機(jī)械壓實(shí)對(duì)復(fù)墾土壤粒徑分布多重分形特征的影響

閔祥宇，李新舉，李奇超

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機(jī)械壓實(shí)對(duì)復(fù)墾土壤粒徑分布多重分形特征的影響

閔祥宇，李新舉※，李奇超

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018）

在高潛水位礦區(qū)復(fù)墾施工現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)用多重分形理論研究不同碾壓次數(shù)下復(fù)墾土壤粒徑分布特征，以闡明機(jī)械壓實(shí)對(duì)復(fù)墾土壤粒徑分布非均勻性和異質(zhì)性的影響。結(jié)果表明：機(jī)械碾壓在46.8%～99.9%程度上解釋0～20 和20～40 cm土層土壤粒徑分布特征的變化，隨著碾壓次數(shù)增加，復(fù)墾土壤顆粒呈細(xì)?；厔?shì)，容量維(0)隨之減小，表征粒徑分布范圍減??；奇異譜對(duì)稱性Δ隨之增加，表征粒徑分布不對(duì)稱性增加；信息維(1)、信息維/容量維(1)/(0)、關(guān)聯(lián)維(2)和奇異譜譜寬Δ隨之波動(dòng)變化，表征粒徑分布集中程度、局部密集程度和均勻性波動(dòng)變化。研究發(fā)現(xiàn)(1)和(1)/(0)，(2)和Δ相關(guān)系數(shù)分別0.767（<0.01）和?0.488（<0.05），在表征復(fù)墾土壤粒徑分布集中程度和均勻性上具有相似作用，多重分形參數(shù)可多角度描述機(jī)械碾壓過程中土壤粒徑分布的細(xì)微差別，其中(0)、Δ和Δ能夠靈敏反映復(fù)墾土壤緊實(shí)度變化，這為深入研究復(fù)墾土壤壓實(shí)問題提供一種精確分析方法。

土地復(fù)墾；土壤；粒徑；機(jī)械壓實(shí)；多重分形

0 引 言

煤炭是中國(guó)主要能源，在未來一段時(shí)間內(nèi)，煤炭作為中國(guó)主體能源的地位不會(huì)改變[1]。煤炭開采為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，同時(shí)造成了大量土地的損毀，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)發(fā)展，地方政府和礦山企業(yè)也開始逐漸重視損毀土地修復(fù)，培育出多種符合生態(tài)文明建設(shè)的復(fù)墾模式。而在高潛水位礦區(qū)，采煤沉陷土地往往塌陷較深，形成永久性積水，因此除了生態(tài)修復(fù)外，恢復(fù)土地多采用充填復(fù)墾的方式。但充填復(fù)墾往往工程量較大，涉及到多種機(jī)械的使用，機(jī)械碾壓造成的土壤壓實(shí)會(huì)影響復(fù)墾土壤生產(chǎn)力[2-4]，因此復(fù)墾土壤機(jī)械碾壓?jiǎn)栴}是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

土壤粒徑分布是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，影響土壤肥力、質(zhì)地、持水能力等性質(zhì)[5]，與復(fù)墾土壤質(zhì)量關(guān)系緊密，因此研究機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布特征能夠衡量機(jī)械碾壓對(duì)復(fù)墾土壤質(zhì)量的影響。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者將土壤粒徑分布特征應(yīng)用在復(fù)墾土壤質(zhì)量的研究上，孫紀(jì)杰等[6]研究發(fā)現(xiàn)通過施加蘑菇料可有效恢復(fù)復(fù)墾土壤粒徑分布特征；郭凌俐等[7]利用地統(tǒng)計(jì)方法研究黃土區(qū)復(fù)墾土壤不同深度土壤粒徑分布的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾粉粒含量最多，黏粒含量最少，且土壤粒徑分布具有空間的自相關(guān)性；黃曉娜等[8]研究發(fā)現(xiàn)載重不同施工機(jī)械在不同的碾壓次數(shù)下會(huì)對(duì)土壤顆粒組成造成不同的影響。

然而土壤顆粒分布存在異質(zhì)特征和不均勻性，單一運(yùn)用質(zhì)地分類方法不足以完整表征土壤粒徑分布特征[9-10]，需要一種新方法對(duì)土壤粒徑分布特征進(jìn)行定量描述，因此分形理論應(yīng)運(yùn)而生。分形理論在土壤粒徑分布上的應(yīng)用最早由Tyler等[11]提出，并先后由Grout等[12]和Pieri等[13]將分形理論由單重分形發(fā)展到多重分形以更好地描述土壤粒徑分布的異質(zhì)特征，并逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者采納，管孝艷等[14]和白一茹等[15]研究發(fā)現(xiàn)土壤粒徑分布多重分形參數(shù)與土壤質(zhì)地間存在較好相關(guān)關(guān)系；孫哲等[16]研究發(fā)現(xiàn)退化土壤粒徑分布多重分形特征發(fā)生變化，且與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切；Rodríguez-Lado等[17]研究發(fā)現(xiàn)成土母質(zhì)、氣候條件和土地利用方式等土壤形成因素與土壤多重分形參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系；Miranda等[18]研究發(fā)現(xiàn)高度風(fēng)化土壤粒徑分布多重分形特征發(fā)生變化；Paz-Ferreiro等[19]研究發(fā)現(xiàn)不同耕作模式下土壤徑分布多重分形特征存在差異。

綜上分析，土壤粒徑分布普遍存在多重分形特征，多重分析理論可較好表征土壤粒徑分布的不均勻性，但多重分形理論并未應(yīng)用在高潛水位礦區(qū)復(fù)墾土壤粒徑分布的表征上。機(jī)械碾壓造成復(fù)墾土壤微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[20]，應(yīng)用多重分形理論表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布特征，可以在土壤顆粒分布的均勻性和局部異質(zhì)性層次上精確研究機(jī)械碾壓對(duì)土壤粒徑分布的影響，從而深入探索機(jī)械對(duì)復(fù)墾土壤的壓實(shí)過程。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省濟(jì)寧市南陽(yáng)湖農(nóng)場(chǎng)二號(hào)井礦區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)內(nèi)（35°20′10.61″N，116°37′32.69″E），南接微山湖，西靠京杭大運(yùn)河，北連濟(jì)寧市區(qū)，東臨濟(jì)東大煤田，年平均氣溫13.5 ℃，四季分明，氣候溫和，陽(yáng)光充足，降雨量充沛。

研究區(qū)復(fù)墾前土地明顯下沉呈濱湖洼地，該復(fù)墾項(xiàng)目采用耕層表土剝離及回覆，客土充填的方式進(jìn)行復(fù)墾，表土剝離厚度40 cm，充填客土來源項(xiàng)目區(qū)東西部土壤，復(fù)墾土壤土體結(jié)構(gòu)見圖1。研究區(qū)內(nèi)共包括31個(gè)復(fù)墾田塊，每個(gè)田塊大致為100 m×100 m正方形。充填客土進(jìn)行逐層水平填筑，并用TD80B型推土機(jī)或HW-60型蛙式打夯機(jī)進(jìn)行壓實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再回覆表土用TD80B型推土機(jī)推土至表面平整，機(jī)械載質(zhì)量7.18 t。

圖1 復(fù)墾土體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 樣品采集和處理

表土回覆后，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)械整平需要8次以上重復(fù)碾壓，因此設(shè)計(jì)機(jī)械碾壓次數(shù)梯度為0，1，3，5，7，9次可較好描述表土回覆后受機(jī)械碾壓影響的全過程，并根據(jù)復(fù)墾土壤層次劃分土壤采樣深度0～20，20～40和40～60 cm，其中0～20和20～40 cm為回覆表土層，40～60 cm為填充層。為避免不同田塊間土壤差異，選擇在同一復(fù)墾田塊進(jìn)行取樣研究，每次碾壓后相隔20～25 m梅花狀布置采樣點(diǎn)（圖2），共13個(gè)采樣點(diǎn)，通過土鉆收集不同深度復(fù)墾土樣。

圖2 采樣點(diǎn)分布示意圖

表土（0～40 cm）碾壓前為砂質(zhì)壤土，容重為1.321 g/cm3，體積含水率為22.9%，每碾壓1次土壤緊實(shí)度增加約50 kPa，碾壓從0次至9次各土層土壤緊實(shí)度不斷增加（圖3）。

圖3 復(fù)墾土壤緊實(shí)度分布

研究中土壤緊實(shí)度采用美國(guó)Spectrum公司生產(chǎn)的SC900型土壤硬度計(jì)直接測(cè)定，分辨率為35 kPa；

土壤粒徑分布采用美國(guó)Beckman Coulter公司生產(chǎn)的LS13320型激光粒度分析儀測(cè)量，測(cè)度范圍0.02～2 000m，測(cè)量前將土鉆收集的各采樣點(diǎn)土樣充分混勻后四分法取樣，自然風(fēng)干后過2 mm篩，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的HCl煮沸以除去土壤中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，后加入去離子水震蕩?kù)o置除去上清液直至土壤溶液呈中性，再以六偏磷酸鈉為分散劑上機(jī)測(cè)量[14-16,21]，每個(gè)土樣進(jìn)行3次重復(fù)。

碾壓前表土土壤通過環(huán)刀取樣，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘箱（105 ℃）烘干至衡質(zhì)量，電子天平（0.01 g）稱量土樣烘干前后的質(zhì)量計(jì)算土壤容重和體積含水量[22-23]，計(jì)算公式為：

容重=干土質(zhì)量/環(huán)刀體積 （1）

體積含水率=（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/環(huán)刀體積 （2）

1.3 土壤粒徑分布多重分形計(jì)算

式中φ為土壤顆粒粒徑，m；1=0.02m，為土壤顆粒最小粒徑；φ為對(duì)土壤顆粒粒徑對(duì)數(shù)變化后的無量綱值。對(duì)數(shù)變化后，無量綱區(qū)間將有100個(gè)等距離子區(qū)間。

用多重分形理論對(duì)土壤粒徑分布進(jìn)行描述，可理解為用尺度均為的“盒子”對(duì)粒徑分布的跨度進(jìn)行覆蓋，覆蓋完成所需“盒子”數(shù)為。在量綱區(qū)間中，將有()=2個(gè)尺度大小相同的“盒子”，“盒子”尺度即小區(qū)間大小=5×2-k，為使最小的子區(qū)間中含有測(cè)量值，文中令=1，2，3，4，5，6，從而無量綱區(qū)間被2，4，8，16，32和64等分，對(duì)應(yīng)的子區(qū)間大小分別為2.5，1.25，0.625，0.312、0.156和0.078。

土壤粒徑分布多重分形廣義維數(shù)()的計(jì)算公式為

土壤粒徑分布多重分形奇異性指數(shù)()的計(jì)算公式為

土壤粒徑分布多重分形譜函數(shù)(())的計(jì)算公式為

在?10≤≤10范圍內(nèi)，以1為步長(zhǎng)利用最小二乘法擬合公式（2）～（5）計(jì)算出復(fù)墾土壤PSD多重分形廣義維數(shù)譜()、多重分形奇異性指數(shù)()和多重分形函數(shù)譜(())[25-26]。

研究通過Excel2003和SPSS17.0對(duì)土壤粒徑分布及多重分形參數(shù)()、()和(())進(jìn)行相關(guān)性和差異性檢驗(yàn)以及方差和效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)墾土壤粒徑分布特征

通過國(guó)際制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（黏粒（0～0.002 mm），粉粒（0.002～0.02 mm），砂粒（0.02～2 mm））[27]進(jìn)行土樣粒級(jí)分類（表1），與未碾壓的表土相比，機(jī)械碾壓后表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著偏高（<0.05），砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著偏低（<0.05）。隨碾壓次數(shù)的增加，黏粒體積分?jǐn)?shù)升高，砂粒體積分?jǐn)?shù)降低，表明復(fù)墾施工造成土壤顆粒細(xì)化，施工機(jī)械將大粒徑的砂粒碾壓成小粒徑的黏粒。底層（40～60 cm）土壤為客土填充層，碾壓前后土壤顆粒均以黏粒體積分?jǐn)?shù)偏高，且隨碾壓次數(shù)的增加各粒域顆粒累計(jì)體積分?jǐn)?shù)差異不顯著（>0.05），表明施工機(jī)械碾壓對(duì)填充層的影響較小，該現(xiàn)象一方面由于表土回覆前充填客土已經(jīng)受到施工機(jī)械的反復(fù)碾壓，使填充層具有支撐性；另一方面由于表土對(duì)機(jī)械碾壓具有一定的緩沖作用，因此底層（40～60 cm）土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)偏高，且各粒域顆粒累計(jì)體積分?jǐn)?shù)差異不顯著（>0.05）。

表1 不同碾壓次數(shù)下土壤黏粒、粉粒、砂粒體積分?jǐn)?shù)

注：進(jìn)行LSD檢驗(yàn)，同一列不同字母代表差異顯著(<0.05)，下同。

Note: LSDtest, the different letters in the same column mean a significant difference (<0.05), the same below.

在機(jī)械碾壓過程中，表層（0～20 cm）土壤最先受到影響，因此以表層土壤為例，在未碾壓時(shí)，土壤顆粒在砂粒域（0.02～2 mm）出現(xiàn)峰值，且隨碾壓次數(shù)的增加，土壤粒徑分布中的峰值區(qū)逐漸從砂粒域向黏粒域轉(zhuǎn)移。

2.2 復(fù)墾土壤粒徑分布多重分形特征

2.2.1 廣義維數(shù)譜-()

相關(guān)研究表明：均勻分布的土壤粒徑分布廣義維數(shù)譜-()呈直線分布，()為常量，而非均勻分布的土壤粒徑分布廣義維數(shù)譜-()為曲線，具有上下限和彎曲度，曲線愈陡，()值域越寬，不同奇異強(qiáng)度分形結(jié)構(gòu)分布范圍愈大，土壤粒徑分布分形結(jié)構(gòu)的非均勻性愈明顯[14-16]。研究土樣廣義維數(shù)譜-()曲線呈現(xiàn)()值隨值遞增而遞減的“S”型減函數(shù)（圖5），相比與未碾壓土壤，機(jī)械碾壓后表土粒徑分布廣義維數(shù)譜曲線更陡，且隨碾壓次數(shù)的增加，廣義維數(shù)譜曲線陡峭程度先升高后降低，表層（0～20 cm）土壤在碾壓3次時(shí)土壤粒徑分布廣義維數(shù)譜曲線最陡；心層（20～40 cm）土壤在碾壓7次時(shí)土壤粒徑分布廣義維數(shù)譜曲線最陡；底層（40～60 cm）土壤各碾壓次數(shù)下廣義維數(shù)譜曲線曲度波動(dòng)性較大，其曲線曲度與表土覆蓋前客土所受到機(jī)械碾壓的影響程度有關(guān)。

當(dāng)<0時(shí)，土壤粒徑分布稀疏區(qū)域信息被放大；當(dāng)>0時(shí)，土壤粒徑分布密集區(qū)域信息被放大[14]。通過觀察圖5，研究土樣粒徑分布在<0時(shí)()的遞減程度大于>0時(shí)()的遞減程度，表明復(fù)墾土壤稀疏區(qū)分布的土壤顆粒受到機(jī)械碾壓的影響更為敏感。

圖4 不同碾壓次數(shù)下表層土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 復(fù)墾土樣廣義維數(shù)譜q-D(q)曲線

研究表明，令=0，1，2時(shí)土壤粒徑分布具有(0)≥(1)≥(2)規(guī)律，當(dāng)三者相等時(shí)，土壤粒徑表現(xiàn)出相似性的單重分形特征；三者不等時(shí)，土壤粒徑表現(xiàn)出各異性的多重分布特征[16]。

表2為研究土樣粒徑分布廣義維數(shù)譜參數(shù)，其中(0)為容量維，代表土壤粒徑分布范圍，(0)越大土壤粒徑范圍分布越寬；(1)為信息維，反映土壤粒徑分布的集中程度，(1)越大土壤粒徑分布越集中；(2)為關(guān)聯(lián)維，表示土壤粒徑測(cè)量間隔的均勻性，(2)越大土壤粒徑測(cè)量間隔越均勻。研究土樣廣義維數(shù)譜參數(shù)均(0)>(1)>(2)，表明研究土樣粒徑分布具有各異性。

隨碾壓次數(shù)的增加，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤(0)均逐漸減小，土壤粒徑分布范圍變小，底層（40～60 cm）土壤(0)逐漸增加，壤土粒徑分布范圍變大。隨碾壓次數(shù)的增加，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤(1)和(2)相對(duì)波動(dòng)性較大，碾壓過程出現(xiàn)峰值和谷值，表明土壤粒徑分布在“集中—分散”和“均勻—不均勻”之間變化。底層（40～60 cm）土壤(1)和(2)差異不顯著（>0.05）。

另外，(1)/(0)表示土壤粒徑分布的離散程度，(1)/(0)接近于1表明土壤顆粒多分布在密集區(qū)；(1)/(0)接近于0表明土壤顆粒多分布在稀疏區(qū)[16]。研究土樣(1)/(0)在0.946～0.982之間，接近于1，表明研究土樣土壤顆粒主要分布在密集區(qū)域。其中表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤(1)/(0)變化波動(dòng)性大，有峰值和谷值出現(xiàn)，表明土壤粒徑分布離散程度在“局部密集-局部離散”之間變化，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤均在3次碾壓時(shí)土壤粒徑局部分布最為離散。底層（40～60 cm）土壤(1)/(0)差異不顯著（>0.05）。

2.2.2 奇異譜函數(shù)-()

多重分形奇異譜函數(shù)可將土壤粒徑分布的復(fù)雜程度和不規(guī)則程度定量化表述。研究表明，粒徑分布均勻的土壤多重分形奇異譜函數(shù)-()為常量[12-13,16]，研究土樣土壤粒徑分布奇異譜函數(shù)-()均為上凸?fàn)钋€（圖6），有譜長(zhǎng)和譜寬，且不同碾壓次數(shù)下譜長(zhǎng)和譜寬存在差異，表明研究土壤具有非勻質(zhì)特征，且不同碾壓次數(shù)使土壤經(jīng)歷的局部疊加程度不同，不規(guī)則程度出現(xiàn)差異。

表2 各土層深度不同碾壓梯度土壤廣義維數(shù)譜參數(shù)

圖6 復(fù)墾土樣奇異譜α-f(α)曲線

表3為研究土壤粒徑分布奇異譜參數(shù)，其中Δmax?min，為多重分形奇異譜譜寬，描述了土壤顆粒在分形結(jié)構(gòu)上的局部特征，Δ越大土壤粒徑分布越不均勻[16]。碾壓過程中表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤Δ有峰值的出現(xiàn)，在碾壓3次和7次時(shí)達(dá)到最大值，分別為1.512和1.301，此時(shí)表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布最不均勻。

Δ=(min)?(max)，反映多重分形奇異譜的不對(duì)稱性，當(dāng)Δ<0時(shí)，土壤粒徑分布小概率子集占主要地位，奇異譜函數(shù)呈右鉤狀上凸曲線；Δ>0時(shí)，土壤粒徑分布大概率子集占主要地位，奇異譜函數(shù)呈左鉤狀上凸曲線[14]。表3顯示研究土樣Δ均為正數(shù)，表明研究土壤里粒徑分布以大概率子集占主要地位，隨碾壓次數(shù)的增大，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）Δ有增加趨勢(shì)，表明碾壓增加表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布的不對(duì)稱性，增大土壤顆粒在大概率子集上的分布密度。底層（40～60 cm）土壤Δ和Δ差異不顯著。

表3 各土層深度不同碾壓梯度土壤奇異譜參數(shù)

2.2.3 土壤粒徑分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)

復(fù)墾土壤表土層和填充層因土源和碾壓的不同，在土壤粒徑分布上和多重分形參數(shù)上存在差異，尤其在土壤粒徑分布的均勻性和對(duì)稱性上差異明顯。經(jīng)表土（0～20 cm表層和20～40 cm心層）土壤粒徑分布參數(shù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（表4），不同碾壓次數(shù)之間表土各粒域土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)、多重分形廣義維數(shù)譜參數(shù)和奇異譜參數(shù)差異極顯著（<0.01），但不同表土深度之間除Δ差異顯著（<0.05）外，其余各參數(shù)差異均不顯著，表明復(fù)墾過程中碾壓次數(shù)是影響表土土壤粒徑分布的主要變異來源，對(duì)表土土壤粒徑分布相關(guān)參數(shù)變異的貢獻(xiàn)率從46.8%到99.9%，且機(jī)械碾壓對(duì)整個(gè)表土層均產(chǎn)生影響，除表層（0～20 cm）和心層（0～20 cm）間Δ存在顯著差異（<0.01），其余各參數(shù)間差異不顯著。

表4 表土土壤粒徑分布參數(shù)效應(yīng)分析

注：**表示差異極顯著（<0.01）；*表示差異顯著（<0.05）.下同。

Note:** means very significant difference (<0.01); * means significant difference (<0.05).The same below.

2.3 復(fù)墾土壤緊實(shí)度與粒徑分布多重分形參數(shù)的關(guān)系

復(fù)墾土壤緊實(shí)度與(0)、Δ和Δ有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為?0.840、0.755和0.782（<0.01）；與(1)、(2)和(1)/(0)無顯著相關(guān)關(guān)系（圖7）。緊實(shí)度增加會(huì)顯著降低土壤粒徑分布范圍，增加粒徑分布的不均勻性和不對(duì)稱性，但不會(huì)明顯影響到土壤粒徑分布的集中和離散程度，以及測(cè)度間隔的均勻性。

圖7 復(fù)墾土壤緊實(shí)度與多重分形參數(shù)的關(guān)系

3 討 論

復(fù)墾土壤粒徑分布具有多重分形特征，(0)、(1)、(2)、(1)/(0)、Δ和Δ均可以從不同角度描述復(fù)墾土壤異質(zhì)特征[28]，相關(guān)研究表明，一些參數(shù)在描述土壤異質(zhì)性時(shí)表現(xiàn)出相同的作用[14-16,28]，通過參數(shù)間相關(guān)性檢驗(yàn)（表5）發(fā)現(xiàn)(1)和(1)/(0)均可以表征土壤粒徑分布的集中程度，兩者相關(guān)系數(shù)為0.767（<0.01）；(2)和Δ均可以表征土壤粒徑分布的均勻性，兩者相關(guān)系數(shù)為?0.488（＜0.05）。因此可通過(0)表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布范圍，(1)和(1)/(0)表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布集中程度，(2)和Δ表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布均勻性，Δ表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布對(duì)稱性。

表5 多重分形參數(shù)間相關(guān)性分析

黃曉娜等[8]模擬機(jī)械碾壓對(duì)復(fù)墾土壤顆粒的影響發(fā)現(xiàn)機(jī)械碾壓使土復(fù)墾壤砂粒體積分?jǐn)?shù)減少，粉粒含量升高。本研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械碾壓使土壤顆粒從砂粒域向黏粒域轉(zhuǎn)移，并借助多重分形理論研究土壤粒徑分布變化引起的其異質(zhì)特征差異。研究表明，機(jī)械碾壓對(duì)表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布影響明顯，機(jī)械碾壓使粗制土壤顆粒分布區(qū)間數(shù)量的減少，細(xì)制土壤顆粒分布區(qū)間數(shù)量增加，但整體粗制土壤顆粒分布區(qū)間數(shù)量減少明顯（圖4），因此隨碾壓次數(shù)的增加，土壤粒徑分布范圍減小，不對(duì)稱性增加。機(jī)械碾壓過程土壤粒徑分布集中程度和均勻性呈現(xiàn)波動(dòng)性的變化，整體表現(xiàn)為“（局部）集中—（局部）離散—（局部）再集中”和“均勻—不均勻—再均勻”，這可從機(jī)械碾壓后土壤顆粒分布和轉(zhuǎn)移的角度上解釋，一方面，碾壓前期土壤微團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好，土壤顆粒聚積在0.02～0.2 mm區(qū)間內(nèi)，此時(shí)土壤顆粒分布集中，在3次和7次碾壓時(shí)，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤顆粒在0.02～0.2 mm區(qū)間內(nèi)的累積減少，向＜0.002 mm區(qū)間轉(zhuǎn)移，此時(shí)土壤顆粒分布分散，繼續(xù)碾壓，土壤顆粒不斷向＜0.002 mm區(qū)間聚積，此時(shí)土壤顆粒再集中；另一方面，小概率密度區(qū)間的存在會(huì)使整個(gè)粒徑分布的不均勻性增加，在機(jī)械碾壓使土壤顆粒細(xì)化的過程中小概率密度區(qū)間會(huì)在砂粒域或黏粒域產(chǎn)生，但小概率密度區(qū)間也會(huì)隨著土壤顆粒的轉(zhuǎn)移或聚積而消失，因此碾壓過程中土壤顆粒分布的均勻性較為波動(dòng)，在3次和7次碾壓時(shí)，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布最不均勻，表明此時(shí)存在小概率密度區(qū)間，繼續(xù)碾壓隨著小概率密度區(qū)間消失土壤粒徑分布的均勻性回升。底層（40～60 cm）土壤粒徑分布異質(zhì)特征受機(jī)械碾壓的影響較小，隨碾壓次數(shù)的增加，除粒徑分布的范圍增加外，對(duì)稱性、集中程度和均勻性變化均不明顯，而其粒徑分布的范圍增加主要是由于表土細(xì)小顆粒沉降到底層引起的。

土壤粒徑變化可準(zhǔn)確衡量土壤環(huán)境的變化，相關(guān)研究表明，土壤粒徑分布與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤水鹽、土壤有機(jī)碳、土壤微生物量等關(guān)系緊密[5,29-30]，而多重分形理論在研究土壤粒徑分布方面具有較高的靈敏性和精準(zhǔn)度，可從不同方面衡量土壤粒徑分布特征，針對(duì)復(fù)墾土壤機(jī)械壓實(shí)過程，借助該方法可以定量多角度的揭示機(jī)械碾壓對(duì)不同土層土壤粒徑分布的影響，并發(fā)現(xiàn)(0)、Δ和Δ可靈敏反映土壤緊實(shí)度的變化，相關(guān)系數(shù)分別為?0.840、?0.755和0.782（<0.01），這對(duì)定量研究復(fù)墾土壤壓實(shí)過程有重要意義。

4 結(jié) 論

1）復(fù)墾過程機(jī)械碾壓使表土土壤顆粒細(xì)化，隨碾壓次數(shù)的增加，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著升高（<0.05），砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著降低（<0.05），土壤粒徑分布中的峰值區(qū)逐漸從砂粒域向黏粒域轉(zhuǎn)移，底層（40～60 cm）土壤黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)差異不顯著（>0.05）。

2）復(fù)墾土壤粒徑分布具有多重分形特征，且土壤顆粒多分布在密集區(qū)，以大概率子集占主要地位。機(jī)械碾壓使復(fù)墾土壤顆粒經(jīng)歷不同程度局部疊加，對(duì)稀疏區(qū)分布的土壤顆粒影響更大，且機(jī)械碾壓對(duì)表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布異質(zhì)特征影響明顯，貢獻(xiàn)率為46.8%~99.9%，但對(duì)底層（40～60 cm）土壤粒徑分布的異質(zhì)特征影響不明顯（>0.05）。

3）機(jī)械碾壓使表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤容量維逐漸減小，對(duì)稱度有增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為粒徑分布范圍變小，不對(duì)稱性增加，土壤顆粒往大概率子集聚積；碾壓過程中土壤信息維、關(guān)聯(lián)維和譜寬出現(xiàn)峰值和谷值，機(jī)械碾壓使粒徑分布在“集中—分散”和“均勻—不均勻”之間變化；隨碾壓次數(shù)的增加，信息維/容量維出現(xiàn)波動(dòng)性變化，表層（0～20 cm）和心層（20～40 cm）土壤粒徑分布均在3次碾壓時(shí)最為局部離散。

4）信息維和信息維/容量維，關(guān)聯(lián)維和譜寬存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.767（<0.01）和?0.488（<0.05），可通過容量維表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布范圍，信息維和信息維/容量維表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布集中程度，關(guān)聯(lián)維和譜寬表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布均勻性，對(duì)稱度表征機(jī)械碾壓下復(fù)墾土壤粒徑分布對(duì)稱性；容量維、譜寬和對(duì)稱度可反映復(fù)墾土壤緊實(shí)度變化，相關(guān)系數(shù)為?0.840、?0.755和0.782（<0.01），緊實(shí)度增加會(huì)顯著降低土壤粒徑分布范圍，增加粒徑分布的不均勻性和不對(duì)稱性。

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Influence of mechanical compaction on reclaimed soil particle size distribution multifractal characteristics

Min Xiangyu, Li Xinju※, Li Qichao

(,, 271018,)

Reclaimed soil particle size distribution (PSD) is different from the normal soil, one main reason is that the soil are compacted by machineries in the process of reclamation, and PSD is closely related to the ability to protect water and fertilizer of soil , so the changing mechanism of PSD caused by the large machinery for reclamation construction is a noteworthy matter. In this research, we established a study area on a filling reclamation site in mining area with high ground-water table in order to study the effects of mechanical compaction to reclaimed soil PSD. Aimed to have a better description of the whole reclamation process, we set up different number of compaction times (0, 1, 3, 5, 7, 9), and divided the reclaimed soil into three layers based on its construction, two backfilling surface soil layers (0-20, 20-40 cm) and one packing soil layer (40-60 cm). Before compacted by the machinery, the surface soil (0-40 cm) was sandy loam, soil density was 1.321 g/cm3, soil volumetric water content was 22.9% at available water content, and 50 kPa was added for each compaction. The reclamation site was divided into 31 plots, and we collecting 13 soil samples on the same plot in order to avoid the variation of soil characteristics. In this research, we used the LS13320 laser particle size analyzer test soil PSD after using hydrogen peroxide and hydrochloric acid to remove organic matter and carbonate from soil respectively, and adopted multifractal method that could describe the heterogeneity of the soil to quantify the reclaimed soil PSD characteristics. The results showed that: mechanical compaction evidently affected soil PSD of topsoil (0-20 cm) and subsoil (20-40 cm), the size of soil particles were refined with the increasing of compaction times, and the peak of soil particle distributions moved from clay range to sandy randy. Reclaimed soil PSD had a multifractal feature, the generalized dimension spectra-()curve was a “S” decreasing function and soil particles were distributed in concentrated areas. The singular spectra-()was a convex curve with left hook and the large probability subset of soil particles was a dominant position. Under the compaction of machinery, reclaimed soil particles encountered the varying local stacking degrees, especially those distributed in sparse areas. Machinery compaction significantly affected the PSD heterogeneous characteristics of topsoil (0-20 cm) and subsoil (20-40 cm), with the increasing of compaction times. Volume dimension(0) decreased, representing the range of PSD was reduced, singularity spectra symmetry degree Δincreased, representing the symmetry of PSD was added, and information dimension(1). Information dimension/volume dimension(1)/(0), correlation dimension(2) and singularity spectra width Δhad fluctuating change, representing the concentration, uniformity and local intensive degree of PSD had fluctuating change. The research found that(1) and(1)/(0),(2) and Δhad similar actions on representing the concentration and uniformity of PSD respectively, and the correlation coefficients were 0.767(<0.01) and ?0.488(<0.05), multifractal parameters could be used to describe the subtle changes of PSD in the process of mechanical compaction, and reclaimed soil compactness had very significant correlations with(0), Δand Δ, with the correlation coefficients of ?0.840, ?0.755 and 0.782(<0.01), respectively, showing that the greater compactness reduced the range of PSD, and added its non-uniformity and symmetry,and(0), Δand Δwere sensitive to the change of reclaimed soil compactness. This provided an accurate analysis method for further research on mechanical compaction of reclaimed soil.

land reclamation; soils; particle size; mechanical compaction; multifractal dimension

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.034

S153

A

1002-6819(2017)-20-0274-10

2017-05-06

2017-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：41171425）

閔祥宇，博士生。主要從事土地復(fù)墾，土壤水肥研究。Email：1991mxy@sina.com

※通信作者：李新舉，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：土地整理、土地復(fù)墾。Email：lxj0911@126.com

閔祥宇，李新舉，李奇超. 機(jī)械壓實(shí)對(duì)復(fù)墾土壤粒徑分布多重分形特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：274－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.034 http://www.tcsae.org

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