马剑平，王 飞,2*，郭树江,3，纪永福,3，张莹花，张裕年,2，张卫星，宋达成

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)，甘肃 武威 733000；3.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 民勤 733300)

土壤是植物生长发育的基础物质，土壤粒径分布是重要的土壤物理参数，能够反映土壤风化成土、退化过程及侵蚀程度[1]，与土壤水分[2]、结构[3-4]、肥力状况[5-6]关系密切，进一步影响着土壤水分、养分截留与转运、植被生产力和生态恢复过程[7-8]。土壤是由不同大小、形状的固体颗粒物构成的多孔介质，具有分形特征[9]。B.B.Mandelbort et al[10]提出分形理论，随着分形理论的发展，该理论在土壤学研究中得到广泛应用。相关研究表明[11-13]，分形维数能够反映土壤物理性质，海拔、植物群落、土壤pH、水分等因素与土壤粒径分布有关。

灌丛沙堆的发育过程是植被与荒漠环境相互作用的过程[14]，是我国干旱荒漠区特有地貌类型，在民勤绿洲-荒漠过渡带分布广泛。白刺(Nitrariatangutorum)是超旱生植物，耐风沙、抗盐碱，具有超强的适应能力，由于其易分枝、耐沙埋、枝条沙埋后易着生不定根等诸多特性，因此常常形成大小不等的白刺灌丛沙堆。石羊河下游民勤绿洲外围形成了我国干旱区独具特色的以白刺灌丛沙堆与丘间地相间分布的景观格局，对维护该区的生态平衡发挥着重要的作用。随着白刺灌丛沙堆的演替发展，土壤结构会有较大差异，但关于不同演替阶段白刺灌丛沙堆土壤粒径分布及其分形维数特征与土壤理化性质的相互关系的研究较少。鉴于此，以民勤白刺灌丛沙堆为对象，利用野外调查与室内试验相结合的方法，开展白刺灌丛沙堆演替过程中(发育阶段、稳定阶段、衰退阶段、严重衰退阶段)土壤粒度组成、土壤分形维数、土壤理化性质的研究，探析白刺灌丛沙堆演替过程中土壤粒径分布及分形特征与土壤理化性质的相互关系，以期为干旱荒漠区植被恢复可持续性提供理论和数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验研究区设在民勤绿洲-荒漠过渡带，位于巴丹吉林沙漠东南缘(38°34′-39°38′N，102°53′-102°58′E)，属于典型的干旱荒漠地区，海拔高度1 376～1 383 m。该区属于温带大陆性干旱气候，降水量少，多年平均降水量115.2 mm，集中于7-9月；多年平均蒸发量2 419.6 mm，是降水量的21倍；多年平均气温为7.7 ℃；热量资源充足，日照时间长，年平均日照时数达2 832.1 h；风大沙多，年平均风速2.5 m·s-1；土壤类型以风沙土为主；现有的植被主要包括天然和人工2种类型，主要的植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺、沙拐枣(Calligonummongolicum)、盐生草(Halogetonglomeratus)、猪毛菜(Salsolacollina)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。

1.2 试验设计与方法

选择白刺灌丛沙堆集中分布地带，根据野外实地调查和已有的划分标准[15]，结合白刺灌丛沙堆形态、土壤及植被状况，选择4个不同演替阶段白刺灌丛沙堆为研究对象，主要包括发育阶段、稳定阶段、衰退阶段、严重衰退阶段，每个演替阶段沙堆的大小、植被生长状况、风积状况相对一致，以减小试验误差，每个演替阶段3次重复。对样地内白刺灌丛沙堆高度、长度以及植被、土壤状况进行调查(表1)。

表1 白刺灌丛沙堆形态、植被及土壤特征

1.2.1 土壤样品采集 于2019年夏季在不同演化阶段白刺灌丛沙堆顶部的中心位置采集土样，将土层共划分为4个层次：0～10、10～20、20～40、40～60 cm，分别采集2份土壤样品，一份用于土壤含水量测定；另一份装入自封袋，带回实验室，测定土壤粒度及养分含量。

1.2.2 指标测定 采集的土壤在室内自然风干后分成2部分：一部分用于土壤粒度测定；另一部分用于土壤理化性质的测定。土壤粒度用马尔文激光粒度仪Malvern Mastersizer 2000测定，各粒级含量以体积百分含量表示。试验结果以美国制土壤粒径分级标准输出：黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)、极细砂(50～100 μm)、细砂(100～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)和极粗砂(1 000～2 000 μm)。分形维数采用土壤粒度体积含量数据进行计算，即获取土壤粒度体积分形维数D[16]：

(1)

式中：r是粒径；Ri表征粒径划分中第i级粒径；V(r

共测定了6个土壤因子。具体测定方法如下：采用烘干法测定土壤含水量(%)；采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[18]土壤有机质含量(%)；采用半微量凯氏法测定[18]土壤全N含量(%)；采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定[18]土壤速效P含量(mg·100 g-1)；采用电导仪法测定[19]土壤电导率μS；采用电极法测定[19]土壤pH。

1.3 数据分析

用SPSS19.0软件对试验数据进行统计与分析。用单因素(One-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析与多重比较，回归分析进行线性拟合，用Pearson法对各指标间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 白刺灌丛沙堆演替过程中土壤粒度特征

由表2可知，民勤干旱荒漠区发育阶段白刺灌丛沙堆土壤以细砂含量最高，为54.79%，其次为中砂，为19.30%；其他3种演替阶段白刺灌丛沙堆土壤以细砂和极细砂为主，分别为46.71%～64.06%和17.70%～36.29%。经方差分析，除极粗砂外，不同演替阶段白刺灌丛沙堆土壤各粒级含量差异极显著(P<0.01)。黏粒、粉粒、极细砂含量在0～60 cm土层衰退阶段>严重衰退阶段>稳定阶段>发育阶段，发育阶段黏粒、极细砂含量显著(P<0.05)低于其他演替阶段；细砂含量在0～60 cm土层稳定阶段>严重衰退阶段>发育阶段>衰退阶段，差异极显著(P<0.01)，其中稳定阶段细砂含量显著(P<0.05)高于发育与衰退阶段；中砂含量在0～60 cm土层发育阶段>稳定阶段>衰退阶段>严重衰退阶段，发育阶段中砂含量显著(P<0.05)高于其他演替阶段；粗砂含量在0～60 cm土层发育阶段>衰退阶段>严重衰退阶段>稳定阶段，差异显著(P<0.05)，其中发育阶段粗砂含量显著(P<0.05)高于严重衰退阶段与稳定阶段；极粗砂含量在0～60 cm土层不同演替阶段差异不显著(P>0.05)。综上所述，随着白刺灌丛沙堆不断演替发展，黏粒、粉粒、极细砂含量逐渐增多，到严重衰退阶段降低；细砂含量从发育阶段到稳定阶段呈升高趋势，稳定阶段达到最大，随后呈下降趋势；中砂、粗砂、极粗砂含量整体呈降低趋势，发育阶段含量最高。

表2 白刺灌丛沙堆土壤粒度组成

发育阶段、稳定阶段白刺灌丛沙堆土壤各粒级在不同土层之间差异不显著(P>0.05)；衰退阶段0～10 cm土层黏粒、极细砂含量显著(P<0.05)高于40～60 cm土层，而40～60 cm土层中砂、粗砂含量显著(P<0.05)高于0～10 cm土层；严重衰退阶段0～10 cm土层黏粒、粉粒含量显著(P<0.05)高于其他土层，而40～60 cm土层细砂含量显著(P<0.05)高于0～40 cm土层。

4个演替阶段土壤分形维数变化范围为1.665～2.242，随着白刺灌丛沙堆的演替，分形维数呈先升高后降低趋势，衰退阶段达到最大，发育阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤分形维数显著(P<0.05)低于其他3个演替阶段，其他3个演替阶段差异不显著(P>0.05)。同时，4个演替阶段中表层0～10 cm分形维数高于其他土层。

2.2 土壤粒度分形维数与粒径分布的关系

由表3可知，除细砂、粗砂、极粗砂以外，土壤分形维数与其他粒级颗粒百分含量间呈一定的线性关系。分形维数与黏粒、粉粒、极细砂、中砂的拟合程度均较好，决定系数介于0.573～0.783，且分形维数与黏粒、粉粒、极细砂呈极显著正相关(P<0.01)，表明土壤中细颗粒物质越多，分形维数值越大；与中砂呈极显著负相关(P<0.01)，即土壤中砂粒含量越高，分形维数值越小。

表3 分形维数与各参数间线性拟合关系

2.3 不同演替阶段白刺灌丛沙堆土壤理化性质

由表4可知，不同演替阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤含水量随土层增加整体呈增加趋势。经方差分析，衰退阶段白刺灌丛沙堆土壤含水量显著(P<0.05)高于发育、严重衰退阶段，与稳定阶段差异不显著(P>0.05)。不同演替阶段白刺灌丛沙堆土壤有机质、全氮、速效磷含量均表现出随土层增加而降低的趋势，其表层(0～10 cm)含量最大，表聚性明显。经方差分析，4个演替阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤有机质、全氮、速效磷含量差异显著(P<0.05)，变化规律为衰退阶段>严重衰退阶段>稳定阶段>发育阶段，其中衰退阶段显著(P<0.05)高于稳定、发育阶段，与严重衰退阶段差异不显著(P>0.05)，而稳定与发育阶段差异不显著(P>0.05)。4个演替阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤电导率差异不显著(P>0.05)，变化规律为衰退阶段>严重衰退阶段>稳定阶段>发育阶段，其中衰退阶段显著(P<0.05)高于发育阶段。4个演替阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤pH差异显著(P<0.05)，变化规律与其他指标相反，发育阶段显著(P<0.05)高于衰退阶段。4个演替阶段白刺灌丛沙堆不同土层有机质、速效磷、pH差异不显著(P>0.05)；发育、稳定、衰退阶段白刺灌丛沙堆不同土层全氮含量、电导率差异不显著(P>0.05)，而严重衰退阶段表层(0～10 cm)显著(P<0.05)高于其他土层。

表4 白刺灌丛沙堆土壤理化性质

2.4 土壤理化性质、土壤粒度组成及分形维数间的相关关系

由表5可知，黏粒、粉粒及极细砂含量与有机质、全N、速效P含量呈极显著正相关(P<0.01)，且与含水量、电导率、pH值的相关性不显著(P>0.05)；细砂含量与有机质、全N含量呈极显著负相关(P<0.01)，与pH值呈极显著正相关(P<0.01)；中砂含量与有机质、全N含量呈极显著负相关(P<0.01)，与速效P含量呈显著负相关(P<0.05)；粗砂含量与全N含量呈显著负相关(P<0.05)；极粗砂含量与各指标之间相关性不显著(P>0.05)。分形维数与有机质、全N含量呈极显著正相关(P<0.01)，与速效P含量呈显著正相关(P<0.05)。综合分析表明，白刺灌丛沙堆土壤粒度的形成受到土壤有机质、全N、速效P及pH的影响较大(P<0.05)。

表5 土壤理化性质与土壤粒度组成、分形维数间的相关关系

3 结论与讨论

3.1 结论

民勤白刺灌丛发育阶段沙堆土壤以细砂(54.79%)含量最高，其次为中砂(19.30%)；其他3种演替阶段白刺灌丛沙堆土壤以细砂和极细砂为主，分别为46.71%～64.06%和17.70%～36.29%，随着白刺灌丛沙堆的演替，土壤细颗粒呈先增加后降低的趋势，衰退阶段土壤黏粒、粉粒、极细砂含量最高。分形维数与黏粒、粉粒、极细砂呈极显著正相关(P<0.01)，与中砂呈极显著负相关(P<0.01)，表明黏粉粒、极细砂含量越多，土壤分形维数越高。土壤分形维数与土壤养分之间存在显著相关性，因此可以用分形维数来反映土壤质地及肥力状况。白刺灌丛沙堆充分发挥了防风固沙作用以及对土壤的保育功能，有利于改善土壤结构和肥力，为荒漠生态系统的恢复和重建提供物质保障。

3.2 讨论

3.2.1 白刺灌丛沙堆演替过程中土壤粒度组成与分形维数 土壤颗粒组成受母质特征及环境变化的影响[20]，在一定程度上决定土壤的基本性状。民勤荒漠-绿洲过渡带生态环境脆弱，近年来，由于土壤水分收支不平衡导致白刺沙堆退化[21]。本研究中，白刺灌丛沙堆在演替过程中，土壤粒度组成仍以细砂为主，除极粗砂外，不同演替阶段白刺灌丛沙堆土壤各粒级含量差异极显著(P<0.01)。其中从发育阶段到稳定阶段粒度组成变化最大，除粉粒与极粗砂外，其他土壤各粒级含量存在显著差异(P<0.05)，表现为：白刺灌丛沙堆稳定后，黏粒、极细砂、细砂含量增加，中砂与粗砂含量降低。到衰退阶段，黏粒、粉粒、极细砂含量增加，细砂与中砂含量降低，但粗砂与极粗砂含量升高，与稳定阶段相比，黏粒、粉粒增加显著，细砂显著降低(P<0.05)。严重衰退阶段，白刺灌丛沙堆活化，黏粒、粉粒、极细砂含量降低，砂粒含量增加。本研究中，白刺灌丛沙堆处衰退阶段时，黏粒、粉粒含量相对较高，砂粒含量降低，主要是因为该阶段处于白刺灌丛沙堆衰退初期，与稳定阶段相比，白刺存在一定的枯枝率，但是覆盖度仍较高，以及沙堆表层结皮较厚、坚固，有效地减弱了风力对灌丛沙堆土壤黏粒、粉粒的吹蚀。从整个土层垂直剖面来看，发育、稳定阶段白刺灌丛沙堆土壤黏粒、粉粒含量表现为“高-低-高”，衰退阶段与严重衰退阶段表现为“高-低”。

土壤粒度分形维数能够反映土壤颗粒分布及质地的均匀程度[22-23]，一般来说土壤分形维数越大，土壤抗侵蚀能力越强[24]。本研究中，4个演替阶段土壤分形维数变化范围为1.665～2.242，发育阶段白刺灌丛沙堆0～60 cm土壤分形维数显著(P<0.05)低于其他3个演替阶段，其他3个演替阶段差异不显著(P>0.05)，说明白刺灌丛沙堆对土壤分形维数的影响较大，发育阶段白刺灌丛沙堆植被覆盖度相对较低，风蚀严重，土壤黏粉粒被风蚀。结果表明，分形维数与黏粒、粉粒、极细砂呈极显著正相关(P<0.01)，与中砂呈极显著负相关(P<0.01)，表明土壤粒度分形维数较好地反映了白刺灌丛沙堆的颗粒粗细状况，且分形维数随着黏粒、粉粒与极细砂含量的增加而增大，随着中砂含量的增加而减小。因此，土壤分形维数在一定程度上能够反映土壤粒径的分布状况和土壤质地的均匀程度，并作为判断土壤质地差异的重要指标。

3.2.2 分形维数与土壤颗粒组成与理化性质的关系 土壤颗粒组成影响土壤养分的供应与植物的生长发育。土壤养分含量主要与土壤细颗粒含量有关，即土壤细颗粒物质的含量更能够反映土壤质量水平[25]。本研究发现，黏粒、粉粒及极细砂含量与有机质、全N、速效P含量呈极显著正相关(P<0.01)；细砂含量与有机质、全N含量呈极显著负相关(P<0.01)，与pH值呈极显著正相关(P<0.01)；中砂含量与有机质、全N含量呈极显著负相关(P<0.01)，与速效P含量呈显著负相关(P<0.05)；粗砂含量与全N含量呈显著负相关(P<0.05)；极粗砂含量与各指标之间相关性不显著(P>0.05)。这表明，土壤黏粒、粉粒及极细砂含量与土壤养分含量密切相关，这与前人的研究结果相一致[25]。本研究中，分形维数与有机质、全N含量呈极显著正相关(P<0.01)，与速效P含量呈显著正相关(P<0.05)，同时分形维数与黏粒、粉粒、极细砂呈极显著正相关(P<0.01)，表明土壤颗粒组成特征、分形维数和养分含量三者之间密切相关，土壤中细颗粒含量增多有利于土壤养分的积累，在一定程度上土壤分形维数可以作为土壤质量演变的评价指标。土壤分形维数与含水量、pH间均无显著相关性(P>0.05)，这与罗雅曦等[26]的研究结果相一致，说明土壤颗粒大小不是土壤含水量与pH值变化的主要影响因素。土壤分形维数与电导率无显著相关性(P>0.05)，这与蒋嘉瑜[27]的研究结果一致，可能与研究区恶劣的自然环境状况有关，使盐碱程度受土壤颗粒组成影响比较小。