風沙區煤礦復墾地土壤顆粒的組成與分形特征

張孝中, 徐崟堯, 王惠澤

(1.陜西省水土保持勘測規劃研究所, 陜西 西安 710004; 2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 陜西 西安 710119)

土壤作為一種由水分、空氣和不同顆粒等各類物質所組成的多孔介質，其本身是具有不規則的形狀和自相似性特征的復雜幾何體[1-2]，因此土壤具有一定的分形特性。作為土壤固相的基本組成單元，土壤顆粒繼承了其母質的分形特點。自Mandelbort[3]，Tyler[4]、楊培嶺等[5]學者將分形理論引入土壤科學研究、不斷優化分形維數計算模型以來，中國學者對土壤顆粒分形維數的研究在土壤環境修復[1,6-7]、土地利用變化[8-9]、植被生態恢復[10-11]等方面取得了大量成果。齊雁冰等[1]、陳小紅等[6]通過對干旱區土壤的分形維數變化來表征沙漠化的正逆過程。賈曉紅等[11]認為分形維數可作為土壤評價定量指標，其大小與土壤的細粒化和養分狀況呈顯著正相關。王富等[12]則將分形維數與土壤容重、有機質、孔隙度進行相關分析，指出荒坡封育是水庫水源涵養區土壤恢復的最佳方式。由此可見，土壤顆粒的分形特征不僅能表征土壤理化性狀，還對區域生態環境具有一定的指示作用。

煤礦在建設生產環節中挖損地表、重塑地貌形態、破壞周邊植被等會對礦區土壤產生強烈破壞，改變土壤的結構和質地，進而對土壤顆粒及其分形特征造成影響。目前，關于煤礦區復墾地的土壤顆粒分布及分形特征的研究較少，僅有對煤礦的排土場和塌陷區進行初步研究[13-15]。大柳塔煤礦地處毛烏素沙地的東南緣，是陜蒙2省交界之地，有煤炭“黑三角”之稱。為消除20世紀80年代大柳塔礦區露天剝采方式對生態環境造成巨大影響，大柳塔于90年代起開展植被復墾工作。因此，本文采用土壤分形理論對大柳塔煤礦的復墾地土壤進行研究，說明不同植被類型下土壤顆粒的分布和分形特征，分析不同植被類型的分形維數與土壤性質的相關性，探討風沙區煤礦植被修復的物種選擇，為恢復和改善礦區土壤生態功能提供建議。

1 研究區概況

研究區位于陜西省榆林市神木縣的大柳塔煤礦(109°33′—110°30′E，39°01′—39°30′N)，該區是陜西省與內蒙古自治區的交界處，在氣候上處東亞季風的北緣，是典型的暖溫帶大陸性半干旱氣候，年均溫在7.0 ℃左右，年均降水量340～470 mm，且集中在7—8月，蒸發量與降水量之比為4∶1。研究區處在毛烏素沙地東南緣，是毛烏素沙地與黃土高原的過渡區，地貌上主要為固定沙丘和蓋沙黃土梁，海拔高度在1 227～1 469 m。土壤類型以風沙土為主，土壤含水量、養分均較低，部分地區存在少量的黑壚土、草甸土[16]。大柳塔煤礦經過20世紀80年代的露天開采，原地帶性植被已遭到破壞。現今大柳塔礦區的主要人工植被有小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)、旱柳(Salixmatsudana)、沙柳(Salixpsammophila)、硬質早熟禾(Poasphondylodes)、沙地柏(Sabinavulgaris)等。

2 研究方法

2.1 土樣采集

土壤樣品采集時間在2016年7月中下旬，采樣地在大柳塔礦區復墾地有代表性的3處不同植被類型及1處未經復墾的裸沙地，樣地基本情況詳見表1。每個樣地隨機選擇3個樣點，用直徑為5 cm的土鉆取土，取土間隔為5 cm，深度為70 cm。取土后立即將樣品放入塑封袋中密封保存，每塊樣地取土樣45個，共計135個土樣。通過詢問礦區居民和工作人員，獲得樣地的復墾年限均在16～20 a。

表1 研究區樣地基本情況

注：Shannon-Winner多樣性、Simpon優勢度、Pielou均勻度數據來源于文獻[17]。

2.2 樣品測定

土壤顆粒組成采用激光粒度儀(Mastersizer 2000)進行測定，試驗步驟： ①將野外采集回的土樣進行烘干處理后過2 mm篩，從而去除土壤中>2 mm的石礫； ②取0.5 g土樣放入500 ml燒杯，依次加入濃度為10%H2O2和HCl溶液各5 ml去除土壤中的有機質和碳酸鹽； ③向燒杯內部注滿蒸餾水靜置72 h后抽出上層清液，反復注水—抽水—靜置至pH為中性； ④測試粒徑前加入0.1 ml/L分散劑(NaPO3)6后，使用激光粒度儀測定土壤粒徑，并借助儀器自帶的分級功能可得到任意兩個粒徑間的體積比例。粒徑分級標準參考美國制：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細砂粒(0.05～0.1 mm)、細砂粒(0.1～0.25 mm)、中砂粒(0.25～0.5 mm)和粗砂粒(0.5～2 mm)。土壤含水量采用烘干法，有機質含量則采用重鉻酸鉀—外加熱法。

2.3 土壤顆粒分形維數模型

分形理論在土壤物理研究中已廣泛運用，而土壤顆粒具備自相似特征，引入分形理論可以更好地反映土壤性質變化[2]。Mandelbrot等[3]首次提出二維空間的分形維數模型，Tyler[4]、楊培嶺等[5]在前人基礎上總結建立了可用土壤顆粒的質量分布來計算的質量分形模型。隨著激光衍射技術的廣泛運用，王國梁等[18]采用了土壤顆粒的體積百分比來描述土壤分形維數特征，這一方法解決了質量分形模型中不同粒級的土壤顆粒具有相同密度的假設[2,18-19]，因此本文主要采用土壤顆粒體積分形維數，計算公式為：

式中：D——分形維數；ri——任意兩顆粒的均值(ri>ri+1，i=1，2，3，…)；Rmax——最大土壤顆粒(mm)；V(r

2.4 數據處理

所用數據采用Excel 2007對土壤顆粒分布與體積分形維數進行歸類整理與計算，采用SPSS 19.0進行相關性分析和LSD單因素方差分析。

3 結果與分析

3.1 土壤顆粒組成特征

土壤的顆粒組成是土壤重要的特征和屬性之一，

它能表征土壤結構的優劣程度，反映土壤質地的均一性[2,5]，同時對土壤養分狀況、水分含量、孔隙分布等土壤性質方面有著重要影響[10]。通過分析土壤的顆粒組成可以反映研究區不同植被類型下土壤顆粒的大小和組成。通過表2可以看出，不同植被類型下的土壤顆粒組成分布及差異。研究區3種植被類型與未復墾裸沙地的土壤顆粒組成主要集中在細砂(0.1～0.25 mm)，這與前人研究結果較一致[20]。喬木林、灌木林、草地和裸沙地的細砂含量分別占各自土壤顆粒總體積含量的48.019%，38.179%，38.529%和48.584%，且灌草地的細砂含量顯著(p<0.05)低于喬木林與裸沙地。喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒組成次集中于中砂(0.25～0.5 mm)，其含量分別占34.735%，24.519%和37.494%；而草地的土壤顆粒次集中于極細砂(0.05～0.1 mm)，其含量占到20.258%。由于研究區地處風沙區，其土壤類型為風沙土，故土壤顆粒組成以砂粒為主[12]，各植被類型的<0.05 mm黏、粉粒的體積含量均在10%以下，黏、粉粒的含量少。

在不同土層深度下，喬木林、灌木林和草地土壤中黏、粉粒(<0.05 mm)含量主要集中于0—30 cm土層內，且隨土層深度增加，黏、粉粒含量逐漸減少；而裸沙地由于細粒物質含量接近于0，因此其在不同土層間黏、粉粒含量的差異并不顯著。不同深度下砂粒(0.05～2 mm)含量的變化在裸沙地上較為顯著，由于裸沙地的地表裸露、缺少植被對表層土壤的覆蓋與保護，抗風蝕能力下降，在風沙區干燥大風的環境下表層土易被風蝕[7]，致使0—10 cm土壤的砂粒含量要顯著低于20—40 cm。

植物復墾總體上能夠改善研究區復墾地的土壤顆粒組成、防止土地沙化的加劇。在不同植被類型下，實施復墾的草地、灌木林的土壤粒徑大體與未復墾的裸沙地差異顯著(p<0.05)，僅有喬木林與裸沙地在各級粒徑上無顯著差異(p>0.05)。從土壤顆粒的組成上看，草地、灌木林的細粒物質(<0.1 mm)含量明顯高于喬木林地和裸沙地。在0—70 cm內，草地的黏粒、粉粒和極細砂粒的含量均顯著(p<0.05)高于相同土層的喬木林與裸沙地；灌木林土壤在粉粒和極細砂的平均含量上也顯著(p<0.05)高于喬木林與裸沙地。而在粗粒物質含量中，草地、灌木林土壤中細砂、中砂粒的平均含量均顯著(p<0.05)低于喬木林與裸沙地，說明在研究區風沙環境條件下，以草本、灌木為主的植被類型對煤礦復墾地在改良土壤質地、細化土壤顆粒的作用要明顯優于喬木。

表2 不同植被類型下不同土層深度的土壤顆粒組成

注：不同小寫字母表示相同植被、不同深度下差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示相同深度、不同植被類型下差異顯著(p<0.05)。下同。

3.2 土壤顆粒分形維數特征

土壤顆粒的分形維數不僅可以表征土壤顆粒的大小與均勻性，還能反映不同植被類型對土壤的改良程度[21]。土壤質地越細，土壤中微小的孔隙更為發育，土壤結構越復雜，其分形維數越大；土壤質地越粗，土壤結構則更加松散，其分形維數越小[1]。研究區復墾地的土壤顆粒分形維數的范圍在1.550～2.425，其值順序為：裸沙地<喬木林<灌木林<草地(表3)。不同植被類型下，喬木林的分形維數與未復墾的裸沙地并無顯著差異(p>0.05)，而草地和灌木林的分形維數則顯著(p<0.05)高于喬木、裸沙地。研究區草地的土壤顆粒分形維數值為2.425，已接近石占飛等[22]研究的紅堿淖生態保護區(2.43)，灌木林的分形維數值與同屬風沙區的神木涼水井煤礦(2.33)相近，只有喬木林與裸沙地的土壤分形維數明顯較小，這說明大柳塔煤礦復墾地主要植被類型中，草本或灌木在改善土壤環境、細化土壤顆粒的作用要顯著優于喬木。在土壤的垂直剖面上，可以得出研究區復墾地0—70 cm土壤顆粒分形維數的深度變化情況(表3)。通過表3可以得出，除草地外，喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒分形維數皆隨土層深度的增加而降低，說明大柳塔煤礦復墾地的土壤粒徑隨深度的增加而逐漸變粗，這與表2中土壤顆粒分布的變化相一致。而草地的分形維數則呈現先降低后增加的趨勢，其數值在30—40 cm出現低值后波動增加，這可能是由于植被根系對土壤有較好的改良效果。在不同的土層深度下，0—10與20—70 cm的分形維數彼此均有顯著差異(p<0.05)，而20—70 cm的分形維數彼此差異不顯著(p>0.05)，其原因是植被復墾增加了地表粗糙程度，能夠顯著降低攜帶沙粒的氣流流速，從而能夠從中截獲更多的細粒物質在土壤表層集聚，使研究區表層(0—10 cm)土壤中黏、粉粒的含量顯著高于其他土層。

表3 不同植被類型下不同土層深度的土壤顆粒分形維數

3.3 分形維數與土壤性質的關系

將研究區不同植被類型下的分形維數與土壤理化性質進行相關性分析(表4)。可以看出，分形維數與土壤顆粒有明顯的相關性。在各植被類型下，分形維數與黏粒、粉粒和極細砂含量都呈正相關，且與黏、粉粒分別都達到了顯著水平(p<0.05)；而分形維數與細砂、中砂和粗砂含量則呈負相關，且與粗砂含量呈極顯著負相關(p<0.01)，這說明土壤顆粒的粗細程度與分形維數密切相關，土壤細粒物質含量越多，則分形維數值越大；土壤粗粒物質越多，分形維數值越小，與楊培嶺等[5]、楊金玲等[19]的研究結果相近。土壤含水量與喬木林、灌木林和裸沙地的分形維數呈負相關，而與草地則呈正相關。土壤有機質含量則與各植被類型的分形維數皆呈正相關，與裸沙地的分形維數呈負相關。草地增加地表的粗糙程度利于空氣中細粒物質的截留[17]；同時，草本植物的需水量要低于喬、灌木，土壤處于相對濕潤的條件下增加起沙風速，減少了細粒物質的吹蝕量，從而使研究區草地土壤中黏粒、粉粒的含量明顯高于其他植被類型，在一定程度上起到保水保肥的作用，因此草地的土壤含水量、有機質與其分形維數值呈正相關。而裸沙地由于未經植物的復墾作用，地表在無植被保護下，土壤中細粒物質極易被吹蝕，裸沙地的土壤顆粒由較粗的砂粒組成，土壤水分、養分含量均較小，進一步加劇沙地土壤的粗化程度，因而裸沙地的土壤分形維數與含水量、有機質均呈負相關。

表4 不同植被類型的分形維數與土壤性質相關性

注：**表示極顯著相關(p<0.01)； *表示顯著相關(p<0.05)。

4 結 論

(1) 研究區的土壤顆粒組成以細砂(0.1～0.25 mm)為主。喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒次分布在中砂(0.25～0.5 mm)，而草地的土壤顆粒次分布于極細砂(0.05～0.1 mm)。在土壤垂直剖面上，喬木林、灌木林和草地的土壤表層0—30 cm黏、粉粒(<0.05 mm)含量要顯著高于裸沙地。

(2) 大柳塔煤礦復墾地的土壤顆粒分形維數為：裸沙地(1.550)<喬木林地(1.626)<灌木林地(2.300)<草地(2.425)，且草地與灌木林的分形維數顯著高于裸沙地、喬木林。大柳塔煤礦采用草本或灌木復墾能夠促進土壤質地的修復與改良。

(3) 分形維數與土壤顆粒的組成關系顯著，與土壤黏粒、粉粒含量呈顯著正相關，與土壤粗砂含量顯著負相關。分形維數與含水量、有機質的關系并不顯著。土壤顆粒分形維數可用來表征和評價礦區的土壤顆粒變化特征。