全 文 ：江河源区高寒草甸退化序列土壤粒径分布
及其分形维数*
魏茂宏摇 林慧龙**
(草地农业生态系统国家重点实验室 /兰州大学草地农业科技学院, 兰州 730020)
摘摇 要摇 江河源区高寒草甸退化日益严重,恢复治理已进行了大量工作,但收效甚微,主要是
对退化机理认识不清.为阐明退化草地的形成机制,本文以江河源区高寒草甸为对象,分析退
化序列土壤粒径的分布特征、分形维数,以及分形维数与土壤侵蚀模数的关系.结果表明: 随
着高寒草甸退化加剧,土壤的黏粒百分含量呈增加趋势,粉砂和极细砂呈减小趋势;退化序列
土壤粒径分形维数与黏粒百分含量呈显著正相关,与极细砂和粉砂呈显著负相关;各粒级土
壤侵蚀模数与分形维数呈二次函数关系,分形维数 2. 81 为土壤侵蚀发生的阈值.以土壤粒径
分形维数 2. 81 作为草地恢复指标,选择使分形维数小于 2. 81 的相应措施,是恢复退化草地
的有力保证.
关键词摇 江河源摇 高寒草甸摇 退化序列摇 土壤粒径摇 分形维数
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0679-08摇 中图分类号摇 Q14; S15摇 文献标识码摇 A
Soil particle size distribution and its fractal dimension among degradation sequences of the
alpine meadow in the source region of the Yangtze and Yellow River, Qinghai鄄Tibetan Pla鄄
teau, China. WEI Mao鄄hong, LIN Hui鄄long (State Key Laboratory of Grassland Agro鄄ecosystems /
College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(3): 679-686.
Abstract: The alpine meadow in the source region of the Yangtze and Yellow River is suffering seri鄄
ous deterioration. Though great efforts have been put into, the restoration for the degraded grassland
is far from being effective, mainly due to poor understanding of the degradation mechanism of alpine
meadow in this region. In order to clarify the formation mechanism of degradation grassland and pro鄄
vide the new ideas for restoration, degradation sequences of the alpine meadow in the source region
of the Yangtze and Yellow River were taken as target systems to analyze the soil particle size distri鄄
bution, the fractal dimension of the soil particle size, and the relationship between soil erosion mo鄄
dulus and fractal dimension. The results showed that, with increasing grassland degradation, the
percentage contents of clay increased while the percentage contents of silt sand and very fine sand
showed a decreasing trend. The fractal dimension presented a positive correlation with clay among
the degradation sequences while negative correlations were found with very fine sand and silt sand.
The curvilinear regression of fractal dimension and erosion modulus fitted a quadratic function.
Judged by the function, fractal dimension 2. 81 was the threshold value of soil erosion. The thre鄄
shold value has an indicative meaning on predicting the breakout of grazing鄄induced erosion and on
restoration of the degraded grassland. Taking fractal dimension of 2. 81 as the restoration indicator,
adoption of corresponding measures to make fractal dimension less than 2. 81, would an effective
way to restore the degradation grassland.
Key words: source region of the Yangtze and Yellow River; alpine meadow; degradation se鄄
quences; soil particle size distribution; fractal dimension.
*国家自然科学基金项目(31172250)和“十二五冶国家科技支撑计划项目(2012BAC01B02鄄3)资助.
**通讯作者. E鄄mail: linhuilong@ lzu. edu. cn
2013鄄04鄄25 收稿,2013鄄12鄄22 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 679-686
摇 摇 江河源区被誉为“中华水塔冶,区域内富含有机
质的土壤对我国甚至全球的碳源汇管理和生态安全
起着举足轻重的作用[1] .高寒草甸是江河源区草地
的主体部分[2],据 2004 年统计,高寒草甸占江河源
区草地面积的 67. 0% [3] .近年来,由于过渡放牧,高
寒草甸 “黑土滩冶退化面积预计已达 2. 13 伊 106
hm2[4],且仍在迅速扩大[5] . 在草地退化过程中,土
壤质地发生改变,蓄水、保水能力变差,有机质减少,
同时伴随着大量土壤流失;而土壤的流失又进一步
加速了草地退化[6],从而形成恶性循环. 该现象严
重制约着江河源区草地畜牧业发展,甚至威胁到源
区的生态安全.
近年来,针对退化草地的恢复治理,科研工作者
相继开展了很多研究,并对恢复治理提出不同的观
点.为快速恢复植被,并在短期内提高草地生产力,
许多研究倡导重建草地群落,即在退化草地上建植
人工和半人工草地[4,7] . 但是研究表明,重建几年
后,草地上人工植被的优势将不存在,草地再次沦为
“黑土滩冶,结果比重建前还要差[8-9] .出现这种现象
的根本原因是对草地退化机理认识不清. 草地退化
多以植被退化为表征,土壤作为草地的支持系统,其
退化是一个缓慢的过程,在草地退化初期体现并不
明显[10],因此草地生态系统中的土壤侵蚀并没有得
到应有的关注[11] .目前对于土壤侵蚀的研究主要集
中在传统农耕区[12-13],而对草原土壤尤其是青藏高
原土壤侵蚀的研究较少. 鉴于江河源区高寒草甸在
我国草地生态系统中的重要性,开展对该区退化序
列土壤特征的研究,对于我国草地退化防治及生态
安全的保护具有重要的指导意义.
土壤由母质风化而成的细小固体颗粒组成,土
壤颗粒具有自相似性[14-15] .分形理论对于描述土壤
颗粒特征具有独特优势,因此被广泛应用于定量描
述土壤结构特征[16-17] . 137Cs是大气核试验产生的人
工放射性核素,从大气沉降到地面的137Cs 很快被表
土中的有机和无机组分强烈吸附,137Cs 在土壤中的
重新分布由土壤侵蚀或沉积、土壤耕作等物理过程
引起[18],因此可用137Cs示踪法简便而准确地测定土
壤的侵蚀状况.笔者对江河源区高寒草甸退化序列
土壤粒径的分布特征进行了研究,利用分形理论分
析退化序列各粒级土壤粒径分形维数,并用137Cs 示
踪法测定土壤侵蚀模数,分析分形维数与土壤侵蚀
模数的关系,以期为阐明退化草地的形成机制提供
依据,并对其恢复治理提供新思路.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究地点位于三江源腹地青海省果洛藏族自治
州玛沁县大武镇的高寒草甸试验站(34毅27忆28义—
34毅27忆 54义 N, 100毅 12忆 43义—100毅 12忆 09义 E),海拔
3767 ~ 3783 m.该地区为典型的高原寒冷气候,年均
气温-3. 9 益,>0 益年积温 914. 3 益,最冷月(1 月)
平均气温-12. 6 益,最热月(7 月)平均气温 9. 7 益;
多年年均降水量 459. 2 mm,其中 6—9 月降水量约
占全年降水量的 75. 0% ,年均蒸发量 2471. 6 mm;
年日照时数约 2576 h,太阳辐射强,昼夜温差大;牧
草生长期在 110 ~ 130 d. 土壤类型以高山草甸土为
主,土层厚度 30 ~ 60 cm,母质以坡积物、残积物为
主[19-20] .原生植被类型为以高山嵩草(Kobresia pyg鄄
maea)和矮生嵩草(Kobresia humilis)为建群种的高
寒嵩草草甸.
1郾 2摇 试验设计
采用以空间代替时间的研究方法,根据马玉寿
等[7]对“黑土滩冶退化草地的分级标准,在试验区范
围内选择 4 种典型样地,分为极度、重度、中度退化
草地和原生草地(对照). 4 种典型样地沿海拔梯度
分为高坡、亚高坡、中坡、亚低坡和低坡草地.根据草
地退化程度和海拔,研究区共计 20 类样地(表 1).
1郾 2郾 1 退化序列土壤粒径的测定摇 在研究区退化序
列不同坡段放置样线(表 1),每一类样地随机选择
3 个样点采集土样,共计 60 个土样. 取样时采集土
壤剖面全样,取样深度为 0 ~ 30 cm. 将采集的土样
带回室内阴干,过 2 mm 筛,去根. 称取 0. 35 g 风干
土样放入50 mL烧杯中,加入30郾 0%的过氧化氢
图 1摇 研究区及样地的地理位置
Fig. 1摇 Locations of the study area and sample plots.
086 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 研究样地的基本概况
Table 1摇 Description of sample plots
样地类型
Sample plot
type
坡 位
Slope position
地理坐标
Geographical
coordinate
海拔
Altitude
(m)
样地特征
Characteristics of sample plot
未退化草甸
Non鄄degraded meadow
高坡
High slope
34毅27忆42义 N,100毅12忆02义 E 3872 以嵩草(Kobresia myosuroides)为优势种,杂
草较少,总盖度在 80% ~95% ,基本无秃斑
亚高坡
Sub鄄high slope
34毅27忆46义 N,100毅12忆04义 E 3820
中坡
Middle slope
34毅27忆52义 N,100毅12忆08义 E 3781
亚低坡
Sub鄄low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3769
低坡
Low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3758
中度退化草甸
Moderately degraded
高坡
High slope
34毅27忆42义 N,100毅12忆02义 E 3870 嵩草属植物较多,总盖度在 60% ~ 75% ,其
他植被有:黄帚橐吾(Ligularia virgaurea)、鹅
绒委陵菜(Potentilla anserina)和甘肃马先蒿
(Pedicularis kansuensis)等
meadow 亚高坡
Sub鄄high slope
34毅27忆46义 N,100毅12忆04义 E 3820
中坡
Middle slope
34毅27忆52义 N,100毅12忆08义 E 3785
亚低坡
Sub鄄low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3776
低坡
Low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3763
重度退化草甸
heavily degraded
高坡
High slope
34毅27忆42义 N,100毅12忆02义 E 3870 以杂类草为主,毒草比例较大,总盖度为
40% ~ 50% ,植被优势种为:冷蒿(Artemisia
frigida)、白苞筋骨草(Ajuga lupulina)、铁棒
锤(Aconitum pendulum)、乳白香青(Anaphalis
lactea)、狼毒(Stellera chamaejasme)和摩苓草
(Morina coulteriana)等
meadow 亚高坡
Sub鄄high slope
34毅27忆46义 N,100毅12忆04义 E 3820
中坡
Middle slope
34毅27忆52义 N,100毅12忆08义 E 3790
亚低坡
Sub鄄low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3763
低坡
Low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3754
极度退化草甸
Extremely degraded
高坡
High slope
34毅27忆42义 N,100毅12忆02义 E 3867 秃斑几近连通,约 90%的草毡表层被剥蚀,
心土裸露,土壤粗骨性强
meadow 亚高坡
Sub鄄high slope
34毅27忆46义 N,100毅12忆04义 E 3820
中坡
Middle slope
34毅27忆52义 N,100毅12忆08义 E 3781
亚低坡
Sub鄄low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3776
低坡
Low slope
34毅27忆54义 N,100毅12忆10义 E 3748
(H2O2),在 72 益条件下去除有机质,直至无气泡产
生,加盐酸(HCl)去除碳酸盐,加蒸馏水稀释,静置
24 h,去除上清液. 再加入 5 mL 0. 5 mol · L-1
(NaPO3) 6分散土样,超声 5 min 后测定土壤颗粒体
积分数曲线. 采用 Malvern Mastersizer 2000 激光粒
度分析仪(英国 Malvern 公司)测定土壤粒径分布,
测量范围为 0. 02 ~ 2000 滋m,重复测量误差<2% .
土壤粒度分级采用美国农业部(USDA)分类系
统[21],将粒径分为:极粗砂(1 ~2 mm)、粗砂(0. 50 ~1
mm)、中砂 (0. 25 ~ 0. 50 mm)、细砂 (0. 10 ~ 0郾 25
mm)、极细砂(0. 05 ~ 0. 10 mm)、粉砂(0. 02 ~ 0郾 05
mm)和黏粒(<0. 02 mm)7个等级.
1郾 2郾 2 退化序列土壤粒径分形维数计算摇 土壤颗粒
累积质量分布与平均粒径的分形关系式[14,22]为:
W(啄 < di)
W0
= (
di
dmax
) 3-D (1)
式中:啄为土壤颗粒的粒径变量;di 为两筛分粒级 di
和 di+1间粒径的平均值;W( 啄颗粒累计质量;W0 为土壤各粒级质量的总和;dmax为
最大粒级土粒的平均直径;D 为分形维数.从式(1)
可知,土壤粒径分形维数值为 0 ~ 3.
运用式(1),由土壤机械组成数据求取土壤粒
径分形维数.土壤机械组成一般用质量百分含量表
示,此时,W0 =100,则有:
W(啄di
d
æ
è
ç
ö
ø
÷
max
3-D
(2)
1863 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 魏茂宏等: 江河源区高寒草甸退化序列土壤粒径分布及其分形维数摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
lgW(啄di
dmax
)具有线性关系,采用最小
二乘法进行直线拟合,直线斜率为 3-D,由此得到土
壤粒径分形维数 D.
1郾 2郾 3 退化序列土壤侵蚀模数的测定摇 在研究区退
化序列不同坡段放置样线(表 1),每一类样地选取
典型样点采集土样,共计 20 个土样. 取样采集土壤
剖面全样,取样深度为 0 ~ 30 cm. 将所取土样去除
草根石子等杂物后,装入体积 450 cm3的样品盒中.
样品经风干后,研磨、过 2 mm 筛,进一步剔除大颗
粒草根,装入上述样品盒中供137Cs 含量测定,平均
土壤质量为 363. 05 g,在中国科学院兰州近代物理
研究所核结构实验室用 酌谱仪进行测试. 137Cs 的含
量用 661. 6 Kev 酌射线的全峰面积计算,酌谱仪由美
国 EG&G ORTEC 公司探测效率为 40. 0%的 GEM鄄
40220D型高纯锗(HPGe)酌探测器和配以多道缓冲
器 MCA919 的微机数据获取系统组成,整套谱仪对
60Co的 1332郾 5 Kev 的能量分辨率为 2. 89 Kev
(FWHM),峰康比为 50 颐 1. 仪器具有良好的稳定
性,道漂<1 道 /月,重复测量相对误差>6. 0% ,样品
测试时间为 34497 ~ 43200 s.
137Cs本底值以李元寿等[6]在青海省果洛藏族自
治州南部测得的本底值 3795. 23 Bq·m-2为标准.
采用 Lowrance 等[23]建立的以137Cs 为主要因子
的土壤侵蚀模型.其中,侵蚀量为负值表示发生了沉
积,侵蚀量为正值表示发生了侵蚀.公式如下:
S=(Z-D)伊103 / (N-1954) / Wu
式中:S 为每年的土壤侵蚀量( t·m-2·a-1 );Z 为
137Cs本底值(Bq·m-2);D 为侵蚀点土壤的137Cs 总
量(Bq·m-2);Wu为侵蚀区域土壤的当前137Cs平均
活度(Bq·kg-1)(图 2);N为采样年份.
图 2摇 海拔 3790 m重度退化区的137Cs活度峰值
Fig. 2摇 137Cs activity peak of the heavily degraded meadow at an
altitude of 3790 m.
A: 通道 Channel: 1625,能量 Energy: 812. 5,计数 Count: 22; B: 通
道 Channel: 1638,能量 Energy: 819. 0,计数 Count: 565; C: 通道
Channel: 1651,能量 Energy: 825. 5,计数 Count: 36.
1郾 3摇 数据处理
采用 Microsoft Office Excel 2007 软件完成曲线
的回归分析,采用 SPSS 16. 0 软件完成数据的相关
性分析和单因素方差分析,各处理差异显著性检验
用 Dancan检验,显著性水平设定为 琢=0. 05.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 高寒草甸退化序列土壤粒径结构分布
由表 2 可以看出,样地土壤颗粒机械组成主要
为极细砂、粉砂和黏粒,含量分别为 4. 0% ~
23郾 1% 、9. 4% ~ 31. 4%和 33. 8% ~ 80. 6% .随着退
化加剧,各样地黏粒的组成百分比呈增加趋势,极细
砂和粉砂的百分含量均呈减小趋势.各样地土壤粒径
百分含量组成比率表现为:未退化区极细砂 颐 粉砂 颐
黏粒为 1 颐 1. 56 颐 2. 38,中度退化区为 1 颐 1. 62 颐
3郾 22,重度退化区为 1 颐 1. 09 颐 4. 91,极度退化区为
1 颐 1. 99 颐 12. 39.与未退化区相比,极度退化区、重
度退化区和中度退化区的黏粒含量分别增加了
74郾 2% 、38. 0% 和 16. 9% ;粉砂含量分别减少了
57郾 2% 、53. 4% 和 10. 3% ;极细砂含量减少了
66郾 5% 、33郾 1%和 13. 4% .
相关分析结果显示,极细砂、粉砂和黏粒含量与
海拔无显著相关性.
2郾 2摇 高寒草甸退化序列各粒径土壤百分含量与分
形维数的关系
相关分析结果表明,分形维数与黏粒呈显著正
相关(R = 0. 956),与极细砂(R = -0. 890)和粉砂
(R= -0. 777)呈显著负相关,与细砂的相关性不高
(R= -0. 530),与极粗砂、粗砂和中砂无相关性. 单
因素方差分析结果表明,粉砂和黏粒随分形维数变
化差异显著,其余粒径的差异均不显著,各样地土壤
粒径差异显著性见图 3.其中,极细砂和粉砂随分形
维数递减,而黏粒随分形维数递增.
2郾 3摇 分形维数与土壤侵蚀模数的关系
2郾 3郾 1 退化序列土壤侵蚀模数分布摇 由表 3 可以看
出,退化序列土壤侵蚀模数分布为:极度退化区>重
度退化区>中度退化区>未退化区.极度退化区土壤
抗侵蚀能力极弱,总侵蚀模数分别是重度退化区、中
度退化区和未退化区的 12、13 和 18 倍.各退化区在
不同坡面上的侵蚀状况表现不同,其中,极度退化区
在海拔 3867 m的侵蚀模数最大,海拔 3781 m 的侵
蚀模数最小,平均侵蚀模数为 20305. 97 t·km-2·
a-1 ,总体表现为侵蚀;重度退化区在海拔3763 m
286 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 高寒草甸退化序列土壤粒径分布及其分形维数
Table 2摇 Soil particle size distribution and fractal dimension among degradation sequences of alpine meadow (mean依SE)
退化序列
Degradation
sequence
海拔
Altitude
(m)
土壤颗粒组成百分含量 Percentage content of soil particle composition (% )
极粗砂
Very coarse
sand
(2 ~ 1 mm)
粗砂
Coarse sand
(1 ~
0. 5 mm)
中砂
Medium sand
(0. 5 ~
0. 25 mm)
细砂
Fine sand
(0. 25 ~
0. 1 mm)
极细砂
Very fine sand
(0. 1 ~
0. 05 mm)
粉砂
Silt sand
(0. 05 ~
0. 02 mm)
黏粒
Clay
(< 0. 02
mm)
分形维数
Fractal
dimension
极度退化 3748 0 0. 17依0. 04 0. 93依0. 15 2. 36依0. 30 6. 55依0. 26 12. 11依0. 93 77. 88依0. 93 2. 95依0. 01
Extreme 3776 0 0. 46依0. 26 1. 78依1. 05 2. 55依0. 63 6. 26依0. 93 11. 84依2. 91 77. 11依3. 46 2. 91依0. 02
degradation 3781 0 1. 86依0. 56 3. 26依0. 55 4. 82依1. 07 7. 63依1. 92 10. 63依0. 79 71. 99依4. 78 2. 90依0. 01
3820 0 0 0 1. 25依0. 26 6. 12依0. 90 13. 44依1. 63 79. 19依2. 47 2. 93依0. 04
3867 0 0 0 0. 52依0. 16 4. 65依2. 15 14. 24依3. 59 80. 59依5. 85 2. 92依0. 02
重度退化 3750 1. 70依0. 56 5. 74依0. 78 4. 6依0. 23 5. 49依0. 49 8. 88依1. 39 9. 42依0. 62 64. 17依3. 61 2. 85依0. 01
Heavy 3763 2. 53依1. 82 3. 35依1. 76 1. 21依0. 61 8. 23依0. 89 19. 08依5. 74 16. 59依4. 59 49. 01依7. 54 2. 81依0. 03
degradation 3790 0 1. 38依0. 35 2. 15依0. 72 8. 82依1. 62 15. 54依2. 44 12. 93依1. 13 59. 19依3. 92 2. 85依0. 01
3820 0. 16依0. 12 2. 95依0. 78 2. 78依0. 45 5. 91依1. 12 14. 85依0. 60 16. 10依0. 63 57. 25依0. 97 2. 87依0. 02
3870 0 1. 11依0. 33 2. 93依0. 92 2. 34依0. 27 4. 00依0. 40 12. 84依0. 51 76. 79依1. 51 2. 87依0. 01
中度退化 3763 0 0. 34依0. 04 0. 92依0. 11 4. 40依0. 38 16. 86依2. 15 21. 80依2. 29 55. 68依4. 96 2. 84依0. 02
Moderate 3776 0 0. 88依0. 44 1. 14依0. 61 3. 98依0. 19 19. 16依0. 41 25. 78依0. 68 49. 06依1. 18 2. 81依0. 00
degradation 3785 0. 16依0. 16 1. 57依0. 52 1. 79依0. 13 3. 30依0. 83 15. 38依1. 00 26. 29依0. 85 51. 51依1. 47 2. 82依0. 01
3820 0. 12依0. 10 1. 94依0. 80 1. 94依0. 18 3. 34依0. 22 14. 69依0. 61 27. 69依0. 75 50. 28依1. 05 2. 81依0. 00
3870 0 0. 53依0. 53 0. 66依0. 66 2. 30依0. 72 14. 57依1. 20 29. 04依0. 36 52. 90依2. 68 2. 82依0. 01
未退化 3758 0. 36依0. 36 1. 26依0. 36 3. 66依0. 59 9. 63依0. 76 23. 11依1. 25 28. 21依0. 87 33. 78依2. 43 2. 72依0. 01
Non鄄 3769 0. 03依0. 03 1. 97依0. 74 2. 57依0. 74 4. 94依0. 71 18. 96依0. 38 27. 71依1. 07 43. 83依2. 63 2. 78依0. 01
degradation 3781 0 0. 97依0. 51 2. 35依1. 21 4. 98依1. 16 16. 50依1. 48 27. 02依2. 14 48. 17依1. 57 2. 81依0. 01
3820 0. 37依0. 37 0. 80依0. 80 0. 56依0. 56 2. 93依0. 27 18. 55依0. 99 31. 44依0. 87 45. 35依1. 20 2. 79依0. 00
3870 0 0 0 1. 94依0. 15 16. 02依0. 36 31. 17依0. 40 50. 87依0. 71 2. 82依0. 00
表 3摇 高寒草甸退化序列土壤侵蚀模数
Table 3 摇 Soil erosion modulus among degradation se鄄
quences
退化序列
Degradation sequence
海拔
Altitude
(m)
土壤侵蚀模数
Soil erosion
modulus
( t·km-2·a-1)
极度退化 3748 24669. 20
Extreme degradation 3776 17357. 87
3781 11669. 83
3820 19120. 98
3867 28711. 98
重度退化 3750 382. 81
Heavy degradation 3763 5012. 42
3790 1363. 74
3820 395. 98
3870 1074. 31
中度退化 3763 -1613. 71
Moderate degradation 3776 1467. 42
3785 3098. 38
3820 1609. 73
3870 1568. 90
未退化 3758 -1548. 03
Non鄄degradation 3769 -187. 22
3781 691. 69
3820 2126. 64
3872 2615. 10
的侵蚀模数最大,在海拔 3750 m 的侵蚀模数最小,
平均侵蚀模数为 1647. 65 t·km-2·a-1,总体表现为
侵蚀;中度退化区在海拔 3785 m 的侵蚀模数最大,
在海拔 3776 m的侵蚀模数最小,在海拔 3763 m 处
发生沉积,平均侵蚀模数为 1936. 10 t·km-2·a-1;
未退化区在海拔 3872 m 的侵蚀模数最大,在海拔
3781 m的侵蚀模数最小,在海拔 3769 m 和 3758 m
发生沉积,总沉积量为 1735. 25 t·km-2·a-1,平均
侵蚀模数为 1811. 14 t·km-2·a-1 .
相关分析表明,海拔与土壤侵蚀模数之间无显
著相关性.
2郾 3郾 2 分形维数与土壤侵蚀模数的关系摇 相关分析
表明,分形维数和土壤侵蚀模数呈显著正相关(R =
0. 798). 单因素方差分析表明,土壤侵蚀模数随分
形维数变化差异显著.曲线回归结果表明,随着分形
维数增大,土壤侵蚀模数呈二次函数形式变化:分形
维数<2. 74,随分形维数增大,土壤侵蚀模数减小;
分形维数在2. 74 ~ 2. 81,土壤侵蚀模数<0;分形维
数>2. 81,随分形维数增大,土壤侵蚀模数呈指数增
大(图 4).
3863 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 魏茂宏等: 江河源区高寒草甸退化序列土壤粒径分布及其分形维数摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 土壤粒径百分含量与分形维数的关系
Fig. 3摇 Relationships between percentage content of soil particle
size and fractal dimension (mean依SE).
图 4摇 分形维数与土壤侵蚀模数的关系
Fig. 4摇 Relationship between fractal dimension and soil erosion
modulus.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 草地退化程度与土壤颗粒粒径的关系
土壤提供植物生活必需的养分和水分,是植物
生活的基质,其粒径组成决定养分和水分的贮存和
转运.江河源区草地利用以放牧为主,土壤粒径组成
有其自身特点.近年来,海拔对土壤粒径的影响所占
的比例逐渐减少,过度放牧所占的比例逐渐增大,并
成为土壤粒径变化的主要因素.首先,在放牧持续践
踏作用下,植物地上部分组织被破坏,在失去光合作
用组织后,植物因物质能量循环中断而死亡.缺少植
被覆盖的土壤,其温度显著升高[24],高温状态下土
壤呼吸加剧,加速了微生物对土壤有机质的分解,导
致土壤有机碳大量流失[25] . 其次,放牧践踏造成土
壤空隙减少,容重增加,渗透率减小,持水能力降低,
继而土层干化[26] .在有机碳流失和土层干化的作用
下,土壤粘结力变弱,土壤颗粒由稳定的团聚体逐渐
分解为离散体. 随着践踏的持续作用,草地退化加
剧,土壤颗粒越来越分散[11,27] . 植被退化是草地退
化的表像,土壤结构破坏引发的土壤侵蚀是草地退
化的本质.
3郾 2摇 表征土壤侵蚀状况的分形维数值
土壤粒径分形维数与黏粒百分含量呈显著正相
关,与粉砂和极细砂呈显著负相关,说明分形维数可
以表征土壤粒径组成.随着退化加剧,土壤粒径分形
维数增加,说明分形维数可以表征土壤退化程度.有
研究表明,分形维数可以作为判断土壤质地差异的
重要指标[28],能够定量表征土壤颗粒性状的变
化[29],反映土壤颗粒物质的损失状况以表征土壤的
退化程度[28],从而作为评价土壤退化的一个综合性
指标[30] .但至今没有研究明确指出表征土壤侵蚀状
况的分形维数值.
土壤侵蚀与分形维数的关系,主要由不同粒径
颗粒与有机碳的相互作用来体现.有研究表明,土壤
不同粒径颗粒中的有机碳对放牧等因素干扰的响应
和敏感程度不同[31],其中与大粒径( >0. 05 mm)结
合的有机碳最易受影响[32] . 随着退化加剧,较大粒
径的粉砂和极细砂逐渐减少,固定在其内的有机碳
大量流失.土壤有机碳流失破坏了土壤结构、团聚体
形成及其稳定性[33],降低了土壤养分保蓄、结构保
持性能,导致土壤抗侵蚀能力变差.当土壤有机碳含
量下降到某一水平时,土壤结构分散,物理稳定性丧
失[34] .与此相反,小粒径颗粒增多可能提高有机碳
的稳定性,因为黏粒含量高的土壤会形成紧密的团
聚体,把土壤有机碳与微生物隔开[35-36],从而减少
有机碳分解,增强土壤保肥性能.土壤粒径分形维数
2. 81 是土壤发生侵蚀的阈值. 分形维数高于该值,
由于大粒径颗粒逐渐分解,土壤养分流失,团聚体结
构被破坏,抗侵蚀性差的粘粒含量增加,土壤抗侵蚀
能力减弱,分形维数低于 2. 74,大粒径颗粒中易流
486 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
失的有机碳损失量少,随着黏粒含量增高,土壤对有
机碳的粘结能力增强,增加了土壤的保肥性能,此阶
段土壤结构处于逐渐完善的状态;分形维数在
2. 74 ~ 2. 81之间,土壤发生沉积,最大沉积量对应的
分形维数值为 2. 81. 因此分形维数 2. 81 可作为江
河源区高寒草甸开始退化的判断标准. 分形维数大
于 2. 81,随着分形维数增大,草地退化加剧.
3郾 3摇 分形维数值对治理退化草地的意义
目前,治理退化草地的一些措施(例如划破草
皮、草地补播),虽在短期内缓解了草地退化程度,
但破坏了草地的支撑系统———土壤. 划破草皮是为
了改变土壤通气性,调节土壤水分状况,以提高土壤
肥力.但划破草皮后,土壤养分被翻出土表,使土壤
通气性增加,微生物的活动增强,大量养分经微生物
分解释放到空气中,同时,墒情好的土壤翻出地表,
也加速了水分的蒸散. 草地补播是为了增加牧草的
种类与数量,在短期内提高草地生产力,改善牧草品
质.但补播措施破坏了原生土壤结构,新建牧草又不
能适应当地气候条件,因此逐渐被适应性强的各种
毒杂草替代;毒杂草耗竭土壤有机碳,加速了土壤破
坏力度,导致土壤系统崩溃,草地发生二次退化,丧
失了恢复能力.笔者试图从机理上揭示退化草地的
治理途径,即草地退化的本质为土壤结构破坏.分形
维数是土壤结构破坏的表征,所以土壤粒径分形维
数值可作为草地退化程度的判断标准,指导人们合
理治理和利用草地. 本文建议通过测定各种治理措
施对应的土壤分形维数值,以 2. 81 作为土壤发生侵
蚀的判断标准,选择可使土壤分形维数值小于 2. 81
的措施,治理江河源区高寒草甸的退化.
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作者简介摇 魏茂宏,女,1990 年生,硕士研究生.主要从事草
地生态研究. E鄄mail: 15294155923@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
686 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷