內(nèi)江市微地形條件影響下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及分形特征

黃 安，謝賢健，周貴堯，謝建平，熊麗琴

（內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江641112）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基礎(chǔ)，是土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化及代謝的場所，其數(shù)量和質(zhì)量直接決定著土壤質(zhì)量和肥力［1－2］。由于團(tuán)聚體含量對協(xié)調(diào)土壤肥力狀況、改善土壤耕性等有著重要作用，影響著土壤孔隙性、持水性和抗蝕性，常被作為衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)。近幾年來，有關(guān)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響因素已有較多報道，土壤質(zhì)地、黏土礦物類型、鈣、鎂等陽離子的含量、鐵和鋁氧化物以及土壤有機(jī)碳被認(rèn)為是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素；然而以往的研究大多數(shù)只關(guān)注單一條件變化對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，例如，同一土壤不同施肥、不同植被條件、不同利用方式、不同耕作制度下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化，在試驗條件下模擬研究某一條件變化對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響等研究；而對于微地形條件下的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究甚少。因此，本文選擇川中丘陵區(qū)的內(nèi)江市為研究對象，根據(jù)實測資料，運用土壤顆粒質(zhì)量分布原理以及分形理論描述微地形條件下土壤顆粒的質(zhì)量分布和分形特征，探討微地形因子對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，以期為研究區(qū)土壤肥力特征描述提供新尺度和新方法，為合理利用土地和制訂切實可行的農(nóng)業(yè)耕作措施提供基本依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川盆地中部，我國最典型的方山丘陵區(qū)，地處長江以北和沱江、涪江、嘉陵江的中下游沱江流 域［3］。地 理 坐 標(biāo) 范 圍 為 29°29′—29°48′N，105°04′—105°20′E，丘陵廣布，溪溝縱橫，海拔在250～600m，丘谷高差50～100m。

內(nèi)江市屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，全年溫和多雨，四季分明。冬季幾乎無降雪，夏季高溫多雨。全年平均氣溫17.3℃，10℃以上活動積溫5 500～6 000℃，年平均降水量874mm，年無霜期約311d，全年云霧多而日照少，日照時數(shù)1 250.9h?？諝鉂穸却?，晝夜溫差小，大風(fēng)日數(shù)少，春、夏旱出現(xiàn)頻率高。該地區(qū)土壤中多沙和碎石，地帶性土壤為黃壤，現(xiàn)以紫色土和沖積土非地帶性土壤為主，兩種土壤占到了全市耕地土壤的95%［4］。

2 研究方法

2.1 野外采樣

2.1.1 采樣點選取 為了從整體上研究內(nèi)江市農(nóng)耕區(qū)微地形條件下土壤顆粒組成的特征，根據(jù)內(nèi)江市農(nóng)耕區(qū)區(qū)域分布、丘陵地貌變化特點，以典型性和代表性為原則，在內(nèi)江市行政區(qū)內(nèi)選擇郭北鎮(zhèn)大堰村、田家鎮(zhèn)紅碑村、永福鄉(xiāng)一大村、永東鄉(xiāng)流油村、順河鄉(xiāng)回龍灣村、白合鎮(zhèn)道生村、雙才鎮(zhèn)二壩村、雙橋鎮(zhèn)馬龍村8個村作為采樣點，樣點內(nèi)農(nóng)作物主要為蔬菜、玉米、大豆、花生、紅薯。樣點分布圖見圖1。

圖1 采樣點分布示意圖

式中：ri——第i個篩子的孔徑（mm），r0＝r1，rn＝rn＋1；mi——第i個篩子中顆粒百分比；n——篩子的

2.1.2 采樣方法 根據(jù)陰坡、陽坡坡向和上坡、中坡、下坡坡位設(shè)定6個取樣點，利用GPS和地質(zhì)羅盤儀確定地理緯度和坡度，記錄地理經(jīng)緯度等方位數(shù)據(jù)，精確至0.001″。為減小采樣過程中帶來的誤差，每個樣點重復(fù)采樣兩次。每個土樣按照“隨機(jī)”、“等量”和“多點混合”的原則，每隔20m在耕地上選一個樣點并且每個樣點間間隔2m，用小土鏟取0—50 cm深的原狀土樣，采集土層深度0—15cm，15—30 cm，30—45cm，每個樣點取土1kg左右，共采集土樣144份，為了降低機(jī)械等對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，用手將大土塊沿自然結(jié)構(gòu)輕輕地剝成直徑約10～12mm的小樣塊，用自封袋封口，帶回實驗室，使樣品在自然狀態(tài)下風(fēng)干，除去粗根和小石塊，雜質(zhì)等。

2.2 室內(nèi)分析方法

2.2.1 樣品粒度分級 在自然狀態(tài)下風(fēng)干土壤后，根據(jù)美國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)，將土壤粒徑分為以下5個級別，0～0.1mm（d1），0.1～0.25mm（d2），0.25～0.5mm（d3），0.5～1mm（d4），1～2mm（d5）。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 對所得實驗數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行分析處理。將8個采樣地144份土壤按坡向因子（陰、陽坡），坡位因子（上、中、下坡）取出0—15，15—30，30—45cm土層深度土壤的質(zhì)量分布求平均值，整理出微地形條件下土壤粒徑組成及分形維數(shù)（表1）。

2.2.3 分形模型 團(tuán)聚體的穩(wěn)定性采用標(biāo)準(zhǔn)化平均質(zhì)量直徑（Nomal Mean Mass Diameter，NMMD）［5］進(jìn)行描述，其計算公式如下：

式中：rmax——最大初始篩孔徑；rmin——最小篩子孔徑；MMD——平均質(zhì)量直徑，其計算公式為：數(shù)量。

已有研究表明，土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)可以作為表征土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要參數(shù)，也可以作為表征土壤穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。土壤是具有分形特征的系統(tǒng)，可運用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型［6－7］。小于某一特定測量尺度的累積土粒質(zhì)量mi與di之間的分形關(guān)系式為：

式中：di——相鄰兩篩分粒級的粒徑平均值（mm）；dmax——最大土粒的粒徑（mm）；mi——粒徑小于di的累積土粒質(zhì)量（kg）；mmax——各粒級質(zhì)量的總和（kg）；D——分形維數(shù)。分別以lg（mi／mmax），lg（di／dmax）為縱、橫坐標(biāo)作圖，則3－D是該試驗直線的斜率，故可用回歸分析方法對土壤分形維數(shù)D進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤粒徑分布

土壤粒徑分布影響土壤的水力特性、土壤肥力狀況，并與土壤侵蝕和退化直接相關(guān)，是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，通過分析研究區(qū)域土壤粒徑分布的分形特征，不僅能夠表現(xiàn)土壤粒徑大小，還能反映質(zhì)地的均一程度。各個粒徑的團(tuán)聚體在土壤養(yǎng)分水分的供給、保持、轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著不同的作用［8］。根據(jù)不同粒徑土壤顆粒質(zhì)量分布平均值（表1）可知，不同地形條件下，1～2mm的顆粒含量最高，介于37.3%～47.4%，平均值為43.9%；其次是0.5～1mm的顆粒，介于18.1%～21.9%，其總體均值為20.0%；最低的為＜0.1mm的顆粒，其均值為9.1%。

表1 微地形條件下土壤粒徑組成及分形維數(shù)

3.2 土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性

由于水、肥、氣、熱的組合情況不同，以及農(nóng)業(yè)管理措施對團(tuán)聚體膠結(jié)劑質(zhì)量和保存時間影響較大，土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性必然受影響［9］，團(tuán)聚體1～2mm極粗砂，0.5～1mm粗砂，0.25～0.5mm 中砂均屬較大粒徑團(tuán)聚體，是微團(tuán)聚體通過有機(jī)質(zhì)膠結(jié)而成，是土壤表層中有機(jī)質(zhì)含量較高的組成部分，穩(wěn)定性強(qiáng)，是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。＜0.25mm粒徑的微團(tuán)聚體，其數(shù)量和組合是構(gòu)成土壤肥力的實質(zhì)［8］，但土壤結(jié)構(gòu)具有很大的不穩(wěn)定性，有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分等營養(yǎng)元素易流失，影響作物正常生長。利用公式（1）和（2）得到表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化平均質(zhì)量直徑（NMMD）。

3.2.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性坡向分析 大團(tuán)聚體粒徑分布平均值陽坡為46.1%，陰坡為41.6%，即陽坡更易形成大團(tuán)聚體；不同坡向條件下的土壤團(tuán)聚體（NMMD）為0.445～0.483，平均值陽坡為0.476，陰坡為0.449，呈現(xiàn)出陽坡高于陰坡，將陰陽坡土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（NMMD）做方差分析得出F＝24.03，在α＝0.01置信水平差異下 F0.01（1，5）＝16.26，即F＝24.03＞F0.01（1，5），說明在坡向因子影響下，團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異極顯著。在陽坡，由于土壤熱量的主要來源是太陽輻射，其表現(xiàn)形式是土壤溫度，陽坡接受太陽輻射總量較多，因此土壤溫度較高；這就使得土壤水分的蒸發(fā)和微生物的活動加快，進(jìn)而影響土壤中礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的分解，土壤水、氣、熱的優(yōu)化組合，土壤肥力提高，土壤結(jié)構(gòu)改善，利于有機(jī)質(zhì)的分解形成，有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，對土壤形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)有積極的意義；相反，陰坡背向陽光的一側(cè)，接受太陽輻射較少，溫度相對于同一坡位的陽坡較低，水分和微生物活動相對較少［10］。從團(tuán)聚體質(zhì)量分布和平均質(zhì)量直徑的大小比較可知：陰坡形成較大團(tuán)聚體的能力較弱，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。

3.2.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性坡位分析 大團(tuán)聚體坡位分布的平均值，下坡為46.6%，中坡為44.3%，上坡為40.7%，即形成大團(tuán)聚體容易度的排序為下坡＞中坡＞上坡。坡位因子條件下，土壤團(tuán)聚體NMMD介于0.430～0.478，平均NMMD下坡為0.476、中坡0.464、上坡為0.447；呈現(xiàn)出下坡＞中坡＞上坡的趨勢，將上、中、下坡土壤團(tuán)聚體（NMMD）做方差分析得出F＝7.22，在α＝0.05置信水平差異下F0.05（2，8）＝4.46，即F＝7.22＞F0.05（2，8），說明在坡位因子影響下，團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異顯著。由于農(nóng)耕地經(jīng)常重復(fù)耕作，在降雨和風(fēng)力的作用下很容易發(fā)生土壤流失，土壤顆粒富集程度從丘體下部往上部減少［11］，即土壤厚度由下往上逐漸變小，土壤大小顆粒變化隨之變化，這是坡位對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響顯著以及表現(xiàn)出下坡＞中坡＞上坡特征的重要原因。

3.2.3 土壤團(tuán)聚體不同土層深度分析 不同土層深度間平均質(zhì)量直徑（NMMD）：0—15cm 為0.455，15—30cm 為0.467，30—45cm 為0.464，順序為15—30cm最大，30—45cm次之，0—15cm最低；將不同土層深度土壤團(tuán)聚體（NMMD）做方差分析得出F＝0.96，在α＝0.05置信水平差異下F0.05（2，14）＝3.74，即F＝0.95＜F0.05（2，14），即在土層深度因子影響下，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)出15—30cm＞30—45cm＞0—15cm，但其差異不顯著。

土壤顆粒的組成均繼承了母質(zhì)一定特性，并綜合了環(huán)境變化的影響［12］，是土壤本質(zhì)屬性之一。不同土層深度對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響不顯著，這主要與川中丘陵區(qū)地形地貌及氣候條件有關(guān)，該地區(qū)屬于地上丘陵區(qū)，土壤中多沙和碎石，加之土壤的人為擾動強(qiáng)烈［13］，因此土層間的穩(wěn)定性基本保持一致性。

3.3 微地形條件下土壤顆粒分形特征及其與土壤粒級分布的關(guān)系分析

3.3.1 分形特征 利用公式（3）計算得到兩種微地形因子影響下土壤顆粒分形維數(shù)D（表1）。由表1可知，在坡向因子影響下，分形維數(shù)介于2.317～2.337，平均值陰坡為2.330，陽坡為2.324，呈現(xiàn)出陰坡＞陽坡的趨勢，方差分析得出F＝0.26＜F0.05（1，5）＝6.61，說明差異性不顯著；在坡位因子影響下，分形維數(shù)介于2.287～2.354，平均值下坡為2.344、中坡為2.338、上坡為2.295，呈現(xiàn)出下坡＞中坡＞上坡趨勢，方差分析得出F＝18.49＞F0.01（2，8）＝8.65，說明差異性極顯著。在土層深度因子影響下，平均值0—15cm為2.317、15—30cm 為2.332、30—45cm為2.328，表現(xiàn)順序為15—30cm最高，30—45cm次之，0—15cm最低，方差分析得出F＝0.87＜F0.05（2，14）＝3.74，說明差異性不顯著。

3.3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒級分布的關(guān)系分析 由土壤分形維數(shù)的計算可知，分形維數(shù)與土壤顆粒含量從小到大的累計含量有關(guān)。表2為對分形維數(shù)與不同粒徑分布含量單相關(guān)分析結(jié)果。微地形因子條件下，分形維數(shù)與＜0.1mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)，與0.25～0.5mm、0.5～1mm 粒徑含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與1～2mm粒徑含量呈顯著正相關(guān)。表明土壤顆粒分形維數(shù)對各個土壤粒徑分布含量的響映程度不同，其中響映程度最大的是＜0.1mm含量，其次是0.5～1mm，0.25～0.5mm和1～2mm含量，即土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中＜0.1mm含量越高，0.5～1mm、0.25～0.5mm含量越低。對不同地形條件下5個粒級粒徑含量與分形維數(shù)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與＜0.1mm粒徑含量的偏相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著，與其他粒徑含量的偏相關(guān)關(guān)系不顯著。關(guān)系式為：D＝2.004＋0.035d1（R＝0.973＊＊，經(jīng)t檢驗，回歸系數(shù)d1的 P 值為0.000，在α＝0.01的水平下有顯著意義）。因此，決定微地形條件土壤土壤顆粒分形維數(shù)的粒徑分布為＜0.1mm，其余粒徑分布的影響程度相對較小。土壤顆粒分形維數(shù)作為描述土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù)，實質(zhì)上反映的是土壤顆粒對空間的填充能力［14－15］，即土壤顆粒直徑越小，細(xì)粒物質(zhì)含量越高，對空間的填充能力越強(qiáng)，土壤分形維數(shù)就越大。這是研究區(qū)在坡向和坡位因子影響下，分形維數(shù)與＜0.1mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)，與較大團(tuán)聚體呈負(fù)相關(guān)的重要原因。由于該地區(qū)土壤中多沙和碎石，土壤中大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的物質(zhì)含量較多，從而引起土壤顆粒中1～2mm的含量較其他粒徑的土壤顆粒含量高，這是分形維數(shù)與1～2mm粒徑含量呈顯著正相關(guān)的原因［16］。

采樣區(qū)大部分為常年耕作區(qū)，不同土地利用下，耕地是產(chǎn)流產(chǎn)沙、土壤侵蝕、固體和液體養(yǎng)分流失最嚴(yán)重的土地利用類型［17］，從而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體以及土壤顆粒處于同一條件下來比較各個影響因子產(chǎn)生的影響作用；另一方面，由于水土流失的嚴(yán)重性，則導(dǎo)致土壤顆粒在坡向、坡位以及不同土層深度條件下表現(xiàn)出以上特征。

表2 分形維數(shù)D與土壤團(tuán)聚體分布含量d的線性關(guān)系

坡向因子影響下，由于陽坡向水肥氣熱的組合條件優(yōu)于陰坡，陽坡比陰坡更易于形成大團(tuán)聚體，即在陰坡上土壤顆粒粒徑小于陽坡，故其分形維數(shù)陰坡＞陽坡；坡位因子影響下，上坡位有利于大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體形成，下坡位中細(xì)黏粒的含量相對較多，土壤質(zhì)地也就越來越細(xì)，孔隙度逐漸降低，并且土壤的團(tuán)聚度逐漸增加，土壤中各種養(yǎng)分含量大部分也就隨坡度的降低而逐漸增加，這是由于在丘陵區(qū)，丘體的下坡位是土壤養(yǎng)分的一個聚集點，丘體的上坡位及中坡位由于長期的沖刷和淋溶等作用，使坡面地表的養(yǎng)分物質(zhì)流失并向下坡位富集［13，18］，使得分形維數(shù)在坡位變化上表現(xiàn)出下坡＞中坡＞上坡以及影響顯著的特征；在土層因子影響下，分形維數(shù)表現(xiàn)出15—30cm＞30—45cm＞0—15cm，由于農(nóng)耕區(qū)基本屬于旱地直播，在耕作層的第一層種植，細(xì)粒物質(zhì)容易向第二層富集，導(dǎo)致該層分形維數(shù)值最大，而0—15cm屬于耕作層，腐殖質(zhì)、人工施肥使得該層土壤團(tuán)聚體易形成大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)［10］，故其分形維數(shù)最小。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)化平均質(zhì)量直徑（NMMD）表現(xiàn)出陽坡＞陰坡、下坡＞中坡＞上坡、15—30cm＞0—15cm＞30—45cm的特點；說明在坡向上，陽坡的土壤團(tuán)聚體比陰坡相對比較穩(wěn)定；在坡位變化上，下坡團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高、中坡次之、上坡最低；在土層深度變化上，15—30cm團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高，0—15cm次之，30—45cm最低；在坡位因子和土層因子條件下，由于該區(qū)所處的地理環(huán)境、人為擾動等因素的影響使其差異不顯著。

（2）微地形條件下分形維數(shù)的變化特征為陰坡＞陽坡，下坡＞中坡＞上坡，15—30cm＞30—45cm＞0—15cm。在坡向和坡位因子影響下，分形維數(shù)與＜0.1mm的粒級質(zhì)量分布偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著正相關(guān)，這與謝賢健和韋方強(qiáng)［19］的研究一致；與其他粒級的質(zhì)量分布相關(guān)性不顯著；這是研究區(qū)微地形條件下土壤顆粒的分形學(xué)機(jī)制。

綜上所述，研究區(qū)在陽坡下坡的土壤肥力較高，因此，在研究區(qū)陽下坡進(jìn)行耕作，對保障農(nóng)作物正常生長和肥力需求將具有積極的意義。

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