武夷山國家公園不同土地利用類型土壤粒徑分布與分形特征

蘇麗鰻，趙玉佳，葉宏萌，甘娟，張康亮，蘇垣釗，袁旭音

（武夷學院 生態(tài)與資源工程學院，福建省生態(tài)產業(yè)綠色技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

土壤顆粒是構成土壤固相骨架的基本單位，對土壤養(yǎng)分及理化性質產生不同程度的影響[1]。土壤粒徑分布（particle size distribution，PSD）可以用來表述土壤顆粒的組成狀況，是衡量土壤質量和物理性質指標之一[2]，它不僅可以反映土壤風化過程及土壤侵蝕程度[3]，還可以影響土壤的水分、肥力狀況、結構特征以及植物的生長[4]。土地利用方式變化會引起土壤養(yǎng)分和團粒結構特性發(fā)生改變[5]，研究不同土地利用方式土壤粒徑分布特征，對認識土壤侵蝕與土壤結構特征變化具有重要意義。

由于土壤顆粒形狀不一，分布不規(guī)則，傳統(tǒng)的質地分類描述方法難以表征土壤顆粒分布[2]。分形理論的提出及其在土壤物理學中的應用為土壤結構的非均勻特征研究提供新方法[3]。分形維數可以表征土壤粒徑分布的差異和自相似性，并反映其粒徑大小和分布的均勻程度[6]，一般來講，分形維數越大，土壤中粘粉粒含量越高，質地越不均勻[7]。吳承禎等利用分形模型對不同經營模式土壤團粒特征進行分析，研究表明分形維數可以作為反映土壤肥力特征的潛在指標[8]。趙文智等分別研究了不同地區(qū)土地沙質荒漠化的分形特征，結果表明分形維數與各粒徑顆粒的含量、土壤有機質和指示植物在群落中的重要值均顯著相關，提出了分形維數可以表征土地沙質荒漠化的程度[9]。陳婧等利用分形維數對寧夏固原退化草地封育及條播種植檸條的土壤粒徑分布進行分析，研究表明不同土地利用方式會對土壤結構穩(wěn)定性產生影響[5]。陳宇軒等對沙地樟子松人工林的土壤粒徑分布進行分析，土壤分形維數特征顯示土壤顆粒分布與林齡存在著正相關關系[10]。因此，利用分形模型研究土壤粒徑分布對于理解不同地區(qū)的生態(tài)格局以及評價土壤質量有著重要意義。

國家公園作為一種自然保護地，是具有多樣化的生態(tài)服務功能的自然資本。武夷山國家公園自然環(huán)境多樣，植被類型多樣，地貌復雜，野生動物和水生生物資源豐富，是我國首批國家公園體制試點區(qū)域之一。該園區(qū)內保存有較完整的生態(tài)結構和生態(tài)過程，在水土保持、涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候等生態(tài)效益方面發(fā)揮著巨大的作用。土壤粒徑分布特征對植被的生長發(fā)育以及園區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。武夷山國家公園植被覆蓋率高，林地面積956.35 km2，占土地總面積的95.50%，茶葉產業(yè)是該地區(qū)重要的經濟來源，茶園面積14.8 km2。運用分形理論，研究武夷山國家公園茶園和林地2種不同土地利用類型的土壤粒徑分布特征，探究這2種土地利用類型土壤粒徑及分形維數的變化規(guī)律，以期為武夷山國家公園土壤資源的保護利用提供參考。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

武夷山國家公園位于武夷山脈的北部，地理坐標為東經117°24′13″～117°59′19″，北緯27°31′20″～27°55′49″，總面積1 001.41 km2。武夷山國家公園屬中亞熱帶季風氣候型，具有氣候垂直變化顯著、溫暖濕潤、四季分明、降水豐富等特點，年均氣溫17～19℃，年均降水量1 684～1 780mm，年均相對濕度為78%。武夷山國家公園是現(xiàn)存最典型、面積最大、保存最完整的中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，分布有200 km2未受到人為破壞的原生性森林植被，是我國亞熱帶東部地區(qū)森林植被保存最完好的區(qū)域。

1.2 樣品采集與分析

根據實地考察和研究任務的需要，樣地選取林地、茶園2種不同土地利用類型，從中篩選出22個典型樣地作為采樣點，記錄采樣點的行政位置、經緯度、海拔及周邊的環(huán)境特征等信息，其位置及地貌植被情況見表1。2021年4月，用五點采樣法采集地表0～10 cm土壤，混合后裝入自封袋，低溫保存帶回實驗室，待自然風干，剔除樣品中的礫石、枯木、雜草等雜質，研磨，過20目尼龍篩后進行相關指數測定。含水率采用烘干法測定；容重采用環(huán)刀法測量；土壤粒徑使用Bettersize2600E型激光粒度分布儀進行測量，粒度分析的粒徑范圍：0.02～1 000μm。

表1 采樣點基本信息Tab.1 Basic information of sampling points

1.3 分形維數計算

采用美國制土壤粒級標準進行土壤粒徑分級[11]，具體分級見表2。

表2 土壤粒徑分級Tab.2 Soil particle size classification μm

采用楊培嶺等提出的土壤分形模型計算土壤顆粒分形維數D[12]。即：

式中：D為土壤粒徑分形維數，δ為碼尺，W0為土壤各粒級質量的總和，W為土壤粒徑小于di的累積質量，為兩相鄰篩分級間粒徑的平均值，為最大粒級土粒的平均直徑。以為橫坐標，為縱坐標作圖，得到線性回歸擬合方程，3-D為擬合的直線斜率，即可算出分形維數D值。

1.4 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 26.0軟件進行數據的統(tǒng)計和分析。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒分布規(guī)律

由表3可知，整體上，武夷山國家公園土壤含水率在11.92%～48.86%之間，土壤容重在0.84～1.68 g/cm3之間，土壤顆粒組成主要以粉粒為主，質量分數為19.63%～75.49%，砂粒總質量分數為21.88%～74.23%，其中極細砂＞粗砂＞中砂＞細砂，粘粒質量分數為1.05%～8.90%。2種土地利用類型土壤顆粒組成存在著一定差異，茶園土壤粘粒、粉粒、砂粒平均質量分數分別為3.11%，57.07%和39.92%，主要以粉粒為主，粘粒質量分數最少。其砂粒的分布規(guī)律為極細砂＞中砂＞細砂＞粗砂。林地土壤粘粒、粉粒、砂粒平均質量分數分別為2.86%，44.50%和47.86%，粉粒和砂粒平均質量分數差別較小，砂粒略占優(yōu)勢，砂粒的分布規(guī)律為粗砂＞極細砂＞中砂＞細砂。與茶園土壤相比，林地土壤粉粒質量分數降低了22.02%，砂粒質量分數提高了19.89%。

表3 土壤顆粒粒徑分布Tab.3 Soil particle size distribution

2.2 土壤粒徑分形特征

由圖1可知，整體上，研究區(qū)的土樣的分形維數值分布范圍在2.493～2.942之間，平均值為2.799。茶園土樣的分形維數值分布范圍在2.572～2.942之間，平均值為2.845，相比之下，林地土樣的分形維數值更小一些，分布范圍在2.493～2.940之間，平均值為2.744。計算分形維數的線性擬合方程的R2范圍為0.786～0.997。

圖1 茶園和林地土壤粒徑分形維數Fig.1 Fractal dimension of soil particle size in tea garden and woodland

2.3 土壤基本性質指標間相關關系

由表4可知，含水率、容重、分形維數以及土壤各粒徑質量分數間均存在一定的相關性。其中：分形維數與土壤粘粒質量分數、含水率均在P＜0.05水平上顯著正相關，相關系數分別為0.425和0.436，與土壤粉粒質量分數在P＜0.01水平上顯著正相關，相關系數為0.964，與土壤砂粒含量在P＜0.05水平上顯著負相關，相關系數為0.939，分形維數與土壤粉粒質量分數相關性最大。含水率與土壤極細砂質量分數分別在P＜0.01水平上表現(xiàn)出顯著正相關，相關系數為0.646，與土壤粉粒質量分數成正相關，但沒達到顯著水平，與土壤粗砂質量分數在P＜0.01水平上顯著負相關，相關系數為0.543。土壤容重與土壤極細砂、含水率均在P＜0.01水平上顯著負相關，相關系數分別為0.643和0.830。土壤粉粒質量分數與土壤中砂、粗砂在P＜0.01水平上顯著負相關。

表4 土壤基本性質指標間的相關關系Tab.4 Correlation between basic property indicators of soil

3 討論

武夷山國家公園表層土壤粉粒含量較高，其次是砂粒，粘粒含量較低。武夷山年降水量大，山體陡峭，但園區(qū)地表植被覆蓋度高，從而減輕了水力對土壤的磨蝕作用，同時也有效阻攔了地表徑流的輸沙作用，使細粒物質遇阻沉降堆積。茶園和林地表層土顆粒組成存在一定差異，茶園土壤主要以粉粒為主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相當，砂粒略占優(yōu)勢。其原因可能與植被分布、海拔高度和人為干擾等因素有關。賀燕[13]和溫繡娟[14]發(fā)現(xiàn)土壤砂粒含量隨著海拔的升高而增大。劉均陽等[15]和Roering等[16]研究表明植被種類、植被密度和樹齡等因素對土壤團聚體的穩(wěn)定性的影響有很大的差異。植物根系可以通過物理、生物、電化學作用影響土壤團聚體形成和穩(wěn)定[3]。在植物根系的壓縮和纏繞的作用下，根際周圍的土壤顆粒由小向大轉變，并通過吸收土壤水分，降低土壤含水量，進一步增加土壤的穩(wěn)定性。茶園和林地2種土地利用類型在植被種類、植被密度和樹齡等因素上有較大的差異，茶園海拔比林地低，并且部分茶園為農田改造而來，地勢平緩，地表徑流速度較緩慢，小顆粒土壤易于沉積下來，使得茶園的粘粒和粉粒含量比林地高。

計算分形維數的線性擬合方程的R2范圍為0.786～0.997，表明分形維數的線性擬合效果能較好的反映土壤粒徑分布特征。有研究表明，質地粗的土壤分形維數范圍為1.830～2.640，質地細的土壤分形維數范圍為2.600～2.800[17]，研究區(qū)茶園D值處于2.572～2.942之間，林地D值處于2.493～2.940之間，表明茶園和林地的土壤質地均偏細，土壤結構良好。土壤分形維數最小值分布在林地的7號樣地，該樣地多以小灌木林為主，植被分布較稀疏，地表裸露，山體坡度大，經雨水沖刷，較小顆粒的土壤容易被沖走，造成水土流失。

對本研究而言，土壤粉粒含量與分形維數相關性最大（r=0.963，P＜0.01），因此，決定武夷山國家公園分形維數的最關鍵因素為土壤粉粒含量的高低，具體來說，土壤粉粒含量越高，土壤質量分形維數越大。土壤顆粒分布對土壤水分運動具有重意義[18]。一般來說，土壤細顆粒含量越高，分形維數越大，土壤水分和土壤粒子的吸附力越強，土壤持水性能就越好[19]。相關性分析可知，含水量與分形維數、土壤粉粒含量和極細砂含量具有正相關關系，這與高傳友等[20]，黎建強等[18]研究結果一致。但含水量與土壤粉粒含量的正相關未達到顯著水平，與極細砂含量的正相關達到顯著水平，說明極細砂含量對研究區(qū)土壤含水率的影響較為顯著。土壤容重是反映土壤透氣性、保水能力、透水性能和土壤結構狀況的基本物理屬性[21]。土壤細顆粒含量越高，越有利于土壤形成良好的結構，土地越稀松，土壤容重減小[22]；反之，土壤越緊實、板結，土壤容重越大，土壤退化越顯著。與高傳友等[20]研究結果一樣，土壤容重與土壤分形維數負相關但未達到顯著水平，而土壤極細砂含量和含水率對研究區(qū)土壤容重的影響較為顯著，這可能與研究區(qū)環(huán)境因子的復雜性有關。

4 結論

運用分形理論對武夷山國家公園茶園和林地土壤粒徑分布特征進行研究。研究區(qū)茶園土壤主要以粉粒為主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相當，砂粒略占優(yōu)勢。茶園土壤分形維數比林地的高，土壤均勻性更高，但兩者土壤質地均偏細，土壤結構較良好。對比分形維數與土壤各粒徑含量相關性程度，土壤粉粒含量是土壤粒徑非均勻分布及分形維數值變化的主要因素。粉粒含量可作為武夷山國家公園水土保持或生態(tài)修復效果的衡量指標。