鄭亞楠,姚永生,古麗熱婭尼·阿斯哈爾, 安世杰,李延霞,支金虎

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)南疆綠洲農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究中心，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】土壤是由大小不同、形狀各異的固體組分和孔隙以一定形式聯(lián)結(jié)所形成的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特性[1-3]。土壤粒徑分布(particle size distribution)與土地利用類(lèi)型、土地覆被、土壤退化程度等密切相關(guān)[4]，還對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、養(yǎng)分狀況等有影響[5-7]。分形維數(shù)值可作為評(píng)價(jià)土壤顆粒粗細(xì)程度的一個(gè)定量化指標(biāo)[5]，土壤中砂粒含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)越小，而黏粒含量越高，分形維數(shù)越大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Turcotte[8]提出多孔介質(zhì)材料粒徑分布的分形維數(shù)概念后，對(duì)分形理論應(yīng)用于定量描述土壤結(jié)構(gòu)及肥力特征的研究隨之增多。Tyler[9]、楊培嶺等[10]通過(guò)土壤粒徑分布與質(zhì)量分布的關(guān)聯(lián)研究，提出了運(yùn)用分形模型計(jì)算土壤粒徑的方法，認(rèn)為可以用團(tuán)聚體的分形維數(shù)來(lái)表征土壤的結(jié)構(gòu)的組成及其均勻程度。吳承禎等[11]認(rèn)為分形維數(shù)是反映土壤肥力特征的重要參數(shù)。土壤粒徑及分形維數(shù)與土壤類(lèi)型、母質(zhì)、地貌、植被類(lèi)型等密切相關(guān)[12-16]，可用來(lái)表征土壤的退化程度，并可用來(lái)分析土壤發(fā)育環(huán)境條件[17-22]。新疆南疆是我國(guó)典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤沙質(zhì)化影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤分形維數(shù)常被用于研究不同土地方式下的土壤粒徑狀況[23]，土地利用類(lèi)型不同時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)則會(huì)有較大差異[24]，關(guān)于不同措施改良下土壤粒徑分形維數(shù)分布特征的研究較少，尤其是有關(guān)典型干旱區(qū)的南疆的報(bào)道則更少。研究不同改良措施對(duì)新疆南疆沙質(zhì)土壤顆粒組成及分形特征的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】設(shè)置5種不同改良措施，研究新疆南疆沙化土壤在不同改良措施下的顆粒組成，粒徑分形維數(shù)的特點(diǎn)以及其相關(guān)關(guān)系，為新疆南疆退化土地的改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市12團(tuán)國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，試驗(yàn)區(qū)為暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候。墾區(qū)太陽(yáng)輻射年均在0.559 5～0.612 1 MJ/cm2，日照百分率為5 869%。屬溫帶大陸性干旱氣候，全年干旱少雨，年均降雨量為40～82 mm，年均蒸發(fā)量約2 500 mm[25,26]。

分別在2019年3月和2020年5月采集0～20和20～40 cm土層的樣品，土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后磨細(xì)，過(guò)2 mm篩。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019～2020年展開(kāi)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5個(gè)處理，分別為種植燕麥(A1)、種植油菜+燕麥(A2)、種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥(A3)、種植燕麥+農(nóng)家肥(A4)、種植燕麥+農(nóng)家肥+生物菌肥(A5)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積65 m2。

1.2.2 土壤樣品粒級(jí)測(cè)定

土壤顆粒組成(以體積分?jǐn)?shù)計(jì))采用馬爾文公司的Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤粒徑進(jìn)行分級(jí):黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細(xì)砂粒(50～100 μm)、細(xì)砂粒(100～250 μm)、中砂粒(250～500 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、極粗砂粒(1 000～2 000 μm)[27]。

1.2.3 分形維數(shù)計(jì)算

采用Tyler等提出的體積分形模型對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)D計(jì)算，公式如下：

式中：r為粒徑；Ri為粒徑分區(qū)中第i級(jí)粒徑；V(r

上式中兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，以log(Ri/Rmax)為橫坐標(biāo)、log{v(r

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析和相關(guān)性分析，用最小差異顯著法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良措施下的土壤粒徑組成特點(diǎn)

研究表明，在0～20 cm土層，A2處理下砂粒體積含量最高，可達(dá)到58.05%，A3處理下砂粒體積含量最低，為48.22%，不同處理下砂粒體積含量大小依次為A2>A5>A1>A4>A3。在20～40 cm土層，A1和A5處理下砂?？傮w含量最高為54.39%，其次為A2和A4，分別為49.05%和41.10%，與對(duì)照相比，砂粒含量相對(duì)降低。土壤組成以砂粒為主，黏粒和粉粒相對(duì)較少。其中砂粒又以極細(xì)砂粒為主，其次是細(xì)砂粒、粗砂粒、中砂粒、極粗砂粒，粒徑體積含量依次為砂粒>細(xì)粉粒>細(xì)砂粒>中砂粒>粗砂粒>黏粒>極粗砂粒。圖1

圖1 不同處理0～40 cm土壤粒徑分布Fig.1 Soil particle size distribution of 0-40 cm under different treatments

2.2 不同改良措施下土壤顆粒分形維數(shù)的總體特征

研究表明，0～40 cm土層中，5種處理的平均D值均介于2.35～2.49，且細(xì)顆粒物質(zhì)呈增加趨勢(shì)。

在0～20 cm土層，不同處理的D值大小順序依次為：A3>A1A4>CK>A5。A3處理的D值較大，在20～40 cm土層，不同處理的D值按大小依次為：A4>A3>A1>A2、CK>A5，A4和A3處理下D值較大。土壤黏粒和粉?？傮w體積含量越大，土壤分形維數(shù)就越大，土壤結(jié)構(gòu)越好。表1

表1 不同改良措施下土壤顆粒組成百分含量和土壤顆粒分形維數(shù)Table 1 Percentage of soil particle composition and fractal dimension of soil particle under different improvement measures

2.3 不同處理下土壤粒徑和土壤分形維數(shù)的相關(guān)性

研究表明，在0～20 cm土層，黏粒與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，細(xì)粉粒與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)；在20～40 cm土層，黏粒、細(xì)粉粒和分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，粗粉粒與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，極細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。表2

3 討 論

土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)物質(zhì)，土壤顆粒組成決定養(yǎng)分和水分的貯存和運(yùn)轉(zhuǎn)[28]。試驗(yàn)區(qū)中土壤顆粒組成以砂粒、粉粒和黏粒為主，且在不同土層中砂?？傮w含量在減少，表明在不同改良措施下，土壤顆粒組成發(fā)生了變化。李云良等[29]研究發(fā)現(xiàn)粒徑相對(duì)粗的沙土和粉土主要分布在高位灘地，粒徑較細(xì)的黏土主要分布在近水面的低洼處，表明土壤粒徑分布與土壤水分有密切的關(guān)系。土壤顆粒分形維數(shù)能夠反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力及土壤退化程度等[30]，不同土地利用方式對(duì)土壤的影響與改變可以通過(guò)分形維數(shù)來(lái)反映，胡云峰等[31]通過(guò)不同土地利用方式/土地覆蓋下土壤粒徑分布特征得出土壤粒徑分布分形維數(shù)隨土地利用方式的不同而發(fā)生規(guī)律性改變，植被覆蓋度越高，分形維數(shù)越大。桂東偉等[4]對(duì)塔里木盆地南緣綠洲的土壤粒徑分析表明，分形維數(shù)為2.21時(shí)為土壤粒徑分布狀況的分界值,大于該值土壤顆粒分布相對(duì)較好。

4 結(jié) 論

4.1在0～40 cm土層下，5種改良措施下的平均D值介于2.35～2.49，細(xì)顆粒物質(zhì)占主體。種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥和種植燕麥+農(nóng)家肥處理效果最好，種植油菜+燕麥和種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥處理能夠提高黏粒粉粒含量。

4.2在0～20 cm土層中，黏粒與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，細(xì)粉粒與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)；在20～40 cm土層中，黏粒、細(xì)粉粒和分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，粗粉粒與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，極細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)砂粒與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。黏粒和粉粒越大，土壤分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)越好；土壤砂粒含量越高，分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)越差。