紫色土坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤顆粒組成及分形特征

周 萍, 文安邦, 嚴(yán)冬春, 史忠林

(中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室, 成都 610041)

紫色土坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤顆粒組成及分形特征

周 萍, 文安邦, 嚴(yán)冬春, 史忠林

(中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室, 成都 610041)

對比分析西南紫色土區(qū)植物固結(jié)地埂和等高植物籬的結(jié)構(gòu)差異，并運用分形理論研究了西南紫色土坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤的分形特征。結(jié)果表明：有地埂存在的坡耕地地埂土壤的顆粒組成主要分布在0.002～0.02 mm粒徑范圍內(nèi)，較無地埂的對照坡耕地該粒徑范圍的含量高2.41%。說明地埂的存在增強了其對坡面上方侵蝕泥沙的攔截作用。而不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)變化如下：坡面上部>坡面中部>坡面下部，且同一坡位有地埂土壤的分形維數(shù)小于無地埂土壤的分形維數(shù)。不同地埂高度土壤的分形特征變化規(guī)律為：CK>LS-H10G>LS-H15G。地埂土壤顆粒分形維數(shù)D值與黏粒和砂粒體積百分含量相關(guān)性較好，地埂土壤的分形維數(shù)可作為西南紫色土坡耕地地埂土壤質(zhì)量評價的定量指標(biāo)之一。

紫色土; 坡耕地; 不同坡位; 地埂; 顆粒組成; 分形特征

土壤顆粒是土壤結(jié)構(gòu)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同粒度組合構(gòu)成不同的土壤質(zhì)地類型，進一步影響土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程[1]。土壤顆粒具有自相似性質(zhì)，Mandelbort B B 的專著《Fractal :Form Chance and Dimension》[2]提出了分形和分維概念，并建立了二維空間的顆粒大小分形特征[3]，為研究不規(guī)則事物提供了有效工具。分形理論成為當(dāng)代新興的學(xué)術(shù)思想。土壤是由水、空氣和粒徑不同的各類物質(zhì)組成的具有不規(guī)則形狀和自相似性的多孔介質(zhì),其結(jié)構(gòu)性質(zhì)具有統(tǒng)計學(xué)上的自相似性,具有分維特性[4]。20世紀(jì)80年代起分形理論應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)alconer[5]、Arya和Paris[6]首先研究了土壤顆粒的分形現(xiàn)象及其分形維數(shù)的計算；Turcotte[7]提出了多孔介質(zhì)材料的粒徑分布與分形維數(shù)關(guān)系公式；Perfect等[8]對分形理論在土壤學(xué)中的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析，楊培嶺等[9]提出用粒徑的重量分布取代粒徑的數(shù)量分布直接計算粒徑分布的分形維數(shù),表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成的均勻程度。隨后，分形理論被廣泛用于土壤顆粒性質(zhì)的研究，主要涉及土壤質(zhì)量分形、體積分形、表面積分形及孔隙分形等[10]。土壤顆粒分形維數(shù)成了土壤質(zhì)地均一性、通透性、抗蝕性以及肥力診斷的一個綜合定量指標(biāo)[11]。近年來,運用分形理論及各種分形模型計算土壤團粒、微團粒和孔隙度的分形維數(shù)以表征土壤粒徑的大小組成、土壤質(zhì)地、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、過程、均勻程度、水分特征、溶質(zhì)轉(zhuǎn)移和侵蝕度等方面的研究并在一定程度上使其定量化，是描述土壤結(jié)構(gòu)特征的新方法[12-17]。但目前對紫色土坡耕地地埂土壤的分形特征及其與土壤抵抗侵蝕能力之間的研究報道不多。因此，本文以定量表征土壤粒徑大小的分形維數(shù)為手段，采用已有的分形模型對西南紫色土區(qū)不同坡位不同高度地埂土壤的分形特征進行研究，同時探討地埂土壤分形特征及其與地埂土壤抗沖性和抗剪強度之間的關(guān)系，闡明坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤的分形特性，有助于了解坡耕地地埂的存在對坡面侵蝕及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

水土流失時刻威脅著人類的生存和發(fā)展，中國是世界上水土流水最嚴(yán)重的國家之一。西南紫色土區(qū)地處長江上游，水土流失面積占區(qū)域總面積的43%，造成水土流失的主要原因之一是坡地耕作，特別是在陡坡地上進行耕作。坡耕地是重要的國土資源，特別是在中國西南丘陵和山地地區(qū)，坡耕地面積大，陡坡耕地比例高。西南地區(qū)土壤侵蝕的60%來自于坡耕地。大于15°的坡耕地占35%。坡耕地是江河泥沙的主要來源，長江來沙量的60%～78%源于坡耕地[18]。坡耕地嚴(yán)重的水土流失使該區(qū)坡耕地的土層變薄,養(yǎng)分流失加劇,生產(chǎn)力低下,嚴(yán)重阻礙了該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。坡改梯技術(shù)是該區(qū)坡耕地整治的主要措施，但是坡改梯的改造投入成本高、勞動力投入高，穩(wěn)定性差，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民不愿意接受，在西南地區(qū)不宜推廣。而該區(qū)傳統(tǒng)的坡耕地植物固結(jié)地埂是區(qū)域傳統(tǒng)的坡耕地水土保持農(nóng)業(yè)措施，能夠有效控制坡面土壤侵蝕和水土流失。植物固結(jié)地埂是它的長期存在有其合理性，且突出強調(diào)植物地埂對土壤的有效固結(jié)作用。因此，本文選擇西南紫色土區(qū)坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤的分形特征及抗蝕減沙效果，以期為三峽庫區(qū)坡耕地合理、高效、可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西南典型紫色土區(qū)，三峽庫區(qū)水土保持與環(huán)境研究站(107°3′—108°14′E， 30°03′—30°35′N)附近。該區(qū)地勢起伏較大，呈“三山兩槽”地形，系深丘淺丘連低山地貌，海拔為117～1 680 m。屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)山地氣候，雨量充沛，年降水量1 100～1 400 mm，降水多集中在4—10月，占全年的70%以上[19];年日照時間1 327 h，太陽總輻射能347 kJ/m2，無霜期340 d，年均溫18.2℃，≥10℃的年積溫5 891.4℃，相對濕度80%。地層分布為第四系坡殘積土層(Q4dl +el)及侏羅系紫色巖中統(tǒng)沙溪廟組砂泥巖(J2s)，巖性為泥巖和砂巖，呈互層結(jié)構(gòu)，泥巖為紫紅色，中厚層狀，水平層理，砂巖呈黃色，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，中等風(fēng)化基巖體較完整，質(zhì)硬;土壤為中性紫色土，質(zhì)地中壤或輕壤，富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質(zhì)元素，耕地土層厚度一般在0.3～0.6 m。區(qū)域主要種植作物有玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatatas)、小麥(Triticumaestivum)、蠶桑(Morusalba)、苧麻(Boehmerianivea)、黃豆(Glycinemax)和柑橘(Citrusreticulata)等。

表1 西南地區(qū)紫色土土壤特征

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇和樣品采集 在踏查典型流域的基礎(chǔ)上,根據(jù)典型性和代表性原則選擇坡向、坡度和坡長較一致的兩個坡面為研究對象，坡面一為撂荒地，坡面二為有植物地埂的坡耕地。樣品采集日期為2015年4月(表2)。采樣采用平行雙剖面線法，即沿選定坡面自上而下每間隔30 cm和60 cm 分別采樣，同一坡位采集6個土壤樣品，然后將同一坡位土壤樣品混合，根據(jù)坡耕地坡長采集坡面上部(距坡頂6 m)，坡面中部(距坡頂12 m)和坡面下部(距坡頂18 m)土壤樣品，以減少采樣點受微地貌因素的影響。采集深度為20 cm 的表層土壤，取土鉆內(nèi)徑3.5 cm，每個采樣點至少采集1.5 kg 土樣，放入編號的自封袋并做好記錄帶回實驗室。將土樣自然風(fēng)干后，去除礫石、樹葉、植物根系等雜質(zhì)，用塑料滾筒研磨，過2 mm 篩，收集<2 mm土樣保存。土壤微團粒結(jié)構(gòu)用英國馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000型激光粒度儀測定。取0.5 g 處理好的土樣放入500 ml 燒杯中，加30%過氧化氫(H2O2)，在可調(diào)節(jié)電爐上加熱(72℃)去除有機質(zhì);然后加鹽酸(HCL)去除碳酸鹽;加純水稀釋，靜置，除去上清液以除酸，反復(fù)靜置，除酸直至pH值值在6.5～7.0。加入5 ml 配制的濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉((NaPO3)6)溶液對樣品浸泡分散，然后在英國馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000激光粒度儀上進行測試，激光粒度儀量程為0.02～2 000 μm，重復(fù)性誤差≤±0.5%。根據(jù)研究需要，將測試結(jié)果在激光粒度儀粒度分級系統(tǒng)中進一步分為黏粒(<0.002 mm)，粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)。

表2 取樣坡面基本特征

1.2.2 土壤顆粒分形維數(shù)的計算模型 土壤是具有分形特征的系統(tǒng)[4,7,20]，運用分形理論建立土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形模型[21-22]：楊培嶺等[7]將Katz和Thompson的方法[16]進行改進,將土壤顆粒質(zhì)量分布代表數(shù)量分布,用極限法推導(dǎo)出土壤顆粒的質(zhì)量與土壤粒徑分布分形維數(shù)的關(guān)系式求得分形維數(shù)。其計算公式為：

3-D=lg(wi/w0)/lg(di/dmax)

式中:di為兩相鄰粒級di與di+1間土粒平均直徑(mm)；dmax為最大粒級土粒平均直徑(mm)；wi為直徑小于di的累積質(zhì)量(g)；w0為土壤樣品總質(zhì)量(g)；lg(Mi/M0)、lg(Ri/Rmax)為縱、橫坐標(biāo)繪圖；3-D為線性擬合方程的斜率；D為土壤顆粒分形維數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 對所得試驗數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物固結(jié)地埂的結(jié)構(gòu)及與等高植物籬的比較

植物固結(jié)地埂是指沿等高線方向構(gòu)建地埂或坎，通常相鄰二地塊坡度變化不大時采用地埂，而坡度變化較大采用埂坎[23]，且在埂坎上橫坡帶狀種植一種或兩種多年生，有一定經(jīng)濟效益的草、灌或木本植物，地埂能有效減少坡耕地上方來水來沙，埂坎上的植物能夠有效固結(jié)地埂，從而起到控制坡耕地水、土和養(yǎng)分流失。植物固結(jié)地埂區(qū)別于坡耕地等高植物籬的主要特點是地埂植物籬將空間由單一的坡耕地坡面擴大到土埂田坎，且突出強調(diào)了植物對地埂土壤的固結(jié)作用。植物固結(jié)地埂的坡耕地能有有效控制坡面上方的來水來沙，其截水?dāng)r沙效果顯著。

等高植物籬是一種空間農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營模式，即在坡地上沿等高線每隔4～8 m，沿等高線高密度種植雙行(株距5～10 cm，行距30～50 cm)密集種植生長速度快、萌生力強的灌木或灌化喬木，植物籬間為耕作帶，種植作物[24](圖1)。該技術(shù)可滯緩徑流、攔截泥沙，是一種很好的水土保持措施，技術(shù)上無可非議。群眾不愿意接受等高植物籬技術(shù)的原因主要是影響作物生長、不利于農(nóng)事耕作，且經(jīng)濟效益不高的緣故。

圖1植物固結(jié)地埂與等高植物籬的組成與結(jié)構(gòu)

有地埂和地埂植物存在的坡面較無地埂的坡面或是種植等高植物籬的坡面土壤侵蝕減少。這主要是因為，地埂和地埂植物的存在，對上坡面的來水來沙有一定的阻擋作用，使得坡面上部的細(xì)顆粒泥沙在地埂前面堆積。地埂植物的地上植物部分通過削減徑流流速來降低挾沙能力，增加徑流的土壤入滲時間來減少土壤流失，同時對侵蝕泥沙具有直接攔截作用。地下部分的根系盤繞土體，可增強土壤的抗沖刷能力[25]。

2.2 紫色土坡耕地的土壤顆粒組成特征

將從坡面采集的土壤樣品的粒徑組成按美國土壤質(zhì)地分類制劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)并進行了體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(圖2)。無地埂的對照坡耕地土壤的顆粒組成主要分布在0.002～0.02 mm粒徑范圍內(nèi)，占總顆粒組成的53.02%，其次為0.02～0.05 mm粒徑的土壤顆粒，占總土壤顆粒組成的17.47%，有地埂存在的坡耕地地埂土壤的顆粒組成主要分布在0.002～0.02 mm粒徑范圍內(nèi)，地埂土壤顆粒組成在該粒徑范圍內(nèi)的較無地埂的對照坡耕地該粒徑范圍的含量高2.41%。說明地埂的存在，對坡面上方的侵蝕泥沙有一定的攔截作用。

2.3 不同坡位地埂土壤分形特征

土壤顆粒組成是土壤結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)，現(xiàn)有研究已揭示出其分形維數(shù)在定量描述土壤質(zhì)地、均一程度、物理性狀及肥力特征等方面所具有的潛力[26-28]。運用回歸分析方法計算出不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)均在2.830～2.846，其相關(guān)系數(shù)均在0.900以上且達(dá)到顯著性水平(圖3)。不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)變化如下：坡面上部>坡面中部>坡面下部，且同一坡位有地埂土壤的分形維數(shù)小于無地埂土壤的分形維數(shù)。表明由于地埂的存在，有效攔截了坡面細(xì)顆粒泥沙，使得地埂土壤的分形維數(shù)降低，土壤結(jié)構(gòu)改良。

圖2紫色土坡耕地地埂土壤顆粒分布特征

圖3坡耕地不同坡位地埂土壤分形特征

同一坡位，有地埂存在的坡耕地土壤分形維數(shù)低于無地埂坡耕地土壤的分形維數(shù)。這主要是由于同一坡位，由于地埂上方長有地埂植物或是雜草，地埂土壤含有一定量的根系，使得地埂土壤質(zhì)地相對松散、通透性較好，這與廖而華等在四川丘陵地區(qū)的研究結(jié)果一致[29]。而作為對照樣地的無地埂坡耕地，其相同坡位土壤的質(zhì)地較緊實，透水透氣性能較差，其分形維數(shù)高達(dá)2.848。

2.4 不同地埂高度土壤的分型特征

不同地埂高度土壤的分形特征變化規(guī)律為：CK>LS-H10G>LS-H15G。與對照撂荒樣地相比，15 cm高度地埂土壤的分形維數(shù)較10 cm高度地埂土壤的分形維數(shù)小，對照樣地的分形維數(shù)最高。隨著地埂高度的減小，地埂土壤分形維數(shù)逐漸增大。采用LSD(最小顯著性差異)將不同地埂高度土壤的分形維數(shù)進行多重比較檢驗，結(jié)果表明，LS-H10G和LS-H15G處理之間的分形維數(shù)數(shù)值未達(dá)到顯著性差異，而LS-H10G和LS-H15G與CK對照樣地土壤的分形維數(shù)存在顯著性差異(p<0.05)(圖4)。研究結(jié)果表明，隨著地埂高度的增加，地埂土壤對上部坡面土壤顆粒的攔截作用更加顯著。

2.5 地埂土壤顆粒分形維數(shù)與地埂土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系

為了進一步探索不同地埂高度土壤顆粒分形維數(shù)與地埂土壤顆粒組成之間的關(guān)系，對不同地埂高度土壤顆粒百分含量與分形維數(shù)進行相關(guān)分析(圖5)。研究結(jié)果表明，地埂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤黏粒(<0.002 mm)百分含量存在指數(shù)遞增的關(guān)系(R2=0.900 8)，且達(dá)到顯著水平(p<0.05)，與地埂土壤粉粒(0.002～0.05 mm)體積百分含量存在線性正相關(guān)(R2=0.965 8)，與砂粒(>0.05mm)體積百分含量呈對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.980 2)，且達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

圖4不同地埂高度土壤的分形特征

圖5地埂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒組成的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

紫色土是指發(fā)育于亞熱帶和熱帶地區(qū)紫色砂頁巖母質(zhì)土壤，在我國主要分布在四川、重慶等低山丘陵區(qū)，而紫色土土質(zhì)地埂坡耕地的坡面上每隔一定間距有土質(zhì)地埂的存在，地埂能有效減少坡耕地上方來水來沙，而地埂上的植物能夠有效固結(jié)地埂。隨著耕作時間的逐年延長，土質(zhì)地埂可有效攔截坡耕地上方來水來沙，逐漸改變坡面微地形，逐步減小坡度，梯化坡地，從而有效控制坡耕地水、土和養(yǎng)分流失[25]。土壤顆粒組成是土壤的重要屬性，它影響著土壤的通氣性、滲透性、土壤肥力等，在維持土壤孔隙、提高降雨入滲和防止土壤侵蝕等方面也起著重要的作用[11,14]。因此本文通過對西南紫色土區(qū)坡耕地不同坡位不同高度地埂土壤的顆粒組成及分形特征研究，與無地埂的對照坡耕地比較可得，有地埂存在的坡耕地地埂土壤的顆粒組成主要分布在0.002～0.02 mm粒徑范圍內(nèi)，較無地埂的對照坡耕地該粒徑的含量高2.41%。說明地埂的存在，對坡面上方的侵蝕泥沙有一定的攔截作用。

土壤粒徑分布的分形維數(shù)能作為反映土壤的結(jié)構(gòu)狀況和發(fā)育程度的一項綜合定量指標(biāo)。運用回歸分析方法計算出不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)均在2.830～2.846，其相關(guān)系數(shù)均在0.900以上，且達(dá)到顯著性水平。不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)變化如下：坡面上部>坡面中部>坡面下部，且同一坡位有地埂土壤的分形維數(shù)小于無地埂土壤的分形維數(shù)。這比謝均強等[30]在涪陵區(qū)研究得出的園地土壤顆粒的分形維數(shù)值2.67偏大，可能與紫色土的成土母質(zhì)和成土過程及不同土地利用方式有關(guān)，紫色土是在紫色巖風(fēng)化物上形成并基本保持了母質(zhì)理化性質(zhì)。不同坡位地埂土壤的分形維數(shù)變化為坡面上部>坡面中部>坡面下部，且同一坡位有地埂土壤的分形維數(shù)小于無地埂土壤的分形維數(shù)。表明由于地埂的存在，有效攔截了坡面細(xì)顆粒泥沙，使得地埂土壤的分形維數(shù)降低，土壤結(jié)構(gòu)改良。這個結(jié)果與土壤質(zhì)地由粗到細(xì)變化其分形維數(shù)由小到大的結(jié)論相一致[12,29]。不同地埂高度土壤的分形特征變化規(guī)律為：CK>LS-H10G>LS-H15G。15 cm高度地埂土壤的分形維數(shù)最小。隨著地埂高度的減小，地埂土壤分形維數(shù)逐漸增大。分形維數(shù)的變化能很好地表征地埂土壤的顆粒組成，地埂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤黏粒含量存在指數(shù)遞增的關(guān)系(p<0.05)，與地埂土壤粉粒含量存在線性正相關(guān)，與砂粒含量呈對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。表明地埂土壤顆粒分形維數(shù)D值與黏粒和砂粒體積百分含量相關(guān)性較好，地埂土壤的分形維數(shù)能夠很好地表征地埂土壤顆粒組成。這與董莉麗[31]在黃土高原地區(qū)的研究結(jié)果類似。因此，分形維數(shù)可以作為西南紫色土坡耕地地埂土壤質(zhì)量評價的定量指標(biāo)之一。

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ParticleDistributionandFractalFeaturesofHedgeSoilsWithDifferentHedgeHeightsAlongtheSlopePositionofthePurpleSlopingCultivatedLands

ZHOU Ping, WEN Anbang，YAN Dongchun, SHI Zhonglin

(InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryofMountainEnvironmentEvolutionandItsRegulation,Chengdu610041,China)

We compared the structure of terracing hedgerow with contour hedgerow and used the fractal theory to deal with the fractal features of hedge soils with different hedge heights along the slope position of the sloping cultivated lands in the purple soils of southeastern China. The results showed that the main particle distribution belonged to 0.002～0.02 mm of the terracing hedgerow and was 2.41% higher than the contrast treatment (sloping cultivated lands without hedgerow), which meant that the hedges could enhance the interception of eroded soils. Meanwhile, the fractal dimension with the different slope positions changed as the order: the upper slope position>the middle slope position>the lower slope position. And the fractal dimensions of the sloping cultivated lands with different hedge heights were lower than those without hedge height. The higher the hedge height was, the lower value of fractal dimension was, and the highest values of fractal dimension was the contrast treatment without hedge, followed by the sloping cultivated lands with 10 cm hedge height and with 15 cm hedge height. And correlation analysis results showed that the fractal dimension had remarkable negative correlation with contents of clay and sand. The fractal theory was also considered as a new tool to evaluate the structure and features of hedge soil on the sloping cultivated lands in the southeastern China.

purple soil; sloping cultivated lands; different slope positions; hedge; particle distribution; fractal dimension

2016-02-01

：2016-04-01

中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(STS)項目(KFJ-SW-STS-175);國家自然科學(xué)基金(41671286,41301293)

周萍(1981—),女,陜西漢中人,副研究員,主要研究方向:坡耕地土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zp09@imde.ac.cn

文安邦(1964—),男,重慶忠縣人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:wabang@imde.ac.cn

S152.3

：A

：1005-3409(2017)02-0084-05