银川平原草甸湿地土壤分形特征

冯艳琼 ，何彤慧 ，吴春燕 ，乔 斌 ，苏芝屯

（1.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；2.宁夏大学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，宁夏 银川 750021；3.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810000）

【研究意义】湿地被称之为地球之肾，是地球生物化学循环不可替代的部分。银川平原湿地属于典型的绿洲湿地，不仅是生物多样性的载体，还具有重要的环境调节功能及较高的生产力，其本身还具有很高的景观价值［1］。银川平原草甸湿地作为典型的湿地类型，是重要的后备土地资源，其土壤特性对该系统的生存和发展起到至关重要的作用。土壤是由不同粒径组成的具有自相似结构和分形特征的多孔介质［2-4］，因此, 对土粒组合比例或土壤质地类型进行定量化描述, 具有重要的现实意义。与传统的采用土壤粒径的数量分布来描述土壤特性相比，用土壤粒径的质量分布来描述土壤的分形特征，模型更为简便，并能说明分形维数的物理意义。【前人研究进展】已有研究表明，分形维数不仅能反映土壤质地、粒径分布和肥力等，还可以模拟和预测土壤水分特征的综合性指标，近年来被广泛应用［5］,如应用在土地利用［2，6-9］、环境指示［2，5，10-11］、土壤质地反映［12-14］和土壤沙漠化评价［15-17］。我国对土壤分形维数的研究较晚［18］，且多集中在不同土地类型方式下的土壤颗粒分形特征和空间变异性以及与土壤养分相关关系［19］。【本研究切入点】分形维数在湿地土壤结构的研究很少，且将土壤分形维数与植物群落的物种多样性联系在一起的研究少之又少。据统计银川平原湿地总面积达2.07×105hm2，生物多样性丰富，生态功能明显，在整个系统中扮演着重要的角色［20］，研究湿地土壤质地和植物群落多样性有助于深入了解该系统。【拟解决的关键问题】本研究以银川平原草甸湿地作为研究对象，采用Tyler等［21］和杨培岭等［22］提出的用土壤粒级颗粒质量计算分形维数的方法来计算银川平原草甸湿地土壤粒径分形维数，以探究研究区土壤在不同水分和盐分梯度下的分形特征、粒径分布特点以及它们在垂直剖面上的变化规律，并对研究区土壤分形维数与植物群落的物种多样性的关系做了初探，以期为评价银川平原湿地的土壤性质提供参考，为研究湿地土壤质地与植物群落物种多样性关系、了解草甸湿地的水土作用和保护草甸湿地资源提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

银川平原地处中国西北地区，是在新生代断陷盆地基础上发育的堆积平原。年均气温为8～10 ℃，年降水量约为200 mm，属于温带大陆性气候，是干旱区半干旱区过渡带。自古以来黄河纵穿其中，为银川平原的湿地提供水源，使其成为干旱地区别具特色的绿洲。草甸湿地是银川平原的典型湿地类型，发育在径流容易汇集的低地和地下水位高的洼地，且因水位的变化，在荒漠草原-沼泽湿地之间不断摆动，土壤性质复杂。

1.2 野外采样

2016年8月选取银川平原湿地生物多样性较高的低湿草甸样地3个、典型草甸样地5个和盐生草甸样地2个，每个样地3次重复，共有30个植物群落样方，大小为1 m×1 m，调查植物名称、多度、高度、盖度等。并采用分层采样法取土样，土层深度分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm，带回实验室在自然条件下风干后过2 mm筛，以用来剔除石块及枯落物等，过筛后的样品用于测定土壤粒径等指标。

低湿草甸植物种群以芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水葫芦苗（Halerpestes mbalaria）、水莎草（Juncellus serotinus）、苔草（Carex tristachya）、野大豆（Glycine soja）为优势种，以寸草（Carex duriuscula）、赖草（Leymus secalinus）、灰绿藜（Chenopodium glaucum）、臭蒿（Artemisia hedinii）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、油蒿（Artemisia ordosica）、海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、稗草（Echinochloa crusgalli）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、苜蓿（Medicago sativa）、鹅绒藤（Cynanchum chinense）、刺儿菜（Cirsium setosum）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、荩草（Arthraxon hispidus）、牻牛儿苗（Erodium stephanianum）、牛筋草（Eleusine indica）、节节草（Equisetum ramosissimum）为伴生种，土壤含水量为30.61（±2.69）%，含盐量为0.536（±0.060）g/kg。

典型草甸植物种群以碱蓬（Suaeda glauca）、拂子茅（Calamagrostis epigios）、芦苇（Phragmites australis）为优势种，以荩草（Arthraxon hispidus）、水莎草（Juncellus serotinus） 、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、灰绿藜（Chenopodium glaucum）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）、水葫芦苗（Halerpestes cymbalaria）、赖草（Leymus secalinus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、扫帚苗（Kochia scoparia）、黄花蒿（Artemisia annua）为伴生种，土壤含水量为21.33（±0.77）%，含盐量为1.233（±0.162）g/kg。

盐生草甸植物种群以碱蓬（Suaeda glauca）、芦苇（矮生）（Phragmites australis）为优势种，以拂子茅（Calamagrostis epigios）、苦荬菜（Sonchus oleraceus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、扫帚苗（Kochia scoparia）、萹蓄（Polygonum aviculare）为伴生种，土壤含水量为16.75（±5.53）%，含盐量为2.830（±0.346）g/kg。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤粒径的测定 取风干土样放入Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪（英国，马尔文公司）取样槽中，Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪可自动测定土壤粒径的体积百分比，重复性误差≤ ±0.5%，准确性误差≤ ±1%［23］，可测得粒径分别为粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、极细砂粒（0.05～0.1 mm）、细砂粒（0.1～0.25 mm）、中砂粒（0.25～0.5 mm）和粗砂粒（0.5～1 mm）。

1.3.2 分形维数计算方法 采用Tyler等［21］和杨培岭等［22］提出的用粒径质量分布表征土壤的分形特征，即：

1.3.3 植物多样性选取 采用张琳等［24］和屈月雷等［25］选用的Simpson物种优势度指数、Shannon-Weiner物种多样性指数、Margalef物种丰富度指数和Pielou物种均匀度指数作为植物的多样性指数。计算公式为：

式中，N为i类植物所在样方的各个种类的相对重要值之和；S为i类植物所在样方的物种总数；Pi为第i种植物的相对重要值，Pi=（相对高度+相对盖度）/2。

试验数据采用Excel2010软件进行处理，运用IBM SPSS Statistics 20软件进行相关性和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同生境土壤粒径及分形维数

由表1可知，研究区土壤粒级含量表现为：粘粒（53.53%）＞极细砂粒（20.81%）＞粉粒（15.41%）＞细砂粒（7.92%）＞中砂粒（0.57%）＞粗砂粒（0.49%）。研究区的分形维数值变化范围在2.23～2.84之间，分形维数在典型草甸、盐生草甸和低湿草甸中分别表现为2.74、2.72、2.66。3种生境土壤各粒级含量差异显著，低湿草甸细砂粒含量较高，典型草甸的粉粒和中砂粒含量较高，盐生草甸的极细砂粒和粗砂粒含量较高。

表1 不同生境土壤粒径分布及分形维数Table 1 Soil particle size distribution and fractal dimension in different habitats

2.2 3种生境土壤分形维数与粒级含量的关系

由表2可知，研究区3种生境土壤分形维数与土壤粘粒含量呈极显著正相关（3种生境R2依次为0.945、0.770、0.924），与土壤极细砂粒和细砂粒呈极显著负相关。说明研究区土壤粘粒越多，分形维数越大；土壤极细砂粒和细砂粒越多，分形维数越小。3种生境土壤分形维数与粉粒的关系表现为：典型草甸呈极显著负相关（R2=-0.581），盐生草甸呈显著正相关（R2=0.444），低湿草甸无显著相关性（R2=0.128）。3种生境土壤分形维数与中砂粒的关系表现为：低湿草甸呈极显著负相关（R2=-0.392），典型草甸呈极显著正相关（R2=0.573），盐生草甸无显著相关性（R2=-0.293）。3种生境土壤分形维数与粗砂粒的关系表现为：盐生草甸呈显著负相关（R2=-0.427），低湿草甸和典型草甸无显著相关性（R2分别为0.111和0.294）。说明土壤粉粒、中砂粒和粗砂粒含量的不同是导致3种生境土壤结构存在差异的原因。

表2 不同生境土壤颗粒分形维数（D）与粒级含量（d）分布回归关系Table 2 Regression relationship between soil particle fractal dimension (D) and particle size distribution (d) in different habitats

2.3 不同生境土壤粒级含量在不同土层上的分布

土壤颗粒在土层垂直方向上的变化显示：低湿草甸中土壤粘粒、粉粒和中砂粒在表层含量较高，细砂粒和极细砂粒深层累积，粗砂粒仅出现在表层；典型草甸中土壤黏粒和粉粒在表层含量较高，细砂粒、极细砂粒和中砂粒在深层累积，粗砂粒仅出现在深层；盐生草甸中土壤粘粒和粉粒含量无明显变化，极细砂粒和细砂粒深层累积，中砂粒在表层含量较高，粗砂粒仅出现在表层（图1）。

图1 不同生境下的土壤粒级含量在土壤剖面上的变化Fig. 1 Changes of soil particle size on soil profiles in different habitats

2.4 不同生境植物群落的多样性与土壤分形维数

如图2所示，4种多样性指数整体上表现为低湿草甸＞典型草甸＞盐生草甸。其中Simpson指数和Shannon-Weiner指数表现出相同的差异性，即低湿草甸显著高于盐生草甸，而与典型草甸间无显著差异；Margalef指数表现为低湿草甸显著高于典型草甸，而与盐生草甸间无显著差异；Pielou指数在3种生境下均无显著差异。

图2 不同生境植物群落的多样性指数Fig. 2 Diversity indexes of plant communities in different habitats

图3为研究区土壤分形维数与植物群落的多样性关系，从y=Ax+B、y=AeBx、y=A+B和y=Ax2+Bx+C中选取R2最佳作为拟合方程，其中与Simpson指数和Margalef指数以指数函数拟合（R2分别为0.105和0.238），呈现出随着土壤分形维数的增大，Simpson指数和Margalef指数有变小的趋势；与Shannon-Weiner指数和Pielou指数以多项式函数拟合（R2分别为0.179和0.176），随着土壤分形维数的增大，Shannon-Weiner指数和Pielou指数呈现出先增大后减少的趋势，且在分形维数值为2.6左右出现峰值。

3 讨论

图3 不同土壤分形维数对应的植物4种多样性指数Fig. 3 4 diversity indexes corresponding to different fractal dimensions of soil

草甸是在适中的水分条件下发育起来的以多年生中生草本植被为主体的典型区域；草甸土是温带区域低洼地上在地下水浸润作用下形成的半水成土壤，主要分布在我国东北平原、内蒙古和西北地区的河谷平原或湖盆地区。在干旱半干旱地区湿地研究中，草甸被视为陆域过湿土壤上的湿地类型。银川平原的草甸湿地植被中，低湿草甸的植物物种较为多样，主要以芦苇、香蒲、水葫芦苗和水莎草等为建群种；典型草甸以碱蓬、拂子茅和芦苇为建群种；盐生草甸中植物物种数较为单一，为碱蓬和矮生芦苇组成的单优群落。银川平原草甸湿地土壤母质主要为河流洪积物，分选型较好，沉积层次明显，沙粘层相间，其分布地段地形较低平，地下水位较高。本研究结果表明，银川平原草甸湿地土壤主要由以粘粒为主的微团聚体构成，中砂粒和粗砂粒的大团聚体占极少部分；其土壤分形维数值趋于2.28～2.84，处于具有良好结构和肥力状况土壤［26-27］（分形维数在 2.60～2.80）与砂土类［26，28］（分形维数在1.83～2.64）土壤的分形维数之间，这也表征了草甸湿地土壤母质的泥沙沉积特征。在土壤分形维数粒径组成的关系上，分形维数越大，粘粒含量越高，极细砂粒和细砂粒含量越少，这与相关研究［2，8，29］基本一致。银川平原草甸湿地土壤分形维数的垂直分布特征，显示土壤粘粒和粉粒表层含量较高，极细砂粒和细砂粒深层含量较高，这不仅与草甸土形成中的腐殖化过积、淀积化过程有关，还与草甸发育过程中的河湖水漫淤过程有关。银川平原是黄河洪泛平原，黄河洪水漫滩、引黄灌溉过程中的沟渠引排、尾闾汇水、潜水水位升降等，无疑都是草甸湿地发育的影响因素。

研究区草甸湿地主要分布在银川平原沟渠内外边坡与尾闾、渠边洼地、蓄洪区、黄河洪泛平原和湖边周围［30］，其形成受局地地形、水文、人类耕作活动等成土因素的影响较大，具有很强的隐域性，在3种生境下其土壤性质表现出差异性。低湿草甸土壤细砂粒含量相对较高，中砂粒表层含量较高，粗砂粒仅在表层出现。因为低湿草甸主要分布在沟边及平原低洼地，排水不良，地下水埋深较浅，且黄河渠道大水漫淤的机会较大，土壤腐殖化较明显，土壤中稍大颗粒物在生草层（土壤平均厚度18.6 cm）含量比本研究其他两种草甸相对较多。盐生草甸土壤极细砂粒和粗砂粒含量相对较高，且粗砂粒仅出现在表层。因为盐生草甸主要分布在平原地区的湖滩边缘或干滩地，地下水位高，基本出现地表水漫滩的可能性，以地下水为其补给水源，地下水含盐量较高，在土壤毛管作用下将盐分带至表层，且土壤存在较明显的潴育化过程，使土壤粗化［31］。而典型草甸土壤粉粒和中砂粒含量较高，分形维数相对较大，且在土壤分形维数和粒径关系上显示：与粉粒含量呈极显著负相关，与中砂粒含量呈极显著正相关；在土层剖面上，中砂粒深层含量较多，粗砂粒仅出现在深层。这是因为典型草甸主要分布在渠边洼地，黄河水和沟渠尾水漫淤的机会较多，沉淀的泥沙较细，粉粒含量相对较多，地表水及地下水侧向双重补给，受地下水周期性升降的影响，土壤性质不稳定，空间异质性较高，土壤粒径分布规律复杂。

本研究得出水分含量较高的低湿草甸植物群落物种多样性较高，与李文娇等［32］的单一水分的增加有助于植物群落物种多样性的增加的观点，以及张钦弟等［33］的土壤水分与物种多样性在水分梯度上存在较好的相关性的观点基本一致，说明草甸湿地植物群落物种多样性受水文的直接影响；而土壤物理结构通过影响地表及地下水的再分配，进而对草甸湿地植物群落物种多样性产生了间接影响。值得注意的是整个草甸湿地在土壤分形维数变大的过程中，植物群落的Simpson指数和Margalef指数有变小的趋势，Shannon-Weiner指数和Pielou指数出现了先增大后减少的规律，且均在土壤分形维数为2.6左右出现峰值，结果均与预想的规律相悖。这可能是因为不同物种对不同土壤属性的依赖差异较大［34］，加之研究区有放牧活动，人为干扰较为严重，对浅根的植物群落的多样性影响较大。持续的人为干扰会降低群落植物多样性［35］，进而猜想对Shannon-Weiner指数和Pielou指数的影响出现了波动可能是因为土壤分形维数在2.6左右是接受人为干扰对于该两种生物多样性指数影响的最大阈限。

4 结论

银川平原草甸湿地是干旱区典型的湿地类型，其形成受局地地形、水文、人类耕作活动等多重因素影响。银川平原草甸湿地土壤以粘粒的微团聚体为主，分形维数值趋于2.28～2.84；3种草甸湿地土壤分形维数存在显著差异，表现为典型草甸（2.74）＞盐生草甸（2.72）＞低湿草甸（2.66）；土壤分形维数与粘粒含量呈极显著正相关，与极细砂粒和细砂粒含量呈极显著负相关；土壤垂直剖面上表层粘粒和粉粒含量较高，深层极细砂粒和细砂粒含量较高，中砂粒波动较大，粗砂粒仅出现在表层或深层；土壤粒径和分形特点受局部地形环境的水文关系影响较明显。低湿草甸的植物群落物种多样性较高，多样性指数平均值达1.15；水土过程对植物群落物种多样性产生直接影响，土壤物理结构对植物群落物种多样性起间接驱动作用，同时人为因素也起着重要的作用。