魯中山區(qū)小流域不同土地利用類型的土壤分形及水分入滲特征

徐萍，劉霞，張光燦，單桂梅，張松松，方立東

(山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院水土保持系，國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安)

土壤顆粒與孔隙的分布狀況是土壤重要的物理特性，與土壤的水文學(xué)過(guò)程和水力學(xué)特性密切相關(guān)［1-2］。土壤入滲是重要的水文過(guò)程和水力特性之一［3］，對(duì)降雨(或灌溉)后田間的水分再分配、地表產(chǎn)流［4-5］、土壤侵蝕［6］和養(yǎng)分遷移等都有重要影響，因而一直是土壤學(xué)、水土保持學(xué)等領(lǐng)域研究的重要方面［7-11］。入滲性能不僅與土壤質(zhì)地、組成、結(jié)構(gòu)等自然因素密切有關(guān)，人為活動(dòng)干擾下還受到土地利用和耕作方式等因素的影響［12-16］。入滲速率(尤其是穩(wěn)滲速率)反映了土壤入滲能力，是表征入滲性能的重要指標(biāo)，在一定程度上表征著土壤透水通氣性能和持水保肥能力大小及其協(xié)調(diào)關(guān)系，入滲速率過(guò)高或過(guò)低都不利于土壤的水肥保蓄和植物生長(zhǎng)［17］。目前，有關(guān)不同區(qū)域(或小流域)土壤入滲性能的報(bào)道較多［7-11］，但在涉及坡耕地或棄(退)耕地的研究中［13-16］，得出的坡耕地與其他土地利用/覆被類型土壤入滲速率大小關(guān)系的結(jié)果并不一致。例如，有的結(jié)果為坡耕地土壤穩(wěn)滲速率小于棄耕后的草地［13-14］或者林地［15］與梯田［18］，有的為坡耕地土壤穩(wěn)滲速率大于林地或草地［4，16］。其原因與試驗(yàn)觀測(cè)的區(qū)域及對(duì)象不同，以及影響土壤入滲的因素比較復(fù)雜有關(guān)［17］。

近年來(lái)，國(guó)際上已開(kāi)始應(yīng)用分形理論來(lái)定量化研究土壤結(jié)構(gòu)及其水力學(xué)特性［1］。例如:D.L.Turcotte［19］、F.Bartoli等［20］、S.W.Tyler等［21］研究認(rèn)為，土壤結(jié)構(gòu)(顆粒的粒徑、表面積、體積及孔隙大小等)具有自相似和明顯的分形特征，并可用Sierpinski地毯和Menger海綿模型等進(jìn)行描述;王國(guó)梁等［22］提出了土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念，并以此探討了農(nóng)田和茶園等土地利用類型的土壤分形特征;楊培嶺等［23］通過(guò)土壤粒徑分布與對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分布的關(guān)系，提出了用粒徑質(zhì)量分布表征土壤分形特征的方法;S.W.Tyler等［24］基于 Sierpinski地毯結(jié)構(gòu)模型、黃冠華等［25］應(yīng)用 Menger海綿模型、M.Rieu等［26-27］根據(jù)孔隙體積的自相似特征，分別推導(dǎo)出以孔隙體積分形維數(shù)表征的土壤水分特性曲線模型，從機(jī)制上反映了土壤孔隙結(jié)構(gòu)與土壤持水特性的關(guān)系［1，28-29］。目前，這些方法已被逐漸應(yīng)用于定量化研究不同區(qū)域、不同土地利用/覆被類型下土壤顆粒結(jié)構(gòu)［2，30-32］或孔隙結(jié)構(gòu)［25，28-29］特征，但關(guān)于土壤入滲性能與土壤結(jié)構(gòu)定量關(guān)系的研究［11，33］還鮮見(jiàn)報(bào)道。

筆者以魯中山區(qū)小流域的坡耕地、棄耕地、生態(tài)林地和經(jīng)濟(jì)林地為對(duì)象，運(yùn)用土壤水文學(xué)與分形學(xué)原理與方法，測(cè)定不同土地利用類型下土壤顆粒與孔隙分布的分形特征以及入滲性能的變化，闡明土地利用與耕作方式對(duì)土壤入滲性能影響，了解土壤入滲性能與土壤顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，為認(rèn)識(shí)坡耕地土壤結(jié)構(gòu)及其入滲性能的退化機(jī)制提供參考，為小流域水土保持措施的合理配置及效果評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為山東省沂源縣土門(mén)鎮(zhèn)孟坡小流域。沂源縣位于山東省中部，地處魯中山區(qū)腹地，沂蒙山區(qū)西北部邊緣，屬于北方土石山區(qū)，地理坐標(biāo)為E117°54′～118°31′，N35°55′～36°23′;屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，年均降水量720.8 mm，年均氣溫11.9℃，無(wú)霜期189 d，年均日照時(shí)間2 660.6 h。孟坡小流域地貌類型為低山丘陵，海拔300～500 m，基巖以花崗巖和片麻巖為主，土層厚度多在40 cm以下，土壤粗骨性強(qiáng)，砂礫含量高。小流域主要土地利用類型為耕地、經(jīng)濟(jì)林地和生態(tài)林地;其中坡耕地較多，占耕地面積的80%以上［34］，水土流失嚴(yán)重。小流域內(nèi)喬木植物主要有赤松(Pinus densiflora)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、麻櫟(Quercus acutissima)、蘋(píng)果(Malus pumila)、板栗(Castanea mollissima)和山楂(Crataegus pinnatifida)等，灌木草本植物主要有胡枝子(Lespedeza bicolor)、荊條(Vitexnegundo heterophylla)、早熟禾(Poa annua)、鵝觀草(Roegneria kamoji)、艾蒿(Artemisia argyi)和茅莓(Rubus parvifolius)等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與試驗(yàn)布設(shè)

在小流域坡面選取坡耕地、棄耕地、經(jīng)濟(jì)林地和生態(tài)林地4種土地利用類型(表1)布設(shè)試驗(yàn)樣地。其中，坡耕地耕作年限約為20年，棄耕地退耕年限為5～6年，生態(tài)林地的刺槐林齡約20年、赤松林齡約30年，經(jīng)濟(jì)林地梯田修筑和林分栽培年限為20年。在每種土地利用類型中布設(shè)3個(gè)試驗(yàn)樣地，每個(gè)樣地中按對(duì)角線3點(diǎn)取樣法確定試驗(yàn)樣點(diǎn)，分別進(jìn)行土壤入滲過(guò)程觀測(cè)和土壤顆粒分布與分形、土壤持水曲線與孔隙分形測(cè)試樣品的采集。每個(gè)試驗(yàn)樣點(diǎn)重復(fù)3次觀測(cè)或取樣(取平均值分析)，測(cè)定的土壤厚度為0～30 cm。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型概況Tab．1 Survey of different land-uses of in study area

2.2 土壤顆粒組成測(cè)定與分形維數(shù)計(jì)算

將試驗(yàn)樣點(diǎn)采取的土壤樣品，利用LS133320激光粒度儀測(cè)定土壤顆粒分布，即稱取土樣0.5 g，加30%過(guò)氧化氫(H2O2)，在72℃下去除有機(jī)質(zhì)，加鹽酸(HCl)去除碳酸鹽;加超純水稀釋，靜置后除上清液以除酸，反復(fù)靜置除酸直至pH值為6.5～7.0;然后加入六偏磷酸鈉(NaHMP)，超聲30 s后測(cè)量土壤粒徑的體積比例(%)。利用王國(guó)梁等［22］提出的土壤分形模型，計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)。計(jì)算公式為

式中:D為土壤顆粒的體積分形維數(shù);r為土壤粒徑;R為某一特定的粒徑;V(r＜R)為粒徑小于R的全部土壤顆粒的總體積;VT為土壤顆粒的總體積;λV為描述尺度的常量，在數(shù)值上等于最大粒徑值。計(jì)算步驟為:首先根據(jù)土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)［35］(美國(guó)制)，將所測(cè)粒徑劃分為 0 ～0.002、0.002～0.05、0.05 ～0.1、0.1 ～0.25、0.25 ～0.5、0.5～1.0和1.0～2.0 mm共7個(gè)粒級(jí)區(qū)間，在每一分級(jí)區(qū)間內(nèi)選擇具有代表性的粒徑(該區(qū)間粒徑上下限的算術(shù)平均值，即R);然后根據(jù)分級(jí)區(qū)間，計(jì)算出大于或等于各區(qū)間內(nèi)代表粒徑的累積體積;最后將公式轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)方程進(jìn)行線性回歸擬合，求出土壤顆粒分維數(shù)D。

2.3 土壤持水曲線測(cè)定與孔隙分形維數(shù)的計(jì)算

在試驗(yàn)觀測(cè)樣點(diǎn)利用環(huán)刀采取土壤原狀土樣品，利用H-1400PF型離心機(jī)測(cè)定土壤水分特征曲線。采用黃冠華等［25，30］基于 Menger海綿體結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出的土壤持水曲線模型，擬合計(jì)算土壤孔隙分形維數(shù)。計(jì)算公式為

2.4 土壤入滲過(guò)程觀測(cè)與模型模擬

采用單環(huán)定量加水法測(cè)定土壤入滲過(guò)程曲線。應(yīng)用菲利浦(Philip)模型、霍頓(Horton)模型和冪函數(shù)模型擬合分析土壤入滲過(guò)程，得到土壤入滲特征參數(shù)。3種土壤入滲模型(入滲速率f和時(shí)間t關(guān)系)的表達(dá)式如下。

1)菲利浦(Philip)模型

式中:a為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);b相當(dāng)于穩(wěn)滲速率。

2)霍頓(Horton)模型

式中:f0為初滲速率;fc為穩(wěn)滲速率;k為常數(shù)。

3)冪函數(shù)模型

式中:a、b、n均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b相當(dāng)于穩(wěn)滲速率;n為衰減指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤顆粒組成與分形特征

3.1.1 土壤顆粒組成特征 由表2可以看出:各種土地利用類型的土壤中以細(xì)砂粒體積分?jǐn)?shù)最高，在31.78% ～51.77%之間(平均41.97%);其次是粗砂粒體積分?jǐn)?shù)，在23.78% ～37.01%之間(平均30.84%);而石礫、粉粒和黏粒體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，分別在10.52% ～20.87%(平均15.25%)、10.70% ～13.08%(平均11.65%)和0.54% ～1.07%之間(平均0.78%)。表明研究區(qū)土壤中的砂粒體積分?jǐn)?shù)明顯高于粉粒和黏粒體積分?jǐn)?shù)，表現(xiàn)出北方石質(zhì)山地典型的粗骨性砂土的顆粒組成特征［33］。

表2 不同土地利用類型土壤顆粒組成(體積分?jǐn)?shù))及顆粒與孔隙分形維數(shù)Tab．2 Soil particle composition and particle fractal dimension and pore fractal dimension of different land uses %

3.1.2 土壤顆粒分維與孔隙分維及其相關(guān)性 4種土地利用類型土壤顆粒分維數(shù)D的變化范圍在2.20～2.33之間(平均2.26)(表2)，表現(xiàn)為生態(tài)林地＞經(jīng)濟(jì)林地＞棄耕地＞坡耕地;利用LSD法進(jìn)行多重比較分析(下同)，結(jié)果為坡耕地與生態(tài)林地、經(jīng)濟(jì)林地之間的D差異顯著(P＜0.05)，其他土地利用類型之間的差異不顯著(P＞0.05)。不同土地利用類型土壤孔隙分維數(shù)D′的變化在2.74～2.85之間(平均2.79)(表2)，表現(xiàn)出與D一致的大小次序，即生態(tài)林地＞經(jīng)濟(jì)林地＞棄耕地＞坡耕地;坡耕地與生態(tài)林地、經(jīng)濟(jì)林地之間的D′差異顯著(P＜0.05)，其他土地利用類型之間的差異不顯著(P＞0.05)。相關(guān)分析結(jié)果(圖1)表明，D′和D之間具有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，其表達(dá)式為D′=0.671 1D+1.269 2，相關(guān)系數(shù)R為0.957(P＜0.01)。

3.1.3 土壤顆粒組成與顆粒分維及孔隙分維的相關(guān)性 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(圖2)表明，研究區(qū)土壤顆粒分維(D)和孔隙分維(D′)在與土壤顆粒組成相關(guān)性上表現(xiàn)出一致性，即D和D′均與土壤黏粒、粉粒體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2(d)和圖2(c)，P＜0.01)，與土壤砂粒體積分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2(b)，P＜0.01)，而與土壤石礫體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性不顯著(圖2(a))。這說(shuō)明D和D′能明顯表征土壤黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)的多少，即D或D′越大，土壤中黏粒和粉粒體積分?jǐn)?shù)越高，而砂粒體積分?jǐn)?shù)越低;但D和D′的大小難以明確地反映土壤中石礫體積分?jǐn)?shù)的高低。

圖1 土壤顆粒分維數(shù)與孔隙分維數(shù)的關(guān)系Fig．1 Relations between soil particle fractal dimension and pore fractal dimension

圖2 土壤顆粒及孔隙分維與不同粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig．2 Relations between soil fractal dimension and volume percentage of different soil partical diameter

3.2 不同土地利用類型土壤入滲特征

3.2.1 土壤入滲速率及其與顆粒分維及孔隙分維的關(guān)系 由表3可以看出:4種土地利用類型土壤初滲速率(f0實(shí)測(cè)值，即0～5 min的入滲速率［10-11］)表現(xiàn)為坡耕地＞經(jīng)濟(jì)林地＞棄耕地＞生態(tài)林地;不同土地利用類型之間差異顯著(P＜0.05)。土壤穩(wěn)滲速率(fc實(shí)測(cè)值)表現(xiàn)為坡耕地＞棄耕地＞生態(tài)林地＞經(jīng)濟(jì)林地。相關(guān)分析結(jié)果(圖3)表明:土壤穩(wěn)滲速率、初滲速率與土壤顆粒分維(D)或孔隙分維(D′)均呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系;D和D′與土壤穩(wěn)滲速率的相關(guān)性極顯著(P＜0.01)，與初滲速率的顯著(P＜0.05):即土壤入滲速率隨著土壤顆粒分維或孔隙分維數(shù)的增加而顯著減小。

表3 不同土地利用類型土壤入滲特征參數(shù)的實(shí)測(cè)值與擬合值Tab．3 Measurement and fitting parameter of soil infiltration character under different land uses

3.2.2 土壤入滲過(guò)程及其特征參數(shù)的模型模擬從不同模型的擬合效果(表3)看出，霍頓模型、冪函數(shù)模型和菲利浦模型對(duì)土壤入滲過(guò)程的擬合程度較高，決定系數(shù)R2都在0.95以上，但對(duì)土壤穩(wěn)滲速率的擬合結(jié)果差別較大。與實(shí)測(cè)的穩(wěn)滲速率相比，霍頓模型的擬合值偏高一些，不同土地利用類型之間擬合誤差為1.7% ～12.8%(平均8.65%);冪函數(shù)模型的擬合值偏低，不同土地利用類型之間誤差為6.65% ～20.29%(平均12.03%);而菲利浦模型擬合的土壤穩(wěn)滲速率明顯小于實(shí)測(cè)值，二者在不同土地利用類型之間相差83.7% ～129.8%(平均105.9%)。表明霍頓模型和冪函數(shù)模型比較實(shí)用于擬合研究區(qū)的土壤入滲過(guò)程與入滲速率，其中利用霍頓模型的擬合效果更好一些。

圖3 土壤顆粒及孔隙分維與土壤入滲速率的關(guān)系Fig．3 Relations between soil fractal dimension and soil infiltration rate

4 結(jié)論與討論

小流域內(nèi)坡耕地的土壤穩(wěn)滲速率顯著大于棄耕地、經(jīng)濟(jì)林地和生態(tài)林地，土壤顆粒及孔隙分維數(shù)以坡耕地的顯著低于棄耕地、經(jīng)濟(jì)林地和生態(tài)林地(表2);小流域內(nèi)土壤入滲速率與土壤顆粒分維數(shù)、孔隙分維數(shù)均有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤顆粒分維數(shù)、孔隙分維數(shù)與土壤粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)均有顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤中粉粒和黏粒體積分?jǐn)?shù)、土壤顆粒與孔隙分布狀況的變化，均會(huì)對(duì)土壤入滲性能產(chǎn)生明顯的影響。

本研究得出的坡耕地與其他土地利用類型土壤入滲速率的大小關(guān)系(表3)，與在南方紅壤區(qū)、陜北黃土區(qū)研究的坡耕地土壤穩(wěn)滲速率大于喬灌木林地與草地［4，16］的結(jié)果一致，但不同于在其他黃土區(qū)研究［13-15］的坡耕地土壤穩(wěn)滲速率小于林地等土地利用類型的結(jié)果，其原因與研究區(qū)土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。在本研究區(qū)，土壤具有粗骨性砂土的物理特性，表現(xiàn)為砂粒體積分?jǐn)?shù)較高，但粉粒和黏粒體積分?jǐn)?shù)較低(表2)，尤其是黏粒體積分?jǐn)?shù)在不同土地利用類型土壤中只有0.5% ～0.1%(平均0.8%)。這類土壤通常存在質(zhì)地結(jié)構(gòu)較粗、顆粒分布和孔隙分布均勻程度及其分形維數(shù)較低，土壤透水性能較強(qiáng)但保水保肥能力較弱的特點(diǎn)［36］，土壤中粉黏粒等細(xì)粒物質(zhì)及持水孔隙的缺乏是重要原因之一［37］。而坡耕地耕作導(dǎo)致的土壤流失，會(huì)降低土壤中粉黏粒等細(xì)粒物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)及其對(duì)土壤空間的填充能力［25，31-32］，減少土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和持水孔隙，降低土壤顆粒及孔隙分布的均勻程度，從而表現(xiàn)為土壤的顆粒分維及孔隙分維數(shù)較低和入滲速率較大(表2、表3)。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，霍頓入滲模型和冪函數(shù)入滲模型比較適用于擬合分析研究區(qū)土壤的入滲過(guò)程與入滲速率，而菲利浦入滲模型的適用性較差，擬合結(jié)果會(huì)與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生較大偏差(表3)。其原因可能與影響土壤入滲過(guò)程的因素較多，而不同模型具有各自的特征參數(shù)以及邊界條件、適用條件和局限性有關(guān)［38］。例如，菲利浦模型的適用性較差的原因，可能與其公式中t的指數(shù)為常數(shù)，難以適應(yīng)不同前期含水量下的土壤入滲變化，或難以滿足模型要求初始含水量較低的條件有關(guān)［33］。

目前，關(guān)于土壤入滲性能與土壤結(jié)構(gòu)分形特征及定量關(guān)系的研究還較少。本研究可為深入認(rèn)識(shí)土地利用方式與土壤結(jié)構(gòu)及入滲性能的定量關(guān)系，尤其是揭示坡耕地入滲性能的退化機(jī)制提供參考，為研究區(qū)土壤入滲模型的合理選擇和水土保持效果的定量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。關(guān)于坡耕地或棄耕地入滲性能與土壤結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征，還需要進(jìn)一步研究。

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