濱海土壤團聚體分布和分形維數(shù)及其影響因子研究

韓 笑，佘冬立，王洪德，鄭一鵬

（河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

0 引言

【研究意義】沿海灘涂土地是當(dāng)前可利用的重要土地儲備資源，但濱海圍墾區(qū)在成陸過程中受到海水摻雜等影響，土壤含鹽量高、結(jié)構(gòu)性差且肥力水平低，嚴(yán)重制約了沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)[1-2]?！狙芯窟M展】海涂圍墾開發(fā)后，土壤水穩(wěn)性團聚結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。土壤團聚結(jié)構(gòu)是土壤的基本單元和重要參數(shù)，其組成和基本特性對土壤肥力、水分入滲、土壤侵蝕等有重要作用，是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)[3]。Chappell 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，沿海地區(qū)由于受海水入侵影響，土體與地下水體接觸過程中發(fā)生一系列吸附、溶蝕、離子交換、沉淀或結(jié)晶等物理化學(xué)反應(yīng)，使土體的空間結(jié)構(gòu)等性質(zhì)發(fā)生改變。海涂黏土顆粒在水化學(xué)條件改變時可能發(fā)生膨脹或收縮，導(dǎo)致土壤微團聚體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變土體的表面性質(zhì)和微孔結(jié)構(gòu)，從而影響水力參數(shù)和水分運動過程[5]。土壤顆粒由于在成土過程中受到物理、化學(xué)、生物等因素綜合影響，使得其大小和形態(tài)各異。梁士楚等[6]發(fā)現(xiàn)土壤團粒結(jié)構(gòu)存在自相似性，且表現(xiàn)出一定的分形特征，可運用分形理論定量化研究土壤復(fù)雜體[7]。分形理論自20 世紀(jì)興起后，被逐漸運用到存在無特征尺度卻具有自相似性的體系中[8]。Turcotte[9]、Arya 等[10]首先研究了土壤分形現(xiàn)象，計算對應(yīng)的分形維數(shù)，但這些方法對于實際數(shù)據(jù)計算存在困難。楊培嶺等[11]推導(dǎo)出用土壤顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算分形維數(shù)的公式，計算簡便結(jié)果精確。

【切入點】土地利用方式的改變會對團聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。陸鑄疇等[12]認(rèn)為植物根系固土作用會提高土壤團聚體穩(wěn)定性。李建國等[13]發(fā)現(xiàn)海涂墾區(qū)土壤團聚結(jié)構(gòu)因耕層深度、土地利用方式、圍墾時間的變化而不同。目前有關(guān)海涂墾區(qū)不同土地利用方式下土壤團聚結(jié)構(gòu)分形特征及其影響因素的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，本文選擇濱海圍墾區(qū)的荒地和水稻田2 種土地利用類型，利用分形理論對其土壤團聚體結(jié)構(gòu)特征進行探討，同時利用因子分析法探究土壤理化性質(zhì)對團聚結(jié)構(gòu)的影響，以期明確影響濱海土壤團聚體分形維數(shù)的主要因素，為濱海土壤結(jié)構(gòu)改良和地力提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗方法

試驗土樣取自江蘇省東臺市條子泥墾區(qū)，為2013 年新圍墾區(qū)，位于江蘇省東臺市東北角（32°33′—32°57′N，120°53′—121°07′E）。研究區(qū)位于我國亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，處于暖溫帶向北亞熱帶的過渡區(qū)域，全年平均氣溫14～15 ℃，年平均降水量1 059.8 mm，降水量季節(jié)變化明顯，冬季氣候寒冷少雨，夏季氣溫高雨量大。

樣品采集于2019 年9—10 月完成。在研究區(qū)內(nèi)自海洋至內(nèi)陸相隔500 m 選擇樣地，其中荒地類型39 塊樣地，水稻田30 塊樣地，共69 塊樣地，每塊樣地占地面積20 m2，試驗區(qū)及采樣點見圖1。其中荒地未種植作物，除零星堿蓬等耐鹽植物外，均為裸露地面；水稻田樣地采取稻麥輪作種植模式，取樣時水稻處于黃熟期。在每個樣地內(nèi)隨機選擇5 個取樣點采集0～20 cm 表層土壤。采集和運輸過程中應(yīng)注意土樣免受擾動，防止團聚體被破壞。原土用樣品袋帶回實驗室后自然風(fēng)干，在風(fēng)干過程中沿土壤自然結(jié)構(gòu)小心掰成小土塊，并揀去作物殘根和石礫等。

1.2 樣品測定

水穩(wěn)性團聚體分析采用濕篩法。土壤粒徑組成利用丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的Bettersize2000 激光粒度分析儀測定。土壤浸提液中八大離子測定方法分別為：Na+、K+采用火焰光度法；Mg2+、Ca2+、SO42-采用EDTA 絡(luò)合滴定法；HCO3-、CO32-采用標(biāo)準(zhǔn)稀鹽酸滴定法；Cl-采用標(biāo)準(zhǔn)AgNO3滴定法。有機質(zhì)量（SOM）采用高錳酸鉀容量法-外加熱法[14]。鈉吸附比（SAR）的計算式為：

式中：CNa+、CCa2+、CMg2+分別為浸提液中Na+、Ca2+、Mg2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g/kg）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤中＞0.25 mm 的團聚體量R0.25計算式為：

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）計算式為：

土壤團聚體分形維數(shù)D 采用楊培嶺等[11]提出的土壤分形模型計算：

采用Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進行整理和分形維數(shù)的線性擬合；利用SPSS 23.0 軟件進行數(shù)據(jù)間Person 相關(guān)性分析及因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體組成和分形特征

對荒地和水稻田不同粒徑水穩(wěn)性團聚體量進行分析（表1），墾區(qū)荒地和水稻田的水穩(wěn)性團聚體組成相似，各樣地土壤均以＜0.25 mm 小粒級團聚體所占比例最高。土壤大團聚體（＞0.25 mm）的數(shù)量和分布特征是表征土壤結(jié)構(gòu)性和抗蝕性的重要指標(biāo)[15]。荒地和水稻田土壤中大團聚體量（R0.25）分別為25.16%和29.37%，水稻田的R0.25高于荒地，說明水稻種植后，更利于土壤中大團聚體形成，濱海土壤結(jié)構(gòu)得到改善，滲透性和通氣性得到提高。

表1 土壤水穩(wěn)性團聚體組成及分形維數(shù)Table 1 Composition and fractal dimension of soil water-stable aggregates

平均重量直徑MWD 和幾何平均直徑GMD 用來反映土壤團粒結(jié)構(gòu)的分布狀況，其值越大表明團聚體的粒徑團聚度越高，抗蝕性越強、穩(wěn)定性越好[16]。種植水稻后土壤MWD 和GMD 分別比荒地提高25.00%和20.45%，表明水稻種植提高了土壤MWD 和GMD。

研究中土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)線性方程擬合度較高，R2均在0.91 以上?；牡睾退咎锿寥赖姆中尉S數(shù)分別為2.83 和2.80，可見，水稻種植后，濱海土壤團聚體的分形維數(shù)下降，團粒結(jié)構(gòu)得到改善。

2.2 土壤團聚體組成和各參數(shù)間的相關(guān)性分析

由表2 可知，墾區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD 和GMD 均與D 值顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）負(fù)相關(guān)，即MWD 和GMD 越大，D 值越小?；牡睾退咎锿寥浪€(wěn)性團聚體的MWD 和GMD 均極顯著正相關(guān)，且相關(guān)性均很高，分別為0.868 和0.895。荒地和水稻田土壤水穩(wěn)性團聚體MWD 和GMD 均與0.5～2 mm 粒徑團聚體量極顯著正相關(guān)，但荒地土壤MWD 和GMD 與0.053～0.25 mm、＜0.053 mm 粒徑團聚體量極顯著負(fù)相關(guān)，水稻田土壤水穩(wěn)性團聚體MWD 和GMD 與＜0.053 mm 粒徑團聚體量極顯著負(fù)相關(guān)。表明2 種土壤的0.5～2 mm 和＜0.053 mm 粒徑團聚體量對于MWD 和GMD 的大小有顯著的影響。

荒地和水稻田土壤的D 值均與0.25～0.5 mm 粒徑團聚體量顯著負(fù)相關(guān)，而與＜0.053 mm 粒徑團聚體量顯著正相關(guān)，表明大粒徑水穩(wěn)性團聚體增加會降低土壤團聚體分形維數(shù)。

表2 團聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of various parameters of aggregates

2.3 分形維數(shù)影響因子分析

為深入了解濱海土壤團聚體分形維數(shù)D 的影響因素，利用因子分析法對影響土壤團聚體分形維數(shù)的理化因子（土壤鹽離子量、SAR、SOM、黏粒及粉粒量）進行統(tǒng)計分析。對樣本數(shù)據(jù)進行充足性檢驗結(jié)果如表3 所示。

表3 樣本充足性的KMO 值和巴特利球形檢驗Table 3 KMO value and Bartley sphere test of sample adequacy

在因子分析中，KMO 值是用于觀測相關(guān)系數(shù)值和偏相關(guān)系數(shù)值的一個指標(biāo)，其值越接近1，表明因子分析的相關(guān)性越強，越適合于作公共因子分析，并且因子分析的結(jié)果越好，越符合客觀事實。

本試驗分析結(jié)果顯示KMO值為0.685，大于0.65。同時巴特利球形檢驗結(jié)果的顯著性遠小于0.05，表明可以拒絕巴特利球形檢驗的零假設(shè)[17]。變量因子的特征值和方差貢獻率大小則用于衡量因子的重要程度。由分析得到的總方差解釋初始特征值可知（表4），前4 個主成分的方差貢獻率之和達到86.1%，大于85%。綜合以上分析結(jié)果可知該因子分析的結(jié)果可以接受[17]。

表4 總方差解釋初始特征值Table 4 Explains the initial eigenvalues of the total variance

為更加客觀準(zhǔn)確地確定主成分的個數(shù)，作出包含公共因子個數(shù)及其特征值的碎石圖（圖2）。由圖2可以看出，從第5 個特征值開始各特征值變化較小，因此最終應(yīng)保留4 個公共因子，這也與表3 得到的結(jié)果一致。

由提取的4 個公共因子的旋轉(zhuǎn)成分矩陣（表5），可知第一主成分主要表達Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+；第二主成分主要表達黏粒量、粉粒量、SOM；第三成分主要表達HCO3-；第四成分主要表達SO42-。其中第一主成分的方差貢獻率最高，因此第一主成分是濱海土壤團聚體分形維數(shù)的綜合影響因子。同時由土壤團聚體分形維數(shù)和理化性質(zhì)的相關(guān)性分析（表6）可知，分形維數(shù)D 和Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+均顯著正相關(guān)，這些因子與第一主成分表達內(nèi)容一致。因子分析和相關(guān)性分析共同證明了濱海土壤團聚體分形維數(shù) D 和Na+、Ca2+、K+、SAR、Cl-、Mg2+的相關(guān)關(guān)系。

表5 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 5 Composition matrix after rotation

表6 團聚體分形維數(shù)D 與理化因子間相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between fractal dimension D of aggregates and physical and chemical factors

3 討論

3.1 圍墾對海涂土壤團聚結(jié)構(gòu)影響

土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性受到土地利用方式的影響。李涵韜等[18]發(fā)現(xiàn)土地復(fù)墾后＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體比例增大，土壤團聚體穩(wěn)定性提高。本研究表明，沿海灘涂墾區(qū)種植水稻后，土壤中大團聚體量增加，團聚體水穩(wěn)性高于荒地，土壤結(jié)構(gòu)得到改善。研究發(fā)現(xiàn)，水稻田土壤和荒地土壤相比，分形維數(shù)減小，表明在水稻種植后濱海土壤的團聚結(jié)構(gòu)得到改善。這是因為在荒地開墾后，小粒徑團聚體逐漸聚合成大粒徑團聚體，而由相關(guān)性分析可知，分形維數(shù)和較大粒徑團聚體顯著負(fù)相關(guān)，而與較小粒徑團聚體顯著正相關(guān)，因此水稻的種植會降低土壤的團聚體分形維數(shù)。GMD 和MWD 均與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。表明較大粒徑團聚體可以提高GMD 和MWD，降低分形維數(shù)，增強土壤團聚體穩(wěn)定性，這與李涵韜等[18]研究結(jié)果一致。因此，促進土壤大粒徑團聚體的形成是提升濱海灘涂墾區(qū)土地質(zhì)量的重要途徑，對墾區(qū)土壤開發(fā)利用具有重要意義。

3.2 土壤理化性質(zhì)對團聚體結(jié)構(gòu)的影響

因子分析法可以從眾多影響因子中提取出方差貢獻率最大的因子，簡化多因素影響的問題[19]。利用因子分析統(tǒng)計和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SAR、Cl-對團聚體分形維數(shù)有顯著影響。鹽基離子影響團聚體結(jié)構(gòu)主要是因為物理化學(xué)分散作用[20]。陽離子的種類和價態(tài)會影響團聚體顆粒的破碎程度[21]，最終導(dǎo)致土壤團聚體穩(wěn)定性不同。

研究表明，鈉離子與團聚體分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明土壤中鈉離子量越多，分形維數(shù)越大，表明團粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。這是因為灘涂土壤中具有較高的交換性鈉離子，而交換性鈉離子對土壤團聚體穩(wěn)定性影響最大[22]，因其較強的分散能力會使得土壤膠體顆粒間相互吸引力下降而直接導(dǎo)致團聚體破碎，大粒徑團聚體分散，小粒徑團聚體增加，進而導(dǎo)致分形維數(shù)D 增大。相同價態(tài)鉀離子影響顆粒間相互作用力的能力相比鈉離子而言較弱，因此其分散團聚體能力也相對較弱[23]。

由相關(guān)性分析可知，Mg2+、Ca2+均與分形維數(shù)D顯著正相關(guān)，即Mg2+、Ca2+也會對團聚體起分散作用。但Le[20]卻認(rèn)為單價陽離子對團聚體有分散作用，而多價陽離子則引起團聚體絮凝。這與我們的研究結(jié)果存在差異。這主要因為Mg2+、Ca2+對團聚體穩(wěn)定性影響的性質(zhì)和程度會隨著黏土性質(zhì)和電解質(zhì)的濃度不同而發(fā)生變化[24]，Yousaf 等[25]研究也證實了這一點，即Mg2+和Ca2+分散能力隨SAR 的增加而增加，隨電解質(zhì)量的降低而降低。灘涂土壤較其他土壤具有高鈉吸附比，因此Mg2+、Ca2+對于灘涂土壤團聚體表現(xiàn)出分散性。同時吳忠東等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤溶液鈉吸附比增加，則部分交換性鈣鎂離子會被鈉離子取代，因此表現(xiàn)為隨土壤中交換性鈉的增加，引起土壤顆粒的膨脹和分散，團聚體結(jié)構(gòu)性越差，分形維數(shù)越高。

李越等[27]研究表明，陰離子的專性吸附會由于增加土壤顆粒表面的負(fù)電荷密度，而增強顆粒周圍的靜電斥力，進而加劇團聚體的分散。但Cl-主要以電性吸附為主，而專性吸附較弱，發(fā)生電性吸附的離子主要由于庫侖力的作用吸附在擴散層中，對顆粒表面負(fù)電荷密度不會產(chǎn)生影響，因此Cl-對團聚體分散的作用較弱，因此對團聚體分形維數(shù)的影響相對較小。

Zhou 等[28]研究成果顯示土壤有機質(zhì)量越高而黏粒量越低，則團聚體穩(wěn)定性越好。但本研究中有機質(zhì)及黏粒量對團聚體影響并不十分顯著，這可能由于研究區(qū)耕地種植年限較短，粉砂土黏粒量低，有機質(zhì)太少，對于團聚作用較小。

4 結(jié)論

灘涂圍墾區(qū)種植水稻能夠提高土壤的團聚性，促進團粒結(jié)構(gòu)的改善，體現(xiàn)為小粒徑團聚體量減小而大粒徑團聚體量增加，土壤團聚體分形維數(shù)降低。團聚體分形維數(shù)隨較小粒徑團聚體量增加而增大，隨較大粒徑團聚體量增加而減小。土壤的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤中Na+、Mg2+、Ca2+、K+、SAR、Cl-對研究區(qū)土壤團聚體分形維數(shù)貢獻率較大，且與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)。本研究揭示了土地利用類型及部分土壤理化性質(zhì)（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、SAR、Cl-）是影響墾區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體分布以及影響團聚體分形維數(shù)的因素。