柳妍妍，胡玉昆，公延明

（中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 中國科學院 干旱區(qū)生物地理與生物資源重點實驗室，新疆 烏魯木齊830011）

土壤作為一種由不同顆粒組成，具有不規(guī)則形狀和自相似結構的多孔介質(zhì)，是具有一定分形特征的系統(tǒng)［1］。近年來，分形維數(shù)在土壤研究中得到了廣泛應用，利用分形維數(shù)可以進一步揭示土壤的其他化學物理性狀以及其對生態(tài)環(huán)境的指示意義。Katz等［2］采用掃描電子顯微鏡檢查法和光學數(shù)據(jù)相結合方法對砂巖的研究表明很多砂巖的孔隙具有幾何分形特征；Arya等［3］和 Turcotte［4］分別研究了土壤顆粒的分形現(xiàn)象和分形維數(shù)的計算方法；Tyler等［5］和楊培嶺等［6］在前人的基礎上對分形維數(shù)的計算公式進行了修正，并提出了土壤顆粒粒徑分布的質(zhì)量分形維數(shù)計算模型，該模型被廣泛應用于表征土壤顆粒的分形特征［1］，不同土地利用類型下土壤粒徑分形特性［7］及退化土壤結構分形特征的研究［8］等方面。但隨著激光衍射技術的發(fā)展，王國梁等［9］首次提出了土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念，并通過多方面的研究證明了土壤體積分形維數(shù)的優(yōu)越性。眾多研究表明，分形維數(shù)不僅能夠表征土壤粒徑大小，還能反映土壤質(zhì)地的均一程度以及土壤的通透性，宮阿都等［8］也認為土壤粒徑分形維數(shù)可以作為退化土壤結構評價的一項綜合性定量指標。

巴音布魯克是我國第一大亞高山高寒草原，也是新疆開都河重要的水源涵養(yǎng)地，對全疆尤其是南疆的生態(tài)環(huán)境保護具有特殊的意義。由于過度放牧、開墾、濫挖、鼠害、毒害草入侵等原因，該地土壤養(yǎng)分降低，土壤質(zhì)量下降，草地嚴重退化［10］，這引起了學者們的高度關注。有關巴音布魯克地上植被部分的研究已不少，但關于土壤顆粒分形維數(shù)的變化方面的研究不足，本文旨在通過對巴音布魯克高寒草原不同退化階段土壤團粒結構分形特征進行研究分析，探討分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)及土壤退化之間的關系，以期為高寒草原恢復治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴音布魯克高寒草原位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣西北，天山南坡中段，地理坐標為北緯42°18′—43°34′，東經(jīng)82°27′—86°17′，海拔在2 460～2 760m。該區(qū)氣候?qū)俚湫偷母吆畾夂蝾愋?，干旱，寒冷，多風，年均氣溫－4.8℃，年均降水量276.2mm，年蒸發(fā)量1 135.2mm±112.3mm，年日照2 541±75h，全年積雪日在150～180d，無絕對無霜期。土壤類型為高寒草原土，成土母質(zhì)為黃土，表土干燥緊實。高寒草原有高等植物16科，26屬，36種，主要物種有羊茅（Festuca ovina）、紫花針茅（Stipapurpurea）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與取樣方法 2009年8月中旬，在中國科學院巴音布魯克草原生態(tài)研究站（海拔2 460m）附近取樣。土壤為亞高山草原土，成土母質(zhì)為黃土，土層厚度50～150cm。按農(nóng)業(yè)部于2003年頒布的《天然草地退化、沙化和鹽漬化分級標準》確定4個退化階段進行樣地設置，每個退化階段下設置5個面積為10m×10m的樣地，共計20個，用GPS測量每個樣地經(jīng)度、緯度及海拔高度，樣地具體情況為未退化（CK）（42°53.820′N，83°42.830′E；海拔2 466m）、輕度（42°53.135′N，83°42.339′E；海拔2 470m）、中度（42°56.077′N，83°43.051′E；海拔2 520m）和重度（42°53.499′N，83°42.495′E；海拔2 465m）。

土壤樣品的采集采用5點混合法，按0—10，10—20，20—30cm共3個層面分別采集土壤樣品，采樣完畢后將同一塊樣地、同一層次的土壤混合并按四分法取部分土樣裝入封口袋帶回室內(nèi)進行理化性質(zhì)和土壤粒徑的分析，同時用環(huán)刀按同樣層次取樣用于土壤容重的測定。

1.2.2 土壤樣品測定方法 有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法，全氮采用重鉻酸鉀—硫酸硝化法，全磷采用氫氧化鉀堿熔—鉬銻抗比色法，全鉀和速效鉀均采用火焰光度法，速效氮采用蒸餾法，速效磷采用碳酸氫鈉法。測定分析工作由中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所土壤分析實驗室完成。土壤容重采用環(huán)刀法，土壤顆粒組成采用吸管法，根據(jù)美國制，將懸液分級吸取0.25～2，0.05～0.25，0.02～0.05，0.005～0.02，0.002～0.005和＜0.002mm，共計6個粒級范圍。

1.2.3 土壤分形維數(shù)的計算 土壤粒徑分布遵循自相似原理，由大于某一粒徑Ri（Ri＞Ri＋1，i＝1，2，3，…）的土粒構成的體積V（r＞Ri）可由下式計算［9］：

式中：Ri——特征尺度；Cv，λv——顆粒形狀、尺度的常數(shù)。當Ri＝0時，式（1）變?yōu)橛嬎闳客寥李w?？傮w積VT，即V（r＞Ri）＝VT＝Cv；當Ri＝Rmax（Rmax為最大粒徑）時，λv＝Rmax。因此有：

調(diào)整式（2）可得：

土壤粒徑體積分布的分形維數(shù)為V（r＜Ri）／VT和（Ri／Rmax）的對數(shù)線性回歸擬合方程的斜率（3－D）中的D。

1.2.4 土壤退化指數(shù)的計算 為定量描述土壤退化程度，本文引進Islam土壤退化指數(shù)［11］，具體公式如下［12］：

式中：DI——土壤退化指數(shù)；p1′，p2′，…，pn′——未退化草地土壤屬性1，屬性2，…屬性n的值；p1，p2，…，pn——其他不同程度退化草地土壤屬性1，屬性2，…屬性n的值；n——選擇的土壤屬性數(shù)。土壤退化指數(shù)可為正數(shù)也可為負數(shù)，負數(shù)表明土壤退化，正數(shù)表明土壤不僅沒有退化，而且質(zhì)量有所提高。本文選擇的土壤屬性包括土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和容重。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 利用Excel和SPSS 13.0軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及相關分析，用SigmaPlot 10.0制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒分形維數(shù)及與不同粒徑土壤顆粒含量的關系

吳承禎等［13］認為土壤團粒結構粒徑分布的分形維數(shù)不僅能夠表征土壤團聚體粒徑大小的影響，而且還能反映質(zhì)地均一性的程度、土壤通透性及抗蝕性以及土壤肥力。土壤顆粒分形維數(shù)越高，表征土壤結構越緊實，通透性較差，而分形維數(shù)越小，則土壤質(zhì)地相對松散，通透性較好。應用土壤顆粒體積分布確定土壤顆粒大小分布分形維數(shù)（表1），各退化演替階段草原0—30cm土壤顆粒的分形維數(shù)在2.573～2.635?？傮w說來3個土層的分形維數(shù)，重度退化階段均大于其他退化階段，其值為2.620，2.631，2.635，表明高寒草原退化對土壤機械組成具有一定影響。植物類型由地面芽密叢型群落向地下芽根莖型群落演替使得土壤黏粒下沉，加上淋溶或灌溉等作用，上層土壤黏粒向下淋溶和懸移，造成土壤分形維數(shù)增大，土壤黏性增大，通水和透氣性變差，容重增大，有機質(zhì)含量降低。

表1 不同土壤粒級分布及土壤顆粒的分形維數(shù)

土壤粒級之間，0.25～2mm粒級的顆粒組成體積百分含量最小，在0.973%～7.868%；以0.005～0.02mm粒級的顆粒組成體積百分含量最大，在26.732%～41.659%范圍內(nèi)（表1）。砂粒（0.05～2mm）、粉粒（0.05～0.002mm）、黏粒（＜0.002mm）的體積及百分含量分別在11.829%～31.498%，62.871%～80.464%，5.630%～7.707%，可以看出土壤團聚體較多、通氣性、透水性較好。分析結果表明，土壤粒徑分布分形維數(shù)與砂粒含量呈極顯著負相關（p＝0.01），與粉粒含量呈顯著正相關（p＜0.05），與黏粒含量呈極顯著正相關（p＜0.000 1）。應用回歸分析得到土壤粒徑分布分形維數(shù)與砂粒、粉粒、黏粒含量之間的決定系數(shù)R2分別為0.499，0.409，0.873。分析土壤粒徑分布分形維數(shù)與黏粒含量之間的關系發(fā)現(xiàn)，土壤粒徑分布分形維數(shù)與黏粒含量呈強正相關關系（R2＝0.873，p＜0.000 1），該結果表明應用Tyler公式計算得到的土壤顆粒分布分形維數(shù)受土壤黏粒含量的影響較為顯著，黏粒的體積百分含量決定了土壤顆粒分形維數(shù)的大小，同時也受土壤最大粒徑級別的影響。由圖1可以看出，當砂粒含量一定時，土壤最小粒徑所占比例越大，分形維數(shù)則越大，這與大多數(shù)研究結果一致［13－14］，說明土壤顆粒分布分形維數(shù)在一定程度上可以表征土壤質(zhì)地的均一程度。

2.2 土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關系

數(shù)據(jù)分析顯示（表2）土壤有機質(zhì)除了在中度退化狀態(tài)下隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為先降低后增大的趨勢外，在其余3種（CK、輕度和重度）狀態(tài)下均表現(xiàn)為降低趨勢，并且有機質(zhì)含量在重度退化情況下減少較為明顯；在4種不同狀態(tài)下，土壤全N均隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)出減小趨勢，但隨著退化程度的加深，全N含量逐漸減少；全P，全K變化趨勢不明顯，但在輕度退化時平均值最大；速效N和速效K含量最高值都出現(xiàn)在CK 0—10cm處，速效P則出現(xiàn)在輕度退化草地0—10cm處；土壤容重在CK和輕度退化階段隨土壤深度增加其值增加，但在中度退化階段容重最高值出現(xiàn)在0—10cm處，而在重度退化階段其最大值則出現(xiàn)在10—20cm處，隨著退化程度的加深，土壤容重增大，表明高寒草原退化對土壤理化性狀的改變具有明顯作用。相關分析表明（表3），分形維數(shù)與土壤有機質(zhì)含量和全氮含量呈顯著負相關；容重與土壤分形維數(shù)呈顯著正相關。由此說明土壤顆粒分形維數(shù)可以作為反映土壤理化性質(zhì)的特征之一，土壤分形維數(shù)越大，土壤理化性質(zhì)越差，容重越大，土壤退化越嚴重，越不適宜植物的生長。

圖1 土壤粒徑分布分形維數(shù)與土壤顆粒含量之間的關系

表2 草地不同退化階段不同深度土壤理化性質(zhì)變化

表3 土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關關系

2.3 土壤分形維數(shù)與土壤退化指數(shù)的關系

根據(jù)計算得出的退化草地土壤退化指數(shù)（圖2），草地輕度退化時，土壤理化性狀好于對照，土壤退化指數(shù)升高，呈現(xiàn)為正數(shù)，表明土壤質(zhì)量有所提高。但隨著放牧程度的加劇，土壤退化指數(shù)急劇下降，到中度退化時，土壤退化指數(shù)呈現(xiàn)為負數(shù)，表明土壤質(zhì)量下降。到重度退化時，土壤退化指數(shù)進一步下降，表明土壤質(zhì)量進一步下降，土壤退化。這說明在輕度退化階段，土壤質(zhì)量有所提升，這是由于放牧能夠多途徑地增加土壤微生物的生產(chǎn)力，提高硝化酶和反硝化酶活性以及硝化酶活性P反硝化酶活性比例，促進N素礦化、提高N的有效性，同時抑制N流失［15］，從而提升土壤質(zhì)量。這與李以康等［16］對三江源區(qū)高寒草甸的土壤養(yǎng)分研究和蔡曉布等［17］在藏北退化高寒草原的研究結果一致。在土壤退化過程中土壤有機質(zhì)和全N，P表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，但也有研究表明，隨退化程度加重，有機質(zhì)含量降低，土壤全N則表現(xiàn)為先升高后降低［18］。這也反映出草地退化與土壤退化的不一致性，土壤退化滯后于草地退化。

圖2 草地不同退化程度土壤退化指數(shù)

對土壤分形維數(shù)和土壤退化指數(shù)進行相關分析，結果表明，二者呈現(xiàn)負相關關系（r＝－0.743），說明土壤分形維數(shù)越高，土壤退化指數(shù)越小，表明土壤退化越嚴重。

3 討論與結論

（1）大多數(shù)研究結果表明［13－14］，土壤分形維數(shù)越大，土壤中細顆粒物質(zhì)含量越高。以往學者［12，15］提出分形維數(shù)能客觀表征土壤粒徑大小組成，為理想的土壤肥力測定指標。本研究分析結果表明，土壤粒徑分布分形維數(shù)與砂粒含量呈極顯著負相關（p＝0.01），與粉粒含量呈顯著正相關（p＜0.05），與黏粒含量呈極顯著正相關（p＜0.000 1），說明土壤顆粒分形維數(shù)在一定程度上能表征土壤的均一程度。隨著草地退化，黏粒含量增高，土壤顆粒分形維數(shù)逐漸增大，表明在草地退化現(xiàn)階段，雖然地表植被已經(jīng)退化，但是土壤并未表現(xiàn)出沙質(zhì)化現(xiàn)象，反映出草地退化與土壤退化的不一致性，土壤退化滯后于草地退化，同時也說明了土壤會隨著草地的退化而出現(xiàn)沙質(zhì)化的發(fā)展趨勢。

（2）本研究結果表明，土壤顆粒分形維數(shù)與有機質(zhì)含量具有顯著負相關關系，即分形維數(shù)越高，有機質(zhì)含量越少。這與趙勇鋼等［14］對半干旱典型草原區(qū)封育草地的研究結論相近，而與田佳倩等［19］和徐冰等［20］研究結果相反，并且后者的研究區(qū)域都是沙質(zhì)草地，在沙質(zhì)草地退化過程中，土壤黏粒含量減少，沙粒含量增多，分形維數(shù)降低，土壤有機質(zhì)含量降低。高寒草原放牧時牲畜踐踏會產(chǎn)生壓實效應，上層土壤被踏壓緊實，容易產(chǎn)生地表徑流［21］，有機質(zhì)被雨水沖蝕，使土壤有機質(zhì)含量降低。因此，不同的草地類型在退化過程中，土壤顆粒分形維數(shù)的表現(xiàn)也不同。宮阿都等［8］對金沙江干熱河谷退化土壤研究發(fā)現(xiàn)，對于同一土壤退化系列，分形維數(shù)越高，土壤退化越嚴重。本研究結果表明，土壤分形維數(shù)和土壤退化指數(shù)顯著負相關關系，土壤分形維數(shù)越高，土壤退化指數(shù)越小，退化越嚴重。

（3）本研究結果表明，草地在輕度放牧時，土壤理化性狀得到提升；中度放牧時，土壤有機質(zhì)和全氮含量有所增加；而重度放牧時，土壤質(zhì)量驟降，說明適度的放牧可以提高土壤質(zhì)量，但不能超過閾值。因此，研究草地生態(tài)系統(tǒng)及其組分的特征、動態(tài)與相互作用機制，探索系統(tǒng)健康管理的途徑，還有待進一步加強。

［1］ 蘇永中，趙哈林.科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變中土壤顆粒分形特征［J］.生態(tài)學報，2004，24（1）：71-74.

［2］ Katz A J，Thompson A H.Fractal sandstone pores：implication for conductivity and pore formation［J］.Phys.Rev.Lett.，1985，54（12）：1325-1328.

［3］ Arya L M，Paris J F.A physicoempirica1model to predict the soil moisture characteristic from particle-size distribution and bulk density data［J］.Soil Science Society of America Journal，1981，45（6）：1023-1031.

［4］ Turcotte D L.Fractals and fragmentation［J］.Journal of Geophysical Research，1986，91（B2）：1921-1926.

［5］ Tyler S W，Wheatcraft S W.Fractal scaling of soil particlesize distributions：analysis and linitations［J］.Soil Science Society of America Journal，1992，56（2）：362-369.

［6］ 楊培嶺，羅遠培，石元春.用粒徑的質(zhì)量分布表征的土壤分形特征［J］.科學通報，1993，38（20）：1896-1899.

［7］ 王德，傅伯杰，陳利頂，等.不同土地利用類型下土壤粒徑分形分析［J］.生態(tài)學報，2007，27（7）：3081-3089.

［8］ 宮阿都，何毓蓉.金沙江干熱河谷區(qū)退化土壤結構的分形特征研究［J］.水土保持學報，2001，15（3）：112-115.

［9］ 王國梁，周生路，趙其國.土壤顆粒的體積分形維數(shù)及其在土地利用中的應用［J］.土壤學報，2005，42（4）：545-550.

［10］ 柳妍妍，胡玉昆，于建梅，等.輪葉馬先蒿危害現(xiàn)狀及防除對策［J］.干旱區(qū)研究，2008，25（6）：778-782.

［11］ Islam K R，Weil R R.Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of Bangladesh［J］.Agriculture，Ecosystem and Environment，2000，79（1）：9-16.

［12］ 李寶富，熊黑鋼，張建兵，等.古爾班通古特沙漠與綠洲交錯帶土地利用變化對土壤特性的影響［J］.冰川凍土，2012，34（3）：573-582.

［13］ 吳承禎，洪偉.不同經(jīng)營模式土壤團粒結構的分形特征研究［J］.土壤學報，1999，36（2）：162-167.

［14］ 趙勇鋼，趙世偉，華娟，等.半干旱典型草原區(qū)封育草地土壤結構特征研究［J］.草地學報，2009，17（1）：106-112.

［15］ 侯扶江，楊中藝.放牧對草地的作用［J］.生態(tài)學報，2006，26（1）：243-264.

［16］ 李以康，韓發(fā)，冉飛，等.三江源區(qū)高寒草甸退化對土壤養(yǎng)分和土壤酶活性影響的研究［J］.中國草地學報，2008，30（4）：51-58.

［17］ 蔡曉布，張永青，邵偉.不同退化程度高寒草原土壤肥力變化特征［J］.生態(tài)學報，2008，28（3）：1034-1044.

［18］ 周萬海，馮瑞章，滿元榮.黃河源區(qū)不同退化程度高寒草地土壤特征研究［J］.草原與草坪，2008（4）：24-28.

［19］ 田佳倩，周志勇，包彬，等.農(nóng)牧交錯區(qū)草地利用方式導致的土壤顆粒組分變化及其對土壤碳氮含量的影響［J］.植物生態(tài)學報，2008，32（3）：601-610.

［20］ 徐冰，趙淑銀，郭克貞，等.草地開發(fā)與保護過程中土壤顆粒分形特征［J］.草業(yè)科學，2009，26（7）：143-146.

［21］ 廖詠梅，陳勁松.米亞羅地區(qū)亞高山針葉林在不同人為干擾條件下的土壤分形特征［J］.生態(tài)學雜志，2005，24（8）：878-882.