張海廷, 時(shí)延慶

(濟(jì)寧市水文局, 山東 濟(jì)寧 272019)

土壤是由大小和形態(tài)各異的固體顆粒及孔隙組成的物質(zhì)，作為土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元，土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并間接影響了土壤的水分特性、肥力狀況以及侵蝕強(qiáng)度等理化性質(zhì)[1-2]。由于其自身的構(gòu)成及其特性，具有自相似特征或分形特征，通常用土壤粒徑大小分形維數(shù)(又稱分維數(shù)或分維)來(lái)描述其分形特征[3]。近年來(lái)隨著分形幾何學(xué)的發(fā)展，分形理論及其方法逐步應(yīng)用到來(lái)土壤科學(xué)研究中，涉及了土壤機(jī)械組成、水分特征、土壤肥力等方面，在一定程度上推動(dòng)土壤形態(tài)、過(guò)程等復(fù)雜問(wèn)題的定量化解決。分形理論在土壤特性的研究中應(yīng)用非常廣泛，如土壤結(jié)構(gòu)、水分特征以及有機(jī)質(zhì)等方面，已成為定量化研究土壤復(fù)雜性和不規(guī)則性的一種有效工具[4]。研究表明，土壤粒徑分形維數(shù)不僅可以表征土壤的顆粒分布特征和質(zhì)地均勻程度，還可以用于反映土壤的風(fēng)蝕化程度等；土壤的分形維數(shù)與各粒徑顆粒的含量均顯著相關(guān)，而且影響著土壤養(yǎng)分的分布特征[5]。

由于土壤內(nèi)部的物理、化學(xué)、生物等過(guò)程的相互影響以及各種地質(zhì)過(guò)程和人為措施的干擾，土壤在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面表現(xiàn)為復(fù)雜的自然體[6]。雖然土壤結(jié)構(gòu)在表觀上是一個(gè)不規(guī)則的幾何形體，卻是有著自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。因此可以利用分形幾何學(xué)研究土壤的性狀特征[7]。把分形理論及其方法應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，可推動(dòng)土壤形態(tài)、過(guò)程等復(fù)雜問(wèn)題的解決，并可在一定程度上使其定量化。自Tyler等提出土壤顆粒粒徑分布的質(zhì)量分形維數(shù)計(jì)算公式后，分形維數(shù)便在土壤科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。楊培嶺等[8]提出了一種用質(zhì)量分形代替粒徑分形的土壤顆粒分形維數(shù)的求解模型，并從理論上證明該模型的合理性。吳承禎等[9]研究表明分形維數(shù)可以很好地反映土壤的肥力特征。隨著激光衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，土壤顆粒體積分布特征更容易且精確得到，王國(guó)梁等[7]在前人的公式和模型的基礎(chǔ)上，采用土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念，被越來(lái)越多的學(xué)者應(yīng)用于土壤分形特征的研究中。

土地利用是人類(lèi)干預(yù)土壤肥力最重要、最直接的活動(dòng)，通過(guò)改變土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度、總量及路徑，通過(guò)改變土壤的水熱條件等從而影響土壤養(yǎng)分的流動(dòng)與轉(zhuǎn)化。土地利用變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過(guò)程變化，揭示土壤顆粒組成變化特征是土地利用和管理活動(dòng)研究中的一個(gè)重要部分[7,10]。通過(guò)不同土地利用方式土壤顆粒時(shí)空分異特征，可以分析土壤的發(fā)育狀況，物理化學(xué)性狀及生態(tài)環(huán)境變化情況，研究表明土壤分形維數(shù)值可以作為土壤侵蝕方式的判斷指標(biāo)[11]。土地利用變化可以改變地表覆被狀況，并影響許多生態(tài)過(guò)程，如增加生物多樣性、多樣化食物鏈和營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成，降低地表侵蝕和改變徑流、土壤環(huán)境等；反之，由于植被的劣變，容易引發(fā)土地沙漠化、土壤鹽漬化、草場(chǎng)退化、生物多樣性減少、區(qū)域氣候環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[12-13]。合理的土地利用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力；不合理的土地利用會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，增強(qiáng)土壤侵蝕，降低生物多樣性[14-15]。近年來(lái)，對(duì)土壤顆粒分形的研究屢見(jiàn)不鮮，但對(duì)土壤顆粒分形的研究和針對(duì)沿海地區(qū)土壤分形特征的文章鮮見(jiàn)報(bào)道。本文利用分形理論，研究不同土地利用方式下土壤顆粒分形特征，分析不同土地利用下土壤顆粒的分形維數(shù)以及分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，以期揭示土壤顆粒組成，將土壤顆粒分形維數(shù)應(yīng)用該區(qū)生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2014—2016年的9月中旬，按照不同的土地利用方式、面積比例、坡度和坡向進(jìn)行土樣采集，采樣點(diǎn)遍布整個(gè)山東省，共計(jì)采樣點(diǎn)120個(gè)，每種土地利用方式設(shè)置5個(gè)重復(fù)樣地(樣地面積為100 m×100 m左右)，每個(gè)樣地相距100 m左右，隨機(jī)設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)間距在10 m以上，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)取5次作為平行，5個(gè)平行之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°(合計(jì)：n=120)(圖1)。采用四分法取樣(保留1 kg左右)，按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—50 cm，50—60 cm深度由下向上分層采集各土層的土壤樣品，每層采土樣約1.0 kg；所取樣品現(xiàn)場(chǎng)過(guò)2 mm篩后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后去除雜質(zhì)對(duì)其養(yǎng)分和有效養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定。

1.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定

土壤顆粒組成采用吸管法測(cè)定，根據(jù)美國(guó)農(nóng)部制將土壤顆粒級(jí)別分為粗砂粒(2～0.5 mm)、中砂粒(0.5～0.25 mm)、細(xì)砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤含水量用鋁盒烘干法(105℃下烘8 h)測(cè)定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮用流動(dòng)分析儀測(cè)定；全磷含量采用酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3 土壤分形維數(shù)測(cè)定

1983年Mandelbrot等[16]首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler、楊培嶺等[8]在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行推廣，提出用粒徑的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型，本文采用楊培嶺等[8]的以不同級(jí)別顆粒的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型。土壤顆粒質(zhì)量分布與平均粒徑的分形關(guān)系式為：

式中：di表示粒徑的平均值；dmax表示最大粒徑的平均值；W(δ

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分分布特征

根據(jù)研究區(qū)不同土地利用方式，對(duì)其土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析(表1)。見(jiàn)表1，不同土地利用方式土壤養(yǎng)分有明顯的不同。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：林地和草地顯著高于耕地和農(nóng)地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著(p>0.05)，除了耕地和農(nóng)地土壤全磷差異不顯著(p>0.05)，其他養(yǎng)分含量耕地和農(nóng)地差異均顯著(p<0.05)。

圖1 研究區(qū)采樣分布圖

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤顆粒分布特征

根據(jù)研究區(qū)不同土地利用方式土壤粒徑分布及分形維數(shù)等進(jìn)行分析(表2)。由表2看出，不同土地利用方式土壤粒徑分布有明顯的不同，黏粒含量占主導(dǎo)地位，黏粒含量百分比在45.98%～67.12%之間。細(xì)砂粒和中砂粒含量百分比分別位于5.70%～18.06%和2.05%～9.25%之間，粗砂粒含量相對(duì)較低。研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)變化范圍是2.783～2.963，表明土壤質(zhì)量較好。有較高分形維數(shù)的地類(lèi)對(duì)應(yīng)于較高的土壤質(zhì)量。因此，與單純依靠土壤粒徑分布或土壤質(zhì)地相比，土壤顆粒分形維數(shù)在比較不同植被土地質(zhì)量時(shí)能提供更多的信息。不同土地利用類(lèi)型的分形維數(shù)表現(xiàn)為耕地>草地>農(nóng)地>林地，說(shuō)明耕地的土壤相對(duì)更好，這是因?yàn)闂l件好、土層厚的土地主要用來(lái)種植農(nóng)作物，而大多數(shù)林地植被生長(zhǎng)在立地條件相對(duì)較差的環(huán)境。

表2 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.3 不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

由圖2可知，不同土地利用方式土壤顆粒分形具有明顯的分形特征，各土地利用方式下土壤顆粒分形特征均表現(xiàn)為黏粒含量>細(xì)沙含量>中砂含量>粉粒含量>粗砂含量，其中，農(nóng)地和耕地土壤黏粒含量最高，土壤黏粒平均含量變化范圍在45.98%和67.12%之間；土壤粉粒平均含量變化范圍在3.02%和13.25%；粉粒平均含量變化范圍在5.70%和18.06%之間；細(xì)砂含量變化范圍在4.36%和15.26%；土壤粗砂含量變化范圍在0.49%和2.96%。

圖2不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

2.4 土壤顆粒分布的分形維數(shù)在剖面中的變化

從圖3可以看出，不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數(shù)隨著土層深度增加逐漸增大，隨著土層深度增加逐漸接近；0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數(shù)在不同深度土壤之間變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。總體上，隨土層深度增加土壤顆粒分布的分形維數(shù)逐漸增大，說(shuō)明土地利用方式是決定深層土壤顆粒分布分形維數(shù)的關(guān)鍵因素。

圖3不同土地利用方式土壤顆粒分形維數(shù)

2.5 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑分布的關(guān)系

土壤粒徑分布與土壤分形維數(shù)(D)的關(guān)系見(jiàn)表3。由表可知，林地土壤分形維數(shù)與粗砂粒呈線性負(fù)相關(guān)，且分別達(dá)到極顯著水平；農(nóng)地土壤分形維數(shù)與粉粒呈線性極顯著負(fù)相關(guān)；草地土壤分形維數(shù)與黏粒含量呈線性負(fù)相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平，這與陳子玉及高君亮等的研究一致。耕地土壤分形維數(shù)與黏粒含量呈極線性負(fù)相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平，與土地利用方式有較大的差異。

表3 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

注：*，p<0.05；**，p<0.01。下表同。

由表4中相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與粉粒含量相關(guān)性不顯著。這表明土壤顆粒分布的分形維數(shù)對(duì)各個(gè)粒級(jí)土粒含量反映程度的大小不同，土壤中砂粒含量越少，黏量越高，分形維數(shù)越大。砂粒及黏粒相對(duì)含量決定土壤顆粒組成的分形維數(shù)。其他學(xué)者在不同條件下的研究均得到土壤砂粒、黏粒含量與土壤顆粒組成分形維數(shù)之間相關(guān)一致性的結(jié)論，蘇永忠等、柳妍妍等、呂勝橋等研究表明粉粒含量與土壤顆粒組成分形維數(shù)呈顯著相關(guān)性，與本研究結(jié)論不一致。

表4 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.6 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表5。土壤顆粒是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，一定程度上會(huì)影響表征土壤結(jié)構(gòu)狀況的指標(biāo)。由表5可知，分形維數(shù)均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明分形維數(shù)的大小可以表征土壤的密實(shí)程度，隨著黏粒含量的增加，分形維數(shù)越高，土壤黏粒含量越豐富。一方面，黏粒含量高的土壤有利于形成土壤團(tuán)聚體，形成良好的結(jié)構(gòu)，增加土壤毛管孔隙；另一方面單位土粒表面積越大，土壤對(duì)水分子的吸附力(粘滯力)越大，在土壤孔隙比相同的情況下，毛細(xì)管尺寸越小，與接觸面水膜引起的毛細(xì)管壓力的作用降低了水的勢(shì)能，使其保持在土壤孔隙中不易排出，則土壤的持水性增強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)含量越高，研究區(qū)土壤就相對(duì)疏松，分形維數(shù)就越低。另外，總氮與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，這是因?yàn)榭偟杏袡C(jī)氮含量占主要部分，有機(jī)質(zhì)含量高，總氮含量也就相對(duì)較高。

表5 不同土地利用方式下土壤分形維數(shù)與養(yǎng)分之間的相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著(雙尾)。

3 討 論

土壤顆粒組成是土壤重要的物理特性之一，對(duì)土壤肥力狀況、水分特征等物理性質(zhì)有著明顯影響，在反映土地利用方式變化對(duì)土壤侵蝕的影響有重要的意義。本研究中土壤顆粒組成以黏粒含量占主導(dǎo)地位，與前人研究結(jié)果相似[16-18]。相較于坡耕地，天然林、人工林和草地，土壤大粒徑顆粒呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中林地增加幅度達(dá)到顯著水平。耕地由于人為耕作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)體破壞，小粒徑顆粒很難形成大顆粒，另一方面由于耕作管理方式和土壤侵蝕的作用，坡耕地的作物秸稈和根系很難返回到土壤中，從而降低了有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤顆粒的粘結(jié)作用，因此耕地的耕作層小粒徑顆粒較多。草地和林地由于無(wú)耕作措施，增加了根系對(duì)土壤團(tuán)聚體的粘結(jié)作用，促進(jìn)了小顆粒通過(guò)團(tuán)聚作用形成大顆粒，在本研究中林地中大粒徑增加幅度要大于草地，這主要是由于林地較草地有更好的植被群落結(jié)構(gòu)，凋落物和根系更為豐富，對(duì)小粒徑顆粒的粘結(jié)作用更加大，另外良好的植被層次保證了林地水分條件更好，為微生物提供了更好的生境，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)與代謝，進(jìn)一步促進(jìn)了小粒徑團(tuán)聚為大粒徑[19]。

分形維數(shù)常被用來(lái)反映土壤質(zhì)地、均一程度、物理性狀及肥力特征，與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系緊密，分形維數(shù)越小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)[20]。本研究中發(fā)現(xiàn)林地和農(nóng)地分形維數(shù)均低于耕地和草地，表明林地的土壤結(jié)構(gòu)較好，結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，這和林地具有較好的植被群落結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的根系系統(tǒng)有關(guān)，根系對(duì)土壤的穿插和纏結(jié)加速了土壤結(jié)構(gòu)體的形成，根系表面的分泌物、根毛等物質(zhì)也促進(jìn)了土壤顆粒的粘結(jié)，提高了結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性。草地雖然較坡耕地沒(méi)有顯著變化，但是在0—50 cm仍舊呈降低趨勢(shì)，表明耕作對(duì)結(jié)構(gòu)體的影響還是比較明顯的。土壤顆粒分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地密切相關(guān)。土壤質(zhì)地越粗分形維數(shù)越小，質(zhì)地越細(xì)分形維數(shù)越大。楊培嶺等發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)與土壤黏粒、粉粒、砂粒的質(zhì)量百分含量均具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中黏粒含量越高，土壤質(zhì)量分形維數(shù)越大，粉粒和砂粒含量越高，土壤質(zhì)量分形維數(shù)越低[2,21]。本研究土壤黏粒、粉粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量均達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)水平，而土壤砂粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量為正相關(guān)，而土壤顆粒組成與土壤全磷含量均未達(dá)到顯著水平，這和黨亞愛(ài)等[14]的研究結(jié)果相似，證明了土壤顆粒組成繼承了土壤母質(zhì)的特征，受環(huán)境生態(tài)等過(guò)程的影響。

對(duì)分形維數(shù)與不同粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量含量的相關(guān)分析表明，土壤分形維數(shù)與粗砂含量、中砂含量和細(xì)砂含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都較低，可能與斑塊狀植被的分布格局，植被的蓋度、高度，微地形的起伏變化等因素有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究；而分形維數(shù)與粉砂含量呈正相關(guān)關(guān)系，即粉砂含量越高，分形維數(shù)越大。陳小紅等[22]結(jié)合相關(guān)分析法和回歸分析法得出，黑河中游荒漠—綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過(guò)渡帶的土壤顆粒分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與黏粉粒及各養(yǎng)分指標(biāo)均呈顯著的正相關(guān)；對(duì)土壤顆粒分形維數(shù)變化幅度的影響依次為黏粒、粉粒、砂粒，且分形維數(shù)對(duì)黏粒含量的變化最為敏感。賈曉紅等[23]認(rèn)為，分形維數(shù)與黏粒和粉粒含量呈顯著的線性正相關(guān)。本文研究的結(jié)果與上述結(jié)果基本一致，即土壤中黏粒、粉粒含量越高，土壤分形維數(shù)就越大；而砂粒含量越高，土壤分形維數(shù)就越低說(shuō)明植被覆蓋度較低，表層土壤干燥，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁發(fā)生的同時(shí)，往往伴隨土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)的損失，因?yàn)?，只有?xì)顆粒物質(zhì)才能隨氣流飄揚(yáng)出區(qū)域外。土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)的損失致使表層土壤粗?；潭燃觿?，分形維數(shù)減少。因此，土壤質(zhì)量分形維數(shù)在很好地反映土壤中不同粒徑的顆粒損失狀況的同時(shí)，還可以反映沙化的程度。由于土壤細(xì)顆粒物質(zhì)含量的增加和粗顆粒物質(zhì)含量的降低，共同導(dǎo)致了土壤顆粒分形維數(shù)的增加，有利于土壤水分的有效保持和儲(chǔ)存，可促進(jìn)斑塊植被的自然恢復(fù)。

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：林地和草地顯著高于耕地和農(nóng)地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著(p>0.05)。不同土地利用方式土壤粒徑分布中，黏粒含量占主導(dǎo)地位，黏粒含量百分比為45.98%～67.12%，粗砂粒平均含量相對(duì)較低。

(2) 不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數(shù)隨著土層深度增加逐漸增大，0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數(shù)變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。

(3) 回歸分析表明不同土地利用方式土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑呈顯著或極顯著的線性負(fù)相關(guān)(p<0.05，p<0.01)。相關(guān)分析表明不同土地利用方式土壤分形維數(shù)均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮呈正相關(guān)。綜上所述，不同土地利用方式下土壤顆粒組成差異較大，草地和林地相對(duì)于耕地和農(nóng)地大顆粒含量明顯增多，小顆粒明顯減少，土壤顆粒分布的分形維數(shù)可以作為表征土壤肥力狀況指標(biāo)。

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