王茂溝流域淤地壩系土壤顆粒與有機(jī)碳分布特征研究

惠 波, 李 鵬, 張維, 高海東, 趙賓華, 王 琦

(1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;2.黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站, 陜西 綏德 718000; 3.咸陽市種苗站, 陜西 咸陽 712000)

?

王茂溝流域淤地壩系土壤顆粒與有機(jī)碳分布特征研究

惠 波1,2, 李 鵬1, 張維3, 高海東1, 趙賓華1, 王 琦1

(1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;2.黃河水利委員會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站, 陜西 綏德 718000; 3.咸陽市種苗站, 陜西 咸陽 712000)

為了研究黃土高原丘陵溝壑區(qū)壩系壩地土壤顆粒與有機(jī)碳的分布特征，以陜北綏德縣王茂溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選取了47個(gè)土壤剖面，采集土樣940個(gè)，分析了分形維數(shù)、粗化度、有機(jī)碳與各粒徑組成之間的關(guān)系。結(jié)果表明：(1) 研究區(qū)壩地的土壤粒徑分布中，粉粒含量占主導(dǎo)地位，依次為砂粒、黏粒；(2) 王茂溝壩地土壤顆粒的分形維數(shù)在2.674～2.829之內(nèi)變化，垂直剖面上變化很微小，壩前、壩中、壩后土壤顆粒分形維數(shù)分別為2.803 3，2.783 6，2.795 8；(3) 王茂溝壩地土壤質(zhì)地粗化度在0.27～0.58，平均值為0.44，壩前(0.40)<壩后(0.45)<壩中(0.46)；(4) 壩地土壤顆粒在0.05～0.002 mm和<0.002 mm范圍內(nèi)與土壤顆粒的分形維數(shù)成極顯著正相關(guān)，在2.0～0.05 mm范圍內(nèi)與土壤顆粒的分形維數(shù)成極顯著負(fù)相關(guān)；壩地土壤有機(jī)碳與粉粒和黏粒呈正相關(guān)，與細(xì)砂粒和極細(xì)沙粒含量呈負(fù)相關(guān)。

壩地; 分形維數(shù); 土壤質(zhì)地粗化度; 有機(jī)碳

黃河難以治理的“癥結(jié)”在于泥沙，特別是粗泥沙(粒徑>0.05 mm)，在粗泥沙集中來源區(qū)采取就地?cái)r截?zé)o疑是最為有效的辦法。淤地壩正是黃土高原減少水土流失、快速攔截入黃泥沙的行之有效的水土保持工程措施之一，所形成的壩地是匯集流域內(nèi)徑流泥沙淤積形成的特殊土壤，它和常規(guī)意義上的土壤有所不同，因?yàn)樗峭寥狼治g的產(chǎn)物，是土壤侵蝕物隨水流運(yùn)移沉積而形成的，其土壤結(jié)構(gòu)具有自身的特征。淤積泥沙粒徑是研究淤地壩侵蝕產(chǎn)沙的重要指標(biāo)[1]，也是研究泥沙輸移規(guī)律不可缺少的參數(shù)之一。

土壤有機(jī)碳是研究土壤生產(chǎn)力、土壤水文特性的基礎(chǔ)資料，是土壤質(zhì)量中最為重要的指標(biāo)之一[2]。不同粒徑土壤顆粒和有機(jī)質(zhì)的相互排列、膠結(jié)是造成土壤有機(jī)碳變化的主要原因之一。李勇等[3]人認(rèn)為黃土高原地區(qū)淤地壩攔蓄泥沙及淤積形成的壩地是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳吸收匯之一。碳儲(chǔ)存主要體現(xiàn)在淤地壩淤積土壤和作物生長(zhǎng)兩個(gè)方面。眾多學(xué)者通過土壤有機(jī)碳來研究淤地壩對(duì)陸地碳貯存，而土壤粒徑與土壤有機(jī)碳的關(guān)系研究的較少。

分形理論為解決土壤形態(tài)、過程等復(fù)雜問題方面提供了一種有效的定量化方法?；谕寥李w粒的分形理論廣泛的應(yīng)用于土地利用類型、土壤肥力、土壤沙化對(duì)土壤質(zhì)地的影響研究上[4-7]。目前泥沙顆粒的分形特征已成為土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，眾多學(xué)者在這方面做了大量的研究[8-9]。但是對(duì)淤地壩內(nèi)由于各種侵蝕力形成的旋迴層的土壤顆粒分形特征研究還較少。本文擬通過研究黃土高原典型小流域壩地淤積泥沙顆粒的分形特征、剖面分布規(guī)律、泥沙顆粒與有機(jī)碳的關(guān)系以及進(jìn)入淤地壩的淤積泥沙顆粒粒徑的變化，揭示人類活動(dòng)對(duì)水土流失的影響，以期為黃土高原生態(tài)建設(shè)提供一定的理論支撐。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

王茂溝流域是綏德縣韭園溝中游左岸的一條支溝，位于東經(jīng)110°20′26″—110°22′46″，北緯37°34′13″—37°36′03″，海拔高度940～1 188 m，流域面積5.97 km2，主溝長(zhǎng)3.75 km，溝道平均比降為2.7%，溝谷地面積2.97 km2，占流域總面積的46.7%，溝壑密度4.3 km/km2，地面坡度一般在20°以上。該流域?qū)儆诎敫珊档貐^(qū)，雨量年內(nèi)分布不均，汛期(6—9月)多暴雨，多年平均年降水量為513 mm，汛期降水一般占年降水總量的70%以上，水土流失嚴(yán)重。流域從1953年開展水土保持工作，到1999年底興修水平梯田112.47 hm2，造林199.96 hm2，種草27.25 hm2，壩地25.16 hm2，總治理面積367.81 hm2，治理程度為61.61%。截至2014年，王茂溝小流域共有淤地壩23座，其中大型壩2座，中型壩7座，小型壩14座，淤地壩現(xiàn)狀見表1。

表1　王茂溝淤地壩現(xiàn)狀表

1.2土壤樣品采集與測(cè)定

2013年8月在研究區(qū)進(jìn)行了壩地淤積層剖面的取樣，沿壩地中泓線在壩前、壩中、壩后三個(gè)位置，用直徑5 cm的土鉆進(jìn)行土壤樣品的采集，共計(jì)采樣點(diǎn)47個(gè)，土樣940個(gè)。每個(gè)位置采集深度為200 cm，每隔10 cm采集土樣，共采集20層土壤樣品，帶回土壤化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。采樣的同時(shí)進(jìn)行GPS的定位，記錄樣點(diǎn)位置信息。

(1) 土壤含水量用鋁盒烘干法(105℃下烘6～8 h)測(cè)定。

(2) 所有取回的土樣經(jīng)過自然風(fēng)干，過2 mm篩子，去根，稱取土樣約0.5 g，加30%過氧化氫(H2O2)后浸泡24 h以去除有機(jī)質(zhì)，加蒸餾水稀釋，靜置，除上清液以除酸，超聲波處理30 s后用激光粒度儀Mastersizer2000測(cè)量土壤粒徑的體積百分比。粒徑分別設(shè)為2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm，0.25～0.1 mm，0.1～0.05 mm，0.05～0.002 mm，<0.002 mm共7級(jí)。根據(jù)美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)分為極粗砂粒(2～1 mm)、中粗砂粒(1～0.25 mm)、細(xì)砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

(3) 土壤總有機(jī)碳利用德國(guó)耶拿TOC/TN分析儀測(cè)定，步驟如下：將野外采回的土壤，陰涼處風(fēng)干，將風(fēng)干后的土壤過1 mm尼龍篩備用。稱取0.1 g過1 mm篩的土壤樣品與取樣舟內(nèi)，滴入0.1 mol/L的鹽酸1～2滴，充分潤(rùn)濕樣品。將已經(jīng)準(zhǔn)備好的取樣舟放入烘箱中，以105℃烘4 h，取出靜置12 h后在測(cè)定土壤有機(jī)碳。

1.3分型維數(shù)模型

本文采用楊培嶺等[10]推導(dǎo)出的模型計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)：

(1)

(2)

1.4數(shù)據(jù)處理

樣本的描述性分析和相關(guān)分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)特征值包括平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等。土壤顆粒分形維數(shù)、質(zhì)地粗化度采用Excel2007計(jì)算。

2　結(jié)果與分析

2.1淤地壩淤積剖面土壤的統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)研究區(qū)淤地壩淤積剖面土壤各粒徑的描述統(tǒng)計(jì)(表2)可以看出，粉粒含量占主導(dǎo)地位，粉粒含量百分比在39.64%～85.90%，平均值為63.22%；砂粒含量次之，砂粒含量百分比在3.38%～57.74%，平均值為29.94%；黏粒含量最少，黏粒含量百分比在2.62%～15.26%，平均值為6.84%。各粒徑在整個(gè)剖面的變異系數(shù)大小依次為砂粒>黏粒>粉粒。根據(jù)Nielson和Bouma(1985)的分類系統(tǒng)：弱變異CV≤10%，中等變異10%

表2　研究區(qū)淤地壩淤積剖面土壤各粒徑含量的描述統(tǒng)計(jì)　%

2.2壩地土壤顆粒的分形特征

在淤地壩壩地土壤粒徑組成上，淤積剖面土壤粒徑以粉粒(0.05～0.002 mm)為主，占62.95%左右，然后依次為極細(xì)砂粒(0.1～0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)、細(xì)砂粒(0.25～0.1 mm)、中砂粒(0.5～0.25 mm)，粗泥沙(粒徑>0.05 mm)含量約占30.27%。在垂直方向上，壩地的淤積泥沙表現(xiàn)為：粗細(xì)相間分布，從上到下依次為細(xì)、粗、細(xì)、粗的分布規(guī)律；在水平方向上，粗泥沙含量壩中>壩后>壩前，分別為31.47%，30.81%，28.52%，從總體上看，壩中和壩后的泥沙相差不大，但是跟壩前相比，壩前粗泥沙含量有一個(gè)明顯的降低，這表現(xiàn)為上游較粗，下游較細(xì)。

分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地密切相關(guān)，隨著土壤粉粒和黏粒百分比增大，分形維數(shù)逐漸增大；隨著土壤砂粒的百分含量增大，分形維數(shù)逐漸變小。土壤顆粒粒徑的大小對(duì)土壤顆粒間的結(jié)合、孔隙的大小、數(shù)量及幾何形態(tài)都起著決定的作用。土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，在分形維數(shù)上表現(xiàn)出為黏粒含量越高、質(zhì)地越細(xì)，分形維數(shù)越高，土壤砂粒含量越高，其分形維數(shù)越低，同時(shí)單一粒級(jí)的集中程度對(duì)分形維數(shù)的數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生重要影響[11]。通過對(duì)王茂溝壩地0—200 cm土層土壤分形維數(shù)(D)計(jì)算(圖1)，壩地土壤各土層的分形維數(shù)在2.674～2.829，這表明土壤質(zhì)量比較好，因?yàn)檩^高分形維數(shù)對(duì)應(yīng)著較高的土壤質(zhì)量。壩前、壩中、壩后土壤顆粒分形維數(shù)分別為2.803 3，2.783 6，2.795 8，即：壩中<壩后<壩前，這說明上游泥沙粗，下游泥沙細(xì)。

2.3壩地土壤顆粒的粗化度

壩地土壤顆粒組成的粒徑主要以0.1～0.05 mm和0.05～0.002 mm為主，這說明徑流對(duì)于坡面上土粒的沖刷作用具有一定的分選性。一般的侵蝕性降雨都能將極細(xì)砂粒和粉粒從坡面沖刷下來，進(jìn)而搬運(yùn)至淤地壩壩中沉積下來。正因?yàn)橥寥狼治g會(huì)引起土壤粒徑的分選，采用土壤質(zhì)地粗化度[12]可以說明侵蝕后土壤顆粒組成的變化，即：石礫和砂粒含量之和(>0.05 mm)與粉粒和黏粒含量之和(<0.05 mm)的比值。(本文對(duì)礫、砂、粉、黏粒的劃分采用美國(guó)制)土壤質(zhì)地粗化度值越大，粗顆粒在土壤機(jī)械組成中越多；土壤質(zhì)地粗化度值越小，粗顆粒在土壤機(jī)械組成中越少，表現(xiàn)為土壤受侵蝕的程度越大。由圖2可知：王茂溝壩地土壤質(zhì)地粗化度在0.27～0.58，平均值為0.44，壩前(0.40)<壩后(0.45)<壩中(0.46)，即顆粒組成上游到下游有一個(gè)逐漸變粗的趨勢(shì)，該流域淤地壩內(nèi)沉積泥沙的70%來源于溝間地，30%來源于溝谷地[13]。因?yàn)辄S土高原支離破碎的景觀格局導(dǎo)致壩地淤積泥沙顆粒的組成和分布相當(dāng)復(fù)雜，但是大多數(shù)來自溝間地的泥沙在溝道中沉積遵循一個(gè)普遍的規(guī)律：粗顆粒先逐漸沉積，細(xì)顆粒隨著水流沿著溝道向下游流動(dòng)的時(shí)候逐漸沉積，表現(xiàn)為上游到下游逐漸變細(xì)的過程和壩內(nèi)泥沙水平位移軌跡，但是大多數(shù)壩地的面積很小和人為耕作的影響，泥沙在淤地壩內(nèi)沉積分選的規(guī)律不是特別明顯。

圖1王茂溝壩系土壤顆粒分形維數(shù)垂直變化圖2王茂溝壩系土壤質(zhì)地粗化度垂直變化

2.4分形維數(shù)、有機(jī)碳與土壤機(jī)械組成的關(guān)系

由表3可見，壩地土壤顆粒在0.05～0.002 mm和<0.002 mm范圍與土壤顆粒的分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，在2.0～1.0 mm，1.0～0.5 mm，0.5～0.25 mm，0.25～0.1 mm，0.1～0.05 mm范圍與土壤顆粒的分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3　土壤顆粒機(jī)械組成與分形維數(shù)、有機(jī)碳的關(guān)系

注：*表示在p<0.05水平顯著；**表示在p<0.01水平顯著。

對(duì)表1中分形維數(shù)D和各粒級(jí)含量X進(jìn)行回歸分析，得出的關(guān)系式如表4所示。

由以上分析可得，以0.05 mm為臨界點(diǎn)分析，<0.05 mm粒徑平均含量為69.73%，>0.05 mm粒級(jí)平均含量為30.27%，對(duì)<0.05 mm和>0.05 mm粒級(jí)含量與分形維數(shù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)<0.05 mm粒級(jí)范圍與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)，>0.05 mm粒級(jí)范圍與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，其關(guān)系式分別為：

D=0.006X+2.378，D=-0.006X+2.975

在<0.05 mm粒級(jí)范圍，粒級(jí)含量越高，分形維數(shù)越大；>0.05 mm粒級(jí)范圍，粒徑含量越高，分形維數(shù)越小。

表4　分形維數(shù)與各粒徑的回歸分析

隨著土壤剖面的深度增加，土壤有機(jī)碳含量和粒徑含量的變化關(guān)系比較復(fù)雜，沒有明顯的規(guī)律性。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度上來說，以0.25 mm和0.05 mm為界，有機(jī)碳與<0.25 mm各粒徑含量沒有相關(guān)關(guān)系，與0.05

3　結(jié) 論

(1) 王茂溝壩地土壤顆粒分形維數(shù)變化于2.674～2.829，垂直剖面變化微小，水平方向上壩中<壩后<壩前；

(2) 王茂溝壩地土壤質(zhì)地粗化度在0.27～0.58，平均值為0.44，壩前<壩后<壩中；

(3) 壩地土壤顆粒分形維數(shù)與小于0.05 mm細(xì)顆粒含量呈極顯著正相關(guān)，與大于0.05 mm的粗顆粒呈極顯著負(fù)相關(guān)；

(4) 壩地土壤有機(jī)碳與粉粒和黏粒含量呈正相關(guān)，與細(xì)砂粒和極細(xì)沙粒含量呈負(fù)相關(guān)。

[1]倪晉仁,韓鵬,張仁.黃河中游水保措施對(duì)入黃干支流泥沙特性的影響:Ⅰ.泥沙粒徑變化[J].自然資源學(xué)報(bào),1997,12(1):1-9.

[2]Kern J S. Spatial patterns of soil organic carbon in the contiguous United States [J]. Soil Science Society of America Journal,1994,58(2):439-455.

[3]李勇,白玲玉.黃土高原淤地壩對(duì)陸地碳貯存的貢獻(xiàn)[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):1-4.

[4]董莉麗,鄭粉莉.陜北黃土丘陵溝壑區(qū)土壤粒徑分形特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(2):35-41

[5]黨亞愛,李世清,王國(guó)棟,等.黃土高原典型土壤剖面土壤顆粒組成分形特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(9):74-78.

[6]徐國(guó)策, 李占斌, 李鵬，等. 丹江中游典型小流域土壤顆粒及分形特征[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué),2013,11(5):29-35.

[7]彌智娟,穆興民,趙廣舉.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)小流域泥沙粒徑的分形分析[J].水土保持研究,2014,21(1):12-17.

[8]王德,傅伯杰,陳利頂,等.不同土地利用類型下土壤粒徑分形分析:以黃土丘陵溝壑區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(7):3081-3089.

[9]宋利珍,常慶瑞.秦巴山區(qū)不同地貌類型土地利用分形研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,23(10):154-157.

[10]楊培嶺,羅元培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學(xué)通報(bào),1993,38(20):1896-1899.

[11]李保國(guó). 分形理論在土壤科學(xué)中的應(yīng)用及其展望[J].土壤學(xué)進(jìn)展,1994,22(1):1-10.

[12]張燕,彭補(bǔ)拙,高翔,等.人類干擾對(duì)土壤侵蝕及土壤質(zhì)量的影響:以蘇南宜興低山丘陵區(qū)為例[J].地理科學(xué),2002,22(3):336-341.

[13]李勉,楊劍鋒,侯建才,等.黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩記錄的泥沙沉積過程研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(2):64-69.

[14]王洪杰,李憲文,史學(xué)正,等.不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的分布及其與土壤顆粒組成關(guān)系[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):44-50.

[15]黃紹文,金繼運(yùn),楊俐蘋,等.糧田土壤養(yǎng)分的空間格局及其與土壤顆粒組成之間的關(guān)系[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(3):279-302.

Distribution Charateristics of Soil Particles and Organic Carbon on Check-dam System in Wangmaogou Watershed

HUI Bo1,2, LI Peng1, ZHANG Wei3, GAO Haidong1, ZHAO Binhua1, WANG Qi1

(1.Key Laboratory of Northwest Water Resources, Environment and Ecology, Ministry of Education, Xi′an University ofTechnology,Xi′an710048,China; 2.SuideSoilandWaterConservationScientificExperimentalStation,WaterConservancyCommitteeofYellowRiver,Suide718000,China; 3.SeedlingStationofXianyang,Xianyang,Shaanxi712000,China)

In this paper，in order to study distribution characteristics of soil particles and organic carbon in check-dam system in Wangmaogou watershed of hilly-gully Loess Plateau, we collected 47 soil profiles and 940 soil samples, analyzed the fractal dimension, coarsening, organic carbon and the relationship of particle size composition. The results indicated that：(1) the predominant soil particle size was found to be silt in studies area, followed by sand and clay; (2) the soil particle fractal dimension of dam land in Wangmaogou watershed ranged from 2.674 to 2.829. The changes in the vertical profile were very slight, the fractal dimensions of particle size distribution in the front, the middle and the end of the dam were 2.803 3,2.783 6,2.795 8, respectively; (3) the soil texture coarsening degrees of dam land in Wangmaogou watershed were between 0.27 and 0.58 with the mean of 0.44, in the front of the dam (0.40) < after the dam (0.45) < in the dam(0.46); (4) the soil particle of dam land had an extraordinary positive correlation with the fractal dimension of soil particle in 0.05～0.002 mm and <0.002 mm, and had an extraordinary negative correlation with the fractal dimension of soil particle in 2.0～0.05 mm; soil organic carbon of dam land had a positive correlation with the contents of silt and clay, and had a negative correlation with the contents of fine sand and very fine sand.

dam land; fractal dimension; soil texture coarsening degrees; soil organic carbon

2014-09-23

2014-10-08

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201084);國(guó)家自然資助項(xiàng)目 (41401305)

惠波(1985—),男,陜西榆林人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。E-mail:such1985hb@163.com

李鵬(1974—),男,山東煙臺(tái)人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。E-mail:lipeng74@163.com

S157

A

1005-3409(2015)04-0001-05