不同放牧时间对荒漠草原土壤颗粒组成及分形维数的影响

doi:10.11686/cyxb2023243

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (6): 17-28.DOI: 10.11686/cyxb2023243

不同放牧时间对荒漠草原土壤颗粒组成及分形维数的影响

姜海鑫¹^,²^,³(), 周瑶¹^,²^,³^,⁴, 胡科⁵, 丁占胜⁵, 马红彬¹^,²^,³^,⁴()

^1.宁夏大学农业农村部饲草高效生产模式创新重点实验室，宁夏银川 750021
^2.宁夏大学宁夏草牧业工程技术研究中心，宁夏银川 750021
^3.宁夏大学林业与草业学院，宁夏银川 750021
^4.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021
^5.宁夏吴忠市利通区林业和草原局，宁夏吴忠 751100

收稿日期:2023-07-13 修回日期:2023-09-11 出版日期:2024-06-20 发布日期:2024-03-20
通讯作者: 马红彬
作者简介:E-mail： ma_hb@nxu.edu.cn
姜海鑫（1998-），男，山西长治人，在读硕士。 E-mail： 12022131412@stu.nxu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(32060406);宁夏重点研发计划项目(2020BBF02003);宁夏中央引导地方科技发展专项(2023FRD05035);宁夏高等学校一流学科建设（草学学科）资助项目(NXYLXK2017A01);宁夏自然科学基金项目(2023AAC05020)

Effects of different grazing times on soil particle composition and fractal dimension in the desert steppe

Hai-xin JIANG¹^,²^,³(), Yao ZHOU¹^,²^,³^,⁴, Ke HU⁵, Zhan-sheng DING⁵, Hong-bin MA¹^,²^,³^,⁴()

^1.Key Laboratory for Model Innovation in Forage Production Efficiency，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，P. R. China，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^2.Ningxia Grassland and Animal Husbandry Engineering Technology Research Center，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^3.College of Forestry and Prataculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^4.Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration of Northwest China，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^5.Ningxia Wuzhong City Litong District Forestry and Grassland Administration，Wuzhong 751100，China

Received:2023-07-13 Revised:2023-09-11 Online:2024-06-20 Published:2024-03-20
Contact: Hong-bin MA

摘要/Abstract

摘要：

研究放牧时间对草原土壤颗粒组成和分形维数的影响，有助于了解放牧干扰下草地土壤质量和草地生态状况，为草地适时放牧提供理论依据。以宁夏荒漠草原为对象，设置禁牧封育（FY）、传统时间轮牧（FG）、延迟开始轮牧（YG）、提前结束轮牧（TG）、延迟开始并提前结束轮牧（YT）5种不同时间放牧处理，研究了不同放牧时间下荒漠草原土壤颗粒组成及分形维数的变化及其影响因素。结果表明：各处理下荒漠草原土壤质地以粉粒、极细砂粒和细砂粒为主，0~40 cm土层处理间土壤颗粒组成差异显著（P<0.05），土壤颗粒分形维数变化范围为2.11~2.75，且随土层加深逐渐增大。总体上土壤YG粉粒含量、分形维数最高；0~10 cm土层除FY最低外，其余土层粉粒含量与分形维数均以FG处理最低。土壤分形维数与粉粒含量呈极显著正相关（P<0.01），与极细砂粒和细砂粒含量呈显著或极显著负相关（P<0.01，P<0.05），土壤颗粒分形维数与有机碳、总孔隙度呈正相关，与容重、速效钾、毛管孔隙度呈负相关。研究认为，分形维数可表征荒漠草原土壤质地变化，延迟放牧改善了土壤颗粒组成及分形维数，有利于土壤质量发展，可作为荒漠草原适时放牧的参考依据。

关键词: 颗粒组成, 分形维数, 放牧时间, 荒漠草原

Abstract:

Studying the impact of the timing of grazing on soil particle composition and fractal dimension in grasslands is crucial for understanding how grazing disturbances affect soil quality and the ecological conditions of grasslands. The overall aim of this research， therefore， was to provide a theoretical foundation for determining the most suitable timing of grazing in grassland ecosystems. This study was conducted on the desert steppe of Ningxia， and five grazing treatments were implemented： forbidden grazing （FY）， traditional time rotational grazing （FG）， delayed start rotational grazing （YG）， early end rotational grazing （TG）， and delayed start and early end rotational grazing （YT）. We collected soil samples from all of these treatments. Then， we determined how different grazing timing influenced changes in soil particle composition and fractal dimension on the desert steppe and identified the factors driving these changes. The results clearly demonstrate that across all treatments， the primary components of soil texture in desert steppe were silt， very fine sand， and fine sand particles. We observed significant variations in soil particle composition among treatments within the 0-40 cm soil depth range （P<0.05）. The soil particle fractal dimension ranged from 2.11 to 2.75， with a gradual increase with increasing soil depth. Notably， YG had the highest silt content and fractal dimension. The silt content and fractal dimension FY of 0-10 cm soil layer were the lowest， and the FG treatment was the lowest in the other soil layers. The soil fractal dimension was significantly positively correlated with silt content （P<0.01）， and significantly negatively correlated with very fine sand and fine sand contents （P<0.01， P<0.05）. The soil particle fractal dimension was positively correlated with organic carbon content and total porosity， and negatively correlated with bulk density， available potassium content， and capillary porosity. In conclusion， our results suggest that the fractal dimension can effectively serve as an indicator of changes in soil texture on the desert steppe. Delayed grazing practices positively influence soil particle composition and fractal dimension， ultimately improving soil quality. These findings offer valuable insights for determining the optimal timing of grazing on the desert steppe.

Key words: particle composition, fractal dimension, grazing time, desert steppe

姜海鑫, 周瑶, 胡科, 丁占胜, 马红彬. 不同放牧时间对荒漠草原土壤颗粒组成及分形维数的影响[J]. 草业学报, 2024, 33(6): 17-28.

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图/表 5

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项目Item	FY	FG	YG	TG	YT
容重Bulk density （g·cm^-3）	1.40±0.03ab	1.45±0.01a	1.35±0.03b	1.41±0.01ab	1.38±0.02b
毛管孔隙度Capillary porosity （%）	38.74±0.64a	38.59±0.70a	37.32±0.46a	37.62±0.54a	37.28±0.75a
总孔隙度Total porosity （%）	43.96±0.55a	42.27±0.64b	43.33±0.48ab	42.89±0.52ab	42.91±0.34ab
pH	8.83±0.03a	8.85±0.06a	8.87±0.02a	8.87±0.02a	8.91±0.02a
土壤有机碳Soil organic carbon （g·kg^-1）	5.38±0.32ab	4.88±0.33b	5.41±0.37ab	4.70±0.18b	5.80±0.16a
全氮Total nitrogen （g·kg^-1）	0.29±0.01ab	0.27±0.01b	0.27±0.01b	0.28±0.02b	0.32±0.01a
全磷Total phosphorus （g·kg^-1）	0.24±0.02b	0.28±0.00a	0.30±0.01a	0.22±0.02b	0.18±0.01c
速效钾Available potassium （mg·kg^-1）	151.11±18.73a	121.75±17.80a	137.86±23.42a	109.04±17.80a	114.21±15.37a
速效氮Alkaline nitrogen （mg·kg^-1）	14.36±0.79a	11.97±0.51a	12.98±0.85a	12.91±0.69a	13.54±0.88a
地上生物量Aboveground biomass （g·m^-2）	56.28±7.88a	43.22±2.01b	39.78±5.66b	35.32±4.42b	34.99±2.49b
地下生物量Belowground biomass （g·m^-2）	291.40±4.22b	353.86±10.73a	267.69±10.70b	280.59±8.58b	269.55±3.63b
植被盖度Plant coverage （%）	66.17±4.84a	60.17±2.80ab	50.17±3.26bc	49.00±4.06c	45.50±3.24c

项目Item	FY	FG	YG	TG	YT
容重Bulk density （g·cm^-3）	1.40±0.03ab	1.45±0.01a	1.35±0.03b	1.41±0.01ab	1.38±0.02b
毛管孔隙度Capillary porosity （%）	38.74±0.64a	38.59±0.70a	37.32±0.46a	37.62±0.54a	37.28±0.75a
总孔隙度Total porosity （%）	43.96±0.55a	42.27±0.64b	43.33±0.48ab	42.89±0.52ab	42.91±0.34ab
pH	8.83±0.03a	8.85±0.06a	8.87±0.02a	8.87±0.02a	8.91±0.02a
土壤有机碳Soil organic carbon （g·kg^-1）	5.38±0.32ab	4.88±0.33b	5.41±0.37ab	4.70±0.18b	5.80±0.16a
全氮Total nitrogen （g·kg^-1）	0.29±0.01ab	0.27±0.01b	0.27±0.01b	0.28±0.02b	0.32±0.01a
全磷Total phosphorus （g·kg^-1）	0.24±0.02b	0.28±0.00a	0.30±0.01a	0.22±0.02b	0.18±0.01c
速效钾Available potassium （mg·kg^-1）	151.11±18.73a	121.75±17.80a	137.86±23.42a	109.04±17.80a	114.21±15.37a
速效氮Alkaline nitrogen （mg·kg^-1）	14.36±0.79a	11.97±0.51a	12.98±0.85a	12.91±0.69a	13.54±0.88a
地上生物量Aboveground biomass （g·m^-2）	56.28±7.88a	43.22±2.01b	39.78±5.66b	35.32±4.42b	34.99±2.49b
地下生物量Belowground biomass （g·m^-2）	291.40±4.22b	353.86±10.73a	267.69±10.70b	280.59±8.58b	269.55±3.63b
植被盖度Plant coverage （%）	66.17±4.84a	60.17±2.80ab	50.17±3.26bc	49.00±4.06c	45.50±3.24c

处理Treatments	土层深度Soil depth（cm）	颗粒分布 Particle size distribution （%）
处理Treatments	土层深度Soil depth（cm）	粉粒Silt （< 50 μm）	极细砂粒Very fine sand （50~100 μm）	细砂粒Fine sand （100~250 μm）	中砂粒Medium sand （250~500 μm）	粗砂粒Coarse sand （500~2000 μm）
FY	0~10	11.49±3.02Bc	38.39±15.69Aa	35.18±1.34Aa	8.67±7.75Aa	6.27±6.26Aa
	10~20	33.18±1.48Bb	41.62±1.30ABa	22.88±0.38BCb	2.12±0.16Aa	0.21±0.04Aa
	20~30	41.12±1.71Aab	35.69±1.28Aa	20.19±0.58Bbc	2.59±0.10ABa	0.41±0.05Ba
	30~40	51.54±7.09Aa	28.45±5.87Aa	16.36±2.15Ac	2.81±0.46Aa	0.84±0.47Aa
	0~40	35.08±5.15AB	36.01±3.26A	23.27±2.42AB	3.88±1.58AB	1.76±1.35AB
FG	0~10	14.22±4.62ABb	38.06±13.70Aab	34.72±2.53Aa	7.84±6.48Aa	5.16±5.13Aa
	10~20	10.79±0.94Db	52.44±2.38Aa	35.38±2.63Aa	1.36±0.39Aa	0.03±0.01Aa
	20~30	21.26±3.62Bb	29.21±6.75Ab	29.93±2.36Aa	10.69±3.02Aa	8.91±3.18Aa
	30~40	41.33±4.72Aa	28.59±3.23Ab	20.61±2.01Ab	5.65±2.73Aa	3.82±3.20Aa
	0~40	22.49±3.85B	36.34±4.07A	29.76±2.02A	6.62±1.73A	4.79±1.68A
YG	0~10	19.36±1.29Ac	48.94±1.10Aa	29.83±1.02Aa	1.79±0.25Ab	0.09±0.03Ac
	10~20	43.18±1.88Ab	36.79±0.85Bb	18.02±1.29Cb	1.81±0.34Ab	0.22±0.07Abc
	20~30	54.81±4.20Aa	24.42±1.54Ac	15.80±1.92Bb	3.60±0.68ABa	1.38±0.35ABa
	30~40	52.86±1.94Aa	27.94±1.34Ac	15.83±0.72Ab	2.69±0.16Aab	0.69±0.10Ab
	0~40	40.77±4.42A	35.63±2.90A	20.63±1.87B	2.42±0.27B	0.55±0.16B
TG	0~10	19.29±1.04Ab	42.51±8.96Aab	29.60±0.63Aa	5.32±4.05Aa	3.28±3.24Aa
	10~20	22.74±2.85Cb	49.45±1.26Aa	26.43±1.65Ba	1.33±0.04Aa	0.05±0.01Aa
	20~30	47.23±4.03Aa	32.18±0.59Aab	17.61±2.48Bb	2.50±0.75Ba	0.48±0.21ABa
	30~40	51.37±6.34Aa	27.61±3.49Ab	16.92±2.61Ab	3.19±0.29Aa	0.91±0.05Aa
	0~40	32.33±4.86AB	39.55±3.70A	23.71±1.94AB	3.13±1.18AB	1.28±0.95AB
YT	0~10	14.09±0.43ABb	46.12±5.53Aa	35.28±2.75Aa	3.88±2.46Aa	0.62±0.58Aa
	10~20	28.33±2.47BCb	37.91±5.44Bab	25.59±1.91Bb	4.93±2.63Aa	3.24±3.01Aa
	20~30	45.79±8.34Aa	24.66±1.99Abc	18.35±4.22Bb	6.27±3.04ABa	4.94±3.06ABa
	30~40	55.59±5.33Aa	19.06±0.64Ac	15.57±1.97Ab	5.54±1.26Aa	4.24±1.47Aa
	0~40	33.68±4.93AB	33.51±3.66A	24.53±2.51AB	5.10±1.19AB	3.18±1.24AB

处理Treatments	土层深度Soil depth（cm）	颗粒分布 Particle size distribution （%）
处理Treatments	土层深度Soil depth（cm）	粉粒Silt （< 50 μm）	极细砂粒Very fine sand （50~100 μm）	细砂粒Fine sand （100~250 μm）	中砂粒Medium sand （250~500 μm）	粗砂粒Coarse sand （500~2000 μm）
FY	0~10	11.49±3.02Bc	38.39±15.69Aa	35.18±1.34Aa	8.67±7.75Aa	6.27±6.26Aa
	10~20	33.18±1.48Bb	41.62±1.30ABa	22.88±0.38BCb	2.12±0.16Aa	0.21±0.04Aa
	20~30	41.12±1.71Aab	35.69±1.28Aa	20.19±0.58Bbc	2.59±0.10ABa	0.41±0.05Ba
	30~40	51.54±7.09Aa	28.45±5.87Aa	16.36±2.15Ac	2.81±0.46Aa	0.84±0.47Aa
	0~40	35.08±5.15AB	36.01±3.26A	23.27±2.42AB	3.88±1.58AB	1.76±1.35AB
FG	0~10	14.22±4.62ABb	38.06±13.70Aab	34.72±2.53Aa	7.84±6.48Aa	5.16±5.13Aa
	10~20	10.79±0.94Db	52.44±2.38Aa	35.38±2.63Aa	1.36±0.39Aa	0.03±0.01Aa
	20~30	21.26±3.62Bb	29.21±6.75Ab	29.93±2.36Aa	10.69±3.02Aa	8.91±3.18Aa
	30~40	41.33±4.72Aa	28.59±3.23Ab	20.61±2.01Ab	5.65±2.73Aa	3.82±3.20Aa
	0~40	22.49±3.85B	36.34±4.07A	29.76±2.02A	6.62±1.73A	4.79±1.68A
YG	0~10	19.36±1.29Ac	48.94±1.10Aa	29.83±1.02Aa	1.79±0.25Ab	0.09±0.03Ac
	10~20	43.18±1.88Ab	36.79±0.85Bb	18.02±1.29Cb	1.81±0.34Ab	0.22±0.07Abc
	20~30	54.81±4.20Aa	24.42±1.54Ac	15.80±1.92Bb	3.60±0.68ABa	1.38±0.35ABa
	30~40	52.86±1.94Aa	27.94±1.34Ac	15.83±0.72Ab	2.69±0.16Aab	0.69±0.10Ab
	0~40	40.77±4.42A	35.63±2.90A	20.63±1.87B	2.42±0.27B	0.55±0.16B
TG	0~10	19.29±1.04Ab	42.51±8.96Aab	29.60±0.63Aa	5.32±4.05Aa	3.28±3.24Aa
	10~20	22.74±2.85Cb	49.45±1.26Aa	26.43±1.65Ba	1.33±0.04Aa	0.05±0.01Aa
	20~30	47.23±4.03Aa	32.18±0.59Aab	17.61±2.48Bb	2.50±0.75Ba	0.48±0.21ABa
	30~40	51.37±6.34Aa	27.61±3.49Ab	16.92±2.61Ab	3.19±0.29Aa	0.91±0.05Aa
	0~40	32.33±4.86AB	39.55±3.70A	23.71±1.94AB	3.13±1.18AB	1.28±0.95AB
YT	0~10	14.09±0.43ABb	46.12±5.53Aa	35.28±2.75Aa	3.88±2.46Aa	0.62±0.58Aa
	10~20	28.33±2.47BCb	37.91±5.44Bab	25.59±1.91Bb	4.93±2.63Aa	3.24±3.01Aa
	20~30	45.79±8.34Aa	24.66±1.99Abc	18.35±4.22Bb	6.27±3.04ABa	4.94±3.06ABa
	30~40	55.59±5.33Aa	19.06±0.64Ac	15.57±1.97Ab	5.54±1.26Aa	4.24±1.47Aa
	0~40	33.68±4.93AB	33.51±3.66A	24.53±2.51AB	5.10±1.19AB	3.18±1.24AB

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不同放牧时间对荒漠草原土壤颗粒组成及分形维数的影响

Effects of different grazing times on soil particle composition and fractal dimension in the desert steppe

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图/表 5

参考文献 49

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