不同尺度下土壤粒徑分布特征及其影響因子
——以黃土丘陵溝壑區為例

趙明月, 趙文武,*, 劉源鑫

1 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京師范大學, 北京 100875 2 北京師范大學 資源學院, 北京 100875

不同尺度下土壤粒徑分布特征及其影響因子
——以黃土丘陵溝壑區為例

趙明月1,2, 趙文武1,2,*, 劉源鑫1,2

1 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京師范大學, 北京 100875 2 北京師范大學 資源學院, 北京 100875

土地利用方式和環境因子是影響土壤粒徑的重要因素，尺度不同其影響效應差異明顯。研究不同尺度表層土壤粒徑與土地利用、環境因子的關系對評價黃土丘陵溝壑區土壤物理性質具有積極意義。選擇黃土丘陵溝壑區安塞集水區和沐浴小流域作為研究區，探討兩個尺度上表層土壤粒徑含量、分布特征及其與土地利用類型和環境因子的關系。研究結果表明：(1)研究區域內表層土壤顆粒主要為砂粒和粉粒，在小流域和集水區尺度上，各粒徑百分含量屬于中等變異，D值為弱變異，但隨著研究區由沐浴小流域變化到安塞集水區，粒徑和D值的空間變異性均有所提高；(2)尺度不同，土地利用對土壤粒徑的影響效應不同，在沐浴小流域不同土地利用類型的砂粒含量從高到低依次為荒草地>農用地>林地>灌木林地>園地，在集水區的變化順序依次為荒草地>灌木林地>林地>農用地>園地，粉粒含量的次序均與砂粒相反，小流域土壤粒徑分形維數D依次為灌木林地>荒草地>林地>園地>農用地，在安塞集水區為灌木林地>荒草地>農用地>林地>園地；(3)在沐浴小流域和安塞集水區，土壤顆粒分形維數與土壤砂粒、黏粒百分含量呈極顯著正相關關系，與土壤粉粒百分含量呈極顯著負相關關系，且砂質壤土D值高于壤土和粉壤土；(4)在沐浴小流域，植被蓋度、相對海拔和坡位相對于土地利用類型、坡向和坡度對土壤粒徑影響較大；而在安塞集水區植被蓋度、土地利用類型和坡度對土壤粒徑影響較大。

土地利用; 環境因子; 土壤粒徑; 分形維數; 尺度

尺度是指在研究某一物體或現象時所采用的空間或時間維，往往以粒度和幅度來表達。尺度效應不僅依賴于事物的本身，而且與整個環境或背景有關[1-4]。土壤由不同粒級土粒組成，各粒級的含量差異很大。土壤粒徑分布PSD)影響土壤的水力特性、土壤肥力狀況以及土壤侵蝕等，是土壤重要的物理特性之一[5-8]。由于成土母質、氣候、地形、植被和人類干擾程度不同，不同尺度的土壤性質存在空間變異性。在較大尺度上，土壤主要受母質、氣候、地形等因子的控制；在較小尺度上，主要受土壤特性、植被覆蓋、微立地以及干擾的影響[9-10]。其中，土地利用方式和環境因子是影響土壤粒徑的重要因素[11-13]。目前，國內外土壤粒徑空間變異性的研究已有很多文獻[14-18]，但是在不同空間尺度上討論土壤粒徑的空間分布還較為少見。從不同尺度上探討土壤粒徑的含量和空間變異性，分析表層土壤粒徑含量及其與環境因子的關系，有利于從不同尺度系統把握土壤粒徑的空間變異特征及影響因素。

黃土高原地區地形破碎，土地利用類型復雜多樣，土壤侵蝕程度差異較大。對于該地區土壤物理性質的研究較多，但主要集中于特定區域不同土地利用類型下土壤的物理性質差異研究，而忽略不同尺度間的對比分析。本研究選擇黃土丘陵溝壑區安塞集水區和集水區內的沐浴小流域，從兩個尺度上分析土壤粒徑與環境因子的關系，以期為黃土丘陵溝壑區土壤侵蝕的防治和土地利用結構調整提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安塞集水區和沐浴小流域地處黃土高原腹地(108°5′44″—109°26′18″E，36°30′45″—37°19′3″N)，地形地貌復雜多樣，梁峁起伏、溝壑縱橫，屬典型的黃土丘陵溝壑區。該區域屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，其中74%集中在6—9月。集水區面積1334.00 km2，屬于強度水土流失區，也是西北典型的生態環境脆弱區。土壤以黃綿土為主，約占總面積的95%。土壤成土母質主要有黃土和洪積沖積兩大類，黃土土層深厚，質地組成以粉沙為主，抗蝕能力低。沐浴小流域位于安塞縣郝家坪鄉，面積1.30 km2，是安塞集水區的典型小流域。該小流域地處安塞集水區中游，土地利用方式以農耕地、林地、荒草地、灌木林地為主，農耕地面積較小且分布零散，總體人為干擾較少。

1.2 土壤采樣

根據土地利用、地形、土壤特征等因素，綜合考慮流域水系分布與道路可達性，經實地踏勘于2012年7、8月在安塞集水區和沐浴小流域分別選取了79、35個采樣點。每個樣點內設置5個重復隨機采樣。土壤粒徑采用比重計法測定。樣點分布情況見圖1[19]，樣點的土地利用類型和坡位分布情況見表1。

圖1 研究區位置示意和采樣點分布圖Fig.1 Location of study area and the distribution of sampling sites

表1 采樣點在土地利用類型及坡位上的分布

1.3 分形維數計算與統計分析

楊培玲等[20]將Katz的計算方法進行了改進，通過粒徑分布與對應的重量分布相聯系，提出了用粒徑重量分布資料表征的土壤分維模型。本研究根據此模型，計算方法如下：

假定由大于某一粒徑Ri(Ri>Ri+1,i=1,2,3,…,i)的土粒構成的體積V(r>Ri)可表示為：

V(r>Ri)=Cv[1-(Ri/λv)3-D

(1)

式中，Ri是特征尺度，Cv，λv是描述顆粒形狀、尺度的常數。

當Ri=0時，(1)式變為計算全部土壤顆粒總體積VT，即V(r>Ri) =VT=Cv

當Ri=Rmax(Rmax為最大粒徑)時，λv=Rmax

因此有：

(2)

調整(2)式可得：

(3)

對上式兩邊同時取對數，即可得到土壤顆粒組成的分形維數計算公式：

(4)

采用SPSS 18.0對表層土壤容重和粒徑進行描述性統計分析，采用CANOCO 4.5[20-21]對土壤分形維數、粒徑和土地利用及環境因子之間的關系進行典范對應分析分析(CCA)[22]。CCA分析需要兩個矩陣，其一是物種數據矩陣，即本研究中的土壤粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量和分形維數D，其二是環境因子數據矩陣，即本研究中的土地利用類型和環境因子。

2 結果與分析

2.1 不同尺度土壤粒徑和土壤顆粒分形維數特征分析

對土壤粒徑和分形維數進行描述性統計(表2)。由表2可知，研究區域內表層土壤顆粒以砂粒和粉粒為主，其中沐浴小流域的土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為50.27%、38.83%和10.89%；安塞集水區表層土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為46.20%、43.06%和10.74%。在小流域和集水區尺度上，各粒徑百分含量空間差異性不大，屬于中等變異(10%

根據粒徑分級及公式(2—4)，對粒徑進行分形維數的計算，得到土壤PSD分形維數D值。沐浴小流域D值介于1.86—2.55之間，平均值為2.14，變異系數為7.01；安塞集水區D值介于1.71—2.55之間，平均值為2.09，變異系數為7.66。在不同研究尺度D值均屬于弱變異性，但隨著研究區由沐浴小流域到安塞集水區，各粒徑含量和D值的空間變異系數均有增加。

表2 土壤粒徑和分形維數的描述性統計

2.2 不同土地利用類型的土壤粒徑分布與分形特征

不同土地利用類型的土壤粒徑和分形維數見表3。由表3可知，不同土地利用類型下的砂粒含量在沐浴小流域含量從高到低依次為：荒草地>農用地>林地>灌木林地>園地，在集水區的次序為：荒草地>灌木林地>林地>農用地>園地；在兩個研究區粉粒含量在不同土地利用類型下的次序均與砂粒相反。黏粒含量變化幅度不大。在沐浴小流域，灌木林地的D值最高(2.18)、荒草地其次(2.17)、農用地最低(2.09)，D值從高到低依次為灌木林地>荒草地>林地>園地>農用地。在安塞集水區，依然是灌木林地的D值最高(2.11)，園地最低(2.06)，從高到低依次為灌木林地>荒草地>農用地>林地>園地。

土壤理化性質的變異大部分由土地利用類型變化引起，許明祥等[13]在對黃土丘陵溝壑區土壤理化性質空間變異性研究中，發現土地利用類型可以解釋97%的土壤質量指標的變異性，即土地利用類型是黃土丘陵區土壤理化性質變異的主導因子。在本研究中，不同土地利用類型結合植被蓋度，在不同尺度上對表層土壤分形維數的影響作用不同。隨著研究區由小流域到集水區，不同土地利用類型的分形維數D是降低的。總體趨勢是：植被蓋度大，分形維數越高。研究區的樣本土壤中黏粒含量均<15%，屬于砂質土壤。這類土壤砂粒含量較高，透水性好，保蓄性差。灌木林地和荒草地砂粒含量高于灌木林地和林地，這是由于林地和灌木林地通過冠層截留降低降雨侵蝕力影響水土流失，加上枯枝落葉層對表層土壤的保護，表層土壤中細顆粒含量較多，砂粒含量較低。

表3 不同尺度土地利用類型的土壤粒徑分布和分形維數

研究區農用地主要種植玉米，由于人為干擾劇烈，雖然有施肥投入，但由于頻繁土壤耕作和收獲等因素影響，土壤表層疏松、水土流失嚴重，進而導致砂粒與粉粒的含量比較高，而黏粒含量比較低。灌木林地、林地和荒草地的土壤機械組成表現出較大的尺度差異，在小流域，灌木林地的砂粒含量占51.50%，遠高于粉粒含量37.05%，而在集水區尺度上，砂粒含量和粉粒含量分別為44.21%和44.14%；在小流域，林地的砂粒含量為48.83%，高于粉粒含量40.38%，在集水區尺度，砂粒和粉粒含量分別為46.45%和43.17%；在小流域，荒草地的砂粒和粉粒含量分別為52.54%和36.51%，集水區分別為47.41%和41.87%。

黏粒含量的變異性較低，采樣點中園地的黏粒含量最高，灌木林地和荒草地的黏粒含量高于林地和農用地。集水區林地、灌木林地以及荒草地發育較好，且在集水區西南和東北部有大量封育林場，荒草地植被覆蓋度也較高。一方面由于山坡上部沖刷而來的細土粒在林地沉積，另一方面林地、灌木林地和荒草地表層植被覆蓋度大，枯枝落葉和有機質含量豐富，腐殖化作用明顯，具有明顯的保持水土和改良土壤結構功能，所以黏粒含量較高。園地土壤機械組成的尺度差異不明顯，這可能與小流域園地采樣不足有關。

2.3 不同尺度表層土壤顆粒的分形維數與土壤粒徑的關系

從分形維數的計算過程可知，D值與土壤顆粒粒徑由大到小的累積含量有關，為了進一步探尋土壤顆粒體積分形維數與土壤顆粒組成之間的關系，對土壤顆粒體積百分含量與分形維數進行Pearson相關性分析。分析表明，在沐浴小流域和安塞集水區，土壤顆粒體積分形維數與土壤砂粒、黏粒百分含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與土壤粉粒百分含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。

表4 土壤分形維數D與粒徑含量的相關性

為深入揭示D值與各粒徑的關系，將3個粒徑含量與D值進行多元逐步回歸分析。小流域D值與粉粒(x1)、砂粒(x2)、黏粒(x3)回歸方程為D=5.918-0.5x1-0.37x2，模型檢驗達到極顯著水平，R2=0.987。偏回歸系數顯著性檢驗結果表明，D與常數、砂粒、粉粒的偏相關關系顯著，粉粒含量對D值的影響大于砂粒的影響。集水區D值的回歸方程為D=2.161-0.12x2+0.41x3，模型檢驗達到極顯著水平，R2=0.980。偏回歸系數顯著性檢驗表明，D與常數、粉粒、黏粒的偏相關關系顯著，粉粒含量對D值的影響大于黏粒含量。

進一步分析D值與土壤粒徑含量的關系，按照美國農業部土壤質地分類三角圖標法，將土壤樣品進行質地劃分，采集樣點的土壤類型為粉壤土、壤土和砂質壤土。對不同質地土壤D值進行統計分析。結果表明，在沐浴小流域，粉壤土、壤土和砂質壤土的D值平均數分別為1.872、2.100和2.255, 安塞集水區分別為1.934、2.089和2.227。采集樣品中，土壤顆粒黏粒含量平均值為10.74%，粒徑含量以粉粒和砂粒為主。D值與砂粒含量正相關，砂質壤土D值高于壤土和粉壤土。這種變化在沐浴小流域和安塞集水區的表現是一致的。這與在陜北黃土丘陵溝壑區土壤粒徑的相關研究結論是基本一致[12,23-24]的。但也有研究[14,17]認為黏粒含量與D值相關性最強。在本研究中，土壤黏粒含量較低，且變異性小，因此與D值的相關性也較弱。

2.4 不同尺度下土壤粒徑與環境因子的關系

利用單因素方差分析不同環境因子對粒徑含量和分形維數D的相關性(表5)。進一步進行CCA分析的結果見圖2。

CCA分析中，環境因子用箭頭表示，箭頭所處的象限表示環境因子與排序軸間的正負相關性，箭頭連線的長度代表著某個環境因子與土壤粒徑分布之間相關程度的大小，連線越長，說明相關性越大。反之越小。箭頭連線和排序軸的夾角代表著某個環境因子與排序軸的相關性大小，夾角越小，相關性越高；反之越低。

由圖2可知，D值與砂粒、黏粒含量正相關，且與砂粒相關性高于黏粒；D值與粉粒含量負相關。由環境因子之間的關系可知，在小流域坡度和土地利用類型對粒徑和D值的影響表現出微弱負相關，即隨著坡度增加，土地利用類型對土壤粒徑的影響增大，但隨著研究區由小流域變化到集水區，這種相關性消失。在小流域坡度和坡向對粒徑和D值的影響表現出較強的負相關，即隨著坡度增加，坡向對小流域的影響作用減弱；在集水區也表現出了相同的趨勢。

表5 土壤粒徑、分形維數與環境因子的相關性分析

圖2 沐浴小流域(上)和安塞集水區(下)土壤顆粒和環境因子關系的二維排序圖

根據土壤粒徑與環境因子的關系(圖2)可知，在小流域，土地利用和地形因子對土壤粒徑的總體影響差異較小，植被蓋度、相對海拔和坡位相對于土地利用類型、坡向和坡度對土壤粒徑影響較大；安塞集水區植被蓋度、土地利用類型和坡度對土壤粒徑影響較大。在兩個研究區砂粒含量和坡度、坡位均表現為正相關，與坡向、土地利用類型負相關；粉粒則相反。且砂粒和粉粒含量均與相對海拔和植被蓋度的相關性較弱。但隨著研究區由小流域到集水區，各含量與各環境因子的相關性大小不同。小流域植被蓋度對粒徑的影響較大，這是由于植物枯枝落葉的分解能夠增加土壤有機質，改善土壤結構，植物根系也能較好的保持土壤，改善其結構。但由于小流域面積小，土地利用類型差別不大，因此對土壤粒徑影響較小。隨著研究區由小流域到集水區，植被蓋度和土地利用類型對土壤粒徑的影響作用明顯高于地形因子。這說明在集水區尺度，土地利用類型和植被蓋度是影響土壤粒徑的主要因素，這與很多研究的結果是一致的[11,25]。地形因子中，坡位在小流域中對土壤粒徑含量影響較大，坡度在集水區影響較大。小流域的坡位與土壤顆粒性質關系密切，研究區易發生土壤流失，從坡上沖刷下來的細土粒易沉積在坡下[25]；以往研究[26]也表明，坡下部沉積帶比坡上部侵蝕帶的粉粒含量高，砂粒和黏粒含量低。在較大的集水區尺度，相對海拔對集水區的影響很小，這是由于研究區為丘陵溝壑區、地形破碎，相對海拔和坡度等地形因子共同影響局地水熱平衡及土壤侵蝕過程，坡度因子對粒徑的影響占主導作用。

3 結論

(1)沐浴小流域的土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為50.27%，38.83%和10.89%；安塞集水區表層土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為46.20%，43.06%和10.74%。沐浴集水區D值分布在1.86—2.55之間，平均值為2.14，安塞集水區D值分布在1.71—2.55之間，平均值為2.09。研究區由沐浴小流域到安塞集水區，各粒徑百分含量和D值的空間變異性增強。在小流域尺度，土壤質地的空間變異性較小，而在集水區尺度，土壤屬性的變異性有所增加。

(2)沐浴小流域不同土地利用類型的砂粒含量從高到低依次為：荒草地>農用地>林地>灌木林地>園地，集水區的次序為：荒草地>灌木林地>林地>農用地>園地。粉粒含量的次序均與砂粒相反。不同土地利用類型土壤粒徑分形維數D從高到低排序，在沐浴小流域表現為灌木林地>荒草地>林地>園地>農用地，在安塞集水區依次為灌木林地>荒草地>農用地>林地>園地。

(3)小流域D值與粉粒(x1)、砂粒(x2)、黏粒(x3)回歸方程為D=5.918-0.5x1-0.37x2，集水區D值的回歸方程為D=2.161-0.12x2+0.41x3。D值與粉粒極顯著負相關，與黏粒正相關，且隨著研究區尺度的增加，正相關性增強。按質地進行分析，在沐浴小流域，粉壤土、壤土和砂質壤土的D值平均數分別為1.872、2.100和2.255，安塞集水區分別為1.934、2.089和2.227。采集樣品中，土壤顆粒黏粒含量平均值為10.74%，粒徑含量以粉粒和砂粒為主。D值與砂粒含量正相關，砂質壤土D值高于壤土和粉壤土。這種變化在沐浴小流域和安塞集水區的表現是一致的。

(4)土壤性質的變異性是不同尺度地形、土壤母質、土地利用及人為活動等多種因子綜合作用的結果。黃土丘陵溝壑區地貌類型多樣、地形破碎，不同坡位、坡向、海拔影響水熱條件和土壤物質的再分配。其中，在小流域，植被蓋度、相對海拔和坡位對土壤粒徑影響較大；在安塞集水區植被蓋度、土地利用類型和坡度對土壤粒徑影響較大。

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Comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales: a case study in the Loess Hilly-gully area

ZHAO Mingyue1,2, ZHAO Wenwu1,2,*, LIU Yuanxin1,2

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

The land use types and environmental factors have a great significance on soil particle size distribution (PSD). However the effects are different in different scales. Research on the relationship between topsoil particle size distribution and land use & environmental factors can provide a basis for assessing topsoil physical properties in loess hilly-gully area. The study was conducted in the Muyu small watershed and the Ansai catchment in the loess hilly area of the Loess Plateau in China, and the comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales were carried out. The research results showed that: (1) The topsoil in the loess hilly-gully areas of the Loess Plateau are mainly composed of sand and silt in both small watershed and catchment. The percentage of each particle size is medium spatial variability, and the spatial variability ofDis far below of the particle size. But it appears clearly that the spatial variabilities are scale dependent and it increases with the increase of study area. (2)The effects of land use types on soil particle size are different at two scales. The sand content varied with land use in the order: grassland> farmland> woodland> shrub land> orchard land in the Muyu small watershed, and grassland> shrub land> woodland> orchard land> farmland in the Ansai catchment. The silt content varied with land use in the opposite order of the sand content. TheDvalue varied with land use in the order: shrub land> grassland>woodland> orchard land> farmland in the Muyu small watershed, and shrub land>grassland>farmland>woodland>orchard land in the Ansai catchment. (3) In both Muyu small watershed and the Ansai catchment,Dis very significant positive correlation with the soil sand content and clay content, significant negative correlation with soil silt content, andDvalue is much higher in the sandy loam than that in the loam and silt loam. (4) Vegetation cover, altitude and position have more influence on the soil particle size than other factors in the Muyu small watershed, while vegetation cover, land use, and slope influence the soil particle much more greatly in the Ansai catchment.

land use; environmental factors; soil particle size; fractal dimension; scale

國家自然科學基金項目(41390462, 41171069)

2013-11-27;

2014-09-09

10.5846/stxb201311272828

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

趙明月, 趙文武, 劉源鑫.不同尺度下土壤粒徑分布特征及其影響因子——以黃土丘陵溝壑區為例.生態學報,2015,35(14):4625-4632.

Zhao M Y, Zhao W W, Liu Y X.Comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales: a case study in the Loess Hilly-gully area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4625-4632.