准噶尔盆地南缘梭梭灌丛土壤颗粒分形特征及其与土壤养分的关系

准噶尔盆地南缘梭梭灌丛土壤颗粒分形特征及其与土壤养分的关系

土壤是由各种颗粒组成的多孔介质，具有不规则形状和类似的结构。土壤中不同粒径大小颗粒的组成和结构比例不仅能表示土壤的固、液、气三相比,而且是表征土壤的水分和养分持有性能的基本物理参数。近年来,运用各种分形模型计算土壤团聚体、颗粒和孔隙度的分形维数,以表征土壤质地、结构和侵蚀度,成为定量描述土壤物理结构特征的新方法。杨培岭等指出运用土壤分形维数不仅能够表征土壤粒径的大小组成,而且能反映质地的均一程度,可以作为反映土壤结构几何形体的重要参数。张世熔等根据前人的研究做了进一步推导,改进成土粒级重量百分含量、粒径与土粒表面分形维数的关系式,得到根据常规土壤颗粒组成测定结果计算土粒的分形维数的方法,表明土粒表面的分形维数是反映土粒组成或质地均匀程度的一个较好的指标。灌丛土壤资源局部聚集现象即“肥岛”现象是干旱\,半干旱区生态系统的常见现象,它是灌木适应其生境的一种生存机制,灌丛“肥岛”与灌木扩散之间存在正反馈效应,有利于灌木在生态系统中的存在。以往干旱区灌丛“肥岛”的研究多集中在沙漠化土地上的灌丛土壤水分、养分的变异上,Stubbs等证明了灌丛对土壤养分,水分的聚集作用和保护效应,揭示了灌丛“肥岛”的形成机制。而应用分形理论,分析灌丛“肥岛”变异特征,进而研究绿洲-沙漠过渡带的不同地带灌丛对土壤质地空间异质性的影响却鲜有报道。本文运用分形模型,分析绿洲-沙漠过渡带的梭梭灌丛地不同空间位置上土壤颗粒分形维数的变异,及其与土壤沙粒、粉粒、粘粒及土壤养分之间的关系,有利于了解绿洲-沙漠过渡带灌丛土壤性状的变化和空间分布格局,以及灌丛对土壤结构和养分的影响,对灌丛“肥岛”的形成机制及其在沙漠化过程中作用的研究具有重要意义,为梭梭种群植被恢复和生态环境治理提供科学依据。1材料和方法1.1降水量、蒸发量、双水面质、降水期及其季节变化1.2学习方法1.2.1样地与灌木选择2006年8月,在古尔班通古特沙漠南缘的荒漠植被上,以绿洲-沙漠过渡带为轴心设置一条南北向样带,在样带上选择沙漠腹地、沙漠边缘、轻度退化沙地、退耕还林地4个典型样地,每一样地内随机选择4棵梭梭灌木,作为4个重复,对选好的每株灌木分别于灌丛内、灌丛间(灌丛之间的空地)采土样,深度按0\_10cm,10\_20cm,20\_40cm采样。样品经自然风干,去除死根、枯落物和研磨过筛后,进行室内分析。1.2.2土壤中nn2)粒径分析。称取土样20g,加30%H2O2,在72℃下去除有机质,加4%的稀HCl去除CaCO3,再用去离子水淋洗至无HCl。最后采用马尔文激光粒度仪(Malvern2000)测定土壤粒径的体积百分比,其粒度测定范围为0.2～2000μm。粒度分级采用我国土壤质地分类标准。1.2.3土壤颗粒特征模型土壤粒径分布遵循自相似原理,由大于某一粒径Ri(Ri>Ri+1,i=1,2,3,…)的土粒构成的体积V(r>Ri)可由公式表出:V(r>Ri)=Cv[1−(Ri/λv)3−D](1)V(r>Ri)=Cv[1-(Ri/λv)3-D](1)式中:Ri是特征尺度;Cv、λv是描述颗粒形状、尺度的常数。当Ri=0时,(1)式变为计算全部土壤颗粒总体积VT,即V(r>Ri)=VT=Cv、。当Ri=Rmax(Rmax为最大粒径)时,λv=Rmax因此有:V(r>Ri)/VT=1−[Ri/Rmax]3−D(2)V(r>Ri)/VΤ=1-[Ri/Rmax]3-D(2)调整(2)式可得:V(r<Ri)/VT=[Ri/Rmax]3−D(3)V(r<Ri)/VΤ=[Ri/Rmax]3-D(3)土壤粒径体积分布的分形维数为V(r<Ri)/VT和[Ri/Rmax]的对数线性回归拟合方程的斜率(3-D)中的D。2结果与分析2.1不同粒径土粒的变化风蚀是绿洲-沙漠过渡带土壤侵蚀中不可忽视的重要因素之一,因风蚀而引起土壤细粒和营养物质吹蚀,土壤粗粒化是沙漠化威胁的核心问题。在此过程中土壤物理性状也发生了很大的变化。表1明显地反映出4个代表着绿洲-沙漠过渡带典型空间位置样地的土壤粒级分布呈梯度性变化。从中可看出,从绿洲到沙漠1～0.25mm的土壤颗粒体积百分比从0.4%增加到16%左右,1～0.25mm的土壤颗粒明显增加;而小于0.05mm的颗粒体积百分比从76.6%减少到3.5%,土壤的细粒组分明显递减。轻度退化沙地到沙漠腹地的土壤中粒级组成主要集中于0.25～0.05mm的细沙粒级,占80%以上,0.25～0.05mm的土壤粒径随轻度退化沙地—沙漠边缘\_沙漠腹地也呈递减趋势,沙漠腹地0.25～0.05mm的土壤粒径在0\_10cm、10\_20cm、20\_40cm的土层其体积百分比分别比轻度退化沙地的降低了5.2%、14.1%、10.5%;退耕还林地的土壤粒径主要集中在0.05～0.01mm,占40%以上,并且粒级分布较均匀。轻度退化沙地到沙漠腹地的粗沙组分显著增加,而极细沙及粉粒、粘粒组分显著降低。说明沙漠化过程中,干旱沙生植被区在风力的搬运作用下不仅是粘粒、粉粒的丧失,也包括0.25～0.05mm极细沙的吹蚀;退耕还林地与沙漠腹地相比,粉粒从3.49%提高到68.6%,粘粒从0.08%提高到7.99%,说明人工恢复植被可明显地降低风蚀程度,增加灌丛的截获能力,有效地改善土壤结构,也有利于“肥岛”效应的形成。由图1可以看出,退耕还林地与沙漠腹地相比,灌丛下0\_10cm的沙粒减少了69.9%,粉粒、粘粒分别增加了60.9%\,9.03%;10\_20cm的沙粒减少量和粉粒、粘粒的增加量分别是67.1%\,59.66%\,7.45%;20\_40cm的是74.2%\,67.1%\,7.1%。灌丛间的0\_10cm沙粒减少量和粉粒、粘粒的增加量分别是57.6%\,51.4%\,6.2%;10\_20cm的是61.7%\,55.7%\,6.05%;20\_40cm的是64.8%\,58.5%\,6.27%,灌丛下的粉粒和粘粒的增加量在不同层次都大于灌丛间的。由图1还可看出,不同粒径土粒的分布规律表现为灌丛下的粉粒、粘粒含量均大于灌丛间的,其中沙漠腹地灌丛下的表层土壤粉粒增加了1.23%,粘粒增加了0.06%;退耕还林地灌丛下土壤表层的粉粒增加了10.78%,粘粒增加了2.91%;在垂直剖面上土壤表层(0\_10cm)的土壤粉粒、粘粒大于下层的。粉粒、粘粒在灌丛下的表层土壤聚集,说明灌丛有效截获了风蚀过程中的粉粒、粘粒,凋落物等,并通过灌丛根系的生物作用等将其固定下来聚集在冠幅内,改善了灌木冠幅下的土壤结构,为灌木的生长提供了有益条件。2.2不同立地条件土壤养分含量的变化2.3土壤颗粒分维值土壤分形维数是反映土壤结构几何形体的重要参数。由表1可以看出,运用回归分析法,计算出土壤颗粒的分形维数,所得相关系数均在0.84以上,线性相关极显著(P<0.01)。从绿洲到沙漠土壤颗粒分形维数值呈递减的趋势,土壤颗粒分维值大小顺序为:沙漠腹地<沙漠边缘<轻度退化沙地<退耕还林地。由于沙漠化土壤1.00～0.05mm沙粒占绝对优势,而<0.05mm的粉粒、粘粒含量相对很低,所以分形维数均在2.0614以下,处于较低水平;而退耕还林地土壤颗粒粉粒、粘粒含量显著增加,沙粒减少且颗粒组成分布相对较均匀,所以分形维数都在2.5以上。由表3可见,沙漠腹地、沙漠边缘及退耕还林地的灌丛下土壤颗粒分形维数大于灌丛间的,特别是表层土壤(0\_10cm)的分形维数呈显著性差异,并且,土壤表层的分形维数大于下层的,表明灌木的截获作用、风力侵蚀程度以及人为因素造成了土壤的质地、结构以及其他物理性质的差异。2.4沙粒与粘粒>0.05mm的相关性土壤分形维数可以表征不同粒径的组成比例等土壤结构特征。图2可以表明,土壤颗粒分形维数与土壤粉粒(0.05～0.002mm)和粘粒(<0.002mm)均呈极显著正相关,与沙粒(>0.05mm)呈极显著负相关,并且与粘粒的相关性最好。由此得知,土壤沙粒含量越高,分形维数越小;粉粒和粘粒含量越高,分形维数越大。结合表2分析,沙漠腹地、沙漠边缘及退耕还林地的灌丛下土壤颗粒分形维数大于灌丛间的,且土壤表层的分形维数大于下层的,这和不同粒径土粒的实际分布规律相一致,说明分形维数是综合反映土壤粒径组成和分布的有效指标,能反映土壤的结构性状,表征土壤结构的变化特征。2.5土壤养分与土粒分形维数关系不同土壤颗粒的组成比例与土壤的养分吸附持有性能有密切的关系,一般粉粒、粘粒含量高的土壤,保肥能力较强。通过对土壤养分含量与土粒分形维数关系的分析,可以看出分形维数不但与土壤养分含量中的有机质、全氮、全磷呈极显著的正相关(P<0.01),而且与可被植物吸收利用的速效形态养分碱解氮、速效钾、速效磷等的含量有极显著的正相关关系(P<0.01)(图3)。说明土壤颗粒分形维数能客观地反映土壤肥力特征,在作为土壤肥力诊断指标等方面具有很好的应用潜力。3结果与讨论3.1“肥岛”效应在绿洲-沙漠过渡带,灌木有防风固沙、降风滞尘的重要作用,能有效截获和聚集微细尘埃、粘粒和粉粒及凋落物,使灌丛下土壤的粉粒、粘粒、有机质等明显高于灌丛间空地,从而增加灌丛下土壤的水分和养分含量,改善灌丛下的土壤结构,这是灌丛“肥岛”效应形成的可能机理之一。灌丛的根际分泌物对根际土壤的化学作用和根际微生物-灌丛根系-土壤的交互影响所产生的生物化学作用以及灌丛根系的物理穿插作用等对灌丛土壤物理化学形态的改变是“肥岛”效应形成的另一个重要因素。以上两个因素相互作用,使灌丛下土壤的肥力性状及结构明显地区别于灌丛间的土壤,形成所谓的“肥岛”效应,并且灌丛与“肥岛”相互促进有利于土壤的改良和土壤肥力的保护,改善了灌丛下的土壤和微气象条件。研究区风蚀作用强烈,灌丛下土壤养分的积累主要来自风力带来的风蚀物及凋落物,同时,灌木的根系作用以及微生物活动等作用也为土壤养分的富集和保护起了有利作用。以往的研究通常用土壤化学性状衡量“肥岛”效应的大小,如裴世芳等研究指出,灌丛下土壤的有机质、全氮、全磷、碱解氮等有明显的富集,表现出干旱\,半干旱地区典型的灌丛“肥岛”现象。但是,仅用化学指标衡量不同类型土壤或不同质地土壤所形成的“肥岛”效应是不全面的,不能系统地说明“肥岛”效应特征及其生物学意义,而研究表明,土壤颗粒分形维数与土壤粘粒、粉粒含量及土壤养分含量之间存在极显著的线性关系,能较好地表征干旱区土壤结构和养分及其变化趋势,且土壤颗粒分形维数值的大小差异体现了沙物质分布的区域差异性,因此,土壤颗粒分形维数可以作为评价干旱荒漠脆弱生态环境条件下土壤演变的一项综合性定量指标,可为沙漠化防治提供有益的参考。通过分析不同土壤分形维数的变化不但可以较为全面地揭示土壤分异变化规律和环境因素(风蚀)及生物因素(根系分泌物和微生物活动)的作用强度,而且也可揭示绿洲-沙漠过渡带土壤的演变趋势和土壤对环境变化的响应特点。3.2土壤颗粒分形维数和慢速磷含量的相关性研究表明,土壤颗粒分形维数不但与土壤全量养分含量中的有机质、全氮、全磷呈极显著的正相关(P<0.01),而且与可被植物吸收利用的速效形态养分碱解氮、速效钾、速效磷等的含量也有极显著的正相关关系(P<0.01),这与很多学者的研究结果相一致,说明土壤颗粒分形维数能客观地反映土壤肥力特征,在作为土壤肥力诊断指标等方面具有很好的应用潜力。然而,值得注意的是,虽然在土壤有机质较低的矿质土壤上,土粒分形维数和土壤各个肥力指标的关系是可信的,但是在有机质含量较高的有机