山東省不同土地利用方式土壤顆粒組成及其分形維數(shù)特征

張海廷, 時延慶

(濟(jì)寧市水文局, 山東 濟(jì)寧 272019)

土壤是由大小和形態(tài)各異的固體顆粒及孔隙組成的物質(zhì)，作為土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元，土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并間接影響了土壤的水分特性、肥力狀況以及侵蝕強(qiáng)度等理化性質(zhì)[1-2]。由于其自身的構(gòu)成及其特性，具有自相似特征或分形特征，通常用土壤粒徑大小分形維數(shù)(又稱分維數(shù)或分維)來描述其分形特征[3]。近年來隨著分形幾何學(xué)的發(fā)展，分形理論及其方法逐步應(yīng)用到來土壤科學(xué)研究中，涉及了土壤機(jī)械組成、水分特征、土壤肥力等方面，在一定程度上推動土壤形態(tài)、過程等復(fù)雜問題的定量化解決。分形理論在土壤特性的研究中應(yīng)用非常廣泛，如土壤結(jié)構(gòu)、水分特征以及有機(jī)質(zhì)等方面，已成為定量化研究土壤復(fù)雜性和不規(guī)則性的一種有效工具[4]。研究表明，土壤粒徑分形維數(shù)不僅可以表征土壤的顆粒分布特征和質(zhì)地均勻程度，還可以用于反映土壤的風(fēng)蝕化程度等；土壤的分形維數(shù)與各粒徑顆粒的含量均顯著相關(guān)，而且影響著土壤養(yǎng)分的分布特征[5]。

由于土壤內(nèi)部的物理、化學(xué)、生物等過程的相互影響以及各種地質(zhì)過程和人為措施的干擾，土壤在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面表現(xiàn)為復(fù)雜的自然體[6]。雖然土壤結(jié)構(gòu)在表觀上是一個不規(guī)則的幾何形體，卻是有著自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。因此可以利用分形幾何學(xué)研究土壤的性狀特征[7]。把分形理論及其方法應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，可推動土壤形態(tài)、過程等復(fù)雜問題的解決，并可在一定程度上使其定量化。自Tyler等提出土壤顆粒粒徑分布的質(zhì)量分形維數(shù)計算公式后，分形維數(shù)便在土壤科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。楊培嶺等[8]提出了一種用質(zhì)量分形代替粒徑分形的土壤顆粒分形維數(shù)的求解模型，并從理論上證明該模型的合理性。吳承禎等[9]研究表明分形維數(shù)可以很好地反映土壤的肥力特征。隨著激光衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，土壤顆粒體積分布特征更容易且精確得到，王國梁等[7]在前人的公式和模型的基礎(chǔ)上，采用土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念，被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于土壤分形特征的研究中。

土地利用是人類干預(yù)土壤肥力最重要、最直接的活動，通過改變土壤營養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度、總量及路徑，通過改變土壤的水熱條件等從而影響土壤養(yǎng)分的流動與轉(zhuǎn)化。土地利用變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程變化，揭示土壤顆粒組成變化特征是土地利用和管理活動研究中的一個重要部分[7,10]。通過不同土地利用方式土壤顆粒時空分異特征，可以分析土壤的發(fā)育狀況，物理化學(xué)性狀及生態(tài)環(huán)境變化情況，研究表明土壤分形維數(shù)值可以作為土壤侵蝕方式的判斷指標(biāo)[11]。土地利用變化可以改變地表覆被狀況，并影響許多生態(tài)過程，如增加生物多樣性、多樣化食物鏈和營養(yǎng)級組成，降低地表侵蝕和改變徑流、土壤環(huán)境等；反之，由于植被的劣變，容易引發(fā)土地沙漠化、土壤鹽漬化、草場退化、生物多樣性減少、區(qū)域氣候環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[12-13]。合理的土地利用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力；不合理的土地利用會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，增強(qiáng)土壤侵蝕，降低生物多樣性[14-15]。近年來，對土壤顆粒分形的研究屢見不鮮，但對土壤顆粒分形的研究和針對沿海地區(qū)土壤分形特征的文章鮮見報道。本文利用分形理論，研究不同土地利用方式下土壤顆粒分形特征，分析不同土地利用下土壤顆粒的分形維數(shù)以及分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，以期揭示土壤顆粒組成，將土壤顆粒分形維數(shù)應(yīng)用該區(qū)生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

于2014—2016年的9月中旬，按照不同的土地利用方式、面積比例、坡度和坡向進(jìn)行土樣采集，采樣點遍布整個山東省，共計采樣點120個，每種土地利用方式設(shè)置5個重復(fù)樣地(樣地面積為100 m×100 m左右)，每個樣地相距100 m左右，隨機(jī)設(shè)置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復(fù)取5次作為平行，5個平行之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°(合計：n=120)(圖1)。采用四分法取樣(保留1 kg左右)，按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—50 cm，50—60 cm深度由下向上分層采集各土層的土壤樣品，每層采土樣約1.0 kg；所取樣品現(xiàn)場過2 mm篩后帶回實驗室風(fēng)干后去除雜質(zhì)對其養(yǎng)分和有效養(yǎng)分進(jìn)行測定。

1.2 土壤養(yǎng)分測定

土壤顆粒組成采用吸管法測定，根據(jù)美國農(nóng)部制將土壤顆粒級別分為粗砂粒(2～0.5 mm)、中砂粒(0.5～0.25 mm)、細(xì)砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤含水量用鋁盒烘干法(105℃下烘8 h)測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮用流動分析儀測定；全磷含量采用酸溶—鉬銻抗比色法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。

1.3 土壤分形維數(shù)測定

1983年Mandelbrot等[16]首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler、楊培嶺等[8]在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行推廣，提出用粒徑的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型，本文采用楊培嶺等[8]的以不同級別顆粒的質(zhì)量分布表征的土壤分形模型。土壤顆粒質(zhì)量分布與平均粒徑的分形關(guān)系式為：

式中：di表示粒徑的平均值；dmax表示最大粒徑的平均值；W(δ

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分分布特征

根據(jù)研究區(qū)不同土地利用方式，對其土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析(表1)。見表1，不同土地利用方式土壤養(yǎng)分有明顯的不同。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：林地和草地顯著高于耕地和農(nóng)地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著(p>0.05)，除了耕地和農(nóng)地土壤全磷差異不顯著(p>0.05)，其他養(yǎng)分含量耕地和農(nóng)地差異均顯著(p<0.05)。

圖1 研究區(qū)采樣分布圖

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤顆粒分布特征

根據(jù)研究區(qū)不同土地利用方式土壤粒徑分布及分形維數(shù)等進(jìn)行分析(表2)。由表2看出，不同土地利用方式土壤粒徑分布有明顯的不同，黏粒含量占主導(dǎo)地位，黏粒含量百分比在45.98%～67.12%之間。細(xì)砂粒和中砂粒含量百分比分別位于5.70%～18.06%和2.05%～9.25%之間，粗砂粒含量相對較低。研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)變化范圍是2.783～2.963，表明土壤質(zhì)量較好。有較高分形維數(shù)的地類對應(yīng)于較高的土壤質(zhì)量。因此，與單純依靠土壤粒徑分布或土壤質(zhì)地相比，土壤顆粒分形維數(shù)在比較不同植被土地質(zhì)量時能提供更多的信息。不同土地利用類型的分形維數(shù)表現(xiàn)為耕地>草地>農(nóng)地>林地，說明耕地的土壤相對更好，這是因為條件好、土層厚的土地主要用來種植農(nóng)作物，而大多數(shù)林地植被生長在立地條件相對較差的環(huán)境。

表2 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.3 不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

由圖2可知，不同土地利用方式土壤顆粒分形具有明顯的分形特征，各土地利用方式下土壤顆粒分形特征均表現(xiàn)為黏粒含量>細(xì)沙含量>中砂含量>粉粒含量>粗砂含量，其中，農(nóng)地和耕地土壤黏粒含量最高，土壤黏粒平均含量變化范圍在45.98%和67.12%之間；土壤粉粒平均含量變化范圍在3.02%和13.25%；粉粒平均含量變化范圍在5.70%和18.06%之間；細(xì)砂含量變化范圍在4.36%和15.26%；土壤粗砂含量變化范圍在0.49%和2.96%。

圖2不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

2.4 土壤顆粒分布的分形維數(shù)在剖面中的變化

從圖3可以看出，不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數(shù)隨著土層深度增加逐漸增大，隨著土層深度增加逐漸接近；0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數(shù)在不同深度土壤之間變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。總體上，隨土層深度增加土壤顆粒分布的分形維數(shù)逐漸增大，說明土地利用方式是決定深層土壤顆粒分布分形維數(shù)的關(guān)鍵因素。

圖3不同土地利用方式土壤顆粒分形維數(shù)

2.5 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑分布的關(guān)系

土壤粒徑分布與土壤分形維數(shù)(D)的關(guān)系見表3。由表可知，林地土壤分形維數(shù)與粗砂粒呈線性負(fù)相關(guān)，且分別達(dá)到極顯著水平；農(nóng)地土壤分形維數(shù)與粉粒呈線性極顯著負(fù)相關(guān)；草地土壤分形維數(shù)與黏粒含量呈線性負(fù)相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平，這與陳子玉及高君亮等的研究一致。耕地土壤分形維數(shù)與黏粒含量呈極線性負(fù)相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平，與土地利用方式有較大的差異。

表3 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

注：*，p<0.05；**，p<0.01。下表同。

由表4中相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與粉粒含量相關(guān)性不顯著。這表明土壤顆粒分布的分形維數(shù)對各個粒級土粒含量反映程度的大小不同，土壤中砂粒含量越少，黏量越高，分形維數(shù)越大。砂粒及黏粒相對含量決定土壤顆粒組成的分形維數(shù)。其他學(xué)者在不同條件下的研究均得到土壤砂粒、黏粒含量與土壤顆粒組成分形維數(shù)之間相關(guān)一致性的結(jié)論，蘇永忠等、柳妍妍等、呂勝橋等研究表明粉粒含量與土壤顆粒組成分形維數(shù)呈顯著相關(guān)性，與本研究結(jié)論不一致。

表4 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.6 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系見表5。土壤顆粒是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，一定程度上會影響表征土壤結(jié)構(gòu)狀況的指標(biāo)。由表5可知，分形維數(shù)均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)。說明分形維數(shù)的大小可以表征土壤的密實程度，隨著黏粒含量的增加，分形維數(shù)越高，土壤黏粒含量越豐富。一方面，黏粒含量高的土壤有利于形成土壤團(tuán)聚體，形成良好的結(jié)構(gòu)，增加土壤毛管孔隙；另一方面單位土粒表面積越大，土壤對水分子的吸附力(粘滯力)越大，在土壤孔隙比相同的情況下，毛細(xì)管尺寸越小，與接觸面水膜引起的毛細(xì)管壓力的作用降低了水的勢能，使其保持在土壤孔隙中不易排出，則土壤的持水性增強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)含量越高，研究區(qū)土壤就相對疏松，分形維數(shù)就越低。另外，總氮與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，這是因為總氮中有機(jī)氮含量占主要部分，有機(jī)質(zhì)含量高，總氮含量也就相對較高。

表5 不同土地利用方式下土壤分形維數(shù)與養(yǎng)分之間的相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著(雙尾)。

3 討 論

土壤顆粒組成是土壤重要的物理特性之一，對土壤肥力狀況、水分特征等物理性質(zhì)有著明顯影響，在反映土地利用方式變化對土壤侵蝕的影響有重要的意義。本研究中土壤顆粒組成以黏粒含量占主導(dǎo)地位，與前人研究結(jié)果相似[16-18]。相較于坡耕地，天然林、人工林和草地，土壤大粒徑顆粒呈現(xiàn)增加趨勢，其中林地增加幅度達(dá)到顯著水平。耕地由于人為耕作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)體破壞，小粒徑顆粒很難形成大顆粒，另一方面由于耕作管理方式和土壤侵蝕的作用，坡耕地的作物秸稈和根系很難返回到土壤中，從而降低了有機(jī)物質(zhì)對土壤顆粒的粘結(jié)作用，因此耕地的耕作層小粒徑顆粒較多。草地和林地由于無耕作措施，增加了根系對土壤團(tuán)聚體的粘結(jié)作用，促進(jìn)了小顆粒通過團(tuán)聚作用形成大顆粒，在本研究中林地中大粒徑增加幅度要大于草地，這主要是由于林地較草地有更好的植被群落結(jié)構(gòu)，凋落物和根系更為豐富，對小粒徑顆粒的粘結(jié)作用更加大，另外良好的植被層次保證了林地水分條件更好，為微生物提供了更好的生境，促進(jìn)了微生物的生長與代謝，進(jìn)一步促進(jìn)了小粒徑團(tuán)聚為大粒徑[19]。

分形維數(shù)常被用來反映土壤質(zhì)地、均一程度、物理性狀及肥力特征，與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系緊密，分形維數(shù)越小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)[20]。本研究中發(fā)現(xiàn)林地和農(nóng)地分形維數(shù)均低于耕地和草地，表明林地的土壤結(jié)構(gòu)較好，結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，這和林地具有較好的植被群落結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的根系系統(tǒng)有關(guān)，根系對土壤的穿插和纏結(jié)加速了土壤結(jié)構(gòu)體的形成，根系表面的分泌物、根毛等物質(zhì)也促進(jìn)了土壤顆粒的粘結(jié)，提高了結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性。草地雖然較坡耕地沒有顯著變化，但是在0—50 cm仍舊呈降低趨勢，表明耕作對結(jié)構(gòu)體的影響還是比較明顯的。土壤顆粒分形維數(shù)的大小與土壤質(zhì)地密切相關(guān)。土壤質(zhì)地越粗分形維數(shù)越小，質(zhì)地越細(xì)分形維數(shù)越大。楊培嶺等發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)與土壤黏粒、粉粒、砂粒的質(zhì)量百分含量均具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中黏粒含量越高，土壤質(zhì)量分形維數(shù)越大，粉粒和砂粒含量越高，土壤質(zhì)量分形維數(shù)越低[2,21]。本研究土壤黏粒、粉粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量均達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)水平，而土壤砂粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量為正相關(guān)，而土壤顆粒組成與土壤全磷含量均未達(dá)到顯著水平，這和黨亞愛等[14]的研究結(jié)果相似，證明了土壤顆粒組成繼承了土壤母質(zhì)的特征，受環(huán)境生態(tài)等過程的影響。

對分形維數(shù)與不同粒級土壤顆粒質(zhì)量含量的相關(guān)分析表明，土壤分形維數(shù)與粗砂含量、中砂含量和細(xì)砂含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都較低，可能與斑塊狀植被的分布格局，植被的蓋度、高度，微地形的起伏變化等因素有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究；而分形維數(shù)與粉砂含量呈正相關(guān)關(guān)系，即粉砂含量越高，分形維數(shù)越大。陳小紅等[22]結(jié)合相關(guān)分析法和回歸分析法得出，黑河中游荒漠—綠洲邊緣區(qū)生態(tài)過渡帶的土壤顆粒分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與黏粉粒及各養(yǎng)分指標(biāo)均呈顯著的正相關(guān)；對土壤顆粒分形維數(shù)變化幅度的影響依次為黏粒、粉粒、砂粒，且分形維數(shù)對黏粒含量的變化最為敏感。賈曉紅等[23]認(rèn)為，分形維數(shù)與黏粒和粉粒含量呈顯著的線性正相關(guān)。本文研究的結(jié)果與上述結(jié)果基本一致，即土壤中黏粒、粉粒含量越高，土壤分形維數(shù)就越大；而砂粒含量越高，土壤分形維數(shù)就越低說明植被覆蓋度較低，表層土壤干燥，風(fēng)沙活動頻繁發(fā)生的同時，往往伴隨土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)的損失，因為，只有細(xì)顆粒物質(zhì)才能隨氣流飄揚出區(qū)域外。土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)的損失致使表層土壤粗?；潭燃觿。中尉S數(shù)減少。因此，土壤質(zhì)量分形維數(shù)在很好地反映土壤中不同粒徑的顆粒損失狀況的同時，還可以反映沙化的程度。由于土壤細(xì)顆粒物質(zhì)含量的增加和粗顆粒物質(zhì)含量的降低，共同導(dǎo)致了土壤顆粒分形維數(shù)的增加，有利于土壤水分的有效保持和儲存，可促進(jìn)斑塊植被的自然恢復(fù)。

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：林地和草地顯著高于耕地和農(nóng)地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著(p>0.05)。不同土地利用方式土壤粒徑分布中，黏粒含量占主導(dǎo)地位，黏粒含量百分比為45.98%～67.12%，粗砂粒平均含量相對較低。

(2) 不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數(shù)隨著土層深度增加逐漸增大，0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數(shù)變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。

(3) 回歸分析表明不同土地利用方式土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑呈顯著或極顯著的線性負(fù)相關(guān)(p<0.05，p<0.01)。相關(guān)分析表明不同土地利用方式土壤分形維數(shù)均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、全氮呈正相關(guān)。綜上所述，不同土地利用方式下土壤顆粒組成差異較大，草地和林地相對于耕地和農(nóng)地大顆粒含量明顯增多，小顆粒明顯減少，土壤顆粒分布的分形維數(shù)可以作為表征土壤肥力狀況指標(biāo)。

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