楊振奇，秦富倉(cāng)，李 龍，郭建英，王 燕

砒砂巖區(qū)不同侵蝕程度表土多重分形特征與持水特性關(guān)系①

楊振奇1，秦富倉(cāng)2*，李 龍2，郭建英1，王 燕2

(1水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018)

以砒砂巖區(qū)鮑家溝流域不同侵蝕程度的表層土壤(0 ～ 20 cm)為研究對(duì)象，運(yùn)用多重分形和典型相關(guān)分析相結(jié)合的方法，研究土壤粒徑分布特性與土壤持水能力的相互關(guān)系。結(jié)果表明：①砒砂巖區(qū)不同侵蝕程度土壤粒徑分布介于2.13 ～ 2390 μm，砂粒含量遠(yuǎn)高于粉粒和黏粒，隨著侵蝕程度的加劇，土壤砂粒含量增加；②廣義維數(shù)譜()呈“Z型”遞減曲線，且0>1>2，土壤顆粒分布存在明顯的非均勻性，可以通過(guò)多重分形對(duì)其進(jìn)行描述；③土壤總孔隙度介于33.07% ～ 46.20%，隨著侵蝕程度加劇孔隙度和持水量呈下降趨勢(shì)。土壤顆粒多重分形特征與持水能力存在正相關(guān)關(guān)系，其中通氣孔隙度和顆粒分布關(guān)聯(lián)維數(shù)在交互影響過(guò)程中起引導(dǎo)作用。

砒砂巖區(qū)；土壤粒徑分布；土壤持水；典型相關(guān)分析；多重分形特征

土壤是由無(wú)數(shù)細(xì)小顆粒組成的疏松多孔介質(zhì)，細(xì)小顆粒作為土壤的基本構(gòu)成單元，其粒徑分布特征是土壤的重要物理性質(zhì)之一。土壤顆粒間的孔隙是水分的主要存儲(chǔ)空間，大量研究證實(shí)，土壤粒徑分布特征決定了土壤的理化性質(zhì)和持水性能[1]。定量研究土壤粒徑分布特征及其對(duì)于土壤性質(zhì)的影響機(jī)制，是土壤物理學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期的重點(diǎn)研究任務(wù)之一。特別是在水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，土壤中細(xì)顆粒極易在外營(yíng)力作用下被剝蝕搬運(yùn)，造成土壤水肥的流失和土地生產(chǎn)力的退化[2]，研究這些區(qū)域土壤粒徑分布規(guī)律及其對(duì)區(qū)域環(huán)境生態(tài)修復(fù)的響應(yīng)機(jī)理，更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。目前，土壤粒徑分布特征的主要研究手段有比重計(jì)法、吸管法以及激光衍射法，特別是激光粒度衍射法，因其測(cè)量方法便捷且結(jié)果準(zhǔn)確已成為近十年內(nèi)較為常用的粒度分析方法[3-5]。應(yīng)用分形理論研究土壤粒徑分布的自相似特征是近年來(lái)較為通用的方法，比較有代表性的研究有：楊培嶺等[6]通過(guò)粒徑的數(shù)量分布確定了土壤分形特征模型；黃冠華等[7]應(yīng)用分形維數(shù)與土壤質(zhì)地和土壤水分特征曲線的關(guān)系進(jìn)行了研究；楊金玲等[8]確定了土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)與體積分形維數(shù)的關(guān)系研究。當(dāng)今，激光衍射測(cè)量法和分形理論已成為研究土壤粒度分布規(guī)律的有效工具。

黃河流域的晉陜蒙三省交界地區(qū)，分布著俗稱“砒砂巖”的松散巖層，砒砂巖成巖程度低，極易侵蝕產(chǎn)沙[9]，該區(qū)也因此成為黃河粗泥沙的集中來(lái)源區(qū)。砒砂巖區(qū)天然植被稀疏，人工植被建設(shè)是該區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要措施。砒砂巖區(qū)氣候干旱，土壤持水能力對(duì)人工植被建設(shè)的成效極為關(guān)鍵。因此，研究砒砂巖區(qū)土壤顆粒分布規(guī)律及其對(duì)土壤持水性能的關(guān)系，對(duì)于提高人工植被成活率，促進(jìn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)有重要現(xiàn)實(shí)意義。單重分形維數(shù)只能對(duì)土壤顆粒的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，對(duì)于局部異質(zhì)性的描述則存在一定的局限性[10]，部分專(zhuān)家學(xué)者選擇運(yùn)用多重分形方法對(duì)土壤顆粒分布的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行更為細(xì)致的研究，研究成果多集中在黃土丘陵區(qū)、沙地以及采煤塌陷區(qū)等區(qū)域[11-13]，運(yùn)用多重分形方法對(duì)砒砂巖區(qū)土壤粒度的研究相對(duì)較少。為此，本研究選擇內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗砒砂巖區(qū)為研究區(qū)，選取不同侵蝕程度下的土壤為研究對(duì)象，運(yùn)用多重分形理論和典型相關(guān)分析方法，分析不同侵蝕強(qiáng)度土壤粒度的多重分形特征與土壤持水特性的關(guān)系，以期為砒砂巖區(qū)水土流失治理工作以及區(qū)域生態(tài)用水平衡的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)的鮑家溝流域，流域面積12.67 km2，地理坐標(biāo)為110°31′ ～ 110°35′E、39°46′ ～ 39°48′N(xiāo)，海拔1 110 ～ 1 300 m，地形北高南低；溫帶大陸性氣候，冬季漫長(zhǎng)干燥，夏季短暫溫?zé)?，年均氣?.2 ℃，年降水量400 mm；土壤類(lèi)型以粗骨栗鈣土為主，土壤侵蝕類(lèi)型有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕以及重力侵蝕等。流域內(nèi)土壤侵蝕治理措施以營(yíng)造人工植被和封育禁牧措施為主，主要人工植被有：油松()、側(cè)柏()、檸條()以及沙棘()等；草本植物主要有羊草()、豬毛菜()和阿爾泰狗娃花()等。

1.2 采樣及測(cè)定方法

2017年7月通過(guò)對(duì)研究流域內(nèi)的土壤侵蝕程度[14]進(jìn)行調(diào)查，研究流域侵蝕程度以輕度和中度侵蝕為主，輕度和中度侵蝕主要分布在植被覆蓋度較高的坡面平緩坡地帶，強(qiáng)度和劇烈侵蝕主要分布在溝道和梁峁頂部基巖出露的地帶(表1)。每類(lèi)侵蝕程度下布設(shè)取樣點(diǎn)25個(gè)，采集表層(0 ～ 20 cm)土樣，并設(shè)置3個(gè)重復(fù)取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干處理備用，土壤粒度測(cè)定采用馬爾文30000(測(cè)量區(qū)間0.01 ～ 3 000 μm)激光粒度分析儀，顆粒分級(jí)采用USDA制(下同)。

表1 樣地基本情況表

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 粒度參數(shù)的計(jì)算 采用Folk-Ward圖解法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(0)、偏度(SK)和峰度(K)[15]，計(jì)算公式如下：

式中：值是土壤顆粒直徑經(jīng)過(guò)負(fù)對(duì)數(shù)變換后的值，5、16、25、50、75、84、95分別為累積頻率為5%、16%、25%、50%、75%、84% 和95% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的值。

標(biāo)準(zhǔn)偏差是度量數(shù)據(jù)分布離散程度的指標(biāo)，0<0.35分選性極好，0.35<0≤0.50分選性好，0.50<0≤0.71 分選性較好，0.71<0≤1.00分選性中等，1.00<0≤2.00 分選性較差，2.00<0≤4.00 分選性差，0>4.00分選性極差。偏態(tài)系數(shù)反映了土壤顆粒相對(duì)于平均值的對(duì)稱程度，–1.0≤SK<–0.3 極負(fù)偏，–0.3≤SK<–0.1 負(fù)偏，–0.1≤<0.1 近于對(duì)稱，0.1≤<0.3 正偏，0.3≤<1.0 極正偏。峰度衡量實(shí)數(shù)隨機(jī)變量概率分布的峰態(tài)，K≤0.67很寬平，0.67<K≤0.9 寬平，0.9<K≤1.11 中等，1.11<K≤1.56 尖窄，1.56<K≤3.00很尖窄，K>3.00極尖窄。

1.3.2 分形參數(shù)的計(jì)算 采用土壤粒徑體積數(shù)據(jù)計(jì)算一維分形維數(shù)和多重分形維數(shù)[16]，一維分形維數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：為小于粒徑的土壤總體積，T為土壤總體積，R為某粒徑，max為最大粒徑，為分形維數(shù)。

多重分形參數(shù)計(jì)算前需構(gòu)造配分函數(shù)，將激光粒度的測(cè)量區(qū)間按照對(duì)數(shù)等差遞增的形式劃分為64個(gè)小區(qū)間，區(qū)間大小為= 5×2–k(取值范圍為1 ～ 6的整數(shù))，() 為每個(gè)子區(qū)間土壤粒徑的分布概率密度，則配分函數(shù)組為[17]：

由此可得粒徑分布多重分形的廣義維數(shù)譜為：

多重分形奇異性指數(shù)可由下式計(jì)算：

相應(yīng)的多重分形譜函數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：為實(shí)數(shù)，u(,)為第個(gè)區(qū)間的階概率。當(dāng)= 0、1、2時(shí)，計(jì)算的廣義維數(shù)譜函數(shù)() 分別為0(容量維)、1(信息維)、2(關(guān)聯(lián)維)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 分形維數(shù)和其余粒度參數(shù)的計(jì)算在Microsoft Excel 2016中完成，方差分析、典型相關(guān)分析在DPS 7.5中完成，數(shù)據(jù)可視化在Orgin 9.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同侵蝕程度土壤顆粒分布特征

土壤顆粒體積頻率曲線和累積頻率曲線可以直觀地反映土壤中各粒級(jí)顆粒含量情況。由累積頻率曲線(圖1A)可知，砒砂巖區(qū)各侵蝕程度下土壤粒徑為2.13 ～ 2 390 μm，土壤顆粒整體較粗，黏粒(粒徑<2 μm)體積占比不足1%，粉粒(2 ～ 50 μm)體積占比依次為輕度侵蝕(11.69%)>中度侵蝕(11.04%)>強(qiáng)度侵蝕(6.02%)>劇烈侵蝕(5.63%)，砂粒(50 ～ 2 000 μm)體積占比在88% 以上；按照土壤質(zhì)地分類(lèi)方法，研究區(qū)土壤質(zhì)地均屬砂土(USDA制)。隨著粒徑的增加，累積頻率曲線劇烈抬升，顆粒體積進(jìn)入快速的積累階段，土壤中50 ～ 1 000 μm范圍內(nèi)的顆粒含量大幅提升，說(shuō)明了各侵蝕程度下的土壤機(jī)械組成以極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂和粗砂(USDA制)含量為主。從土壤顆粒的體積頻率曲線(圖1B)來(lái)看，中度、強(qiáng)度和劇烈侵蝕土壤顆粒曲線呈單峰形式，表明中度、強(qiáng)度和劇烈侵蝕程度下的土壤粒徑分布較為集中；而輕度侵蝕土壤顆粒曲線呈近似雙峰形態(tài)，曲線起伏度較其他侵蝕類(lèi)型較低，波峰的出現(xiàn)位置也相對(duì)較早，這表明輕度侵蝕土壤顆粒分布情況較為離散，同時(shí)其各徑級(jí)土壤顆粒組成分布也較為均勻。

結(jié)合表2來(lái)看，不同侵蝕程度土壤顆粒的平均粒徑大小依次為輕度侵蝕(159.98 μm)<中度侵蝕(233.54 μm)<強(qiáng)度侵蝕(249.47 μm)<劇烈侵蝕(374.65 μm)，隨著侵蝕程度的增強(qiáng)，土壤中細(xì)顆粒流失量加劇，土壤粗?；F(xiàn)象加重。標(biāo)準(zhǔn)偏差可以反映土壤粒徑數(shù)據(jù)分布的離散程度，可以看出不同侵蝕程度頻率曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)介于1.04 ～ 1.60，顆粒的分選性均屬中等水平。峰度則衡量了土壤粒徑數(shù)據(jù)概率分布的峰態(tài)，不同侵蝕程度土壤顆粒的峰度系數(shù)為1.12 ～ 1.47，曲線形態(tài)均屬尖窄形，但輕度和中度侵蝕的曲線形態(tài)相對(duì)較為寬平。通過(guò)偏態(tài)系數(shù)的差異，可以比較各頻率曲線的對(duì)稱程度，其中輕度侵蝕(–0.04)土壤顆粒曲線接近對(duì)稱分布，強(qiáng)度侵蝕(0.20)和中度侵蝕(0.30)顆粒曲線屬正偏類(lèi)型，而劇烈侵蝕(0.34)土壤顆粒曲線屬極正偏類(lèi)型，表明輕度侵蝕狀態(tài)的土壤顆粒組成情況較為均勻，而其余侵蝕程度的土壤顆粒組成中粗顆粒占據(jù)主體地位。以上頻率分布和粒度參數(shù)特征反映了不同侵蝕程度土壤顆粒的整體性和平均性情況，細(xì)節(jié)特征和局部變異規(guī)律則需要通過(guò)進(jìn)一步的分析確定。

表2 土壤粒度參數(shù)

注：表中同一列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示不同侵蝕土壤粒度參數(shù)差異顯著(<0.05)。

2.2 不同侵蝕程度土壤顆粒的分形特征

多重分形是分形理論的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)計(jì)算土壤顆粒在不同徑級(jí)單元內(nèi)的概率分布構(gòu)造多重分形譜，從而對(duì)土壤顆粒分布的局部變異和非均勻特征進(jìn)行描述。圖2A為不同侵蝕程度土壤顆粒分布的廣義維數(shù)譜，Y軸為廣義維數(shù)譜，X軸為權(quán)重，()的值域范圍為1.56 ～ 0.20。隨著值的增大，曲線均呈“Z型”遞減形態(tài)，<0時(shí)曲線降幅較大，相反>0時(shí)曲線降幅較??；強(qiáng)度和劇烈侵蝕程度的曲線接近重合，且可以與輕度和中度侵蝕程度曲線明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，充分說(shuō)明了各侵蝕程度下土壤顆粒具有明顯的非均勻分形特征；強(qiáng)度和劇烈侵蝕程度的土壤顆粒的分布形態(tài)接近，也說(shuō)明強(qiáng)度和劇烈侵蝕程度土壤顆粒在局部特征的變異程度要高于輕度和中度。從圖2B可以看出，各侵蝕程度的多重分形奇異譜函數(shù)呈易于區(qū)分的非對(duì)稱的拱型曲線，說(shuō)明在土壤的形成和演變過(guò)程中，在侵蝕的外營(yíng)力作用下，造成了土壤顆粒含量的局部疊加，從而導(dǎo)致了土壤粒徑分布的非均勻性變化。形狀特征D均大于0，函數(shù)形狀均呈左勾狀，表明土壤顆粒分布結(jié)構(gòu)中大概率顆粒(砂粒)占據(jù)主要地位；譜寬D能夠反映顆粒分布的不均勻程度，D的大小依次為強(qiáng)度侵蝕(1.53)>劇烈侵蝕(1.48)>輕度侵蝕(1.11)>中度侵蝕(1.10)，可以看出強(qiáng)度和劇烈侵蝕的譜寬較為接近，輕度和中度侵蝕的譜寬較為接近，表明隨著侵蝕程度的加劇，不同層次和不同局部條件下，土壤顆粒分布的不均勻性增加，顆粒分配結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變異過(guò)程。

表3為土壤顆粒分布的分形參數(shù)，分形維數(shù)可以反映土壤的基本質(zhì)地情況，分形維數(shù)呈輕度侵蝕>中度侵蝕>強(qiáng)度侵蝕>劇烈侵蝕的趨勢(shì)，砂與的變化趨勢(shì)一致，而粉與之趨勢(shì)相反，表明隨著侵蝕程度的加劇，土壤粗骨化現(xiàn)象嚴(yán)重。容量維0可以反映土壤顆粒的分布情況，0值介于0 ～ 1，表明土壤顆粒在指定的徑級(jí)分組區(qū)間(粒徑<2 μm)內(nèi)存在含量為0的情況，0值越大表明土壤粒徑分布的范圍越寬，輕度、中度和強(qiáng)度侵蝕的0值一致，說(shuō)明其土壤顆粒分布范圍相近。信息維1則反映了土壤的均勻性特征，1值愈高表明土壤顆粒分布的均勻性愈強(qiáng)，土壤顆粒分布的均勻性排序依次為輕度侵蝕>中度侵蝕>劇烈侵蝕>強(qiáng)度侵蝕。關(guān)聯(lián)維數(shù)2值可以描述土壤顆粒分布過(guò)程中不確定性因素的影響作用，與1的變化趨勢(shì)一致。土壤粒徑分布的異質(zhì)程度常通過(guò)1/0來(lái)進(jìn)行描述，1和2一致。充分說(shuō)明了輕度侵蝕程度下土壤顆粒分布均勻性較強(qiáng)；同時(shí)影響土壤顆粒分布的不確定性因素也較多，土壤顆粒結(jié)構(gòu)易被破壞，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的侵蝕作用，當(dāng)土壤中細(xì)顆粒流失殆盡，粗顆粒含量占據(jù)主體后，土壤顆粒分布的均勻性略有回升。

表3 土壤顆粒分布多重分形參數(shù)

2.3 不同侵蝕程度土壤持水特性

土壤層是自然降水?dāng)r蓄的主要場(chǎng)所之一，土壤孔隙度和土壤持水量是評(píng)價(jià)土壤通透結(jié)構(gòu)和蓄水性能的常用指標(biāo)。由圖3A可知，不同侵蝕程度下土壤總孔隙度介于33.07% ～ 46.20%，呈輕度侵蝕>中度侵蝕>強(qiáng)度侵蝕>劇烈侵蝕的趨勢(shì)，但強(qiáng)度侵蝕與劇烈侵蝕程度間差異不顯著(=0.05)；輕度侵蝕程度下土壤的毛管孔隙度最高為38.97%，顯著高于強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕程度土壤(=0.05)；中度侵蝕下的土壤通氣孔隙度最高，為8.15%。不同侵蝕程度的土壤容重為1.44 ～ 1.63 g/cm3，輕度侵蝕下的土壤容重顯著低于其余侵蝕程度(=0.05)。從土壤持水特性(圖3B)來(lái)看，不同侵蝕程度土壤含水率、最大持水量和有效持水量與總孔隙度的變化趨勢(shì)一致，其中輕度侵蝕下的最大持水量和有效持水量分別為924.05 t/hm2和779.45 t/hm2，是劇烈侵蝕程度下的1.39倍和1.65倍，表明隨著侵蝕程度的加劇，砒砂巖區(qū)土壤的通透性和持水性能會(huì)隨之下降。

2.4 不同侵蝕程度土壤顆粒的分形特征與持水性能典型相關(guān)關(guān)系

通過(guò)典型相關(guān)分析法可以對(duì)土壤顆粒與持水特性間的交互作用關(guān)系進(jìn)行分析。以土壤總孔隙度等8個(gè)持水特性指標(biāo)作為第一組變量，以分形維數(shù)等7個(gè)分形特征指標(biāo)作為第二組變量，進(jìn)行典型相關(guān)分析。由表4可知，前兩對(duì)典型變量<0.05，相關(guān)性達(dá)到顯著性水平，其相關(guān)系數(shù)分別為0.971 6和0.937 5，因此選取前兩對(duì)典型變量進(jìn)行研究。

表4 典型相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

第一對(duì)典型變量可以表示成：

持水特性：U1=–0.1181–1.0752–4.104 93+1.555 44–0.096 754.58336–1.714 170.937 48

分形特性：V1=0.324 51–0.851 72–0.64953+ 0.36024+1.49465–0.21176–0.86127

第二對(duì)典型變量可以表示成：

持水特性：U2=–0.110 61–1.000 22–2.921 93+ 4.876 34–0.643 75–0.819 96–3.454 473.443 08

分形特性：V2=–0.435 11–0.510 52–0.135 53+ 0.045 64+0.588 75+0.335 36–0.671 37

結(jié)合典型變量結(jié)構(gòu)(表5)可以看出，U1與3(通氣孔隙度)、6(最大持水量)、4(容重)和7(有效持水量)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.851 2、0.847 6、0.827 1和0.819 8；V1與6(2)、5(1)和7(平均粒徑)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.796 9、0.788 9和0.623 2。同理持水特性因子中2(毛管孔隙度)和8(最小持水量)在U2的變化過(guò)程中起促進(jìn)作用，2(粉)在V2的變化過(guò)程中起促進(jìn)作用。由圖4冗余分析結(jié)果可知，土壤持水特性的第一組和第二組典型變量分別解釋了分形特征的86.33% 和27.45%，土壤分形特征的第一組和第二組典型變量分別解釋了持水特性的61.22% 和31.81%，基本可以解釋土壤持水特性與顆粒分形維數(shù)的相互關(guān)系。

表5 典型變量構(gòu)成

注：表中1～8分別為總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙、容重、含水率、最大持水量、有效持水量、最小持水量；1～7分別為、粉、砂、0、1、2、平均粒徑；mi為典型變量系數(shù)，rui為觀察值與典型變量間相關(guān)系數(shù)。

3 討論

3.1 土壤侵蝕對(duì)砒砂巖區(qū)土壤顆粒分形特征的影響

土壤侵蝕是土壤顆粒在風(fēng)力和水力等外營(yíng)力作用下發(fā)生的剝蝕、搬運(yùn)和堆積的過(guò)程，因此土壤的顆粒分布特征與風(fēng)力和水力的侵蝕作用密切相關(guān)。黃土高原土壤顆粒多重分形特征研究結(jié)果的() 值和()值等多重分形參數(shù)均高于本研究區(qū)[11,14,17]，本研究中砒砂巖區(qū)各侵蝕程度下土壤粒徑介于2.13 ～ 2 390 μm，砂粒(>50 μm)含量是黃土高原區(qū)的2.6倍左右，砒砂巖區(qū)土壤粒徑相比黃土區(qū)較粗，這是由于砒砂巖礦物顆粒較粗且成巖程度低極易風(fēng)化潰散[18]，在長(zhǎng)期而劇烈風(fēng)水侵蝕作用下礦物顆粒進(jìn)入土壤，造成了該區(qū)域土壤粗粒化現(xiàn)象嚴(yán)重。管孝艷等[19]認(rèn)為，通過(guò)多重分形參數(shù)可以描述土壤粒徑分布的局部變異和非均勻特征，本研究土壤多重分形的廣義維數(shù)譜呈“Z型”遞減形態(tài)，奇異譜函數(shù)在局部區(qū)域的疊加分布現(xiàn)象，以及各侵蝕程度多重分性參數(shù)均呈0>1>2的趨勢(shì)，都證實(shí)了砒砂巖區(qū)土壤粒徑分布存在非均勻的分形特征。相關(guān)研究[20-21]表明，不同侵蝕的發(fā)展階段，土壤流失的顆粒徑級(jí)存在著顯著的差異。本研究中，劇烈侵蝕與輕度侵蝕程度的土壤雖然在質(zhì)地分類(lèi)上同屬一類(lèi)，但其土壤顆粒的多重分形譜函數(shù)卻顯示土壤顆粒分布的局部特征上有著明顯的差異。因此可以認(rèn)為土壤侵蝕對(duì)土壤顆粒分布的作用也具備局部性和不均勻性，即在侵蝕程度相對(duì)較輕的階段，侵蝕環(huán)境中的不確定性因素較多(如植被等)[22]，土壤中的細(xì)顆粒是主要的侵蝕對(duì)象，隨著侵蝕程度的加劇，侵蝕的對(duì)象變得更為多元化，土壤顆粒分布的不均勻性也會(huì)愈發(fā)明顯，當(dāng)侵蝕達(dá)到劇烈程度，侵蝕的對(duì)象則轉(zhuǎn)向粗顆粒，土壤顆粒分布結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定，均勻性也隨之稍有回升。

3.2 砒砂巖區(qū)土壤顆粒多重分形特征與持水特性的關(guān)系

土壤顆粒是土壤系統(tǒng)中最為基本的結(jié)構(gòu)單元和功能單元，土壤顆粒的流失勢(shì)必會(huì)伴隨著土壤結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變。長(zhǎng)期而劇烈的風(fēng)力和水力侵蝕作用會(huì)導(dǎo)致土壤的粗骨化和干旱化[23]，本研究得出，隨著侵蝕程度的加劇，砒砂巖區(qū)土壤粉粒體積占比由11.69% 下降至5.63%，不同侵蝕程度下的土壤顆粒的平均粒徑差異呈輕度侵蝕(159.98 μm)<中度侵蝕(233.54 μm)<強(qiáng)度侵蝕(249.47 μm)<劇烈侵蝕(374.65 μm)趨勢(shì)，土壤的疏松性降低，土壤容重呈上升趨勢(shì)，孔隙度由46.20% 下降至33.07%，土壤的持水能力減弱，最大持水量和有效持水量分別降低了28個(gè)百分點(diǎn)和34個(gè)百分點(diǎn)，與查小春等[24]的研究結(jié)果相近。結(jié)合典型相關(guān)的分析結(jié)果來(lái)看，土壤顆粒的分形特征與土壤持水特性存在著正相關(guān)關(guān)系，且通氣孔隙度和關(guān)聯(lián)維數(shù)在兩組變量的交互作用關(guān)系中起主要的引導(dǎo)作用，說(shuō)明了土壤顆粒含量變化會(huì)首要影響土壤顆粒分布的均勻性，引起土壤中通氣孔隙的變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤持水性能的改善。此外，本研究中強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕程度下的土壤粒徑雖然較輕度侵蝕和中度侵蝕較粗，但其土壤孔隙度和持水性能卻較差，原因與研究區(qū)的基巖特性有關(guān)，在野外調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)覆土層淺薄覆土下為相對(duì)松散的砒砂巖風(fēng)化物，特別是劇烈侵蝕程度下的覆土層已流失殆盡，采集的土壤樣品以出露的砒砂巖風(fēng)化物為主。李長(zhǎng)明的[25]研究表明，砒砂巖礦物成分中蒙脫石含量較高，砒砂巖的吸水性能要高于石英砂巖，而蒙脫石吸水后發(fā)生膨脹，水分蒸發(fā)后巖體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)孔隙，本研究前期的試驗(yàn)也表明砒砂巖會(huì)顯著影響土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和持水能力[26]，因此裸露風(fēng)化的砒砂巖雖然土壤粒徑較粗但是仍存在大量的孔隙并具備一定的持水性能，同時(shí)這也是砒砂巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易于潰散侵蝕的重要原因之一。

4 結(jié)論

1)砒砂巖區(qū)各侵蝕程度下土壤粒徑介于2.13 ～ 2 390 μm，土壤顆粒構(gòu)成以粉粒和砂粒為主，其中砂粒體積占比達(dá)88% 以上。輕度侵蝕程度的各級(jí)土壤顆粒分配情況較為均衡，隨著侵蝕程度的增強(qiáng)，土壤中細(xì)顆粒流失量加劇，粗?；F(xiàn)象加重。

2)不同侵蝕程度下土壤多重分形參數(shù)0、1和1/0由大到小依次為輕度侵蝕>中度侵蝕>強(qiáng)度侵蝕>劇烈侵蝕，隨著侵蝕程度的增加，土壤細(xì)顆粒流失殆盡，土壤顆粒組成以粗顆粒為主，土壤粒徑分布的不均勻性降低。

3)不同侵蝕程度下土壤總孔隙度的大小介于33.07% ～ 46.20%，最大持水量為661.4 ～ 924.05 t/hm2，土壤持水能力呈輕度侵蝕>中度侵蝕>強(qiáng)度侵蝕>劇烈侵蝕的下降規(guī)律。持水能力下降的主要原因在于隨著侵蝕程度的加劇，顆粒分布的均勻性下降導(dǎo)致的土壤粗骨化。

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Relationship Between Soil Particle Multifractals and Water Holding Capacity Under Different Erosion Degrees in Feldspathic Sandstone Region

YANG Zhenqi1, QIN Fucang2*, LI Long2, GUO Jianying1, WANG Yan2

(1Institute of Water Resources for Pastoral Area of the Ministry of Water Resources of China, Hohhot 0100208, China; 2 College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

In this study, the surface soils (0–20 cm) with different erosion degrees were selected in Baojiagou watershed of Feldspathic sandstone region through canonical correlation and multifractality, and then the relationship between soil PSD and soil WHC was studied. The results showed that: 1) Soil particle size was distributed in range of 2.13–2 390 μm, sands dominated soil particle composition, while silts and clays were little. Soil sands increased gradually with erosion intensified. 2) The general dimension spectrum() showed Z-shape decreasing function, and0>1>2, which indicated a high degree of homogeneity, therefore multifractality could be used to describe the characteristics of PSD. 3) Soil porosity ranged from 33.07% to 46.20%. Soil porosity and WHC decreased gradually with erosion intensified. In conclusion, soil particle multi-fractals is positively correlated with soil WHC, and soil aeration porosity and correlation dimension of PSD play a guiding role in the interaction process.

Feldspathic sandstone region; Soil particle size distribution; Soil water holding capacity; Canonical correlation analysis; Multifractality

S157

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.023

楊振奇, 秦富倉(cāng), 李龍, 等. 砒砂巖區(qū)不同侵蝕程度表土多重分形特征與持水特性關(guān)系. 土壤, 2021, 53(3): 620–627.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41967008)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41807079)和內(nèi)蒙古科技計(jì)劃項(xiàng)目(201802106)資助。

(qinfc@126.com)

楊振奇(1993—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究。E-mail: 843296578@qq.com