征，年平均降水量425 mm(1980—2014年均值)，60%～75%的降水集中分布于7—9月，土壤类型主要为山地灰褐土和黑垆土，主要靠大气降水补给水资源。主要优势植物有长芒草(Stipabungeana)、大针茅(Stipagrandis)、百里香(Thymusmongolicus)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。自1980年至今，该地区采取了严格的封山禁牧措施，具有典型的封育年代梯度。本研究在云雾山自然保护区选取封育30年草地和放牧草地各3块，样地信息见表1。

表1 试验样地信息

注：封育年限以2014年为基准，由固原市原州区草原管理站提供，封育年限会有1～2 a误差。

1.2 野外取样和数据测定

首先，选择具有代表性的封育30年草地和放牧草地各3块，分样地之间的间隔为10 m，土壤样品采集深度为0—500 cm。其中，0—40 cm土层分0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm共四层依次取样。40—500 cm，20 cm作为1层，一共27层，并用直径为6 cm的土钻取样，每个样方3次重复，然后将取好的样品按层分装于自封袋中，标记带回实验室备用[16]。其次，去除混杂的物质之后，将土壤风干后过2 mm筛进行土壤团粒结构测定，土壤团粒分级使用Mastersizer 3000激光粒度分析仪(英国，马尔文公司)，土壤粒径分级采用美国制土壤粒级标准[17]，分为极粗砂粒(1 000～2 000 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)，中砂粒(250～500 μm)、细砂粒(100～250 μm)、极细砂粒(50～100 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)。

1.3 分形维数模型

土壤是具有自相似结构的多孔介质，其分形特点是由颗粒大小的分形维数来描述[18]。分形维数不但能够反映出土壤颗粒的分布特征，而且能体现土壤质地的均一程度，运用分形理论研究不同植被恢复措施土壤颗粒的分形特征，对实施不同修复措施具有重要理论和实践意义。本文使用杨培岭等分形维数D的计算方法，计算公式如下[19]：

对上边公式两边取对数，得：

1.4 数据处理

所得试验数据用Microsoft Excel和Origin 8.0进行数据整理及图表制作，采用SPSS 21.0软件进行统计分析。土壤粒径分形维数与土壤粒级组成及各粒级组成之间的关系采用0.01水平下的相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同封育年限对草地土壤粒径分布的影响

封育30年草地和放牧草地在0—100 cm的土层中不含黏粒(<2 μm)，在100—500 cm的土层中不含黏粒(<2 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、极粗砂粒(1 000～2 000 μm)(图1)。在0—100 cm的土层中，封育30年草地中的粉粒(2～50 μm)、极细沙粒(50～100 μm)含量低于放牧草地，而中砂粒(250～500 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、极粗沙粒(1 000～2 000 μm)含量高于放牧草地。且在每个土壤粒径等级下，封育30年草地与放牧草地中土壤粒径含量差异显著(p<0.05)(图1A)。在100—200 cm的土层中，封育30年草地中的粉粒(2～50 μm)含量低于放牧草地，而极细沙粒(50～100 μm)、中砂粒(250～500 μm)含量高于放牧草地。且在每个土壤粒径等级下，封育30年草地与放牧草地中土壤粒径含量差异显著(p<0.05)(图1B)。在200—300 cm的土层中，封育30年草地中的粉粒(2～50 μm)含量低于放牧草地，而极细沙粒(50～100 μm)、中砂粒(250～500 μm)含量高于放牧草地。且除了中砂粒(250～500 μm)，在其他土壤粒径等级下，封育30年草地与放牧草地中土壤粒径含量差异显著(p<0.05)(图1C)。300—400 cm的土层中，封育30年草地中的粉粒(2～50 μm)含量低于放牧草地，而极细沙粒(50～100 μm)、中砂粒(250～500 μm)含量高于放牧草地。其中粉粒(2～50 μm)、极细沙粒(50～100 μm)含量差异显著(p<0.05)，而中砂粒(250～500 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)含量差异不显著(p<0.05)(图1D和图1E)。

2.2 不同封育年限对草地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 在0—100 cm的土层，放牧草地的土壤粒径分形维数值高于封育30年草地，其中在120—140 cm，240—260 cm，320—340 cm，400—420 cm，460—480 cm时的分形维数值较高。而放牧草地在60—80 cm，340—360 cm时的分形维数值较高。

图1 不同封育年限土壤粒径百分比含量

封育30年草地的土壤粒径分形维数在土层深度为120—140 cm时最大，而在420—440 cm时最小。通过单因素方差分析比较可知，土壤粒径在土层深度为120—140 cm时的分形维数与在340—360 cm，360—380 cm，420—440 cm，440—460 cm，480—500 cm时的分形维数相比，差异极显著(p<0.01)。放牧地区土壤粒径分形维数在土层深度为60—80 cm时最大，而在220—240 cm时最小。通过单因素方差分析比较可知，土壤粒径在土层深度为60—80 cm时的分形维数与在80—140 cm的各分样土层的分形维数相比，差异显著(p<0.05)，与在140—500 cm的各分样土层相比，差异极显著(p<0.01)。由T测验可知，在土层深度为60—80 cm，120—140 cm，320—340 cm，340—360 cm，400—420 cm，460—480 cm时，封育30年和放牧地的土壤分形维数差异显著(p<0.05)(表2)。

2.2.2 土壤粒径分形维数与土壤粒级组成及各粒级组成之间的关系 土壤分形维数与粉粒和极细沙粒呈显著正相关，相关系数分别为0.824，0.511。而与细沙粒、中沙粒、粗沙粒呈显著负相关，相关系数分别为-0.851，-0.735，-0.636。粉粒与极细沙粒、细沙粒、中沙粒、粗沙粒呈显著负相关，相关系数分别为-0.692，-0.989，-0.871，-0.778。而除粉粒之外的其余4种沙粒之间均呈显著正相关(表3)。

表2 封育不同年限土壤分形维数的比较

注：同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，*表示同一土层封育草地间差异显著(p<0.05)。

表3 土壤粒径分形维数与土壤粒级组成及各粒级组成之间的相关系数

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关。

3 讨论与结论

土壤粒径分布特征是影响土壤物理性质的最重要的因素之一，它不仅和土体结构、成土过程密切相关，而且对土壤侵蚀、土壤水分运动、土壤肥力状况等具有明显的影响[20]。前人研究表明，围封促使土质向细粒化方向发展。围封后黏粒(<2 μm)、粉粒(2～5 μm)体积百分比含量在0—10 cm均显著增加，而砂粒(50～250 μm)体积百分比含量在0—10 cm，10—20 cm土层显著减少(p<0.05)[21]。但本试验结果与前人研究结果有所不同。本试验中，放牧草地在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm的土层中，极细沙粒所占比例最高，平均值分别为39.13%，43.69%，40.79%，38.97%，比封育30年的草地含量分别增加了15.62%，18.63%，12.14%，7.01%。且放牧草地的土壤中粉粒含量也高于封育30年草地。说明封育年限过长并不一定能够有效促进中细颗粒土壤的积累。原因可能是对草地封育年限过长，地上植被种类减少，从而增加了土壤风蚀以及土壤黏粉粒等细小颗粒的迁移损失，同时降低了集尘作用以及土壤黏粉粒含量。同时地表枯枝落叶覆盖度的增加不仅对表层土壤保护作用减弱，还减少了土壤微生物群落的能量来源，降低了微生物活动活化土壤结构的作用，从而减弱了细化土壤颗粒组成的能力。

土壤粒径分形维数是反映土壤结构几何形状的一种重要参数[22]。本研究表明，封育30年草地的土壤粒径分形维数在0—100 cm的浅层土壤中低于放牧草地，在100—300 cm的中层土壤中与放牧草地接近，而在300—500 cm的深层土壤中高于放牧草地。这说明封育年限过长不利于提升浅层土壤性状，但会提升深层土壤性状。

土壤粒径分形维数不仅能准确地表示土壤颗粒大小组成，还可以反映质地的均一程度，是评价土壤质地差异的重要指标之一[23-24]。本研究表明，土壤分形维数与粉粒和极细沙粒呈极显著正相关，而与细沙粒、中沙粒、粗沙粒呈极显著负相关，粉粒与极细沙粒、细沙粒、中沙粒、粗沙粒呈极显著负相关，而除粉粒之外的其余4种沙粒之间均呈极显著正相关。说明土壤粒径分形维数随着粉粒和极细沙粒含量的增多而不断增大，随着细沙粒、中沙粒、粗沙粒含量的增多而不断减小。即土壤粒径越小，分形维数值越高。这与前人的研究结果相一致[25-28]。