海涂圍墾區(qū)不同土地利用類型土壤顆粒分形特征

邱捷，王洪德，鄭一鵬，徐翠蘭，佘冬立*

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省土地開發(fā)整理中心，江蘇 南京 210017）

土壤是由大小不等、形狀不同的固體組分和孔隙以一定的形式連結(jié)所形成的多孔介質(zhì)，其內(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，使其在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面表現(xiàn)為復(fù)雜自然體。土壤顆粒是土壤固體組分的基本單元，其組成分布表現(xiàn)出自相似性，具有一定的分形特征[1]。分形理論首次由Mandelbort[2]提出，后經(jīng)Tyler和Wheatcraft[3]、楊培嶺等[4]引入土壤學(xué)研究中，近年來隨分形幾何學(xué)的發(fā)展，分形理論及其方法已逐步應(yīng)用到土壤科學(xué)研究中，用于定量描述土壤顆粒分布、容重、團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量等，成為定量研究土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效工具[5-6]。運(yùn)用土壤顆粒分形維數(shù)，可以比較不同土壤的顆粒分布特征和質(zhì)地均勻程度，由此可進(jìn)一步研究其對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境修復(fù)和治理的指示意義[7-9]。趙光輝等[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒分形特征能反映不同土地利用方式和不同植被類型，表征植被與土壤環(huán)境的相互作用；姚姣轉(zhuǎn)等[11]對(duì)科爾沁沙地沙丘-草甸相間地土壤顆粒的分形特征研究表明，土壤顆粒分形特征能反映不同地貌類型及土壤荒漠化的過程；王賢等[12]在研究重慶四面山幾種林地土壤顆粒分形特征及其影響因素時(shí)指出，土壤顆粒分形特征能用于土石山區(qū)林地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，揭示土壤環(huán)境修復(fù)的有效措施。當(dāng)前，許多學(xué)者針對(duì)不同類型或土地利用方式的土壤顆粒分形特征進(jìn)行研究，其中有關(guān)生態(tài)脆弱區(qū)土壤分形研究以干旱區(qū)沙地居多[13-14]。而海域?yàn)┩康柠}漬土壤在我國(guó)也是一種分布廣泛的脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤類型，具有土壤鹽分高、砂性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)差的特點(diǎn)，嚴(yán)重限制了海涂圍墾區(qū)土地的開發(fā)利用[15]。目前，針對(duì)海涂墾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)研究較少。本文以典型海域?yàn)┩織l子泥墾區(qū)土壤為研究對(duì)象，通過調(diào)查不同土地利用類型土壤粒徑分布，運(yùn)用分形理論計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)，測(cè)定土壤理化性質(zhì)，探討條子泥墾區(qū)不同土地利用類型土壤的粒徑分布、分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，以期為合理開發(fā)利用沿海灘涂，加快鹽堿化地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)（32°33′～32°57′ N, 120°53′～121°07′ E），圍墾總面積230.73 km2，海拔1.4～5.1 m，是暖溫帶向北亞熱帶過度的季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14 ～15 ℃，降水多集中在6～9月，年平均降水量1058.4 mm，年平均蒸發(fā)量1417 mm。條子泥墾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)差、肥力低、土質(zhì)易板結(jié)，以砂土和粉砂土為主。土地利用類型以荒地和耕地為主?；牡貫闂l子泥灘涂圍墾后撂荒地，除零星互花米草等少數(shù)典型鹽生植物外均為裸露地面；耕地主要為圍墾區(qū)內(nèi)土壤脫鹽改堿后的水稻種植區(qū)。

1.2 樣品采集

2019年9～10 月，在條子泥墾區(qū)選取長(zhǎng)期撂荒地和水稻田兩種土地利用類型作為研究樣地。其中荒地類型35個(gè)樣地，水稻田28個(gè)樣地，共63個(gè)樣地，每個(gè)樣地面積為10 m×10 m。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn)，采集0～20 cm土層的擾動(dòng)土和原狀土樣。擾動(dòng)土去除雜質(zhì)后，將其混勻，合并成一個(gè)混合土樣裝入樣品袋；原狀土采用直徑5 cm、體積100 cm3規(guī)格的環(huán)刀進(jìn)行采集，并記錄取樣區(qū)地形、植被等基本情況。

1.3 土壤樣品處理與測(cè)定

原狀土用于測(cè)定土壤容重和飽和含水率。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，飽和含水率測(cè)定時(shí)，將測(cè)定容重的環(huán)刀浸入水中直到飽和，然后采用烘干法測(cè)定[16]。擾動(dòng)土自然風(fēng)干后過2 mm篩，用于測(cè)定土壤粒徑組成、電導(dǎo)率、可溶鹽陽(yáng)離子、有機(jī)質(zhì)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量等。土壤粒徑組成采用Bettersize 2000激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)定（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)）。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤質(zhì)地：中砂粒（0.25～0.50 mm）、細(xì)砂粒（0.10～0.25 mm）、極細(xì)砂粒（0.05～0.10 mm）、粗粉砂粒（0.02～0.05 mm）、細(xì)粉砂粒（0.002～0.02 mm）和黏粒（0～0.002 mm）。土壤電導(dǎo)率（mS/cm）采用1∶5土水比浸提后，使用便攜式電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定；Na+和K+采用火焰光度法測(cè)定，Ca2+和Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用濕篩法測(cè)定。具體分析方法參見文獻(xiàn)[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Tyler和Wheatcraft[3]推導(dǎo)出的體積分形維數(shù)計(jì)算方法，其計(jì)算公式為：

式中：r為土壤粒徑，mm；Ri為粒徑分區(qū)中第i級(jí)粒徑，mm；V(r

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）分析不同數(shù)據(jù)組間的差異，采用Spearman相關(guān)系數(shù)分析不同指標(biāo)間的相關(guān)性。顯著水平為p=0.05，極顯著水平為p=0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤粒徑分布與分形特征

由表1可知，研究區(qū)內(nèi)土壤顆粒以粗粉砂粒（0.02～0.05 mm）和極細(xì)砂粒（0.05～0.10 mm）為主，其含量分別變化在21.5%～29.4%和37.1%～47.1%之間，平均值為25.5%和42.1%。土壤顆粒中細(xì)砂粒（0.10～0.25 mm）居中，為11.8%～18.8%，平均值為15.3%；細(xì)粉砂（0.002～0.02 mm）含量次之，在9.6%～16.9%，其平均值為13.2%；黏粒含量較低，在2.8%～4.6%，其平均值為3.7%。而供試土壤中砂粒（0.25～0.50 mm）含量最低，其平均值僅為0.26%。

不同土地利用方式下，土壤顆粒粒徑分布間存在顯著差異。其中，荒地土壤黏粒、細(xì)粉砂粒和粗粉砂粒含量均顯著高于水稻田土壤，而水稻田土壤極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒含量顯著高于荒地土壤（p<0.05）。不同土地利用方式下，土壤中砂粒含量差異不顯著。

根據(jù)土壤粒徑分形維數(shù)模型，計(jì)算土壤粒徑分形維數(shù)，得到研究區(qū)內(nèi)土壤粒徑分形維數(shù)D值的范圍為2.16～2.21，且不同土地利用類型之間差異顯著，表現(xiàn)為荒地土壤高于水稻田土壤（p<0.05）。圍墾區(qū)土壤種植水稻后，灌溉等人為耕作活動(dòng)使土壤中細(xì)顆粒隨水流走，表層土壤細(xì)小顆粒減少，土壤質(zhì)地趨于均一，因此圍墾區(qū)內(nèi)水稻田土壤顆粒分形維數(shù)降低[18]。

2.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑分布的關(guān)系

由圖1可知，海涂圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑分布存在顯著相關(guān)關(guān)系。分形維數(shù)與土壤黏粒、細(xì)粉砂粒、粗粉砂粒、極細(xì)砂粒之間均存在線性相關(guān)關(guān)系，而與細(xì)砂粒和中砂粒之間存在對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。其中，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤黏粒、細(xì)粉砂粒、粗粉砂粒的顆粒含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，黏粒、細(xì)粉砂粒、粗粉砂粒含量越高，土壤顆粒分形維數(shù)越大；土壤顆粒分形維數(shù)與極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒和中砂粒的顆粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒和中砂粒含量越低，土壤顆粒分形維數(shù)越小。0.05 mm粒徑是土壤顆粒體積含量與分形維數(shù)正負(fù)相關(guān)的分界值，大于該粒徑的顆粒含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)值越?。欢∮谠摿降念w粒含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)值越大，這一結(jié)論與賈曉紅等[19]的結(jié)論相一致。

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

數(shù)據(jù)分析表明，荒地土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量均高于水稻田土壤，土壤飽和含水率含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均小于水稻田土壤（表2）。土壤電導(dǎo)率和可溶鹽陽(yáng)離子是反映圍墾區(qū)鹽分性質(zhì)的指標(biāo)[20]。研究區(qū)表層土壤可溶鹽中陽(yáng)離子主要為Na+，其次為Ca2+、Mg2+和K+，鹽分主要類型為鈉鹽。從不同土地利用方式來看，荒地土壤電導(dǎo)率和可溶鹽陽(yáng)離子含量均高于水稻田土壤，水稻種植有利于降低圍墾區(qū)土壤鹽分含量。

土壤顆粒分形維數(shù)與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析表明，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）。土壤容重是反映土壤孔隙度、透水性、透氣性與貯水能力的重要指標(biāo)，分形維數(shù)越高，土壤容重越大，孔隙度越小，貯水性能越差，土壤結(jié)構(gòu)越緊實(shí)[21]。但顆粒分形維數(shù)與土壤電導(dǎo)率和飽和含水率之間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平（p>0.05）（表3）。

土壤可溶鹽陽(yáng)離子含量、有機(jī)質(zhì)含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。對(duì)各可溶性陽(yáng)離子含量與土壤顆粒分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，土壤顆粒分形維數(shù)與Na+呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），與Ca2+、Mg2+呈顯著正相關(guān)（p<0.05），與K+相關(guān)性不顯著（p>0.05）。土壤顆粒分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量（p<0.01）和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（p<0.05）均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中富集的有機(jī)質(zhì)含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高。不同顆粒在土壤養(yǎng)分的有效保持與儲(chǔ)存方面表現(xiàn)出不同作用，細(xì)小顆粒較粗顆?；瘜W(xué)性質(zhì)更為活潑，且細(xì)顆粒本身的化學(xué)組成中就包含較多的營(yíng)養(yǎng)元素。顆粒分形維數(shù)高的土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)含量越多，土壤具有更好保肥能力[22]。土壤顆粒分形維數(shù)也可用來表征土壤養(yǎng)分含量狀況。

圖1 土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級(jí)含量的關(guān)系Fig. 1 Correlation between fractal dimension and the content of soil particles

表2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)Table 2 Fractal dimension of soil particle and soil physical and chemical properties under different land use types

3 討論

3.1 不同土地利用類型的土壤粒徑分布及其分形特征

土壤粒徑分布是土壤最重要的物理性質(zhì)之一[23]，在一定程度上決定了土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。由于成陸過程中受海水滲雜影響，海涂圍墾區(qū)土壤積鹽過程先于成土過程，土壤主要為高鈉鹽粉砂土，土壤結(jié)構(gòu)性差。受人類活動(dòng)以及作物和土壤間相互作用影響，圍墾區(qū)土壤粒徑組成分布產(chǎn)生一定變化?；牡赝寥鲤ち！⒓?xì)粉砂粒和粗粉砂粒含量顯著高于水稻田土壤，而水稻田土壤極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒含量則顯著高于荒地土壤（表1）。圍墾區(qū)稻田受灌溉和翻耕等人為因素影響，土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)流失，質(zhì)地變粗，結(jié)構(gòu)松散，通透性增大。而鹽堿荒地多年未受擾動(dòng)，土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，通透性差。

表3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between fractal dimension of soil particle and soil physical and chemical properties

土壤顆粒分形維數(shù)已被廣泛用于表征土壤質(zhì)地均一性和孔隙通氣透水性能等[24]，隨土地利用方式不同而發(fā)生改變。海涂圍墾區(qū)荒地土壤顆粒分形維數(shù)顯著高于水稻田土壤，農(nóng)業(yè)種植降低了土壤顆粒分形維數(shù)（表1）。圍墾區(qū)稻田耕作層深度一般為20 cm，農(nóng)耕活動(dòng)將犁底層以上土壤翻動(dòng)、混合，使得土壤顆粒表現(xiàn)更為均一[22]，土壤顆粒分形維數(shù)減小。因此，在濱海墾區(qū)開墾荒地種植水稻時(shí)，應(yīng)考慮農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)土壤粒徑和土壤結(jié)構(gòu)的重要影響。

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

分形維數(shù)可用于反映土壤結(jié)構(gòu)變化特征。本研究中土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，即分形維數(shù)越低，表明土壤結(jié)構(gòu)越松散，土壤容重越小。趙文智等[25]、吳承禎和洪偉[26]的研究發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以表征土壤肥力狀況。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，海涂圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤顆粒分形維數(shù)越大，表明土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高。分形維數(shù)也可以反映土壤有機(jī)質(zhì)狀況。研究發(fā)現(xiàn)土壤中有機(jī)質(zhì)含量與土壤顆粒分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。趙來和呂成文[27]發(fā)現(xiàn)，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤顆粒分形維數(shù)增大。土壤中細(xì)顆粒含量越多，土壤活性越強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤顆粒分形維數(shù)越大。土壤水溶性鹽是鹽堿土的重要屬性，是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[28]。本研究中荒地土壤可溶鹽陽(yáng)離子含量均高于水稻田土壤，表明水稻種植有利于降低圍墾區(qū)土壤鹽分含量，脫鹽效果顯著，導(dǎo)致土壤鹽分含量分布離散。同時(shí)荒地土壤黏粒、粉粒含量較高，顆粒分形維數(shù)較大，而荒地表層的細(xì)顆粒物質(zhì)易積聚鹽分，引起鹽漬化。這表明隨土壤細(xì)粒物質(zhì)增加，顆粒分形維數(shù)相應(yīng)增大，有利于土壤肥力的保持，但一定程度上降低了土壤洗鹽速率，因此，土壤顆粒分形維數(shù)能客觀地反映土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分狀況，作為評(píng)價(jià)海涂圍墾區(qū)鹽漬土發(fā)育和演變規(guī)律的定量指標(biāo)之一。

4 結(jié) 論

1）海涂圍墾區(qū)不同土地利用類型土壤顆粒分形特征差異顯著。荒地土壤顆粒分形維數(shù)顯著大于稻田土壤。圍墾區(qū)稻田受灌溉和翻耕等人為因素影響，土壤表層細(xì)粒物質(zhì)流失，質(zhì)地變粗，結(jié)構(gòu)松散，通透性增大。因此，在濱海墾區(qū)開墾荒地種植水稻作物時(shí)，應(yīng)考慮農(nóng)耕活動(dòng)對(duì)土壤粒徑和土壤結(jié)構(gòu)有重要的影響。

2）海涂圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒徑分布存在顯著相關(guān)關(guān)系。海涂圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤黏粒、細(xì)粉砂粒和粗粉砂粒的顆粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01），與極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒和中砂粒的顆粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01）。粒徑0.05 mm是影響海涂圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)變化的臨界粒徑。

3）荒地土壤電導(dǎo)率和可溶鹽陽(yáng)離子含量均高于水稻田土壤，水稻種植有利于降低圍墾區(qū)土壤鹽分含量。圍墾區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤顆粒分形維數(shù)可以較好地反映土壤理化性質(zhì)特征及變化過程，可以作為評(píng)價(jià)海涂圍墾區(qū)鹽漬土發(fā)育和演變規(guī)律的定量指標(biāo)之一。