重慶市宅基地復墾土源土壤分形特征研究
——以渝西大足區古龍鎮、萬古鎮為例

王　程，龍虹竹，陳國建,2，李春娟，肖卓勇，張　超

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047；2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 400047)

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重慶市宅基地復墾土源土壤分形特征研究
——以渝西大足區古龍鎮、萬古鎮為例

王程1，龍虹竹1，陳國建1,2，李春娟1，肖卓勇1，張超1

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047；2.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 400047)

[摘要]選取重慶市大足區農村宅基地復墾項目的復墾土源為研究對象，分別對地基翻耕土(TS)、土墻搗碎土(WS)和外部客土(OS)這三種主要復墾土源的表土(0～20 cm)進行土樣采集，并利用體積分形維數研究其土壤顆粒組成、分形特征及相互關系，結果表明：①三種復墾土源中，土壤顆粒組成以粉粒(0.002～0.05 mm)為主，按粉粒體積分數均值排序為WS(86.84%)>OS(86.13%)>TS(79.36%)，黏粒(0～0.002 mm)和砂粒(0.05～2 mm)所占比例較低，按黏粒體積分數均值排序為OS(9.24%)>TS(8.97%)>WS(7.49%)，按砂粒體積分數均值排序為TS(12.69%)>WS(5.66%)>OS(4.84%)；②三種復墾土源的土壤顆粒體積分形維數TS為2.56～2.81、WS為2.65～2.74、OS為2.70～2.78，按其均值排序為OS(2.723)>WS(2.696)>TS(2.678)；③土壤顆粒體積分形維數與黏粒體積分數呈顯著的線性正相關，與砂粒體積分數呈線性負相關但線性關系不顯著，與粉粒體積分數不存在一致的相關性；④研究區三種復墾土源土壤結構良好，但并未處于最佳狀態，黏粒含量較理想值低。

土壤顆粒是土壤結構形成的物質基礎，不同粒徑的顆粒組合構成不同的土壤質地類型，進而影響土壤的物理、化學和生物學過程[1]。由于土壤結構組成的復雜性，土壤物理性質的有關測量值呈現出不規則性和隨機性[2]。作為探索不規則結構和形態的工具，分形幾何學被廣泛應用于土壤學研究中[3-5]，推動土壤形態及其形成過程復雜性問題的解決，并在一定程度上使其定量化。Mandelbrot[6]首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型；Tyler等[7]和楊培嶺等[8]在此基礎上，基于土壤密度均一性的假設，推導出了土壤粒徑分布(Soil Particle Size Distribution，簡稱PSD)的質量(重量)分布模型；隨著定量研究的不斷發展，王國梁等[9]又提出了基于土壤顆粒體積的PSD模型。國內外許多學者用分形理論研究了土壤粒徑分形特征[10]，主要集中在不同土壤質地[11-12]、不同土地利用/土地覆蓋[13-14]、不同水土保持措施/生態修復措施[15-16]和礦區土壤重構[17-18]土壤粒徑分布分形特征等方面，但是對農村宅基地復墾土源土壤顆粒分形特征的研究尚未見公開報道。

將農村宅基地進行復墾是保護土地資源、緩解人地矛盾的重要舉措，而復墾土源的土壤結構特征將對復墾土地的質量產生重要影響。重慶市農村宅基地復墾的土源主要有三種：第一種是土墻搗碎土(WS)，即農村廢舊房屋的土墻，經過搗碎及雨水浸潤，形成可供農作物生長的耕作層；第二種是地基翻耕土(TS)；第三種是外部客土(OS)，也就是從復墾區附近運來的表層土壤。

本研究利用馬爾文(Malvern)MS2000激光粒度儀對三種復墾土源的土壤粒徑進行測定，分別計算出各自的體積分形維數，分析三種土源的土壤分形特征，并提出相應的優化措施，以期提高復墾土壤質量、增加農作物產量，為全國其他地區農村宅基地復墾工程設計提供科學依據和實際參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

大足區位于重慶西部、四川盆地東南部，地理位置為東經105°29′～106°02′、北緯29°24′～29°52′。該區土壤多為紫色土，極少部分為黃壤；地貌類型為剝蝕侵蝕低山，采樣點海拔280～450 m；多年平均降水量在1 100 mm以上，降水主要集中在5—10月份。

本研究選取了大足區古龍鎮、萬古鎮典型宅基地復墾耕地中具有代表性的3處采樣區的6塊剛復墾未耕種地塊作為樣地，其中地基翻耕土地塊、土墻搗碎土地塊和外部客土地塊各2個。樣地基本情況見表1。

表1　大足區古龍鎮、萬古鎮樣地基本情況

1.2土壤樣品采集與處理

土壤樣品采集日期為2013年11月，采集時根據地塊大小、形狀在每塊樣地上按照S形隨機確定10個采樣點，用土壤取樣器在每個采樣點附近選取2～3個點采集0～20 cm的耕作層土壤制成混合樣，用四分法留取約0.5 kg作為1份試驗土樣，裝入對應編號樣品袋中，詳細做好樣品標記，并剔除不合格樣品。

土樣帶回實驗室后，剔除土樣中的石礫、碎瓦塊、根莖等雜物，將土樣鋪開置于實驗室陰涼處，自然風干后，用木槌、滾筒研磨，過孔徑2 mm的篩，將篩出來的小于2 mm的土樣進行保存；然后取0.5 g土樣放入500 mL燒杯中，先加30%過氧化氫(H2O2)，在電爐上加熱使其充分反應以有效地除去樣品中的有機質，再加鹽酸(HCl)并煮沸使其充分反應以除去碳酸鹽；接著加超純水稀釋，靜置12 h，除去上清液以除酸，直至pH值在6.5～7.0之間；最后加入六偏磷酸鈉〔(NaPO3)6〕，將土樣溶液攪勻后迅速加入測試杯中，用馬爾文MS2000激光粒度儀進行測定，并開啟超聲波促進土壤顆粒進一步分散，當遮光度介于10%～20%之間時停止加入土壤溶液，根據標準操作程序進行測試和結果保存，得到土壤顆粒不同粒級的體積分數。

1.3研究方法

采用王國梁等[9]推導出的體積分形維數計算方法，其計算公式為

(1)

2結果與分析

2.1三種土源的土壤顆粒組成特征

利用激光粒度分析儀的用戶粒度分級系統將所獲得的60份土樣的土壤粒徑數據按黏粒(0～0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)進行劃分，分別計算出各自的體積分數(表2)。

表2　大足區不同宅基地復墾土源土壤顆粒分級統計

2.1.1三種土源土壤顆粒組成的總體特征

從表2來看，三種復墾土源中，土壤顆粒組成以粉粒為主，其體積分數均值較高，排序為WS>OS>TS；黏粒和砂粒所占比例較低，黏粒體積分數排序為OS>TS>WS，砂粒體積分數排序為TS>WS>OS。

2.1.2三種土源土壤顆粒組成的各自細部特征

(1)地基翻耕土(TS)。黏粒體積分數變幅為3.35%～18.10%，均值為8.97%；粉粒體積分數變幅為66.63%～89.46%，均值為79.36%；砂粒體積分數變幅為0.16%～28.75%，均值為12.69%。體積分數均值排序為粉粒>砂粒>黏粒。同時，我們可以看出，黏粒和砂粒的樣本體積分數變化幅度較大，樣本差異顯著。

(2)土墻搗碎土(WS)。黏粒體積分數變幅為6.07%～11.10%，均值為7.49%；粉粒體積分數變幅為80.31%～90.34%，均值為 86.84%；砂粒體積分數變幅為2.75%～11.41%，均值為5.66%。體積分數均值排序為粉粒>黏粒>砂粒。

(3)外部客土(OS)。黏粒體積分數變幅為7.05%～14.22%，均值為9.24%；粉粒體積分數變幅為81.54%～89.70%，均值為86.13%；砂粒體積分數變幅為0.69%～9.07%，均值為4.84%。體積分數均值排序為粉粒>黏粒>砂粒。

2.2土壤顆粒體積分形維數及決定系數特征描述

在計算三種土源的體積分形維數時，先根據美國制的分類標準，將60份土樣按測得的土壤粒徑數據細分成7個粒徑級(0～0.002、0.002～0.02、0.02～0.05、0.05～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2 mm)，然后根據公式(1)，計算出體積分形維數D，結果見表3。

表3　研究區土壤顆粒體積分形維數

表3表明，三種土源樣地土壤顆粒體積分形維數的均值排序為OS>WS>TS，變異系數排序為TS>OS>WS。地基翻耕土的變異系數較大，說明其分形維數較為離散，樣本差異較大。

2.3土壤顆粒體積分形維數與土壤粒級分布的相關性分析

2.3.1三種復墾土源樣地土壤顆粒體積分形維數與土壤粒級分布的相關性

通過圖1可以看出，TS的體積分形維數與黏粒及粉粒體積分數呈顯著的線性正相關(0.05水平)，而與砂粒體積分數呈線性負相關(0.05水平)；WS和OS的體積分形維數與黏粒體積分數呈顯著的線性正相關(0.05水平)，但與粉粒和砂粒的線性關系不顯著。

圖1　大足區宅基地復墾土源土壤顆粒體積分形維數與土壤粒級分布的關系

為此，我們把三種復墾土源的土壤顆粒體積分形維數與土壤粒級分布的關系總體特征概括如下：三種復墾土源土壤顆粒體積分形維數與黏粒的體積分數呈顯著的正相關，而與砂粒的體積分數呈負相關(線性關系不顯著)，與粉粒的相關性存在著不一致性。這與巨莉等[14]和韋杰等[16]的研究結果類似。

2.3.2線性回歸結果檢驗

上述研究表明，粒徑較小的土壤顆粒含量越高，其體積分形維數越大；反之，則土壤顆粒體積分形維數越小。但將三種復墾土源的黏、粉、砂粒體積分數與其體積分形維數分別進行線性回歸分析，發現土墻搗碎土和外部客土的粉粒和砂粒體積分數變量沒有通過F檢驗和T檢驗，而三種土源的黏粒體積分數與體積分形維數的相關系數在置信水平(0.05水平)，能通過線性回歸分析的一系列顯著性檢驗。

上述線性回歸方程檢驗結果表明，土壤黏粒體積分數對土壤顆粒體積分形維數的影響最為顯著，且呈現出顯著的正相關，而粉粒和砂粒則間接影響體積分形維數的大小[16]。

2.3.3三種復墾土源土壤結構與理想狀況對比分析

有學者認為結構和肥力性狀良好的土壤，其分形維數大致在2.60～2.80，最佳在2.75左右[11-12]。本研究區樣地三種復墾土源的體積分形維數均值都在2.60～2.80，但小于2.75。說明研究區樣地土壤結構良好，但并未處于理想狀態，三種土源黏粒含量較理想狀態低。

3結論與討論

(1)重慶市宅基地復墾土源樣地土壤結構狀況良好，但未處于最佳狀態，黏粒體積分數均值較理想值低。三種復墾土源黏粒含量均值表現為外部客土>土墻搗碎土>地基翻耕土。由于三種復墾土源的黏粒含量均相對較少，說明在宅基地復墾過程中，黏粒屬于結構性缺失。一方面，復墾表土受到人為因素的擾動較大，并不具備自然界土壤的完整結構；另一方面，由于未進行耕種，缺乏作物、植被等對土壤的覆蓋保護，加上雨水侵蝕等因素的影響，導致一部分黏粒的流失。因此，在這三種復墾土源中，宅基地翻耕土較其他兩種土源受到的水力侵蝕較大。

(2)三種復墾土源土壤顆粒體積分形維數與黏粒體積分數呈顯著的線性正相關關系；與砂粒體積分數呈線性負相關，但線性關系并不顯著；與粉粒體積分數線性關系差異較大，不存在一致的相關性。線性回歸結果檢驗表明：三種復墾土源土壤顆粒體積分形維數與黏粒體積分數的線性回歸分析均能通過顯著性檢驗，且呈現顯著的正相關，這說明體積分形維數受黏粒體積分數影響最為顯著。

(3)從三種宅基地復墾土源土壤顆粒體積分形維數的計算結果來看，分形維數均值最高的為外部客土(2.723)，也最接近理想值2.75，土壤結構相對較好，其原因可能是外部客土土壤結構保存完整，并未受到太多人為干擾。為此，在進行宅基地復墾時，一方面，要盡可能多地選擇土壤結構保存相對完整的外部客土，如果外部客土土源數量有限，那么可以考慮多種復墾土源混搭，從而相對改善復墾土源土壤結構；另一方面，要注重對復墾土源進行保護和有效耕作，從而促進糧食增收，推動農村宅基地復墾工程更好地實施。

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(責任編輯徐素霞)

[基金項目]國家自然科學基金項目(41001168)；重慶市自然科學基金項目(CSTC2010BB0326，CSTC2012jjA80008)；重慶市國土資源和房屋管理局2014年度科技計劃項目

[中圖分類號]S152.3

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)06-0065-04

[作者簡介]王程(1990—)，男，陜西商洛市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究；通信作者陳國建(1975—)，男，四川達州市人，副教授，博士，主要從事區域水土保持研究。

[收稿日期]2015-08-21

[關鍵詞]宅基地復墾；不同土源；土壤粒徑；體積分形維數；對比分析；重慶市