毛乌素沙地西南缘不同土地利用类型土壤颗粒分形特征

董智今, 展秀丽, 丁小花

(1.宁夏大学 地理科学与规划学院, 银川750021; 2.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌712100)

土壤粒径分布(PSD)是土壤的重要物理特性之一，不仅影响着土壤水分、养分的转运与截留，还影响着土壤的生产力、土壤侵蚀程度以及当地的生态恢复状况[1-4]。因此，定量描述土壤PSD是解释和理解土壤结构及其特性的重要内容[5-7]。分形维数理论与其模型已经在土壤学领域被广泛应用，既可以描述土壤的特性，也能在一定的时空尺度内，定量化的表征土地沙化程度，以及土壤粗粒化的演变特征[8-12]，同时也可以定量的描述旱区农牧交错带不同土地利用类型下的土壤粒径分布的均匀程度，以及土壤结构空间上的变异性[13-14]，还能够间接反映自然环境变化和人类活动对土壤理化性质的影响，例如土壤的肥力，土壤的侵蚀状况，土壤退化程度等，是评价土壤状况的综合指标[15-16]，也为土壤恢复提供了重要理论依据。

土壤粒度是研究土地沙漠化及其成因的主要指标之一。Tyler和Wheat craft最先提出土壤粒度质量与分形维数的关系；W. S. Chepil分析了土壤可蚀性受土壤中细粉粒的含量影响且分析了不同粒径土壤与风力的相关性；在中国西北部，有关土壤粒度的研究主要集中在黄土和沙漠分布区，对民勤绿洲、艾比湖、毛乌素沙地、北方农牧交错带等区域的沉积物开展了土壤粒度研究[17-23]；王国玲等在鄂尔多斯高原的农牧交错带研究发现当地表沉积物类型不同时，表层土壤分形维数与粒级含量相关性有着明显差异[17]；淮态等研究发现分形维数与土壤细颗粒物质呈显著正相关，与粗颗粒物质呈显著负相关[20]；罗凤敏等研究发现乌兰布和沙漠东北缘5种不同立地土壤粒径以细沙为主，不同立地土壤分形维数差异极显著[24]；杜海燕等研究阿拉尔垦区绿洲化过程中土壤粒径时发现，0.05 mm是土壤粒径与分形维数关系的临界粒径[25]；一些学者研究了浑善达克沙地3种不同灌木覆盖下的沙地，其分形维数要高于裸沙地，土壤结构与肥力较裸沙地也有明显改善[26-29]；王燕等发现在阴山北麓中部的农牧交错区，不同管理方式下土壤颗粒组成以粉粒细粒为主[30]；陈新闯等发现在乌兰布和沙漠沿黄段，耕地、草地和林地3种土地利用类型对土壤粒径分布与分形维数影响明显[31]。

宁夏盐池县位于毛乌素沙地西南缘，在空间上属于我国北方旱区农牧交错带，多年来，一直是国家和宁夏回族自治区生态治理的重点区域，研究区内灌丛沙堆面积较大且未受人为干扰，其余样地土壤类型均为灰钙土且主要的土壤侵蚀过程为风力侵蚀。近年来，该地区防沙治沙工作取得重大效果，本文选择5种不同土地利用类型为研究对象，计算、分析土壤颗粒特征及其单分形维数，旨在探讨荒漠化治理与生态恢复过程中土壤粒度特征的变化，阐明不同土地利用类型对土壤粒度特征的影响，进而为该区域土地资源合理开发利用提供基础依据，同时为为该区域生态恢复与可持续发展提供科学数据。

1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区中东部，盐池县高沙窝镇和杨柳堡地区(37°48′N，107°17′E)。北侧与毛乌素沙漠相连，南侧为黄土高原，是典型的干旱草原向荒漠草原的过渡地带。研究区是典型的中温带大陆性气候，降雨集中在7—9月，降雨量年际变化大，多年平均降水量280 mm，蒸发量为1 517.8 mm，年均气温8.3℃，气温日较差21.7℃，日照时数3 054 h，有效积温(>10℃)3 146.2℃，无霜期150 d，辐射量5 885.8 MJ/m2。

研究区地带性土壤以灰钙土为主，非地带性土壤主要有风沙土和草甸土，土壤结构松散，肥力较低。研究区为典型的农牧交错地带，区域耕地表土层干燥疏松，长时间裸露于地表，风蚀程度较高，再加上长时间的耕作灌溉，使得土壤侵蚀严重。区域内牧业发达，过度放牧使得草地退化严重。研究区植被类型以草甸、沙地植被和荒漠植被为主，群落中常见植物种类以旱生和中旱生类型为主．主要优势植物种有中亚白草(Pennisetumcentrasiaticum)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨状黄芪(Astragalusmelilotoides)和阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

样地设置在毛乌素沙地西南缘，宁夏盐池县高沙窝镇和杨柳堡区，选取5种不同土地利用类型，各样地基本情况见表1，包括：农田(NT)；林地(LD)；灌丛沙堆(GC)的上(GC-S)、中(GC-Z)、下(GC-X)部分；草地(CD)；弃耕地(HD)。

2.2 土壤样品采集

2019年10月，在研究区内选取农田、弃耕地、草地、林地、灌丛沙堆，5种具有代表性的采样地，每个采样点土壤剖面深度为30 cm，分5层( 0—5，5—10，10—15，15—20，20—25，25—30 cm)采样，其中，对农田、弃耕地、草地、林地的每个样地采用“S”型路线取三次重复进行混合，对灌丛沙堆的每个样地在顶部、中部、底部3个位置每个取三次重复进行混合，然后将每个采样地3个采样点同一层次的土样混合装袋并进行编号。

2.3 分析方法

土壤粒度采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 3000激光粒度仪测定。每个样品重复测定3次，取平均值作为该样品的最终测定结果，单位以体积百分比表示，重复性误差≤±0.5%，准确性误差≤±1%。根据美国农业部(USAD)制土壤质地分级标准划分土壤质地划分为：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)共6个等级[28]。

表1 各样地基本情况

以激光粒度分析仪所获得粒径体积数据为基础，根据Tyler等[23]对土壤颗粒体积分形维数的概念及其计算公式推导，得到如下体积分形维数计算公式：

(1)

式(1)两边同时取对数可得土壤分形维数的计算公式：

(2)

式中:V为小于粒径R的土壤总体积(%);VT为测定的土壤总体积(%);R为两筛分粒级Ri与Ri+1间粒径的平均值(mm);Rmax为土壤粒径分级中最大粒径,本研究中土壤最大粒径为1 000 μm;D为土壤颗粒的体积分形维数,式(2)左边为纵坐标,右边为横坐标线性回归拟合方程,求出斜率值,3与直线斜率值的差值即为土壤分形维数D值。

2.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，Pearson相关系数进行相关性分析(α=0.05)，Origin 2018作图。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用类型的土壤粒径分布

由表2可知，GC-S，GC-X中极细砂粒体积含量最大，分别为38.25%和36.45%，粉粒，细砂粒次之，粗砂粒含量最少，GC-Z以细砂粒体积含量最大，为34.2%，粉粒，极细砂粒次之，黏粒与中砂粒体积含量最少，但相较于GC-S和GC-X，GC-Z的土壤粒径分布更均匀，且粗颗粒体积含量更多，整体而言，GC上中下三部分土壤粒径分布差异较小。LD土壤粒径组成以细砂粒体积含量最大，为57.34%，极细砂粒体积含量次之，为30.04%，黏粒与粗砂粒体积含量最少，粒径组成以细颗粒为主，且粒径组成均匀度差。CD土壤粒径组成以细砂粒体积含量最大，为50.19%，极细砂粒次之，为22.17%，含有较少的黏粒和粉粒，粗砂粒含量极少或没有。NT土壤粒径组成以粉粒体积含量最大，为34.18%，其次是细砂粒31.94%，粒径组成更多的集中在粉粒，极细砂粒和细砂粒，相加所占比达92.98%，黏粒含量高于中砂粒，粗砂粒极少或无。HD土壤粒径组成以粉粒体积含量最大，为45.10%，极细砂粒次之，粗砂粒极少或无。

表2 样地土壤粒径组成和土壤颗粒分形维数

3.2 不同土地利用类型的土壤颗粒分形特征

3.2.1 不同土地利用类型土壤颗粒分形维数的差异由图1可知，研究区内，不同土地利用类型下分形维数存在差异。高植被覆盖度条件下的GC上中下3部分，土壤颗粒分形维数在2.55—2.62，质地更细的GC-S的分形维数值更大，砂粒含量更多的GC-Z分形维数值最小；灌木林地，柠条林，林带间草本覆盖的LD，其土壤颗粒砂粒体积含量高达93.64%，分形维数为1.83，是5种土地类型中分形维数值最小的；CD土壤颗粒分形维数为2.30；NT玉米留茬地，分形维数为2.62；HD土壤颗粒组成以粉粒、极细砂粒为主，质地更细，其分形维数为2.72，为5种土地类型中分形维数最大的。

综上5种不同土地利用类型下，GC-S，GC-Z和NT差异不显著，其余各土地利用类型存在显著差异，HD平均分形维数最大(2.72)，LD最小(1.83)，分形维数呈现HD>NT=GC-S>GC-X >GC-Z>CD>LD的趋势。分形维数的大小反映了土壤中细粒物质含量的多寡，LD土壤中细粒物质含量少，其分形维数也小；而荒地，耕地和灌丛沙堆上部粉粒与黏粒含量较多，故其分形维数值更大。

3.2.2 不同土地利用类型土壤颗粒分形维数垂直分布差异 由图2可知，在土壤粒径的垂直分布上，GC表现为随着土层深度的增加，各级粒径体积含量与分形维数值变化不大，剖面整体D>2.5，最大值均出现在剖面表层0—5 cm处，其原因为表层受风化侵蚀严重，含有更多的细质颗粒物；LD中黏粒，粉粒与极细砂粒体积含量都表现为随着土层深度的增加而明显减少，细砂粒与中砂粒体积含量增加，体现在分形维数上则是随着土层深度的增加，分形维数值降低明显，剖面整体D<2.2，底层土壤粒径组成单一且以粗质粒径为主，在25—30 cm处达最小值1.42；CD则与LD相反，表现为随着土层深度的增加，黏粒、粉粒与极细砂粒体积含量增加，细砂粒与中砂粒体积含量降低，分形维数随土层深度增加而变大，表明CD土层越深细质颗粒越多，土壤颗粒组成越复杂，但是表层由于植被覆盖较低，风化作用明显，粗质颗粒多；NT与HD土壤粒径表现为随着土层深度的增加，各粒径体积含量变与，分形维数值变化不大，由于受人为耕地活动的影响，剖面中黏粒和粉粒体积含量多，土壤粒径组成复杂，剖面整体D<2.59。

注：不同字母表示差异显著(p<0.05)。

图2 不同土地利用类型土壤颗粒分形维数垂直分布

3.3 土壤粒径与分形维数的关系

3.3.1 表层土壤颗粒分形维数与粒径含量的关系 由于土壤风蚀主要发生在土壤表层，故仅对5种土地利用类型0—5 cm土壤粒径体积百分含量与分形维进行回归分析，其结果(图3)。由图可知，5种土地利用类型的分形维数与土壤黏粒含量、粉粒含量均成极显著正相关(p<0.01)，与砂粒含量呈极显著负相关(p<0.01)，这一结果与其他地区的研究结果一致[25]。显然，土壤颗粒的粒径组成不同，会导致土壤颗粒分形维数发生明显变化，土壤中细小物质比例越高，分形维数愈大，且细小物质如黏粒、粉粒占的比例越大，对分形维数的影响也越大。分形维数与3组土壤粒径的相关系数R2整体上呈粉粒>砂粒>黏粒的变化趋势，这表明粉粒含量对分形维数的影响具有决定作用。

图3 土地表层黏粒、粉粒和砂粒体积含量与分形维数相关关系

3.3.2 土壤颗粒分形维数与粒径分布的关系 为探究毛乌素沙地西南缘风沙土颗粒分形维数的临界粒径，分析了土壤表层分形维数与6个土壤粒径分布的相关性。由表3可知，分形维数与500～1 000 μm粒径含量无明显相关性，与<100 μm粒径的粉砂、黏粒体积含量呈极显著线性正相关，粉砂、黏粒体积含量越高，分形维数越大；与100～250 μm，250～500 μm细砂、中砂含量呈极显著负相关，细砂、中砂含量越高，分形维数越小；但与 250～500 μm粒径体积含量呈不显著线性负相关，相关系数0.488 2，所以100 μm成为土壤颗粒体积含量与分形维数正负相关的分界，是反应研究区域土壤颗粒分形维数的临界粒径，决定不同土地利用类型下土壤颗粒分形维数的粒径分布为<100 μm的黏粒，粉粒，极细砂粒含量，同时该粒径体积含量的大小也反应了不同土地利用类型的防止风蚀和拦截细粒物质的效果。

表3 土壤分形维数 D与土壤粒径含量d的线性回归关系

4 讨 论

分形维数对细颗粒含量的变化最为敏感，由此可以将土壤颗粒分形维数作为评价毛乌素沙地西南缘土壤结构、肥力状况及土壤退化程度的指标之一。研究表明，土壤分形维数与土壤颗粒组成密切相关[29]，且分形维数随土壤质地由粗到细，呈现由小到大的变化趋势[30]。我国主要的沙漠(沙地)，其沙物质大多为细砂(0.1～0.25 mm)，占总量的66.78%～99.38%，粗砂及粉砂含量很低[6]，本研究中，林地、草地和自然条件下形成的高覆盖灌丛沙堆均以极细砂粒和细砂粒为主，而在人为耕作管理下的农田，以及杂草高度覆盖的荒地则以粉粒，细砂为主，粒径特征体现在分形维数上则呈现：荒地>农田>灌丛沙堆>草地>林地，这反映了不同土地利用方式导致土壤质地的变化，使得分形维数因此而变化，研究结果与前人研究相似。

林地、草地与自然形成的高覆盖度灌丛沙堆土壤颗粒含量与分形维数的差异，可归因于研究区域作为国家生态治理重点地区，防风治沙与生态修复取得了重大效果，植被能够通过覆盖地表、分解风力及阻挡输沙来改变近地面流场，不同植被类型会导致沉积物组成产生差异[24]，防护林中的林地可以有效提高地表粗糙度，而且林草可以拦截风沙流中的细粒物质使之沉积于地表。研究区内，林地土壤表层可以截留下风沙中的细颗粒物质，但其深层土壤颗粒仍以粗粒为主，呈现出随土层深度增加，分形维数减小的情况；草地为典型荒漠草原，受风蚀影响，表层土壤中细粒物质损失，分形维数小，深层土壤受风蚀影响较小，分形维数值大；农田为荞麦翻耕地，植被覆盖度较林草更高，且在人为耕作管理情况下，土壤结构得到改善，土体颗粒粒径组成复杂，分形维数值大；弃耕地前期人为干预明显，现阶段已形成全面杂草覆盖，高植被覆盖下土壤结构发育完整，其粉粒，极细砂粒含量也更多，分形维数值也大。罗凤敏等[24]、陈新闯等[31]的研究证实，在沙漠地区，特别是农牧交错生态治理区，林地植被下土壤分形维数会增大，其原因是林草植被有效地拦截了因风蚀过程中的细颗粒物质，导致林地表面细粒化程度加强，土壤分形维数在表层值最高。这从另一方面也表明，植树造林后，林草下细粒物质会增加，土壤颗粒粒径分布、土壤质地与分形维数也随之发生变化，因而，生长植被的地表土壤风蚀相对较轻。

土壤颗粒粒径组成是决定土壤抗蚀性的重要因素[27-29]，不同土地利用方式体现了干扰对土壤粒径分布的改变[23]。对于风蚀而言，损失的是易蚀或可蚀部分[9]，细沙与极细沙是极易被吹蚀的部分，而粉砂则具有最大的团聚度和抗风蚀度，土壤中粉砂的比率越大，砂的比率越小，则风蚀度越低[25]。本研究中粒径分布与分形维数的相关性也说明，>100 μm的沙粒与分形维数呈负相关，且分形维数与粉砂，极细砂粒的含量的相关性最大，因此，100 μm可以用做表征研究区域的分形维数的临界粒径，研究区域的分形维数主要受<100 μm的粉砂与极细砂粒决定。

5 结 论

(1) 土地利用方式对毛乌素沙地西南缘土壤颗粒组成、分布影响明显。草地，高覆盖度灌丛沙堆以及林地的土壤粒度组成以细沙和中砂为主，耕地和荒地则以粉粒和极细砂为主。

(2) 5种土地利用类型土壤颗粒分形特征差异明显，其分形维数呈现荒地>农田>灌丛沙堆>草地>林地的趋势；土壤垂直分布上，林地土壤颗粒的分形维数随土层深度的增加而减小，草地则随深度的增加而增加，灌丛沙堆、农田与荒地变化幅度不明显。

(3) 不同土地利用类型的土壤颗粒分形维数的大小与土壤质地的细粒化变化相一致，决定土壤颗粒分形维数的粒径分布为<100 μm的黏粒，粉粒和极细砂极细砂粒含量，表明可反映该区域土壤颗粒分形维数的临界粒径为100 μm。