陳 林，楊新國，宋乃平，王 磊

(寧夏大學 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室/西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地/西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心，寧夏 銀川 750021)

分形理論是以自然界和非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則的幾何形體作為研究對象、以分形幾何學為數(shù)學基礎的科學[1]。土壤是由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀和自相似結構的多孔介質，具有一定的分形特性。從20世紀80年代起，分形理論被應用到土壤學中[2]。土壤團粒是土壤的重要組成部分[3]，其含量是表征土壤質量的重要指標[4]。

土壤分形維數(shù)不僅能夠表征土壤粒徑的大小組成，反映質地均一程度[5]，還可以描述、刻畫土壤顆粒的粒徑及孔隙分布狀況，闡明土壤的其他物理化學性狀及其對周邊生態(tài)環(huán)境的指示意義[6]，而且不同級別土壤團粒的含量會影響土壤團粒的分形維數(shù)及土壤的物理、化學和生物學過程[7]。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數(shù)不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對土壤復雜與不規(guī)則結構的描述[8]。有研究表明，土壤物理性質隨土壤團粒分形維數(shù)的變化而變化，即分形維數(shù)越小，>0.25 mm的團粒含量越高，土壤的結構越穩(wěn)定[9]；土壤中團粒含量的多寡影響整個土壤的孔隙狀況及比表面積，進而對土壤水分蓄持能力有較大影響，土壤持水能力隨顆粒含量增加而遞減[10]；土壤顆粒分形維數(shù)可以作為評價土地沙質荒漠化程度的定量指標之一[11]。

苜蓿作為優(yōu)質的多年生豆科牧草，具有適應性強、產草量高、品質優(yōu)和耐刈割等特點，有“牧草之王”的美譽。近年來，我國優(yōu)質牧草及飼料作物種植面積大幅度增加，苜蓿的種植面積居世界第5位，并且隨著西部生態(tài)建設和農業(yè)結構調整的不斷推進，苜蓿人工草地面積逐年增加。目前，關于不同地區(qū)不同土地利用方式或植被類型下土壤團粒分形特征的研究，以及土壤分形維數(shù)與土壤類型、水分、養(yǎng)分狀況等關系的報道較多[12]，但關于不同種植年限下苜蓿地土壤團粒分形特征的研究還較少，特別是針對風沙區(qū)苜蓿地土壤團粒分形特征及其與土壤理化性質關系的研究尚不多見。因此，為探索苜蓿種植年限對風沙區(qū)土壤性質的效應，我們研究了不同種植年限下苜蓿樣地土壤團粒粒徑分布的分形特征，以及與粒度組成和土壤有機質、全氮、碳酸鈣含量等的相關關系，以期為研究區(qū)生態(tài)恢復過程中人工建植草地的科學評價提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)寧夏鹽池縣皖記溝行政村，位于鹽池縣城東北約3 km，地貌為鄂爾多斯緩坡起伏高原。氣候特點為干旱少雨，蒸發(fā)量大，冬春兩季風大沙多，屬典型的中溫帶大陸性氣候。1954—2010年年平均氣溫為8.46 ℃，年均降水量為276.3 mm，年均日照時數(shù)為2 862.6 h。地表植被屬荒漠草原，沙生特征明顯。土壤以有機質含量低、易沙化的淡灰鈣土和風沙土為主。地表水與地下水資源匱乏。20世紀60年代以來，由于人類活動加劇，土地沙化面積不斷擴大[13]。研究區(qū)在地形上從南向北是從黃土高原向鄂爾多斯臺地(沙地)的過渡地帶，在氣候上是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶，在植被上是從干草原向荒漠草原的過渡地帶，在資源利用上是從農區(qū)向牧區(qū)的過渡地帶。這種地理上的過渡性造成了該區(qū)自然資源的多樣性和脆弱性的特點。

1.2 研究方法

本研究采用空間代替時間的方法進行研究，通過選取種植1、4、8、12和22年具有代表性的苜蓿樣地(序號分別為M-1、M-4、M-8、M-12和M-22)，分析其土壤團粒分形特征的變化，來反映該地區(qū)不同種植年限土壤團粒的變化特征。在各樣地內用S形布點法挖取0—20 cm土樣5個，混合后裝入樣品袋帶回實驗室風干備用。

1.3 樣品分析測試

將每個樣地內的所有土壤樣品混合均勻后分成兩部分，一部分隨機選取500 g左右的土樣，用來進行土壤團粒組成分析?？紤]到體積分形維數(shù)相對低于質量分形維數(shù)[14]，而目前研究地區(qū)尚欠缺相關資料，故本研究中采用楊培嶺[5]提出的用粒徑的質量分布來描述土壤分形特征。土壤團粒組成采用篩分法測定：過2、1、0.5、0.25和0.106 mm的套篩，收集各粒級土壤團粒(去掉石塊)，用天平(精度為0.000 1 g)分別稱量各粒級土壤團粒質量。另一部分研磨過篩后用來測定土壤的理化性狀。土壤理化性狀的測定均采用常規(guī)分析方法，土壤pH值和電導率分別采用1 ∶5土水比懸液和浸提液直接測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，碳酸鈣采用氣量法，堿解氮采用堿解擴散法，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，全氮采用凱氏法測定。

1.4 土壤團粒分形維數(shù)模型

通常，粒徑分形是由一定粒徑間隔的粒徑質量分布表示的。Mandelbrot首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler[15]和楊培嶺[5]在此基礎上對模型進行推廣，提出用粒徑的質量分布表征的土壤分形模型，即

對上述公式兩邊取對數(shù)，則可得

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL 2003計算土壤分形維數(shù)，并用SPSS 17.0分析分形維數(shù)與各粒級含量、土壤性質的相關性。

2 結果與分析

2.1 分形維數(shù)的分布特征

對0—20 cm土壤樣品的機械組成進行統(tǒng)計分析(見表1)表明，不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒組成中，0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，分別在39.03%～60.19%、25.63%～49.24%之間，其平均值分別為52.23%、36.98%；0.5—1、1—2 mm的次之，分別在1.66%～12.33%、0.36%～4.39%之間，其平均值分別為5.88%、2.74%；再次為<0.106 mm的，在1.08%～1.80%之間，其平均值為1.49%；>2 mm的最少，在0.05%～1.28%之間，其平均值僅為0.67%。

隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25 mm、<0.106 mm的團粒含量有所增加，在種植22年的苜蓿樣地中含量最高；不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒分形維數(shù)的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，也隨著種植年限的增加而增大。這表明研究區(qū)土壤分形維數(shù)隨著土壤質地的粗細程度發(fā)生變化，土壤質地越細分形維數(shù)越大，反之亦然；同時反映了隨著種植苜蓿年限的增加，土壤質地具有細粒化現(xiàn)象。

表1 不同種植年限土壤團粒組成及分形維數(shù)

2.2 分形維數(shù)與不同粒級團粒含量的關系

表2為分形維數(shù)與不同粒級團粒含量的線性單相關分析結果?？梢钥闯?，分形維數(shù)與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm的團粒含量呈負相關關系，與0.106—0.25和<0.106 mm的含量呈正相關關系，但均沒有達到顯著水平。表明隨著團粒直徑減小，其分形維數(shù)增大，這和上面的研究結果一致。進一步對6個粒徑含量(x)和分形維數(shù)(y)進行多元線性逐步回歸分析，得到了進入方程的變量和剔除的變量，結果表明分形維數(shù)與<0.106 mm含量的偏相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關關系不顯著，其關系式為y=2.725+0.096x<0.106 mm(R2=0.99，F(xiàn)=2 581.88，P<0.01)。因此，決定不同種植年限土壤團粒分形維數(shù)的為<0.106 mm的粒徑含量，其他粒徑分布的影響程度相對較小。

表2 分形維數(shù)(y)與不同粒級團粒含量(x)的線性關系

2.3 分形維數(shù)與土壤性狀的關系

經分析，分形維數(shù)與土壤性狀的關系見表3，與土壤性狀的相關分析結果見表4。

表3 不同種植年限下苜蓿地分形維數(shù)(y)與土壤性狀(x)的線性關系

表4 不同種植年限下苜蓿地分形維數(shù)(y)與不同粒徑土壤質地及土壤性狀(x)的相關分析

由表3和表4可知，本研究區(qū)分形維數(shù)與土壤1—2、0.5—1、0.25—0.5 mm顆粒含量和有機質含量、pH值、電導率、堿解氮含量、速效磷含量呈負相關關系，但均不顯著；與>2、0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全磷、碳酸鈣、全氮含量呈正相關關系，除與0.106—0.25、<0.106 mm顆粒含量和全氮含量為顯著正相關(P<0.05)外，其他均未達到顯著水平。>2 mm土壤顆粒含量與1—2 mm土壤顆粒含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與其他均未達到顯著水平。1—2 mm土壤顆粒含量與有機質含量在P<0.05的水平呈顯著正相關關系。0.25—0.5 mm土壤顆粒含量與全磷含量在P<0.05的水平呈顯著負相關關系。0.106—0.25 mm土壤顆粒含量與<0.106 mm土壤顆粒含量在P<0.05的水平呈現(xiàn)顯著正相關關系。

3 結論與討論

(1)粒徑分布是表征土壤物理性質的重要參數(shù)之一，0—20 cm土壤樣品的團粒組成中粒徑0.25—0.5、0.106—0.25 mm的含量較高，>2 mm的含量最低。隨著苜蓿種植年限的增加，0.106—0.25、<0.106 mm的含量有所增加，反映了研究區(qū)隨著苜蓿種植年限的增加，土壤質地具有細粒化現(xiàn)象。與單純的土壤粒徑分布相比，分形維數(shù)不僅是不同粒徑含量的綜合反映，更是對土壤復雜與不規(guī)則結構的描述[8]，不同種植年限苜蓿樣地土壤團粒分形維數(shù)的變化范圍在2.828 2～2.897 8之間，隨著種植年限的增加而增大。在干旱區(qū)植被恢復過程中，分形維數(shù)與土壤質地的細?；兓恢?，且隨著恢復時間延長有增大的趨勢，這與賈曉紅等[16]的研究結果相一致。這可能是研究地區(qū)存在著強烈的風蝕作用，由于種植苜蓿減少了開墾對土地的翻耕等人為干擾，地表有了植被的保護，因而有效地減緩了風蝕導致的細團粒物質流失，同時還能促進細團粒物質的沉積，增加細團粒物質的含量。土壤團粒的分形維數(shù)隨著苜蓿種植年限的增加而增大，說明分形維數(shù)可以反映苜蓿草地土壤恢復的程度，能夠很好地表征風沙區(qū)苜蓿草地土壤物理性狀的變化趨勢，可以作為評價風沙區(qū)人工草地土壤物理性狀的一個指標。

(2)土壤團粒分形維數(shù)與各粒徑含量的單相關關系和復相關關系不同，分形維數(shù)與1—2、0.5—1和0.25—0.5 mm含量呈負相關關系，與0.106—0.25和<0.106 mm含量呈正相關關系，均沒有達到顯著水平。但進一步對分形維數(shù)和6個粒徑含量進行多元線性逐步回歸分析，結果表明分形維數(shù)與粒徑<0.106 mm顆粒含量的偏相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，與其他粒徑含量的偏相關關系不顯著。因此，決定不同種植年限土壤團粒分形維數(shù)的為粒徑<0.106 mm的顆粒含量，其他粒徑分布的影響程度相對較小。同時也表明土壤團粒分形維數(shù)是反映土壤質地的一個較好指標，主要反映<0.106 mm的顆粒含量。已有的研究也表明，土壤顆粒組成中細沙含量越多，其分形維數(shù)越大[17]，也就是說隨著團粒直徑減小，其分形維數(shù)增大。所以，用土壤粒徑分布分形維數(shù)代替土壤團粒組成來表征土壤質地特性顯得更為簡單。

(3)分形維數(shù)在一定程度上可以表征土壤的養(yǎng)分概況[8]。關于土壤團粒分形維數(shù)與土壤性質的關系已有大量研究，均表明分形維數(shù)與有機質含量呈負相關，本研究也得出了同樣的結論，但負相關未能達到顯著水平，這主要是因為樣地中土壤有機質的含量相對較少，隨著苜蓿種植年限的增加沒有明顯變化。土壤各粒級團粒對土壤養(yǎng)分元素的吸附保持能力不相同，分形維數(shù)越高，比表面積大的黏粒含量越豐富，黏結性越強，養(yǎng)分越易積累，因此對養(yǎng)分的吸附和固定作用越強。但不同地區(qū)土壤的養(yǎng)分狀況不同，因此分形維數(shù)所表征的養(yǎng)分狀況也有所不同。本研究表明，土壤團粒分形維數(shù)與全氮呈顯著正相關關系(P<0.05)，即分形維數(shù)越高，全氮含量越大。這是由于苜蓿屬固氮植物，因此隨著種植年限的增加，土壤中氮素含量也增大，說明分形維數(shù)可以反映風沙區(qū)苜蓿草地土壤氮素恢復的程度，具有指示作用。同時，分形維數(shù)對于了解干旱風沙區(qū)人工苜蓿草地土壤質量和演化機制等都具有重要的理論依據(jù)和實踐意義。

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