韓 笑，佘冬立，王洪德，鄭一鵬

（河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

0 引言

【研究意義】沿海灘涂土地是當(dāng)前可利用的重要土地儲備資源，但濱海圍墾區(qū)在成陸過程中受到海水摻雜等影響，土壤含鹽量高、結(jié)構(gòu)性差且肥力水平低，嚴(yán)重制約了沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)[1-2]?！狙芯窟M(jìn)展】海涂圍墾開發(fā)后，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)是土壤的基本單元和重要參數(shù)，其組成和基本特性對土壤肥力、水分入滲、土壤侵蝕等有重要作用，是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)[3]。Chappell 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，沿海地區(qū)由于受海水入侵影響，土體與地下水體接觸過程中發(fā)生一系列吸附、溶蝕、離子交換、沉淀或結(jié)晶等物理化學(xué)反應(yīng)，使土體的空間結(jié)構(gòu)等性質(zhì)發(fā)生改變。海涂黏土顆粒在水化學(xué)條件改變時可能發(fā)生膨脹或收縮，導(dǎo)致土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變土體的表面性質(zhì)和微孔結(jié)構(gòu)，從而影響水力參數(shù)和水分運(yùn)動過程[5]。土壤顆粒由于在成土過程中受到物理、化學(xué)、生物等因素綜合影響，使得其大小和形態(tài)各異。梁士楚等[6]發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)存在自相似性，且表現(xiàn)出一定的分形特征，可運(yùn)用分形理論定量化研究土壤復(fù)雜體[7]。分形理論自20 世紀(jì)興起后，被逐漸運(yùn)用到存在無特征尺度卻具有自相似性的體系中[8]。Turcotte[9]、Arya 等[10]首先研究了土壤分形現(xiàn)象，計(jì)算對應(yīng)的分形維數(shù)，但這些方法對于實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算存在困難。楊培嶺等[11]推導(dǎo)出用土壤顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算分形維數(shù)的公式，計(jì)算簡便結(jié)果精確。

【切入點(diǎn)】土地利用方式的改變會對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。陸鑄疇等[12]認(rèn)為植物根系固土作用會提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。李建國等[13]發(fā)現(xiàn)海涂墾區(qū)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)因耕層深度、土地利用方式、圍墾時間的變化而不同。目前有關(guān)海涂墾區(qū)不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)分形特征及其影響因素的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，本文選擇濱海圍墾區(qū)的荒地和水稻田2 種土地利用類型，利用分形理論對其土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行探討，同時利用因子分析法探究土壤理化性質(zhì)對團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的影響，以期明確影響濱海土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的主要因素，為濱海土壤結(jié)構(gòu)改良和地力提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣取自江蘇省東臺市條子泥墾區(qū)，為2013 年新圍墾區(qū)，位于江蘇省東臺市東北角（32°33′—32°57′N，120°53′—121°07′E）。研究區(qū)位于我國亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，處于暖溫帶向北亞熱帶的過渡區(qū)域，全年平均氣溫14～15 ℃，年平均降水量1 059.8 mm，降水量季節(jié)變化明顯，冬季氣候寒冷少雨，夏季氣溫高雨量大。

樣品采集于2019 年9—10 月完成。在研究區(qū)內(nèi)自海洋至內(nèi)陸相隔500 m 選擇樣地，其中荒地類型39 塊樣地，水稻田30 塊樣地，共69 塊樣地，每塊樣地占地面積20 m2，試驗(yàn)區(qū)及采樣點(diǎn)見圖1。其中荒地未種植作物，除零星堿蓬等耐鹽植物外，均為裸露地面；水稻田樣地采取稻麥輪作種植模式，取樣時水稻處于黃熟期。在每個樣地內(nèi)隨機(jī)選擇5 個取樣點(diǎn)采集0～20 cm 表層土壤。采集和運(yùn)輸過程中應(yīng)注意土樣免受擾動，防止團(tuán)聚體被破壞。原土用樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，在風(fēng)干過程中沿土壤自然結(jié)構(gòu)小心掰成小土塊，并揀去作物殘根和石礫等。

1.2 樣品測定

水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析采用濕篩法。土壤粒徑組成利用丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的Bettersize2000 激光粒度分析儀測定。土壤浸提液中八大離子測定方法分別為：Na+、K+采用火焰光度法；Mg2+、Ca2+、SO42-采用EDTA 絡(luò)合滴定法；HCO3-、CO32-采用標(biāo)準(zhǔn)稀鹽酸滴定法；Cl-采用標(biāo)準(zhǔn)AgNO3滴定法。有機(jī)質(zhì)量（SOM）采用高錳酸鉀容量法-外加熱法[14]。鈉吸附比（SAR）的計(jì)算式為：

式中：CNa+、CCa2+、CMg2+分別為浸提液中Na+、Ca2+、Mg2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g/kg）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤中＞0.25 mm 的團(tuán)聚體量R0.25計(jì)算式為：

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）計(jì)算式為：

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D 采用楊培嶺等[11]提出的土壤分形模型計(jì)算：

采用Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分形維數(shù)的線性擬合；利用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間Person 相關(guān)性分析及因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成和分形特征

對荒地和水稻田不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體量進(jìn)行分析（表1），墾區(qū)荒地和水稻田的水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成相似，各樣地土壤均以＜0.25 mm 小粒級團(tuán)聚體所占比例最高。土壤大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的數(shù)量和分布特征是表征土壤結(jié)構(gòu)性和抗蝕性的重要指標(biāo)[15]?；牡睾退咎锿寥乐写髨F(tuán)聚體量（R0.25）分別為25.16%和29.37%，水稻田的R0.25高于荒地，說明水稻種植后，更利于土壤中大團(tuán)聚體形成，濱海土壤結(jié)構(gòu)得到改善，滲透性和通氣性得到提高。

表1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)Table 1 Composition and fractal dimension of soil water-stable aggregates

平均重量直徑MWD 和幾何平均直徑GMD 用來反映土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分布狀況，其值越大表明團(tuán)聚體的粒徑團(tuán)聚度越高，抗蝕性越強(qiáng)、穩(wěn)定性越好[16]。種植水稻后土壤MWD 和GMD 分別比荒地提高25.00%和20.45%，表明水稻種植提高了土壤MWD 和GMD。

研究中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)線性方程擬合度較高，R2均在0.91 以上?；牡睾退咎锿寥赖姆中尉S數(shù)分別為2.83 和2.80，可見，水稻種植后，濱海土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)下降，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到改善。

2.2 土壤團(tuán)聚體組成和各參數(shù)間的相關(guān)性分析

由表2 可知，墾區(qū)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD 和GMD 均與D 值顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）負(fù)相關(guān)，即MWD 和GMD 越大，D 值越小。荒地和水稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD 和GMD 均極顯著正相關(guān)，且相關(guān)性均很高，分別為0.868 和0.895?；牡睾退咎锿寥浪€(wěn)性團(tuán)聚體MWD 和GMD 均與0.5～2 mm 粒徑團(tuán)聚體量極顯著正相關(guān)，但荒地土壤MWD 和GMD 與0.053～0.25 mm、＜0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體量極顯著負(fù)相關(guān)，水稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 和GMD 與＜0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體量極顯著負(fù)相關(guān)。表明2 種土壤的0.5～2 mm 和＜0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體量對于MWD 和GMD 的大小有顯著的影響。

荒地和水稻田土壤的D 值均與0.25～0.5 mm 粒徑團(tuán)聚體量顯著負(fù)相關(guān)，而與＜0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體量顯著正相關(guān)，表明大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加會降低土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)。

表2 團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of various parameters of aggregates

2.3 分形維數(shù)影響因子分析

為深入了解濱海土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D 的影響因素，利用因子分析法對影響土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的理化因子（土壤鹽離子量、SAR、SOM、黏粒及粉粒量）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行充足性檢驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 樣本充足性的KMO 值和巴特利球形檢驗(yàn)Table 3 KMO value and Bartley sphere test of sample adequacy

在因子分析中，KMO 值是用于觀測相關(guān)系數(shù)值和偏相關(guān)系數(shù)值的一個指標(biāo)，其值越接近1，表明因子分析的相關(guān)性越強(qiáng)，越適合于作公共因子分析，并且因子分析的結(jié)果越好，越符合客觀事實(shí)。

本試驗(yàn)分析結(jié)果顯示KMO值為0.685，大于0.65。同時巴特利球形檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性遠(yuǎn)小于0.05，表明可以拒絕巴特利球形檢驗(yàn)的零假設(shè)[17]。變量因子的特征值和方差貢獻(xiàn)率大小則用于衡量因子的重要程度。由分析得到的總方差解釋初始特征值可知（表4），前4 個主成分的方差貢獻(xiàn)率之和達(dá)到86.1%，大于85%。綜合以上分析結(jié)果可知該因子分析的結(jié)果可以接受[17]。

表4 總方差解釋初始特征值Table 4 Explains the initial eigenvalues of the total variance

為更加客觀準(zhǔn)確地確定主成分的個數(shù)，作出包含公共因子個數(shù)及其特征值的碎石圖（圖2）。由圖2可以看出，從第5 個特征值開始各特征值變化較小，因此最終應(yīng)保留4 個公共因子，這也與表3 得到的結(jié)果一致。

由提取的4 個公共因子的旋轉(zhuǎn)成分矩陣（表5），可知第一主成分主要表達(dá)Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+；第二主成分主要表達(dá)黏粒量、粉粒量、SOM；第三成分主要表達(dá)HCO3-；第四成分主要表達(dá)SO42-。其中第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最高，因此第一主成分是濱海土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的綜合影響因子。同時由土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)和理化性質(zhì)的相關(guān)性分析（表6）可知，分形維數(shù)D 和Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+均顯著正相關(guān)，這些因子與第一主成分表達(dá)內(nèi)容一致。因子分析和相關(guān)性分析共同證明了濱海土壤團(tuán)聚體分形維數(shù) D 和Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+的相關(guān)關(guān)系。

表5 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 5 Composition matrix after rotation

表6 團(tuán)聚體分形維數(shù)D 與理化因子間相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between fractal dimension D of aggregates and physical and chemical factors

3 討論

3.1 圍墾對海涂土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)影響

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性受到土地利用方式的影響。李涵韜等[18]發(fā)現(xiàn)土地復(fù)墾后＞0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例增大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。本研究表明，沿海灘涂墾區(qū)種植水稻后，土壤中大團(tuán)聚體量增加，團(tuán)聚體水穩(wěn)性高于荒地，土壤結(jié)構(gòu)得到改善。研究發(fā)現(xiàn)，水稻田土壤和荒地土壤相比，分形維數(shù)減小，表明在水稻種植后濱海土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)得到改善。這是因?yàn)樵诨牡亻_墾后，小粒徑團(tuán)聚體逐漸聚合成大粒徑團(tuán)聚體，而由相關(guān)性分析可知，分形維數(shù)和較大粒徑團(tuán)聚體顯著負(fù)相關(guān)，而與較小粒徑團(tuán)聚體顯著正相關(guān)，因此水稻的種植會降低土壤的團(tuán)聚體分形維數(shù)。GMD 和MWD 均與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。表明較大粒徑團(tuán)聚體可以提高GMD 和MWD，降低分形維數(shù)，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，這與李涵韜等[18]研究結(jié)果一致。因此，促進(jìn)土壤大粒徑團(tuán)聚體的形成是提升濱海灘涂墾區(qū)土地質(zhì)量的重要途徑，對墾區(qū)土壤開發(fā)利用具有重要意義。

3.2 土壤理化性質(zhì)對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

因子分析法可以從眾多影響因子中提取出方差貢獻(xiàn)率最大的因子，簡化多因素影響的問題[19]。利用因子分析統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SAR、Cl-對團(tuán)聚體分形維數(shù)有顯著影響。鹽基離子影響團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)主要是因?yàn)槲锢砘瘜W(xué)分散作用[20]。陽離子的種類和價態(tài)會影響團(tuán)聚體顆粒的破碎程度[21]，最終導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性不同。

研究表明，鈉離子與團(tuán)聚體分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明土壤中鈉離子量越多，分形維數(shù)越大，表明團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。這是因?yàn)闉┩客寥乐芯哂休^高的交換性鈉離子，而交換性鈉離子對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響最大[22]，因其較強(qiáng)的分散能力會使得土壤膠體顆粒間相互吸引力下降而直接導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎，大粒徑團(tuán)聚體分散，小粒徑團(tuán)聚體增加，進(jìn)而導(dǎo)致分形維數(shù)D 增大。相同價態(tài)鉀離子影響顆粒間相互作用力的能力相比鈉離子而言較弱，因此其分散團(tuán)聚體能力也相對較弱[23]。

由相關(guān)性分析可知，Mg2+、Ca2+均與分形維數(shù)D顯著正相關(guān)，即Mg2+、Ca2+也會對團(tuán)聚體起分散作用。但Le[20]卻認(rèn)為單價陽離子對團(tuán)聚體有分散作用，而多價陽離子則引起團(tuán)聚體絮凝。這與我們的研究結(jié)果存在差異。這主要因?yàn)镸g2+、Ca2+對團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的性質(zhì)和程度會隨著黏土性質(zhì)和電解質(zhì)的濃度不同而發(fā)生變化[24]，Yousaf 等[25]研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，即Mg2+和Ca2+分散能力隨SAR 的增加而增加，隨電解質(zhì)量的降低而降低。灘涂土壤較其他土壤具有高鈉吸附比，因此Mg2+、Ca2+對于灘涂土壤團(tuán)聚體表現(xiàn)出分散性。同時吳忠東等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤溶液鈉吸附比增加，則部分交換性鈣鎂離子會被鈉離子取代，因此表現(xiàn)為隨土壤中交換性鈉的增加，引起土壤顆粒的膨脹和分散，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性越差，分形維數(shù)越高。

李越等[27]研究表明，陰離子的專性吸附會由于增加土壤顆粒表面的負(fù)電荷密度，而增強(qiáng)顆粒周圍的靜電斥力，進(jìn)而加劇團(tuán)聚體的分散。但Cl-主要以電性吸附為主，而專性吸附較弱，發(fā)生電性吸附的離子主要由于庫侖力的作用吸附在擴(kuò)散層中，對顆粒表面負(fù)電荷密度不會產(chǎn)生影響，因此Cl-對團(tuán)聚體分散的作用較弱，因此對團(tuán)聚體分形維數(shù)的影響相對較小。

Zhou 等[28]研究成果顯示土壤有機(jī)質(zhì)量越高而黏粒量越低，則團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。但本研究中有機(jī)質(zhì)及黏粒量對團(tuán)聚體影響并不十分顯著，這可能由于研究區(qū)耕地種植年限較短，粉砂土黏粒量低，有機(jī)質(zhì)太少，對于團(tuán)聚作用較小。

4 結(jié)論

灘涂圍墾區(qū)種植水稻能夠提高土壤的團(tuán)聚性，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善，體現(xiàn)為小粒徑團(tuán)聚體量減小而大粒徑團(tuán)聚體量增加，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)降低。團(tuán)聚體分形維數(shù)隨較小粒徑團(tuán)聚體量增加而增大，隨較大粒徑團(tuán)聚體量增加而減小。土壤的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤中Na+、Mg2+、Ca2+、K+、SAR、Cl-對研究區(qū)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)貢獻(xiàn)率較大，且與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)。本研究揭示了土地利用類型及部分土壤理化性質(zhì)（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、SAR、Cl-）是影響墾區(qū)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布以及影響團(tuán)聚體分形維數(shù)的因素。