三峽庫區植物籬系統土壤顆粒分形特征及其與土壤理化性質的關系

黎建強, 張洪江, 陳奇伯, 周紅芬

(1.西南林業大學 環境科學與工程學院, 昆明 650224; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司 水土保持工程技術部, 昆明 650051)

三峽庫區植物籬系統土壤顆粒分形特征及其與土壤理化性質的關系

黎建強1, 張洪江2, 陳奇伯1, 周紅芬3

(1.西南林業大學 環境科學與工程學院, 昆明 650224; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司 水土保持工程技術部, 昆明 650051)

在對長江三峽庫區坡耕地植物籬系統調查樣地土壤樣品顆粒分析的基礎上，對植物籬系統內土壤顆粒分布及土壤分形維數與土壤物理性質和土壤養分含量的關系進行了研究，結果表明：(1) 喬木類、草本類和灌木類植物籬帶間坡耕地土壤砂粒含量比其對應的植物籬帶內土壤沙礫平均含量分別高10.4%，13.7%和9.2%；而黏粒含量在植物籬帶內富集，其平均含量比植物籬帶間坡耕地土壤黏粒含量分別高14.3%，19.5%和10.7%；(2) 土壤分形維數與土壤黏粒和土壤粉粒含量具有顯著(P<0.01)的正相關關系，而與土壤砂粒含量顯著負相關。(3) 土壤分形維數與土壤孔隙度、含水量和土壤飽和導水率極顯著正相關，而土壤容重與分形維數呈顯著負相關關系。土壤分形維數與土壤有機質、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全鉀、土壤有效鉀、土壤全磷含量和陽離子交換量顯著相關，而土壤有效磷含量和土壤分形維數相關性不顯著。

植物籬; 土壤顆粒分形特征; 土壤理化性質; 相關關系

土壤顆粒分布(Soil particle-size distribution，PSD)，通常代表了土壤黏粒、粉粒和砂粒所占的百分含量[1]，是最根本的土壤物理特征之一，它與土壤侵蝕、水文過程、土壤肥力狀況等密切相關[1-2]。在土壤科學研究中，分形理論被引入到土壤科學，作為定量研究土壤顆粒分布的重要指標[3-4]，運用土壤顆粒的分形維數來表征土壤質地和結構組成及其均勻程度，已成為定量描述土壤結構特征的新方法[5]。目前，測定土壤土壤顆粒分布的經典技術包括篩分法和基于土壤顆粒沉降過程的吸管法和比重計法[6]，然而，近年來激光衍射技術(laser diffraction,LD)的發展和應用使土壤顆粒體積分布的準確測定成為現實，可以利用激光粒度分析儀測得的土壤顆粒體積分布數據來統計土壤顆粒分布的分形維數[7]。

植物籬間作技術作為控制土壤流失、增加土壤肥力的重要坡耕地水土保持措施，植物籬對土壤顆粒的攔截作用對土壤顆粒在坡面的重新分布具有重要的影響[8]。植物籬有利于控制土壤侵蝕和水土流失，可以有效地攔截徑流中的細顆粒物質[9-10]，從而使植物籬系統內土壤顆粒組成發生變化。因此，土壤顆粒分布特征可以在一定程度上反映植物籬帶對坡耕地侵蝕過程的影響。然而，對于坡面植物籬系統內土壤顆粒的分布的研究較少，很少有學者運用分形理論來評價植物籬對土壤顆粒再分布的影響。本文運用土壤顆粒分形理論對植物籬系統土壤顆粒的分形特征進行了研究，并分析了土壤體積分形維數與土壤物理性質和土壤養分含量的關系，為運用土壤體積分形維數來評價植物籬系統內土壤顆粒分布、土壤物理性質和土壤養分狀況提供理論依據。

1 研究區與研究對象概況

1.1 研究區概況

根據不同的植物籬類型，結合地形地貌特點，主要試驗點布設在在重慶市江津區。江津區位于長江中上游，三峽庫區尾端。江津區氣候屬北半球亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫18.4℃。年日照時數1 273.6 h，年降雨量1 030.7 mm，無霜期341 d，年濕度81%。土壤主要為沙溪廟組沙頁巖發育形成的紫色土和水稻土。

1.2 植物籬概況

根據植物籬的外貌特征和物種組成，將不同的植物籬劃分為喬木類、灌木類和草本類植物籬。喬木類植物籬物種主要為桑樹(Morusalba)、柑橘(Citrusreticulata)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、梨樹(Pyrussorotina)和李子(Prunuscerasifera)。灌木類植物籬物種包括：黃荊(Vitexnegundo)、臭椿(Ailanthusaltissima)、八角楓(Alangiumchinense)。草本類植物籬以紫背天葵(Gynurabicolo)、旱菜(HerbaRorippae)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為主。調查區內植物籬種植年限為5～7 a，植物籬帶寬0.5～2 m，蓋度均>90%，帶間耕地平均寬度在4～6 m，農作物以玉米(Zeamays)和紅薯(Ipomoeabatatas)為主。

2 研究方法

2.1 采樣點布設

在調查區域隨機布設調查樣地32個(其中喬木類植物籬14個，草本類植物籬10個，灌木類植物籬8個)，在每個調查樣地內，分別于植物籬帶上(植物籬冠層投影帶上±20 cm范圍內)、植物籬帶內(植物籬冠層投影中點處)、植物籬帶下(植物籬冠層投影帶下±20 cm范圍內)和植物籬帶間坡耕地(兩植物籬帶間距的中點處)，各布設1個土壤采樣點，在每個土壤采樣點土壤耕層(0～20 cm)采集土樣，每個采樣點重復3次取樣，混合均勻并對土壤顆粒組成、土壤物理性質和土壤養分進行測定。

2.2 測定項目及方法

土壤顆粒組成采用激光顆粒分析儀(Fritsch Particle Sizer Analysette 22)測定，土壤粒徑在0～2 500 μm范圍內被劃分為14級，根據美國制分類標準分為砂粒(>0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。土壤容重和孔隙度采用采用環刀法測定[11]；土壤水分含量采用TDR100測定；土壤飽和導水率采用定水頭法測定[12]。土壤養分含量采用常規方法進行測定[11,13]，土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法分析；有效氮采用堿解擴散法；土壤全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法；有效磷采用碳酸氫鈉浸取—鉬銻抗比色法分析；土壤全鉀采用酸溶—火焰光度計法；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法分析；陽離子交換量采用醋酸銨交換法測定。

2.3 分形模型

土壤顆粒體積分形維數利用下式[3-4]計算：

(1)

式中：V(r

對式(1) 兩邊同時取對數可得：

(2)

2.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.5軟件進行數據處理。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異顯著性檢驗，利用Pearson相關系數評價土壤顆粒的體積分形維數與土壤理化性質各指標之間的相關性。

3 結果與分析

3.1 植物籬系統土壤顆粒分布及其分形維數

3種植物籬系統內土壤顆粒分布見表1。3種植物籬系統內土壤砂粒含量在不同位置具有一定的差異性，喬木類植物籬帶間坡耕地土壤砂粒含量為50.56%，與植物籬帶內和帶下土壤砂粒含量具有顯著性差異，而與植物籬帶上土壤砂粒含量差異不顯著；草本類植物籬帶間坡耕地與植物籬帶上土壤砂粒含量差異顯著，而與植物籬帶內和帶下土壤砂粒含量無顯著差異；灌木類植物籬帶間坡耕地和植物籬帶土壤砂粒含量顯著，其帶間坡耕地和植物籬帶內平均土壤砂粒含量分別為45.56%和41.37%。喬木類、草本類和灌木類植物籬帶間坡耕地土壤黏粒含量分別為6.71%，6.06%和7.42%，除與喬木類和灌木類植物籬帶下土壤黏粒含量無顯著差異外，均顯著小于其對應的植物籬帶內和帶上土壤黏粒含量。

表1 不同植物籬系統內土壤顆粒分布及其分形維數

注：1)表中數據為平均±標準差；2)同種類同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

3種植物籬系統內土壤顆粒體積分形維數見表1。喬木類帶間坡耕地土壤分形維數分別為2.38與植物籬帶內土壤分形維數差異顯著，而植物籬帶內不同位置土壤分形維數無顯著差異；草本類植物帶間坡耕地土壤分形維數為2.36，與植物籬帶不同位置土壤分形維數差異顯著；灌木類植物籬帶內和帶上土壤分形維數均為2.42，與其帶下和帶間坡耕地土壤分形維數差異顯著，其土壤分形維數分別為24.1和2.40。

3.2 土壤顆粒組成和土壤分形維數的關系

土壤分形維數與土壤顆粒組成的關系和模型見圖1。

土壤分形維數與不同粒徑級土壤顆粒含量具有顯著的相關關系，土壤分形維數與土壤砂粒含量呈顯著的負相關關系，而與土壤黏粒含量、粉粒含量極顯著正相關。在極顯著水平(P<0.01)，土壤分形維數與土壤砂粒、粉粒和黏粒的線性回歸模型分別為：

y= -0.003x1+2.562；y=0.004x2+2.217；

y=0.023x3+2.222

式中：y——土壤分形維數；x1——土壤砂粒含量；x2——土壤粉粒含量；x3——土壤黏粒含量。

圖1 土壤分形維數與土壤砂粒、粉粒和黏粒的相關關系

3.3土壤分形維數與土壤理化性質的關系

土壤分形維數與土壤物理性質和養分含量相關關系見表2和表3。土壤分形維數與土壤物理性質各指標的相關關系均達到了極顯著水平。土壤分形維數與土壤孔隙度、土壤含水量和土壤飽和導水率為正相關關系，其相關系數分別為0.239，0.460和0.635，均大于r0.01(128)=0.230，即顯著性水平P<0.01，而土壤容重與分形維數呈顯著負相關關系；土壤分形維數與土壤有機質、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全鉀、土壤有效鉀和陽離子交換量的相關系數為分別為0.420，0.501，0.318，0.501，0.262和0.554，其相關性水平P<0.01，土壤全磷和土壤分形維數的相關性在顯著性水平為P<0.05時也顯著相關，而土壤有效磷含量和土壤分形維數相關性不顯著。

表2 土壤分形維數與土壤物理性質相關關系(n=128)

注：**P<0.01,*P<0.05；下同。

表3 土壤分形維數與土壤養分相關關系(n=128)

4 結論與討論

植物籬系統內土壤顆粒分布和土壤顆粒體積分形維數在植物籬系統內不同位置具有一定的差異性，這種差異性主要表現為植物籬的攔截作用[14]，植物籬形成的生物梯局部影響著土壤侵蝕發生的強度和途徑，從而影響徑流泥沙在坡面的搬運—沉積過程[15-16]。土壤顆粒在坡面侵蝕的作用下，從植物籬帶間坡耕地向下坡位移動，由于植物籬的物理攔截作用，土壤顆粒在植物籬帶內和帶前沉積、富集。而土壤細顆粒物質比粗顆粒物質在坡面徑流的侵蝕作用下更容易流失[17]，因此，植物籬帶間坡耕地土壤細顆粒物質減少，粗顆粒增加，而植物籬帶土壤細顆粒物質富集，土壤黏粒含量增加。3種植物籬系統內土壤顆粒組成也存在一定的差異，灌木類植物籬帶內土壤黏粒含量均高于喬木類和灌木類植物籬，這是由于灌木類植物籬密度大，植物籬帶內近地表植物殘體多，攔截土壤細顆粒的能力較強；喬木類植物籬主要以經濟樹種為主，其修剪的枝葉作為薪柴被輸出植物籬系統，而草本類植物籬生物量較小，輸入植物籬帶內的植物殘體量較少，因此攔截土壤細顆粒的能力較灌木類植物籬差。

土壤顆粒分形維數與不同粒徑土壤的顆粒含量具有顯著的相關性，即土壤分形維數與土壤砂粒、粉粒和黏粒含量顯著相關[18-20]，而土壤黏粒含量和土壤分形維數的相關系數為最大，因此，決定土壤分形維數的最關鍵因素為土壤黏粒含量的高低，具體來說，土壤黏粒含量越高，土壤體積分形維數越大[21-23]。由于對于土壤細顆粒的攔截作用和不同植物籬對土壤顆粒攔截的能力不同，使3種植物籬系統內土壤顆粒組成在植物籬不同位置具有一定的差異性，從而導致了植物籬系統內不同位置土壤體積分形維數的變化。

土壤顆粒分布通常由不同粒級土壤，即土壤砂粒、粉粒和黏粒的重量百分含量確定[24]，它對土壤水分運動、土壤的養分的保持和土壤有機質的礦化具有重要意義[25-26]。植物籬的枯枝落葉提供的有機質，有利于土壤團聚體的形成，促使土壤形成良好的結構從而土壤容重減小，土壤入滲性能得到改善和提高[14，27]。此外土壤細顆粒物質在植物籬帶內的增加有利于增加水土壤水分和土壤粒子的吸附力，土壤持水性能增強，陽離子交換量增大[28]。因此，在植物籬系統內土壤顆粒分形維數與土壤容重、孔隙度、土壤含水量和土壤飽和導水率具有顯著的相關性。土壤顆粒分形維數與土壤有機質含量、土壤養分含量和陽離子交換量也具有顯著的相關性，植物籬系統內植物籬帶內土壤分形維數顯著高于植物籬帶間坡耕地，一方面是由于植物籬帶內有機質的顯著增加，植物籬枯枝落葉有利于植物籬系統內土壤有機質和土壤氮元素的增加[29]，并且土壤中的養分元素可以通過有機制的礦化得到釋放而增加。另一方面是土壤細顆粒物質的在植物籬帶內的富集，由于土壤細顆粒物質是氮、磷、鉀等養分元素的主要載體[17，30-31]，土壤細顆粒物質的增加必然導致土壤養分含量的提高和土壤保肥能力的增強。因此，土壤的顆粒分形維數和土壤養分含量具有顯著的相關性，土壤體積分形維數可以用來評價植物籬系統內土壤顆粒分布、土壤物理性質和土壤養分狀況，但是土壤分形維數在多大程度上能反映土壤物理性質和土壤的養分狀況還需進一步研究和探討。

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SoilParticle-SizeFractalCharacteristicsandtheRelationshipwithPhysicochemicalPropertiesofSoilinHedgerowSystemsintheThreeGorgesReservoirArea

LI Jian-qiang1, ZHANG Hong-jiang2, CHEN Qi-bo1, ZHOU Hong-fen3

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China; 2.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 3.DepartmentofSoilandWaterConservationTechnology,KunmingEngineering&ResearchInstituteofNonferrousMetallurgyCo.,Ltd.,Kunming650051,China)

To achieve well understanding of soil particle-size fractal characteristics and the volume fractal dimension(Dv) variance among hedgerow agroforestry system, and also the correlations betweenDvand soil physical properties and nutrients, soils sampled from inventory plots located in the Three Gorges Reservoir area of the Yangtze River were analyzed in this study.Dvwas calculated and the relations betweenDvand soil physicochemical properties were tested. The result indicated that: (1) sand concentrations of soil under hedgerows stripe were reduced by 14.3%，19.5% and 10.7% respectively compared with those of soils taken from between hedgerows, the clay concentrations of soils under hedgerows stripe increased under hedgerow with the increment of 14.3%, 19.5% and 10.7%; (2)Dvwas correlated positively and highly significantly (P<0.01) with the soil clay concentration and less significantly (P<0.05) with soil silt content, however,Dvwas negatively correlated with soil sand concentration; (3)Dvof soil in hedgerow systems was correlated positively and highly significantly (P<0. 01) with the soil porosity, water content, soil saturated water conductivity, and correlated negatively with soil bulk density. In addition, theDvof soils in hedgerow systems were highly positively correlated with total and available nitrogen, total and exchangeable potassium, total phosphorus and cation exchangeable capacity.

hedgerow system; soil particle-size fractal characteristics; soil physicochemical properties; correlation

2014-03-04

：2014-03-20

國家科技支撐計劃重點項目(2008BAD98B01-03);云南省教育廳科學研究基金項目(2014Y322)

黎建強(1982—),男,陜西隴縣人,講師,博士,主要研究水土保持與生態恢復。E-mail:JQ-Lee83125@hotmail.com

S152

：A

：1005-3409(2014)06-0129-05