黃土丘陵不同土地利用方式下土壤顆粒組成及其分形維數特征

楊 婷, 景 航, 姚 旭, 董昌平, 由 政, 薛 萐,2

(1.西北農林科技大學， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.重慶市渝北區華鎣山林場, 重慶 401120)

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黃土丘陵不同土地利用方式下土壤顆粒組成及其分形維數特征

楊 婷1, 景 航1, 姚 旭1, 董昌平3, 由 政1, 薛 萐1,2

(1.西北農林科技大學， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.重慶市渝北區華鎣山林場, 重慶 401120)

采用野外采樣與室內分析方法，運用顆粒體積分形理論，研究了黃土丘陵區4種土地利用方式下的土壤顆粒組成及其剖面特征。結果表明，4種土地利用方式下的土壤理化性質差異顯著，表層土壤除全磷外化學性質總體表現為天然林>人工林>草地>坡耕地，容重坡耕地>草地>人工林>天然林，50—100 cm土壤性質差異減小。土壤以粗粉粒為主，除粗砂粒外，土地利用對其余各粒級含量影響顯著，層次性不明顯，坡耕地和草地小粒級含量高于天然林和人工林。黏粒和粉粒含量與有機質、全氮極顯著負相關，與容重極顯著正相關；砂粒與有機質和容重極顯著正相關，與容重呈極顯著負相關。土壤顆粒組成分形維數為2.52～2.74，各層次坡耕地和草地之間沒有顯著差異，但顯著高于人工林和天然林，隨著土層加深坡耕地呈緩慢降低趨勢，草地、人工林和天然林呈緩慢增加趨勢。土壤分形維數與黏粒和粉粒和容重顯著正相關，與砂粒、有機質、全氮顯著負相關，與全磷無顯著相關性。綜上所述，黃土丘陵區不同土地利用方式下土壤顆粒組成差異較大，草地和林地相對于坡耕地大顆粒含量明顯增多，小顆粒明顯減少。

黃土丘陵區; 土地利用方式; 顆粒組成; 分形維數

土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質，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、肥力狀況以及侵蝕強度等理化性質[1-2]。近年來隨著分形幾何學的發展，分形理論及其方法逐步應用到來土壤科學研究中，涉及了土壤機械組成、水分特征、土壤肥力等方面，在一定程度上推動土壤形態、過程等復雜問題的定量化解決[3]。Tyler[4]、楊培嶺[5]等提出土壤顆粒粒徑分布的質量分形維數計算公式，黃冠華等[6]應用土壤顆粒的質量分形維數結合冪函數模型來估算土壤水分特性曲線。吳承禎等[7]研究表明分形維數可以很好地反映土壤的肥力特征。隨著激光衍射技術的發展和應用，土壤顆粒體積分布特征更容易且精確得到，王國梁等[8]在前人的公式和模型的基礎上，采用土壤顆粒體積分形維數的概念，被越來越多的學者應用于土壤分形特征的研究中。

土地利用與覆被變化是全球變化研究的熱點問題。土地利用變化可引起許多自然現象和生態過程變化，揭示土壤顆粒組成變化特征是土地利用和管理活動研究中的一個重要部分。通過不同土地利用方式土壤顆粒時空分異特征，可以分析土壤的發育狀況，物理化學性狀及生態環境變化情況，研究表明土壤分形維數值可以作為土壤侵蝕方式的判斷指標[9-11]。黃土高原丘陵區地形破碎，土質疏松，抗蝕力弱，脆弱的自然生態系統疊加了不合理的人類活動導致自然植被破壞，土壤結構疏松，是中國水土流失嚴重的地區之一，近年來開展的生態建設和退耕還林(還草)生態工程極大地改善了該區的生態環境，使得該區的生態環境得到了相應改善。本文以黃土丘陵區的不同土地利用類型土壤為研究對象，分析不同深度土壤顆粒組成及其分形維數特征，探討其與土壤養分的關系，以期為進一步揭示土壤顆粒組成的分形維數的內涵，將土壤顆粒分形維數應用于判斷黃土高原地區生態恢復情況的評價指標提供數據支持。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于陜西省延安市志丹縣境內，地處黃土高原中部(108°38′—110°29′E，36°21′—37°19′N)，該區地形破碎，溝壑縱橫，梁峁起伏，屬黃土丘陵溝壑地貌，為典型的侵蝕環境，海拔1 068～1 609 m，屬暖溫帶半干旱季風氣候，年平均溫度為9.2℃，平均無霜期142 d，年平均降雨量500 mm，降水年際變化較大，且年內分配不均，大部分降水在7—9月。土壤為黃土母質上發育的黃綿土，土壤抗沖抗蝕能力差。植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶。

1.2樣地選擇和樣品采集

2011年7月下旬，在研究區選取4種不同土地利用類型，分別為人工側柏林、天然遼東櫟林、草地和坡耕地，記錄取樣點的坡度、坡位、坡向、地形、海拔等環境因子特征(表1)。在每種土地利用方式選取20 m×30 m的研究小區，每個小區間隔200 m以上，其中在草地設置4個重復，其余為3個重復，共計13個研究小區。每個小區內選取10個點，用土鉆按“S”形取出。取樣前去除表層的植被與枯落物，對0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm，50—100 cm的土壤進行樣品收集，采集樣品混合風干后，過1 mm和0.25 mm篩，裝袋待測，共計65個樣品。

1.3測定與計算方法

土壤顆粒組成采用英國馬爾文公司的MS 2000型激光粒度儀測定。土壤化學性質采用常規測定方法[12]。有機碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法；全氮用半微量凱氏法；全磷用硫酸—高氯酸消煮法；土壤容重采用環刀法測定。

根據激光顆粒儀所獲得粒徑體積數據，采用王國梁等[8]提出的計算公式計算土壤顆粒分形維數:

1.4數據處理

所測數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0軟件進行統計分析，多重比較采用Duncan 法。

表1　樣地基本特征

2　結果與分析

2.1不同土地利用方式下土壤理化性質

除全磷外，土地利用方式和土壤深度對土壤理化性質影響顯著(圖1)。不同土地利用方式下土壤有機質和全氮含量變化規律相似，在0—10 cm均表現為天然林>人工林>草地>坡耕地；10—20 cm天然林最高，其次是人工林和草地，兩者沒有顯著差異，高于坡耕地但是僅草地有機質含量達到顯著水平；20—30 cm天然林和草地顯著高于人工林和坡耕地，人工林高于坡耕地但是未達到顯著水平；30—50，50—100 cm天然林和草地高于人工林和坡耕地，但是總體上未達到顯著水平。有機質和全氮含量在各土地利用方式中呈現明顯的剖面特征，從表層到下層依次降低。不同土地利用方式下的土壤容重從表層向下逐漸增加，各土層均表現為坡耕地最大，其次為草地、人工林，天然林最低，其中坡耕地在0—50 cm顯著高于其他土地利用方式，人工林和天然林在各土層均沒有顯著差異。

圖1　不同土地利用方式下的土壤理化性質分異特征

2.2不同土地利用方式下土壤顆粒組成特征

按照中國土壤粒級分類制度將土壤顆粒劃分6級，具體見表2。粗粉粒(52.6%～60.4%)所占比例最高，其次依次是細砂粒(16.3%～32.0%)、黏粒(6.7%～17.3%)、中粉粒(3.8%～7.4%)、細粉粒(2.3%～4.8%)和粗砂(0%～2.6%)。除粗砂粒外，不同土地利用方式下其余各粒級含量差異顯著，隨土層深度變化各粒級變化無明顯規律。在各土層下不同粒級整體表現為坡耕地與草地之間差異不顯著，天然林與人工林之間差異不顯著，坡耕地和草地小粒級含量高于天然林和人工林。

表2　土壤顆粒組成體積百分含量 　%

2.3土壤分形維數及其與土壤顆粒組成關系

根據體積分形維數計算公式，計算土壤樣品的分形維數D值分布在2.52～2.74(圖2)。土地利用方式下土壤顆粒分形維數差異顯著，各層次坡耕地和草地沒有顯著差異，但顯著高于人工林和天然林，天然林僅在0—10 cm顯著低于人工林，其余層次二者均無顯著差異。

隨著土層加深僅坡耕地呈緩慢降低趨勢，草地、人工林和天然林均呈緩慢增加趨勢。相關性分析結果表明土壤分形維數D值與黏粒和粉粒的體積百分含量呈顯著正相關關系，與砂粒體積百分含量呈顯著負相關關系(圖3)。

2.4土壤顆粒組成、分形維數與土壤性質的關系

相關性分析結果表明(表3)，土壤分形維數D值與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關關系，與砂粒體積百分含量呈顯著負相關關系；與有機質、全氮呈極顯著

負相關，與容重極顯著正相關，與全磷無顯著相關性。

黏粒含量與砂粒、有機質、全氮呈極顯著負相關，與容重極顯著正相關；粉粒與砂粒、有機質、全氮呈極顯著負相關，與容重顯著正相關；砂粒與粉粒、黏粒和容重呈極顯著負相關，與有機質和容重極顯著正相關；各顆粒組成均與全磷無顯著相關性。

圖2　不同土地利用方式土壤顆粒體積分形維數的剖面特征

圖3　分形維數D值與土壤粒徑體積百分數的關系

土壤性質分行維數黏粒體積分數粉粒體積分數砂粒體積分數有機質全氮全磷黏粒體積分數0.991**粉粒體積分數0.285*0.191砂粒體積分數-0.889**-0.844**-0.688**有機質-0.536**-0.478**-0.570**0.665**全氮-0.463**-0.412**-0.544**0.602**0.983**全磷-0.160-0.138-0.2240.2250.542**0.602**容重0.573**0.555**0.305*-0.577**-0.652**-0.670**-0.162

注：**表示相關性極顯著(p<0.01)，*表示相關性顯著(p<0.05)。

3　討 論

土壤顆粒組成是土壤重要的物理特性之一，對土壤肥力狀況、水分特征等物理性質有著明顯影響，在反映土地利用方式變化對土壤侵蝕的影響有重要的意義。本研究中土壤顆粒組成以粗粉粒(0.05～0.01 mm)為主，與前人研究結果相似[13-14]，符合劉東生[15]劃分的黃土帶特征。相較于坡耕地，天然林、人工林和草地在0—20 cm土層土壤大粒徑顆粒呈現增加趨勢，其中林地增加幅度達到顯著水平。坡耕地由于人為耕作導致土壤結構體破壞，小粒徑顆粒很難形成大顆粒，另一方面由于耕作管理方式和土壤侵蝕的作用，坡耕地的作物秸稈和根系很難返回到土壤中，從而降低了有機物質對土壤顆粒的粘結作用，因此坡耕地的耕作層小粒徑顆粒較多[16-17]。草地和林地由于無耕作措施，增加了根系對土壤團聚體的粘結作用，促進了小顆粒通過團聚作用形成大顆粒，在本研究中林地中大粒徑增加幅度要大于草地，該結論和丁敏等[18]研究結果相似，這主要是由于林地較草地有更好的植被群落結構，凋落物和根系更為豐富，對小粒徑顆粒的粘結作用更加大，另外良好的植被層次保證了林地水分條件更好，為微生物提供了更好的生境，促進了微生物的生長與代謝，進一步促進了小粒徑團聚為大粒徑。

分形維數常被用來反映土壤質地、均一程度、物理性狀及肥力特征，與土壤結構穩定性關系緊密，分形維數越小結構穩定性越強[19-20]。本研究中發現天然林和人工林在各土層分形維數均低于坡耕地和草地，表明林地的土壤結構較好，結構性更強，這和林地具有較好的植被群落結構和復雜的根系系統有關，根系對土壤的穿插和纏結加速了土壤結構體的形成，根系表面的分泌物、根毛等物質也促進了土壤顆粒的粘結，提高了結構體的穩定性。草地雖然較坡耕地沒有顯著變化，但是在0—20 cm仍舊呈降低趨勢，表明耕作對結構體的影響還是比較明顯的。土壤顆粒分形維數的大小與土壤質地密切相關。土壤質地越粗分形維數越小，質地越細分形維數越大。這與伏耀龍對岷江上游干旱河谷不同土地利用方式下土壤表層的體積分形維數的研究結論較為一致。楊培嶺等[5]發現，土壤顆粒質量分形維數與土壤黏粒、粉粒、砂粒的質量百分含量均具有極顯著的相關關系，其中黏粒含量越高，土壤質量分形維數越大，粉粒和砂粒含量越高，土壤質量分形維數越低。本研究土壤黏粒、粉粒含量與土壤有機質、土壤全氮含量均達到了極顯著負相關水平，而土壤砂粒含量與土壤有機質、全氮含量為正相關，而土壤顆粒組成與土壤全磷含量均未達到顯著水平，這和黨亞愛等[9]的研究結果相似，證明了土壤顆粒組成繼承了土壤母質的特征，受環境生態等過程的影響。

4　結 論

(1) 黃土丘陵區4種土地利用方式下的土壤理化性質差異顯著，表層土壤除全磷外化學性質總體表現為天然林>人工林>草地>坡耕地，容重坡耕地>草地>人工林>天然林，50—100 cm土壤性質差異減少。

(2) 土壤以粗粉粒為主，除粗砂粒外，不同土地利用方式下其余各粒級含量差異顯著，層次性不明顯，坡耕地和草地小粒級含量高于天然林和人工林。土壤顆粒組成分形維數為2.52～2.74，各層次坡耕地和草地沒有顯著差異，但顯著高于人工林和天然林。隨著土層加深坡耕地呈緩慢降低趨勢，草地、人工林和天然林呈緩慢增加趨勢。

[1]魯植雄,張維強,潘君拯.分形理論及其在農業土壤中的應用[J].土壤學進展,1994,22(5):40-45.

[2]董莉麗,鄭粉莉.陜北黃土丘陵溝壑區土壤粒徑分形特征[J].中國水土保持科學,2009,7(2):35-41.

[3]Campbell P, Abhyankar S. Fractals, form, chance and dimension[J]. The Mathematical Intelligencer, 1978,1(1):35-37.[4]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.

[5]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.

[6]黃冠華,詹衛華.土壤水分特性曲線的分形模擬[J].水科學進展,2002,13(1):55-60.

[7]吳承禎,洪偉.不同經營模式土壤團粒結構的分形特征研究[J].土壤學報,1999,36(2):62-166.

[8]王國梁,周生路,趙其國.土壤顆粒的體積分形維數及其在土地利用中的應用[J].土壤學報,2005,42(4):545-550.

[9]黨亞愛,李世清,王國棟,趙坤.黃土高原典型土壤剖面土壤顆粒組成分形特征[J].農業工程學報,2009,25(9):74-78.

[10]董莉麗,鄭粉莉.陜北黃土丘陵溝壑區土壤粒徑分形特征[J].中國水土保持科學,2009,7(2):35-41.

[11]王德,傅伯杰,陳利頂,等.不同土地利用類型下土壤粒徑分形分析:以黃土丘陵溝壑區為例[J].生態學報,2007,27(7):3081-3089.

[12]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2001.

[13]陳俊杰,孫莉英,蔡崇法,等.不同土壤坡面細溝侵蝕差異與其影響因素[J].土壤學報,2013,50((2):281-288.

[14]黃自立,張文孝.陜北黃綿土的性質與改良利用[J].土壤通報,1987(3):108-110.

[15]劉東生.黃土與環境[M].北京:科學出版社,1985.

[16]孫彩麗,薛萐,劉國彬,等.黃土區不同施肥對土壤顆粒及微團聚體組成的影響[J].植物營養與肥料學報2014,20((3):550-561.

[17]張超,劉國彬,薛萐,等.黃土丘陵區不同植被類型根際土壤微團聚體及顆粒分形特征[J].中國農業科學,2011,44(3):507-515.

[18]丁敏,龐獎勵,劉云霞,等.黃土高原不同土地利用方式下土壤顆粒體積分形特征[J].干旱區資源與環境,2010,24(11):161-165.

[19]周萍,劉國彬,侯喜祿.黃土丘陵區不同土地利用方式土壤團粒結構分形特征[J].中國水土保持科學,2008,6(2):75-82.

[20]宮阿都,何毓蓉.金沙江干熱河谷區退化土壤結構的分形特征研究[J].水土保持學報,2001,15(3):112-115.

Soil Particle Composition and Its Fractal Dimension Characteristics of Different Land Uses in Loess Hilly Region

YANG Ting1, JING Hang1, YAO Xu1, DONG Changping3, YOU Zheng1, XUE Sha1,2

(1.NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.ChongqingYubeiDistrictHuayingshanForestFarm,Chongqing401120,China)

Taking field sampling and laboratory analysis method, using the fractal theory of particle volume, we studied soil particles and their features in profiles of four kinds of land use modes in loess hilly-gully region. The results show that the four kinds of land use modes have significant different soil physical and chemical properties, surface soil chemical properties decrease in the order: natural forest>plantation>grassland>farmland except the total phosphorus, bulk densities decrease in the order: farmland>grassland>plantation>natural forests, the difference of soil properties reduce in the layer of 50—100 cm. Coarse silt is dominant in soil, in addition to the coarse sand grains, the land uses have significant effects on the contents of the rest fractions, the hierarchy is not obvious, small fraction contents of slope farmland and grassland are higher than those of natural forests and plantations. A significantly negative correlation between organic matter, total nitrogen and the contents of clay and silt was observed, bulk densities are extremely significantly positively correlated with the contents of clay and silt; sand content is extremely significantly positively correlated with organic matter and density, is very significantly negatively correlated with bulk density. Fractal dimension of soil particles was 2.52～2.74, there is no significant difference between the level of farmland and grassland, but significantly higher than plantations and natural forests. Fractal dimension reduces with the increase of soil depth in farmland， fractal dimensions of the grass, plantations and natural forests show a trend of slow increasey. Fractal dimension is significantly positively correlated with contents of clay and silt as well as bulk density, was significantly negatively correlated with contents of sand, organic matter, total nitrogen, there was no significant correlation with the total phosphorus. To sum up, the land uses of loess hilly-gully region have the greater influence on soil particle composition, compared with sloping farmland, the particle sizes of grassland and forest land shift from the small particles to large particles.

the loess hilly region; land use; soil particle composition; fractal dimension

2015-09-23

2015-10-23

科技基礎性工作專項(2014FY210100);國家科技支撐計劃(2015BAC01B03);陜西省科學技術研究發展計劃(2011KJXX36)

楊婷(1990—),女,陜西西安人,碩士研究生,研究方向:土壤微生物。E-mail:joyce_yt2009@163.com

薛萐(1978—),男,陜西西安人,副研究員,研究發現生態恢復學與微生物生態。E-mail:xuesha100@163.com

S152.3

A

1005-3409(2016)03-0001-05