不同配比下復(fù)配土的土壤顆粒組成、分形維數(shù)與質(zhì)地變化特征

程 杰, 王歡元, 解建倉(cāng), 孟婷婷, 石 磊

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 西安 710048; 2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 西安 710075; 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710000;4.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 西安 710075)

毛烏素沙地是我國(guó)4大沙地之一，面積3.98萬(wàn)km2[1]，該區(qū)光照條件充足，降水量相對(duì)豐沛，具有巨大的耕地挖掘潛力[2]，但區(qū)內(nèi)土地風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。尤其是該區(qū)分布著約1.67萬(wàn)km2的砒砂巖，“無(wú)水堅(jiān)硬如泥，遇水松散”，極易發(fā)生侵蝕，被稱為“地球生態(tài)癌癥”[3]。為探索和開發(fā)毛烏素沙地與砒砂巖的綜合治理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在砒砂巖與沙的相互特性及復(fù)配成土上開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)砒砂巖礦物組成豐富[4]，其黏粒含量高，具有較高的持水能力，而沙土黏粒含量少，膠結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)性差，具有高滲透性，持水能力差，砒砂巖與沙在構(gòu)成土壤機(jī)械組成與性質(zhì)上表現(xiàn)出互補(bǔ)性，將二者按照一定比例復(fù)配可形成新的土壤(簡(jiǎn)稱：復(fù)配土)，可增強(qiáng)風(fēng)沙土的持水能力[5]，利于作物生長(zhǎng)[6-7]。

土壤是一種由大小不一和形狀各異的顆粒及孔隙組成的多孔介質(zhì)，這些顆粒的大小、組合比例及排列狀況直接影響著土壤的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力等，并具有明顯的分形特征[8-9]。利用分形理論可描述顆粒組成等物理結(jié)構(gòu)特征[10]，已有研究表明，通過(guò)土壤顆粒分形維數(shù)可反映出土壤結(jié)構(gòu)、屬性、肥力及土壤退化等。對(duì)于風(fēng)沙土而言，砂粒含量高，而沙地改良的有效方法是增加黏粉粒含量，以提高抗蝕性，改變顆粒組成從而改變砂土質(zhì)地[11]。因此，復(fù)配土的顆粒變化及分形特征可較好地反映復(fù)配土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，然而，目前關(guān)于應(yīng)用土壤顆粒分形維數(shù)探討砒砂巖與沙復(fù)配土的顆粒特征研究尚未見報(bào)道，因此，本文分析砒砂巖改良風(fēng)沙土土壤顆粒分形維數(shù)變化特征，旨在進(jìn)一步了解不同復(fù)配土土壤特性及結(jié)構(gòu)變化，為砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)，在毛烏素沙地乃至全世界同類地區(qū)進(jìn)行生態(tài)整治提供理論與技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)在陜西地建土地工程技術(shù)研究院富平中試基地(108°57′—109°26′E，34°42′—35°6′N)，海拔375.8～1 420.7 m，半干旱大陸性氣候，年平均降水量527．2 mm (1960—1995年)，年內(nèi)降雨分布極不均勻，多集中在7—9月，占全年降雨量的49%，其他季節(jié)較干旱。年總輻射量5 187.4 MJ /m2，年平均日照時(shí)數(shù)約2 389.6 h，年均氣溫為13.1℃，降水年際變率大，年降水變異系數(shù)(CV)達(dá)21.2%。該區(qū)自然條件基本上滿足小麥、玉米、棉花等作物的生長(zhǎng)需求[12]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)為砒砂巖與沙的混合體積比例分別為1∶1，1∶2，1∶5，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為2 m ×2 m。小區(qū)排列順序采用隨機(jī)排列方法，均在表層30 cm(耕作層)覆蓋不同比例的復(fù)配土，30 cm以下為當(dāng)?shù)赝寥?。添加的砒砂巖處理過(guò)篩小于4 cm，確保砒砂巖與沙按比例均勻混合，砒砂巖與沙均拉運(yùn)于毛烏素沙地榆林市榆陽(yáng)區(qū)大紀(jì)汗村。小區(qū)采用小麥—玉米輪作模式，其中小麥品種為小堰22，玉米品種為偉科702。2010年6月—2018年10月，各處理均采用常規(guī)耕作和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥管理措施，施肥為有機(jī)肥。不同復(fù)配比例的復(fù)配土及原始風(fēng)沙土的主要理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤主要理化性質(zhì)

1.3 測(cè)試方法

每年于作物種植前以及收獲后采集土壤樣品。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按照“S”形5點(diǎn)取樣法采集0—30 cm耕層土樣。除去粗根及小石塊，將土樣自然條件下風(fēng)干。采用四分法(對(duì)角線法)分土，然后所有風(fēng)干土壤過(guò)2.0 mm篩子。用馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 2000)分別測(cè)定其顆粒組成，每種土樣重復(fù)3次。依據(jù)美國(guó)農(nóng)部制土壤質(zhì)地三角圖確定質(zhì)地。

1.4 顆粒分形維數(shù)計(jì)算

土壤顆粒分形維數(shù)通?？煞譃橘|(zhì)量分形維數(shù)和體積分形維數(shù)。土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)在計(jì)算時(shí)需要假設(shè)不同粒級(jí)的土壤具有相同的密度，存在著一定的不合理性。隨著激光衍射技術(shù)的深入研究和發(fā)展應(yīng)用，可準(zhǔn)確獲得土壤顆粒體積分布的大小和數(shù)量，因此本文采用Tyler等[13]提出的體積分形模型計(jì)算土壤顆粒體積分形維數(shù)來(lái)表示土壤顆粒分形維數(shù)，公式為：

式中：d為粒徑；di為粒徑分區(qū)中的第i級(jí)粒級(jí)，其值一般為該粒級(jí)區(qū)間上下限的算術(shù)平均值；dmax為所有土壤顆粒中的最大粒徑，本研究中dmax=2000；V為粒徑小于di的土壤顆粒累積體積；Vt為全部土壤顆粒總體積。

計(jì)算步驟為：在各分級(jí)區(qū)間，計(jì)算di的算術(shù)平均值及累積體積，畫出對(duì)數(shù)圖，擬合的直線斜率為3-Dv，根據(jù)斜率從而求出土壤顆粒體積分形維數(shù)Dv值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比下土壤粒級(jí)組成

依據(jù)中國(guó)制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(1987年)對(duì)土壤粒徑進(jìn)行分級(jí)：細(xì)黏粒(<0.001 mm)，粗黏粒(0.001～0.002 mm)，細(xì)粉粒(0.002～0.005 mm)，中粉粒(0.01～0.005 mm)，粗粉粒(0.01～0.05 mm)，細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)，粗砂粒(0.25～1 mm)。砒砂巖與沙按不同比例復(fù)配后土壤顆粒粒徑分布見圖1。1∶1復(fù)配土的中粉粒(0.01～0.005 mm)含量最高，體積分?jǐn)?shù)為26.82%，次之為粗砂粒(0.01～0.05 mm)25.55%，最低為細(xì)黏粒(<0.001 mm)5.13%；1∶2復(fù)配土中細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)最高為38.65%，次之為粗粉粒(0.01～0.05 mm)21.30%，最低為細(xì)黏粒(<0.001 mm)3.94%；1∶5復(fù)配土的中粗砂粒(0.25～1 mm)體積高達(dá)55.48%，并從粗砂粒到細(xì)黏粒依次遞減，細(xì)黏粒(<0.001 mm)含量?jī)H為2.40%。從復(fù)配土黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 m)、砂粒(1～0.05 mm)的累積粒徑來(lái)看，黏粒(<0.002 mm)和粉粒(0.05～0.002 m)的累積粒徑含量均表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5，砂粒(1～0.05 mm)的累積粒徑含量表現(xiàn)為1∶5>1∶2>1∶1，表明復(fù)配土中砒砂巖含量越高，顆粒粒徑越細(xì)。

圖1 復(fù)配土顆粒粒徑分布

2.2 不同配比下土壤顆粒分形維數(shù)變化

用最小二乘法對(duì)復(fù)配土粒徑分布的對(duì)數(shù)圖中回歸曲線進(jìn)行擬合(表2)，由表2可知，不同復(fù)配比例的擬合方程決定系數(shù)(R2)均高于0.8，最大值達(dá)到1，平均值均在0.9以上，說(shuō)明擬合方程效果極好，達(dá)到了顯著和極顯著水平。從同一復(fù)配比土壤顆粒體積分形維數(shù)來(lái)看，土壤顆粒分形維數(shù)變化差異不大，變異系數(shù)均低于0.5，說(shuō)明樣品的顆粒粒徑組成較為穩(wěn)定。從不同復(fù)配比的土壤顆粒體積分形維數(shù)來(lái)看，土壤顆粒分形維數(shù)表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5>0∶1。

表2 不同配比下土壤顆粒分形維數(shù)及擬合方程決定系數(shù)

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒級(jí)組成的關(guān)系

由土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算公式可知，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤各粒級(jí)粒徑的累積量密切相關(guān)，按美國(guó)制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將土壤粒級(jí)分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 m)、砂粒(1～0.05 mm)，對(duì)各粒級(jí)體積百分比與土壤顆粒分形維數(shù)進(jìn)行回歸分析(圖2—4)。

土壤顆粒分形與黏粒體積百分含量直接呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(圖2)，p=0.001**，決定系數(shù)(R2=0.9982)較高。表現(xiàn)為隨著黏粒含量的增加，分形維數(shù)顯著增加。復(fù)配土粉粒相互之間呈顯著相關(guān)，p=0.001**，但擬合方程的R2(0.089 8)較小，說(shuō)明土壤顆粒分形與粉粒質(zhì)量百分含量直接的相關(guān)性很小(圖3)。由土壤顆粒分形與砂粒體積百分含量的擬合與粉粒體百分含量擬合類似，p=0.002**，說(shuō)明復(fù)配土砂粒體積百分含量顯著相關(guān)，但砂粒的擬合方程R2(0.030 2)更小，說(shuō)明土壤顆粒分形維數(shù)與砂粒體積百分含量相關(guān)性更小(圖4)。

2.4 不同配比下復(fù)配土質(zhì)地變化

質(zhì)地是土壤中大小各異的顆粒組合狀況，是土壤結(jié)構(gòu)體形成的基礎(chǔ)，與土壤通氣、保水、保肥性及耕作難易程度有著密切的關(guān)系。不同配比下砒砂巖改良風(fēng)沙土質(zhì)地變化見圖5。隨著種植年限的增加，風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)體中賦存的關(guān)鍵粒級(jí)含量(黏粒和粉粒)逐漸提高，在種植6 a內(nèi)，1∶1，1∶2，1∶5黏粒平均含量分別為(4.60±2.15)%，(3.34±1.62)%，(3.08±1.40)%，較沙地而言，1∶1黏粒含量提高了62.13%，1∶2，1∶5也提高了40%以上；1∶1，1∶2，1∶5粉粒平均含量分別為(31.14±13.72)%，(21.72±7.38)%，(19.80±6.20)%，較沙地而言，不同配比下的粉粒含量均提高了70%以上，其中1∶1粉粒含量提高了81.93%。

圖2 黏粒含量對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)的影響

從不同種植年限下各復(fù)配土質(zhì)地變化來(lái)看，在風(fēng)沙土中添加砒砂巖后，風(fēng)沙土的質(zhì)地得到了顯著改變，并與添加砒砂巖的比例有關(guān)，1∶1復(fù)配土發(fā)生了從砂土—砂壤土—粉砂壤的轉(zhuǎn)變。1∶2，1∶5中粉粒含量雖隨著種植年限的增加而增加，但1∶5質(zhì)地仍為壤砂，1∶2在種植4 a后由壤砂變?yōu)樯叭?。沙?0∶1)的質(zhì)地并未隨著種植年限的增加而改變。

圖3 粉粒含量對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)的影響

圖4 砂粒含量對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)的影響

圖5 不同配比下砒砂巖改良風(fēng)沙土質(zhì)地變化

3 討 論

3.1 土壤顆粒組成與分形維數(shù)的關(guān)系

從顆粒組成來(lái)看，砒砂巖混合比例越高，復(fù)配土中的黏粉粒含量越高；此外，1∶1復(fù)配土土壤顆粒主要集中在粉粒段(0.002～0.05 mm)，粉粒含量占49.37%，而1∶2，1∶5復(fù)配土土壤顆粒主要集中在砂粒段(0.05～2 mm)，含量分別為52.74%，75.55%。這可能是由于砒砂巖黏粒含量高達(dá)10.3%～30.3%[14]，而沙土90%為砂粒，且顆?？紫洞螅?dāng)砒砂巖與風(fēng)沙土混合后，砒砂巖的黏粒填充到沙土孔隙中，因此砒砂巖混合越多，復(fù)配土中的黏粒、粉粒含量越高。

從土壤顆粒體積分形維數(shù)來(lái)看，分形維數(shù)表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5，這是由于砒砂巖在風(fēng)沙土中的含量越高，黏粉粒含量就越高，土壤顆粒就越細(xì)?；中尉S數(shù)越高，表征土壤結(jié)構(gòu)逐漸變好的變化趨勢(shì)。陳小紅等[15]在研究沙漠化的逆轉(zhuǎn)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著沙漠化程度的減小，土壤顆粒分形維數(shù)逐漸變大，說(shuō)明砂粒含量越小，分形維數(shù)越大，與本研究結(jié)果一致。羅雅曦等在研究騰格里沙漠草方格固沙林地土壤顆粒組成及分形維數(shù)的關(guān)系時(shí)也得到了一致的研究結(jié)果。

從土壤粒級(jí)與顆粒體積分形維數(shù)擬合來(lái)看，土壤體積分形維數(shù)和土壤黏粒體積含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與粉粒和砂粒的體積含量相關(guān)性較小(圖4)，這與王國(guó)梁等[17]研究土壤顆粒的體積分形維數(shù)及其在土地利用中的應(yīng)用結(jié)果一致。楊金玲等[11]在對(duì)比土壤顆粒粒徑分布重量分形維數(shù)和體積分形維數(shù)也發(fā)現(xiàn)，體積質(zhì)量分形維數(shù)與黏粒關(guān)系更加密切。

3.2 不同種植年限下復(fù)配土粒級(jí)與質(zhì)地的關(guān)系

復(fù)配土中粉粒含量基本隨著種植年限的增加而改變，尤其是1∶1復(fù)配土中粉粒含量明顯增加，質(zhì)地也隨之改變，總的來(lái)說(shuō)質(zhì)地是一個(gè)變化較為緩慢的過(guò)程。這可能是由于隨著種植年限的增加，有機(jī)肥不斷施入，作物根系分泌物增加，土體中微生物種類變多，代謝產(chǎn)物也隨之增加[18-19]，促進(jìn)了復(fù)配土顆粒的優(yōu)化，但粒徑的改變需要達(dá)到一定數(shù)量后才能引起質(zhì)地的改變。

4 結(jié) 論

(1) 砒砂巖與風(fēng)沙土混合后，明顯提高風(fēng)沙土中的黏粉粒含量，復(fù)配土中的黏粉粒含量均表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5，1∶1復(fù)配土中粉粒(0.002～0.05 mm)含量達(dá)到49.37%，1∶2，1∶5復(fù)配土仍以砂粒(0.05～2 mm)為主，含量分別為52.74%，75.55%。砒砂巖可以顯著改變風(fēng)沙土的質(zhì)地，砂土(0∶1)質(zhì)地發(fā)生從砂土—壤砂土(1∶2，1∶5)—砂壤土(1∶1)—粉砂壤(1∶1)的轉(zhuǎn)變。建議通過(guò)長(zhǎng)期的小區(qū)、大田試驗(yàn)，進(jìn)一步研究砒砂巖與風(fēng)沙土混合后的土體穩(wěn)定性，以提出砒砂巖與風(fēng)沙土的最佳配比，改良毛烏素沙地或是全世界同類地區(qū)。

(2) 砒砂巖復(fù)配比例越高，土壤顆粒越細(xì)粒，即土壤顆粒體積分形維數(shù)越高，Dv介于2.23～2.63，表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5>0∶1。土壤體積分形維數(shù)與黏粒含量正相關(guān)，主要由黏粒含量決定，而與粉粒和砂粒含量相關(guān)性較小。

土壤顆粒體積分形維數(shù)Dv能較好地表征砒砂巖與沙復(fù)配成土的土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)，建議繼續(xù)深入研究土壤顆粒分形維數(shù)與復(fù)配土養(yǎng)分間的定量關(guān)系。