不同地區(qū)鹽漬土土壤顆粒的分形特征

趙守強 遲大群 賈付誠

摘要：通過野外調(diào)查、室內(nèi)試驗、模型分析等方法研究了新疆石河子、新疆阿拉爾、內(nèi)蒙臨河、吉林白城、河北海興及江蘇鹽城6個地區(qū)表層0～20 cm土壤顆粒分形維數(shù)、土壤質(zhì)地、粒徑組成及鹽分含量變化特征。結(jié)果表明，各地區(qū)土壤質(zhì)地以壤土為主，土壤顆粒分形維數(shù)為2.59～2.78，且呈自南向北、自東向西遞增趨勢;土壤顆粒分形維數(shù)與黏粒（<0.002 mm）相對含量呈極顯著冪指數(shù)關(guān)系（y=2.323 2x0.058 3，r2=0.981 9，P<0.01）。受海拔、氣候條件等因素影響，不同地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)與沙粒（0.05～2 mm）和粉粒（0.002～0.05 mm）相對含量、平均質(zhì)量半徑、土壤鹽分之間相關(guān)性不同，但總體擬合決定系數(shù)低于02。土壤分形維數(shù)主要與黏粒相對含量有關(guān)，同時受海拔、氣候等因素共同影響。

關(guān)鍵詞：鹽漬土;土壤質(zhì)地;顆粒組成;分形維數(shù)

分形理論是描述自然界中不規(guī)則空間形體特征的重要工具，分形體內(nèi)任何一個獨立的分形單元在某種程度上都是整體的再現(xiàn)與濃縮[1]。土壤是由大小不同、形狀各異的固體顆粒及孔隙所形成的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特性[2-4]。分形理論被引用到土壤學(xué)研究以來，土壤結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)了定量化描述，這為量化土地利用方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響、農(nóng)田土壤荒漠化演變過程、耕層土壤結(jié)構(gòu)特性變化等研究的快速發(fā)展提供了可靠的理論支撐[5-7]。王艷艷等指出土壤分形結(jié)構(gòu)對其水力學(xué)性質(zhì)具有指示作用，可通過構(gòu)建相關(guān)水力特性參數(shù)的分形模型預(yù)估土壤水力特性參數(shù)[8];張德謙等指出分形維數(shù)可作為坡面侵蝕產(chǎn)沙中泥沙粒級分布的重要評價指標[9];杜雅仙等指出荒漠草原微斑塊土壤顆粒粒徑分形維數(shù)與土壤含鹽量呈顯著正相關(guān)，在一定程度上可反映土壤鹽堿化及土壤退化趨勢[10]。王少博等研究表明，土壤分形維數(shù)可作為表征土壤顆粒分布、土壤性質(zhì)的潛在指標[11]。土壤粒徑分布分形維數(shù)與土壤母質(zhì)、土壤類型等密切相關(guān)，同時還受到海拔、氣候等因素的影響[12-13]。以往土壤分形研究主要集中于非鹽漬土，而有關(guān)鹽漬土土壤分形維數(shù)的報道鮮見。鹽漬土作為我國重要的后備耕地資源，開展土壤顆粒分形等相關(guān)研究對鹽漬土結(jié)構(gòu)特性定量描述及鹽漬化程度預(yù)測等具有重要意義。基于此，本研究旨在：（1）明確不同地區(qū)鹽漬土顆粒組成特征;（2）確定不同地區(qū)鹽漬土分形維數(shù);（3）量化土壤顆粒、鹽分含量等與土壤分形維數(shù)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗所用土壤樣品于2019年4—5月取自新疆阿拉爾市、新疆石河子市、內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)、吉林白城市、河北海興縣和江蘇鹽城市6個地區(qū)。取樣時，根據(jù)地表土壤顏色、植被分布、表層積鹽等狀況，按照輕度、中度、重度3個級別，采用5點混合法取樣，6個地區(qū)共取樣42組。取樣區(qū)的基本信息如表1所示，可知6個地區(qū)海拔以阿拉爾和臨河最高，分別為1 009、1 026 m，江蘇鹽城海拔最低，為1 m;6個地區(qū)蒸降比由高到低依次為阿拉爾、臨河、石河子、白城、海興和鹽城。

1.2 室內(nèi)分析

取回的土壤樣品經(jīng)晾曬、除雜后過2 mm標準篩，分為3部分。一部分結(jié)合斯托克斯（Stokes）定律，利用濕篩-吸管法測定土壤顆粒直徑，以美國制土壤粒徑分級標準分6級測定：0.20～2.00 mm、0.05～0.20 mm、0.02～0.05 mm、0.01～0.02 mm、0002～0.020 mm、0～0.002 mm，并按美國土壤質(zhì)地分類制分為沙粒（0.05～2.00 mm），粉粒（0.002～0.050 mm）和黏粒（<0.002 mm），確定土壤質(zhì)地類型;一部分由殘渣烘干法測定土壤全鹽含量;另一部分按照1 g ∶ 5 mL土水比測定土壤pH值。

1.3 分形維數(shù)與平均質(zhì)量直徑計算

2 結(jié)果與分析

2.1 各地區(qū)土壤鹽分及土壤質(zhì)地統(tǒng)計值特征

由表2可知，6個地區(qū)土壤平均含鹽量以阿拉爾地區(qū)最高，平均土壤含鹽量為52.07 g/kg，其次是臨河，平均含鹽量為21.98 g/kg;各地區(qū)土壤pH值均高于8，且以白城和臨河兩地最高，分別為8.54和8.68。6個地區(qū)的42個樣本中土壤質(zhì)地以沙壤土和粉壤土為主，分別占總樣本量的21.0%和33.3%;就不同地區(qū)而言，阿拉爾和白城兩地土壤質(zhì)地均以沙壤土為主，石河子地區(qū)粉壤土和黏壤土比例相對較高，臨河地區(qū)粉壤土、沙壤土和壤土所占相對比例相當(dāng)，海興以粉壤土為主，鹽城以粉土和粉壤土為主?？傮w而言，各地區(qū)鹽堿土質(zhì)地主要為壤土。

2.2 不同區(qū)域鹽堿土分形維數(shù)特征

由表3可知，6個地區(qū)平均分形維數(shù)為 2.59～2.78，且各地區(qū)相關(guān)系數(shù)均大于0.9。其中，新疆石河子和內(nèi)蒙臨河地區(qū)土壤樣品分形維數(shù)相對較高，分別為2.78和2.70;河北海興、江蘇鹽城和吉林白城地區(qū)分形維數(shù)相對較低，依次為2.62、2.59和259。就土壤含鹽量而言，新疆阿拉爾地區(qū)土壤含鹽量最高，為5207 g/kg;其次為河北海興，為 21.98 g/kg;江蘇鹽城含鹽量最低，為3.18 g/kg。在概率論和數(shù)理統(tǒng)計中，變異系數(shù)由標準差與平均值的比值確定，它可反映數(shù)據(jù)的離散程度，通過計算可知，6個地區(qū)變異系數(shù)均高于0.7，屬于強變異。

2.3 土壤顆粒及平均質(zhì)量半徑與分形維數(shù)的關(guān)系

由圖1可知，6個地區(qū)土壤黏粒相對含量與土壤分形維數(shù)總體呈極顯著冪指數(shù)關(guān)系（P<0.01），決定系數(shù)r2為0.981 9;且就任意1個地區(qū)而言，土壤黏粒相對含量均與分形維數(shù)呈較好的冪指數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)均高于0.86。土壤分形維數(shù)隨著粉粒和沙粒含量的增加而呈降低趨勢，回歸分析結(jié)果表明，擬合直線斜率分別為-0.000 5和-0.001 8，決定系數(shù)分別為0.007 2和0.097 4，決定系數(shù)接近于0，可知土壤分形維數(shù)與粉粒和沙粒相對含量的擬合關(guān)系較差。不同地區(qū)之間，土壤分形維數(shù)與粉粒和沙粒的關(guān)系也不相同：就粉粒而言，阿拉爾和石河子地區(qū)土壤分形維數(shù)均隨粉粒的增加呈遞增趨勢，其余4個地區(qū)則呈遞減趨勢;就沙粒而言，臨河、鹽城和白城3個地區(qū)的土壤分形維數(shù)隨沙粒含量的增加呈增加趨勢，其余3個地區(qū)則呈遞減趨勢。結(jié)合土壤平均半徑與分形維數(shù)之間的關(guān)系可知，6個地區(qū)分形維數(shù)隨土壤平均半徑的增加總體呈降低趨勢，線性擬合后決定系數(shù)為0.171 9;不同地區(qū)間，土壤分形維數(shù)與土壤平均半徑的關(guān)系不同：鹽城和海興兩地土壤分形維數(shù)隨土壤平均粒徑的增加而增加，其余4個地區(qū)則隨土壤平均粒徑的增加而降低。綜上可知，本研究中土壤分形維數(shù)與主要與黏粒相對含量具有較好的冪指數(shù)關(guān)系。

2.4 土壤鹽分含量與分形維數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖2可知，土壤分形維數(shù)隨著土壤含鹽量的增加而緩慢增加，增長速率為0.000 4，對應(yīng)的決定系數(shù)為0.020 3;但不同地區(qū)間土壤含鹽量與分形維數(shù)之間變化關(guān)系不同：海興、白城和鹽城3個地區(qū)土壤含鹽量與分析維數(shù)擬合直線的斜率為負值，即分形維數(shù)隨含鹽量的增加呈降低趨勢，擬合直線的決定系數(shù)分別為0.505 0、0.052 5和0.635 9;石河子、阿拉爾和臨河3個區(qū)域的土壤分形維數(shù)則隨土壤含鹽量的增加呈增加趨勢，擬合直線的決定系數(shù)分別為0.014 1、0.428 6和0.031 8。

3 討論與結(jié)論

土壤顆粒分形維數(shù)可定量表達土壤結(jié)構(gòu)特征，反映土壤質(zhì)地等特征[2，15]。本研究的鹽漬土按質(zhì)地共分為8類： 粉黏土、粉黏壤土、黏壤土、壤土、粉壤土、壤細沙土、沙壤土和粉土，其分形維數(shù)依次為289、2.84、2.83、2.69、2.63、2.63、2.62和2.56;結(jié)合平均質(zhì)量半徑及黏粒（<0.002 mm）相對含量結(jié)果可知，鹽漬土分形維數(shù)隨著平均質(zhì)量半徑的增大而減?。〝M合方程：y=-1.602 1x+2.775 1，r2=0171 9），隨著黏粒相對含量的增加而增加（擬合方程：y=2.323 2x0.068 3，r2=0981 9）。本研究結(jié)果與杜雅仙等[10]、王德等[16]基本一致。本研究中沙粒和粉粒相對含量與分形維數(shù)總體呈線性負相關(guān)，且線性擬合的決定系數(shù)較低;但就地區(qū)而言，有的地區(qū)沙粒、粉粒相對含量與分形維數(shù)呈正相關(guān)，有的地區(qū)呈負相關(guān)。這可能與地區(qū)間的成土母質(zhì)、氣候類型等因素有關(guān)[17]。

鹽城和海興2個地區(qū)土壤均屬于濱海鹽漬土，海興的土壤鹽分含量和分形維數(shù)均高于鹽城。白城、臨河、石河子、阿拉爾4個地區(qū)均屬于內(nèi)陸鹽漬土，地理位置上為自西向東依次分布，且4個地區(qū)土壤鹽分含量和分形維數(shù)總體呈增加趨勢。這與李德成等研究報道[17]基本一致。此外，就6個地區(qū)總體而言，土壤分形維數(shù)總體隨鹽分的增加而增加;但鹽城、海興、白城3個區(qū)域土壤分形維數(shù)隨鹽分的增加而降低，阿拉爾、石河子和臨河3地區(qū)土壤分形維數(shù)隨鹽分的增加而增加，其原因可能與研究區(qū)海拔、氣候條件等因素有關(guān)。

本研究結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)內(nèi)鹽漬土土壤質(zhì)地主要以壤土為主，土壤分形維數(shù)主要受黏粒相對含量影響，且隨著黏粒含量的增加而增加。土壤分形維數(shù)受土壤粉粒、沙粒以及鹽分含量的影響相對較小。自南向北、自東向西我國鹽漬土分形維數(shù)和鹽分含量總體呈遞增趨勢。由于本研究中所選地區(qū)及取樣點數(shù)量有限，有關(guān)不同區(qū)域鹽漬土分形維數(shù)特征及其與鹽分含量、氣候條件、成土母質(zhì)之間的關(guān)系有待于進一步研究。

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