寧夏平原不同土地利用類型土壤顆粒組成及分形特征

摘 要：土壤粒徑的組成與分布特征，可為區(qū)域土地利用和質量評價提供科學依據。利用顆粒體積分形理論，分析了寧夏平原土壤顆粒組成、不同土地利用類型土壤顆粒組成及分形特征。研究結果表明，寧夏平原不同土地利用類型土壤顆粒組成較為均勻，土壤顆粒組成主要以粉粒和砂粒為主，其中：黏粒和粉粒含量由高到低依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地，而砂粒含量由高到低依次為荒地、防護林、道路邊坡、農田;研究區(qū)域分形維數在1.91～2.94之間，分形維數由大到小依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地;土壤顆粒組成與分形維數呈現顯著線性相關，黏粒與粉粒含量對分形維數有重要影響。土壤不同粒徑占比與分形維數相關性表明，分形維數更易受到土壤粒徑中占比較高的顆粒的影響。

關鍵詞：沿黃城市帶; 土壤顆粒; 分形維數

中圖分類號：S152 " " " 文獻標識碼：A " " 文章編號：1002-204X（2024）01-0027-06

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.01.008

Soil Particle Size Distribution and Fractal Characteristics of Different Land Use Types in the Irrigation Area along the Yellow River in Ningxia

Wang Zhenyao1，2，3， Jiang Qi1，2，3*， Xu Hao1，2，3， Wu Xudong1，2，3

（1.Institute of Forestry and Grassland Ecology， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002; 2.Ningxia Key Laboratory of Desertification Control and Soil and Water Conservation， Yinchuan， Ningxia 750002; 3.Research Center for Ecological Restoration and Multi-Functional Forestry of Ningxia， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract The composition and distribution characteristics of soil particle size can provide scientific basis for regional land use and quality evaluation. Based on the fractal theory of particle volume， we analyzed the soil particle composition and the soil particle size distribution and fractal characteristics of different land use types in the irrigated areas along the Yellow River in Ningxia. The results of the study showed that the soil particle size distribution of the four land use types in the irrigation area along the Yellow River in Ningxia was relatively uniform， and the soil particle size distribution was mainly silt and sand; the clay and silt content was as follows： farmland， road slope， protection forest， wasteland; the sand content was as follows： wasteland， protection forest， road slope， farmland; the fractal dimension ranges from 3.04 to 1.91， and the order of fractal dimension was as follows： farmland， road slope， protection forest， wasteland. Soil particle size distribution was linearly correlated with fractal dimension， which was mainly determined by clay and silt content. The correlation between the proportion of different soil particle size and fractal dimension indicates that the fractal dimension is more easily affected by the particles with higher proportion in PSD. The results can provide reference value for regional land management.

Key words The Yellow River urban belt in Ningxia; Soil particle; Fractal dimension

土地利用方式是引起生態(tài)系統(tǒng)功能及結構改變的重要因素，不合理的土地利用方式會降低土壤表面覆蓋度，造成土壤結構不穩(wěn)定、通透性較差、地表徑流增加和土壤侵蝕嚴重等后果[1-4]。在人類活動的長期影響下，部分區(qū)域土壤由原始自然狀態(tài)開始演變，逐漸退化，如土壤儲水能力下降、土壤結構功能紊亂、微生物活性下降等[5-7]。作為土壤結構體的基本單元，土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結構和性質，并間接影響了土壤的水分特性、肥力狀況等理化性質[8-9]。土壤粒徑分布（particle size distribution，PSD）是土壤的基本物理屬性，其對土壤水力特性、土壤水分運動、污染物運移和土壤侵蝕有重要影響[10-11]。有研究表明，土壤粒徑分布可以用于估計不同土地使用模式引起的土壤侵蝕程度[9]，同時土壤粒徑分布也常用于土壤分類及量化各種土壤相關特性[12]。

近年來，隨著分形幾何學的發(fā)展，分形理論及其方法已逐步被應用到土壤科學研究中，用于定量描述土壤PSD、容重、團聚體和有機質含量等，成為定量研究土壤結構和性質的有效工具[13]。蔣嘉瑜等[14]的研究結果表明，土壤分形維數可以很好地反映不同荒漠草原類型與不同微生境間土壤性質空間差異性。南富森等[15]的研究結果表明，土壤分形維數能反映區(qū)域土壤結構和變化。激光粒度儀的發(fā)明與使用，為全面揭示土壤PSD信息，反映土壤物理性質的變化特征提供了便利[10]。

寧夏沿黃城市帶是寧夏政治經濟的核心地帶，頻繁的人類活動對土壤理化性質產生了重要影響，目前，對于寧夏平原不同土地利用類型土壤粒徑分布及分形特征鮮有研究。本文利用分形理論，分析不同土地利用方式下土壤粒徑分布（PSD）及顆粒分形特征，探討不同土地利用方式下土壤顆粒的分形維數及其與土壤粒徑分布的相關關系，揭示寧夏平原土壤顆粒組成，對摸清寧夏平原土壤現狀，以及土壤保護和利用狀況提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏沿黃城市帶（104°55'～106°86' E、37°06'～39°38' N）的中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市、石嘴山市，地處中溫帶干旱區(qū)，屬大陸性氣候，干旱少雨，年平均降水量在180～200 mm，降水多集中在7、8、9月，年平均溫度為8.5 ℃，日照充足，年日照時間為2 800 h，≥10 ℃積溫達3 300 ℃，無霜期達164 d，土壤類型以灌淤土、灰鈣土及少量鹽堿土為主。由于寧夏平原部分地區(qū)地形較低，地下水埋深淺，部分農田排水困難，約有超過670 km2耕地土壤出現不同程度的鹽漬化，土壤質量逐漸成為影響寧夏平原的主要生態(tài)問題。研究區(qū)主要農作物有玉米、小麥、水稻，以及少量果蔬，如葡萄、蘋果、油菜等;主要林木為新疆楊、柳樹、國槐、刺槐等。由于采樣點受人類活動的影響，本研究將采樣點劃分為農田、道路邊坡、防護林及荒地。采樣點分布如圖1所示。

1.2 樣品采集及處理方法

于2020年6—9月，分別在銀川市、中衛(wèi)市、石嘴山市進行采樣。共設置739個樣點，其中：農田設置697個樣點，防護林設置14個樣點，道路邊坡設置22個樣點，荒地設置6個樣點（圖1）。用5點混合法采樣，在20 m×20 m范圍內用土鉆隨機取5個點的土樣，取樣深度為0～20 cm。5個點的土壤混合為1個土樣，用密封袋密封后帶回實驗室，經自然風干后過3 mm篩，使用激光粒度儀（Mastersize 3000）進行粒度檢測，每個樣品重復檢測3次。根據美國農業(yè)部標準將土壤顆粒按粒徑劃分為黏粒（粒徑lt;0.002 mm）、粉粒（0.002≤粒徑lt;0.05 mm）、砂粒（0.05≤粒徑lt;2.00 mm）3個粒級。

1.3 土壤顆粒分形維數計算

土壤顆粒分形維數計算參考楊培嶺等[1]的分析方法，計算公式如下：

D=3- " " " " " " " " " " （1）

式中：D是土壤顆粒分形維數，di是2個相鄰粒級間土粒平均直徑（mm），dmax是最大粒級土粒平均直徑（mm），wi是直徑小于di的累積質量（g），w0是土壤樣品總質量（g）。首先，計算出各土樣不同粒徑di的lg（di/dmax）和lg（wi/w0），并分別用其做縱坐標和橫坐標擬合線性方程，求算其斜率K，最終土壤粒徑的分形維數為3-K。

1.4 數據處理

所有數據通過R語言4.1.2進行正態(tài)與方差齊性檢驗，采用SPSS 13.1進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）分析。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒體積百分比組成及分形特征

分析了寧夏平原土壤顆粒體積百分比并計算分形維數，結果見表1。由表1可以看出，研究區(qū)內不同土地利用類型土壤粉粒含量為39.21%～57.47%，砂粒含量為37.93%～57.21%，黏粒含量最低，僅為3.58%～4.60%?？傮w來看，土壤粉粒和砂粒占比較高，黏粒占比較低。寧夏平原分形維數范圍在1.91～2.94，分形維數由大到小依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地，農田土壤顆粒分析維數顯著高于其他3種土地利用類型。

圖2是不同土地利用類型土壤顆粒體積百分比堆積圖?？梢钥闯?，農田土壤黏粒和粉粒占比最高，道路邊坡次之，荒地土壤黏粒和粉粒占比最低。4種土地利用類型土壤黏粒占比由高到低依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地;粉粒占比由高到低依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地?；牡赝寥郎傲Ｕ急茸罡撸r田土壤砂粒占比最低，4種土地利用類型土壤砂粒占比由高到低依次為荒地、防護林、道路邊坡、農田。在寧夏平原4種土地類型中，黏粒占比均為最低，粉粒與砂粒占比較高，粉粒與砂粒均占土壤的90%以上。分形維數由大到小依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地。

2.2 不同土地利用類型土壤顆粒組成與分形維數的關系

2.2.1 農田土壤顆粒組成與分形維數的關系

寧夏平原農田土壤是人類長期利用的產物，農田土壤經耕作、灌溉、施肥等方式已經明顯改變了土壤粒度構成，與原始土壤結構已經有了很大區(qū)別。圖3是沿黃城市帶農田土壤顆粒體積含量與分形維數的變化趨勢圖，可以看出，農田土壤顆粒體積含量與分形維數均存在線性相關關系。分形維數與土壤顆粒體積含量的擬合度R2由大到小依次為砂粒、粉粒、黏粒。黏粒、粉粒體積含量與分形維數呈線性正相關關系（圖3a、圖3b），砂粒體積含量與分形維數呈線性負相關關系（圖3c）。分析表明，黏粒體積與粉粒體積含量越高，分形維數越大，而砂粒體積含量越高，分形維數越小。

2.2.2 防護林土壤顆粒組成與分形維數的關系

林帶土壤主要是城市綠化、道路防護林等綠化用地的土壤，造林后人類活動對林帶土壤擾動較少，土壤結構在一定程度上受灌溉、除草等活動的影響。圖4是林帶土壤顆粒體積含量與分形維數的變化趨勢圖，可以看出，防護林土壤體積黏粒、粉粒體積含量與分形維數呈線性正相關關系，砂粒體積含量與分形維數呈線性負相關關系，且R2均高于農田。

2.2.3 道路邊坡土壤顆粒組成與分形維數的關系

道路邊坡土壤大多是修筑道路時從周邊區(qū)域運來的客土。道路邊坡土壤粒度構成還受到交通運輸活動帶來大量粉塵、降雨后道路徑流沖刷等因素的影響。圖5是道路邊坡土壤顆粒體積含量與分形維數的變化趨勢圖，可以看出道路邊坡土壤黏粒、粉粒體積含量與分形維數呈線性正相關關系，砂粒體積含量與分形維數呈線性負相關關系，且R2均高于農田，但是低于防護林。

2.2.4 荒地土壤顆粒組成與分形維數的關系

荒地大多是未利用的土地，土壤結構受人類活動的影響較小，在很大程度上反映了該區(qū)域土壤結構的原始狀況。圖6是寧夏平原荒地土壤顆粒體積含量與分形維數的變化趨勢圖，可以看出，荒地的土壤顆粒體積含量與分形維數都呈顯著相關關系。黏粒、粉粒體積含量與分形維數呈線性正相關關系，砂粒體積含量與分形維數呈線性負相關關系，且R2是4種土地利用類型中最高的。

3 土壤顆粒含量與分形維數相關性分析

為進一步分析土壤顆粒含量與分形維數的關系，對所有土壤顆粒含量數據和分形維數作了相關性分析，結果如表2所示?？梢钥闯?，黏粒與粉粒、黏粒與分形維數都成顯著正相關;黏粒與砂粒、粉粒與砂粒、砂粒與分形維數成顯著負相關，其中：粉粒與砂粒顯著性最高。這顯示了沿黃城市帶土壤形成過程中不同級別粒度的相互關系，細顆粒（主要是粉粒）增加時砂粒占比下降，土壤的保水保肥能力變得更好，土壤分形維數增大。表明在此區(qū)域土壤分形維數越大，土壤受人類活動的影響越大，土壤肥力相對提升。

4 討論與結論

4.1 討論

土壤粒徑組成在一定程度上決定了土壤結構和性質[16-17]。本研究中，寧夏平原4種土地利用類型土壤粒徑主要以粉粒和砂粒為主，黏粒含量較少，這與寧夏地處我國西北部干旱區(qū)及半干旱區(qū)，其土壤質地較粗有關。從土壤質地來看，農田土壤細顆粒較多，這是由于人為耕作活動影響促進了細顆粒的形成，且寧夏平原農田土壤是長期灌溉形成的，具有明顯的灌淤土特性;從作物類型來看，該區(qū)域的作物主要是水稻和玉米，耕作過程中產生的秸稈很難返回土壤中，降低了微生物對土壤的黏結作用。這與楊婷、孫彩麗等[18-19]的研究結果相似。而人類活動對于防護林的干擾相對較少，且植物群落結構較為豐富，樹木根系更為發(fā)達，豐富的凋落物更容易使土壤中的小顆粒聚合成較大的團粒結構，因而防護林粉粒和砂粒含量較高。由于人類在道路邊坡的活動較為頻繁，且車流量較大，粉塵堆積、降雨及徑流的沖刷對道路邊坡土壤的影響較為明顯，植物群落稀少，所以在此類土壤中粉粒含量較高。在4種土地利用類型中，荒地土壤砂粒含量最高，黏粒與粉粒含量最低，主要是由于荒地受人類活動影響較小，保持了較為原始的土壤特性。該區(qū)域原始土壤長期受到風蝕作用影響，細顆粒大多被風力吹蝕帶走，留下的粗顆粒較多。整體來看，寧夏平原土壤原始狀態(tài)下砂粒含量高，受耕作、灌溉、施肥等人類活動的影響，土壤中較細的粉粒和黏粒含量增加，相對于原始狀態(tài)，土壤結構得到改良，肥力水平得到提升。可以看出人類活動對沿黃城市帶土壤粒徑分布有較大的影響。

分形維數揭示了不同土地利用類型土壤顆粒的變化情況。寧夏平原土壤粒度分形維數范圍在1.91～2.94，分形維數由大到小依為農田、道路邊坡、防護林、荒地，這與土壤粒徑分布有顯著關系。研究區(qū)內4種土地利用類型的土壤粒度分形維數受到lt;0.05 mm顆粒的影響較大，即黏粒和粉粒的體積含量決定分形維數大小，在人類活動影響下，土壤黏粒和粉粒體積含量增加，尤其是農田增加的更為明顯，表明在干旱荒漠氣候條件下，耕作、造林等人類活動影響促進了土壤結構改良，有利于土壤肥力提升。

4.2 結論

（1）寧夏平原分形維數范圍在1.91～2.94，其中：最大值為農田土壤，最小值為道路邊坡土壤。在4種土地利用類型中，土壤黏粒含量由高到低依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地，粉粒含量由高到低依次為農田、道路邊坡、防護林、荒地，砂粒含量由高到低依次為荒地、防護林、道路邊坡、農田。

（2）土壤粒度分形維數受到lt;0.05 mm顆粒的影響較大，即黏粒和粉粒的含量決定分形維數大小，土壤黏粒含量越大，分形維數數值增長越快。

（3）土壤顆粒組成與分形維數呈現顯著線性相關關系，其中：荒地的線性擬合度最高，而農田的擬合度最低。

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責任編輯：達海莉