研究区位于内蒙古高原中部地带达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)东南部希拉穆仁草原(111°13'39″E,41°21'1″N),该区域属低山丘陵类型,地形低缓起伏,平均海拔高度1 600 m。中温带半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量为279.40 mm,主要集中在7—9月; 全年多风,年均风速4.50 m/s,年大风日数为63 d,风沙天气主要集中春冬两季,以北风和西北风为主。试验地风蚀和水蚀交替作用造成土壤板结和地表颗粒粗化,使希拉穆仁草原生态环境脆弱,该区域地带性土壤主要以栗钙土主,土壤质地较粗糙,多为砂质壤土。希拉穆仁镇地带性植被建群种植物为克氏针茅(Stipa krylovii),草地群落主要以羊草(Leymus chimensis)×克氏针茅,其他植物种有蒙古韭(Allium mongolicum)、银灰旋花(Convoloulus ammannii)、洽草(Koeleria glauca)、短花针茅(Stipa brevii)等多年生旱生草本等为主,呈典型荒漠草原特征^[19]。

试验于2018年8月上旬在希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持试验中心围封区域内进行,试验选择在坡向相同,地势平坦,坡度在2.5°～3.5°的围封区,采样区域东西长1.2 km南北宽1.0 km,沿东西布设4条长度为300 m的样线,每条样线间隔50 m,利用优势种变化情况及其他植物群落特征,在围封的采样区域设置35个样方,各样线布设3～10个1 m×1 m正方形植物样方。利用双向指示种分析法确定6种群落类型样地^[20]。在取样前一周天气良好,无大风和降水,采样时选取平整地面,在已确定的6块不同群落类型样地,利用环刀按照(0—5 cm,5—10 cm,10—20 cm,20—30 cm)土层进行土样采集,将5个样点的重复样混合后以四分法取对角线的土样150 g装入塑封袋进行室内试验。

土壤样品烘干处理后利用土壤筛去除直径大于3.50 mm的粗物质颗粒和植物根系,利用粒度测定分析仪器自带软件的用户分级功能依据美国制土壤粒径分级标准^[21],将土壤样品按粒径划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂(0.05～0.1 mm)、细砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1 mm)、极粗砂(1～0.2 mm)和砂石(>2 mm)。取筛选后的土样(5.00±0.005)g置于烧杯中,加入45.00 ml蒸馏水充分浸没样品,滴入1～2滴浓度为30%H₂O₂溶液。静置24h后去除土壤中的有机质,待烧杯中无气泡产时,进行加热,使过剩的H₂O₂完全挥发反应。冷却后加入纯净水的同时滴入1 ～2 ml浓度为10%的HCL溶液,溶解样品中碳酸盐物质,再次静置24 h,测试样品中的pH值,待样品pH值呈中性后启动激光粒度分析仪(Mastersizer 3000型,英国),测定前先进行半小时的预热,加入适量样品于仪器中进行试验测定^[22]。

土壤颗粒分形维数计算参考杨培岭等^[23]利用土壤颗粒粒径的不同分布表征的土壤分形模型。即

(d_i^-/d_max^-)^3-D=W(δ<d_i^-)/W₀(1)

式中:d_i^-为土壤颗粒d_i^-与d_i+1间粒径的平均值; d_max^-为最大粒级土壤颗粒的平均直径; D为土壤颗粒分形维数值; W(δ<d_i^-)为小于d_i的累积土粒质量; W₀为土壤各粒级质量的总和; δ为码尺。

以lg(d_i^-/d_max^-)、lg[W(δ<d_i^-)/W₀]为横、纵坐标后进行线性拟合,拟合后得到的直线的斜率为式中的3-D,进而得出土壤分形维数D值。

土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重等参数采用环刀法测定,土壤含水量利用烘干法进行测定^[24],并计算一定土层深度内的饱和蓄水量、吸持蓄水量和滞留蓄水量^[25]。

通过土壤分形维数的计算得知,分形维数与土壤颗粒各粒级组分间呈一定关系。为确定土壤颗粒分形维数与各粒级含量的关系,对分形维数与黏粒、粉粒、极细砂、细砂、中砂、粗砂、极粗砂和砾石进行相关性分析。由图1可知,6种不同群落的土壤分形维数与各粒级颗粒大小、含量存在一定关系,土壤颗粒分形维数与粉粒、极细砂的百分含量呈极显著正相关关系,其中粉粒的百分含量与土壤颗粒分形维数的相关系数最大,为0.960,表明粉砂的百分含量对土壤颗粒分形维数的影响极显著,极细砂百分含量与土壤颗粒分形维数的相关系数为0.555。与细砂的百分含量呈负相关关系,系数为0.020,与中砂、粗砂和极粗砂的百分含量的相关性不大,说明粉砂和极细砂含量越高,土壤颗粒分形维数越大。

图1 土壤颗粒分形维数与各粒径土壤颗粒百分含量相关关系

运用Origin 9.0软件对粉砂(X₁)、极细砂(X₂)、细砂(X₃)、中砂(X₄)、粗砂(X₅)和极粗砂(X₆)的百分含量与土壤颗粒分形维数进行了多元逐步回归分析,目的是剔除各变量之间共线性的影响,关系式如式(2)所示。

D=2.226+0.010X₁+0.001X₂-0.007X₃(2)

经过分析,可以认为决定该地区土壤颗粒分形维数大小的主要是粉砂、极细砂和细砂的百分含量。

由表1可知,6种不同群落土壤颗粒分形维数在0—30 cm 采样深度存在差异,6种不同群落类型的土壤分形维数以克氏针茅类型样地0—5 cm土层2.890为最大值,以克氏针茅类型样地20—30 cm土层2.329为最小值。在垂直结构上,土壤颗粒分形维数随采样深度的变化整体呈不同程度的线性下降趋势,变幅分别为:蒙古韭(0.150)、银灰旋花(0.060)、克氏针茅(0.210)、羊草(0.130)、洽草(0.210)、短花针茅(0.190)。地表(0—30 cm)的平均土壤分形维数介于2.518～2.780,土壤平均分形维数依次表现为:克氏针茅(2.750)>短花针茅(2.735)>洽草(2.680)>银灰旋花(2.678)>蒙古韭(2.575)>羊草(2.570)。

表1 土壤颗粒分形维数与植被类型及采样深度的关系

土壤颗粒分形维数与土壤总孔隙度(r=0.731,p<0.01)、毛管孔隙度(r=0.788,p<0.01)、均呈显著正相关,与土壤容重呈负相关(p<0.01),相关系数为0.163(图2)。表明土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度状况存在一定关系,其中土壤总孔隙度、毛管孔隙度与土壤分形维数的关系最明显,其次是土壤容重,但土壤颗粒分形维数对非毛管孔隙度大小的反映程度不高。表明6种不同群落类型下土壤总孔隙度、毛管孔隙度越大,土壤颗粒分形维数越大。在垂直结构上总体土壤孔隙度呈现随土层深度增加而减小的趋势。

由图3可知,土壤颗粒分形维数与土壤饱和蓄水量、吸持蓄水量呈显著正相关(p<0.01),相关系数为0.812,0.846,与滞留蓄水量的性关性不显著(r=0.346,p>0.05)。可见土壤颗粒分形维数对土壤蓄水状况的反映程度存在差异,其中反映程度最大的是吸持蓄水量,其次是饱和蓄水量。表明吸持蓄水量和饱和蓄水量越大,土壤颗粒分形维数越大,但土壤颗粒分形维数难以反映滞留蓄水量的大小。

土壤颗粒机械组成与分形维数的关系,不仅与其成土母质、土壤质地、物理化学风化过程等有关,不同植被类型、土地利用方式对土壤颗粒分形维数也存在一定影响^[26-27]。通过土壤颗粒分形维数与各粒径土壤颗粒百分含量相关性分析与回归分析(图1)可知,研究区土壤颗粒分形维数D值与粉砂、极细砂的百分含量呈极显著正相关关系(p<0.01),其中土壤颗粒分形维数与粉砂的百分含量之间相关系数最大,为0.960。与细砂的百分含量呈负相关关系,相关系数为-0.020,与中砂、粗砂和极粗砂的百分含量的相关关系不显著。这表明粉砂、极细砂含量越高,土壤颗粒的分形维数值越大,反之越小。这一研究结果与众多研究土壤分形维数与粉砂含量关系的结果相一致^[28],而与部分研究关于土壤分形维数与粉砂关系的结果有所不同^[29]。根据土壤颗粒分形维数计算过程得知,分形维数在6种不同群落的线性拟合分析方程的R²为0.019 8～0.960 3,说明分形维数拟合效果能反映土壤粒径分布情况。根据学者对土壤细颗粒含量与土壤退化的关系的研究,结合本研究土壤颗粒分形维数与土壤颗粒机械组成之间相关性,也能说明土壤颗粒分形维数可作为指示土壤退化的一个重要指标。

图2 土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度的相关性

图3 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水量的相关性

结构较为良好的土壤容重通常为1.25～1.35 g/cm³,相应的土壤总孔隙度一般为40%～50%^[31]。该地区土壤容重在1.28～2.14 g/cm³,总孔隙度为34.63%～50.17%。一般来讲,土壤颗粒分形维数越高,土壤质地细颗粒物质越多,通透性越差,分形维数值越低,则土壤结构越松散^[32]。但在近自然恢复状态下围封的荒漠草原区域内呈现相反的规律,土壤颗粒分形维数与总孔隙度、毛管孔隙度呈显著正相关,与土壤容重呈负相关,与非毛管孔隙度相关性不显著。表明围封区内,土壤孔隙度越大,通气透水性能越好,对应分形维数越高,规律不一致主要与该地区土壤中粗颗粒物质较细颗粒物质相对较高、分形维数总体相对较低有关,即土壤颗粒分形维数随土壤颗粒机械组成、粒径含量的不同与土壤的松散程度、通气性表现出阈值效应^[25]。

土壤颗粒分形维数在某种程度上可以表明土壤的蓄水性能,其中饱和蓄水量为吸持蓄水量和滞留蓄水量的总和,可以较好地反映植被减少地表径流和防止土壤发生侵蚀的功能,而吸持蓄水量又称为毛管持水量,滞留蓄水程为非毛管蓄水,主要反映植被的水源涵养功能^[24-25]。土壤蓄水性能的差异主要与土壤孔隙的大小有关,近自然恢复状态下荒漠草原的土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量、吸持蓄水量呈显著正相关(p<0.01),与滞留蓄水量相关性不显著。表明群落类型不同,土壤颗粒分形维数对土壤蓄水性能表现出一定的差异。土壤颗粒中粉砂、极细砂含量越高的分形维数相对较高,粉砂、极细砂含量高的土壤在改善土壤通气、透水性能的同时,增强土壤毛管孔隙度利于土壤团聚体的形成,提高水分子的吸附力,进而增强土壤的持水性能。从土壤颗粒分形及其蓄水性能特征来看,该地区6种群落改良土壤特性及蓄水功能表现为克氏针茅、短花针茅和洽草群落优于其他3种群落。