花崗巖崩崗崩積體顆粒組成及分形特征

蔣芳市, 黃炎和, 林金石, 趙 淦, 葛宏力

(福建農(nóng)林大學 資源與環(huán)境學院, 福州 350002)

花崗巖崩崗崩積體顆粒組成及分形特征

蔣芳市, 黃炎和, 林金石, 趙 淦, 葛宏力

(福建農(nóng)林大學 資源與環(huán)境學院, 福州 350002)

崩崗崩積體土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力弱，其顆粒組成及分形維數(shù)有其自身的特性。采用激光粒度分布儀對花崗巖崩崗崩積體及崩壁土樣的顆粒進行測定，對其土壤顆粒組成及分形特征進行比較分析。結果如下：崩積體土壤以礫石、砂粒、粉粒含量為主，黏粒含量極低，土壤質(zhì)地主要為礫石土；崩積體各層次土壤顆粒分形維數(shù)均值為2.61～2.70，分形維數(shù)值較低，反映了其細顆粒損失情況；黏粒含量是影響土壤顆粒分形維數(shù)的主要因素；崩壁土體的顆粒分形維數(shù)大小能夠表征土壤的理化特征，而崩積體土壤顆粒分形維數(shù)無法真實反映崩積體的理化性質(zhì)。

崩崗; 崩積體; 顆粒分布; 分形維數(shù)

崩崗是我國南方紅壤區(qū)特有的侵蝕現(xiàn)象[1]，一般由集水坡面、崩壁、崩積體、沖刷溝道、沖積扇組成。其中，崩積體是由崩壁、原山體坡面的物質(zhì)經(jīng)水力和重力的作用下，在崩壁下方堆積的物質(zhì)。由于受到擾動，其性質(zhì)較崩壁的原狀土體性質(zhì)已發(fā)生很大的變化，屬于擾動土，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力弱，加上坡度大(一般為20°～40°)，且植物根系及有機質(zhì)缺乏，非常容易被降雨濺蝕及徑流沖刷，形成大量泥沙，直接影響崩崗泥沙的流失量，影響崩崗對下游的危害[2]。顆粒組成是土壤理化特性的一項重要指標，反映了土壤的粘砂程度，直接影響土壤的團聚狀況、滲透、容重、孔隙等特征[3-5]；土壤顆粒具有自相似特征，可用分形理論定量描述土顆粒的特征[4-5]，且土壤顆粒的分形維數(shù)大小能反映土壤顆粒分布的均勻程度[6]，表征土壤的密實程度、團聚結構、土壤孔隙等結構特征[4-6]，能夠反映巖土的分化強弱程度及表征土體的抗侵蝕強度[7]，能夠反映土壤顆粒物質(zhì)的損失狀況[8]及土壤的侵蝕強度[4,9]。長期以來，崩崗侵蝕研究主要集中在崩壁土層的不穩(wěn)定性及與巖土特性的關系[10-11]，對崩積體的關注較少，以致對崩積體的顆粒分布特征也還未有定量化的描述。鑒于此，本研究以花崗巖崩積體為研究對象，并與崩壁土壤的顆粒特征進行比較，分析崩積體的顆粒組成及分形維數(shù)特征，探討崩積體的分形維數(shù)與顆粒組成的關系及其與土壤理化性質(zhì)的關系，以期為崩積體土壤性質(zhì)的系統(tǒng)深入研究提供基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)(118°03′E,24°57′N)，屬于南亞熱帶氣候區(qū)，年平均溫度18℃，年平均降水量1 800 mm。崩崗區(qū)土體發(fā)育于晚侏羅世及早白堊世燕山晚期的侵入體之上，均屬酸性花崗巖類巖石，結構為中-粗粒似斑狀結構，礦物成分以長石為主，其次為石英和云母[11]。安溪縣崩崗數(shù)量為福建省之最，而龍門鎮(zhèn)的崩崗數(shù)量又居安溪縣之首。根據(jù)2005年調(diào)查的數(shù)據(jù)，安溪縣崩崗數(shù)量為12 828個，占福建省崩崗總數(shù)(26 024個)的49.28%，崩崗面積為2.305 hm2，占福建省崩崗總面積(6 406 hm2)的35.99%；龍門鎮(zhèn)共有崩崗1 228個，密度為7.86個/km2，崩崗侵蝕面積264.77 hm2，數(shù)量和面積分別占安溪縣的9.57%和11.48%，崩崗侵蝕劇烈。

1.2 樣品采集

2012年6月，對研究區(qū)3座花崗巖發(fā)育的崩崗(編號分別為BG1/BG2/BG3)共6處崩積體(編號分別為BJ1/BJ2/BJ3/BJ4/BJ5/BJ6)進行采樣；其中，BG1崩崗包括BJ1/BJ2崩積體；BG2崩崗包括BJ3/BJ4崩積體；BG3崩崗包括BJ5/BJ6崩積體。由于崩積體是多次崩塌堆積形成的，其在剖面上具有層次性。

因此，采樣時分別對崩積體的坡下(A)、坡中(B)、坡上(C)三個部位，按1 m剖面從下至上根據(jù)崩積體的堆積層次進行采樣，BJ1/BJ2/BJ3/BJ4/BJ5/BJ6六處崩積體采集的樣品分別為8，11，7，10，7，8個，共51個樣品，具體采樣情況見表1。為了與崩壁上未崩塌的土體性質(zhì)相比較，對每座崩崗崩壁上的紅土層、砂土層和碎屑層進行采樣，每層各3個混合樣，每個崩崗9樣品，3個崩崗共27個樣品。

表1 崩積體采樣部位

1.3 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀消煮法[12]；土壤容重和孔隙采用環(huán)刀法[13]；團聚體含量采用濕篩法[13]；入滲速率采用環(huán)刀法[14]。土壤顆粒采用激光粒度儀分析，設備為丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT-9300 ST激光粒度分布儀。

1.4 指標計算

土壤顆粒分形維數(shù)采用楊培嶺模型[15]計算：

(1)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003，SPSS 18.0進行數(shù)理統(tǒng)計分析。回歸及相關分析等采用Excel 2003進行，多重比較(LSD)采用SPSS 18.0進行。

2 結果與分析

2.1 崩積體的顆粒組成與質(zhì)地

按照美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類制(USDA)，把顆粒分為礫石(>2 mm)，砂粒(2～0.05 mm)，粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)，并根據(jù)土壤的顆粒組成劃分土壤質(zhì)地類型，崩積體及崩壁土層的土壤顆粒組成見表2。從表可知，崩積體的礫石、砂粒、粉粒含量均較高，礫石含量在14.56%～69.37%之間，其中，BJ5的礫石含量最高；砂粒含量在14.58%～39.13%之間，粉粒含量在8.89%～41.41%之間，黏粒含量極低，在1.53%～9.86%之間；平均礫石、砂粒、粉粒，黏粒的比例為1∶0.79∶0.69∶0.13。紅土層主要以砂粒和粉粒為主，礫石和黏粒含量相當，礫石、砂粒、粉粒，黏粒的比例為1∶1.62∶1.67∶1.07；砂土層主要以礫石、砂粒及粉粒居多，黏粒含量較低，四者的比例為1∶0.91∶0.73∶0.26；碎屑層以礫石和砂粒含量為主，黏粒含量極低，四者的比例為1∶0.81∶0.31∶0.09。

對崩積體51個樣品進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，除10個樣品的礫石含量小于30%外，其它的41個樣品的礫石重量含量均大于30%，根據(jù)美國制的顆粒分級標準，以上樣品均為礫石土；其中，37個樣品的礫石質(zhì)量含量在30～50%之間，屬于輕礫石土，4個樣品的礫石質(zhì)量含量在50%～70%之間，屬于中礫石土。對于崩壁土體，屬于礫石土的樣品有16個，其中，紅土層的樣品1個，砂土層的樣品6個，碎屑層的樣品9個；16個樣品中，僅有2個樣品為中礫石土，其余14個樣品均為輕礫石土。

以上說明，由崩壁土體崩塌形成的崩積體，顆粒組成呈粗顆?；卣?，土壤質(zhì)地主要為礫石土。由于黏粒含量低，顆粒之間的粘結力小，土壤很難再形成與崩壁土壤相似的土壤結構，表現(xiàn)出松散及水穩(wěn)性差的特征，在降雨及徑流的作用下，很容易發(fā)生侵蝕。

2.2 崩積體土體的分形特征

崩積體及崩壁土層的顆粒分形維數(shù)見表2。對土壤顆粒分形維數(shù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，崩積體各層次土壤顆粒分形維數(shù)均值在2.61～2.70之間，極差在0.10～0.17之間，變異系數(shù)在0.014～0.23之間；崩壁各土層的均值在2.65～2.82之間，極差在0.09～0.19之間，變異系數(shù)在0.008～0.021；說明崩積體及崩壁土層土壤顆粒的分形維數(shù)均相對集中，屬于弱變異(變異系數(shù)<0.10)，整體變異規(guī)律不明顯。郭中領[16]對北京地區(qū)表層土壤的研究也表明，土壤顆粒分形維數(shù)變異性較弱，差異不明顯。

崩積體及崩壁土體平均分形維數(shù)的大小比較可知，D紅土層(2.82)>D砂土層(2.72)>D碎屑層(2.65)=D崩積體(2.65)。羅明達等研究表明，土壤顆粒分形維數(shù)越低，土壤顆粒配級越不均勻[6]。從表2分析可知，紅土層礫石、砂粒、粉粒，黏粒的平均比例為1∶1.62∶1.67∶1.07，而砂土層、碎屑層、崩積體的四個粒級的比例分別為1∶0.91∶0.73∶0.26，1∶0.81∶0.31∶0.09，1∶0.79∶0.69∶0.13，說明紅土層的顆粒分布遠比其它三個土體均勻。吳志峰[7]研究表明，分形維數(shù)可以表征花崗巖風化殼的風化強弱及抗蝕強度，分型維數(shù)越低，巖土的風化程度越弱，土壤的抗沖抗蝕能力下降。本研究紅土層的分形維數(shù)D為2.80～2.89，與紅土層風化程度較高及較強的抗侵蝕能力相對應，而砂土層和碎屑層土壤的分形維數(shù)分別在2.78和2.68以下，相對較低，符合砂土、碎屑層風化程度較弱及抗侵蝕能力較低的特征。而陳子玉[4]研究發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可以反映土壤的侵蝕程度，分形維數(shù)越低，表明土壤的細顆粒損失，粗顆粒含量富集，土壤侵蝕程度越高。崩積體的顆粒分型維數(shù)也較低(2.75之下)，雖然與砂土層和碎屑層土體的分形維數(shù)相當，但由于其土質(zhì)較二者疏松，更易被侵蝕；同時，崩積體細顆粒首先被搬運，促使土體向粗顆粒富集，分形維數(shù)在一定程度上反映了其物質(zhì)的損失。

表2 崩積體及崩壁土層不同粒徑級別的顆粒含量統(tǒng)計特征值

注：同一種顆粒下，同一列中小寫字母相同表示差異不顯著。

2.3 分形維數(shù)與土壤顆粒組成的關系

礫石(d>2)、砂粒(d2-0.05)、粉粒(d0.05-0.002)、黏粒(d<0.002)含量與土壤分形維數(shù)(D)的關系見表3。由表可知，崩壁上土體分形維數(shù)與礫石、砂粒呈線性負相關，且分別達到顯著水平和極顯著水平；與粉粒呈線性極顯著正相關；與黏粒含量呈冪函數(shù)關系，且達到極顯著水平，這與陳子玉[4]及高君亮[8]等的研究一致。但崩積體土壤分形維數(shù)僅與黏粒含量呈冪函數(shù)關系，且相關性達到極顯著水平，而與礫石、砂粒、粉粒的相關性不高，與崩壁土體有較大的差異，這是由于崩積體經(jīng)降雨和徑流沖刷后，黏粒含量減少，土壤粗顆粒含量富集，各土體粗顆粒之間的含量差異較小所致。

表3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑含量的關系

注：表中**表示關系達到極顯著水平(P<0.01)；*表示關系達到顯著水平(P<0.05)。

采用逐步回歸法，將分形維數(shù)D與四個粒級顆粒含量進行多元線性回歸，發(fā)現(xiàn)崩積體及崩壁土壤的礫石(>2 mm)含量、砂粒(2～0.05 mm)和粉粒(0.05～0.002 mm)含量因子均被剔除，分形維數(shù)D與黏粒(<0.002 mm)含量的偏相關系數(shù)達到極顯著水平。分形維數(shù)D與各粒級含量建立的線性方程有效性達到極顯著水平：

D崩積體=2.550+0.021d<0.002

(2)

D崩壁=2.627+0.010d<0.002

(3)

式中：D崩積體——崩積體土壤顆粒分形維數(shù)；D崩壁——崩壁土層土壤顆粒分形維數(shù)；d<0.002——土壤黏粒含量(%)。

式(2)和式(3)說明不管是崩積體擾動土壤還是崩壁上自然土壤，黏粒含量是影響土壤顆粒分形維數(shù)的主要因素，而粉粒含量、砂粒含量、礫石含量的作用較小，這與吳堯等[5]對岷江上游5種典型植被下土壤的研究一致。紅土層的黏粒含量高，平均值達到了20.60%，土壤質(zhì)地偏向粉粘質(zhì)，土壤內(nèi)部結構的復雜程度提高，因此，紅土層的分形維數(shù)值最大；砂土層的黏粒含量也比崩積體及碎屑層土體的高，所以分形維數(shù)也較高，平均值達到了2.70；碎屑層細顆粒含量少，粗顆粒含量高，所以分形維數(shù)較低；崩積體為崩壁土層崩塌形成的，是崩壁土層的混合體，但經(jīng)過降雨的擊濺和徑流的沖刷，部分細顆粒被侵蝕，造成粗顆粒富集，土壤顆粒之間的接觸面積減少，顆粒結構排列形式比崩壁未擾動土體簡單，所以分形維數(shù)也較低。

2.4 顆粒分形特征與土壤理化性質(zhì)的關系

土壤顆粒是構成土壤結構的重要基礎物質(zhì)，一定程度上能夠表征土壤結構指標。崩壁及崩積體土壤理化指標的平均值見表4，分形維數(shù)與土壤理化性狀的相關性見表5。由表5可知，崩壁土壤的顆粒分形維數(shù)與有機質(zhì)含量、總孔隙度、非毛管孔隙、>0.25 mm團聚體含量、初滲率及穩(wěn)滲率成正比，而與容重和毛管孔隙成反比，相關系數(shù)均達到了顯著水平以上；而崩積體土壤分形維數(shù)與上述土壤理化指標的相關性均不明顯。以上說明，對于崩壁土壤，分形維數(shù)越大，土壤容重越小，土壤的團聚結構增強，孔隙增大，特別是非毛管孔隙的增加，有利于水分的入滲，土壤的抗侵蝕能力增強。因此，崩壁土體結構緊實，不同土層顆粒大小分布及排列差異較大，土壤顆粒的分形維數(shù)能夠表征土壤的理化特征，這與羅明達[6]及吳堯[5]等研究一致。而對于崩積體土體，由于天然土體結構的破壞及細顆粒被沖刷，土壤的粗顆粒含量增多，土壤顆粒之間的作用力差異不大，加上土壤有機質(zhì)含量低(表4)，其對土壤顆粒的粘聚作用很弱，造成土壤內(nèi)部的自相似特征減弱，各土體的理化性質(zhì)指標差異不大，顆粒分形維數(shù)無法真實反映崩積體的土體結構。但從表4可以看出，崩積體之間初滲率和穩(wěn)滲率差異較大，這主要與崩積體的堆積時間有關。蔣芳市等[2]研究發(fā)現(xiàn)，崩積體的入滲能力受堆積時間的影響，堆積一段時間后崩積體的孔隙減少，入滲能力降低，因此，BJ1，BJ3，BJ5的入滲能力較差，與其已堆積一段時間有關，而與其土體的顆粒組成及分形特征關系不大。

表4 各采樣崩積體及崩壁土壤的理化性質(zhì)

注：同一列中小寫字母相同表示差異不顯著。

表5 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化指標的相關性

注：表中**表示關系達到極顯著水平(P<0.01)；*表示關系達到顯著水平(P<0.05)。

3 結 論

通過對崩積體的顆粒組成及分形維數(shù)特征進行分析，并與崩壁土壤的性質(zhì)相比較可知：

(1) 崩積體的礫石、砂粒、粉粒含量均較高，紅土層主要以砂粒和粉粒為主，砂土層主要以礫石、砂粒及粉粒居多，碎屑層以礫石和砂粒含量為主；

(2) 崩積體及崩壁土體的顆粒分形維數(shù)值均相對集中，崩壁土體的顆粒分形維數(shù)可以表征花崗巖風化殼的風化強弱及抗蝕強度，而崩積體土壤的顆粒分形維數(shù)則一定程度上反映了細顆粒的損失。

(3) 通過多元線性逐步回歸分析表明黏粒含量是影響崩積體及崩壁土壤顆粒分形維數(shù)的主要因素，均可通過黏粒含量建立土壤顆粒的分形維數(shù)方程。但由于崩積體土壤黏粒含量低，顆粒之間的粘結力小，土壤很難再形成與崩壁土壤相似的土壤結構，土質(zhì)疏松，很容易被雨滴濺蝕及被徑流的沖刷。

(4) 分形維數(shù)與土壤理化指標相關分析表明，崩壁土體的顆粒分形維數(shù)大小能夠表征土壤的理化特征，而崩積體土壤顆粒分形維數(shù)無法真實反映崩積體的理化性質(zhì)。

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SoilParticleSizeDistributionandFractalDimensionsofColluvialDepositsinGraniteBenggang

JIANG Fang-shi, HUANG Yan-he, LIN Jin-shi, ZHAO Gan, GE Hong-li

(CollegeofResourcesandEnvironment,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

Colluvial deposit, as a part of hill, has high contents of loose materials and high erodibility, and the particle composition and the fractal dimensions of colluvial soil have its own characteristics. Soil particle size distribution of colluvial deposits and clasping wall in granite hill were analyzed by using the laser article size distribution instrument. The results indicated that colluvial deposits were given priority with gravel, sand and silt contents, clay content was extremely low, the gravel soil was the dominated soil texture; the average fractal dimensions of soil particles of colluvial deposits were less than the range between 2.61 to 2.70, which reflected the characteristic of fine particle loss; clay content was the major factor of the fractal dimension; the fractal dimension could reflect the soil physical and chemical properties of collapsing wall, but it couldn’t reflect the soil properties of colluvial deposits.

Benggang; colluvial deposits; soil particle size distribution; fractal dimensions

2013-11-26

：2014-02-09

國家自然科學基金資助項目(41001169,40671113);國家科技支撐項目(2014BAD15B03)

蔣芳市(1979—),男,福建大田人,博士,講師,研究方向:土壤侵蝕與治理。E-mail:jfsfafu@163.com

黃炎和(1962—),男,廣東饒平人,博士,教授,博士生導師,研究方向:土壤侵蝕與侵蝕退化生態(tài)恢復途徑。E-mail:yanhehuang@163.com

S152.3

：A

：1005-3409(2014)06-0175-06