湖北鄖縣黃坪村黃土—古土壤序列體積分形維數特征及其環境意義

劉濤 龐獎勵 黃春長 查小春 周亞利 毛沛妮 胡慧

摘要：本研究運用體積分形維數模型計算了湖北鄖縣黃坪村（HPC）剖面土壤體積分形維數，剖面分形維值介于2.52～2.78，古土壤S0的分形維數值最大，馬蘭黃土L1最小，剖面整體分形維數值的大小關系為DS0>DLt >DL0>DL1。研究發現，分形維數值與粘粒含量呈正相關，與粗粉砂含量呈負相關，與磁化率和CIA值成正比，說明分形維數也可以指示成壤環境的演變，即分形維數值的高值，指示氣候較為暖濕，反之指示的是氣候較為干冷。HPC剖面的分形特征揭示了漢江地區的氣候變化歷史：晚更新世時期，L1的分形維數僅為2.61，說明氣候較為冷干，成壤作用微弱；全新世早期，Lt的分形維數相對L1增至2.71，說明氣候條件改善，氣溫回暖；全新世中期，S0的分形維數相對于Lt增至2.75，表明氣候暖濕，成壤作用強烈；全新世晚期，L0的分形維數相對于S0降至2.70，說明漢江地區氣候轉涼。

關鍵詞：體積分形維數；粒度組成；磁化率；CIA值；沉積環境

中圖分類號：S151.3（263）文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）04-0073-06

Abstract The volumetric fractal dimensions of particle-size（D） in soil profile of Huangping Village（HPC），Yunxian County， Hubei Province were calculated by the volumetric fractal dimension mode. The fractal dimension values were between 2.52 and 2.78， and the highest one was in the paleosol layer（S0） and the lowest one was in the Malan loess layer（L1）. The fractal dimension values in the whole profiles was ranked as DS0>DLt >DL0>DL1.This study discovered that the fractal dimension values were positively correlated to the clay content， negatively correlated to the coarse silt content， and was in direct proportion to magnetic susceptibility and CIA value. The fractal dimension could be used to reflect the evolution of pedogenic environment. The higher value reflected warm and humid， whereas lower value reflected arid and cold. The fractal characteristics of HPC soil profile indicted the history of climate change in Hanjiang area. During the late pleistocene， the fractal dimension value of L1 was only 2.61， indicated cold climate and weak pedogenesis. During the early holocene， the value in Lt increased to 2.71 compared with L1， which indicated the climate was improved and warmer. During the middle holocene， the value in S0 increased to 2.75， indicated warm and humid climate and strong pedogenesis. During the late holocene ， the value in L0 reduced to 2.70， indicated that the climate in Hanjiang area became cool.

Keywords Volumetric fractal dimension； Partide size composition； Magnetic susceptibility； CIA value； Depositional environment

分形理論由美籍數學家曼德爾布羅特（B.B.Mandelbort）首先提出，其研究對象為自然界中最常見的、多變的、不具規則的事物[1]。從 20世紀80 年代起，分形理論作為研究不規則物體的有力工具而被應用到土壤學科，解決了許多微觀和宏觀領域中難以解決的復雜問題[2-7]。土壤是由形狀不同、大小不一的固體組分和孔隙以一定形式連結而成的多孔隙介質，實質上是一個典型的不規則幾何形體，具有一定分形特征、粒徑的分形維數可精確地反映土壤的顆粒分布特征[8]。土壤的體積分形維數，本質上是研究顆粒的均一程度[9-13]，但實際上也可以用于反映土壤的其他特征，例如土壤發生、土壤肥力及土壤退化程度等[14-16]。許多學者將分形理論應用于土壤質地的研究，如：李毅等在對農田土壤顆粒尺寸分布分形維數與土壤體積分數空間變異性的研究中認為，土壤的PSD分維與土壤質地密切相關[17]；胡鐘勝等在研究煙田耕作層土壤顆粒的分形特征中認為土壤顆粒的分形特征與粒徑有關，可反映質地特征[18]。也有學者致力于分形維數與成壤環境的研究，如賈曉紅等在對干旱沙區土壤顆粒分形特征研究中指出，干旱區土壤的分形維數可作為一個衡量土壤演變的綜合指標[19]；文星躍等在對岷江上游河谷土壤分形特征影響因素研究中認為分形維數與沉積物成壤環境有關[20]。但目前尚缺乏詳細的風成物分形特征與沉積環境關系研究的報道，體積分形維數的沉積學意義不是非常的明確。分形維數本質衡量的是土壤粒度的均一程度，理論上說完全均一的顆粒，不管粗細，體積分形維數都是3，因此僅僅看分形維數值的大小似乎與沉積環境沒有必然聯系，但通過實際研究發現，在黃土沉積地區，季風和化學風化作用的強弱不僅會造成風成物質的粗細變化，似乎還會引起土壤均一程度的變化。這就說明分形維數與沉積環境之間有著某種聯系。本試驗選取湖北鄖縣黃坪村（HPC）剖面作為研究對象，探討體積分形維數與黃土顆粒大小、風化成壤作用之間的內在聯系，繼而揭示體積分形維數的環境意義。

1 材料與方法

1.1 研究材料

漢江位于秦嶺南側，穿行于秦嶺和大巴山之間，河道蜿蜒曲折，交替出現基巖峽谷和河谷盆地[21]，屬于北亞熱帶氣候區，氣候溫和濕潤，年均氣溫15.2℃，年均降水870 mm，降水集中在5—10月，森林覆蓋率高達63%。鄖縣盆地位于漢江上游的鄂、豫、陜交界，北依秦嶺，南屏大巴山，漢江穿腹而過，地勢總體西高東低，南北為中低山相夾[22]。盆地內地勢平坦開闊，有利于風塵堆積物的保存。

研究剖面位于鄖縣盆地黃坪村（33°30′N，110°30′E），剖面天然出露于漢江上游一級階地前沿，階地面平展寬闊，上覆有厚層的風成黃土堆積，寬緩的階地使得上覆風塵堆積物得以良好保存，較少受坡積物和人類活動的影響，剖面主體特征保存完好。剖面整體厚約9 m，自上而下依次劃分為現代表土（Ms）、全新世黃土（L0）、古土壤（S0）、過渡性黃土（Lt）和馬蘭黃土（L1），馬蘭黃土其下為礫石層。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品分析 野外采樣時間為2012年11月。采樣過程：自剖面頂部向下連續采樣，至馬蘭黃土底部；其中0～310 cm以5 cm間距采樣，310～800 cm以10 cm間距采樣。粒度前處理：稱取0.5 g自然風干土樣置入500 mL燒杯， 先后分別加入10 mL 10%的H2O2和HCl，加熱除去有機質和碳酸鹽，并給燒杯注滿蒸餾水靜置72 h，最后加入5 mL 0.05 mol/L （Na2PO3）6進行分散。粒度采用美國Beckman公司所生產的LS13320型激光粒度儀進行測定。磁化率采用英國Bartington公司的MS-2B型磁化率儀進行測定。元素采用德國布魯克AXS公司生產的S8 TIGER型X射線熒光光譜儀測定。

1.2.2 分形維數的計算模型 本研究采用黃冠華等[23]提出的模型計算分形維數，該模型是：假定具有一定自相似結構的多孔隙土壤是由體積不同的顆粒組成，那么在二維平面中，大于某特征尺度R的土壤顆粒所占面積為A，則：

2 結果與分析

2.1 HPC剖面分形維數特征

分形維數本質上是一種粒度特征，反映顆粒的均一程度，分形維數值越大，代表沉積物均一程度越高。計算結果顯示（表1），HPC剖面分形維數分布具有以下特征：古土壤S0的分形維數介于2.71～2.78之間，平均值為2.75，在整個剖面中是最高的，說明古土壤顆粒分布的均一程度在整個剖面中是最高的；馬蘭黃土L1分形維數介于2.52～2.69之間，平均值2.61，在整個剖面中是最低的，也說明馬蘭黃土中顆粒分布的均一程度在整個剖面中是最低的；現代黃土L0和過渡黃土Lt分形維數分別介于2.69～2.72和2.70～2.75之間，平均值分別為2.70和2.71，兩者分形維數值的大小均介于古土壤和馬蘭黃土之間，說明其顆粒分布的均一程度也是介于古土壤和馬蘭黃土之間。整個剖面分形維數值大小關系為DS0>DLt >DL0 >DL1。

2.2 分形維數與粒度組成

前人的研究成果普遍認為，風積物中不同粒級組分往往具有不同的古氣候意義，其中粗粉砂（10～50 μm） 被用作西北季風強弱的重要的替代指標，其含量與冬季風強度呈正相關；粘粒（<5 μm）含量被認為能指示夏季風強弱，與風化成壤強度正相關[24，25]。對HPC剖面體積分形維數與顆粒分布的相關性進行分析，兩者明顯密切相關（相關性均通過了99.9%的顯著性測試），其中分形維數與粘粒含量相關性的線性方程為Y=0.0067X+2.5344（Y為分形維數值；X為粘粒含量，單位為 %），相關系數為0.97，說明分形維數與粘粒含量呈強正相關關系（圖2），即分形維數越大時，粘粒含量越高；分形維數與粗粉砂含量相關性的線性方程為Y=-0.0079X+3.037（Y為分形維數值；X為粗粉砂含量，單位為 %），相關系數為-0.78，說明分形維數與粗粉砂含量呈負相關關系（圖2），也就是說，分形維數越小時，粗粉砂含量是越高的。這與前人對黃土分形維數特征的研究結果是一致的[26，27]。這種特征無疑說明分形維數是可以作為一種氣候替代指標的：較高的分形維數指示黃土中粘粒含量較高，也就意味著夏季風強盛，風化成壤作用較強，而較低的分形維數指示黃土中粗粉砂含量較高，也就意味著冬季風強盛，風化成壤作用較弱。

2.3 分形維數與磁化率、CIA值的關系

黃土-古土壤研究中，磁化率和化學蝕變指數（CIA）被認為是較好的氣候替代指標，在黃土的研究中得到廣泛應用。越高的磁化率反映成壤作用越強[28]，越高的CIA反映風化作用越強[29]。表2和圖3顯示，馬蘭黃土L1的分形維數、磁化率和CIA保持較低值，分形維數值僅為2.61，磁化率和CIA分別為58.27×10-8 m3/kg和68.28，反映了此階段氣候冷干，巖石風化程度低及成壤作用微弱；自馬蘭黃土L1到過渡黃土Lt，分形維數、磁化率和CIA均呈上升趨勢，分形維數增至2.71，磁化率和CIA也分別增至169.63×10-8 m3/kg和70.55，反映此階段風化及成壤作用有所增強；自過渡黃土Lt到古土壤S0，分形維數增至2.75，磁化率和CIA也分別增至224.93×10-8 m3/kg和70.74，并同時達到了整個剖面的最高值，反映了此階段氣候暖濕、風化及成壤條件的優越；自古土壤S0到現代黃土L0，分形維數、磁化率和CIA均呈下降趨勢，分形維數減小至2.70，磁化率和CIA分別降低至106.73×10-8 m3/kg和68.99，反映風化及成壤作用有所減弱。顯然，分形維數與磁化率和CIA成同步同向變化，也就是說分形維數較大時，磁化率和CIA也較高，即指示風化成壤作用較為強烈，氣候溫暖濕潤；分形維數越小時，磁化率和CIA也較低，即風化成壤作用較弱，氣候寒冷干燥。這進一步佐證了分形維數能夠作為氣候替代指標。

2.4 分形維數與沉積環境

HPC剖面體積分形維數的變化實際上記錄了漢江上游地區的氣候變化歷史。晚更新世時期（L1），馬蘭黃土L1的分形維數值僅為2.61，說明這一時期氣候寒冷干燥，在強盛冬季風的影響下，風沙盛行，成壤作用微弱，植被稀疏；全新世早期（Lt），過渡黃土Lt的分形維數值為2.71，相對于馬蘭黃土L1增加了0.1，說明此階段冬季風開始衰退，氣候條件改善，區域降水增加，氣候回暖；全新世中期（S0），古土壤S0的分形維數值為2.75，相對于過渡黃土Lt增加了0.04并達到整個剖面的最高值，表明漢江地區受到的夏季風影響程度增至最大，強盛的夏季風帶來更為豐沛的降水，氣候變得更為溫暖濕潤，降水豐富，在強夏季風的作用下成壤作用強烈，植被茂盛；全新世晚期（L0），現代黃土L0的分形維數值為2.70，相對于全新世中期下降了0.05，說明漢江地區夏季風開始減退，氣溫轉涼，但寒冷程度不及晚更新世時期。龐獎勵等通過對鄖縣盆地黃土-古土壤序列成壤環境的研究認為，漢江上游地區經歷了晚更新世后夏季風逐漸增強→全新世中期季風強盛→全新世晚期季風衰退的氣候演變模式[30]。馬春梅通過對湖北神農架泥炭的研究也認為，晚更新世后有著與此一致的氣候演變規律[14]。同時，這一結論在鹿化煜[31]、雷祥義等[32]學者對漢江地區黃土的研究中也可得到印證。

3 結論

（1）湖北鄖縣HPC剖面具有典型的分形結構特征。古土壤S0的分形維數為2.75，在整個剖面中最高；馬蘭黃土L1分形維數為2.61，在整個剖面中最低；現代黃土L0和過渡黃土Lt分形維數分別為2.70和2.71，大小均介于古土壤和馬蘭黃土之間。整個剖面分形維數值大小關系為DS0>D Lt >DL0 >D L1。

（2）HPC剖面分形維數與粒度組成和磁化率、CIA有著良好的比對，可以作為一種指代氣候的指標：分形維數的高值指代較強的成壤作用和較為暖濕的氣候環境，低值指代較弱的成壤作用和較為冷干的氣候環境。

（3）HPC剖面的體積分形特征表明，在漢江上游地區，晚更新世時期，L1相對較低的分形維數值指示成壤作用較弱，氣候冷干；全新世早期，Lt的分形維數值相對于L1增加，指示氣候條件改善，氣候回暖；全新世中期，S0的分形維數值相對于Lt再次增加，指示氣候暖濕，成壤作用強烈；全新世晚期，L0的分形維數值相對于S0降低，指示漢江地區氣溫轉涼。

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