岷江上游雜谷腦河流域典型耕作區(qū)土壤顆粒分維特征

劉傳秀,王 青,閆嬋娟

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

【研究意義】土壤是由不同粒徑的顆粒組成的多孔介質(zhì)，其顆粒的不規(guī)則形狀和自相似結(jié)構(gòu)使其具有一定的“分形(fractal)”特征[1-2]。土壤水力特性參數(shù)與土壤粒徑間存在著直接關(guān)系，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，但目前對(duì)于這些參數(shù)的測定比較困難，需要消耗大量的人力物力財(cái)力?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Perfect等[3]對(duì)分形理論在土壤學(xué)中的應(yīng)用作了詳細(xì)的介紹；Tyler、楊培嶺等[4-6]提出了土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)的計(jì)算方法，用土壤各粒級(jí)粒徑的重量分布取代數(shù)量分布進(jìn)而來描述土壤分形特征；楊金鈴等[7]推導(dǎo)出土壤顆粒粒徑的質(zhì)量分形維數(shù)(Dm)和體積分形維數(shù)(Dv)均可在一定程度上表征土壤質(zhì)地特性；對(duì)同一流域內(nèi)不同植被下土壤分形維數(shù)空間變異性分析為植植被恢復(fù)過程中合理地利用土壤資源,提供了理論依據(jù)[8-11]。岷江上游干旱河谷地區(qū)土壤環(huán)境的脆弱性使得對(duì)該地區(qū)土壤持水性的研究變得尤為重要?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】岷江上游干旱地區(qū)土壤粒徑分布分形維數(shù)的研究[12-13]，闡明土壤顆粒體積分形維數(shù)與不同土壤質(zhì)地及土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，其結(jié)果可直接服務(wù)于岷江上游生態(tài)脆弱區(qū)植被修復(fù)和土地利用開發(fā)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文對(duì)岷江上游典型耕作區(qū)土壤顆粒分形特征開展研究，對(duì)不同土壤剖面、土層深度、土壤利用類型與土壤質(zhì)地間聯(lián)系進(jìn)行探討，分析分形維數(shù)對(duì)土壤性質(zhì)的表征力，為西南干旱河谷區(qū)土壤持水特征、土壤保護(hù)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游雜谷腦河是岷江水系的一級(jí)支流，全長157.4 km，發(fā)源于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣西北的鷓鴣山南麓，流域面積為4592.64 km2，流域邊界與理縣行政邊界一致[14]。本研究依據(jù)岷江上游干旱河谷生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，選擇雜谷腦河流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)。在對(duì)該區(qū)全面調(diào)查基礎(chǔ)上，選取佳山村(海拔：1500～2300 m)、三寨村(海拔：2200～2500 m)和九子村(海拔：2500～2700 m)3個(gè)典型耕作區(qū)為研究對(duì)象，設(shè)立樣地，采集土樣。在地理位置上3個(gè)典型區(qū)處于同一條干旱河谷，其中三寨村、九子村分別分布在河谷的南北側(cè)，受日照和降水等條件的影響，三寨村的植被覆蓋率明顯優(yōu)于九子村，其中九子村以灌叢和原始林為主，三寨村以灌叢和松樹為主，但在規(guī)模上九子村大于三寨村；佳山村位河谷南側(cè)，以經(jīng)果林和生態(tài)林為主，海拔從高到低以退耕地-耕地-聚落交錯(cuò)分布。

1.2 土樣采集與分析

為了更好地表征土壤顆粒分形維數(shù)分布特征及其內(nèi)在關(guān)系，本文依據(jù)海拔由高到低的變化，高程每200 m進(jìn)行采樣，分別在九子村、三寨村、佳山村進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采點(diǎn)(圖1)。在水平方向上，選擇經(jīng)緯度在一定范圍內(nèi)的經(jīng)果林、退耕還林、原始林樣地土壤，采用蛇形布點(diǎn)法按土壤剖面垂直縱深布點(diǎn)，用100 cm3的環(huán)刀進(jìn)行采樣，取樣深度為75 cm，分5個(gè)層次，各層次分別為0～15、15～30、30～45、45～60、60～75 cm。所有采樣在每一樣點(diǎn)周圍20 m范圍內(nèi)設(shè)置3個(gè)點(diǎn)，分層均勻混合采樣，共計(jì)個(gè)88混合樣。采樣時(shí)間為2015年9月至10月。土壤采樣地基本情況見表1。

試樣經(jīng)預(yù)處理后用貝克曼庫爾激光粒度儀測定土壤粒度分布。結(jié)果以國際制土壤粒徑輸出，按美國土壤質(zhì)地分類制分為：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.005 mm)、砂粒(0.050～2.000 mm)。

1.3 土壤顆粒分形維數(shù)的計(jì)算方法

Mandelbrot[15]研究了二維平面的顆粒大小分形特征，建立二維空間的分維模型大于某一特征尺度R的顆粒所占的面積A為：

圖1 岷江上游雜谷腦河流域采樣圖Fig.1 Sampling Zagunao River Basin of the Upper Reaches of Min River

表1 土壤采樣地基本情況Table 1 Basic information of soil sampling

(1)

R為測量尺度，Cd、λd為常數(shù)，與顆粒形狀及顆粒大小有關(guān)。Tyler等[5]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了推廣，建立三維空間的體積分維模型。其后，楊培嶺等[6]對(duì)上述公式做了修改，用土壤質(zhì)量來代替土壤的體積，表征土壤分形特征更為直觀。結(jié)合到本研究采樣及分析過程，在測量過程中較方便測得各粒徑體積百分?jǐn)?shù)，因此本文以各粒級(jí)的體積百分?jǐn)?shù)代替體積含量，推算出更適用于本文的計(jì)算模型。

將(1)推廣到三維空間，則大于某一特定粒徑Ri(Ri>Ri+1,i=1,2,3…)的土壤顆粒構(gòu)成的體積V為：

(2)

(3)

VT=Cv

(4)

將(4)式代入(3)式得：

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地土壤分形維數(shù)

如圖2所示，研究區(qū)的土壤質(zhì)地類型有粉壤土、壤土及砂壤土3種，所占比例分別為36 %、41 %、23 %，土壤顆粒分形維數(shù)在2.6279～2.8705。

各類土質(zhì)對(duì)比分形維數(shù)可發(fā)現(xiàn)不同土壤質(zhì)地的類型分形維數(shù)存在顯著差異：粉壤土分形維數(shù)變幅為2.7245～2.8705、壤土2.6624～2.8456、砂壤土2.6279～2.8014，整體上粉壤土>壤土>砂壤土；表明土壤顆粒分形維數(shù)可以表征土壤質(zhì)地差異。該結(jié)果與伏耀龍[8]對(duì)岷江上游黑水河流域土壤顆粒分布分維特征相一致。

圖2 采樣點(diǎn)土壤質(zhì)地Fig.2 Soil texture of sample point

表2 研究區(qū)不同土地利用類型下土壤顆粒分形維數(shù)Table 2 The fractal dimension of soil particles under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數(shù)

土樣混合計(jì)算3個(gè)典型農(nóng)耕區(qū)3種土地利用方式下的土壤顆粒分形維數(shù)，結(jié)果見表2 。

(1)退耕還林地依據(jù)地形的特殊性選擇九子村(2.8181)、三寨村(2.7902)、佳山村(2.8004)3個(gè)采樣地同時(shí)采樣，主要植被有洋槐、松樹、沙棘林等。該種植被類型下的土壤顆粒分形維數(shù)最高達(dá)到2.8705，最低為2.6025，極差較大，與原始林、經(jīng)果林相比，該種植被類型下的平均分形維數(shù)為三者之最(2.8037)。

(2)經(jīng)果林地在九子村(2.7972)、山寨村(2.7782)、佳山村(2.7806)2個(gè)采樣地同時(shí)采樣，共采集18個(gè)采樣點(diǎn)，主要種植作物有蘋果、車?yán)遄?、紅脆李、李子等果樹。該地土壤分形維數(shù)較退耕還林稍有下降(2.7853)，總體分形維數(shù)較高，由于農(nóng)業(yè)耕作對(duì)原始土地利用的改變，對(duì)土壤顆粒組成產(chǎn)生影響，從而使土壤顆粒分形維數(shù)發(fā)生變化。

(3)原始林地在取樣時(shí)，選擇九子村(2.7856)、三寨村(2.7725)、佳山(2.7697)、3個(gè)典型農(nóng)耕區(qū)進(jìn)行實(shí)地采樣，該種土地利用下的植被以原始森林、原生灌叢、沙棘林等生長，植被覆蓋度較其余兩種土地利用明顯較低。該地平均分形維數(shù)也達(dá)到三者最低值(2.7638)，在各采樣地該種土地利用類型下的土壤分形維數(shù)也都是最低值。

總體平均分形維數(shù)相差不大，但變幅較大，退耕還林分形維數(shù)均值(2.8029)>經(jīng)果林(2.7853)>原始林(2.7638)，土壤分形維數(shù)隨土地利用類型的不同而發(fā)生規(guī)律性的變化，植被覆蓋度越高，土壤分形維數(shù)越大。這一研究結(jié)果也與李林英等[16]的一致。由于人工退耕還林工程、農(nóng)業(yè)耕作等改變?cè)纪恋乩梅绞?，?duì)土壤顆粒組成產(chǎn)生影響，從而使土壤顆粒分形維數(shù)發(fā)生變化。

2.3 分形維數(shù)與土層深度的關(guān)系

與已有研究[16-17]不同的是，本研究對(duì)同一流域內(nèi)不同土地利用類型的土壤垂直剖面深度進(jìn)行分析，土壤垂直剖面深度分形維數(shù)離散度不高，較為集中，分形維數(shù)與土層深度成正比，這一趨勢與研究區(qū)內(nèi)土壤黏粒所占百分比分布相吻合。如圖3a所示，九子村各土地利用方式下，土層剖面土壤顆粒分形維數(shù)分布整體與土層深度成正比，除原始林外均在30～45 cm土層后穩(wěn)定。圖3b中，三寨村的各類型土地利用方式下，土層剖面土壤顆粒分形維數(shù)分布與九子村整體相似，三寨村退耕還林和原始林在15～30 cm土層后趨于穩(wěn)定，經(jīng)果林則是在30～45 cm，該地區(qū)3種土地利用類型的土壤分形維數(shù)隨土層加深逐漸接近；圖3c為佳山村土層剖面土壤顆粒分形維數(shù)分布，與前兩者相似，該地區(qū)不同土地利用類型下的土壤分形維數(shù)整體趨勢穩(wěn)定。同一流域的3種土地利用類型的土壤顆粒分形維數(shù)在不同深度土壤之間變化幅度較小且隨深度增加逐漸穩(wěn)定，土壤顆粒分形維數(shù)隨著土壤深度增加逐漸接近。

圖3 不同農(nóng)耕區(qū)土層剖面土壤顆粒分形維數(shù)分布Fig.3 Fractal dimension distribution of soil particles in soil profile of different farming areas

圖4 分形維數(shù)D值與不同土壤粒徑體積百分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 The relation between fractal dimension D value and the percentage of different soil particle diameters

2.4 分形維數(shù)與土壤顆粒組成的關(guān)系

通過相關(guān)性分析可知研究區(qū)內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑體積百分比有明顯相關(guān)性，這也與王國梁、曾憲勤等[17-22]的結(jié)論一致。從圖4可以看出，該地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒、粉粒含量均呈顯著正相關(guān)，與砂粒呈負(fù)相關(guān)。本文推導(dǎo)出的計(jì)算方法得到的土壤顆粒分形維數(shù)在數(shù)值上受土壤粒徑大小的影響，即：土壤顆粒粒徑與土壤顆粒分形維數(shù)成反比，土壤顆粒分形維數(shù)可表征土壤質(zhì)地。

3 討 論

研究區(qū)土壤質(zhì)地類型表現(xiàn)為有粉壤土、壤土及砂壤土3種，從結(jié)果上粉壤土分形維數(shù)變幅為2.7245～2.8705、壤土2.6624～2.8456、砂壤土2.6279～2.8014，整體上粉壤土>壤土>砂壤土，其分布于3種土壤質(zhì)地的顆粒組成相似。其中，粉壤土顆粒含量中黏粒含量>壤土>砂壤土。土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒黏粒含量呈正相關(guān)。

對(duì)不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數(shù)的研究，是對(duì)典型農(nóng)耕區(qū)的生態(tài)環(huán)境的側(cè)面反映。文章通過對(duì)3個(gè)典型農(nóng)耕區(qū)3種土地利用方式的土壤分形維數(shù)的分析研究可以看出，土壤分形維數(shù)隨土地利用類型的不同而發(fā)生規(guī)律性的變化，可描述植被覆蓋度；土壤剖面深度間分形維數(shù)也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，研究結(jié)果可謂岷江上游生態(tài)脆弱區(qū)農(nóng)耕活動(dòng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

岷江上游雜谷腦河流域典型農(nóng)耕區(qū)的土壤質(zhì)地類型以砂壤土、壤土和粉壤土呈現(xiàn)。本研究應(yīng)用土壤顆粒體積百分比計(jì)算土壤分形維數(shù)，針對(duì)岷江上游雜谷腦河流域典型耕作區(qū)土壤顆粒分維特征的定量化研究，可為改良耕作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

(1)研究區(qū)的土壤質(zhì)地類型有粉壤土、壤土及砂壤土3種，所占比例分別為36 %、41 %、23 %，土壤顆粒分形維數(shù)在2.6279～2.8705。不同土壤質(zhì)地分形維數(shù)存在顯著差異：粉壤土>壤土>砂壤土，表明土壤顆粒分形維數(shù)可以表征土壤質(zhì)地差異。

(2)不同土地利用方式下平均分形維數(shù)：退耕還林(2.8037)>經(jīng)果林(2.7853)>原始林(2.7638)，土壤分形維數(shù)隨土地利用類型的不同而發(fā)生規(guī)律性的變化，植被覆蓋度越高，土壤分形維數(shù)越大。由于人工退耕還林工程、農(nóng)業(yè)耕作等改變?cè)纪恋乩梅绞?，?duì)土壤顆粒組成產(chǎn)生影響，從而使土壤顆粒分形維數(shù)發(fā)生變化。

(3)不同土樣垂直剖面深度分形維數(shù)離散度不大，較為集中，分形維數(shù)與土層深度成正比。同一流域的3種土地利用類型的土壤顆粒分形維數(shù)在不同深度土壤之間變化幅度較小且隨深度增加逐漸穩(wěn)定，土壤顆粒分形維數(shù)隨著土壤深度增加逐漸接近。

(4)土壤顆粒分形維數(shù)隨土壤顆粒的粗細(xì)程度發(fā)生明顯變化：土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒(R2=0.8125)和粉粒(R2=0.7556)呈正相關(guān)，與砂粒(R2=0.8932)呈負(fù)相關(guān)，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑呈負(fù)相關(guān)；表明土壤顆粒分形維數(shù)可表征土壤質(zhì)地。