張 磊, 王家文, 王嘉學(xué), 尹一凡, 趙 茜, 肖夢景

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650092; 2.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650093)

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滇東喀斯特山原紅壤退化過程中剖面顆粒分形特征

張 磊1, 王家文2, 王嘉學(xué)1, 尹一凡1, 趙 茜1, 肖夢景1

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650092; 2.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650093)

山原紅壤是在古氣候影響下殘存于高原面的古紅土，近年來退化嚴(yán)重。為認(rèn)識山原紅壤的質(zhì)地和退化程度，以滇東山原紅壤典型發(fā)育地帶為研究對象，對灌叢、草地、松林、紅裸土剖面的土壤顆粒分形特征進行研究分析。結(jié)果表明：土壤顆粒分形維數(shù)在2.734～2.829，土壤質(zhì)地整體屬于粉質(zhì)粘壤土。隨著深度的增加，灌叢、草地、松林的土壤分形維數(shù)逐漸變大，紅裸土則呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。黏粒含量與土壤顆粒分形維數(shù)在土壤剖面上表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，砂粒和粉粒規(guī)律不明顯。分形維數(shù)與黏粒呈極顯著正相關(guān)，主要由黏粒決定，與粗砂呈負(fù)相關(guān)，與細(xì)砂和粉粒呈正相關(guān)，但均不顯著(p<0.05)。分形維數(shù)與有機質(zhì)呈正相關(guān)，與速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)，均不顯著(p<0.05)。分形維數(shù)可以表征山原紅壤退化過程中剖面質(zhì)地的均一程度，作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標(biāo)，在一定程度也可以反映土壤的肥力特征。

山原紅壤; 剖面; 質(zhì)地; 分形維數(shù)

從植被冠層到地下含水層的部位被稱為“地球關(guān)鍵帶”，土壤作為地球關(guān)鍵帶的核心要素，不僅為許多生物、物理和化學(xué)過程的進行提供場所，也為植物的生長和發(fā)育提供必要的壞境[1-2]。山原紅壤是云貴高原主要的土壤類型之一，有別于其它紅壤，目前多認(rèn)為是在第三紀(jì)末期以來，早期高溫高濕條件下經(jīng)脫硅富鋁化形成的大面積深厚高富鋁紅色風(fēng)化殼，伴隨著新構(gòu)造運動大面積間歇性均衡抬升隆起后發(fā)育形成的[3]。山原紅壤區(qū)廣布喀斯特地貌，土體深厚，適宜多種林木、牧草和農(nóng)作物生長，近年來，山原紅壤退化嚴(yán)重，局部地段已多年裸露，呈現(xiàn)出一種與石漠化相伴生的特殊“土漠化”景觀——“紅裸土”。

土壤退化(Soil degradation)的過程中，土壤的養(yǎng)分狀況和物理性質(zhì)也會隨之變化[4-5]。土壤在物理性質(zhì)方面的退化首先表現(xiàn)為地表物質(zhì)顆粒組成的變化，在自然狀態(tài)下，土壤的退化在地表最直接的表現(xiàn)是覆被類型的變化，這是由于植被與土壤是相互作用協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一體，植被的演替伴隨著土壤性狀的改變[6]。因此，對山原紅壤退化過程中不同覆被下土壤粒徑分布特征的分析，對研究區(qū)土壤水土流失以及生態(tài)恢復(fù)有著重要的意義。

土壤粒徑分布的測量方法主要有直接測量法、沉降法、顯微鏡法等，近年來激光粒度分析儀得到了廣泛的應(yīng)用，激光測量法具有適應(yīng)性廣、測量迅速、和精度較高等優(yōu)點，但該方法測量的粒徑范圍仍然有限[7]。為了對土壤粒徑分布進行定量化描述，Tyler等[8]建立了用土壤粒徑的體積分布計算土壤的粒徑分布的三維空間分形維數(shù)模型，Tyler等[9]和楊培嶺等[10]分別推導(dǎo)出計算土壤粒徑分布分形維數(shù)的重量分布模型。

研究表明，土壤顆粒組成與成土母質(zhì)及其理化性狀和侵蝕強度密切相關(guān)，土壤的粒徑分布在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，常被作為分析和預(yù)測土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)[11-16]。現(xiàn)有研究對其他土壤的顆粒分形作了較為詳細(xì)的定量化分析，但對喀斯特地區(qū)山原紅壤的分形維數(shù)鮮有報道。本文選擇滇東喀斯特山原紅壤區(qū)未受人為耕作影響的4種不同覆被條件下土壤剖面土壤的粒度組成和分形特征，以及與土壤肥力之間的相互關(guān)系，確立不同覆被土壤剖面顆粒體積分形維數(shù)的變化規(guī)律，可以為喀斯特山原紅壤的固有屬性和土壤肥力狀況研究提供重要參數(shù)，并為研究區(qū)土壤水土流失以及生態(tài)恢復(fù)等實踐活動提供基礎(chǔ)科學(xué)資料。

1　研究區(qū)概況

云貴高原喀斯特山原紅壤區(qū)地形復(fù)雜、景觀破碎，耕作土受人為活動的影響較大，同一區(qū)域同一坡面不同覆被條件的自然土樣能更好地揭示山原紅壤退化中的顆粒分形的規(guī)律。經(jīng)過野外考察和室內(nèi)遙感資料分析，本文在遴選的14個坡面綜合分析基礎(chǔ)上，選擇云南省富源縣海田后山西南向坡面作為研究樣區(qū)。樣區(qū)位于小江斷裂東側(cè)的烏蒙山脈中段的準(zhǔn)高原面上，均為山原紅壤，下伏二疊紀(jì)淺海相灰?guī)r，同時具有云南松林、火棘灌叢、草地(主要為扁茅)和裸地(“紅裸土”)4種覆被條件(基本情況見表1)。本區(qū)夏半年受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)控制，溫暖濕潤，冬半年受熱帶大陸氣團控制，干燥少雨[17]。近30 a平均降雨為1 084 mm，年平均氣溫14℃左右，年日照時數(shù)在1 328～1 800 h，pH值為5.26～7.50，屬于酸性土和中性土。山頂部位及部分坡面石漠化嚴(yán)重，云南松林、火棘灌叢、扁茅及紅裸土斑塊呈面積不大的散塊狀與裸巖相伴，坡麓及坡面局部為低產(chǎn)坡耕地，部分已撂荒。

表1　樣地基本情況

2　材料與方法

2.1樣品的采集

2013年9月，在考慮其下伏基巖均為二疊紀(jì)灰?guī)r，坡度、坡向和海拔等環(huán)境條件大體相似的基礎(chǔ)上，采用隨機采樣法，選取云南松林、火棘灌叢、草地、紅裸土4種不同覆被條件下的山原紅壤進行剖面采樣，使用GPS定位，在不同覆被條件下選取代表性地段，設(shè)置3個(1 m×1 m)樣方，用陶瓷工具(避免對測定微量元素的影響)每層10 cm，按照土壤發(fā)生層次采集剖面土壤樣品(采樣過程中發(fā)現(xiàn)C層厚度薄且不明顯，為了反映剖面的整體變化規(guī)律，將B層與基巖結(jié)合處10 cm土層歸為C層，紅裸土缺失A層)，將每種利用類型的相同層次進行混合(10 cm)，總重量控制在1 kg左右，具體層次劃分見表2，以備實驗室對土壤顆粒的測定。

2.2土壤顆粒的測定

將采集的樣品帶入實驗室，經(jīng)過自然風(fēng)干，過2 mm的篩子，用4分法取出約0.5 g土樣置于100 ml玻璃杯，用氫氧化鈉溶液浸泡24 h，使土粒分散，超聲波振蕩約5 min，在土壤理化實驗室用馬爾文激光粒度儀(MALVERN2 000)測定土壤顆粒，其測定范圍為0.002～2 mm，粒徑分別設(shè)為2～1 mm(x1)，1～0.5 mm(x2)，0.5～0.25 mm(x3)，0.25～0.1(x4)，0.1～0.05 mm(x5)，0.05～0.002 mm(x6)，<0.002 mm(x7)。重復(fù)測量誤差小于2%(文中數(shù)據(jù)為重復(fù)測定三次取平均值)，在測定過程中要根據(jù)土壤顆粒的實際情況進行泵速的調(diào)整，及時清洗泵管，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

根據(jù)粒度儀分析得到樣品的粒級體積百分含量數(shù)據(jù)，采用楊培嶺等[10]提出的體積分形維數(shù)計算方法，得出土壤粒徑分布的體積分維維數(shù)(FD)。

2.3土壤肥力的測定

有機質(zhì)分析采用室內(nèi)水合熱—光電比色法測定，其他性質(zhì)測定參照文獻[18]，所有樣品均三次重復(fù)測定，取平均值。

2.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007和SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計分析，單因素方差分析(One-wayANOVA)方法進行數(shù)據(jù)間的顯著性分析，在差異顯著時進行多重比較(p<0.05，LSD，T檢驗)，用Origin9.0制圖。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤機械組成特征

研究區(qū)不同覆被土壤剖面粉粒(0.002～0.05mm)含量最高，在49.80%～69.32%，平均值為(57.49±5.68)%(n=11)，黏粒(<0.002mm)在24.37%～44.21%，平均值為(34.81±5.75)%(n=56)，砂粒(0.05～2mm)含量最少，在3.02%～13.77%，平均值為(7.71±4.43)%(n=11)。根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)不同覆被剖面土壤質(zhì)地整體土壤質(zhì)地整體屬于粉質(zhì)黏壤土，松林的A層屬于粉砂壤土，是由于粉粒含量多，C層屬于粉質(zhì)黏土，則是由于其黏粒含量多的原因。

3.2土壤顆粒的分形特征

研究區(qū)不同覆被下土壤剖面上的分形維數(shù)在2.701～2.837 (表2)，平均值為2.771，大于農(nóng)業(yè)上大多數(shù)的壤土平均值(2.645)[19-20]。

從表2可知，4種不同覆被A層土壤顆粒的分形維數(shù)為：草地(2.751)>灌叢(2.734)>松林(2.701)，差異顯著(p<0.05)，這主要是相比松林，灌叢和草地?fù)碛写罅康目葜β淙~層，可以有效攔截水流中的細(xì)粒物質(zhì)，使得草地、灌叢A層的黏粒分別達到32.40%和28.89%。

表2　土壤顆粒的分形特征

B層與A層呈現(xiàn)出不同規(guī)律：灌叢(2.795)>草地(2.786)>紅裸土(2.781)>松林(2.752)，其中，灌叢和草地分形維數(shù)顯著大于松林的值(p<0.05)，這可能和灌草根系的生長會產(chǎn)生大量纏繞菌絲，進一步對土壤的物理、化學(xué)和酶的活性產(chǎn)生影響，使得土壤的風(fēng)化速度加快，有利于細(xì)粒的固定有關(guān)。C層呈現(xiàn)出松林(2.834)>灌叢(2.800)>草地(2.786)>紅裸土(2.754)的規(guī)律，這與土壤的質(zhì)地有關(guān)系。

3.3土壤顆粒及分形維數(shù)在土壤剖面上的變化

圖1反映了4種不同覆被下土壤的顆粒組成和分形維數(shù)在土壤剖面上的變化。黏粒和分形維數(shù)在剖面上均呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，砂粒和粉粒與分形維數(shù)的變化規(guī)律不明顯。

松林的土壤分形維數(shù)變異程度最為顯著(p<0.05)，A層的土壤分形維數(shù)為2.701，隨土層加深分形維數(shù)分別增加到B層的2.752，C層的2.834，這和其A層黏粒的含量最少，C層黏粒含量最多有直接關(guān)系。灌叢、草地、松林土壤分形維數(shù)均呈現(xiàn)出A層C層的規(guī)律，由于紅裸土B層上層的黏土層厚度大，使其緊實而通氣透水性能差，干時堅硬易龜裂，濕時膨脹易閉結(jié)，不易旱，亦不耐澇，使得植被的根系難以發(fā)育生長，是不良質(zhì)地的剖面。

圖1　土壤顆粒及分形維數(shù)在土壤剖面上的變化

3.4分形維數(shù)與粒徑分布的關(guān)系

對不同覆被下土壤剖面顆粒體積分形維數(shù)(FD)與土壤粒徑的體積百分含量分別做回歸分析，統(tǒng)計分析結(jié)果表明山原紅壤退化過程中土壤分形維數(shù)與土壤各粒徑的體積百分含量的分布均相關(guān)(圖2)。其中，F(xiàn)D與0.25～2 mm呈負(fù)相關(guān)，但不顯著(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.078，與0.05～0.25 mm和0.002～0.05 mm土壤粒徑呈正相關(guān)，均不顯著(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.187，0.300，與<0.002 mm土壤粒徑存在呈極顯著性正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)到達0.958。表明土壤剖面砂粒含量越高，分形維數(shù)越小，土壤質(zhì)地越松散，黏粒含量越高，分形維數(shù)越大，質(zhì)地越細(xì)，土壤越緊實。這與很多學(xué)者對不同區(qū)域土壤的分形維數(shù)研究結(jié)果一致[13-14,20-21,23]。因此，土壤粒徑分形維數(shù)可以表征山原紅壤退化過程中土壤剖面質(zhì)地的均一程度，可以作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標(biāo)。

3.5分形維數(shù)與肥力的關(guān)系

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性和特殊功能，它反映了土壤系統(tǒng)本身的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和土體構(gòu)型，以及土壤各種過程和性質(zhì)，而土壤的顆粒組成則是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)地狀況會直接影響到土壤的理化性質(zhì)，進一步影響土壤的肥力[20,24-26]。

土壤肥力與分形維數(shù)的線性回歸(圖3)：土壤分形維數(shù)與有機質(zhì)呈現(xiàn)出正相關(guān)(p<0.05)，與速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮均呈負(fù)相關(guān)，均不顯著(p<0.05)，表明分形維數(shù)越大，有機質(zhì)含量越高，速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮的含量則越少。因此土壤顆粒分形可以在一定程度上反映山原紅壤退化過程中剖面的土壤肥力狀況。

劉陽等的研究表明分形維數(shù)與速效氮和有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與速效鉀呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。程先富[27]、張昌順等[21]認(rèn)為分形維數(shù)與有機質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，但張昌順認(rèn)為分形維數(shù)與速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)。周先容[28]、伏耀龍[23]、李進峰[29]等的研究表明分形維數(shù)和有機質(zhì)沒有達到顯著水平，趙來[25]、賈曉紅[30]、趙文智[16]等認(rèn)為分形維數(shù)和有機質(zhì)存在顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究與其他研究結(jié)果尚有差異，這主要受土壤類型、質(zhì)地類型和母巖的不同而具有很強的空間特異性的原因。

圖2　土壤顆粒含量與分形維數(shù)的關(guān)系

圖3　土壤肥力與分形維數(shù)的關(guān)系

4　結(jié) 論

(1) 研究區(qū)不同覆被下土壤剖面上的分形維數(shù)在2.734～2.829，土壤質(zhì)地整體屬于粉質(zhì)黏壤土。

(2) A，B，C各層土壤顆粒的分形維數(shù)在不同覆被下規(guī)律不明顯。灌叢、草地、松林的分形維數(shù)土壤剖面上均呈現(xiàn)出A層C層的規(guī)律，紅裸土剖面為不良質(zhì)地剖面，使得植被根系難以發(fā)育。黏粒含量與土壤顆粒分形維數(shù)在土壤剖面上表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，砂粒和黏粒規(guī)律不明顯。

(3) 分形維數(shù)能夠表征土壤顆粒特征，但對不同粒級顆粒含量的反映程度不同。山原紅壤分形維數(shù)與黏粒呈極顯著正相關(guān)(p<0.05)，與粗砂呈負(fù)相關(guān)，與細(xì)砂和粉粒呈正相關(guān)，但均不顯著(p<0.05)。土壤粒徑分形維數(shù)在一定程度上可以表征山原紅壤退化過程中土壤質(zhì)地的均一程度，可以作為判斷土壤質(zhì)地差異的重要指標(biāo)。

(4) 分形維數(shù)與有機質(zhì)呈正相關(guān)，與速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮負(fù)相關(guān)，均不顯著(p<0.05)，在一定程度可以反映山原紅壤退化過程中剖面的肥力特征。

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Fractal Characteristics of Particles in Soil Profile During the Process of Mountain Red Earth Degradation in the Karst Area of East Yunnan

ZHANG Lei1, WANG Jiawen2, WANG Jiaxue1, YIN Yifan1, ZHAO Qian1, XIAO Mengjing1

(1.School of Tourism and Geographical Science, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650092, China； 2.Faculty ofEnvironmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Mountain red earth is the relic ancient clay remained on the Yunnan Plateau formed under the influence of paleoclimate, however, this soil has experienced degradation recently. To understand the texture and the degree of degradation of mountain red earth, this study examined the mountain red earth based on the analysis of soil profile particle volume fractal dimension (FD) associated with different vegetation types. Particularly, soil samples were taken from areas covered with pineland, shrubland, grassland or unvegetated red soils respectively in the karst area of east Yunnan. The results indicated that FD varied from 2.734 to 2.789, which overall belonged to the silty clay loam. Soil FDs of shrublands, grassland, and pineland became larger with the increase of depth, while red bare soil presented the opposite trend. And the relationship between the content of clay particle and the FD in the soil profile showed the same trend while the distribution charateristics of sand and silt in the soil profile were not obvious. There was a significantly positive correlation between FD and clay which was mainly decided by the clay. FD was negatively correlated with coarse sand, and positively correlated with fine sand and silt. So FD can be expressed in a uniform degree of soil texture in the mountains red earth of degradation process, and an important indicator to determine differences in soil texture. FD was significantly positively correlated with organic matter, and negatively correlated with potassium, available phosphorus, and nitrate nitrogen. Therefore, FD can be used to describe the fertility levels of degradation of mountain red earth fertility characteristics of the soil profile.

mountain red earth; soil profile; texture; fractal dimension

2014-08-30

2014-09-15

國家自然科學(xué)基金(41061021);云南省科技計劃專項(2012CA024)

張磊(1989—),男,陜西商洛人,碩士研究生,主要從事區(qū)域環(huán)境與土壤恢復(fù)研究。E-mail:646595296@qq.com

王家文(1975—),男,云南富源人,博士生,主要從事環(huán)境退化與生態(tài)建設(shè)研究。E-mail:15368146672@163.com

S155

A

1005-3409(2015)04-0018-06