香日德—柴達木河流域不同土地利用方式下土壤顆粒分形特征

刁二龍，曹廣超，袁 杰，程夢園，何啟欣，高斯遠，程 國，童 珊

(1.青海師范大學地理科學學院，西寧 810008；2.青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室，西寧 810008；3.青海省自然地理與環境過程重點實驗室，西寧 810008；4.青海省人民政府-北京師范大學高原科學與可持續發展研究院，西寧 810008)

【研究意義】土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成，土粒及粒間孔隙的大小、形狀和分布會決定土壤的結構和性質，并間接影響土壤的水肥狀況及侵蝕強度等理化性質[1-2]。土壤由于其顆粒組成特性使其具有一定的分形特征[3]。分形維數不僅能指示土壤理化性狀，也能定量表征土壤顆粒分布對土壤結構均一性和穩定性的影響[4]。因此，分形維數對評價土壤的結構和質量具有重要的意義[5]。【前人研究進展】Tyler和Wheatcraft[6]將分形理論引入土壤學研究中。Paris等[7]對土壤顆粒分形現象及分形維數的計算方法進行了研究。楊培嶺等[8]認為利用土壤顆粒重量分布來描述土壤分形特征的模型，得到的分形維數結果更準確。目前，很多學者應用王國梁等[9]提出的土壤顆粒體積分形維數來開展土壤研究，這些研究涉及草地、林地、灌叢等不同土地利用方式。王瑞東等[10]利用土壤分形理論研究了希拉穆仁天然草地典型群落土壤分形特征，表明分形維數可以反映土壤結構及草地退化恢復程度。童春元等[11]利用土壤分形理論研究了鄂爾多斯地區楊樹低效林下土壤顆粒分形特征，表明該地區土壤分形維數較低，土壤結構不均勻，這樣的土壤結構不利于楊樹的生長發育。董雪等[12]利用土壤分形理論研究了西鄂爾多斯荒漠典型灌叢土壤分形維數與養分的關系，表明土壤分形維數與土壤養分關系顯著。因此，可利用土壤分形維數來研究土壤粒徑分布、質地差異和理化性狀，并制定水土保持措施[13]。【本研究切入點】香日德—柴達木河流域位于柴達木盆地東南部，生態系統類型多樣，動植物資源豐富，在維護柴達木盆地生物多樣性和生態安全方面具有重要作用，但受氣候條件和人類活動的影響，該地區生態環境較脆弱[14]，雖然已有學者對該區域生態環境進行了研究，然而這些研究大多集中在綠洲灌溉對地下水的影響和生態用水研究等方面[14-15]，利用分形理論對香日德—柴達木河流域不同土地利用方式下土壤粒徑特征及其與土壤性狀關系的研究報道較少。【擬解決的關鍵問題】本研究選擇具有重要生態功能的香日德—柴達木河流域地區，分析不同土地利用方式下土壤粒徑組成、分形特征及與土壤理化性狀的關系，以期為該區域土壤質量評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

香日德—柴達木河為內流河，位于青海省海西蒙古族藏族自治州(圖1)，柴達木盆地東南部，河流流向為東南—西北，東南部為山區，西北部為沖積平原[16]，平均海拔4100 m，氣候類型屬高原大陸性氣候，日照充足，溫度日變化較大，蒸發強烈，流域多年平均氣溫3.1～4.4 ℃，年均降水量262.18 mm。土壤和植被垂直分異明顯，土壤類型主要有石灰性草甸土、寒鈣土和棕鈣土。植被主要有青楊(Populuscathayana)、密花檉柳(Tamarixarceuthoides)、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、矮蒿草(Kobresiahumilis)和芨芨草(Achnatherumsplendens)等，耕地主要種植藜麥、油菜和小麥等農作物[17]。

圖1 研究區域及樣點

1.2 樣品采集與測定

根據野外調查并結合研究區土地利用現狀[15,18]，于2020年8月中旬，依據代表性和典型性原則，選擇晴天(采樣前一周無降雨)對研究區不同土地利用方式下的土壤進行樣品采集，土壤樣品在喬木林地、灌木林地、草地和耕地4種土地利用方式下采集，用奧維互動地圖獲取每個采樣點的地理坐標，采樣點共計49個。每種土地利用方式下布設3個10 m×10 m標準樣地，每個樣地按品字形布設3個1 m×1 m標準樣方，去除采樣點表層土壤的根系和雜質后，用直徑為5 cm的土鉆每隔10 cm向下逐層采集土樣，林地采樣時鉆孔離樹干2 m，同時避開動物穴及其它明顯受干擾位置。每種土地利用方式取樣深度均為50 cm。將同一樣地同一土層的3個土樣混合為1個土樣，采用四分法取樣(保留1 kg左右)，此外在每個樣方用環刀逐層采集新鮮原狀土樣，將土樣帶回實驗室陰干，過篩研磨測定相關指標。容重采用環刀法[19]測定，pH采用浸提電位法[20](水土比為2.5∶1.0)測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[20]測定。土壤粒徑采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測定。根據美國制分類標準，將土壤粒徑分為粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.050 mm)和砂粒(0.05～2.00 mm)[21]。

1.3 土壤分形模型

根據激光粒度儀獲取土壤顆粒體積分布數據，對土壤顆粒體積分形維數的概念及其計算公式推導如下[22]：

(1)

式中，V是顆粒的體積，r是測定的尺度，R是某一特定的粒徑，Cv和λV是描述形狀和尺度的常量，D是分形維數。

據式(1)，土壤顆粒的總體積可表示為：

(2)

從式(1)和式(2)可得到：

(3)

對常量λV的估計，只需要取土壤粒徑分級中最大的粒級值(用RL表示)即可。當R=RL時，V(r>R)=0，故V(r>R)/VT=0。此時，λV在數值上等于最大的粒級值RL。

將r>R的形式轉化為r

(4)

1.4 數據來源與處理

DEM數據為地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)下載的SRTMDEMUTM 90 m數字高程數據。土壤類型數據來源于青海省土壤數據庫，分辨率為1∶100萬。利用ArcGIS軟件中的“多值對點提取”工具，根據采樣點的經緯度提取相應的DEM數據和土壤類型數據。利用Excel和SPSS 25進行數據處理和分析，采用單因素方差分析進行差異顯著性檢驗并用Duncan法進行多重比較，用Pearson進行相關分析，并通過逐步回歸分析方法確定影響土壤分形維數的主要因子。用Origin 2021軟件制圖。實驗數據用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤理化性質

由圖2-a可知，4種土地利用方式下，耕地土壤容重(1.12 g/cm3)最大，其次為灌木林地(1.10 g/cm3)和天然牧草地(1.05 g/cm3)，喬木林地容重最小(0.94 g/cm3)，喬木林地容重較耕地、灌木林地和天然牧草地分別減少16.07%、14.55%和10.48%。0～50 cm各土層，耕地容重與灌木林地、天然牧草地差異不顯著(P>0.05)，與喬木林地差異顯著(P<0.05)。天然牧草地和耕地容重均隨土層加深而增大，喬木林地和灌木林地容重變化不規律。由圖2-b可知，0～50 cm土層天然牧草地土壤含水量最大，為15.45%，其次為耕地和灌木林地，分別為15.09%和12.37%，喬木林地土壤含水量最低，為5.76%。以20 cm土層為界，界上土壤含水量變幅較大，為37.2%，界下含水量變幅較小，為12.62%。各土層土壤含水量均表現為耕地和天然牧草地差異不顯著(P>0.05)，但是顯著大于灌木林地和喬木林地(P<0.05)。4種土地利用方式下土壤含水量均隨土層加深而增大。由圖2-c可知，0～50 cm土層灌木林地土壤pH最大，為8.28，其次為耕地和天然牧草地，pH分別為8.25和8.24，喬木林地土壤pH最小，為8.01。除天然牧草地土壤pH變化特征不規律外，其余3種土地利用方式下的土壤pH隨土層加深而增大。0～50 cm土層，喬木林地和耕地各土層土壤pH差異顯著(P<0.05)。

不同小寫字母表示同一深度不同土地利用方式差異顯著(P<0.05)，下同

測試土壤pH為7.93～8.32，均值為8.19，表明研究區4種不同土地利用方式下的土壤以堿性為主。由圖2-d可知，不同土地利用方式下土壤有機質含量隨土層加深而減少。0～50 cm土層，天然牧草地有機質含量最大(18.88 g/kg)，喬木林地有機質含量最低(15.3 g/kg)。不同土地利用方式下，淺層土壤有機質含量較深層差異顯著。全國第二次土壤普查養分分級標準將土壤有機質含量分為6個等級，研究區土壤有機質含量處于4級水平(10～20 g/kg)，土壤有機質含量較低。

2.2 不同土地利用方式下土壤顆粒組成特征

研究區4種土地利用方式下，土壤粘粒含量介于3.24%～6.48%，粉粒含量介于30.56%～62.04%，砂粒含量介于32.27%～66.21%(表1)，0～50 cm土壤顆粒組成均以粉粒、砂粒為主，粘粒含量較低，土壤偏砂性。以20 cm為界，界上為淺層土壤，界下為深層土壤，對淺層和深層土壤顆粒組成進行具體分析，4種土地利用方式下，淺層土壤粘粒和粉粒含量均值分別為4.66%和48.13%，深層土壤粘粒和粉粒含量均值分別為5.13%和50.62%，淺層和深層土壤砂粒含量均值分別為47.22%和44.33%，土壤細顆粒(粘粒和粉粒)含量呈增大趨勢，而土壤粗顆粒呈減少趨勢。每一種土地利用方式下，喬木林地0～50 cm土壤粘粒含量最低，平均含量為4.10%，其次為灌木林地和天然牧草地，耕地的粘粒含量最大，為5.26%；灌木林地、天然牧草地和耕地的粉粒含量介于50%～55%，明顯大于喬木林地的粉粒含量39.98%；喬木林地0～50 cm土壤砂粒含量最大，平均為55.92%，大于其他3種土地利用方式。喬木林地、灌木林地、天然牧草地和耕地的土壤粘粒和粉粒體積百分含量隨土層深度的增加總體上呈增大趨勢，而砂粒體積百分含量隨土層深度的變化趨勢與粘粒和粉粒相反，除個別土層外，不同土層土壤顆粒組成差異顯著(P<0.05)。

表1 不同土地利用方式下土壤顆粒組成特征

2.3 土壤顆粒分形維數特征及與土壤粒徑的關系

由圖3可知，不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數在剖面上變化幅度不同，天然牧草地土壤顆粒分形維數介于1.84～2.39，變幅最大，為29.89%；灌木林地分形維數介于1.82～2.02，變幅最小，為10.99%。除個別土層土壤顆粒分形維數存在波動外，總體上，不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數隨土層增加呈增大趨勢。不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數大小為：喬木林地(1.91)<灌木林地(1.94)<天然牧草地(2.06)<耕地(2.13)。

圖3 土壤顆粒分形維數垂直變化特征

同一土層不同土地利用方式下，土壤顆粒分形維數存在一定差異。0～10 cm土層，各土地利用方式下的土壤顆粒分形維數差值最小，40～50 cm土層，各土地利用方式下的土壤顆粒分形維數差值最大。除30～40 cm土層外，耕地土壤顆粒分形維數顯著大于其他3種土地利用方式(P<0.05)。為揭示土壤顆粒分形維數與土壤粒徑的關系，對土壤顆粒分形維數與土壤粘粒、粉粒和砂粒的體積百分含量進行回歸分析(圖4)，結果表明，土壤顆粒分形維數與粘粒為線性相關，與粉粒和砂粒呈二階多項式相關。土壤顆粒分形維數與不同粒徑含量均呈顯著相關(P<0.01)，其中，與<0.050 mm體積百分含量呈顯著正相關，而與0.05～2.00 mm體積百分含量呈顯著負相關。

圖4 土壤顆粒分形維數與不同土壤粒徑關系

2.4 土壤顆粒分形維數影響因素分析

由表2可知，土壤顆粒分形維數與容重、含水量呈顯著正相關(P<0.05)，與pH、有機質和海拔相關性不顯著(P>0.05)。環境因子間也存在一定的相關性，粘粒與粉粒、容重、含水量呈極顯著正相關(P<0.01)，與砂粒呈極顯著負相關(P<0.01)，與有機質和海拔相關性不顯著(P>0.05)；粉粒與pH、容重和含水量呈極顯著正相關(P<0.01)，與砂粒、有機質和海拔相關性不顯著(P>0.05)；砂粒與pH、容重和含水量呈極顯著負相關(P<0.01)，與有機質和海拔相關性不顯著(P>0.05)。pH與容重、含水量呈極顯著正相關(P<0.01)，容重和含水量也呈極顯著正相關(P<0.01)。通過逐步回歸分析方法進一步分析影響土壤顆粒分形維數的主要因子，回歸方程為y=1.281+0.138X1(R2=0.62)，式中，X1為土壤粘粒。由回歸方程可知，粘粒對土壤顆粒分形維數影響最顯著(P<0.01)。

表2 土壤顆粒分形維數與環境因素相關分析

3 討 論

3.1 不同土地利用方式下土壤顆粒組分和分形維數變化特征

研究區土壤顆粒組成均以粉粒和砂粒為主，這與梁博等[23]對雅江中游4種土地利用方式土壤體積百分含量研究結果相似。4種土地利用方式下土壤粘粒含量均較低，究其原因：耕地是由于翻耕會擾動土壤結構，土壤不易形成大顆粒，此外耕地難以通過秸稈焚燒方式增加土壤有機質，會降低有機物質對土壤顆粒的粘結作用[24-25]；草根雖然能固結一定小顆粒，但研究區天然牧草地土壤類型主要是寒鈣土，寒鈣土土層薄，顆粒粗，土壤肥力低，植被生長較差且存在一定水土流失，使得粘粒含量減小；本研究喬木林地主要種植楊樹，該樹種為速生樹種，水分消耗較大，故楊樹常通過較深的根系分布將深層土壤水分輸送到淺層以維持樹木的正常生長，這導致深層土壤含水量減少，土壤結構疏松，孔隙度大，粘粒含量減小[26]。在土壤剖面上，土壤粘粒和粉粒隨土層深度呈增加趨勢，砂粒隨土層深度呈減少趨勢，這是因為天然牧草地地表植被蓋度較低，表層土壤細粒物質易受風雨侵蝕和雨水滲透的影響而流失，土壤結構不穩定，蓄水保水能力較差[27]；灌木林地根系在土壤中分布較深，灌木林地淺層土壤根系較粗，粗根系生理活動較弱，對土壤結構的改良及生物風化作用弱，導致砂粒含量增多，而深層土壤根系較細，較強的生理活動對礫石產生機械破壞，促進了土壤風化，增加了深層土壤粉粘粒含量[23]。研究區不同土地利用方式下土壤顆粒分形維數隨土層增加總體呈增大趨勢，這與馬文芳等[26]對黃土丘陵區典型植被土壤剖面的顆粒分形特征研究結果相似，這可能與表層細顆粒土壤遭到淋溶下移有關。喬木林地土壤顆粒分形維數低于天然牧草地和耕地，這和喬木林地具有較好的植被群落結構和復雜的根系有關[28]。研究區4種土地利用方式下土壤顆粒分形維數較其他地區偏低[29-31]，部分原因是研究區土壤類型主要是棕鈣土、寒鈣土等，這些土壤類型礫石較多、質地較粗，尤其是棕鈣土土壤母質主要為沖、洪積物，也有少量黃土狀母質，其礦物基本處于初級風化階段，因此土壤砂性大，粗骨性強，故分形維數較低。劉云鵬等[32]通過對陜西4種土壤粒徑分布的的分形特征研究，提出結構良好的土壤(保水保肥能力較好又具有一定通氣透水性)的分形維數應在2.75左右。本研究與之相比，研究區4種土地利用方式下土壤顆粒分形維數較低，土壤保水保肥能力較差。

3.2 環境因子對土壤顆粒分形維數的影響

本研究發現土壤顆粒分形維數與粘粒、粉粒呈極顯著正相關，而與砂粒呈極顯著負相關，這與馬文芳等[26]的研究結果一致，但與王國梁等[9]、童春元等[11]的研究結論有所區別，這可能與各環境因子的時空異質性、土地利用方式、粒級分級標準和研究尺度的不同有關[33-34]。土壤顆粒分形維數與土壤細顆粒物質存在顯著相關性，因此一定程度上可通過土壤顆粒分形維數評估區域土壤質地和水土流失情況[35]。土壤顆粒分形維數、粘粒和粉粒與土壤含水量呈顯著正相關，這與馬生花等[36]和楊婷等[28]的研究結果一致，這是因為土壤中小顆粒物質含量越大，土壤顆粒的表面積就越大，進而粘結性就越強，對水分的吸附和固定能力也越強[37]，粘粒含量的增加顯著影響著土壤分形維數。本研究中土壤顆粒分形維數與土壤容重呈顯著正相關，這與劉陽等[38]的研究結果一致，容重可反映土壤通氣透水能力，土壤容重小，表明土壤結構疏松多孔，良好土壤容重結構介于1.25～1.35 g/cm3[10]，而研究區不同土地利用方式下土壤容重介于0.94～1.12 g/cm3，土壤容重較低。已有研究表明有機質含量越高，土壤就相對疏松，分形維數就越低[29]，而本研究結果顯示，土壤顆粒分形維數與土壤有機質相關性不顯著，這與研究區土壤有機質含量較低有關，研究區不同土地利用方式土壤有機質含量介于15.30～18.88 g/kg，按照全國第二次土壤普查養分分級標準，研究區土壤有機質含量處于4級水平(10～20 g/kg)。研究區土壤有機質含量較低可能與研究區土壤類型主要是棕鈣土、寒鈣土和淡冷鈣土有關，這些土壤腐殖質積累作用弱，尤其是棕鈣土土壤質地砂性大，土壤中氣多水少，微生物好氣分解過程占優勢，有機質易于礦化，故土壤有機質消耗大于積累，有機質含量較低。不同土地利用方式下，淺層有機質含量差異較顯著，深層土壤有機質含量差異不顯著，表明不同土地利用方式下土壤粒徑組成對淺層和深層土壤的改良作用差異明顯。本研究結果顯示海拔與土壤顆粒分形維數呈正相關，這與李強等[39]的研究結果一致，海拔并不直接引起土壤性質的變化，而是通過影響地表水熱條件間接影響其物質和能量交換，從而影響分形維數[40]。土壤顆粒分形維數除了受到土壤粒徑、含水量、有機質和容重等因素影響外，還與土壤養分關系密切[41]，土壤顆粒分形維數與土壤氮、磷、鉀呈顯著正相關[41]，而本研究中由于缺乏土壤養分實測數據，土壤顆粒分形維數與土壤養分關系如何需在今后進一步研究。此外土壤顆粒分形維數也受諸如放牧等人類活動的影響，其對土壤顆粒分形維數的影響今后也需要深入分析研究。

4 結 論

(1)研究區土壤以堿性為主，土壤有機質含量較低，土壤質地較粗。

(2)研究區不同土地利用方式土壤顆粒分形維數較低，土壤顆粒分形維數大小為：喬木林地(1.91)<灌木林地(1.94)<草地(2.06)<耕地(2.13)。

(3)土壤顆粒分形維數與容重和含水量呈顯著正相關，與pH和有機質相關性不顯著。土壤顆粒分形維數受土壤粒徑含量影響顯著。