全 文 ：书践踏和降水对环县典型草原土壤
颗粒分维特征的影响
林慧龙，任继周
（兰州大学草地农业科技学院 甘肃草原生态研究所，甘肃 兰州７３００２０）
摘要：采用试验践踏与模拟降水控制试验，对１６个不同试验组合样区表土（０～１５ｃｍ）质地的机械组成进行分析，
结果表明，随着践踏强度增加，土壤颗粒表现出不同程度的粗化趋势，降水具有双向调节的作用。利用分形模型计
算了土壤粒径分形维数，计算结果表明，分形维数指标与践踏强度呈负相关关系。但分形维数递减幅度与模拟降
水处理水平相关，在模拟降水处理水平依次为干旱、自然降水、平水、丰水时，粒径分形维数递减幅度依次为
４．３３％，２．６１％，１．３４％和１．２３％。降水与践踏的匹配关系，对形成确定的分形维数具有决定性作用。由于具有较
高分形维数的土壤更易发生放牧侵蚀，若管理不善则会发展为荒漠化。因此，在此种意义上来说，土壤分形维数的
测算对进一步研究放牧侵蚀机理和荒漠化形成过程可能具有推动作用。
关键词：土壤颗粒分布；分维；试验践踏；模拟降水；放牧侵蚀
中图分类号：Ｓ８１２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２００９）０４０２０２０８
全球草地面积约占陆地总面积的４０％，超过３０亿ｈｍ２。其中，温带干旱、半干旱草原约占地球表面积的
８％［１］。中国拥有丰富的草地资源，从东北平原越过大兴安岭，经辽阔的蒙古高原、鄂尔多斯高原、黄土高原，直到
青藏高原南缘，绵延约４５００ｋｍ，南北跨越２３个纬度，草地面积近４００×１０６ｈｍ２，其中地处温带干旱、半干旱地
区的北方天然草地约３１３×１０６ｈｍ２，占全国草地总面积的７８％，构成中国草原的主体［２，３］。
在全球气候变化背景下，我国干旱、半干旱地区草原是对降水变化较为敏感的生态系统类型，降水对草地土
壤水分有决定性作用，是影响干旱、半干旱地区草原生产力的主要限制因子之一；但仅仅关注土壤水分的植物效
应远不足以管理放牧系统。土－草－畜是一个相互影响的生态系统，土壤是牧草和家畜的载体，在放牧影响土壤
性质的同时，土壤性质变化必然间接或直接的反映到牧草和家畜生产，因此研究土壤对放牧家畜的响应对深入了
解草地土壤侵蚀机制，制定合理的放牧策略和防止草地退化有重要意义。草地土壤是受放牧家畜采食影响较小，
而受放牧活动机械干扰（践踏）较大的部位，家畜的践踏效应与土壤水分密切相关［４～７］。但土壤对践踏的反应与
水分的关系没有专项试验研究。
本研究采用模拟滩羊践踏与降水控制试验，重视土壤压实对践踏响应的水分条件，揭示水分梯度上，表土层
粒径分布的分形特征对践踏的响应规律，探讨分形维数与降水量和践踏强度的关系，为深入了解温带干旱、半干
旱地区草原放牧侵蚀［８］机制，制定合理的放牧制度和防止草地退化沙化提供科学的数据基础。
１ 材料与方法
１．１ 研究区概况
研究区位于甘肃省环县甜水镇大梁洼村———兰州大学草地农业科技学院野外试验点。地处鄂尔多斯台地前
沿的陕、甘、宁交界地段，地理坐标３７．１２°Ｎ和１０６．８２°Ｅ，海拔１６５０ｍ。年均气温６．０～７．１℃，＞０℃年积温
２３００～３７００℃，无霜期１２３～１５１ｄ，年日照时数２５９６．２～２７６６．４ｈ。平均降水量３４９．１ｍｍ（１９８０－２００４年），
丰水年（＞４５０ｍｍ）占２５％，平水年（３５０～４５０ｍｍ）占３７．５％，干旱年（＜３５０ｍｍ）占３７．５％，年变率大，一般为
２５％～５０％；６－９月降水占年降水量的６５％～７５％。２００３年降水４３２．６ｍｍ；２００４年降水２６６．１ｍｍ，低于正常
年份。年蒸发量１６００～２３００ｍｍ，年＞８级大风日３５．４ｄ以上，最多达８５ｄ，属典型温带大陆性季风气候，恰处
２０２－２０９
２００９年８月
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
第１８卷 第４期
Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
收稿日期：２００８１０１３；改回日期：２００８１２１５
基金项目：国家自然科学基金（３０７７１５２９），国家科技支撑计划（２００６ＢＡＤ１６Ｂ０１）和公益性行业（农业）科研专项经费（ｎｙｈｙｚｘ０７０２２）资助。
作者简介：林慧龙（１９６５），男，辽宁沈阳人，副教授，博士。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｎｈｕｉｌｏｎｇ＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
在温带干草原北部强烈风蚀带内［９］，据统计，该区域侵蚀模数高达８０００ｔ／（ｋｍ２·ａ）［１０］。大地貌为缓坡丘陵，地
带性土壤为灰钙土、风沙土、黄绵土，土壤质地为砂壤和粉砂壤，耕作土壤有机质含量为０．５％～０．８％，ｐＨ值为
７．５～８．５，０～２００ｃｍ的土壤平均容重１．１～１．４ｇ／ｃｍ３，土壤孔隙度平均为５５％，地下水位１０～４０ｍ，不具补给
能力。天然降水是该区植物生产和人畜饮水的重要源泉。凋萎含水率７．３％，饱和含水率２１．９％。试验点设有
一个野外简易气象观测点。
植被类型为天然半干旱典型草原，在草原综合顺序分类法中该气候区域湿润度指数为１．１６，属微温微干典
型草原类［１１］。优势多年生禾草植物主要为长芒草（犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪）、白草（犘犲狀狀犻狊犲狋狌犿犳犾犪犮犮犻犱狌犿）、赖草（犔犲狔
犿狌狊狊犲犮犪犾犻狀狌狊），杂类草为茵陈蒿（犃狉狋犲犿犻狊犻犪犮犪狆犻犾犾犪狉犻狊）、委陵菜（犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犫犻犳狌狉犮犪）、山莴苣（犔犪犮狋狌犮犪犻狀犱犻犮犪）、
狗娃花（犎犲狋犲狉狅狆犪狆狆狌狊犪犾狋犪犻犮狌狊）等，豆科牧草有胡枝子（犔犲狊狆犲犱犲狕犪犱犪狌狉犻犮犪）、沙打旺（犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犪犱狊狌狉犵犲狀狊）和
紫花苜蓿（犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪），一年生植物主要为狗尾草（犛犲狋犪狉犻犪狏犻狉犻犱犻狊）、绵蓬（犆狅狉犻狊狆犲狉犿狌犿狆狌犫犲狉狌犾狌犿）和沙
蓬（犃犵狉犻狅狆犺狔犾犾狌犿狊狇狌犪狉狉狅狊狌犿）。草地植物４月中、下旬返青，６月下旬－８月下旬进入旺盛生长期，９月中、下旬
左右开始枯黄。
１．２ 模拟降水与践踏的双因子试验设计
２００２年在原为自由放牧的公共放牧地（连续牧羊多年，草地退化严重），选择植被均匀、有代表性的平坦斜坡
（１０ｍ直线下降不超过２．５ｍ），用刺线围封０．０７５ｈｍ２（２５ｍ×３０ｍ）作为试验区。
以践踏因子为主因子（Ａ），水分因子为次因子（Ｂ）进行野外人工调控试验。采用复因子裂区试验设计，以４
个模拟降水处理为主区，４个践踏强度（ｔｒａｍｐｌｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ＴＩ）［１２，１３］梯度处理为副区，主副区完全随机排列，共
１６个处理，４次重复，共６４个试验小区，主区间间距１ｍ，主区的走向与斜坡垂直，副区间无间隔，每小区面积为１
ｍ×２ｍ，形状为矩形。主要控制措施如下。
主区处理，即水分因子控制方法：共设置了丰水（每月设计量３６ｍｍ）、平水（每月设计量１８ｍｍ）、干旱和自
然状况下４种情况，这符合半干旱区不同年份６－９月降水量的实际情况，其中丰水、平水、干旱的累积模拟降水
量分别为２６６．９０，２２４．９０和７３．９７ｍｍ，这样在一般年份就能产生４个土壤水分梯度的各个试验小区；模拟降水
试验在２００４年６－８月的每月１５－２０日实施，以距地面３０ｃｍ的高度，于上午８：００前或下午８：００后，用喷壶分
３次均匀喷施于试验主区，每次约施入设计总量的１／３；并参照气候条件，确保灌水前２ｄ和灌水１ｄ后无降水发
生。自然状况不控制，利用自然降水（１９２．９ｍｍ）。采用活动雨棚，在降水来临前遮住自然降水，使降水沿隔离带
中的排水沟排出，模拟干旱状况。
副区处理，即践踏因子控制方法：根据践踏同质性试验结果［１３～１５］，用自制的践踏模拟器模拟轮牧的成年滩羊
对草地的均匀践踏，模拟践踏于２００４年６－８月的每月２１－３０日进行，每副区在放牧季共实施３期践踏处理，每
期持续约１０ｄ，同一副区２次践踏的间隔时间为２０ｄ。并参照气候条件，作适当调整确保践踏前２ｄ不灌水，也
无降水发生。践踏强度依照２００３年开展的与放牧季每天放牧１０ｈ的滩羊轮牧试验同步的践踏同质性试验结
果［１４，１５］：０牧对应不践踏；放牧强度为２．７，５．３和８．０羊单位／ｈｍ２ 的轻度、中度、重度放牧分别对应的践踏强度
为４０，８０和１６０次羊践踏／（ｍ２·期）［１２］。
１．３ 土壤粒度测定
２００４年９月２５－２８日，在每个试验小区用土钻随机选取３个样点采集０～１５ｃｍ土壤。采集土样标号后，
风干并磨碎过２ｍｍ筛，在研磨过程中弃去大于２ｍｍ的有机物和砂砾。用吸管法测定各粒级的含量［１６］，粒度分
级采用美国农业部（ＵＳＤＡ）分类系统［１７］。
１．４ 数据分析
１．４．１ 土壤粒径分布的分形分析 分形几何学作为研究不规则结构与状态的有力工具而被广泛应用于土壤学
与土壤力学研究中［１８～３０］。土壤颗粒的累积质量分布与平均粒径的分形关系式［１８～３０］为：
犠（δ＜珚犱犻）
犠０ ＝
（
珚犱犻
珚犱ｍａｘ
）３－犇 （１）
式中，δ是土壤颗粒的粒径变量，以珚犱犻表示两筛分粒级犱犻和犱犻＋１间粒径的平均值，犠（δ＜珚犱犻）表示粒径小于珚犱犻的
３０２第１８卷第４期 草业学报２００９年
土壤颗粒累计质量，犠０ 表示土壤各粒级质量的总和，珚犱ｍａｘ为最大粒级土粒的平均直径，犇 是分形维数。从（１）式
可知，犇应小于３，因为当犇大于３时，（１）式将失去物理意义，粒径分布分形维数值应为０～３。
运用方程（１），可方便地直接由土壤机械组成数据求取土壤粒径分布分形维数。土壤机械组成一般用重量百
分含量表示，此时，犠０＝１００，则有：
犠（δ＜珚犱犻）∝（
珚犱犻
珚犱ｍａｘ
）３－犇 （２）
则ｌｇ犠（δ＜珚犱犻）∽ｌｇ（
珚犱犻
珚犱ｍａｘ
）具有线性关系，使用最小二乘法进行直线拟合，其直线斜率为３－犇，由此粒径分布分形
维数犇可由回归分析方法得到。
１．４．２ 土壤粒径分布的分形维数与践踏强度、模拟降水量的关系 对土壤颗粒粒径分布的分维按降水量和践踏
强度的不同组合类型进行分类统计，数据采用ＳＰＳＳ１０．０软件进行相关分析和回归分析。
２ 结果与分析
２．１ 表层土壤粒径结构的变化
土壤机械组成是决定土壤结构、孔隙状况的重要因子。试验土壤的颗粒组成均集中在极细砂和中砂粒，含量
为３１．０８％～４３．０８％和１９．４０％～２９．７８％（表１）。在干旱条件下，随着践踏强度的增加，０～５ｃｍ土壤极粗砂、
粗砂、中砂粒含量依次增加，细砂、极细砂、粉砂和粘粒的含量依次减少。轻、中、重度践踏区比无践踏区极粗砂粒
含量依次增加了１０．８８％，１６．６７％和２２．４５％；粗砂含量增加了１９．８３％，３５．５５％和４７．４２％；中砂含量增加了
１８．８４％，１９．５９％和２９．１０％。细砂含量分别减少了６．８３％，１０．４８％和１３．３７％；极细砂含量分别减少了
１１．３７％，１３．０８％和１９．３２％；粉砂减少了９．７３％，１７．５３％和２５．８４％；粘粒含量减少了２０．７８％，３０．８４％和
３３．１２％。总体上，砂粒（０．０５～２．００ｍｍ）与粘粒之比无、轻、中、重度践踏区依次为２８．２６，３６．３３，４２．１３和
４３．９９。从而说明，持续高强度的放牧家畜践踏，是干旱化草地沙化的主要原因。
在自然降水条件下，随着践踏强度的增加土壤表层的粒径分布呈现了与干旱条件下相同的规律，土壤粗砂、
中砂粒含量依次增加，极细砂、粉砂和粘粒的含量依次减少（表１）。所不同的是，砂粒（０．０５～２．００ｍｍ）与粘粒
之比无、轻、中、重度践踏区依次为２４．４５，２７．２４，３９．６７和４２．８６，远小于在干旱条件下相应的比值。这充分说
明，适度降水有阻挡地表粗化的功能。在平水条件下，表土层的粒径分布与干旱条件下和自然降水条件下大致呈
相同的趋势，但在中度践踏下出现了一些异常波动。砂粒（０．０５～２．００ｍｍ）与粘粒之比无、轻、中、重度践踏区依
次为２３．３３，２６．３４，３２．７７和４１．８１，又小于在自然降水条件下相应的比值。这进一步说明，适度降水有阻挡地表
粗化的功能。
在丰水条件下，表土层的粒径分布与干旱条件、自然降水条件和平水条件下大致呈相同的趋势，但在轻度践
踏下出现了一些异常波动。砂粒（０．０５～２．００ｍｍ）与粘粒之比无、轻、中、重度践踏区依次为２７．２８，２５．２４，
２６．６７和３１．８１。砂粒（０．０５～２．００ｍｍ）与粘粒之比与践踏强度和降水量的关系见图１。
在受不同强度的模拟降水和践踏干扰后，土壤粒径分布的变化和响应程度不同，随着践踏强度增加，土壤颗
粒表现出不同程度的粗化趋势（图１Ａ），降水具有双向调节的作用，低践踏下加剧土壤粗化趋势，高践踏下减缓表
土粗化趋势（图１Ｂ）。
２．２ 土壤粒径分布的分形特征
计算不同降水－践踏处理下各土壤颗粒的累计质量及其由方程（１）、（２）估算土壤粒径分布的分形维数。图
２是相应的ｌｇ犠（δ＜珚犱犻）∽ｌｇ（
珚犱犻
珚犱ｍａｘ
）关系图。
分别以ｌｇ犠（δ＜珚犱犻）和ｌｇ（
珚犱犻
珚犱ｍａｘ
）为纵横坐标，应用线性回归计算出，随着践踏强度的增强，土壤粒径分形维数
均值逐渐减少，在干旱条件下（图２Ａ），依次为２．４５５７１７，２．４２０３０８，２．３９９１１２和２．３９１９４７；在自然降水条件下
（图２Ｂ），依次为２．４７５７６５，２．４６１２７６，２．４０７１６１和２．３９５１５３；在平水条件下（图２Ｃ），依次为２．４８２４７２，
２．４６７２６８，２．４３４８５４和２．３９９９８０；在丰水条件下（图２Ｃ），依次为２．４６０５２３，２．４７１０８４，２．４６４４１０和２．４３９３２０。整
４０２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
体上，在同一降水量条件下，分形维数值均表现为重度践踏区＜中度践踏区＜轻度践踏区＜对照区，说明分形维
数指标与践踏强度呈一定的负相关关系，即践踏强度越大，土壤的分形维数值越小。但分形维数递减幅度与模拟
降水处理水平相关，在模拟降水处理水平依次为７３．９７，１９２．９，２２４．９和２６６．９ｍｍ／ｍ２ 时，粒径分形维数递减幅
度依次为４．３３％，２．６１％，１．３４％和１．２３％，表明模拟降水水平较高时，由于水分的粘附作用，随践踏强度的增
强，土壤的沙化过程被明显地阻滞。
表１ 不同降水与践踏强度组合下草地表层土壤粒径结构
犜犪犫犾犲１ 犛狅犻犾狆犪狉狋犻犮犾犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犻狀狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犪狀犱狋狉犪犿狆犾犻狀犵犻狀狋犲狀狊犻狋狔
模拟降水
Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ
ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
ｌｅｖｅｌｓ
践踏强度
Ｔｒａｍｐｌｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
（羊践踏ＵＳＴ／ｍ２
·期Ｐｅｒｉｏｄ）
土壤颗粒组成百分含量Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（％）
极粗砂
Ｖｅｒｙｃｏａｒｓｅｓａｎｄ
（１～２ｍｍ）
粗砂
Ｃｏａｒｓｅｓｉｌｔ
（０．５～１．０ｍｍ）
中砂
Ｍｅｄｉｕｍｓａｎｄ
（０．２５～０．５０ｍｍ）
细砂
Ｆｉｎｅｓａｎｄ
（０．１０～０．２５ｍｍ）
极细砂
Ｖｅｒｙｆｉｎｅｓａｎｄ
（０．０５～０．１０ｍｍ）
粉砂Ｓｉｌｔ
（０．００２～
０．０５０ｍｍ）
粘粒Ｃｌａｙ
（＜０．００２ｍｍ）
０ ２．９４±０．１２ｃ １１．４５±０．２４ｄ ２２．５１±０．６９ｃ １０．４０±０．２３ｂ ３９．７５±１．３８ｂ ９．８７±０．２６ａ３．０８±０．２６ｂ
干旱 ４０ ３．２６±０．２２ｂ １３．７２±０．３２ｂ２６．７５±０．９４ａ ９．６９±０．１７ｃ ３５．２３±０．５２ｃ ８．９１±０．２５ｃ２．４４±０．２５ｄ
Ｌｏｗｅｒｌｅｖｅｌ ８０ ３．４３±０．１７ａ １５．５２±０．２５ａ ２６．９２±０．８３ａ ９．３１±０．１９ｄ ３４．５５±０．４５ｃ ８．１４±０．４１ｃ２．１３±０．２２ｄ
１６０ ３．６０±０．２６ａ １６．８８±０．４３ａ ２９．０６±１．０７ａ ９．０１±０．２５ｄ ３２．０７±０．２９ｄ ７．３２±０．２３ｄ２．０６±０．２６ｄ
０ ２．８１±０．１８ｃ １１．００±０．２７ｄ ２２．４１±０．６６ｃ １０．４５±０．３７ｂ ３９．８９±１．６０ｂ ９．９０±０．２２ａ３．５４±０．３３ａ
自然降水 ４０ ３．１１±０．１７ｂ １３．８８±０．３７ｃ ２５．１５±０．５１ｂ ９．８７±０．２１ｃ ３５．４６±１．０３ｃ ９．３２±０．２４ｂ３．２１±０．３１ｂ
Ｎａｔｕｒａｌｌｅｖｅｌ ８０ ３．００±０．１４ｃ １４．３５±０．３７ｂ２７．２４±０．７２ａ ９．９２±０．１６ｃ ３４．７５±０．３３ｃ ８．５０±０．２５ｃ２．２５±０．２４ｄ
１６０ ３．４１±０．２２ｂ １６．１１±０．４９ａ ２８．４６±０．６８ａ １０．０３±０．３４ｃ ３２．４２±０．３５ｄ ７．４６±０．２６ｄ２．１１±０．２１ｄ
０ ２．８２±０．０９ｃ １１．２７±０．２７ｄ ２２．５４±０．９０ｃ １０．５２±０．２５ｂ ３９．１９±０．３５ｂ ９．９６±０．４６ａ３．７０±０．３３ａ
平水 ４０ ３．４５±０．２３ａ １５．８８±０．３１ａ ２３．０２±０．７９ｃ １０．５７±０．３１ｂ ３４．２７±０．３１ｃ ９．５０±０．２７ｂ３．３１±０．２１ａ
Ａｖｅｒａｇｅｌｅｖｅｌ ８０ ３．１７±０．１９ｂ １４．７１±０．３３ｂ２５．４９±０．７７ｂ １０．２６±０．２９ｂ ３４．８５±０．３７ｃ ８．８２±０．２７ｃ ２．７０±０．０９ｃ
１６０ ３．５７±０．２２ａ １６．５８±０．４３ａ ２６．１２±０．８３ｂ １０．５４±０．３４ｂ ３３．０９±０．２９ｄ ７．９５±０．５８ｄ２．１５±０．３２ｄ
０ ２．８４±０．０６ｃ １１．５５±０．２１ｄ ２２．６７±１．９６ｃ １０．３１±０．２２ｂ ３９．６６±０．４２ｂ ９．７８±０．２８ｂ３．１９±０．２２ｂ
丰水 ４０ ２．４３±０．０４ｄ ９．８８±０．１５ｄ １９．４０±０．７５ｄ １１．２８±０．４３ａ ４３．０８±０．３５ａ１０．５２±０．２４ａ３．４１±０．２７ａ
Ｈｉｇｈｌｅｖｅｌ ８０ ３．３５±０．１７ｂ １３．６２±０．２４ｃ ２６．７４±０．９５ａ ９．２３±０．１７ｄ ３４．５５±０．３４ｃ ９．２３±０．２１ｂ３．２８±０．１３ｂ
１６０ ３．７３±０．１９ａ １５．１７±０．２８ａ ２９．７８±１．２１ａ ９．００±０．１４ｄ ３１．０８±０．２９ｄ ８．４５±０．２５ｃ２．７９±０．１１ｃ
注：同列中具有不同标记字母的差异显著（犘＜０．０５）。
Ｎｏｔｅ：Ｍｅａｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｔ犘＜０．０５．
２．３ 土壤粒径分形维数与降水量和践踏量之间的关系
由土壤粒径分形维数与对应的降水量和践踏量的数据库散点图，可构建土壤粒径分形维数与降水量和践踏
量之间的关系曲面图（图３）。在受不同降水与践踏干扰后，土壤粒径分布分形维数的变化和响应程度不同，降水
量小而践踏强度高，则表土层质地变得较粗，粘粒含量降低，分形维数低；反之，模拟降水量相对较高而践踏强度
相对较低，粘粒含量降幅相对较低，因此分形维数也相对越高。
降水与践踏的匹配关系，对形成确定的分形维数具有决定性作用，可用二元回归式表达：
犉＝２．４２７＋２．０９８２×１０－４犠－１．３３３３×１０－４犜 （３）
式中，犚＝０．８９９；决定系数犚２＝０．８０９；调整的决定系数０．７７９；犉 是分形维数；犠 是单位面积模拟降水量
（ｍｍ／ｍ２）；犜是单位面积累计践踏量（次羊践踏／ｍ２）。（３）式充分展示了土壤粒径分布分形维数随降水量和践踏
强度的不同而发生规律性改变的总体趋势，即降水量越高，土壤分形维数越大；践踏强度越大，分形维数越小。
３ 讨论
通过模拟降水与试验践踏的野外控制试验，对不同试验组合样区表土层（０～１５ｃｍ）质地的机械组成进行分
５０２第１８卷第４期 草业学报２００９年
图１ 砂粒／粘粒和践踏强度及降水量的关系
犉犻犵．１ 犐狀狋犲狉犪犮狋犻狏犲犲犳犳犲犮狋狅狀狊犪狀犱（０．０５～２．００犿犿）／犮犾犪狔犫狔犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狋狉犪犿狆犾犻狀犵犪狀犱狊犻犿狌犾犪狋犻狀犵狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀
ＵＳＴ：Ｔｒａｍｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｓｈｅｅｐｕｎｉｔｐｅｒｈｏｏｆ；下同Ｔｈｅｓａｍｅｂｅｌｏｗ
图２ 不同降水与践踏处理下的土壤颗粒累计质量与特征尺寸的双对数关系
犉犻犵．２ 犘犪犻狉犲犱犾狅犵犪狉犻狋犺犿狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狅犳狋犺犲犿犪狊狊犪狀犱狊犻狕犲狊狅犻犾狆犪狉狋犻犮犾犲狌狀犱犲狉狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狊犻犿狌犾犪狋犻狀犵狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犪狀犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狋狉犪犿狆犾犻狀犵犾犲狏犲犾狊
Ａ：干旱Ｌｏｗｅｒｌｅｖｅｌｏｆｒａｉｎｆａｌ；Ｂ：自然降水Ｎａｔｕｒａｌｌｅｖｅｌｏｆｒａｉｎｆａｌ；Ｃ：平水Ａｖｅｒａｇｅｌｅｖｅｌｏｆｒａｉｎｆａｌ；Ｄ：丰水 Ｈｉｇｈｌｅｖｅｌｏｆｒａｉｎｆａｌ
６０２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４
图３ 土壤粒径分形维数与降水量和践踏量之间的关系
犉犻犵．３ 犐狀狋犲狉犪犮狋犻狏犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狅犳狋犺犲狊狅犻犾狆犪狉狋犻犮犾犲犳狉犪犮狋犪犾犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犿狅狀犵狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋
犾犲狏犲犾狊狅犳狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犪狀犱狋狉犪犿狆犾犻狀犵犻狀狋犲狀狊犻狋狔
析，结果表明，随着践踏强度增加，土壤颗粒表现出不同程度的粗化趋势；降水具有双向调节的作用，低践踏下加
剧土壤粗化趋势，高践踏下减缓表土粗化趋势。通过对相关文献［３０～３３］的比对，认为这可能是由于不同的践踏强
度导致土壤不同程度的压实，使土壤中孔隙度降低，同时凋落物减少，土壤中有机质来源减少，从而土壤结构和孔
隙状况变差，植物根系无论是数量还是活动程度均减弱，致使雨滴直接击溅裸地，细小土粒堵塞孔隙，使土壤的渗
透速率降低，在风、水动力的作用下，土壤中细土流失，故表现出随践踏强度的增加，土壤中细土减少，土壤质地变
粗。降水具有双向调节的作用，可能是由于水分的粘附作用，土壤的沙化过程被明显地阻滞的缘故［３０～３３］。粒径
分布分形维数作为反映土壤多孔介质结构和质地性状的一个重要参数，实际上反映了土壤颗粒对空间的填充能
力，能够表征土壤颗粒大小的组成，也能反映土壤质地的均一程度。土壤质地越粗，就越不易形成良好的结构，分
形维数也较小；土壤质地越细，由于小土粒多，形成的微小孔隙也越多，结构也就越复杂，分形维数也越高。利用
分形模型计算了土壤粒径分形维数，计算结果表明，试验样区土壤的分形维数变化较大，这种分布特点是践踏、降
水活动形成的土壤异质化。由于家畜的践踏活动，导致土壤中砂粒及粉砂粒含量增多，粘粒减少，颗粒间粒结力
弱，稳定性差，抗侵蚀能力降低，加之影响土壤结构体和微团粒，使土壤颗粒间有机胶结物减少，结构松散，稳定性
变差，进而在风、水作用下使表层土壤粗粒化，这也是退化草原土壤沙化和土壤侵蚀发生的原因［３０～３５］。分形维数
能很好地反映土壤细颗粒的损失情况，从而间接反映放牧侵蚀的程度［３０］。在当今全球气候变暖的大背景下，年
降水量变异率普遍呈加大趋势，这就更加剧了干旱半干旱草地生态系统的脆弱性，因此结合降水量与践踏强度来
研究干旱、半干旱草地生态系统的放牧侵蚀机理将是一个全新的课题［８］。由于具有较高分形维数的土壤更易发
生放牧侵蚀，若管理不善则会发展为荒漠化。因此，在此种意义上来说，土壤分形维数的测算对进一步研究放牧
侵蚀机理和荒漠化形成过程可能具有推动作用［８，３０，３４］。
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犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狋狉犪犿狆犾犻狀犵犪狀犱狊犻犿狌犾犪狋犲犱狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀狅狀
犳狉犪犮狋犪犾犱犻犿犲狀狊犻狅狀狅犳狊狅犻犾狆犪狉狋犻犮犾犲狊犻狕犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狊犻狀狋犺犲狊狋犲狆狆犲狊狅犳
犎狌犪狀狓犻犪狀犆狅狌狀狋狔犻狀犈犪狊狋犲狉狀犌犪狀狊狌犘狉狅狏犻狀犮犲，犆犺犻狀犪
ＬＩＮＨｕｉｌｏｎｇ，ＲＥＮＪｉｚｈｏｕ
（ＣｏｌｅｇｅｏｆＰａｓｔｏｒａｌＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｇａｎｓｕ
ＧｒａｓｓｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００２０，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅ０－１５ｃｍｓｏｉｌｌａｙｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎａｔｗｏｆａｃｔｏｒ（ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｔｒａｍｐｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）ｃｏｎｔｒｏｌｅｄｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆ１６ｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒ
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ｓｉｏｎｏｆｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇａｆｒａｃｔａｌｍｏｄｅｌａｎｄｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓｎｅｇａｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅ
ｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｒａｍｐｌｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｒｅｄｕｃｅｄａｖｅｒａｇｅｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｉｚｅｗａｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ
ａｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｄｒｙ，ｎａｔｕｒａｌｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｒａｔｅｒａｉｎｆａｌ，ａｎｄａｂｕｎｄａｎｔｒａｉｎｆａｌ，ｔｈｅｆｒａｃｔａｌ
ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｖａｌｕｅｓｄｅｃｌｉｎｅｄｉｎｔｈｅｓｅｑｕｅｎｃｅ４．３３％，２．６１％，１．３４％，ａｎｄ１．２３ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
ｖａｌｕｅｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｍｐｌｉｎｇ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎ
ｓｉｏｎｖａｌｕｅｓ，ｓｏｉｌｓａｒｅｓｕｓｃｅｐｔｉｂｌｅｔｏｇｒａｚｉｎｇｉｎｄｕｃｅｄｅｒｏｓｉｏｎ，ａｎｄｃｏｕｌｄｂｅｃｏｍｅｄｅｓｅｒｔｉｆｉｅｄｉｆｎｏｔｐｒｏｐｅｒｌｙｍａｎ
ａｇｅｄ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｓａｒｅｌｉａｂｌｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｇｒａｚｉｎｇｉｎｄｕｃｅｄｅｒｏｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｄｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｏｉｌｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｏｕｌｄｂｅｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｆｏｒｅｖａｌｕａｔｉｎｇ
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犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ；ｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｒａｍｐｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ；
ｇｒａｚｉｎｇｉｎｄｕｃｅｄｅｒｏｓｉｏｎ
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