探討草原灌叢化后土壤分形特徵與土壤肥力的關係

摘要：以渾善達克沙地廣泛分佈的3種典型荒漠草原灌木柄扁桃、小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒灌叢下土壤為研究物件，測定分析3種灌叢下0～60cm土層深度的土壤顆粒機械組成、土壤體積分形維數和土壤養分含量的垂直分佈特徵，探討草原灌叢化后土壤分形特徵與土壤肥力的關係，揭示灌叢植被在荒漠草原的生存與擴散機制。結果表明，3種典型灌叢形態結構存在差異，攔截風沙流後沉積在灌叢下的土壤粒度特徵不同，其中粘粉沙體積含量和分形維數在不同物種間差異顯著（P<0。05）。土壤分形維數表現為小葉錦雞兒（2。346）>狹葉錦雞兒（2。259）>柄扁桃（2。149）>裸沙地（2。057）；土壤分形維數主要由粒徑小於0。25mm的粘粉沙（<0。05mm）、極細沙（0。05～0。1mm）和細沙（0。1～0。25mm）體積百分含量決定，其中0。1mm粒徑是決定研究區灌叢下土壤分形維數的臨界粒徑，即小於該粒徑的粘粉沙、極細沙含量越多，土壤分形維數越高。灌叢下土壤有機質和全氮含量與土壤分形維數存在極顯著正相關關係（P<0。01）；土壤有機質含量隨土層深度增加而遞減，全氮和全磷含量隨土層波動性較強，不同物種間土壤有機質和全氮含量差異顯著（P<0。05），而全磷含量差異不顯著。灌叢覆蓋的土壤結構和肥力均較裸沙地有明顯改善，不同物種改良土壤的效果依次為小葉錦雞兒>狹葉錦雞兒>柄扁桃。

關鍵詞： 土壤分形維數 土壤結構 土層深度 肥島效應 自然地理學 草原灌叢化

全球氣候變暖、溫室氣體增加以及人類過度放牧、開墾會導致乾旱、半乾旱區草原灌叢化現象發生，使植被組成由草本向灌木轉變［1，2，3，4，5，6］。原植被生態系統的結構和功能發生改變是全球乾旱半乾地區面臨的重要生態問題［7，8］。草原灌叢化造成草本蓋度減少，裸地面積增加，當有風沙流經過時，灌叢能發揮防風固沙的作用，促使灌叢沙堆形成，進而塑造了草原區典型的風沙堆積地貌［2，8，9］。灌叢不僅可以降低風速，攔截風沙流中的沙物質後沉積在灌叢下，減輕風沙侵蝕［9］，而且能夠使沙物質顆粒重新分配，從而改變灌叢下土壤分形維數。灌叢在發揮防風固沙作用的同時使土壤資源區域性聚集表現出明顯的“肥島”效應［10，11］，這對土壤中水分和養分有聚集和保護作用，從而與灌木生長和擴散存在正反饋效應［12，13］，有助於提高草地生產力。運用土壤的分形特徵與養分關係研究乾旱、半乾旱荒漠草原區出現灌叢化現象後，灌叢植被在退化生態系統中發揮的保育功能和防風固沙作用。分形維數不僅可以定量表徵土壤顆粒分佈對土壤結構均一性和穩定性的影響［14，15，16］，也能指示土壤養分狀況與植物重要值顯著相關關係［16，17］，評價監測沙化土地的治理效果［18］。分形維數與土壤顆粒粒級組成分佈有顯著相關性，風蝕強度和植被特徵影響分形特徵，一般土壤中粘粉粒含量越高，質地越細，分形維數越高［19］，並且土壤分形維數與土壤中有機質、全N含量存在顯著正相關，對預防治理荒漠化土地有指示意義［20，21，22］。因此，本研究透過比較渾善達克沙地3種典型植物灌叢下土壤粒徑分佈及粒級含量差異，研究不同植物灌叢下土壤分形維數特徵及與養分（有機質、全氮和全磷）含量的相關性，探討草原灌叢化後形成的不同物種斑塊狀分佈對土壤結構和肥力狀況的影響，揭示不同植被型別對灌叢化草原土壤肥力和土壤結構穩定性的維持機制，為該地區的退化草原生態系統更新、恢復和重建提供科學依據。

1、材料與方法

1。1研究區自然條件

研究區位於渾善達克沙地西緣蘇尼特右旗境內，屬於典型的乾草原向荒漠草原過渡地段，地理位置為東經112。42°，北緯42。56°，海拔1238m。該地區為中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫3。4～4。5℃；年平均降水量170～190mm，降水量分配不均勻，主要集中在植物生長季6-8月；潛在蒸發量2300～2500mm；年平均風速5。5m·s-1，風大沙多，主要盛行西北風，大風日數可達50～80d。該區風沙活動強烈，土壤型別以覆沙的棕鈣土為主，廣泛形成了灌叢化荒漠草原景觀，斑塊狀分佈著柄扁桃、小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒3種典型灌木，草本主要以無芒隱子草、小針茅、冷蒿、沙生冰草、蒙古蔥為主。

1。2試驗方法

本試驗於2018年8月，選擇渾善達克沙地荒漠草原灌叢化明顯的區域，植被總蓋度12%左右，主要是以柄扁桃、小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒灌木為主的天然植被群落，該分佈區東西方向長約15km，南北方向長約10km，面積約50km2。每種植物分別選取大小具有梯度性且外形均勻一致的10個獨立單株灌叢作為研究物件，所選灌叢周圍3～5m半徑範圍內均無其他灌木植被。以灌叢基部為中心，0。25倍冠幅為半徑的同心圓邊緣分東南西北4個方向進行土壤分層取樣，取樣深度分0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm共6層，同時採集裸沙地土壤作對照。將相同層次土壤樣品混合，帶回實驗室用於粒徑分析。風乾後過0。15mm篩，再經四分法取樣用於土壤有機質、全氮、全磷含量的測定。採用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定有機質含量；用凱氏定氮法測定全氮含量；用鉬銻抗比色法測定全磷含量［23］。

採用土壤粒子特性分析系統（EyeTech，荷蘭）測定不同粒徑下土壤顆粒的體積含量，依據中國沙物質粒徑劃分標準，即：極粗沙（2～1mm）、粗沙（1～0。5mm）、中沙（0。5～0。25mm）、細沙（0。25～0。1mm）、極細沙（0。1～0。05mm）、粘粉沙（<0。05mm），並計算各粒級範圍的土壤顆粒體積百分含量。土壤顆粒分形維數按照Tyler等［14］提出的用粒徑的體積分佈表徵的土壤分形模型來計算。即：

（RiRmax）3−D=V（r

式中：r表示測量土粒直徑，Rmax為最大粒級土粒的直徑，V（r

1。3資料處理

採用Excel2016和SPSS17。0軟體對資料進行統計分析，對不同植物灌叢下土壤分形維數和養分含量的平均值進行單因素方差分析（One-wayANOVA），同時採用LSD多重比較進行物種間和土層間的差異顯著性檢驗。透過相關分析掌握3種典型灌叢下土壤機械組成、土壤分形維數與土壤養分含量的關係，評價3種典型灌叢在半乾旱荒漠草原區發揮的防風固沙作用以及對土壤的保育功能。

2、結果與分析

2。13種典型灌木灌叢下土壤粒度特徵

草原灌叢化形成的灌叢沙堆與裸沙地的土壤顆粒組成存在差異。由方差分析結果表明，研究區內不同粒級土壤顆粒體積百分含量差異性顯著（P<0。05）。與裸沙地相比，3種植物灌叢0～60cm土層深度均以極粗沙體積百分比含量最低，僅為2。01%～2。79%，小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒以極細沙含量最高，分別為44。47%和43。43%，柄扁桃以細沙含量最高，為47。80%（表1）。3種植物型別各灌叢下粘粉沙含量差異均顯著（P<0。05），且隨著土層深度的增加呈下降趨勢。粘粉沙含量為小葉錦雞兒（11。64%）>狹葉錦雞兒（7。97%）>柄扁桃（5。39%）>裸沙地（3。64%）。灌叢植被可以攔截風沙流中的細粒物質及空氣中的降塵，使其不斷沉積形成灌叢沙堆，因此灌叢下土壤的粘粉沙含量明顯高於裸沙地。不同物種灌叢防風固沙能力差異，造成各物種間除極細沙外，灌叢下土壤顆粒各粒級的百分含量均存在顯著差異（P<0。05）。

2。23種典型灌木灌叢下土壤分形維數

3種典型灌木高度與枝條疏密度不同，造成對過境風速的降低程度不同，因此沉積到灌叢下的土壤顆粒組成不同，造成不同物種灌叢下土壤0～60cm土層深度的土壤分形維數存在顯著差異（P<0。05），且同一土層不同物種間差異性也顯著（P<0。05）。如圖1所示，3種典型灌木灌叢下0～60cm土層深度土壤分形維數平均值在2。149～2。346，顯著大於裸沙地土壤分形維數2。057。3種植物灌叢下土壤分形維數隨著土層深度的增加呈下降趨勢，由多重比較結果可知，同一物種0～10cm、10～20cm和20～30cm各土層間的土壤分形維數差異均顯著（P<0。05），且顯著高於其他各土層，隨著土層深度的增加，差異性減弱表現為30～40cm、40～50cm和50～60cm各土層間的土壤分形維數差異不顯著（P>0。05）。總體上由高到低依次為小葉錦雞兒（2。346）>狹葉錦雞兒（2。259）>柄扁桃（2。149）>裸沙地（2。057）。

表1不同灌木型別灌叢下土壤顆粒機械組成體積百分含量的垂直分佈變化

注：不同大寫字母表示同一土層不同典型灌木之間的顯著性差異，不同小寫字母表示同一典型灌木不同土層之間的顯著性差異（P<0。05）。

2。3土壤分形維數與土壤粒徑組成的關係

由圖2可知，土壤分形維數與粘粉沙（r<0。05mm）和極細沙（0。05mm0。05）。土壤分形維數大小主要是由粒徑小於0。25mm的各粒級土壤顆粒體積百分含量決定，而0。1mm的顆粒是分形維數變化的分界粒徑，即土壤中小於0。1mm的細顆粒物質含量越多，土壤分形維數越高。

圖1不同灌木型別灌叢下土壤分形維數的垂直分佈變化

圖2土壤分形維數與土壤各粒級顆粒百分含量的關係

2。43種典型灌木灌叢下土壤養分特徵

由圖3可知，渾善達克沙地3種典型植物灌叢下0～60cm土層有機質、全氮和全磷平均含量分別為6。87～9。20g·kg-1、0。21～0。34g·kg-1和0。31～0。32g·kg-1，顯著高於裸沙地3。16g·kg-1、0。11g·kg-1和0。24g·kg-1，小葉錦雞兒的有機質和全氮含量最高，狹葉錦雞兒次之，柄扁桃最低，且各植物型別間土壤有機質和全氮含量差異均達顯著水平（P<0。05），但全磷含量差異不顯著（P>0。05）。3種植物灌叢下土壤有機質含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢，且0～30cm各土層間均差異顯著（P<0。05），隨土層深度的增加，差異性減弱，30～60cm各土層間差異不顯著（P>0。05）。另外，不同灌木型別土壤表層0～10cm有機質、全氮和全磷含量均顯著大於其他各土層（P>0。05）。3種植物灌叢下土壤全氮和全磷含量隨土層深度的變化表現出較大的波動性且無明顯變化規律。

圖3不同灌木型別灌叢下土壤養分的垂直分佈變化

2。5土壤體積分形維數、粒徑組成與土壤養分的關係

從表2可以看出，土壤有機質和全氮含量與土壤體積分形維數、粘粉沙、極細沙體積百分含量均呈極顯著正相關（P<0。01），但與細沙體積百分含量呈極顯著負相關（P<0。01），而與其他顆粒機械組成均未達到顯著水平（P>0。05）。土壤全磷含量除與細沙體積百分含量呈負相關，與分形維數和其他顆粒機械組成均呈正相關，但均未達到顯著水平（P>0。05）。

表23種灌木灌叢下土壤體積分形維數、粒徑機械組成與土壤養分的相關係數

注：*表示在P<0。05水平；**表示在P<0。01水平。

3、討論

一般而言，沙物質分選性越好，其顆粒分形維數越大，反之越小，因此分形維數能很好地反映地表風蝕程度［17，24］。由此可知，有植被覆蓋的地表，分形維數較大，風蝕程度較小，因此植物措施具有很明顯的防風固沙作用［25，26，27，28］。土壤分形維數越大，土壤中所含的粘粉粒含量越多，而沙粒含量越少［28］。分形維數能夠很好地反映地表風蝕程度與土壤結構狀況［15，29］，從而可以評價植物攔截風沙後形成灌叢沙堆的固沙能力以及對土壤結構的改良作用。本研究結果表明，3種植物灌叢下土壤顆粒粒徑集中分佈在0。05～0。25mm範圍內，佔總體積百分含量70%以上，粒徑小於0。05mm的粘粉粒體積百分含量雖然較低，但各物種間差異顯著。小葉錦雞兒作為渾善達克沙地荒漠草原區分佈面積最廣泛的主要固沙灌木，草原灌叢化現象使得原土壤結構效能發生改變，植被灌叢的生長使細顆粒物質免遭吹蝕，有效攔截大氣中的粉塵物質，在灌叢下堆積形成沙堆，不同植被型別對土壤粒徑重新分佈後產生顯著性差異，從而間接影響土壤結構與水肥特徵［30，31］。同一物種灌叢下土層間在一定深度範圍內（30～60cm）對土壤分形維數的影響不大，而不同物種在0～30cm各土層間對土壤分形維數的影響差異顯著。與裸沙地相比，3種植物灌叢下土壤分形維數顯著增大，因此植物可以充分發揮防風固沙作用。不同物種由於灌叢高度、枝條疏密度和形態結構差異，對風沙攔截能力不同，因此灌叢下土壤顆粒組成不同。決定土壤分形維數大小的主要是粒徑小於0。25mm的各粒級土壤顆粒體積百分含量，而大於0。25mm顆粒土壤體積百分含量對分形維數影響程度相對較小，其中0。1mm粒徑是決定本研究區灌叢下土壤分形維數的臨界粒徑，即小於0。1mm粒徑的細顆粒含量越多，土壤分形維數越高，同時植物灌叢下土壤有機質和全氮含量越高。以前的研究結果顯示，土壤分形維數不僅對土壤結構和養分含量會產生影響，且與植物生長的環境條件密切相關［27，28］。在沙源一致的小尺度研究範圍內，植物種類和灌叢大小是影響沙堆形成後沉積物質的關鍵因子，本研究結果顯示，小葉錦雞兒灌叢下沉降下來的粘粉沙粒物質含量顯著高於狹葉錦雞兒和柄扁桃，且3種植物灌叢下粘粉粒所佔土壤機械組成均顯著大於裸沙地，表明灌叢下土壤顆粒之間形成的微小孔隙較多，土壤結構具有明顯優勢，土壤分形維數也越大，土壤有機質、全氮和全磷含量也越大。

退化草原灌叢化過程中，由於風力和水力侵蝕造成土壤結構和肥力狀況發生改變，灌木充分發揮防風固沙作用而形成灌叢沙堆，使灌叢下土壤養分含量呈現增加趨勢，而無植被覆蓋的裸沙地養分含量較低，從而導致3種植物灌叢均出現了“肥島”效應，同時造成養分含量出現這種空間異質性還會隨著灌叢沙堆的增大而增強［32］。本研究以柄扁桃、小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒3種典型灌木形成大小形態各異的灌叢沙堆為研究物件，分析灌叢下土壤顆粒組成特徵、分形維數和養分含量變化以及三者間的關係。結果表明，3種典型灌木灌叢下表層土壤有機碳、全氮和全磷的含量均有顯著差異，但隨著土層深度的增加而減弱。這說明，在渾善達克沙地不同物種凋落物和灌叢下土壤顆粒組成的不同對土壤的改良作用有所差異，灌叢下土壤養分具有明顯的“表聚”特徵。土壤的粘粉沙和極細沙、分形維數與有機質和全氮之間呈極顯著正相關，細粒物質可以增強顆粒之間膠結力，從而對維持土壤結構穩定性和提高肥力起到一定的改良作用［15，33］。土壤體積分形維數的變化綜合反映了土壤結構變化、土壤肥力特徵和土地荒漠化程度［34］。3種典型灌木相比，小葉錦雞兒和狹葉錦雞兒屬於豆科固氮植物，根系分泌物對提高土壤全氮含量具有明顯作用，且0～60cm土層全氮平均含量顯著高於柄扁桃。合理開發和利用當地鄉土固沙豆科植物，可以更加快速有效地補充退化荒漠草原生態系統中的氮元素。灌叢下土壤有機質和全氮含量受植被型別、枯落物分解、根系分泌物和植物吸收利用的影響，因而存在著較大的空間變異性。土壤全磷含量在不同物種間無顯著差異，但均顯著大於裸沙地。隨著土層深度的增加，有機質含量呈下降趨勢，而全氮和全磷無明顯規律，均區域性出現波動。在荒漠草原的生存與擴充套件過程中，灌叢對防風固沙以及土壤結構改良和保育具有顯著作用，不同灌叢下土壤有機質和全氮含量順序為小葉錦雞兒>狹葉錦雞兒>柄扁桃>裸沙地。小葉錦雞兒作為當地分佈面積最廣泛且對土壤肥力提高最顯著的物種，表現出極強的適應性，因此在渾善達克沙地形成了以小葉錦雞兒為主的灌叢化草原景觀。

4、結論

渾善達克沙地荒漠草原區3種典型灌叢下土壤分形維數和養分存在顯著差異，0。1mm粒徑作為土壤分維數變化的臨界值，小於該粒徑的細顆粒物質體積百分含量越大，土壤體積分形維數越大。灌叢下土壤粘粉沙體積百分含量、分形維數、有機質和全氮含量均表現為：小葉錦雞兒>狹葉錦雞兒>柄扁桃>裸沙地。灌叢在退化的草原生態系統中可以發揮防風固沙和保育功能，改善土壤結構和肥力，為退化草原生態系統的恢復、重建提供物質保障。