山東省不同土地利用方式土壤顆粒組成及其分形維數特征

張海廷, 時延慶

(濟寧市水文局, 山東 濟寧 272019)

土壤是由大小和形態各異的固體顆粒及孔隙組成的物質，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]。由于其自身的構成及其特性，具有自相似特征或分形特征，通常用土壤粒徑大小分形維數(又稱分維數或分維)來描述其分形特征[3]。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。分形理論在土壤特性的研究中應用非常廣泛，如土壤結構、水分特征以及有機質等方面，已成為定量化研究土壤復雜性和不規則性的一種有效工具[4]。研究表明，土壤粒徑分形維數不僅可以表征土壤的顆粒分布特征和質地均勻程度，還可以用于反映土壤的風蝕化程度等；土壤的分形維數與各粒徑顆粒的含量均顯著相關，而且影響著土壤養分的分布特征[5]。

由于土壤內部的物理、化學、生物等過程的相互影響以及各種地質過程和人為措施的干擾，土壤在形態、結構、功能等方面表現為復雜的自然體[6]。雖然土壤結構在表觀上是一個不規則的幾何形體，卻是有著自相似結構的多孔介質。因此可以利用分形幾何學研究土壤的性狀特征[7]。把分形理論及其方法應用到土壤學領域，可推動土壤形態、過程等復雜問題的解決，并可在一定程度上使其定量化。自Tyler等提出土壤顆粒粒徑分布的質量分形維數計算公式后，分形維數便在土壤科學研究中得到了廣泛應用。楊培嶺等[8]提出了一種用質量分形代替粒徑分形的土壤顆粒分形維數的求解模型，并從理論上證明該模型的合理性。吳承禎等[9]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[7]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。

土地利用是人類干預土壤肥力最重要、最直接的活動，通過改變土壤營養循環強度、總量及路徑，通過改變土壤的水熱條件等從而影響土壤養分的流動與轉化。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[7,10]。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[11]。土地利用變化可以改變地表覆被狀況，并影響許多生態過程，如增加生物多樣性、多樣化食物鏈和營養級組成，降低地表侵蝕和改變徑流、土壤環境等；反之，由于植被的劣變，容易引發土地沙漠化、土壤鹽漬化、草場退化、生物多樣性減少、區域氣候環境惡化等一系列生態環境問題[12-13]。合理的土地利用可以改善土壤結構，增強土壤對外界環境變化的抵抗力；不合理的土地利用會導致土壤質量下降，增強土壤侵蝕，降低生物多樣性[14-15]。近年來，對土壤顆粒分形的研究屢見不鮮，但對土壤顆粒分形的研究和針對沿海地區土壤分形特征的文章鮮見報道。本文利用分形理論，研究不同土地利用方式下土壤顆粒分形特征，分析不同土地利用下土壤顆粒的分形維數以及分形維數與土壤養分、有機質含量、土壤含水量的相關關系，以期揭示土壤顆粒組成，將土壤顆粒分形維數應用該區生態建設與恢復提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2014—2016年的9月中旬，按照不同的土地利用方式、面積比例、坡度和坡向進行土樣采集，采樣點遍布整個山東省，共計采樣點120個，每種土地利用方式設置5個重復樣地(樣地面積為100 m×100 m左右)，每個樣地相距100 m左右，隨機設置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復取5次作為平行，5個平行之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°(合計：n=120)(圖1)。采用四分法取樣(保留1 kg左右)，按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—50 cm，50—60 cm深度由下向上分層采集各土層的土壤樣品，每層采土樣約1.0 kg；所取樣品現場過2 mm篩后帶回實驗室風干后去除雜質對其養分和有效養分進行測定。

1.2 土壤養分測定

土壤顆粒組成采用吸管法測定，根據美國農部制將土壤顆粒級別分為粗砂粒(2～0.5 mm)、中砂粒(0.5～0.25 mm)、細砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤含水量用鋁盒烘干法(105℃下烘8 h)測定；銨態氮、硝態氮用流動分析儀測定；全磷含量采用酸溶—鉬銻抗比色法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。

1.3 土壤分形維數測定

1983年Mandelbrot等[16]首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型，Tyler、楊培嶺等[8]在此基礎上對模型進行推廣，提出用粒徑的質量分布表征的土壤分形模型，本文采用楊培嶺等[8]的以不同級別顆粒的質量分布表征的土壤分形模型。土壤顆粒質量分布與平均粒徑的分形關系式為：

式中：di表示粒徑的平均值；dmax表示最大粒徑的平均值；W(δ

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤養分分布特征

根據研究區不同土地利用方式，對其土壤養分進行分析(表1)。見表1，不同土地利用方式土壤養分有明顯的不同。土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、全磷、全氮、有機質含量均表現為：林地和草地顯著高于耕地和農地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、全磷、全氮、有機質含量差異均不顯著(p>0.05)，除了耕地和農地土壤全磷差異不顯著(p>0.05)，其他養分含量耕地和農地差異均顯著(p<0.05)。

圖1 研究區采樣分布圖

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤顆粒分布特征

根據研究區不同土地利用方式土壤粒徑分布及分形維數等進行分析(表2)。由表2看出，不同土地利用方式土壤粒徑分布有明顯的不同，黏粒含量占主導地位，黏粒含量百分比在45.98%～67.12%之間。細砂粒和中砂粒含量百分比分別位于5.70%～18.06%和2.05%～9.25%之間，粗砂粒含量相對較低。研究區土壤顆粒分形維數變化范圍是2.783～2.963，表明土壤質量較好。有較高分形維數的地類對應于較高的土壤質量。因此，與單純依靠土壤粒徑分布或土壤質地相比，土壤顆粒分形維數在比較不同植被土地質量時能提供更多的信息。不同土地利用類型的分形維數表現為耕地>草地>農地>林地，說明耕地的土壤相對更好，這是因為條件好、土層厚的土地主要用來種植農作物，而大多數林地植被生長在立地條件相對較差的環境。

表2 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.3 不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

由圖2可知，不同土地利用方式土壤顆粒分形具有明顯的分形特征，各土地利用方式下土壤顆粒分形特征均表現為黏粒含量>細沙含量>中砂含量>粉粒含量>粗砂含量，其中，農地和耕地土壤黏粒含量最高，土壤黏粒平均含量變化范圍在45.98%和67.12%之間；土壤粉粒平均含量變化范圍在3.02%和13.25%；粉粒平均含量變化范圍在5.70%和18.06%之間；細砂含量變化范圍在4.36%和15.26%；土壤粗砂含量變化范圍在0.49%和2.96%。

圖2不同土地利用方式土壤顆粒分形特征

2.4 土壤顆粒分布的分形維數在剖面中的變化

從圖3可以看出，不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數隨著土層深度增加逐漸增大，隨著土層深度增加逐漸接近；0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數在不同深度土壤之間變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。總體上，隨土層深度增加土壤顆粒分布的分形維數逐漸增大，說明土地利用方式是決定深層土壤顆粒分布分形維數的關鍵因素。

圖3不同土地利用方式土壤顆粒分形維數

2.5 土壤顆粒分形維數與土壤粒徑分布的關系

土壤粒徑分布與土壤分形維數(D)的關系見表3。由表可知，林地土壤分形維數與粗砂粒呈線性負相關，且分別達到極顯著水平；農地土壤分形維數與粉粒呈線性極顯著負相關；草地土壤分形維數與黏粒含量呈線性負相關，且達到極顯著水平，這與陳子玉及高君亮等的研究一致。耕地土壤分形維數與黏粒含量呈極線性負相關，且達到極顯著水平，與土地利用方式有較大的差異。

表3 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

注：*，p<0.05；**，p<0.01。下表同。

由表4中相關性分析結果可以看出，土壤顆粒組成分形維數與土壤砂粒含量呈極顯著負相關(p<0.01)，與黏粒含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與粉粒含量相關性不顯著。這表明土壤顆粒分布的分形維數對各個粒級土粒含量反映程度的大小不同，土壤中砂粒含量越少，黏量越高，分形維數越大。砂粒及黏粒相對含量決定土壤顆粒組成的分形維數。其他學者在不同條件下的研究均得到土壤砂粒、黏粒含量與土壤顆粒組成分形維數之間相關一致性的結論，蘇永忠等、柳妍妍等、呂勝橋等研究表明粉粒含量與土壤顆粒組成分形維數呈顯著相關性，與本研究結論不一致。

表4 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

2.6 土壤顆粒分形維數與土壤養分的關系

土壤顆粒分形維數與土壤養分及有機質含量的相關關系見表5。土壤顆粒是構成土壤結構的重要基礎物質，一定程度上會影響表征土壤結構狀況的指標。由表5可知，分形維數均與土壤有機質含量呈顯著負相關。說明分形維數的大小可以表征土壤的密實程度，隨著黏粒含量的增加，分形維數越高，土壤黏粒含量越豐富。一方面，黏粒含量高的土壤有利于形成土壤團聚體，形成良好的結構，增加土壤毛管孔隙；另一方面單位土粒表面積越大，土壤對水分子的吸附力(粘滯力)越大，在土壤孔隙比相同的情況下，毛細管尺寸越小，與接觸面水膜引起的毛細管壓力的作用降低了水的勢能，使其保持在土壤孔隙中不易排出，則土壤的持水性增強。有機質含量越高，研究區土壤就相對疏松，分形維數就越低。另外，總氮與有機質含量呈顯著正相關，這是因為總氮中有機氮含量占主要部分，有機質含量高，總氮含量也就相對較高。

表5 不同土地利用方式下土壤分形維數與養分之間的相關性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著(雙尾)。

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黏粒含量占主導地位，與前人研究結果相似[16-18]。相較于坡耕地，天然林、人工林和草地，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。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，因此耕地的耕作層小粒徑顆粒較多。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，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[19]。

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[20]。本研究中發現林地和農地分形維數均低于耕地和草地，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—50 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。楊培嶺等發現，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[2,21]。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[14]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。

對分形維數與不同粒級土壤顆粒質量含量的相關分析表明，土壤分形維數與粗砂含量、中砂含量和細砂含量均呈負相關關系，相關系數都較低，可能與斑塊狀植被的分布格局，植被的蓋度、高度，微地形的起伏變化等因素有關，尚需進一步研究；而分形維數與粉砂含量呈正相關關系，即粉砂含量越高，分形維數越大。陳小紅等[22]結合相關分析法和回歸分析法得出，黑河中游荒漠—綠洲邊緣區生態過渡帶的土壤顆粒分形維數與砂粒含量呈顯著負相關，與黏粉粒及各養分指標均呈顯著的正相關；對土壤顆粒分形維數變化幅度的影響依次為黏粒、粉粒、砂粒，且分形維數對黏粒含量的變化最為敏感。賈曉紅等[23]認為，分形維數與黏粒和粉粒含量呈顯著的線性正相關。本文研究的結果與上述結果基本一致，即土壤中黏粒、粉粒含量越高，土壤分形維數就越大；而砂粒含量越高，土壤分形維數就越低說明植被覆蓋度較低，表層土壤干燥，風沙活動頻繁發生的同時，往往伴隨土壤表層細顆粒物質的損失，因為，只有細顆粒物質才能隨氣流飄揚出區域外。土壤中細顆粒物質的損失致使表層土壤粗粒化程度加劇，分形維數減少。因此，土壤質量分形維數在很好地反映土壤中不同粒徑的顆粒損失狀況的同時，還可以反映沙化的程度。由于土壤細顆粒物質含量的增加和粗顆粒物質含量的降低，共同導致了土壤顆粒分形維數的增加，有利于土壤水分的有效保持和儲存，可促進斑塊植被的自然恢復。

4 結 論

(1) 不同土地利用方式土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、全磷、全氮、有機質含量均表現為：林地和草地顯著高于耕地和農地(p<0.05)，其中林地和草地土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、全磷、全氮、有機質含量差異均不顯著(p>0.05)。不同土地利用方式土壤粒徑分布中，黏粒含量占主導地位，黏粒含量百分比為45.98%～67.12%，粗砂粒平均含量相對較低。

(2) 不同土地利用方式土壤顆粒分布的分形維數隨著土層深度增加逐漸增大，0—10 cm土層土壤顆粒分布分形維數變化幅度較小，而40—50 cm變化幅度較大。

(3) 回歸分析表明不同土地利用方式土壤顆粒分形維數與土壤粒徑呈顯著或極顯著的線性負相關(p<0.05，p<0.01)。相關分析表明不同土地利用方式土壤分形維數均與土壤有機質含量呈顯著負相關，與土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、全磷、全氮呈正相關。綜上所述，不同土地利用方式下土壤顆粒組成差異較大，草地和林地相對于耕地和農地大顆粒含量明顯增多，小顆粒明顯減少，土壤顆粒分布的分形維數可以作為表征土壤肥力狀況指標。

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