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摘要：為探討消落帶水位消漲對土壤團粒結構和土壤抗侵蝕能力的影響，選取三峽庫區(qū)童莊河消落帶紫色土，以從未淹沒的樣地作為對照，應用分形理論研究消落帶不同海拔梯度紫色土分形特征以及與土壤營養(yǎng)的相關關系。結果表明：不同海拔梯度的土壤粒徑分布中，粉粒含量占主導地位。然而分形維數(shù)（D）與黏粒之間具有極顯著的的正相關性，這意味著黏粒的變化對分形維數(shù)的分異起了決定性的作用。在消落帶區(qū)域，土壤顆粒的分形維數(shù)和黏粒含量是淹沒中等持續(xù)時間的區(qū)域（155～165 m）最大，且與從未淹沒的對照樣地（175 m以上）之間無顯著性的差異；其次是淹沒時間較短區(qū)域（165～175 m）；淹沒時間較長區(qū)域（145～155 m）最低。相關性分析結果表明，土壤顆粒的分形維數(shù)與黏粒含量及其土壤營養(yǎng)之間都具有極顯著的正相關性。這些結果意味著消落帶淹沒持續(xù)時間較長區(qū)域受淹水擾動相對最強烈，土壤質量退化最嚴重。

關鍵詞：土壤分形維數(shù)；土壤顆粒組成；有機碳；全氮；消落帶

中圖分類號： S152.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0470-03

收稿日期：2015-05-11

基金項目：三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心課題（編號：KF2013-09）；三峽大學預研基金（編號：Hy1406）。

通信作者簡介：賈國梅（1965—），女，甘肅永登人，博士，教授，主要從事土壤生態(tài)學研究。E-mail：jjjgm@126.com。三峽庫區(qū)消落帶是三峽大壩攔蓄和泄洪形成的水位落差約為30 m變化的反季節(jié)濕地。且位于庫首的消落帶多處于陡坡的狀態(tài)，土壤多為水穩(wěn)性很差、極易水蝕的紫色土構成[1]。水位的周期性漲落和涌浪加之出露成陸期的降雨徑流可能導致土壤表層顆粒的重新分布，進而引起土壤顆粒組成的空間變異[1]，加速消落帶土壤的侵蝕。土壤顆粒組成是反映土壤結構、土壤肥力和土壤退化過程的重要物理特性，但是僅僅用土壤顆粒分級定量化表征土壤質地特性相對比較簡單[2]。土壤顆粒分級的分形維數(shù)不僅能夠表征土壤質地的均一程度、土壤滲透性和土壤營養(yǎng)狀況，還能反映人為擾動生境土壤物理特性的變化動態(tài)[3]和優(yōu)劣[4]。因而在評價消落帶水位消漲過程中土壤退化的程度時，土壤顆粒分級分形維數(shù)的生態(tài)作用就顯得尤為重要。

目前，雖有研究報道了三峽庫區(qū)消落帶土壤理化特性，但是很少有研究報道三峽庫區(qū)陡坡消落帶濕地不同海拔梯度紫色土顆粒組成的分形維數(shù)的空間分異特征。因而，本研究以從未淹沒的樣地作為對照，研究消落帶不同海拔梯度紫色土分形維數(shù)和土壤營養(yǎng)之間的相關性，揭示消落帶土壤紫色土分形維數(shù)的空間分異特征以及與土壤營養(yǎng)之間的關系，為深入研究三峽庫區(qū)消落帶紫色土侵蝕過程的機理提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩秭歸縣童莊河（110°25′～111°06′ E，31°04′～31°34′ N）。該地區(qū)氣候屬亞熱帶大陸性季風氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季，熱量充沛。年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 006.8 mm，年日照時間1 631.5 h，無霜期年平均約為260 d，土壤類型為紫色土。

1.2土壤采樣

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩的童莊河。選擇典型消落帶回水區(qū)，劃分不同高程段見表1，在每個固定的樣帶首先調查消落帶土壤質地情況，選擇質地相同的樣地隨機取樣。在2011年5月底至7月初，沿海拔高程按照從未淹沒區(qū)（NI）（175～185 m）、淹沒時間較短區(qū)（SI）（165～175 m）、淹沒時間中等區(qū)（MI）（155～165 m）和淹沒較長區(qū)（LI）（145～155 m）分別定位選取4個代表樣地，從未淹沒區(qū)域作為對照組（表1）。在每個梯度選擇10 m×10 m的樣方各2塊，然后在每個樣方內按照蛇形法在0～20 cm各采取5個點的土壤。采取的土樣立即放入塑料袋中密封帶入實驗室，快速揀去枯枝落葉和石礫，過2 mm的篩子后，一部分很快貯藏到-20 ℃的冰箱里進行土壤顆粒分級的分析，另一部分風干，用于土壤營養(yǎng)的分析。

1.3土壤理化性質的分析

土壤粒級組成使用比重計法進行測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定。

1.4土壤顆粒表面分形維數(shù)計算方法

土壤分形維數(shù)（D）采用楊培嶺等推導的公式[5]計算：

對所測土壤各粒級的含量進行處理，之后分別以lg[m（δ 1.5數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的處理比較采用Turkeys-b 單因素方差分析，土壤顆粒、分形維數(shù)與土壤營養(yǎng)之間的相關性分析用Pearsons test 分析，土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間的關系用線性回歸分析。數(shù)據(jù)在SPSS 17.0 軟件上分析。

2結果分析

2.1土壤顆粒組成的空間格局

土壤顆粒組成是形成土壤結構的重要物質。不同海拔梯度的表層土壤粒徑分布中，粉粒含量（0.02～0.002 mm）（53.31%～55.86%）占主導地位，其次是砂粒含量（0.02～2 mm）（24.15%～27.66%），黏粒含量（<0.002 mm） （14.83%～20.38%）最低（表2）。雖然土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的大小順序分別為：NI>MI>SI>LI、SI>LI>MI >NI和LI>SI>NI>MI，但是單因素方差分析的結果表明，粉粒和砂粒在不同海拔梯度之間并無顯著性的差異，只有粘粒的含量在不同海拔梯度之間具有顯著性差異，NI和MI之間無顯著性差異，但是它們與其他樣地之間具有顯著的差異，LI和SI樣地之間也有顯著性的差異。這表明水位的消漲對消落帶土壤顆粒組成特別黏粒含量的空間分異確實產生了顯著的影響，年淹沒和出露持續(xù)時間近似相等的區(qū)域土壤黏粒含量并沒有發(fā)生變化，而淹沒持續(xù)時間較長和較短的區(qū)域其土壤黏粒含量都顯著降低。

2.2土壤分形維數(shù)的空間格局

消落帶表層土壤顆粒的分形維數(shù)D值在2.59～2.65（表2），土壤不同粒級含量與對應土壤顆粒粒徑的相關系數(shù)絕大多數(shù)r2>0.91，表明該地區(qū)土壤顆粒粒徑分布具有分形的特征。

消落帶不同海拔梯度土壤分形維數(shù)的大小順序分別為 NI>MI>SI>LI。單因素方差分析的結果表明，土壤分形維數(shù)在NI和MI之間無顯著性差異，但是與其他樣地之間具有顯著差異，LI和SI樣地之間也具有顯著性差異（表2），這說明消落帶濕地淹沒持續(xù)時間較長和較短的區(qū)域都顯著降低分形維數(shù)，且淹沒持續(xù)時間較長的區(qū)域降低更大，而年淹沒和出露持續(xù)時間近似相等的區(qū)域反而保持了分形維數(shù)的穩(wěn)定。

2.3土壤分形維數(shù)與各粒級含量的相關性

粒徑分布作為直接影響土壤機械結構組成的重要因素，也決定著土壤分形維數(shù)的大小，是進行土壤分類的重要標準[6]。消落帶土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級土壤顆粒含量進行線性回歸分析的結果表明，D值僅與土壤黏粒含量之間具有顯著的正相關性（P<0.01），而與粉粒及其砂粒之間并無顯著的相關性（P>0.05）（圖1）。由此認為，土壤黏粒含量的變化對分形維數(shù)的分異主要起了決定性的作用。

2.4消落帶土壤營養(yǎng)的空間格局

土壤有機碳直接影響土壤結構、持水性能和肥力狀況，是反映土壤質量和健康的敏感指標。消落帶土壤有機碳（3.26～4.30 g/kg）和全氮（0.36～0.47 g/kg）含量都顯著低于從未淹沒的樣地有機碳（7.62 g/kg）和全氮（0.84 g/kg）含量。在消落帶區(qū)域，土壤有機碳和全氮含量是LI區(qū)域低于MI區(qū)域和SI區(qū)域，而MI區(qū)域和SI區(qū)域之間并無顯著性差異（圖2）。這與郭泉水等[7]和郭勁松等[8]的研究結果一樣。這說明消落帶區(qū)域受水位消漲的影響，導致土壤質量退化，而淹沒持續(xù)時間較長的樣地土壤質量退化更嚴重。

2.5土壤粒徑分布分形維數(shù)與土壤營養(yǎng)含量的關系

土壤顆粒分形在某種程度上反映了土壤質地和影響土壤營養(yǎng)狀況，而土壤有機質的分布和轉化反過來又影響土壤結構和質地。由表3可知，土壤分形維數(shù)、黏粒與土壤有機碳及其全氮之間都呈現(xiàn)極顯著的正相關性（P<0.01），但是與砂粒及其粉粒之間都無顯著的相關性。這說明土壤分形維數(shù)可以作為土壤有機質含量程度的指征[9]，能反映表層土壤營養(yǎng)的損失狀況。

3討論

土壤分形維數(shù)能夠反映土壤結構的優(yōu)劣。土壤質地與分形維數(shù)成反比的關系，質地愈細，分形維數(shù)愈大，反之亦然。當D>2.88時，分形維數(shù)表征的土壤質地黏重、土壤結構緊實[5]，土壤抗侵蝕性強。本研究中，土壤顆粒組成的分形維數(shù)在2.59～2.65之間，分形維數(shù)（D）主要與黏粒含量之間具有極顯著的正相關性，表明D值的大小主要是受黏粒含量的影響。徐泉斌等研究三峽庫區(qū)消落帶土壤抗蝕性的結果表明，土壤黏粒含量越高，土壤抗侵蝕能力越強[10]。這與本研究的結果相似黏粒含量高，D值大，土壤結構穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力強。

由于淹水擾動程度的不同，致使土壤以黏粒為主的細顆粒和有機質含量損失發(fā)生變化[11-12]。Rieu等研究表明當分形維數(shù)越小，越易發(fā)生水土流失[13]。本研究中，從未淹沒區(qū)域土壤的黏粒含量和分形維數(shù)較大，有機碳和全氮含量最高。這是由于從未被淹沒區(qū)域植被覆蓋較好，土壤侵蝕相對較弱，土壤質地較好，土壤肥力相對最高。這與Liu 等的研究結果[14]一致。Liu 等研究結果表明，保護林地其土壤分形維數(shù)最高[14]。在消落帶區(qū)域內，分形維數(shù)D值在155～165 m區(qū)域內最高，淹沒持續(xù)時間較短區(qū)域土壤顆粒的分形維數(shù)次之，淹沒時間較長區(qū)域最低。雖然水位消漲降低了土壤營養(yǎng)物質的含量，但是155～165 m區(qū)域年淹沒和出露時間近似相等，地上植物多樣性最高[15]，植物根劈的作用，導致土粒不斷破碎，黏粒含量增加，D值變大，土壤結構的穩(wěn)定性得到了保持；淹沒持續(xù)時間較短區(qū)域，水位上升快，下降也快，水位波動的擾動沖刷也較大，結果造成表層土壤細顆粒被流水帶走，土壤有機質和全氮含量也顯著降低；淹沒時間較長區(qū)域受淹水擾動最強烈，淹水狀態(tài)下的土壤由于長期浸泡于水中缺乏地表植被覆蓋保護，水流侵蝕下黏粒物質流失比較嚴重，導致土壤中砂粒含量較高，黏粒和營養(yǎng)物質含量最低，且最易發(fā)生水土流失。這與張世熔等的研究結果[16]相一致。這說明當土壤的分形維數(shù)變小，土壤顆粒變粗，土壤質量退化。

4結論

土壤分形維數(shù)與黏粒含量、有機碳及其全氮之間都具有顯著的正相關性，但是與粉粒及砂粒之間并無顯著的相關性。消落帶區(qū)域，淹沒持續(xù)時間中等的區(qū)域（155～165 m）最高的土壤分形維數(shù)與其地上植被的多樣性高、根劈作用增強有關。這意味著植被的恢復能夠提高土壤的抗侵蝕性，改善土壤結構。淹沒時間較長區(qū)域土壤黏粒含量、分形維數(shù)和營養(yǎng)含量都相對最低。這說明淹沒時間較長的區(qū)域土壤結構變劣，吸附有機質能力較強的黏粒含量下降，土壤質量退化，土壤抗侵蝕能力下降，水土流失加劇。因此增強消落帶淹沒時間較長和較短區(qū)域土壤的抗侵蝕治理勢在必行。

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