煤礦塌陷區(qū)不同復(fù)墾年限土壤顆粒組成分形特征

黃曉娜,李新舉,劉 寧,2,閔祥宇

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安 271018;2.濰坊工程職業(yè)學(xué)院,山東濰坊 262500)

煤礦塌陷區(qū)不同復(fù)墾年限土壤顆粒組成分形特征

黃曉娜1,李新舉1,劉 寧1,2,閔祥宇1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安 271018;2.濰坊工程職業(yè)學(xué)院,山東濰坊 262500)

土壤的顆粒組成在某種程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),為探究不同復(fù)墾年限下土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律,以土壤顆粒分形理論為基礎(chǔ),選取鄒城市典型采煤塌陷地作為研究對象,統(tǒng)計(jì)分析了煤礦塌陷區(qū)土壤顆粒分形特征及其與土壤不同粒徑含量和土壤養(yǎng)分狀況間的關(guān)系。結(jié)果表明:①隨復(fù)墾年限增加,土壤理化性質(zhì)變好,土壤顆粒分形維數(shù)增大。②在垂直剖面尺度上,土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒、粉粒、密度、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01),而與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01),與堿解氮、速效磷、速效鉀含量相關(guān)性很小。③在時(shí)間尺度上,土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量、密度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤堿解氮、速效鉀、速效磷呈顯著正相關(guān),與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

土地復(fù)墾;顆粒組成;分形維數(shù);相關(guān)性

Key words:land reclamation;soil particle composition;fractal dimension;correlation

國外許多研究表明,現(xiàn)代復(fù)墾技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)是土壤因素的重構(gòu)而不僅僅是作物因素的建立,為使復(fù)墾土壤達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力,構(gòu)造一個(gè)最優(yōu)的土壤條件是最基本的[1-3]。采煤塌陷地復(fù)墾土壤要經(jīng)過一定年限的熟化之后才能達(dá)到種植農(nóng)作物的標(biāo)準(zhǔn),在土壤顆粒組成方面存在著很大的空間異質(zhì)性,而土壤結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是表征土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。土壤是一個(gè)具有不規(guī)則形狀和典型自相似性特征的系統(tǒng),具有一定的分形特征[4-7]。應(yīng)用分形理論來研究土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì),不僅可以解決傳統(tǒng)方法無法解決的許多問題,而且能夠探索土壤學(xué)中的新規(guī)律,推動(dòng)土壤形態(tài)、過程等復(fù)雜問題的解決,并在一定程度上促進(jìn)土壤的定量化研究。

土壤顆粒組成的分形維數(shù),可以較好地表征土壤粒徑大小和質(zhì)地組成的均勻程度,且土壤顆粒組成直接影響到土壤的某些物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),進(jìn)一步反映在土壤密度、孔隙和土壤肥力上[8-10],因此利用分形維數(shù)代替土壤顆粒組成來研究其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系提供了可行性。近幾年來,分形理論慢慢的應(yīng)用于土壤領(lǐng)域,例如,呂圣橋以黃河三角洲土壤為研究對象,利用單重與多重分形理論研究了不同利用方式下的土壤顆粒分形與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系[11],程先富總結(jié)了丘陵區(qū)土壤顆粒的分形特征,土壤顆粒分形與環(huán)境因子的關(guān)系變化等[12-13],土壤顆粒組成的分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性能夠進(jìn)一步揭示土壤顆粒組成的分形維數(shù)的內(nèi)涵,若將土壤顆粒分形維數(shù)應(yīng)用于判斷煤炭塌陷區(qū)復(fù)墾土壤的熟化程度上,作為評判復(fù)墾土壤肥力的指標(biāo),將具有積極的應(yīng)用意義[14]。

本文以山東省濟(jì)寧市鄒城的不同復(fù)墾年限的典型復(fù)墾土壤為對象,研究采煤塌陷地典型復(fù)墾地區(qū)不同土層土壤的分形特征及其與土壤粒度組成和土壤養(yǎng)分的關(guān)系,以期明確不同復(fù)墾年限下不同土層土壤分形特征的差異,為合理定量地研究復(fù)墾土壤肥力提供新的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄒城市位于山東省西南部,土壤采樣區(qū)土壤類型主要為潮土。全市境內(nèi)煤炭資源豐富,含煤面積357 km2,占境域面積的22.13%,地下煤炭儲(chǔ)量達(dá)4億t,是全國八大煤炭生產(chǎn)基地之一。隨著煤炭資源的大規(guī)模開采,該市形成了大面積的采煤塌陷地。截至2012年底,塌陷地面積達(dá)6 453 hm2,其中絕產(chǎn)面積3 000 hm2。目前,仍以每年166.7～200 hm2的速度增加。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

在野外實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上,選擇研究區(qū)域內(nèi)煤矸石充填復(fù)墾1,3,5,10 a四種復(fù)墾年限的地塊和一種對照未塌陷地塊(圖1)。復(fù)墾之前,4塊塌陷地均為深積水區(qū),經(jīng)過分割小區(qū)—疏干積水—表土剝離—回填矸石—覆土的復(fù)墾工藝后,復(fù)墾為可耕種土地。調(diào)查時(shí),復(fù)墾1 a地塊為裸地,復(fù)墾10 a地塊種植楊樹,其余地塊為農(nóng)作物種植區(qū)。

分別在5個(gè)地塊內(nèi)選擇標(biāo)準(zhǔn)樣地(2 m×2 m)各2個(gè)。于2013年4月在選定的樣地內(nèi)按照0～5,5～15,15～30,30～50 cm四層分層采集土壤剖面樣品。

2.2 室內(nèi)分析

實(shí)驗(yàn)采用winner2000激光顆粒儀進(jìn)行土壤顆粒組成的分析。為了大范圍的掌握實(shí)驗(yàn)樣區(qū)的土壤顆粒組成狀況,量程設(shè)計(jì)為0～300μm。在土壤樣品進(jìn)行上機(jī)測試之前,首先要過1 mm篩,然后稱取0.3 g放入20 m L容量瓶中,加入0.25 mol/L草酸鈉溶液5 mL,加入蒸餾水定容到20 mL。將容量瓶內(nèi)的全部溶液加入winner2000激光顆粒儀的加樣槽內(nèi)進(jìn)行土壤顆粒粒徑的分析。

剩余的土壤樣品用于其他理化性質(zhì)的測定。土壤密度、孔隙度用環(huán)刀法測定,土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-氧化外加熱法測定,堿解氮用擴(kuò)散法測定,速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法測定,速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)激光顆粒儀所獲得粒徑體積數(shù)據(jù),在計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)時(shí)采取的計(jì)算公式是王國梁等[15]推導(dǎo)的:式中,V為粒徑大于R或小于R的全部土壤顆粒的總體積;r為土壤粒徑;VT為土壤顆粒的總體積;λV在數(shù)值上等于最大粒徑數(shù)(常數(shù));D為土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

最后,運(yùn)用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件來處理數(shù)據(jù)及相關(guān)性分析。

3 結(jié)果分析

3.1 復(fù)墾土壤理化性質(zhì)分析

由于不同復(fù)墾年限下土地恢復(fù)狀況不同,土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分分布就會(huì)呈現(xiàn)不同的規(guī)律。

3.1.1 土壤物理性狀變化特征

如圖2所示,在垂直剖面尺度上,密度隨土壤剖面深度增加,整體上呈上升趨勢,而孔隙度則相反;在時(shí)間尺度上,隨復(fù)墾年限的增加,密度減小,孔隙度增加。

圖2 復(fù)墾土壤物理性狀時(shí)空變異特征Fig.2 The spatial and temporal variability of physical characteristics of reclaimed soil

相同取樣層次土壤相比,復(fù)墾1 a的地塊密度最大,孔隙度最小,這是因?yàn)閺?fù)墾過程中大型機(jī)械的使用造成嚴(yán)重的土壤壓實(shí);復(fù)墾10 a的土壤孔隙狀況要好于未塌陷地,因?yàn)殡S著復(fù)墾年限的增加,土壤結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化,同時(shí)由于植物的循環(huán)作用和農(nóng)民的深翻,使復(fù)墾10 a的土壤結(jié)構(gòu)狀況比較好。

3.1.2 土壤養(yǎng)分變化特征

將不同復(fù)墾年限的各層次土壤化學(xué)形狀進(jìn)行分析,得到如圖3所示的時(shí)空變異規(guī)律。

圖3 復(fù)墾土壤化學(xué)特征時(shí)空變異特征Fig.3 The spatial and temporal variability of chemical characteristics of reclaimed soil

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀和速效磷的含量隨著復(fù)墾年限的增加,都呈增加的趨勢,并且復(fù)墾10 a地塊的養(yǎng)分含量相對于其他地塊是比較高的。簡而言之,土壤剖面中,上層土壤養(yǎng)分狀況要明顯好于下層土壤,復(fù)墾年限長的地塊要好于復(fù)墾年限少的地塊。

有機(jī)質(zhì)含量在5塊樣地中都普遍偏低。其中復(fù)墾1 a的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量僅為1.1 g/kg,復(fù)墾10 a的土壤表層有機(jī)質(zhì)含量相對較高,這是因?yàn)闃涿绲姆N植使部分落葉堆積造成有機(jī)質(zhì)含量相對偏高,其余地塊各層次有機(jī)質(zhì)含量變化不是很大。

堿解氮的含量在復(fù)墾地塊上下層次的含量變化比較大,未塌陷地的含量層次差異比較小。復(fù)墾10 a的土壤中堿解氮的含量最高,因?yàn)橥寥乐袎A解氮含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量變化有密切關(guān)系,堿解氮主要存在于土壤有機(jī)質(zhì)中,堿解氮含量基本由土壤有機(jī)質(zhì)含量所決定。這是因?yàn)殡S著土壤中有機(jī)質(zhì)的逐步礦化,氮元素逐漸被釋放出來,從而提高土壤堿解氮含量[18]。復(fù)墾10 a的樣地有機(jī)質(zhì)含量相對偏高,故堿解氮含量也相對偏高。

與其他大量營養(yǎng)元素相比,土壤磷素含量相對較低。從圖3中可以看出,速效磷含量在土壤剖面上呈直線下降趨勢,土壤上層比土壤下層高很多,這可能與磷的遷移率小有關(guān)。隨著復(fù)墾年限的增多,速效磷含量也是逐漸增多的。

不同復(fù)墾年限的速效鉀含量在剖面上也呈減少分布,而復(fù)墾土壤速效鉀含量變化比較特殊,呈現(xiàn)先增多后減少分布,這是由于速效鉀易被土壤吸收,不易流失,但是表層由于淋溶,風(fēng)吹等作用,表層土壤中速效鉀含量少。

3.1.3 土壤顆粒狀況變化特征

復(fù)墾土壤表土熟化是一個(gè)比較漫長的過程,隨復(fù)墾年限增加,伴隨著植被恢復(fù),土壤環(huán)境也慢慢的改善。從表1總體來看,在時(shí)間尺度上,隨著復(fù)墾年限的增加,土壤黏粒、粉粒含量增加,砂粒含量減少,在顆粒組成上有細(xì)化現(xiàn)象。在垂直剖面尺度上,隨深度增加,黏粒、粉粒、砂粒的變化規(guī)律也是如此。另外,復(fù)墾10 a的地塊在土壤顆粒組成上,與未塌陷耕地的相似度達(dá)到0.983,說明復(fù)墾10 a的耕地結(jié)構(gòu)熟化條件較好,在土壤結(jié)構(gòu)上達(dá)到了耕作農(nóng)田的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同復(fù)墾年限下土壤顆粒組成Table 1 Soil particle com position under different reclamation years

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)垂直剖面梯度變化

不同復(fù)墾年限的土壤顆粒分形維數(shù)是不同的,復(fù)墾1,3,5,10 a,未塌陷邊地的土壤顆粒分形維數(shù)分別為2.495 9,2.500 5,2.517 7,2.621 1,2.627 0。圖4不僅反映了5種樣地間土壤顆粒分形維數(shù)在時(shí)間尺度上變化的差異性,也反映出同一樣地內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)在垂直剖面尺度上的漸序變化規(guī)律。

總體上,隨著土壤深度的增加,土壤顆粒分形維數(shù)逐漸變大。但是復(fù)墾1 a和復(fù)墾3 a的樣地在土壤剖面層次上的土壤顆粒分形維數(shù)差異很小,復(fù)墾1 a的變化值域(最大值與最小值差值)僅為0.002 3,土壤顆粒分形維數(shù)從土層上部到下部有輕微升高的趨勢;未塌陷地的值域變化為0.031,也相對比較小;復(fù)墾5 a和復(fù)墾10 a的土壤顆粒分形維數(shù)在垂直剖面上變化較大,變化值域分別為0.049 3,0.096 2,在變化上,呈現(xiàn)隨深度增加分形維數(shù)逐漸增加的趨勢。

圖4 土壤顆粒分形維數(shù)在土壤垂直剖面上的梯度變化Fig.4 The characteristic of soil particle fractal dimension on the vertical distribution

復(fù)墾1和3 a的樣地,因?yàn)閺?fù)墾年限小,覆土顆粒在剖面上均質(zhì)化,變化比較小。未塌陷地內(nèi)人為活動(dòng)的原因,造成土壤0～30 cm土壤的均質(zhì)化,因此分形維數(shù)變化很小,變化值域只有0.009,30 cm后才表現(xiàn)出稍大的分形維數(shù)差異。另一方面每年土壤未翻動(dòng)之前,尤其是在冬季,深部土壤未受到風(fēng)蝕,能保留比表層土壤更多的細(xì)粒物質(zhì),因此深部的土壤分形維數(shù)有稍微的升高。

對于復(fù)墾5 a的土壤,由于復(fù)墾后客土填充比較松散,表層的細(xì)粒物質(zhì)在各種作用的沖蝕下流失,造成土壤顆粒分形維數(shù)比較小,細(xì)粒物質(zhì)也有向下遷移的趨勢,使下層分形維數(shù)變大。

對于復(fù)墾10 a的土壤,分形梯度變化最大。由于種植了楊樹,能抑制降雨對于細(xì)粒物質(zhì)的沖洗,而且能阻止大風(fēng)對土壤細(xì)粒物質(zhì)的吹蝕,因此表層分形維數(shù)要比復(fù)墾5 a樣地高很多,對于深部的土壤而言,由于擾動(dòng)較少,土壤處于自然演化恢復(fù)狀態(tài),土體緊實(shí),因此,造成了深部土壤分形維數(shù)比表層土壤的要大。

3.3 垂直剖面尺度上土壤顆粒分形維數(shù)與其理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

在復(fù)墾土壤恢復(fù)過程中,土壤剖面顆粒分形維數(shù)與不同粒徑顆粒含量及土壤性狀相關(guān)分析表明(表2),分形維數(shù)與黏粒、粉粒、密度、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01),而與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01),與堿解氮、速效磷、速效鉀含量相關(guān)性很小。

表2 垂直剖面尺度上土壤顆粒分形維數(shù)與土壤性狀相關(guān)系數(shù)Tab le2 The correlation coefficient between fractal dimension and soil properties on the vertical dimension

由土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算過程可知,分形維數(shù)是不同粒徑顆粒含量計(jì)算的結(jié)果,相關(guān)分析也表明分形維數(shù)與砂粒、粉粒和黏粒相關(guān)關(guān)系極顯著,其中與黏粒的相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到0.942 5。從表2中可以看出,土壤剖面的土壤顆粒分形維數(shù)和堿解氮、速效磷、速效鉀含量的相關(guān)性極小,與賈曉紅和楊培玲[19-21]等研究的普通土壤的結(jié)果有所不同,因?yàn)檫@與煤礦塌陷區(qū)的復(fù)墾工藝有關(guān)。在復(fù)墾過程中,底部填充煤矸石、粉煤灰等,表層客土覆蓋,可耕種層比較薄,這樣就造成了表層土壤中養(yǎng)分含量相對較高,而到達(dá)填充層時(shí)由于填充物的關(guān)系使養(yǎng)分劇降,故在煤礦塌陷復(fù)墾區(qū),隨深度變化土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性極弱。

3.4 時(shí)間尺度上土壤分形維數(shù)與其理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

整體分析不同復(fù)墾年限土壤顆粒分形維數(shù)和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)(表3),土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量、密度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤堿解氮、速效鉀、速效磷含量呈顯著正相關(guān),與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此分形維數(shù)與土壤肥力表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性,土壤顆粒分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷含量均顯著正相關(guān),因此可將表征土壤顆粒組成的土壤顆粒分形維數(shù)用于作為評價(jià)煤礦塌陷區(qū)復(fù)墾土壤肥力特征的一個(gè)因子反映土壤肥力屬性的變化特征。

表3 時(shí)間尺度上土壤顆粒分形維數(shù)與土壤性狀相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient between fractal dimension and soil properties on the time scale

4 結(jié) 論

(1)土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣決定于土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好壞。好的土壤粒徑分布均勻,黏粒含量適中,土壤大團(tuán)聚體含量高。鄒城市采煤塌陷地復(fù)墾地區(qū),隨著土壤剖面深度增加,土壤結(jié)構(gòu)化變差,養(yǎng)分含量逐漸降低。隨著復(fù)墾年限的增加,土壤慢慢熟化,在物理化學(xué)性質(zhì)上都有逐漸優(yōu)化的趨勢。

(2)在顆粒組成方面,隨復(fù)墾年限增加,土壤黏粒、粉粒含量增加,砂粒含量減少。同樣,在土壤剖面上隨深度增加,黏粒、粉粒、砂粒的變化規(guī)律也是如此。

(3)復(fù)墾1,3,5,10 a,未塌陷地的土壤顆粒分形維數(shù)分別為2.495 9,2.500 5,2.517 7,2.621 1, 2.627 0,復(fù)墾年限多的土壤顆粒分形維數(shù)要大于復(fù)墾年限少的土壤顆粒分形維數(shù)。復(fù)墾1 a跟復(fù)墾3 a的樣地在土壤剖面層次上的土壤顆粒分形維數(shù)差異很小,復(fù)墾1 a的變化值域(最大值與最小值差值)僅為0.002 3;復(fù)墾3 a的土壤值域變化為0.012 5,也相對比較小;復(fù)墾5 a與復(fù)墾10 a的土壤顆粒分形維數(shù)在垂直剖面上變化較大,變化值域分別為0.049 3, 0.096 2,在變化上,呈現(xiàn)隨深度增加分形維數(shù)逐漸增加的趨勢。

(4)在垂直剖面尺度上,土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒、粉粒、密度、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01),而與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01),與堿解氮、速效磷、速效鉀含量相關(guān)性很小。(5)在時(shí)間尺度上,土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量、密度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,

與土壤堿解氮、速效鉀、速效磷呈顯著正相關(guān),與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此,土壤顆粒分形維數(shù)可以作為一個(gè)判斷煤炭塌陷區(qū)土壤恢復(fù)狀況,評價(jià)其土壤肥力的一個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)。

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Characteristics of soil particles fractal dimension under different reclamation years in coalm ining subsidence

HUANG Xiao-na1,LIXin-ju1,LIU Ning1,2,MIN Xiang-yu1
(1.College ofResourcesand Environment,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China;2.Weifang Engineering Vocational College,Weifang 262500,China)

Soil particle composition determines the structure and properties of the soil to some extent.To explore the rule of soil physical and chemical properties under different reclamation years,the author analyzed fractal characteristics of soil particles of coalmining subsidence area and its relationship with soil grain distribution and the soil nutrient condition,in a case of the typical coalmining subsidence area in the city of Zoucheng based on the fractal theory of soil particles.The results show that,with the increase of reclamation years,soil physical and chemical properties improve,and the fractal dimension of soil particles increase.On the vertical dimension,the fractal dimension of soil particles and the clay,silt,unitweight or organic matter content present a significant positive correlation(p＜0.01),while the fractal dimension ofsoil particles has significantnegative correlation(p＜0.01)with porosity and sand grain content and the correlation between fractal dimension and alkali-hydrolyzale nitrogen,available potassium or rapidly available phosphorus are very small.On the time scale,the fractal dimension of soil particles has a extremely significant positive correlation with clay,silt,organic matter content and unit weight,and a significant positive correlation with alkalihydrolyzale nitrogen,available potassium and rapidly available phosphorus,but there is a significant negative correlation between the fractal dimension of soil patticles and porosity or sand grain.

X53

A

0253-9993(2014)06-1140-07

黃曉娜,李新舉,劉 寧,等.煤礦塌陷區(qū)不同復(fù)墾年限土壤顆粒組成分形特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1140-1146.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1047

Huang Xiaona,Li Xinju,Liu Ning,etal.Characteristics of soil particles fractal dimension under different reclamation years in coalmining subsidence[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1140-1146.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1047

2013-07-24 責(zé)任編輯:王婉潔

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41171425)

黃曉娜(1989—),女,山東濰坊人,碩士研究生。E-mail:hxiaona123@163.com。通訊作者:李新舉(1965—),男,山東金鄉(xiāng)人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:0538-8246203,E-mail:lxj0911@126.com