山东省不同土地利用方式土壤颗粒组成及其分形维数特征

张海廷, 时延庆

(济宁市水文局, 山东 济宁 272019)

土壤是由大小和形态各异的固体颗粒及孔隙组成的物质，作为土壤结构体的基本单元，土壤颗粒在一定程度上决定了土壤的结构和性质，并间接影响了土壤的水分特性、肥力状况以及侵蚀强度等理化性质[1-2]。由于其自身的构成及其特性，具有自相似特征或分形特征，通常用土壤粒径大小分形维数(又称分维数或分维)来描述其分形特征[3]。近年来随着分形几何学的发展，分形理论及其方法逐步应用到来土壤科学研究中，涉及了土壤机械组成、水分特征、土壤肥力等方面，在一定程度上推动土壤形态、过程等复杂问题的定量化解决。分形理论在土壤特性的研究中应用非常广泛，如土壤结构、水分特征以及有机质等方面，已成为定量化研究土壤复杂性和不规则性的一种有效工具[4]。研究表明，土壤粒径分形维数不仅可以表征土壤的颗粒分布特征和质地均匀程度，还可以用于反映土壤的风蚀化程度等；土壤的分形维数与各粒径颗粒的含量均显著相关，而且影响着土壤养分的分布特征[5]。

由于土壤内部的物理、化学、生物等过程的相互影响以及各种地质过程和人为措施的干扰，土壤在形态、结构、功能等方面表现为复杂的自然体[6]。虽然土壤结构在表观上是一个不规则的几何形体，却是有着自相似结构的多孔介质。因此可以利用分形几何学研究土壤的性状特征[7]。把分形理论及其方法应用到土壤学领域，可推动土壤形态、过程等复杂问题的解决，并可在一定程度上使其定量化。自Tyler等提出土壤颗粒粒径分布的质量分形维数计算公式后，分形维数便在土壤科学研究中得到了广泛应用。杨培岭等[8]提出了一种用质量分形代替粒径分形的土壤颗粒分形维数的求解模型，并从理论上证明该模型的合理性。吴承祯等[9]研究表明分形维数可以很好地反映土壤的肥力特征。随着激光衍射技术的发展和应用，土壤颗粒体积分布特征更容易且精确得到，王国梁等[7]在前人的公式和模型的基础上，采用土壤颗粒体积分形维数的概念，被越来越多的学者应用于土壤分形特征的研究中。

土地利用是人类干预土壤肥力最重要、最直接的活动，通过改变土壤营养循环强度、总量及路径，通过改变土壤的水热条件等从而影响土壤养分的流动与转化。土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程变化，揭示土壤颗粒组成变化特征是土地利用和管理活动研究中的一个重要部分[7,10]。通过不同土地利用方式土壤颗粒时空分异特征，可以分析土壤的发育状况，物理化学性状及生态环境变化情况，研究表明土壤分形维数值可以作为土壤侵蚀方式的判断指标[11]。土地利用变化可以改变地表覆被状况，并影响许多生态过程，如增加生物多样性、多样化食物链和营养级组成，降低地表侵蚀和改变径流、土壤环境等；反之，由于植被的劣变，容易引发土地沙漠化、土壤盐渍化、草场退化、生物多样性减少、区域气候环境恶化等一系列生态环境问题[12-13]。合理的土地利用可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力；不合理的土地利用会导致土壤质量下降，增强土壤侵蚀，降低生物多样性[14-15]。近年来，对土壤颗粒分形的研究屡见不鲜，但对土壤颗粒分形的研究和针对沿海地区土壤分形特征的文章鲜见报道。本文利用分形理论，研究不同土地利用方式下土壤颗粒分形特征，分析不同土地利用下土壤颗粒的分形维数以及分形维数与土壤养分、有机质含量、土壤含水量的相关关系，以期揭示土壤颗粒组成，将土壤颗粒分形维数应用该区生态建设与恢复提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2014—2016年的9月中旬，按照不同的土地利用方式、面积比例、坡度和坡向进行土样采集，采样点遍布整个山东省，共计采样点120个，每种土地利用方式设置5个重复样地(样地面积为100 m×100 m左右)，每个样地相距100 m左右，随机设置5个采样点，每个采样点间距在10 m以上，每个采样点重复取5次作为平行，5个平行之间间隔2 m，为了保证取样的一致性，所取样的土壤坡度均小于5°(合计：n=120)(图1)。采用四分法取样(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深度由下向上分层采集各土层的土壤样品，每层采土样约1.0 kg；所取样品现场过2 mm筛后带回实验室风干后去除杂质对其养分和有效养分进行测定。

1.2 土壤养分测定

土壤颗粒组成采用吸管法测定，根据美国农部制将土壤颗粒级别分为粗砂粒(2～0.5 mm)、中砂粒(0.5～0.25 mm)、细砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)；土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤含水量用铝盒烘干法(105℃下烘8 h)测定；铵态氮、硝态氮用流动分析仪测定；全磷含量采用酸溶—钼锑抗比色法测定；速效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定。

1.3 土壤分形维数测定

1983年Mandelbrot等[16]首先建立了二维空间的颗粒大小分形特征模型，Tyler、杨培岭等[8]在此基础上对模型进行推广，提出用粒径的质量分布表征的土壤分形模型，本文采用杨培岭等[8]的以不同级别颗粒的质量分布表征的土壤分形模型。土壤颗粒质量分布与平均粒径的分形关系式为：

式中：di表示粒径的平均值；dmax表示最大粒径的平均值；W(δ

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤养分分布特征

根据研究区不同土地利用方式，对其土壤养分进行分析(表1)。见表1，不同土地利用方式土壤养分有明显的不同。土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量均表现为：林地和草地显著高于耕地和农地(p<0.05)，其中林地和草地土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量差异均不显著(p>0.05)，除了耕地和农地土壤全磷差异不显著(p>0.05)，其他养分含量耕地和农地差异均显著(p<0.05)。

图1 研究区采样分布图

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤颗粒分布特征

根据研究区不同土地利用方式土壤粒径分布及分形维数等进行分析(表2)。由表2看出，不同土地利用方式土壤粒径分布有明显的不同，黏粒含量占主导地位，黏粒含量百分比在45.98%～67.12%之间。细砂粒和中砂粒含量百分比分别位于5.70%～18.06%和2.05%～9.25%之间，粗砂粒含量相对较低。研究区土壤颗粒分形维数变化范围是2.783～2.963，表明土壤质量较好。有较高分形维数的地类对应于较高的土壤质量。因此，与单纯依靠土壤粒径分布或土壤质地相比，土壤颗粒分形维数在比较不同植被土地质量时能提供更多的信息。不同土地利用类型的分形维数表现为耕地>草地>农地>林地，说明耕地的土壤相对更好，这是因为条件好、土层厚的土地主要用来种植农作物，而大多数林地植被生长在立地条件相对较差的环境。

表2 土壤颗粒的粒径分布与分形特征

2.3 不同土地利用方式土壤颗粒分形特征

由图2可知，不同土地利用方式土壤颗粒分形具有明显的分形特征，各土地利用方式下土壤颗粒分形特征均表现为黏粒含量>细沙含量>中砂含量>粉粒含量>粗砂含量，其中，农地和耕地土壤黏粒含量最高，土壤黏粒平均含量变化范围在45.98%和67.12%之间；土壤粉粒平均含量变化范围在3.02%和13.25%；粉粒平均含量变化范围在5.70%和18.06%之间；细砂含量变化范围在4.36%和15.26%；土壤粗砂含量变化范围在0.49%和2.96%。

图2不同土地利用方式土壤颗粒分形特征

2.4 土壤颗粒分布的分形维数在剖面中的变化

从图3可以看出，不同土地利用方式土壤颗粒分布的分形维数随着土层深度增加逐渐增大，随着土层深度增加逐渐接近；0—10 cm土层土壤颗粒分布分形维数在不同深度土壤之间变化幅度较小，而40—50 cm变化幅度较大。总体上，随土层深度增加土壤颗粒分布的分形维数逐渐增大，说明土地利用方式是决定深层土壤颗粒分布分形维数的关键因素。

图3不同土地利用方式土壤颗粒分形维数

2.5 土壤颗粒分形维数与土壤粒径分布的关系

土壤粒径分布与土壤分形维数(D)的关系见表3。由表可知，林地土壤分形维数与粗砂粒呈线性负相关，且分别达到极显著水平；农地土壤分形维数与粉粒呈线性极显著负相关；草地土壤分形维数与黏粒含量呈线性负相关，且达到极显著水平，这与陈子玉及高君亮等的研究一致。耕地土壤分形维数与黏粒含量呈极线性负相关，且达到极显著水平，与土地利用方式有较大的差异。

表3 土壤颗粒的粒径分布与分形特征

注：*，p<0.05；**，p<0.01。下表同。

由表4中相关性分析结果可以看出，土壤颗粒组成分形维数与土壤砂粒含量呈极显著负相关(p<0.01)，与黏粒含量呈极显著正相关(p<0.01)，与粉粒含量相关性不显著。这表明土壤颗粒分布的分形维数对各个粒级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，分形维数越大。砂粒及黏粒相对含量决定土壤颗粒组成的分形维数。其他学者在不同条件下的研究均得到土壤砂粒、黏粒含量与土壤颗粒组成分形维数之间相关一致性的结论，苏永忠等、柳妍妍等、吕胜桥等研究表明粉粒含量与土壤颗粒组成分形维数呈显著相关性，与本研究结论不一致。

表4 土壤颗粒的粒径分布与分形特征

2.6 土壤颗粒分形维数与土壤养分的关系

土壤颗粒分形维数与土壤养分及有机质含量的相关关系见表5。土壤颗粒是构成土壤结构的重要基础物质，一定程度上会影响表征土壤结构状况的指标。由表5可知，分形维数均与土壤有机质含量呈显著负相关。说明分形维数的大小可以表征土壤的密实程度，随着黏粒含量的增加，分形维数越高，土壤黏粒含量越丰富。一方面，黏粒含量高的土壤有利于形成土壤团聚体，形成良好的结构，增加土壤毛管孔隙；另一方面单位土粒表面积越大，土壤对水分子的吸附力(粘滞力)越大，在土壤孔隙比相同的情况下，毛细管尺寸越小，与接触面水膜引起的毛细管压力的作用降低了水的势能，使其保持在土壤孔隙中不易排出，则土壤的持水性增强。有机质含量越高，研究区土壤就相对疏松，分形维数就越低。另外，总氮与有机质含量呈显著正相关，这是因为总氮中有机氮含量占主要部分，有机质含量高，总氮含量也就相对较高。

表5 不同土地利用方式下土壤分形维数与养分之间的相关性

注：*，**分别表示在0.05，0.01水平上差异显著(双尾)。

3 讨 论

土壤颗粒组成是土壤重要的物理特性之一，对土壤肥力状况、水分特征等物理性质有着明显影响，在反映土地利用方式变化对土壤侵蚀的影响有重要的意义。本研究中土壤颗粒组成以黏粒含量占主导地位，与前人研究结果相似[16-18]。相较于坡耕地，天然林、人工林和草地，土壤大粒径颗粒呈现增加趋势，其中林地增加幅度达到显著水平。耕地由于人为耕作导致土壤结构体破坏，小粒径颗粒很难形成大颗粒，另一方面由于耕作管理方式和土壤侵蚀的作用，坡耕地的作物秸秆和根系很难返回到土壤中，从而降低了有机物质对土壤颗粒的粘结作用，因此耕地的耕作层小粒径颗粒较多。草地和林地由于无耕作措施，增加了根系对土壤团聚体的粘结作用，促进了小颗粒通过团聚作用形成大颗粒，在本研究中林地中大粒径增加幅度要大于草地，这主要是由于林地较草地有更好的植被群落结构，凋落物和根系更为丰富，对小粒径颗粒的粘结作用更加大，另外良好的植被层次保证了林地水分条件更好，为微生物提供了更好的生境，促进了微生物的生长与代谢，进一步促进了小粒径团聚为大粒径[19]。

分形维数常被用来反映土壤质地、均一程度、物理性状及肥力特征，与土壤结构稳定性关系紧密，分形维数越小结构稳定性越强[20]。本研究中发现林地和农地分形维数均低于耕地和草地，表明林地的土壤结构较好，结构性更强，这和林地具有较好的植被群落结构和复杂的根系系统有关，根系对土壤的穿插和缠结加速了土壤结构体的形成，根系表面的分泌物、根毛等物质也促进了土壤颗粒的粘结，提高了结构体的稳定性。草地虽然较坡耕地没有显著变化，但是在0—50 cm仍旧呈降低趋势，表明耕作对结构体的影响还是比较明显的。土壤颗粒分形维数的大小与土壤质地密切相关。土壤质地越粗分形维数越小，质地越细分形维数越大。杨培岭等发现，土壤颗粒质量分形维数与土壤黏粒、粉粒、砂粒的质量百分含量均具有极显著的相关关系，其中黏粒含量越高，土壤质量分形维数越大，粉粒和砂粒含量越高，土壤质量分形维数越低[2,21]。本研究土壤黏粒、粉粒含量与土壤有机质、土壤全氮含量均达到了极显著负相关水平，而土壤砂粒含量与土壤有机质、全氮含量为正相关，而土壤颗粒组成与土壤全磷含量均未达到显著水平，这和党亚爱等[14]的研究结果相似，证明了土壤颗粒组成继承了土壤母质的特征，受环境生态等过程的影响。

对分形维数与不同粒级土壤颗粒质量含量的相关分析表明，土壤分形维数与粗砂含量、中砂含量和细砂含量均呈负相关关系，相关系数都较低，可能与斑块状植被的分布格局，植被的盖度、高度，微地形的起伏变化等因素有关，尚需进一步研究；而分形维数与粉砂含量呈正相关关系，即粉砂含量越高，分形维数越大。陈小红等[22]结合相关分析法和回归分析法得出，黑河中游荒漠—绿洲边缘区生态过渡带的土壤颗粒分形维数与砂粒含量呈显著负相关，与黏粉粒及各养分指标均呈显著的正相关；对土壤颗粒分形维数变化幅度的影响依次为黏粒、粉粒、砂粒，且分形维数对黏粒含量的变化最为敏感。贾晓红等[23]认为，分形维数与黏粒和粉粒含量呈显著的线性正相关。本文研究的结果与上述结果基本一致，即土壤中黏粒、粉粒含量越高，土壤分形维数就越大；而砂粒含量越高，土壤分形维数就越低说明植被覆盖度较低，表层土壤干燥，风沙活动频繁发生的同时，往往伴随土壤表层细颗粒物质的损失，因为，只有细颗粒物质才能随气流飘扬出区域外。土壤中细颗粒物质的损失致使表层土壤粗粒化程度加剧，分形维数减少。因此，土壤质量分形维数在很好地反映土壤中不同粒径的颗粒损失状况的同时，还可以反映沙化的程度。由于土壤细颗粒物质含量的增加和粗颗粒物质含量的降低，共同导致了土壤颗粒分形维数的增加，有利于土壤水分的有效保持和储存，可促进斑块植被的自然恢复。

4 结 论

(1) 不同土地利用方式土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量均表现为：林地和草地显著高于耕地和农地(p<0.05)，其中林地和草地土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮、有机质含量差异均不显著(p>0.05)。不同土地利用方式土壤粒径分布中，黏粒含量占主导地位，黏粒含量百分比为45.98%～67.12%，粗砂粒平均含量相对较低。

(2) 不同土地利用方式土壤颗粒分布的分形维数随着土层深度增加逐渐增大，0—10 cm土层土壤颗粒分布分形维数变化幅度较小，而40—50 cm变化幅度较大。

(3) 回归分析表明不同土地利用方式土壤颗粒分形维数与土壤粒径呈显著或极显著的线性负相关(p<0.05，p<0.01)。相关分析表明不同土地利用方式土壤分形维数均与土壤有机质含量呈显著负相关，与土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷、全氮呈正相关。综上所述，不同土地利用方式下土壤颗粒组成差异较大，草地和林地相对于耕地和农地大颗粒含量明显增多，小颗粒明显减少，土壤颗粒分布的分形维数可以作为表征土壤肥力状况指标。

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