王雪梅，曹麗君

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”， 新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】綠洲-荒漠過渡帶是綠洲生態(tài)屏障的重要組成部分，在綠洲環(huán)境保障和綠洲生態(tài)系統(tǒng)安全等方面都具有極其重要的功能性作用，它既是綠洲抵御風(fēng)沙等危害的第一道屏障，又是風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)地段[1]。在這樣的重要地段，土壤粒度特征和覆蓋其上的植被的對應(yīng)關(guān)系尤其引人關(guān)注。土壤不僅為陸生植物提供基底而且為其生長提供所需的水肥氣熱，進而影響其表層植物群落的物種構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化，從而具有很好的生態(tài)指示意義。土壤粒度是土壤的一個穩(wěn)定的自然屬性，表征了土壤的機械組成狀況，在成土過程中，由于受各種物理、化學(xué)和生物因素的影響，土壤粒度特征在空間上存在很大的差異[2]。土壤的粒度組成差異與土壤持水能力、儲養(yǎng)能力以及抗風(fēng)蝕能力有著密切的關(guān)系。土壤粒度空間變化特征，在一定程度上可以反映植被防風(fēng)固沙的效果，同時也可以表征荒漠化程度?！厩叭搜芯窟M展】近些年來，眾多學(xué)者對綠洲-荒漠過渡帶的土壤粒度進行了相關(guān)，研究區(qū)域主要分布于干旱區(qū)的甘肅河西地區(qū)的荒漠綠洲、新疆塔里木盆地邊緣的荒漠綠洲區(qū)以及內(nèi)蒙古的荒漠草原。陳小紅等[3]研究了黑河中游荒漠綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過渡帶的土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒級分布及各養(yǎng)分指標(biāo)的關(guān)系。郭挺等[4]分析了民勤沙區(qū) 3 種典型微區(qū)土壤水分及其粒度特征變化，桂東偉等[5]探討塔里木盆地南緣策勒綠洲邊緣綠洲化進程中不同土地利用方式對土壤粒徑分布屬性的影響。毛冬雷等[6]研究了策勒綠洲—沙漠過渡帶不同地貌部位表面及近地表輸沙和降塵物質(zhì)粒度及粒徑分形特征。劉志強等[7]研究了多倫縣防風(fēng)固沙區(qū)生態(tài)修復(fù)植物群落下土壤顆粒的分形維數(shù)及其在土壤剖面上的變化規(guī)律。但目前針對干旱區(qū)綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落的土壤粒度特征分析方面的研究開展相對較少。由于塔里木盆地北緣綠洲-荒漠過渡帶對于渭干河-庫車河三角洲綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要的保護意義?！颈狙芯康那腥朦c】本文對該綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落下的土壤分形維數(shù)和粒度特征值的差異及相關(guān)性進行探究，分析了土壤粒度的空間變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為渭干河-庫車河綠洲三角洲綠洲建設(shè)和荒漠化防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲位于天山南麓，塔里木盆地北緣，在行政上隸屬于阿克蘇地區(qū)管轄(圖1)。地勢北高南低，北部為南天山南坡，中部為河流宏積沖積平原，南部為塔克拉瑪干沙漠，主要河流是渭干河、庫車河，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，降雨量少，日照長，晝夜溫差大，無霜期183～227 d，年平均氣溫在9.9～11.5 ℃，年降水量42.4～94.4 mm，具有冬季干冷和夏季干熱的特點，且風(fēng)力很強。研究區(qū)土壤以砂質(zhì)土壤為主，植被稀疏，植被類型主要為灌叢和草本。其中，草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、花花柴[Kareliniacaspia(Pall. ) Less]、豬毛菜(Salsolaarbuscula)等，灌木主要為檉柳(Tamarixramosissima)、鹽穗木(Halostachyscaspica)、鹽節(jié)木(Halocnemumstrobilace)和白刺(NitrariatangutorumBobr)等。

1.2 試驗方法

1.2.1 調(diào)查取樣 在前期布點的基礎(chǔ)上，利用GPS于2016年8月在渭干河-庫車河三角洲綠洲-荒漠過渡帶選點采樣。在研究區(qū)范圍共調(diào)查45個樣地，每個采樣點均用GPS精確定位，并獲取海拔高度，將45個樣地劃分為4個樣區(qū)，調(diào)查并確定每個樣區(qū)內(nèi)的主要植物群落。植物采樣的方法[8]：每個樣地內(nèi)取1個50 m×50 m喬層木樣方，3個10 m×10 m灌木層樣方，5個1 m×1 m草木層樣方，將其植物名稱、個體數(shù)、最高高度、最低高度冠幅及蓋度等指標(biāo)記錄在植物樣點調(diào)查表中，各調(diào)查區(qū)域的典型植物群落概況見表1。采用土壤剖面和多點混合取樣法分層取樣，取樣深度為100 cm，每個樣地內(nèi)分0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm以及>80 cm 6層進行取樣，每層隨機取3個樣品混合均勻后帶回實驗室，風(fēng)干、過2 mm篩后進行室內(nèi)分析。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

表1 典型植物群落概況

表2 ?？?沃德(1957)公式定義的粒度評價標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 土壤粒徑分級與統(tǒng)計分析參數(shù) 土樣預(yù)處理后，采用Malvern 2000激光粒度分析儀進行粒度分析，其粒度測定范圍為0.2～2000 μm。采用國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)：粗砂粒>250 μm；砂粒20～250 μm；粉砂2～20 μm；粘粒< 2 μm，最后根據(jù)?？?沃德(1957)公式[9]和定義用求GRADISTAT粒度分析軟件得各粒度參數(shù)(表2)。

分形維數(shù)應(yīng)用王國梁等[9]、Tyler和Wheatcraft[10]提出的關(guān)系式：

(1)

式中，R為兩篩分粒級Rx與Rx+1間粒徑的平均值，Rmax為最大粒級土粒的粒徑，V(r

2 結(jié)果與分析

2.1 典型植物群落土壤的粒級分布

表3 典型植物群落土壤粒徑在不同土層的分布

續(xù)表3 Continued table 3

群落類型Community type土層(cm)Soil layer百分含量(%)Percentage粗砂粒>250 μm砂粒20～250 μm粉砂粒2～20 μm黏粒﹤2 μm>8043.723.530.12.8蘆葦+駱駝刺Phragmites australis+Tamarix ramosissima0～1035.927.335.31.510～2035.731.731.80.820～4036.025.537.31.240～6035.528.334.41.860～8035.226.534.53.7>8037.431.729.31.5鹽節(jié)木Halocnemum strobilace0～1043.828.125.82.310～2039.935.123.21.920～4042.430.325.91.340～6040.827.231.01.060～8047.835.415.31.5>8042.833.621.81.8蘆葦Phragmites australis0～1033.428.634.83.210～2038.526.831.33.320～4034.630.131.14.240～6035.829.631.72.960～8037.030.231.01.8>8035.632.628.53.4

根據(jù)表3和圖2對典型植物群落下的土壤粒徑組成進行分析：從總體來看，研究區(qū)典型植物群落土壤以粗砂粒、砂粒和粉砂粒為主，平均含量分別介于 33.4 %～49.1 %、23.5 %～35.4 % 和15.3 %～35.3 % 之間，3種粒級含量之和大于95 %，而黏粒含量極少，平均值介于0.8 %～4.2 % 之間。從水平方向來看，檉柳群落土壤的粗砂粒平均含量最多(在4個植物群落中比較，下同)，為46.0 %，蘆葦+駱駝刺群落土壤的粉砂粒平均含量最多，為33.8 %，鹽節(jié)木群落的砂粒平均含量最多，為31.6 %，蘆葦群落的黏粒平均含量最多，為3.2 %?？拷哪闹参锶郝渫寥来稚傲Ｆ骄颗c粉砂粒平均含量差異較大，靠近綠洲的植物群落土壤則相反。從垂直方向看，隨土層深度的增加，不同粒級的百分含量都有輕微的波動，但各層土壤都以粗砂粒含量最高，黏粒含量最低。

圖2 不同植物群落土壤的粒徑組成Fig.2 Particle size composition of soil in different plant communities

表4 分形維數(shù)與粒徑分布的相關(guān)關(guān)系

注：D為分形維數(shù)；a、b、c和d表示不同粒級粒徑體積百分含量；**表示在置信度(雙側(cè))為0.01時，相關(guān)性是顯著的。

Note:Dis the fractal dimension;a,b,canddrepresent the volume percentage content of different particle sizes; ** indicates that the correlation is significant when the confidence (bilateral) is 0.01.

2.2 典型植物群落土壤的分形維數(shù)

2.2.1 分形維數(shù)與粒徑分布的相關(guān)性 分形維數(shù)可以反映土壤的質(zhì)地均勻度[11-12]，可作為土壤質(zhì)地綜合性的定量化指標(biāo)。研究區(qū)典型植物群落下的土壤分形維數(shù)與黏粒含量的擬合方程的確定系數(shù)0.583，擬合效果與其他粒徑相比較好，且分形維數(shù)與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(表4)，與粗砂粒含量、砂粒含量和粉砂粒含量沒有顯著的相關(guān)性(P﹤0.01)，說明2 μm粒徑是決定研究區(qū)土壤分形維數(shù)與土壤粒徑關(guān)系的臨界粒徑。﹤2 μm粒徑的土壤顆粒體積百分含量越高，分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地均勻度越好，表征土壤結(jié)構(gòu)越緊實，土壤質(zhì)地粘重、通透性較差，﹥2 μm粒徑的土壤顆粒體積百分含量越高，分形維數(shù)越小，土壤質(zhì)地均勻度越差，表征土壤質(zhì)地相對松散，通透性較好。

2.2.2 分形維數(shù)在土層剖面的變化 從水平方向來看，不同植物群落土壤分形維數(shù)的比較(圖3)：蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落﹥鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落?？拷G洲的蘆葦+駱駝刺群落和蘆葦群落，土壤含水量較大，而靠近荒漠的檉柳群落和鹽節(jié)木群落，土壤含水量較少，植被覆蓋度：蘆葦群落﹥蘆葦駱駝刺群落，鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落，因此，可以初步推斷，影響不同植物群落下土壤粒度分形維數(shù)的因素首先是水分條件，土壤含水量越高，分形維數(shù)越大，其次是植被覆蓋度，同分布于靠近綠洲或靠近荒漠的土壤，植被覆蓋度越大，分形維數(shù)越大。從垂直方向來看，隨著土層加深，靠近綠洲的植物群落土壤分形維數(shù)波動幅度較大，靠近荒漠的植物群落土壤的分形維數(shù)變化幅度較小，而這可能是因為靠近綠洲的植物群落土壤受到一定程度的人為因素干擾。在0～20 cm的表層土壤，檉柳群落和蘆葦+駱駝刺群落的的分形維數(shù)呈減小趨勢，而鹽節(jié)木群落和蘆葦群落的分形維數(shù)呈增大趨勢，說明鹽節(jié)木群落和蘆葦群落的對表層土壤具有一定的改善作用。

2.3 典型植物群落土壤的粒度特征

研究區(qū)典型植物群落土壤的粒度特征總體上表現(xiàn)為：平均粒徑比較粗，分選性比較差，粗偏程度比較大，粒度比較分散。從水平方向來看：靠近綠洲的植物群落土壤平均粒徑較細，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的植物群落土壤則相反，原因可能是，由于綠洲的植物群落覆蓋度較大，地下水含量較高，有機制的含量較高，對土壤有較好的細化作用。典型植物群落土壤的粒度特征值在垂直方向上沒有明顯的變化規(guī)律，但在表層都有平均粒徑變粗、分選性變好的趨勢，這可能是由于研究區(qū)風(fēng)力較大，表層土壤遭到一定程度的風(fēng)蝕，細顆粒被風(fēng)吹走，而粗顆粒留下的原因。

圖3 不同植物群落土壤分形維數(shù)在土層剖面上的變化Fig.3 Variation of soil fractal dimension in soil profiles of different plant communities

圖4 不同植物群落粒度特征值差異Fig.4 Differences in grain size characteristics of different plant communities

平均粒徑。平均粒徑表征沉積物顆粒的粗細。典型植物群落土壤的平均粒徑的均值介于311.96～673.72 μm(圖4)。從水平方向來看，不同植物群落間土壤平均粒徑的比較：檉柳群落﹥鹽節(jié)木群落﹥蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落。從垂直方向來看，隨土層深度的增加，檉柳群落和鹽節(jié)木群落土壤平均粒徑波動較大，在0～20 cm土層4種典型植物群落的平均粒徑都呈變粗趨勢。

分選性。分選性反映土壤顆粒粗細的均勻程度，分選系數(shù)越小，土壤顆粒物的分選性越好。研究區(qū)典型植物群落土壤的分選系數(shù)平均值的變化范圍是3.03～4.83(圖4)，分選性處于比較差和極差之間。不同植物群落土壤的分選性比較：鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落﹥蘆葦+駱駝刺群落﹥蘆葦群落。從垂直方向來看：蘆葦群落土壤粒度的分選性波動最小，在0～20 cm土層，4種典型植物群落土壤分選性呈變好趨勢。

偏度。偏度反映土壤粒度分布的不對稱性，偏度系數(shù)為負值時，土壤顆粒為粗偏，偏度系數(shù)的值越小，粗偏程度越大。研究區(qū)典型植物群落土壤粒度的偏度系數(shù)平均值介于-0.57～-0.31之間(圖4)，說明研究區(qū)土壤屬于極粗偏。不同植物群落偏度系數(shù)比較：蘆葦+駱駝刺群落﹥蘆葦群落﹥鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落。從垂直方向來看，隨著土層深度的增加，蘆葦+駱駝刺群落土壤的偏度系數(shù)波動最小。

峰態(tài)。峰態(tài)描述分布形態(tài)的陡緩程度，也可以反映頻率曲線中粒度分布中的集中分散情況，峰度系數(shù)越大，峰態(tài)越尖窄粒度分布越集中。研究區(qū)典型植物群落土壤的峰度平均值介于0.75～1.06(圖4)，介于寬平峰到中等峰之間，說明粒度分布比較分散，各粒度級別的含量不突出。不同植物群落土壤粒度的峰度平均值的比較：鹽節(jié)木群落﹥檉柳群落﹥蘆葦群落﹥蘆葦+駱駝刺群落，這與土壤的分選性的比較表現(xiàn)完全一致。4種植物群落土壤粒度的峰度系數(shù)在垂直方向上都有較大的波動。

2.4 土壤粒度特征與粒級組成、分形維數(shù)之間的相關(guān)性分析

粒度特征值與粒徑分布的相關(guān)性(表5)，平均粒徑與粗砂粒、砂粒含量呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01，下同)與粉砂粒、黏粒含量呈極顯著的負相關(guān)；分選系數(shù)與粗砂粒、砂粒含量呈極顯著負相關(guān)，與粉砂粒含量、黏粒含量呈極顯著正相關(guān)，說明當(dāng)粗砂粒、砂粒含量越高，分選性越好，粉砂粒、黏粒含量越高時，分選性越差；偏度與粗砂粒含量呈極顯著負相關(guān)，與粉砂粒含量呈極顯著正相關(guān)；峰度與粗砂粒含量和砂粒含量呈極顯著的正相關(guān)，與粉砂粒含量呈極顯著的負相關(guān)，說明粗砂粒、砂粒含量越高，粒度分布越集中，粉砂粒含量越高則粒度越分散。分形維數(shù)與粒度特征值的相關(guān)性：分形維數(shù)與平均粒徑呈極顯著的負相關(guān)分選系數(shù)呈極顯著的正相關(guān)，與其它粒度特征值沒有顯著的相關(guān)性，說明平均粒徑越小，分選性越差時，分形維數(shù)越大。粒度特征值之間的相關(guān)性：平均粒徑與分選系數(shù)和偏度呈極顯著的負相關(guān)，與峰度呈極顯著的正相關(guān)；分選系數(shù)與偏度呈極顯著的正相關(guān)，與峰度呈極顯著的負相關(guān)，偏度與峰度呈極顯著的負相關(guān)。

表5 典型植物群落土壤粒度指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：**表示在置信度(雙側(cè))為0.01時，相關(guān)性是顯著的。

Note: ** indicates that the correlation is significant at a confidence level(bilateral) of 0.01.

3 討論與結(jié)論

研究區(qū)綠洲-荒漠過渡帶4種典型植物群落的土壤均以粗砂粒、砂粒和粉砂粒含量為主，含量之和大于95 %，黏粒含量較少，不足5 %。土壤的分形維數(shù)與黏粒含量呈顯著的正相關(guān)，與粗砂粒、砂粒和粉砂粒含量沒有明顯的相關(guān)性，土壤分形維數(shù)首先受到水分影響，其次受植被覆蓋度影響，植被覆蓋度越大，分形維數(shù)越大，反映土壤中的細顆粒愈多[13-14]。

粒度作為沉積物的一個基本特征，可以反映外界環(huán)境的變化特征。通過對粒度特征分析來進一步判斷土壤的發(fā)育程度與來源[15-16]。本文研究得出，由于受水分影響較大，靠近綠洲的植物群落土壤平均粒徑較細，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的植物群落土壤則相反，這與張凱等的結(jié)論相一致[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的平均粒徑與分選系數(shù)和偏度呈極顯著的負相關(guān)，與峰度呈極顯著的正相關(guān)；分選系數(shù)與偏度呈極顯著的正相關(guān)，與峰度呈極顯著的負相關(guān)，偏度與峰度呈極顯著的負相關(guān)。這與李萬娟[18]等人對新疆艾比湖周邊檉柳沙堆的土壤粒徑分析結(jié)果有所不同。通過分析認為，艾比湖周邊土壤顆粒以細顆粒為主，而渭-庫綠洲-荒漠過渡帶以粗顆粒為主，造成粒度特征值之間的相關(guān)性不同。通過以上研究，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地北緣渭-庫綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤粒度的粒級組成、土壤分形維數(shù)、土壤粒度特征存在一定的差異。

(1)該綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤以粗砂粒、砂粒和粉砂粒為主，不同土層之間以粗砂粒含量和粉砂粒含量波動頻率較大。

(2)典型植物群落土壤分形維數(shù)與黏粒含量顯著相關(guān)，靠近綠洲的蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落的分形維數(shù)明顯大于靠近荒漠的鹽節(jié)木群落和檉柳群落，且靠近綠洲的植物群落土壤分形維數(shù)在不同土層變化較大。

(3)研究區(qū)典型植物群落土壤平均粒徑較粗，分選性為比較差、極差，偏度為粗偏、極粗偏，峰態(tài)為寬平峰、中等峰?？拷G洲的蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落土壤平均粒徑較細，分選性較差，粗顆粒含量較少，粒度分布較分散，而靠近沙漠的檉柳群落和鹽節(jié)木群落土壤則相反。

(4)典型植物群落土壤不同粒徑含量與分形維數(shù)和粒度特征值之間存在一定的顯著相關(guān)性。

(5)蘆葦群落和蘆葦+駱駝刺群落對植物群落對整體土壤質(zhì)地有更好地改善作用，檉柳群落和鹽節(jié)木群落對表層土壤起到了較好的抗風(fēng)蝕作用。

經(jīng)過分析，影響塔里木盆地北緣綠洲-荒漠過渡帶典型植物群落土壤的粒徑分布、分形維數(shù)及粒度特征值的因素，首先是土壤水分含量，其次植被覆蓋度、風(fēng)蝕因素、有機質(zhì)含量以及人為因素等，后者造成的影響比較復(fù)雜。