吉蘭泰鹽湖盆地土壤顆粒分形特征與空間變異分析

杜丹丹, 高瑞忠, 賈德彬

(1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018; 2.內蒙古水資源保護與利用重點實驗室, 呼和浩特 010018)

土壤由母質風化而成,土壤的顆粒組成繼承了母質的許多特征,分形特征便是其中之一。土壤顆粒分形特征不僅影響土壤的水力狀況和肥力特征,而且與土壤侵蝕和退化狀況直接相關[1-2]。土壤特性在空間分布上的非均一性,稱為土壤特性的空間變異性。空間變異性是土壤的基本屬性,進而產生了其結構功能上的差異。這種差異是自然因素以及人為因素綜合作用的結果。對土壤屬性空間變異的充分了解,是管理好土壤養分和合理施肥的基礎,同時也為土壤質量的恢復和改良、生態環境的修復提供了理論依據[3-5]。國內外土壤分形分析及土壤空間變異性研究驗證了分形理論在分析土壤空間變異中的有效性和應用潛力,分形理論可以成為量化土壤屬性空間變異性及尺度轉換的重要工具[6-7]。

位于干旱半干旱阿拉善高原的吉蘭泰鹽湖,鹽礦資源蘊藏豐富,采鹽工業歷史悠久,水資源與環境狀況極大地制約著區域經濟發展。隨著環境氣候演變,鹽湖流域干旱狀況不斷加劇,在人類經濟活動的過度干預下,流域草原生態整體退化,荒漠化日益嚴重。需要對區域內土壤環境質量空間變異性特征及其影響因素充分認知,對區域土壤環境演變和影響因子響應的規律進行研究,以制定可持續發展的工農牧業政策,針對性地提出環境治理方案和防護鹽湖沙害治理措施。

本文依據分形理論及其在土壤空間變異研究中的應用,計算土壤顆粒分形維數,分析吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤包氣帶不同土層下土壤質地、土壤基礎理化指標與土壤顆粒分形維數的響應關系;通過Kriging插值對土壤顆粒分形維數進行空間變異及分布特征分析,為保護鹽湖區生態環境,延長鹽湖資源利用壽命,為預測土壤侵蝕和退化狀況提供理論支持。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于阿拉善左旗境內的吉蘭泰鹽湖盆地流域,連接著烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠。地理坐標位于東經105°42′,北緯39°45′,海拔1 013～3 159 m,屬典型的溫帶荒漠干旱區,干旱少雨,蒸發強烈,積溫高,風沙多。多年平均降水量108.8 mm、蒸發量2 983.3 mm、日照時數3 316 h、氣溫8.6℃。年平均晝夜溫差14.6℃。大面積沙漠戈壁,沙丘漫布,植被稀少,主要植被為旱生和超旱生的灌木和小半灌木,植被生長稀疏,群落結構簡單,生態環境極其脆弱。所表現的地貌外表形態主要為壟狀沙丘、蜂窩狀沙丘和平蓋沙3種。

1.2 采樣與檢測方法

圖1 研究區地理位置及土壤采樣點圖Fig.1 Geographic location and soil sampling points in the study area

土壤粒徑分布分析采用德國SYMPATEC RODOS/激光粒度儀測定;全氮(TN)采用K9840海能凱氏定氮儀測定;pH采用賽多利斯PB-21 pH計測定(土水質量比1∶5浸提液);總溶解性固體(TDS)采用105℃重量法測定(土水質量比1∶5浸提液);土壤含水率(θ)采用(105±2)℃烘干法測定。均依據土壤檢測 NY/T1121-2006標準進行分析及質量控制。本研究在2020年6—8月采樣,土壤樣品的測試在內蒙古農業大學水利與土木工程測試中心完成。

1.3 數據分析方法

依據王國梁等[8-10]推導的土壤分形模型,計算土壤分形維數D。公式如下:

(1)

式中:V(r

統計學特征分析、相關性檢驗分析和K-S檢驗分析采用SPSS軟件完成,半變異函數分析通過GS+9.0軟件完成,應用ArcGIS 10.5進行Kriging插值分析,利用Origin進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤的質地分類

基于研究區50個采樣點表層,50 cm,100 cm土層深度的土壤顆分試驗數據,按照美國制土壤質地分類制砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm),確定土壤質地分類[11](圖2)。如圖可知,各層土壤樣本點都集中在砂土、壤砂土、砂壤土3種土壤質地類型區域,只有極少數樣本點在粉壤土、壤土土壤質地類型區。表層、50 cm,100 cm土層土壤質地類型所占比重見圖3,其中表層土壤質地屬于砂土、壤砂土、砂壤土和粉壤土的樣本所占百分比分別為48%,30%,20%,2%;50 cm層土壤屬于砂土、壤砂土、砂壤土、粉壤土、壤土的樣本占比分別為36%,28%,30%,4%,2%;100 cm層土壤屬于砂土、壤砂土、砂壤土、粉壤土的樣本比例分別為52%,22%,22%,4%。總體分析可知,研究區0—100 cm土壤質地以砂土、壤砂土為主,不同土層深度土壤質地基本一致。其主要成因是研究區內風成沙大面積普遍分布,并多以平蓋沙為主,其中有互不連續的沙丘分布,厚度2～5 m,巖性為細、中、粗砂,分選較好。

注:A為重黏土;B為砂黏土;C為砂黏壤土;D為砂質壤;E為壤砂土; F為砂土 ;G.為黏壤土;H為壤土; I為粉黏土;J為粉質黏壤土;K為粉壤土;L為粉砂土。圖2 研究區土壤質地分類圖Fig. 2 Texture classification of the soil in the study area

圖3 研究區土壤質地類型比重Fig. 3 Proportion of soil texture types in the study area

2.2 土壤粒級分布及分形維數統計特征

研究區包氣帶0—100 cm間土壤粒級分布特征見表1。對比分析數據可知,表層,50 cm,100 cm土層深度的土壤粒級結構相似,各級顆粒含量比例范圍近似一致。其中細砂含量最高,表層,50 cm,100 cm土層平均值分別為47.32%,40.29%,41.51%。其次是粉粒、粗砂、極細砂和中砂,顆粒含量的均值范圍分別為12.53%～18.80%,10.84%～14.77%,10.58%～12.62%和9.86%～12.43%。黏粒和礫石含量最低,平均值為2.72%～3.89%和1.53%～2.07%。整個研究區的土壤粒級分布從平面來說,是西北部較東南部粗;從沙丘本身來說,迎風坡較背風坡粗,下部較上部粗。

表1 土壤粒級分布統計Table 1 Statistics of soil particle size distribution

依據公式(1)計算出研究區50個樣本表層,50 cm,100 cm土層的體積分形維數,其統計學特征見表2。3土層土壤樣本分形維數值分別為1.672～2.716,2.006～2.766,1.963～2.785;樣本分形維數平均值分別為2.416,2.476,2.444,均小于2.5。各土層分形維數值的峰度分別為5.759,1.488,0.598,偏度為-1.802,-0.829,-0.373,變異系數為7.258,6.155,6.713,說明各土層樣本數據均呈現非離散的左偏分散分布。

2)粉煤灰脫硫活性評價試驗工況設定。2 g粉煤灰裝入石英反應管中，溫度70 ℃，進口SO2質量濃度為500 mg/m3，O2含量為6%，增濕水量為5%，分別測試裝入不同粉煤灰樣品工況下的出口SO2濃度c，樣品脫硫率x計算式為x=(c-500)/500×100%。

綜合分析表明,研究區深層土壤分形維數比表層有增大趨勢,其主要與表層土壤受風蝕影響大,細顆粒物不宜沉積有關。表層土壤分形維數的峰度、偏度絕對值隨土層加深呈現減小趨勢,變異系數表層大于50 cm,100 cm土層,這是因為較深層土壤風成沉積的分選性較好,導致分形維數數據的變異性減弱,數據分布較表層均衡。

2.3 分形維數與土壤理化特性的關系

根據楊培嶺等[12-13]的研究,土壤分形維數的大小可以表征土壤結構的緊實度、通透性以及單一粒級分布的集中度。因此,為進一步量化分析分形維數與土壤性狀的關系,本文將研究區3層土壤采樣點的分形維數D值與土壤粒徑分布、土壤基本理化指標pH值、總溶解性固體TDS、總氮TN、含水率θ做相關性分析,并繪制土壤分形維數D與土壤粒級分布相關性圖(圖4)。

圖4 土壤分形維數D與土壤粒級分布相關性Fig. 4 Correlation between soil fractal dimension D and soil particle size distribution

2.3.1 分形維數與土壤粒徑分布的關系 分析研究區表層、50 cm層,100 cm層土壤分形維數D值與各粒級含量百分數間的相關系數(表3,圖4)可以看出,分形維數與黏粒和粉粒為極顯著正相關(p<0.01顯著水平),相關系數分別為0.738,0.815,0.813,0.658,0.781,0.768。粗砂、中砂、細砂與土壤分形維數D值呈現負相關。與中砂在3土層均表現為顯著負相關(p<0.01顯著水平),且相關系數分別為-0.437,-0.487,-0.519。整體相關分析可以得出,D值隨著小于0.1 mm粒徑土壤顆粒含量的升高而增大,隨著大于0.1 mm粒徑土壤顆粒含量的升高而減小,0.1 mm粒徑是D值隨土壤粒徑變化的分界值。這與姚嬌轉等[14]科爾沁沙地分形特征的研究結果相一致,可能是因為研究區都是內蒙古境內的寒旱區沙地,土壤質地結構相似,均為風成沙土,砂粒含量比例較大,而黏粒和粉粒含量比例較低。

表3 不同深度土壤分形維數D與土壤粒級分布相關系數Table 3 Correlation coefficient between soil fractal dimension D and soil particle size distribution at different depths

由此可見,土壤顆粒分形維數隨土壤粒徑含量變化而變化,黏粒含量與分形維數的相關性最好,黏粒粉粒含量越高分形維數越大,砂粒含量越高分形維數越小,所以土壤分形維數可以作為表征土壤質地結構的指標。

2.3.2 分形維數與土壤理化指標的關系 由3土層土壤基本理化指標與分形維數D值的相關性分析(表4)可知,D值與含水率在3土層均呈現極顯著正相關(p<0.01顯著水平),相關系數分別為0.453,0.483,0.573。在表層和100 cm層與土壤總氮表現為極顯著正相關(p<0.01顯著水平),50 cm層為顯著正相關(p<0.05顯著水平)。而與pH值負相關,與TDS正相關但相關性不顯著。與含水率和總氮相比pH值和TDS對D值的影響較小。一方面黏粒粒級含量高的土壤具有較好的團聚體結構,毛管孔隙增多單位表面積增大,因此土壤的吸水和持水能力增強,且土壤黏粒含量、D值、含水率相關關系一致。另一方面土壤總氮隨D值正向相關的規律,說明總氮在土壤中的固定可能與黏粒含量有關,土壤分形維數D值越大,黏粒含量比例越高,土壤的比表面積越大,對氮素的吸附能力越強,這與蘇永中等[15]的研究結論相一致。

表4 不同深度土壤分形維數D與土壤理化指標相關系數Table 4 Correlation coefficient between soil fractal dimension D and soil physical and chemical indicators at different depths

2.4 土壤分形維數的空間分布特征

干旱區土壤的體積分形維數空間變異性研究對于評價土壤質地、宜耕狀況、退化程度等具有重要意義,有利于因地制宜地進行科學化農牧業土地利用管理。本文應用地統計學方法研究了吉蘭泰盆地流域不同剖面層次土壤分形維數空間變異特征。依據統計學特征(表2)研究區各層土壤分形維數D值的偏度在區間[-1,1]內[16],接近正態分布。將原始數據進行對數轉換,應用K-S檢驗,結果顯示經對數轉換后各層土壤D值數據均服從正態分布。

應用GS+9.0對研究區各層土壤D值數據進行半方差函數分析計算,結果見(表5)。不同土層D值的最佳擬合模型不同,表層、100 cm層的擬合模型是高斯模型,50 cm層的擬合模型是球狀模型。由上到下各層模型擬合度分別為0.998,0.872,0.924,表明所選擇模型均能反映分析樣本的空間分布特征。由表5結果可知,各土層擬合模型的塊基比數值為0.114%,0.687%和0.316%,均<25%,表明研究區土壤D值具有強烈的空間自相關性[17-18],相關性分別表現在11.414 km,10.2 km和7.188 km的變程范圍之內。說明土壤母質、氣候環境等自然因素在土壤形成過程是主要影響因素,風成沙土壤的分形特征由自然沉積環境起主導作用,因此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[19-20]。

表5 不同深度土壤分形維數D值的半方差函數模型與參數Table 5 Semi variance function model and parameters of soil fractal dimension D at different depth

應用Kriging插值繪制研究區土壤分形維數D值的空間分布圖(圖5)。由不同土層對比分析可知,各層土壤D值具有相似的空間分布特征,D值的高值區主要分布于巴音烏拉山以及烏蘭布和沙漠北部地區,低值區主要分布在西南部圖格力高勒溝臺地和東南部賀蘭山地區,中部錫林高勒鎮及以南區域表現為塊狀的中值區。表層土壤在吉蘭泰鹽湖附近有D值呈帶狀分布的高值區,50 cm,100 cm深度土層吉蘭泰鹽湖附近未出現D值分布的高值區,鹽湖周圍區域D值隨土層深度增加而減小。總體上,研究區土壤分形維數D值呈現出由南向北逐漸增大的條塊狀分布特征。50 cm,100 cm土層D值分布近乎一致,而與表層D值變化特征差異明顯,說明表層土壤因頻繁受到人類活動的影響,土壤質地發生變化。研究區南部區域地貌類型多為低山臺地和流動沙丘,植被覆蓋稀少,風蝕嚴重,D值普遍較小。

圖5 研究區不同深度土壤分形維數D值的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of soil fractal dimension D at different depth in the study area

2.5 討 論

研究區土壤顆粒主要分布在 0.1～0.25,0.25～0.5 mm范圍內,<0.002 mm和>2 mm的顆粒比重很小,且土壤質地類型砂土、壤砂土占比72%。分析原因在于研究區屬干旱荒漠氣候,植被稀疏,土壤以風成沙土和流動沙丘為主[21-22]。同時從土壤顆粒分布來看,表層粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)均小于深層土層,說明表層土壤顆粒受風蝕作用明顯,土壤質地較深層土壤具有粗粒化現象。研究區土壤分形維數與黏粒和粉粒為顯著正相關,與粗砂、中砂、細砂呈顯著負相關,分形維數隨小于0.1 mm粒徑土壤顆粒含量的升高而增大,隨大于0.1 mm粒徑土壤顆粒含量的升高而減小;可見,土壤顆粒分形維數越大,土壤越細粒化。同時隨土層加深土壤分形維數逐漸增大,而變異系數逐漸減小,說明表層土壤顆粒遭吹蝕嚴重,改變了土壤粒級的分布,進而潛移默化地改變了土壤結構[23-24]。土壤分形維數能表征土壤對沙漠環境變化的響應特征和土壤的演變趨勢[6,25],可以作為一項評價沙漠土壤質量演變的定量指標[26]。

土壤分形維數值是由土壤質地類型和土壤顆粒分布決定的,因此,分形維數能夠表征土壤的結構和性質[27-28]。土壤質地類型決定著土壤養分元素的供應能力,土壤顆粒分布影響著養分、水分的親和、離子交換以及生物活動。研究區土壤分形維數與土壤含水率、總氮均表現為極顯著正相關,且隨土層深度增加,相關性增強。這充分說明與土壤分形維數顯著正相關的物理性黏粒、粉粒以及較細砂粒是構成土壤肥力水平的重要組成部分[29-30]。黏粒、粉粒使土壤的吸水和持水能力增強,并與土壤中的有機養分黏結,為改善土壤環境質量提供充足的動力[26],因此土壤分形維數可以作為土壤肥力特性的量化指標[27]。

吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤pH值與土壤顆粒分形維數相關性不顯著,這與姚姣轉等[14]在科爾沁沙地、羅雅曦等[24]在騰格里沙漠的研究結果一致。而本研究土壤TDS與土壤顆粒分形維數相關性不顯著,則與姚姣轉等、羅雅曦等的土壤顆粒分形維數與土壤電導率呈顯著正相關的研究結果不一致。由于吉蘭泰地區土壤包氣帶呈弱堿性氧化環境,pH值整體較高為7.58～10.44,且TDS含量普遍偏高,是區域干熱氣候和水文地球化學過程中,土體淋溶、蒸發濃縮等綜合作用下形成于土壤中,可以認為氣候因素對土壤質地和理化性質均起著決定性的作用[31]。旱區風成沙土壤pH值、TDS與土壤顆粒分形維數相關性及內在機理還有待于進一步研究。

不同土層分形維數的空間分布圖對比分析可知,研究區表層分形維數值分布變化特征差異明顯,說明表層土壤因頻繁受到氣候和人類活動的影響,土壤質地發生變化,風蝕嚴重。

3 結 論

(1) 吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤0—100 cm質地類型以砂土、壤砂土為主。研究區土壤顆粒分形維數在1.672～2.785。D值與黏粒和粉粒呈現極顯著正相關,與粗砂、中砂、細砂為顯著負相關;0.1 mm粒徑是D值隨土壤粒徑變化的分界值。

(2) 吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤表層、50 cm層和100 cm層分形維數D值對各理化指標的響應具有相同的規律,D值與含水率、總氮在3土層均呈現顯著正相關,而與pH值和TDS相關性不顯著。

(3) 吉蘭泰鹽湖盆地流域土壤分形維數D值具有強烈的空間自相關性,風成沙土壤的分形特征由自然沉積環境起主導作用。

(4) 吉蘭泰鹽湖盆地流域各層土壤D值具有相似的空間分布規律,均呈現出由南向北逐漸增大的條塊狀分布特征。巴音烏拉山北部和烏蘭布和沙漠北部地區是D值的高值區,圖格力高勒溝臺地和賀蘭山地區有全流域D值的最低區域。