黄河北岸兰州段荒漠-草原过渡带土壤粒径分形特征_南富森.pdf

第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3地球科学 Earth Sciencehttp:/https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.238黄河北岸兰州段荒漠-草原过渡带土壤粒径分形特征南富森1，李宗省1，2*，张小平1*，梁鹏飞3，熊雪婷1 1.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000 3.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070摘要：研 究 土 壤 粒 径 分 形 特 征，可 为 地 区 土 壤 质 量 评 价 提 供 科 学 依 据.利 用 分 形 理 论 分 析 了 黄 河 北 岸 兰 州 段 荒漠 草 原 过 渡 带 土 壤 粒 径 分 形 特 征.（1）区 域 土 壤 颗 粒 主 要 为 粉 粒 和 极 细 砂 粒，随 荒 漠 化 加 重 和 土 壤 深 度 增 加，土壤 粗 粒 化，质 地 均 匀 性 降 低，粒 径 分 布（PSD）频 率 曲 线 异 质 程 度 增 大；（2）荒 漠 化 加 重 和 土 壤 深 度 增 加 降 低 了 单重 分 形 维 数 Dv和 多 重 分 形 谱 参 数 D1、D1/D0、D2、f；（3）Dv、D1、D2、D1/D0、和 f 同 黏 粒、粉 粒 呈 正 相 关，同 砂 粒 呈 负 相 关；黏 粒、粉 粒、Dv、D1、D2、D1/D0、和 f 与 荒 漠 化 减 弱 程 度 呈 正 相 关，砂 粒 与 其 呈 负 相 关.土 壤分 形 维 数 能 反 映 区 域 土 壤 结 构 和 变 化，可 为 地 区 生 态 治 理 与 巩 固 提 升 提 供 技 术 指 导.关键词：粒径分布；分形特征；荒漠草原过渡带；生态学.中图分类号：P951 文章编号：1000-2383(2023)03-1195-10 收稿日期：2022-04-27Particle Size Fractal Characteristics of Soils in Desert-Steppe Transition Zone along the Northern Bank of Yellow River Basin in LanzhouNan Fusen1，Li Zongxing1，2*，Zhang Xiaoping1*，Liang Pengfei3，Xiong Xueting1 1.College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China 2.Northwest Institute of EcoEnvironmental Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China 3.School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，ChinaAbstract:The study of soil grain fractal characteristics in the desert-steppe transition zone can provide a scientific basis for regional soil quality evaluation,ecological management,and restoration.In this study,we use fractal theory to analyze the soil particle composition and fractal characteristics of three vegetation types in the desert-steppe transition zone along the northern bank of the Yellow River basin in Lanzhou.(1)The soil in the study area is mainly composed of silt and very fine sand,and as desertification degree and soil depth increase,the contents of clay and silt decrease and sand contents show the opposite trend.In addition,the frequency curve of soil particle size distribution(PSD)becomes more heterogeneous,and the homogeneity of soil texture decreases.(2)The single fractal dimension(Dv),multifractal generalized dimension spectrum parameters(D1,D1/D0,and D2),and the singular spectral function parameters(and f)decrease significantly with the increase of desertification degree and soil depth.(3)Dv,D1,D2,D1/D0,and f are significantly positively correlated with clay and silt contents,and 基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究项目专题（No.2019QZKK0405）；国家自然科学基金项目（No.42077187）；中国科学院青年交叉团队项目（No.JCTD202218）；国家重点研发计划项目专题（No.2020YFA0607702）；中国科学院“西部之光”交叉团队项目重点实验室合作研究专项；甘肃省创新群体项目（20JR10RA038）.作者简介：南富森（1997-），男，硕士研究生，主要研究方向为寒区旱区土壤物理化学循环.ORCID：0000000319197926.Email：*通讯作者：李宗省，Email:;张小平，Email:引用格式：南富森，李宗省，张小平，梁鹏飞，熊雪婷，2023.黄河北岸兰州段荒漠-草原过渡带土壤粒径分形特征.地球科学，48（3）：1195-1204.Citation：Nan Fusen，Li Zongxing，Zhang Xiaoping，Liang Pengfei，Xiong Xueting，2023.Particle Size Fractal Characteristics of Soils in Desert-Steppe Transition Zone along the Northern Bank of Yellow River Basin in Lanzhou.Earth Science，48（3）：1195-1204.第 48 卷地球科学 http:/significantly negatively correlated with sand contents.The clay contents,silt contents,Dv,D1,D2,D1/D0,and f are positively correlated with the decrease of desertification degree,while the sand content is negatively correlated with it.The single weight and multiple fractal dimensions of soil can well reflect the structural properties and changes of soil in different vegetation types of the desert-steppe transition zone,which can provide theoretical basis and technical guidance for regional ecological management and consolidation.Key words:particle size distribution(PSD);fractal characteristics;desertsteppe transition zone;ecology.土壤由颗粒状矿物质、有机质、空气、水分和微生物等组成，具有疏松多孔介质特性（兰龙焱等，2022），而土壤颗粒作为土壤结构的基本单元，对于土壤结构特征、水力特性、肥力和抗侵蚀性等具有重要影响（王德等，2007），其粒径分布（particle size distribution，简称 PSD）特征可作为水土保持、养分状况、作物生长等的评价指标（冯瑞等，2017；李国旗等，2018）.因此，对于土壤 PSD 的定量分析已成为土壤物理学的研究重点之一.基于分形理论的研究方法近年来已成为研究土壤 PSD 的主要技术手段（Qi et al.，2018）.在早期，研究者更多地利用单重分形来研究土壤 PSD，其对于反映土壤的整体性和均一性具有一定优势.其中胡云锋等（2005）基于不同粒径土壤重量分布的单重分形模型证明土壤分形的测算对于评估我国农牧交错带风蚀地区的风蚀程度具有指示意义；Wang et al.（2005）通过对Kozak et al.（1996）的单重分形方法进行改进，研究了不同土地利用模式下青藏高原干旱半干旱地区土壤的分形维数特征.随着激光粒度仪的发明与使用，对于土壤PSD的多重分形维数的研究也愈来愈多（Dai et al.，2019；郭士维等，2022；宛倩等，2022），相较于单重分形维数，多重分形维数在表征土壤复杂的空间变异和非均质行为上具有很好的效果（Dai et al.，2019），这为研究者进一步探究土壤结构及其与土壤肥力、土地利用类型和管理模式等之间的关系提供了便利.例如通过多重分形维数可探究不同土地利用方式下土壤 PSD 的结构特征，分析其和有机质之间的关系来评价土地利用方式的合理性（郭士维等，2022）；在研究不同管理模式下土壤粒径的多重维数分形特征时，通过分析其与土壤养分特征之间的关系进而得出不同管理模式对于土壤质地改良的影响（宛倩等，2022）.因此，单重分形和多重分形的结合，可更全面地揭示土壤 PSD信息，反映土壤物理性质的变化特征（戴磊等，2021）.黄河北岸兰州段荒漠草原过渡带植物组成简单，植被稀疏低矮，生态系统敏感脆弱，荒漠化演替明显，按照荒漠化程度的轻重程度可将其分为荒漠草原、草原化荒漠和荒漠 3 种植被类型区.目前研究人员针对该区域已开展了水热特征（岳平等，2015）、土壤侵蚀（武翠翠和王世杰，2021）和水土保持（马海芸等，2012）等方面的研究，但有关土壤 PSD 的研究还处于空白状态.鉴于此，本文主要从不同植被类型区土壤颗粒机械组成、土壤 PSD的单重和多重分形维数特征变化进行对比分析，以期为后续区域生态治理与恢复提供科学依据.1 材料与方法 1.1研究区概况黄 河 北 岸 兰 州 段 荒 漠 草 原 过 渡 带（图 1，360037400N，10200104400E）属于温带半 干 旱 大 陆 性 气 候，年 均 气 温 3.19.1 ，年 均降 水 量 180450 mm，年 蒸 发 量 为 1 100 2 100 mm，年 日 照 时 数 2 0502 950 h，无 霜 期