石羊河尾閭水面形成區(qū)土壤顆粒的分形特征

劉淑娟，袁宏波，劉世增，劉虎俊，李發(fā)明，郭樹江，王 琪，郭春秀，李菁菁，魏懷東

（甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州730070）

土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質(zhì)，土壤顆粒組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元。土壤顆粒組成的變化是土地退化過(guò)程中最普遍而有代表性的現(xiàn)象，從土壤顆粒組成的變化和差異特征，可以用來(lái)判斷土地退化的強(qiáng)弱和發(fā)展強(qiáng)度［1－3］。土壤分形維數(shù)能夠表征土壤粒徑大小組成，且反映質(zhì)地均一程度［4］。Tyler［5］、楊培嶺［4］等用極限法推導(dǎo)出土壤顆粒的重量與粒徑分布分形維數(shù)的關(guān)系式。研究表明［6］砂粒組成中的細(xì)沙越多，其分形維數(shù)越大；在干旱區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中，分形維數(shù)與土壤質(zhì)地的細(xì)?；兓恢?，且隨著恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)有增大的趨勢(shì)［7］。土壤顆粒分形維數(shù)D能夠很好地表征土壤的結(jié)構(gòu)性狀，且土壤顆粒分形維數(shù)與沙質(zhì)荒漠化的土壤有機(jī)質(zhì)含量以及指示植物的重要值顯著相關(guān)，其數(shù)值隨著沙漠化程度的加劇而降低［8－10］。因此，研究土壤顆粒組成的變化對(duì)了解土壤、植被等環(huán)境特征的演變都具有重要意義［3］。

石羊河尾閭——青土湖，位于騰格里沙漠西北緣，是古潴野澤湖群的一部分［11］。北魏后期，古潴野澤分化解體為休屠澤（西海，青土湖前身）和潴野澤（東海，今白堿湖）兩個(gè)互不連接的水域。20世紀(jì)初期，青土湖（即現(xiàn)今的“湖區(qū)”）水域面積大約120 km2。隨著流域人口的增長(zhǎng)和灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展，青土湖水域面積逐漸萎縮。20世紀(jì)40年代末，水域面積尚有約70km2，20世紀(jì)50年代中后期，湖泊開始萎縮，1959年完全干涸，僅殘留有東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等鹽堿灘地或沼澤性草灘，大部分已被流沙覆蓋或墾殖［11－12］。青土湖作為石羊河的終端，又是民勤綠洲與兩大沙漠（騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠）之間的一個(gè)生態(tài)屏障，其重要性顯而易見(jiàn)。為盡快遏制流域生態(tài)惡化態(tài)勢(shì)，2007年底國(guó)務(wù)院審批通過(guò)了《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，投資47億元推進(jìn)石羊河流域的重點(diǎn)治理。根據(jù)《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，從2010年9月開始由政府主導(dǎo)，以渠道輸送的形式向青土湖注入生態(tài)用水，截至2012年11月4日，在青土湖形成了15km2水面。青土湖注水和形成水面的預(yù)期是促進(jìn)湖區(qū)植被恢復(fù)，延緩區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化，減緩沙漠化的不斷推進(jìn)，推動(dòng)石羊河流域乃至整個(gè)區(qū)域環(huán)境整治和生態(tài)恢復(fù)。但是，由于地理空間和氣候特異性，青土湖區(qū)域處于極度干旱地區(qū)，年平均降雨量在100mm以下，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有其特殊性。因此，水面形成后該區(qū)地下水、植被、土壤、氣候、風(fēng)沙活動(dòng)等生態(tài)因子響應(yīng)如何，水面形成對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響究竟有多大，其作用過(guò)程和機(jī)理如何等問(wèn)題，就成為當(dāng)前急需研究和探討的研究課題。為此，本研究以土壤顆粒特征分析為著眼點(diǎn)，通過(guò)分形特征分析距水面邊緣不同距離的土壤粒徑變化及其分形特征，以期為合理、定量地評(píng)價(jià)水面形成對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處騰格里沙漠西北緣，甘肅省民勤縣城東北70km處，屬于石羊河下游干三角洲，海拔高度約為1 292～1 310m。該區(qū)年平均氣溫7.8℃，大于10℃的有效積溫3 289.1℃；年降水量110mm左右，且降水多集中于7—9月，占全年降水量73%，蒸發(fā)量達(dá)2 600mm以上；無(wú)霜期168d，光照3 181h，太陽(yáng)輻射630kJ/cm2；全年盛行西北、西北偏西風(fēng)，夏秋季東風(fēng)也比較盛行。主要害風(fēng)為西北風(fēng)，風(fēng)勢(shì)強(qiáng)烈，年均風(fēng)速4.1m/s；屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。區(qū)域地形地貌以湖相沉積基質(zhì)上分布3～10m高低不等的流動(dòng)、半固定、固定沙丘與丘間低地相互交錯(cuò)分布的地貌類型。研究區(qū)主要以湖相沉積物的砂土及壤質(zhì)砂土為主；植被類型為典型的荒漠植被，自然植被整體稀疏、種類較少，白刺、蘆葦群落是研究區(qū)的主要植被類型，白刺沙堆呈斑塊狀分布，面積相對(duì)較大，蘆葦群落主要分布在水面邊緣區(qū)域或地下水位較淺區(qū)域，同時(shí)有蘇枸杞、鹽爪爪為主要伴生灌木；草本植物種類相對(duì)較豐富，主要有駝蹄瓣（Zygophyllum fabago），戟葉鵝絨藤（Cynanchumsibiricum），刺沙蓬（Salsolaruthenica），豬毛菜（Salsolacollina），砂引草（Messerschmidiasibirica），沙蓬（Agriophyllumsquarrosum），碟果蟲實(shí)（Corispermumpatelliforme），砂藍(lán)刺頭（Echinopsgmelini）等。

1.2 樣地選擇和樣品采集

根據(jù)研究區(qū)地貌特征、植被和土地利用狀況，以典型性和代表性為原則，選擇垂直水面邊緣東北方向每隔50m挖取土壤剖面在每個(gè)剖面采集土層深度分別為0—20cm，20—40cm土樣各3份，將所取土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干，過(guò)2mm篩，去根，備用。

1.3 樣品分析測(cè)試

稱取土樣0.5g，加30%過(guò)氧化氫，在72℃下去除有機(jī)質(zhì)，加鹽酸去除碳酸鹽，加超純水稀釋，靜置后，除上清液以除酸，反復(fù)靜置除酸直至pH值為6.5～7.0，然后加入六偏磷酸鈉（NaHMP），超聲30s后用英國(guó)馬爾文MS2000激光粒度儀測(cè)定土壤粒徑的質(zhì)量百分比。

1.4 粒度分級(jí)

本研究土壤粒度分級(jí)采用1978年《中國(guó)土壤》中的土壤質(zhì)地分類方法。細(xì)黏粒（＜0.001mm），粗黏粒（0.001～0.005mm），細(xì)粉粒（0.005～0.01mm），粗粉粒（0.01～0.05mm），細(xì)砂粒（0.05～0.25mm）和粗砂粒（0.25～2.0mm）。

1.5 分形維數(shù)

土壤是具有分形特征的系統(tǒng)，運(yùn)用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型［4，13］，計(jì)算土壤顆粒的分形維數(shù)。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系式為:

式中:D——土壤顆粒分形維數(shù)；di——兩相鄰粒級(jí)di與di＋1間土粒平均直徑（mm）；dmax——最大粒級(jí)土粒平均直徑（mm）；mi——直徑小于di的累積質(zhì)量（g）；m0——土壤樣品總質(zhì)量（g）。具體應(yīng)用時(shí)，首先求出土壤樣品不同粒徑di的lg（di/dmax）和lg（mi/m0）值，并將二者進(jìn)行線性擬合，分析求得斜率K，則土壤分形維數(shù)為D＝3－K。試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel和SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水面邊緣距離及不同土層深度土壤粒徑分布

表1為不同水面邊緣距離與不同土層深度粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量的關(guān)系。由表1可以看出，在0—20cm土層0.05～0.25mm的細(xì)砂粒含量最高，距水面邊緣不同距離土壤粒徑介于57.19%～87.91%，平均值為79.68%；同樣在20—40cm土層的細(xì)砂粒含量最高，土壤粒徑介于56.98%～89.75%，均值小于0—20cm土層的粒徑含量，為74.53%；再次為粗砂粒（0.25～2.0mm），在0—20 cm土層介于2.18%～12.79%，均值7.80%，而在20—40cm土層粗砂粒介于0.54%～29.72%，均值大于0—20cm土層粒徑含量，為9.24%；在青土湖水面邊緣周邊細(xì)砂粒的含量明顯大于其他粒徑的含量。由于1959年湖泊完全干涸，該區(qū)域被流沙覆蓋。從表1可以看出，0—20cm和20—40cm土層的不同水面邊緣距離粒度百分比，距水面邊緣0～150m，粗粉粒（0.01～0.05mm）、細(xì)粉粒（0.005～0.01 mm）和粗黏粒（0.001～0.005mm）含量明顯增加，均在150m處達(dá)到最大。分析可知在距水面邊緣150 m內(nèi)土壤粒徑表現(xiàn)為細(xì)砂粒含量減少，黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒成分增加趨勢(shì)，土壤向黏質(zhì)化、緊密化發(fā)展，隨后因受水面形成影響較小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增多，土壤再次向砂質(zhì)化、疏松化發(fā)展。

表1 不同土層深度和距水面邊緣不同距離的土壤粒徑分布及其分形維數(shù)

2.2 不同深度及不同水面距離土壤顆粒分形特征

粒徑分布是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，表現(xiàn)出明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，越難形成很好的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地越細(xì)，形成的微小孔隙越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)也越高［14－18］。運(yùn)用回歸分析法，由公式（1）計(jì)算出距水面邊緣不同距離0—20cm和20—40cm土層土壤顆粒的分形維數(shù)，回歸分析所得相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，線性相關(guān)顯著（表1）。將距水面邊緣不同距離不同土壤深度的土壤粒徑分形維數(shù)求平均值，0—20cm，20—40cm 土層范圍分別在2.370 8～2.879 6，2.359 0～2.750 9之間，不同土層分形維數(shù)差異不顯著（p＞0.05）。從圖1可以看出，0—20cm土層在0～150m土壤粒徑分形維數(shù)呈緩慢增加趨勢(shì)，在150m處達(dá)到最大2.879 6，隨后逐漸降低；而20—40cm土層在0～100m呈緩慢增加趨勢(shì)，在100m處達(dá)到最大2.750 9，隨后降低。綜合分析可知，水面形成對(duì)0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—40cm土層土壤粒徑的影響范圍100m。水面的形成增加土壤黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒質(zhì)量含量的作用，土壤顆粒分形維數(shù)被提高；而超過(guò)一定距離水面的影響變小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增加，因此，其土壤顆粒分形維數(shù)相差不大。

2.3 分形維數(shù)與土壤粒徑分布的關(guān)系

由土壤分形維數(shù)的計(jì)算可知，分形維數(shù)與土壤顆粒含量從小到大的累計(jì)含量有關(guān)。對(duì)6個(gè)粒徑含量和分形維數(shù)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。由表2可知，分形維數(shù)與土壤顆粒大小密切相關(guān)，在0—20cm土層，分形維數(shù)與＜0.05mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與其它粒徑含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在20—40cm土層，分形維數(shù)與＜0.05mm粒徑含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與0.05～0.25mm粒徑含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明土壤顆粒分形維數(shù)對(duì)各個(gè)土壤粒徑分布含量的反映程度不同，其中反映程度最大的是細(xì)黏粒含量﹝相關(guān)系數(shù)分別為0.939 5，0.944 2（p＜0.01）﹞，其次是粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量，即在0—20cm土層，土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量越高，細(xì)砂粒、粗砂粒含量越低；在20—40cm土層，土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤中細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒含量越高，細(xì)砂粒含量越低。

表2 分形維數(shù)D與土壤粒級(jí)含量的線性關(guān)系

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)砂粒粒徑分布主要以＞0.05mm的砂粒為主，其次為黏粒。距水面邊緣150m內(nèi)表現(xiàn)細(xì)砂粒含量減少，黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒成分增加趨勢(shì)。

（2）粒徑分布是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，表現(xiàn)出明顯的分形特征，土壤質(zhì)地越粗，越難形成很好的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地越細(xì)，形成的微小孔隙越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)也越高［15－18］。距水面邊緣距離不同、土層深度不同，土壤的粒徑分布有所差異，具有不同的分形特征，其分形維數(shù)界于2.370 8～2.879 6。綜合分析可知，水面對(duì)0—20cm土層土壤粒徑的影響范圍在0～150m，而20—40cm土層土壤粒徑的影響范圍為100m。水面的形成增加土壤黏粒、細(xì)粉粒和粗粉粒質(zhì)量含量的作用，土壤顆粒分形維數(shù)被提高；而超過(guò)一定距離水面的影響變小，細(xì)砂粒和粗砂粒含量增加，因此，其土壤顆粒分形維數(shù)相差不大。

（3）無(wú)論是0—20cm還是20—40cm土層，分形維數(shù)與砂粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與黏粒、粉粒含量（＜0.05mm）呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。表明土壤顆粒分形維數(shù)是反映土壤質(zhì)地的一個(gè)較好指標(biāo)，土壤顆粒分形維數(shù)主要反映了土壤黏粒、粉粒的含量，這與許多研究結(jié)果一致。土壤顆粒分形維數(shù)大小與土壤質(zhì)地的細(xì)?；幸恢碌淖兓厔?shì)，許多研究表明土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤顆粒大小的分形維數(shù)越高［19］即土壤顆粒直徑越小，細(xì)粒物質(zhì)（黏粒、粉粒）含量越高，對(duì)空間的填充能力越強(qiáng)，土壤分形維數(shù)就越大。＞0.05mm粒徑是決定作為土壤各粒徑含量的綜合指標(biāo)土壤分形維數(shù)的臨界粒徑，＜0.05mm粒徑物質(zhì)含量的增加和＞0.05mm粒徑物質(zhì)含量的降低共同導(dǎo)致了土壤顆粒分形維數(shù)增大。青土湖區(qū)域土壤分形維數(shù)與細(xì)粒物質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，與其它粒徑含量呈負(fù)相關(guān)的重要原因。也可以說(shuō)，在青土湖區(qū)域，水面的形成能通過(guò)改變土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量而改變土壤分形維數(shù)的大小，也是其改善土壤物理結(jié)構(gòu)、發(fā)揮水土保持功能的分形學(xué)機(jī)制。在強(qiáng)勁的風(fēng)力吹蝕下，水面的形成不僅降低砂粒的風(fēng)蝕，而且水面可阻截更多過(guò)境的細(xì)粒物質(zhì)（＜0.05mm）并使其在水面及水面周邊聚集，導(dǎo)致細(xì)粒物質(zhì)成分增加，＞0.05mm的砂粒含量降低，分形維數(shù)相應(yīng)升高。而超過(guò)一定距離，水面的截存作用減小，分形維數(shù)相應(yīng)降低。在極度干旱地區(qū)，應(yīng)急輸水后青土湖水面形成使得部分植被植被恢復(fù)，土壤粉粒、黏粒含量的增加和沙粒含量降低共同導(dǎo)致土壤質(zhì)地細(xì)?；彩沟迷谟绊憛^(qū)域范圍內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)增大。

（4）眾多研究表明，土壤顆粒分形維數(shù)能較好地反映土壤物理性狀，土壤顆粒分形維數(shù)和土壤總孔隙度呈較明顯正相關(guān)關(guān)系［10，15］，且不同土壤粒徑含量的組合構(gòu)成不同的土壤質(zhì)地類型，進(jìn)而在一定程度上影響土壤性狀和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化［18］。青土湖水面形成是否也影響了土壤養(yǎng)分狀況和物理性狀，將做進(jìn)一步研究。

［1］賈曉紅，李新榮，李元壽.干旱沙區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中土壤顆粒分形特征［J］.地理研究，2007，26（3）:518－525.

［2］胡亞林，曾德慧，范志平，等.半干旱區(qū)沙質(zhì)退化草地造林對(duì)土壤質(zhì)量的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（11）:2391－2397.

［3］周斌，徐海量，熊黑鋼.河水漫溢對(duì)塔里木河下游土壤顆粒組成的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（4）:177－181.

［4］楊培嶺.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征［J］.科學(xué)通報(bào)，1993，38（20）:1896－1896.

［5］Tyler S W，Wheatcraft S W.Fractal scaling of soil particle－size distribution analysis and limitations［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.，1992，56（9）:362－369.

［6］武生智，魏春玲.沙粒粗糙度和粒徑分布的分形特性［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，35（1）:53－56.

［7］賈曉紅，李新榮，李元壽.干旱沙區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中土壤顆粒分形特征［J］.地理研究，2007，26（3）:518－525.

［8］蘇永中，趙哈林.科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變中土壤顆粒分形特征［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（1）:71－74.

［9］趙文智，劉志民，程國(guó)棟.土地沙質(zhì)荒漠化過(guò)程的土壤分形特征［J］.土壤學(xué)報(bào)，2002，39（6）:877－881.

［10］吳堯，姚健，吳永波，等.岷江上游典型植被下土壤分形特征及對(duì)水分入滲的影響［J］.水土保持通報(bào)，2012，32（2）:12－16.

［11］趙強(qiáng)，王乃昂，程弘毅，等.青土湖沉積物粒度特征及其古環(huán)境意義［J］.干旱區(qū)地理，2003，26（1）:1－5.

［12］王乃昂，李吉均，曹繼秀，等.青土湖近6000年來(lái)沉積氣候記錄研究:兼論四五世紀(jì)氣候回暖［J］.地理科學(xué)，1999，19（2）:119－124.

［13］Rieu M，Sposito G.Fractal fragmentation，soil porosity and soil water properties:Application［J］.Soil Sci.Am.J.，1991，55（3）:1231－1238.

［14］胡云鋒，劉紀(jì)遠(yuǎn)，莊大方，等.不同土地利用/土地覆蓋下土壤粒徑分布的分維特征［J］.土壤學(xué)報(bào)，2005，42（2）:336－339.

［15］吳承禎，洪偉.不同經(jīng)營(yíng)模式土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形特征研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，1999，36（2）:162－167.

［16］李德成，張?zhí)伊?中國(guó)土壤顆粒組成的分形特征研究［J］.土壤與環(huán)境，2000，9（4）:263－265.

［17］文海燕，傅華，趙哈林.退化沙質(zhì)草地開墾和圍封過(guò)程中的土壤顆粒分形特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（1）:55－59.

［18］謝賢健，韋方強(qiáng).泥石流頻發(fā)區(qū)不同蓋度草地土壤顆粒的分形特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（4）:202－206.

［19］李紅麗，萬(wàn)玲玲，董智，等.沙柳沙障對(duì)沙丘土壤顆粒粒徑及分形維數(shù)的影響［J］.土壤通報(bào)，2012，43（3）:540－545.