毛乌素沙地油蒿植冠下表层土壤粒径特征分析

张军红 ，徐义萍，王文鑫 ，何 季 ，彭炜峰

（1.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160；2.西南大学 资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；3.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025）

地处农牧业交错带的毛乌素沙地是我国北方重要的生态屏障，油蒿群落是毛乌素沙地最主要的群落类型。油蒿以其耐干旱、耐沙埋、抗风蚀、易繁殖的特征，在维持毛乌素沙地生态系统稳定中起着重要作用[1]。在毛乌素沙地，油蒿群落的演替经历着一个不断循环的过程：流动沙地先锋物种阶段—半固定沙地稀疏阶段—固定沙地建成阶段—退化的流动沙地[2]。油蒿群落防风固沙的能力与其演替阶段密切相关，已有的研究表明：随着油蒿群落由先锋物种阶段向半固定阶段、固定阶段的演替，群落中生物结皮（Biological soil crusts, BSCs）开始逐渐发育并日益成为沙地固定的重要标志之一，生物结皮的发育能有效阻止地表风蚀[3-4]。生物结皮是由苔藓、地衣、藻类、细菌、真菌等低等生物与土壤颗粒相互作用，在土壤表层形成的一层复杂的有机复合体[5]。受油蒿植株形态结构与当地盛行风向（西北方向）等因素影响，油蒿植株冠幅下生物结皮的发育在不同方向、距植株根部不同距离处存在差异[6]，油蒿群落的不同演替阶段及油蒿植冠下生物结皮发育程度不同，表层土壤理化性质也存在较大的差异[7-8]。通常情况下土壤养分含量随土层深度的增加而降低，土壤养分的“表聚”现象在养分贫瘠地区更为显著，与上层植被的关系也更为密切[9]。

土壤颗粒作为土壤结构的基本单元，与土壤养分间存在密切关系[10]，在一定程度上决定了土壤的结构和性质，并间接影响着土壤的水分特征、肥力状况及抗侵蚀能力等[11]。土壤微团聚体分形维数是反映土壤微团粒结构几何形状的参数，通常表现为粘粒含量越高，其分形维数越高，小粒级微团聚体有助于土壤养分离子的吸附和保存，大粒级微团聚体则有助于土壤养分的解析供应[12]。土壤微团聚体状况与土壤的抗侵蚀能力密切相关，目前关于毛乌素沙地土壤理化性质的研究较多，但是对油蒿群落生物结皮层发育的表层土壤粒径特征的研究较少[13]，本研究拟通过分析毛乌素沙地油蒿植冠下生物结皮层发育的表层土壤粒径特征，探讨油蒿植冠下的微环境特征，毛乌素沙地油蒿群落的恢复重建及沙地的科学管理提供参考。

1 研究区概况

毛乌素沙地位于我国北方农牧业交错带，行政区划上处于内蒙古自治区、陕西省和宁夏回族自治区交界地带，总面积约4万km2，属于温带半干旱大陆性季风气候，西北部以农牧业为主，东南部部分草地被开垦为农田，畜牧业与农业并存。研究区位于毛乌素沙地腹地的鄂尔多斯市乌审旗陶利镇，海拔约1 200 m，年均降水量300～350 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的60%～70%，降水量年际变化大，多雨年的降水量为少雨年的2～4倍；年均蒸发量1 800～2 500 mm。土壤为风沙土，地表物质疏松，沙源物质丰富，加之当地风大且频，风沙活动强烈。植被以稀疏、低矮的沙生植物为主，油蒿是沙地最主要的建群植物，油蒿群落生物结皮分布广泛，固定沙地生物结皮盖度大于80%[14]。

2 研究方法

2015年8月，在研究区油蒿群落固定沙地随机选取12株壮龄油蒿植株，所选植株相对独立（与临近植株间距≥1.5 m，以避免其他植株对采样产生影响），以油蒿植株根部位置为中心点，测量每株油蒿的高度及与当地盛行风向（西北方向）平行和垂直的4个方向（东南、东北、西南、西北）上的冠幅半径，测量油蒿冠幅下东南、东北、西南、西北4个方向上的生物结皮分布半径；以油蒿植株根部为中心，在上述4个方向上，分别取油蒿植冠下面距油蒿植株根部10 cm、20 cm、40 cm、60 cm处生物结皮发育的表层土壤样品（0～5 cm），每个采样点重复3次取样，混合均匀后带回实验室，经自然风干处理后取部分原状土过80目筛，除去土样中的植物残体及杂物，经研磨处理后，用重络酸钾容量法测定土壤有机质含量，用半微量开氏法测定土壤全氮；另取部分原状土用激光粒度仪（Mastersize 2000；Malvern Instruments Ltd.）分析土壤颗粒组成。根据土壤粒径的大小，将土壤微团聚体分为5个级别，分别是：0.2～2 mm、0.05～ 0.2 mm、0.02～ 0.05 mm、0.002～0.02 mm、＜ 0.002 mm，计算土壤分形维数，土壤分形维数的计算方法采用杨培玲等[15]推导的公式：

式中：di是第i个粒级土粒的平均直径； dmax是最大粒级土粒的平均直径；D 是土壤颗粒表面的分形维数；δ是表示测量土粒直径大小的码尺；W(δ＜di) 是土粒直径小于di累积的质量；W0是全部各粒级土粒的重量。将式（1）取对数，线性化后代入颗粒组成分析数据，即可求得土壤颗粒的分形维数。用Excel 2010，SPSS 19.0 软件对相关数据进行处理、分析及制图。

3 结果与分析

3.1 油蒿植冠及植冠下生物结皮分布基本特征

调查的12株油蒿平均高度71.6 cm，平均植冠半径东南方向最长，为69.1 cm，西北方向最短，为59.2 cm，东北和西南方向植冠半径略小于东南方向，均显著大于西北方向。油蒿植冠下生物结皮分布半径以东南方向最长，均值为88.6 cm，西北方向最短，为64.3 cm，东北和西南方向均值分布为77.5 cm 和 78.9 cm，均显著大于西北方向。

3.2 油蒿植冠下表层土壤理化性质基本特征

油蒿植冠下表层土壤机械组成以砂粒为主（表1），占总数的81.51%，其次是粉粒，占16.66%，粘粒含量最少，占1.83%；有机质平均含量4.52 g/kg，总氮平均含量0.19 g/kg。距植株根部10 cm处，东南方向砂粒含量最低，为81.75%，显著低于西北方向，粉粒和粘粒含量均最高，分别为13.28%和1.60%；西北方向砂粒含量显著高于其他3个方向；粉粒显著低于其他3个方向，粘粒含量西北方西最低，与其他方向上差异不显著；东北、西南两个方向上3种颗粒含量均介于东南、西北两个方向之间；有机质和总氮含量也以东南方向最高，不同方向间差异均不显著。距植株根部20 cm处，砂粒含量西北方向最高，东南方向最低，不同方向间差异不显著；粉粒含量东南方向最高，为17.80%，西北方向最低，为14.08%，不同方向间无显著差异，粘粒含量西北方向显著低于其他3个方向；有机质和总氮含量东南方向最高，分别为5.66 g/kg和0.22 g/kg，不同方向间差异不显著。距植株根部40 cm处，砂粒含量西北方向最高，为82.73%，显著高于东北、东南方向，东南方向最低，为76.34%；粉粒、粘粒含量均表现为东南方向最高，西北方向最低，差异显著；有机质和总氮含量东南方向最高，分别为2.49 g/kg、0.22 g/kg，有机质东南方向显著高于西北方向。距植株根部60 cm处，砂粒含量西北方向最高，为89.91%，显著高于其他3个方向，东南方向最低，为77.27%；粉粒和粘粒含量均是西北方向显著低于其他3个方向，有机质和总氮含量东南方向最高，分别为4.59 g/kg、0.21 g/kg，西北方向最低，分别为3.75 g/kg、0.17 g/kg，不同方向间差异不显著。

表1 油蒿植冠下表层土壤的基本理化性质†Table 1 Surface soil physical and chemical properties under the canopy of Artemisia ordosica

4个方向上砂粒含量均呈现随距植株根部距离增加逐渐下降的趋势，以东南和东北方向最为显著，下降的回归方程分别为：y=-1.751x+83.32(R2=0.78)、y=-1.410x+84.015(R2=0.97)。4个 方 向上粉粒含量均呈现随距植株根部距离的增加而增加的趋势，以东南、东北方向上最为显著，回归方程分别为：y=1.634x + 14.98 (R2=0.79)、y=1.272x+14.475 (R2=0.97)。4个方向上粘粒含量呈现随距植株根部距离的增加而增加的趋势，以东北、东南两个方向上最为显著，回归方程分别为：y=0.141x+1.505(R2=0.96)、y=0.118x+1.70(R2=0.61)。4个方向上有机质和总氮含量均呈现出随距植株根部距离的增加而降低的现象，有机质以西南、东南两个方向上最为显著，回归方程分别为：y=-0.222x+4.940(R2=0.74)、y=-0.306x+6.125(R2=0.59)，总氮以东南方向下降最为显著，回归方程分别为：y=-0.009x+0.245(R2=0.85)。

3.3 油蒿植冠下表层土壤颗粒分形特征及其影响因素

油蒿植冠下不同方向距植株根部不同距离处表层土壤微团聚体组成及分形维数见表2。

表2 油蒿植冠下表层土壤微团聚体组成及分形维数†Table 2 Composition and fractal dimension of surface soil micro–aggregates under the canopy of Artemisia ordosica

距油蒿植株根部10 cm处，东南方向0.2～ 2 mm 团聚体含量显著低于西北方向（P＜0.05），东北、西南方向值介于前两者之间，且与两者均无显著差异；0.05～0.2 mm、0.02～0.05 mm、＜ 0.002 mm级别的微团聚体含量西南方向最高，西北方向含量最低，不同方向间差异不显著；分形维数大小顺序是：东南＞西南＞东北＞西北。距油蒿植株根部20 cm处，0.2～2 mm团聚体含量显西北方向最低、东北方向最高，4个方向上均无显著差异；0.05～0.2 mm级别的微团聚体含量东南方向最高，西北方向含量最低，两者之间者差异显著；0.02～0.05 mm微团聚体含量东南方向最高，东北方向最低，不同方向上差异不显著， 0.002～0.02 mm微团聚体含量西南方向最高，不同方向间无显著差异，＜ 0.002 mm微团聚体含量西南方向显著高于东北方向；20 cm处土壤分形维数大小顺序是：西南＞西北＞东南＞东北。距油蒿植株根部40 cm处，西南方向0.2～2 mm 团聚体含量显著高于东南方向；0.05～0.2 mm、0.02～0.05 mm 2个级别的微团聚体含量均是东南方向最高，西南方向含量最低，差异显著；0.002～0.02 mm微团聚体含量西北方向最高，东北方向最低；＜0.002 mm 微团聚体含量东南、西北两个方向显著高于西南方向；分形维数大小顺序是：西北＞东南＞东北＞西南。距油蒿植株根部60 cm处，西北方向0.2～2 mm 团聚体含量显高于其他3个方向；0.05～ 0.2 mm、0.02～ 0.05 mm、0.002～0.02 mm 3个级别的微团聚体含量均是东北方向最高，西北方向最低，差异显著；＜ 0.002 mm微团聚体含量西北方向显著高于西南方向；分形维数大小顺序是：西北＞东北＞东南＞西南。

回归分析表明：油蒿植冠下表层土壤分形维数与砂粒含量呈负相关关系、与粉粒含量呈正相关关系，但是相关性均不显著（P＞0.05）。表层土壤分形维数与粘粒含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与土壤有机质、总氮含量显著负相关。油蒿植冠下表层土壤分形维数与土壤理化性质的相关关系见表3。

表3 油蒿植冠下表层土壤分形维数与土壤理化性质的关系Table 3 Relationship between fractal dimension and physical and chemical properties of surface soil under the canopy of Artemisia ordosica

4 结论与讨论

（1）研究区土壤机械组成以砂粒为主，所占比例超过80%，而粘粒含量极低，约占总质量的1.83%，与之对应的是生物结皮发育的表层土壤养分含量也较低，有机质平均含量4.52 g/kg，总氮平均含量0.19 g/kg，充分反映了研究区风沙土贫瘠、沙源物质丰富的特征。研究区除夏季外，其他3个季节主导风向均为西北风，导致油蒿植株形态与结构出现方向上差异，表现为西北方向植冠半径及郁闭度明显低于其他3个方向[8]。由于油蒿植株形态近似以根部为中心的半球体，植冠半径的差异，导致其抗风蚀、富集调落物的能力也不相同，从而影响到油蒿植冠下表层土壤理化性质[6]。本研究发现油蒿植冠下砂粒、粉粒、粘粒及有机质含量在不同方向、同一方向不同距离处均存在一定的差异，这种差异表明油蒿植株形态结构对植冠下微环境存在不可忽略的影响[16]。

（2）油蒿植冠下不同方向、不同距离处土壤颗粒分形维数介于1.694至1.876之间，相关系数均大于0.9，结果与贾晓红等[17]在腾格里沙漠测得的土壤颗粒分形维数一致，但是明显低于种植土、森林土壤的数值[18]。已有的研究发现：土壤颗粒分形特征可以定量表征土壤颗粒大小、数量及分布均匀度，对评价不同土地利用方式及土壤生态环境变化有重要的指导意义。本研究中，砂粒含量与土壤分析维数呈负相关，粉粒、粘粒含量与土壤分维呈正相关，只有粘粒含量与分形维数相关性显著，研究结果再次证明，粘粒含量越高，分形维数越大[19]。土壤颗粒分形维数除了能表征土粒直径的大小和质地组成均匀程度外，还能表征土壤理化性质的变化趋势，毛乌素沙地油蒿植冠下生物结皮层土壤分形维数与有机质、总氮含量均呈负相关关系，与杨婷等[11]的研究结论一致，说明油蒿植冠下养分的分布与粘粒的分布存在不一致性，油蒿植冠的特殊结构特征导致植冠下调落物的分布近似以植株根部为中心向外递减[6]，油蒿植冠下有机质和总氮的分布与掉落物的分布一致。

毛乌素沙地是我国北方重要的生态屏障，油蒿作为毛乌素沙地最重要的建群种之一，油蒿群落生物结皮分布广泛，生物结皮的发育能有效阻止地表风蚀[4]，研究油蒿植冠下生物结皮发育的表层土壤粒径分形特征及其影响因素，对于深入了解油蒿群落的抗风蚀能力具有一定的指导意义，有助于毛乌素沙地油蒿群落的恢复重建及当地制定合理的农牧利用策略。

本研究是针对固定沙地油蒿植冠下表层土壤展开的，而在毛乌素沙地，流动沙地上存在点状分布的油蒿植株（植株群），固定沙地上的油蒿植株群落随着植被盖度的增加，土壤水分竞争日益剧烈，呈现出植株老化、群落退化、植被盖度降低，甚至退化至半固定、流动沙地阶段[2]。因此，为了更好的了解毛乌素沙地油蒿群落整个演替阶段土壤特征变化，今后的研究应充分考虑油蒿群落不同演替阶段间的差异。

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