滇東喀斯特山原紅壤退化過程中剖面顆粒分形特征

張 磊, 王家文, 王嘉學, 尹一凡, 趙 茜, 肖夢景

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650092; 2.昆明理工大學 環境科學與工程學院, 昆明 650093)

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滇東喀斯特山原紅壤退化過程中剖面顆粒分形特征

張 磊1, 王家文2, 王嘉學1, 尹一凡1, 趙 茜1, 肖夢景1

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650092; 2.昆明理工大學 環境科學與工程學院, 昆明 650093)

山原紅壤是在古氣候影響下殘存于高原面的古紅土，近年來退化嚴重。為認識山原紅壤的質地和退化程度，以滇東山原紅壤典型發育地帶為研究對象，對灌叢、草地、松林、紅裸土剖面的土壤顆粒分形特征進行研究分析。結果表明：土壤顆粒分形維數在2.734～2.829，土壤質地整體屬于粉質粘壤土。隨著深度的增加，灌叢、草地、松林的土壤分形維數逐漸變大，紅裸土則呈現出相反的規律。黏粒含量與土壤顆粒分形維數在土壤剖面上表現出相同的變化規律，砂粒和粉粒規律不明顯。分形維數與黏粒呈極顯著正相關，主要由黏粒決定，與粗砂呈負相關，與細砂和粉粒呈正相關，但均不顯著(p<0.05)。分形維數與有機質呈正相關，與速效鉀、速效磷、硝態氮呈負相關，均不顯著(p<0.05)。分形維數可以表征山原紅壤退化過程中剖面質地的均一程度，作為判斷土壤質地差異的重要指標，在一定程度也可以反映土壤的肥力特征。

山原紅壤; 剖面; 質地; 分形維數

從植被冠層到地下含水層的部位被稱為“地球關鍵帶”，土壤作為地球關鍵帶的核心要素，不僅為許多生物、物理和化學過程的進行提供場所，也為植物的生長和發育提供必要的壞境[1-2]。山原紅壤是云貴高原主要的土壤類型之一，有別于其它紅壤，目前多認為是在第三紀末期以來，早期高溫高濕條件下經脫硅富鋁化形成的大面積深厚高富鋁紅色風化殼，伴隨著新構造運動大面積間歇性均衡抬升隆起后發育形成的[3]。山原紅壤區廣布喀斯特地貌，土體深厚，適宜多種林木、牧草和農作物生長，近年來，山原紅壤退化嚴重，局部地段已多年裸露，呈現出一種與石漠化相伴生的特殊“土漠化”景觀——“紅裸土”。

土壤退化(Soil degradation)的過程中，土壤的養分狀況和物理性質也會隨之變化[4-5]。土壤在物理性質方面的退化首先表現為地表物質顆粒組成的變化，在自然狀態下，土壤的退化在地表最直接的表現是覆被類型的變化，這是由于植被與土壤是相互作用協調發展的統一體，植被的演替伴隨著土壤性狀的改變[6]。因此，對山原紅壤退化過程中不同覆被下土壤粒徑分布特征的分析，對研究區土壤水土流失以及生態恢復有著重要的意義。

土壤粒徑分布的測量方法主要有直接測量法、沉降法、顯微鏡法等，近年來激光粒度分析儀得到了廣泛的應用，激光測量法具有適應性廣、測量迅速、和精度較高等優點，但該方法測量的粒徑范圍仍然有限[7]。為了對土壤粒徑分布進行定量化描述，Tyler等[8]建立了用土壤粒徑的體積分布計算土壤的粒徑分布的三維空間分形維數模型，Tyler等[9]和楊培嶺等[10]分別推導出計算土壤粒徑分布分形維數的重量分布模型。

研究表明，土壤顆粒組成與成土母質及其理化性狀和侵蝕強度密切相關，土壤的粒徑分布在一定程度上決定了土壤的結構和性質，常被作為分析和預測土壤性質的重要指標[11-16]。現有研究對其他土壤的顆粒分形作了較為詳細的定量化分析，但對喀斯特地區山原紅壤的分形維數鮮有報道。本文選擇滇東喀斯特山原紅壤區未受人為耕作影響的4種不同覆被條件下土壤剖面土壤的粒度組成和分形特征，以及與土壤肥力之間的相互關系，確立不同覆被土壤剖面顆粒體積分形維數的變化規律，可以為喀斯特山原紅壤的固有屬性和土壤肥力狀況研究提供重要參數，并為研究區土壤水土流失以及生態恢復等實踐活動提供基礎科學資料。

1　研究區概況

云貴高原喀斯特山原紅壤區地形復雜、景觀破碎，耕作土受人為活動的影響較大，同一區域同一坡面不同覆被條件的自然土樣能更好地揭示山原紅壤退化中的顆粒分形的規律。經過野外考察和室內遙感資料分析，本文在遴選的14個坡面綜合分析基礎上，選擇云南省富源縣海田后山西南向坡面作為研究樣區。樣區位于小江斷裂東側的烏蒙山脈中段的準高原面上，均為山原紅壤，下伏二疊紀淺海相灰巖，同時具有云南松林、火棘灌叢、草地(主要為扁茅)和裸地(“紅裸土”)4種覆被條件(基本情況見表1)。本區夏半年受西南季風和東南季風控制，溫暖濕潤，冬半年受熱帶大陸氣團控制，干燥少雨[17]。近30 a平均降雨為1 084 mm，年平均氣溫14℃左右，年日照時數在1 328～1 800 h，pH值為5.26～7.50，屬于酸性土和中性土。山頂部位及部分坡面石漠化嚴重，云南松林、火棘灌叢、扁茅及紅裸土斑塊呈面積不大的散塊狀與裸巖相伴，坡麓及坡面局部為低產坡耕地，部分已撂荒。

表1　樣地基本情況

2　材料與方法

2.1樣品的采集

2013年9月，在考慮其下伏基巖均為二疊紀灰巖，坡度、坡向和海拔等環境條件大體相似的基礎上，采用隨機采樣法，選取云南松林、火棘灌叢、草地、紅裸土4種不同覆被條件下的山原紅壤進行剖面采樣，使用GPS定位，在不同覆被條件下選取代表性地段，設置3個(1 m×1 m)樣方，用陶瓷工具(避免對測定微量元素的影響)每層10 cm，按照土壤發生層次采集剖面土壤樣品(采樣過程中發現C層厚度薄且不明顯，為了反映剖面的整體變化規律，將B層與基巖結合處10 cm土層歸為C層，紅裸土缺失A層)，將每種利用類型的相同層次進行混合(10 cm)，總重量控制在1 kg左右，具體層次劃分見表2，以備實驗室對土壤顆粒的測定。

2.2土壤顆粒的測定

將采集的樣品帶入實驗室，經過自然風干，過2 mm的篩子，用4分法取出約0.5 g土樣置于100 ml玻璃杯，用氫氧化鈉溶液浸泡24 h，使土粒分散，超聲波振蕩約5 min，在土壤理化實驗室用馬爾文激光粒度儀(MALVERN2 000)測定土壤顆粒，其測定范圍為0.002～2 mm，粒徑分別設為2～1 mm(x1)，1～0.5 mm(x2)，0.5～0.25 mm(x3)，0.25～0.1(x4)，0.1～0.05 mm(x5)，0.05～0.002 mm(x6)，<0.002 mm(x7)。重復測量誤差小于2%(文中數據為重復測定三次取平均值)，在測定過程中要根據土壤顆粒的實際情況進行泵速的調整，及時清洗泵管，確保數據的可靠性。

根據粒度儀分析得到樣品的粒級體積百分含量數據，采用楊培嶺等[10]提出的體積分形維數計算方法，得出土壤粒徑分布的體積分維維數(FD)。

2.3土壤肥力的測定

有機質分析采用室內水合熱—光電比色法測定，其他性質測定參照文獻[18]，所有樣品均三次重復測定，取平均值。

2.4數據統計分析采用

試驗數據采用Excel2007和SPSS19.0軟件進行統計分析，單因素方差分析(One-wayANOVA)方法進行數據間的顯著性分析，在差異顯著時進行多重比較(p<0.05，LSD，T檢驗)，用Origin9.0制圖。

3　結果與分析

3.1土壤機械組成特征

研究區不同覆被土壤剖面粉粒(0.002～0.05mm)含量最高，在49.80%～69.32%，平均值為(57.49±5.68)%(n=11)，黏粒(<0.002mm)在24.37%～44.21%，平均值為(34.81±5.75)%(n=56)，砂粒(0.05～2mm)含量最少，在3.02%～13.77%，平均值為(7.71±4.43)%(n=11)。根據美國制土壤質地分類標準，研究區不同覆被剖面土壤質地整體土壤質地整體屬于粉質黏壤土，松林的A層屬于粉砂壤土，是由于粉粒含量多，C層屬于粉質黏土，則是由于其黏粒含量多的原因。

3.2土壤顆粒的分形特征

研究區不同覆被下土壤剖面上的分形維數在2.701～2.837 (表2)，平均值為2.771，大于農業上大多數的壤土平均值(2.645)[19-20]。

從表2可知，4種不同覆被A層土壤顆粒的分形維數為：草地(2.751)>灌叢(2.734)>松林(2.701)，差異顯著(p<0.05)，這主要是相比松林，灌叢和草地擁有大量的枯枝落葉層，可以有效攔截水流中的細粒物質，使得草地、灌叢A層的黏粒分別達到32.40%和28.89%。

表2　土壤顆粒的分形特征

B層與A層呈現出不同規律：灌叢(2.795)>草地(2.786)>紅裸土(2.781)>松林(2.752)，其中，灌叢和草地分形維數顯著大于松林的值(p<0.05)，這可能和灌草根系的生長會產生大量纏繞菌絲，進一步對土壤的物理、化學和酶的活性產生影響，使得土壤的風化速度加快，有利于細粒的固定有關。C層呈現出松林(2.834)>灌叢(2.800)>草地(2.786)>紅裸土(2.754)的規律，這與土壤的質地有關系。

3.3土壤顆粒及分形維數在土壤剖面上的變化

圖1反映了4種不同覆被下土壤的顆粒組成和分形維數在土壤剖面上的變化。黏粒和分形維數在剖面上均呈現出一致的規律，砂粒和粉粒與分形維數的變化規律不明顯。

松林的土壤分形維數變異程度最為顯著(p<0.05)，A層的土壤分形維數為2.701，隨土層加深分形維數分別增加到B層的2.752，C層的2.834，這和其A層黏粒的含量最少，C層黏粒含量最多有直接關系。灌叢、草地、松林土壤分形維數均呈現出A層C層的規律，由于紅裸土B層上層的黏土層厚度大，使其緊實而通氣透水性能差，干時堅硬易龜裂，濕時膨脹易閉結，不易旱，亦不耐澇，使得植被的根系難以發育生長，是不良質地的剖面。

圖1　土壤顆粒及分形維數在土壤剖面上的變化

3.4分形維數與粒徑分布的關系

對不同覆被下土壤剖面顆粒體積分形維數(FD)與土壤粒徑的體積百分含量分別做回歸分析，統計分析結果表明山原紅壤退化過程中土壤分形維數與土壤各粒徑的體積百分含量的分布均相關(圖2)。其中，FD與0.25～2 mm呈負相關，但不顯著(p<0.05)，相關系數為-0.078，與0.05～0.25 mm和0.002～0.05 mm土壤粒徑呈正相關，均不顯著(p<0.05)，相關系數分別為0.187，0.300，與<0.002 mm土壤粒徑存在呈極顯著性正相關(p<0.05)，相關系數到達0.958。表明土壤剖面砂粒含量越高，分形維數越小，土壤質地越松散，黏粒含量越高，分形維數越大，質地越細，土壤越緊實。這與很多學者對不同區域土壤的分形維數研究結果一致[13-14,20-21,23]。因此，土壤粒徑分形維數可以表征山原紅壤退化過程中土壤剖面質地的均一程度，可以作為判斷土壤質地差異的重要指標。

3.5分形維數與肥力的關系

土壤肥力是土壤的本質屬性和特殊功能，它反映了土壤系統本身的物質成分、結構和土體構型，以及土壤各種過程和性質，而土壤的顆粒組成則是構成土壤結構的物質基礎，其質地狀況會直接影響到土壤的理化性質，進一步影響土壤的肥力[20,24-26]。

土壤肥力與分形維數的線性回歸(圖3)：土壤分形維數與有機質呈現出正相關(p<0.05)，與速效鉀、速效磷、硝態氮均呈負相關，均不顯著(p<0.05)，表明分形維數越大，有機質含量越高，速效鉀、速效磷、硝態氮的含量則越少。因此土壤顆粒分形可以在一定程度上反映山原紅壤退化過程中剖面的土壤肥力狀況。

劉陽等的研究表明分形維數與速效氮和有機質呈顯著負相關，與速效鉀呈負相關，但相關性不顯著。程先富[27]、張昌順等[21]認為分形維數與有機質呈負相關，但張昌順認為分形維數與速效磷呈極顯著負相關。周先容[28]、伏耀龍[23]、李進峰[29]等的研究表明分形維數和有機質沒有達到顯著水平，趙來[25]、賈曉紅[30]、趙文智[16]等認為分形維數和有機質存在顯著正相關關系。本研究與其他研究結果尚有差異，這主要受土壤類型、質地類型和母巖的不同而具有很強的空間特異性的原因。

圖2　土壤顆粒含量與分形維數的關系

圖3　土壤肥力與分形維數的關系

4　結 論

(1) 研究區不同覆被下土壤剖面上的分形維數在2.734～2.829，土壤質地整體屬于粉質黏壤土。

(2) A，B，C各層土壤顆粒的分形維數在不同覆被下規律不明顯。灌叢、草地、松林的分形維數土壤剖面上均呈現出A層C層的規律，紅裸土剖面為不良質地剖面，使得植被根系難以發育。黏粒含量與土壤顆粒分形維數在土壤剖面上表現出相同的變化規律，砂粒和黏粒規律不明顯。

(3) 分形維數能夠表征土壤顆粒特征，但對不同粒級顆粒含量的反映程度不同。山原紅壤分形維數與黏粒呈極顯著正相關(p<0.05)，與粗砂呈負相關，與細砂和粉粒呈正相關，但均不顯著(p<0.05)。土壤粒徑分形維數在一定程度上可以表征山原紅壤退化過程中土壤質地的均一程度，可以作為判斷土壤質地差異的重要指標。

(4) 分形維數與有機質呈正相關，與速效鉀、速效磷、硝態氮負相關，均不顯著(p<0.05)，在一定程度可以反映山原紅壤退化過程中剖面的肥力特征。

[1]張磊,王嘉學,劉保強,等.喀斯特山原紅壤退化過程中土壤表層團聚體變化規律[J].山地學報,2015,33(1):8-15.

[2]李小雁.干旱地區土壤—植被—水文耦合、響應與適應機制[J].中國科學:地球科學,2011，41(12):1721-1730.

[3]周樂福.云南土壤分布的特點及地帶性規律[J].山地學報,1983,1(4):31-38.

[4]趙中秋,后立勝,蔡運龍.西南喀斯特地區土壤退化過程與機理探討[J].地學前緣,2006,13(3):185-189.

[5]趙勇鋼,趙世偉,華娟,等.半干旱典型草原封育草地土壤結構特征研究[J].草地學報,2009,17(1):106-112.

[6]陳孫華.衡陽紫色土丘陵坡地不同恢復階段土壤理化特征[J].水土保持研究,2013,20(1):57-60.

[7]陳子玉,顧祝軍.南方水蝕區不同侵蝕程度土壤粒徑分形研究[J].水土保持研究,2013,20(4):13-16.

[8]Tyler S W, Wheatcraft S W. Application of fractal mathematics to soil water retention estimation[J]. Soil Science Society of America Journal, 1989,53(4):987-996.

[9]Tyler S W,Wheatcraft S W. Fractal scaling of soil particle size distributions:analysis and limitation[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992,56(2):362-369.

[10]楊培嶺,羅遠培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學通報,1993,38(20):1896-1899.

[11]羅明達,楊吉華,房用,等.沂源石灰巖山地不同植被類型土壤顆粒分形特征研究[J].水土保持研究,2010,17(3):18-21.

[12]高君亮,李玉寶,虞毅,等.毛烏素沙地不同土地利用類型土壤分形特征[J].水土保持研究,2010,17(6):220-223.

[13]杜海燕,周智彬,劉鳳山,等.綠洲化過程中阿拉爾墾區土壤粒徑分形變化特征[J].干旱區研究,2013,30(7):615-622.

[14]羅緒強,王世杰,張桂玲,等.喀斯特石漠化過程中土壤顆粒組成的空間分異特征[J].中國農學通報2009,25(12):227-233.

[15]姜永見,朱麗東,葉瑋,等.廬山JL剖面紅土粒度體積分形特征及其環境意義[J].山地學報,2008,26(1):36-44.

[16]趙文智,劉志民,程國棟.土地沙質荒漠化過程的土壤分形特征[J].土壤學報,2002,39(6):877-881.

[17]陳虎,王嘉學,胡燦燦,等.滇東喀斯特地區石漠化裸露紅土的表層有機質含量分析[J].中國巖溶,2012,31(4):423-425.

[18]鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京:中國農業出版社,2000.

[19]李德成,張桃林.中國土壤顆粒組成的分形特征研究[J].土壤與環境,2000,9(4):263-265.

[20]王賢,張洪江,程金花,等.重慶四面山幾種林地土壤顆粒分形特征及其影響因素[J].水土保持學報,2011,25(3):154-159.

[21]張昌順,范少輝,漆良華,等.閩北典型毛竹林土壤微團聚體分形特征研究[J].水土保持報,2008,22(6):170-175.

[22]劉陽,陳波,楊新兵,等.冀北山地典型森林土壤顆粒分形特征[J].水土保持學報,2012,26(3):159-164.

[23]伏耀龍,張興昌,王金貴.岷江上游干旱河谷土壤粒徑分布分形維數特征[J].農業工程學報,2012,28(5):120-125.

[24]葛東媛,張洪江,鄭國強,等.重慶四面山4種人工林地土壤粒徑分形特征[J].水土保持研究,2011,18(2):148-151.

[25]趙來,呂成文.土壤分形特征與土壤肥力關系研究：以皖南地區水稻土為例[J].中國土壤肥料,2005(6):7-11.

[26]黃安,謝賢健,周貴堯,等.內江市微地形條件影響下土壤團聚體穩定性及分形特征[J].水土保持研究,2012,19(6):77-81.

[27]程先富,史學正,王洪杰.紅壤丘陵區耕層土壤顆粒的分形特征[J].地理科學,2003,23(5):617-621.

[28]周先容,陳勁松.川西亞高山針葉林土壤顆粒的分形特征[J].生態學雜志,2006,25(8):891-894.

[29]李進峰,宮淵波,陳林武.廣元市不同土地利用類型土壤的分形特征[J].水土保持學報,2007,21(5):167-171.

[30]賈曉紅,李新榮,李元壽.干旱沙區植被恢復過程中土壤顆粒分形特征[J].地理研究,2007,26(3):518-525.

Fractal Characteristics of Particles in Soil Profile During the Process of Mountain Red Earth Degradation in the Karst Area of East Yunnan

ZHANG Lei1, WANG Jiawen2, WANG Jiaxue1, YIN Yifan1, ZHAO Qian1, XIAO Mengjing1

(1.School of Tourism and Geographical Science, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650092, China； 2.Faculty ofEnvironmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Mountain red earth is the relic ancient clay remained on the Yunnan Plateau formed under the influence of paleoclimate, however, this soil has experienced degradation recently. To understand the texture and the degree of degradation of mountain red earth, this study examined the mountain red earth based on the analysis of soil profile particle volume fractal dimension (FD) associated with different vegetation types. Particularly, soil samples were taken from areas covered with pineland, shrubland, grassland or unvegetated red soils respectively in the karst area of east Yunnan. The results indicated that FD varied from 2.734 to 2.789, which overall belonged to the silty clay loam. Soil FDs of shrublands, grassland, and pineland became larger with the increase of depth, while red bare soil presented the opposite trend. And the relationship between the content of clay particle and the FD in the soil profile showed the same trend while the distribution charateristics of sand and silt in the soil profile were not obvious. There was a significantly positive correlation between FD and clay which was mainly decided by the clay. FD was negatively correlated with coarse sand, and positively correlated with fine sand and silt. So FD can be expressed in a uniform degree of soil texture in the mountains red earth of degradation process, and an important indicator to determine differences in soil texture. FD was significantly positively correlated with organic matter, and negatively correlated with potassium, available phosphorus, and nitrate nitrogen. Therefore, FD can be used to describe the fertility levels of degradation of mountain red earth fertility characteristics of the soil profile.

mountain red earth; soil profile; texture; fractal dimension

2014-08-30

2014-09-15

國家自然科學基金(41061021);云南省科技計劃專項(2012CA024)

張磊(1989—),男,陜西商洛人,碩士研究生,主要從事區域環境與土壤恢復研究。E-mail:646595296@qq.com

王家文(1975—),男,云南富源人,博士生,主要從事環境退化與生態建設研究。E-mail:15368146672@163.com

S155

A

1005-3409(2015)04-0018-06