浙北平原區(qū)土壤分形特征及其與土壤肥力的關(guān)系

陳小磊 舒強 田歡 徐明星

摘要：對浙北平原區(qū)水稻土分形特征與土壤肥力的關(guān)系進行研究，為利用土壤分形維數(shù)表征土壤肥力提供基礎(chǔ)依據(jù)。通過對土壤各粒級顆粒組成、肥力指標進行相關(guān)性分析，了解該地區(qū)土壤的分形特征，探究土壤分形特征與土壤肥力之間的關(guān)系。結(jié)果表明，該地區(qū)土壤顆粒粒級范圍主要分布在2～250 μm之間，占土壤顆粒組成的83.50%～98.36%。土壤分形維數(shù)（D）在2.43～2.76之間，D黏土>D粉黏土>D粉黏壤土;黏土、粉黏土和粉黏壤土分形維數(shù)之間呈顯著性差異（P<0.05）;土壤分形維數(shù)與粒級<2 μm和2～20 μm顆粒含量呈正相關(guān)，與粒級>20～50 μm和>50～250 μm 顆粒含量呈負相關(guān);不同深度土壤的分形維數(shù)D0～30 cm50 μm）含量提高，導(dǎo)致土壤分形維數(shù)值降低，土壤分形維數(shù)值能有效反映土壤陽離子交換量、全鉀和速效鉀的特征。開展農(nóng)耕活動時，可以采用間歇翻耕，緩解表層土壤長期處于松散狀態(tài)，防止土壤養(yǎng)分過度流失。

關(guān)鍵詞：土壤顆粒組成;分形維數(shù);水稻土;土壤肥力

中圖分類號： S152.2;S153.6? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）22-0247-06

收稿日期：2021-03-25

基金項目：湖州市市本級農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查項目（編號：2013003）;浙江省基本農(nóng)田土地質(zhì)量地球化學(xué)監(jiān)測試點項目（編號：121201108000150012）。

作者簡介：陳小磊（1988—），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要研究方向為環(huán)境地球化學(xué)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、污染評價及修復(fù)。E-mail：cxiaolei@sina.cn。

通信作者：徐明星，博士，高級工程師，主要研究方向為土壤資源與環(huán)境、農(nóng)業(yè)地質(zhì)。E-mail：xumingxing535005@163.com。

土壤是由不同大小和形狀的固體顆粒物構(gòu)成的具有自相似特征的多孔介質(zhì)，且具有分形特征[1]。20世紀70年代，Mandelbort等首次提出了分形理論[2]，隨著分形理論的發(fā)展，分形理論在土壤學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，主要分為描述土壤物理特征、建立土壤物理過程模型、定量分析土壤空間變異性等3類[3]。土壤分形特征能反映土壤水肥狀況[4]、侵蝕退化[5-6]狀況。分形理論表征土壤粒徑分布分為3種形式：土壤體積分布分形維數(shù)、質(zhì)量分布分形維數(shù)以及土壤粒徑數(shù)量分布分形維數(shù)，其中土壤體積分布分形維數(shù)與質(zhì)量分布分形維數(shù)準確度較高[7-8]。Arya等研究了土壤顆粒分形維數(shù)的計算方法與分形現(xiàn)象[9-10]。楊培玲等在Katz等提出的粒徑計算方法上進行改進，提出采用土壤顆粒的重量分布計算粒徑分布的分形維數(shù)[11-12]。楊金玲等認為體積分形維數(shù)與質(zhì)量分形維數(shù)一樣能反映土壤的特性，甚至優(yōu)于質(zhì)量分析維數(shù)[7]。

諸多研究者對竹林土、人工林土、水稻土等的分形特征進行研究，并建立了土壤顆粒組成與分形維數(shù)的關(guān)系[13-14]，利用土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間的關(guān)系來分析土壤質(zhì)量變化、水土流失和地質(zhì)災(zāi)害[15-16]。本研究采用體積分形維數(shù)的計算方法對浙北平原區(qū)水稻土土壤分形維數(shù)進行計算，探討土壤分形特征與土壤肥力的關(guān)系，以期為利用土壤分形維數(shù)來表征土壤肥力特征提供基礎(chǔ)研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙北平原又稱杭嘉湖平原，是浙江省最大的平原分布區(qū)，地處長江三角洲南岸，北臨太湖，東接上海，土壤肥沃，經(jīng)濟發(fā)達，是我國著名的魚米之鄉(xiāng)。該區(qū)為河湖相、湖沼相和濱海相沉積平原，成土母質(zhì)為湖相-湖沼相、第四系沉積物土為主[17]，土壤類型以湖沼相水稻土為主。

1.2 樣品采集

土壤樣品采自浙北平原區(qū)的水稻田，待水稻成熟收割后，開始采集土壤，其中表層土壤（0～20 cm）194件，土壤剖面9條（按0～30、30～60、60～90 cm分為3層，共27件土壤）。表層土壤和土壤剖面樣品按照“X”的方式采集，每件土壤樣品質(zhì)量大于2 kg，裝于布袋中帶回，剔除植物殘余物等雜質(zhì)后，自然晾干，粉碎后過20目篩，備用。

1.3 樣品測試

土壤樣品的質(zhì)地分析測試由國土資源部杭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。將風(fēng)干土樣研磨過 2 mm 篩，備用。土壤顆粒組成由激光粒度分析儀測定，pH值采用電位法測定，土壤有機碳含量用H2SO4-K2CrO7外加熱法測定，土壤陽離子交換量采用EDTA-乙酸銨混合提取法測定[18]，全氮含量用凱氏定氮法測定，全磷含量用硫酸-過氧化氫聯(lián)合消解-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融法測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用火焰光度計法測定。

1.4 模型選擇

本研究采用體積分形維數(shù)[7]的計算公式計算土壤的分形維數(shù)。

V（σ≤di）V0=didmax3-D。（1）

其中：di為粒徑di與di+1之間的平均值;dmax為最大粒級的平均直徑;V（σ≤di）為小于 di 的累積土粒的體積;V0為土壤各粒級體積之和;D為分維系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、SPSS 21對數(shù)據(jù)進行分類、統(tǒng)計、單因素方差分析（ANOVA）和相關(guān)性分析，采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤分形維數(shù)特征

浙北平原區(qū)水稻土成土母質(zhì)以湖相-湖沼相沉積物為主[19-20]，本研究采集的水稻土土壤類型主要為脫潛型水稻土和潴育型水稻土。本研究對土壤不同粒級范圍（<2 μm、2～20 μm、 >20～50 μm，>50～250 μm，>250～2 000 μm）占比進行統(tǒng)計（表1），采用美國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)對土壤進行分類（<2 μm為黏粒，2～50 μm為粉粒，>50～2 000 μm 為沙粒），本研究采集的土壤為黏土（108件）、粉黏土（78件）、粉黏壤土（8件）。研究區(qū)土壤顆粒粒徑范圍主要介于 2～250 μm之間，占土壤顆粒組成總量的83.50%～98.36%。浙北平原區(qū)地區(qū)水稻土土壤分形維數(shù)值D黏土>D粉黏土>D粉黏壤土，分別為2.62、2.59、2.51。其中，黏土土壤粒徑分形維數(shù)在2.51～2.76，粉黏土土壤粒徑分形維數(shù)在 2.47～2.70，粉黏壤土土壤粒徑分形維數(shù)在2.43～2.61，低于皖南水稻土分形維數(shù)值（2.67～2.91）[14]。分別對3種不同質(zhì)地類型的土壤顆粒組成和分形維數(shù)進行單因素方差（ANOVA）分析。結(jié)果顯示，不同質(zhì)地類型之間顆粒組成和分形維數(shù)均存在顯著性差異（P<0.05）。

2.2 表層土壤分形維數(shù)與各粒級顆粒組成的關(guān)系

對不同土壤質(zhì)地類型的分形維數(shù)與土壤顆粒組成進行相關(guān)性分析，表2結(jié)果顯示，粉黏壤土的分形維數(shù)僅粒級為>250～2 000 μm和<2 μm的顆粒呈相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.731（P<0.05）和0.994（P<0.01）;黏土的分形維數(shù)與粒級為>250～2 000、>50～250、<2 μm的顆粒呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.323（P<0.01）、-0.452（P<0.01）和0.910（P<0.01）;粉黏土的分形維數(shù)與粒級為>250～2 000、>50～250、<2 μm的顆粒呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.275（P<0.05）、

-0.289（P<0.05）和0.979（P<0.01）;黏土的分形維數(shù)與各粒級顆粒的相關(guān)性大于粉黏土。

以全部土壤樣品為樣本對土壤分形維數(shù)和各級顆粒進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示（圖1），土壤分形維數(shù)與粒級大于20 μm的顆粒呈負相關(guān)性，與粒級<20 μm 的顆粒呈顯著的正相關(guān)性，相關(guān)方程見表3。土壤分形維數(shù)與粒級為<2 μm和2～20 μm顆粒的相關(guān)系數(shù)分別為0.947和0.648（P<0.01），與>20～50 μm和>50～250 μm粒級顆粒的相關(guān)系數(shù)分別為-0.449（P<0.01）和-0.607（P<0.01），土壤分形維數(shù)能有效反映土壤顆粒組成和土壤質(zhì)地的特征，土壤分形維數(shù)越大，土壤顆粒組成中粒級<20 μm占比越高越高，與皖南地區(qū)水稻土所反映的規(guī)律一致[14]。

將>50～250、>20～50、2～20、<2 μm等4個粒徑的顆粒組成含量與土壤分形維數(shù)進行多元回歸分析，分形維數(shù)D=2.549+2.646×10-3X250～2 000 μm+8.890×10-4X50～250 μm+1.199×10-3X2～20 μm+2.408×10-2X<2 μm 。式中，Xa為粒級a顆粒組成的含量;調(diào)整R2=0.879，df=4，F(xiàn)=342.948，F(xiàn)（0.01，4，189）=

2.3 不同深度土壤分形維數(shù)特征

為進一步揭示土壤分形維數(shù)與土壤各粒級團聚體在縱向上的關(guān)系，對研究區(qū)的9條土壤剖面開展分析。浙北平原區(qū)水稻田不同深度土壤的分形維數(shù)見表4。結(jié)果顯示，0～30 cm土壤中粒級>50 μm 的顆粒組分高于30～60、60～90 cm土壤，且呈顯著性差異，土壤中粒級2～50 μm的顆粒組成含量隨土壤深度的增加而增大，但無明顯差異，60～90 cm 土壤粒級<2 μm土壤顆粒組分顯著高于其他2組;不同深度土壤的分形維數(shù)關(guān)系為D0～30 cm50 μm）的增加，與其他研究者的研究結(jié)果[21-23]一致。水犁作用使得表層粒徑較小的顆粒向下遷移累積[24]，粒徑較大的顆粒在表層土壤沉積，同時農(nóng)田排水過程導(dǎo)致粉沙粒和黏粒顆粒流失[25]，使得深層土壤分形維數(shù)高于表層土壤。

2.4 不同深度土壤分形維數(shù)與各粒級顆粒組成之間的關(guān)系

由表5可見，不同深度土壤分形維數(shù)與粒級<50 μm的顆粒組成均呈現(xiàn)一定的相關(guān)性;其中，土壤分形維數(shù)與20～50 μm顆粒呈顯著負相關(guān)性，與粒徑<20 μm的顆粒呈顯著正相關(guān)性，顆粒組成粒級越小，與土壤分形維數(shù)的相關(guān)性增大。30～60 cm深度的土壤分形維數(shù)與粒徑范圍在2～50 μm的顆粒組成相關(guān)性大于0～30 cm和60～90 cm的土壤，粒徑<2 μm的顆粒與0～30 cm深度土壤的分形維數(shù)相關(guān)性最強，相關(guān)系數(shù)達到1.000。

2.5 土壤分形維數(shù)與土壤肥力的關(guān)系

土壤肥力受到地質(zhì)背景、成土母質(zhì)以及人為活動的影響，土壤顆粒組成在一定程度上能反映土壤肥力狀況，土壤分形維數(shù)能表征土壤顆粒組成和質(zhì)地情況。因此，對土壤分形維數(shù)與土壤肥力關(guān)系進行研究，為土壤分形維數(shù)表征土壤肥力提供了依據(jù)。由表6可見，土壤有機質(zhì)含量和陽離子交換量順序均為黏土>粉黏土>粉黏壤土;土壤肥力指標（全氮、全鉀、堿解氮、速效鉀含量）隨土壤質(zhì)地由粗變細而增大，粉黏土中全磷和速效磷含量均高于黏土和粉黏壤土。

土壤分形維數(shù)與土壤肥力指標的關(guān)系研究（表7）表明，土壤分形維數(shù)與陽離子交換量、全鉀和速效鉀呈相關(guān)性，相關(guān)方程分別為CEC=-114.99+50.538×D（R=0.657，P<0.01）、全鉀=-4.72+2.494×D（R=0.634，P<0.01）、速效鉀=-1 670.77+700.762×D（R=0.318，P<0.05）;土壤分形維數(shù)增大，粒級<20 μm的顆粒組成比例增加，陽離子交換量增加，土壤保肥能力增強;土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量與分形維數(shù)未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，主要受大團聚體的影響[26-27];各粒級顆粒組成對堿解氮（除粒級為20～50 μm外）和速效磷未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性。

3 討論與結(jié)論

土壤顆粒組成繼承了成土母質(zhì)的特點， 又受到自然和人為活動的影響[16]。本研究對象成土母質(zhì)為湖相-湖沼相、第四系沉積物，與浙北地區(qū)成土母質(zhì)一致[17]，土壤類型以湖沼相水稻土為主。調(diào)查樣品土壤顆粒粒徑范圍主要介于2～250 μm之間，占土壤顆粒組成總量的83.50%～98.36%，土壤體積分形維數(shù)為2.43～2.76，低于皖南水稻土分形維數(shù)（2.67～2.91）[14]。

土壤體積分形維數(shù)能表征土壤結(jié)構(gòu)，黏粒含量對土壤體積分形維數(shù)的影響較大[7]。當<2 μm顆粒含量低于4%時的影響效果大于含量高于4%，與王國梁等研究結(jié)論[28]一致。黏土分形維數(shù)與粒徑>50 μm顆粒含量呈顯著負相關(guān)性，粒徑>50 μm顆粒對粉黏土和粉黏壤土分形維數(shù)的影響小于黏土，主要由于植物根系與土壤之間相互作用，促進土壤顆粒組成向細化發(fā)育[29]，因黏土中粒徑>50 μm 顆粒含量相對低于粉黏土和粉黏壤土，因此該現(xiàn)象在黏土中表現(xiàn)得更為顯著。

研究顯示，表層土壤分形維數(shù)低于深層土壤，旱地土壤不同粒徑顆粒在縱向上的分布情況與之類似[28]，但稻田土壤表現(xiàn)得更加明顯，主要由于長年種植水稻，且每年采用機械化旋耕的方式對表層土壤進行翻耕，使得耕作層松散，進行翻耕時機械對土壤有壓實的作用，播種前采用漫灌方式對農(nóng)田進行處理，農(nóng)田在較長時間內(nèi)處于漬水環(huán)境狀態(tài)，水犁作用下表層土壤中粒徑較小的顆粒隨之向下遷移[24]，導(dǎo)致深層土壤更加趨于緊實，農(nóng)田排水時導(dǎo)致粉沙粒和黏粒顆粒流失[25]。本研究表現(xiàn)為深層土壤中>20～50、2～20、<2 μm顆粒含量高于表層土壤，導(dǎo)致深層土壤分形維數(shù)高于表層。因此，耕種方式對土壤中粒徑小于50 μm顆粒的遷移有明顯影響，并且在土壤分形維數(shù)上有明顯反應(yīng)。耕作方式對稻田土壤中顆粒分布的影響大于旱地?？梢赃m當采用間歇翻耕緩解這一現(xiàn)象。

土壤體積分形維數(shù)能反映土壤肥力狀況。研究顯示，土壤體積分形維數(shù)與陽離子交換量和全鉀呈極顯著相關(guān)性，土壤顆粒組成中的細顆粒越多，顆粒表面也越粗糙[30]。土壤分形維數(shù)值小時，大顆粒周圍小顆粒少，多為骨架式結(jié)構(gòu);分形維數(shù)值大時，大顆粒周圍多被小顆粒包圍，單位體積內(nèi)顆粒接觸點多[31]，從而對土壤的陽離子交換量有影響。當農(nóng)田受到長時間漬水和突發(fā)大量降雨時，土壤細顆粒隨地表水遷移，土壤養(yǎng)分也隨之流失，并且該現(xiàn)象高于草地和林地[32]。

在該區(qū)域開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動時，應(yīng)充分考慮農(nóng)耕活動對土壤結(jié)構(gòu)的影響，可以適當采用間歇翻耕緩解表層土壤長期處于松散狀態(tài)，同時施用氮磷鉀混合肥或豬廄肥，能提高土壤分形維數(shù)，土壤分形維數(shù)隨深度的增加而降低[33]。

浙北平原區(qū)水稻土顆粒粒徑范圍主要分布在 2～250 μm之間，占土壤顆粒組成含量的90.62%～93.81%。分形維數(shù)在2.43～2.76之間，D黏土>D粉黏土>D粉黏壤土，分別為2.62、2.59、2.51。黏土、粉黏土和粉黏壤土土壤分形維數(shù)之間呈顯著性差異（P<0.05）。土壤分形維數(shù)與<2 μm和2～20 μm粒級顆粒組成的相關(guān)系數(shù)分別為0.947和0.648（P<0.01），與為>20～50 μm和>50～250 μm粒級顆粒組成的相關(guān)系數(shù)分別為-0.449和-0.607（P<0.01）。不同深度土壤的分形維數(shù)關(guān)系為D0～30 cm50 μm）的增加，導(dǎo)致土壤分形維數(shù)降低。

土壤分形維數(shù)D=2.549+2.646×10-3X250～2 000 μm+8.890×10-4X50～250 μm+1.199×10-3X2～20 μm+2.408×10-2X<2? μm，土壤分形維數(shù)受粒級<2 μm顆粒組成含量的影響大于其他粒級顆粒。土壤分形維數(shù)能有效反映土壤質(zhì)地、陽離子交換量、全鉀和速效鉀的特性。在一定范圍內(nèi)，土壤分形維數(shù)越大，說明粒級<20 μm顆粒占有量、陽離子交換量、全鉀和速效鉀含量越高。

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