沂蒙山區(qū)小流域坡耕地土壤顆粒結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分退化特征

單桂梅，張春平，劉霞?，吳迪，張光燦，姚孝友，楊韶洋，王靜

(1.山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院水土保持系，國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安;2.水利部淮河水利委員會(huì)水土保持監(jiān)測(cè)中心站，233001，安徽蚌埠)

土壤是由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定的形式連結(jié)所形成的多孔介質(zhì)，具有極不規(guī)則幾何形狀、自相似結(jié)構(gòu)和一定的分形特征［1］。分形理論自產(chǎn)生后發(fā)展迅速，分形、分維在描述復(fù)雜幾何形狀方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著。利用這一理論展開(kāi)的對(duì)土壤結(jié)構(gòu)分形特征與土壤性質(zhì)間關(guān)系的一系列研究［1-3］，揭示了土壤分形特征的內(nèi)涵，并通過(guò)土壤分形特征描述土壤屬性和土壤結(jié)構(gòu);因此，通過(guò)分形定量化描述坡耕地土壤顆粒結(jié)構(gòu)的非均勻性、復(fù)雜性程度，明確土壤顆粒結(jié)構(gòu)分形特征參數(shù)的定量關(guān)系，在探究人為作用因素與土壤結(jié)構(gòu)組成分形之間的關(guān)系上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用分形理論對(duì)土壤顆粒分布特征進(jìn)行了研究。繼B.B.Mandelbrot在1983年首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型之后，D.L.Turcotte提出了利用重量分布與平均粒徑間的關(guān)系計(jì)算土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的方法［2-3］，S.W.Tyler等［2-3］和楊培嶺等［1］在此基礎(chǔ)上建立的三維空間的土壤顆粒質(zhì)量分形模型，同樣適用于計(jì)算土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù);但土壤顆粒質(zhì)量分形模型的提出是基于不同粒級(jí)土壤顆粒具有相同密度這一不合理假設(shè)條件的，因此受到一些學(xué)者的質(zhì)疑。隨著土壤顆粒測(cè)定方法和精度的提高，其顆粒體積的大小和數(shù)量可以利用激光衍射技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量。王國(guó)梁等［4］提出了土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念，并用土壤顆粒體積分形模型對(duì)茶園、菜地和農(nóng)田土壤剖面上顆粒體積分形維數(shù)變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為土壤顆粒體積分形維數(shù)比質(zhì)量分形維數(shù)更具合理性［4-5］。

坡耕地作為一種農(nóng)業(yè)用地類型和耕地資源，不僅生產(chǎn)力低下，而且是水土流失的主要策源地。目前，我國(guó)關(guān)于不同土地利用類型土壤退化及物理、化學(xué)和生物過(guò)程及其相互作用的研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展［6-10］，在研究區(qū)域上，以南方紅壤丘陵區(qū)和北方黃土丘陵區(qū)的研究成果［6-9］較多。馬云等［10］研究了不同土地利用方式下坡面土壤養(yǎng)分分布特征，發(fā)現(xiàn)不同坡位坡耕地的有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分含量要低于有林地，但速效養(yǎng)分要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土地利用類型。陳沖等［11］研究了紅壤丘陵區(qū)典型區(qū)域耕地土壤養(yǎng)分含量與坡度和坡向空間變化關(guān)系后，得出隨坡度增大土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量升高，而全磷和有效磷含量降低，全鉀含量不隨坡度變化的結(jié)論。嚴(yán)風(fēng)碩等［12］研究了不同土地利用方式下紫色土坡地水土流失特征，認(rèn)為在相同降雨條件下，裸地小區(qū)、坡耕地小區(qū)、自然草地小區(qū)的徑流、泥沙流失量依次減少。目前，對(duì)沂蒙山區(qū)等典型北方土石山區(qū)土壤退化的研究相對(duì)較少，未見(jiàn)關(guān)于坡耕地及退耕后土壤結(jié)構(gòu)分形特征的研究，坡耕地土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分退化程度及其二者的關(guān)系還不清楚。為此，筆者以沂蒙山區(qū)小流域不同坡度坡耕地、棄耕地和生態(tài)林地為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定不同土地利用類型、不同坡度坡耕地土壤顆粒分維與養(yǎng)分狀況，研究坡耕地土壤顆粒結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分退化的程度及其與坡度的關(guān)系，為深入了解坡耕地土壤退化特征及其定量化評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于沂源縣東北部的孟坡小流域。沂源縣地處山東省中部，E117°54′～118°31′，N35°55′～36°23′，總 面 積 1 636 km2，人 口 約 56 萬(wàn)，耕 地3萬(wàn)4 667 hm2，人均耕地面積少，后備土地資源不足，土地的承載力已接近飽和，人地矛盾十分突出。屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)域大陸性半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫11.9℃，無(wú)霜期189 d，年日照時(shí)間2 660.6 h，多年平均降水量690.9 mm，年最大降水量1 616.7 mm，年最小降水量442.5 mm，7—9月降雨最為集中，占全年的51.7% 。孟坡小流域海拔420～475 m，自然坡度5°～30°，基巖為花崗片麻巖，土壤類型為棕壤，質(zhì)地粗，土層瘠薄，植被覆蓋度低，生物多樣性單一，水土流失嚴(yán)重。主要土地利用類型有耕地、荒草地、生態(tài)林地等。主要植物有刺槐(Robinia pseudoacacia)、赤松(Pinus densiflora)、蘋果(Malus pumila)、荊條(Vitexnegundo heterophylla)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、白茅(Imperata cylindrica)、早熟禾(Poa annua L)、鵝觀草(Roegneria kamoji Ohwi)、艾蒿(Artemisia argyi)、藎草(Arthraxon hispidus)等。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)樣地

在小流域內(nèi)選取不同坡度坡耕地、棄耕地、生態(tài)林地3種土地利用類型(表1)，其中坡耕地耕作年限約25 a，棄耕地退耕年限6～8 a，生態(tài)林地林分為人工刺槐純林，20世紀(jì)80年代末在退耕坡地上栽植，林下有少量灌草和枯落物。

2.2 研究方法

在選取的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)地內(nèi)設(shè)置面積20 m×20 m的樣地，海拔在425～450 m范圍內(nèi)，坡向?yàn)殛?yáng)坡或半陽(yáng)坡。在坡上、中、下3個(gè)坡位選取樣點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)樣點(diǎn)重復(fù)3次取樣，均勻挖取0～20 cm土層內(nèi)土壤樣品，將同一樣地(3個(gè)樣點(diǎn))的土壤樣品混合均勻后，進(jìn)行風(fēng)干處理。

表1 樣地基本情況Tab．1 Survey of different land-uses in the study area

2.2.1 土壤顆粒粒級(jí)的測(cè)定 利用美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司生產(chǎn)的LS13320激光粒度儀測(cè)定土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)。先將土壤樣品中大于2 mm的石礫篩出，取初次篩分土樣0.3 g放入50 mL試管中，加入10 mL 10%的H2O2水浴，加熱充分反應(yīng)除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，加入10 mL 10%的HCl煮沸，充分反應(yīng)除去碳酸鹽。再將試管中注滿去離子水并靜置12 h，反復(fù)靜置抽除上層清液除酸至pH值為6.5～7.0。加入10 mL 0.1 mol/L的六偏磷酸鈉并用超聲波清洗機(jī)振蕩10 min后，使用激光粒度儀測(cè)量顆粒組成。

土壤顆粒粒度分級(jí)根據(jù)美國(guó)農(nóng)部制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)［13］，將土壤粒徑分為以下7個(gè)級(jí)別，2～1、1～0.5、0.5 ～0.25、0.25 ～0.1、0.1 ～0.05、0.05～0.002、＜0.002 mm。

2.2.2 土壤顆粒分形維數(shù)的測(cè)定 采用王國(guó)梁等［4］提出的土壤顆粒體積分形維數(shù)概念，體積分形維數(shù)計(jì)算公式為

式中:V為粒徑小于R的全部土壤顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%;r為土壤粒徑，mm;VT為土壤顆粒的總體積分?jǐn)?shù)，%;λV為在數(shù)值上等于最大粒徑數(shù);D為土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)后轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)方程，將對(duì)數(shù)方程進(jìn)行線性回歸擬合，所得擬合方程的斜率即為上式中的3-D，從而可求出D值。

土壤養(yǎng)分測(cè)定均采用土壤農(nóng)化分析法。有機(jī)質(zhì)(SOM)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定;水解氮(AN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;有效磷(AP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鹽酸-硫酸浸提法測(cè)定;速效鉀(AK)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用1 mol/L NH4Ac浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定。每次測(cè)定設(shè)置3組重復(fù)，取平均值進(jìn)行分析。

通過(guò)Excel 2003、SPSS 19等相關(guān)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及其差異性(LSD多重比較法)、相關(guān)性(Pearson相關(guān)分析法)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤顆粒組成特征及其分形維數(shù)

表2為土壤體積分形維數(shù)與各級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)?？芍?不同土地利用類型土壤砂粒體積分?jǐn)?shù)最高，為67.93% ～74.82%，平均70.73%，其中粗砂粒31.70% ～38.06%，細(xì)砂粒32.54% ～38.79%;石礫體積分?jǐn)?shù)次之，為14.68% ～20.46%，平均17.48%;粉粒及黏粒體積分?jǐn)?shù)最低，為8.08% ～13.66%、0.41% ～1.08%，平均 11.03%、0.76%。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤具有北方石質(zhì)山地所發(fā)育土壤砂粒體積分?jǐn)?shù)高、細(xì)粒物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)低、結(jié)構(gòu)松散等典型的粗骨性特征［14］，砂礫化現(xiàn)象嚴(yán)重。按美國(guó)農(nóng)部制分類標(biāo)準(zhǔn)［13］，其質(zhì)地均屬于砂土的范疇。

多重比較分析結(jié)果表明，除坡耕地與棄耕地、生態(tài)林地的粉粒體積分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)外，其他各粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)差異不顯著。對(duì)比3種土地利用類型中土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn):坡耕地石礫和砂粒體積分?jǐn)?shù)最高(18.63%和72.30%)，而粉、黏粒體積分?jǐn)?shù)最低(8.54%和0.54%);棄耕地的砂粒體積分?jǐn)?shù)最低(69.56%)，黏粒體積分?jǐn)?shù)最高(0.93%);生態(tài)林地石礫體積分?jǐn)?shù)最低(15.36%)，粉粒體積分?jǐn)?shù)最高(13.66%)。對(duì)比不同粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，石礫、砂粒在棄耕地所占體積分?jǐn)?shù)比低于坡耕地，低幅5%和4%，粉粒和黏粒反之，增幅38%和72%，說(shuō)明坡耕地棄耕后人為和自然因素影響程度發(fā)生變化，土壤各個(gè)粒級(jí)都發(fā)生不同程度的變化，石礫、砂粒組成變化相對(duì)較小，主要表現(xiàn)在粉、黏粒上。同一土地利用類型不同坡度條件下，各粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)變化不一。坡耕地隨著坡度的增加，石礫體積分?jǐn)?shù)先減少后增加，砂粒體積分?jǐn)?shù)增大，粉粒和黏粒體積分?jǐn)?shù)減小;棄耕地隨著坡度的增加，砂粒體積分?jǐn)?shù)增高，粉、黏粒體積分?jǐn)?shù)減小。

表2 土壤體積分形維數(shù)與各級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)Tab．2 Soil particle composition and particle fractal dimension %

從表2中可以看出，不同土地利用類型的土壤分形維數(shù)在2.18～2.38之間，平均值2.30，大小表現(xiàn)為生態(tài)林地＞棄耕地＞坡耕地，平均值分別為2.37、2.33、2.21，這一趨勢(shì)與粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)變化一致。通過(guò)多重比較分析，坡耕地與棄耕地、生態(tài)林地的分形維數(shù)差異顯著(P＜0.05)，其他土地利用類型間差異不顯著。隨著坡度的增加，坡耕地和棄耕地土壤顆粒體積分維數(shù)減小，減小幅度1% ～2%，說(shuō)明坡度對(duì)砂質(zhì)化土壤顆粒分形維數(shù)影響變化是緩慢的。通過(guò)相關(guān)性分析(圖1)可知，顆粒分形維數(shù)與石礫、粗砂粒、細(xì)砂粒(0.25～0.1)粒級(jí)范圍內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，與細(xì)砂粒(0.1～0.05)粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著，與粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)分別呈極顯著(P＜0.01)和顯著(P＜0.05)正相關(guān)，即土壤顆粒分形維數(shù)與＞0.1 mm粒級(jí)的顆粒呈正相關(guān)，與＜0.1 mm粒級(jí)的顆粒呈負(fù)相關(guān)。這一結(jié)果與王麗等［15］的研究成果一致，表明分形維數(shù)與土壤顆粒大小、數(shù)量及分布的均勻程度密切相關(guān)。土壤的顆粒越小、細(xì)粒體積分?jǐn)?shù)越高，分形維數(shù)越大。分形維數(shù)隨土壤質(zhì)地由粗到細(xì)，呈現(xiàn)由小到大的變化趨勢(shì)。

土壤顆粒組成除了繼承了成土母質(zhì)的類型和特點(diǎn)外，又受自然和人為因素影響［16］。研究區(qū)在較陡坡和陡坡地依然有坡耕地分布，坡耕地土壤結(jié)構(gòu)松散，非毛管孔隙多，毛管孔隙少，蓄水保肥能力弱，加之耕作方式單一粗放，不良耕作習(xí)慣(如順坡耕種、排灌等)促使土壤養(yǎng)分和粉、黏粒不斷淋溶流失，導(dǎo)致團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少、質(zhì)地粗化，進(jìn)而分形維數(shù)降低［17-18］。相同坡度條件下，棄耕地和生態(tài)林地人為擾動(dòng)強(qiáng)度小，植物通過(guò)與土壤之間的相互作用，促進(jìn)土壤細(xì)粒物質(zhì)發(fā)育，使顆粒組成細(xì)化，分形維數(shù)也會(huì)相應(yīng)增大，同時(shí)枯落物不僅可以攔截黏粒等細(xì)粒物質(zhì)，還可以增加土壤養(yǎng)分含量，有機(jī)質(zhì)與黏粒膠結(jié)凝聚和沉積提高了分形維數(shù)［17］，土壤保土蓄水能力加強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定;趙勇剛等［18］、梁士楚等［19］也認(rèn)為，有機(jī)體與環(huán)境之間的相互作用，影響了分形維數(shù)的大小。在由坡耕地向棄耕地演化的過(guò)程中，細(xì)粒物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，表層土壤逐漸發(fā)育，質(zhì)地均一程度越來(lái)越差，土壤顆粒分形維數(shù)逐漸提高［10］。這進(jìn)一步印證了土壤細(xì)粒物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)對(duì)土壤質(zhì)地的影響，因此坡耕地土壤質(zhì)地相對(duì)其他土地利用類型粗化。

圖1 土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)相關(guān)關(guān)系Fig．1 Relationship between soil fractal dimension and volume particle size distribution

3.2 土壤養(yǎng)分特征及其與顆粒組成的關(guān)系

表3為不同土地利用類型土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？芍?，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土地利用類型中大小趨勢(shì)為坡耕地(平均15.92 g/kg)＜棄耕地(平均17.61 g/kg)＜生態(tài)林地(平均17.85 g/kg)。同一土地利用類型坡度不同時(shí)，坡耕地在坡度小于20°時(shí)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度增加而減少，大于20°時(shí)反之。主要原因是，低坡度條件下，人為耕作干擾強(qiáng)度大，增施了有機(jī)肥等，而高坡度下管理粗放;棄耕地有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著坡度增加而減少;生態(tài)林地有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相同坡度棄耕地相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏小1%，比相同坡度坡耕地質(zhì)量分?jǐn)?shù)大16.1%。

速效鉀和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土地利用類型中變化趨勢(shì)一致，大小依次為生態(tài)林地、坡耕地、棄耕地，速效鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)77.76、66.60、65.00 mg/kg，有效磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 78.44、76.76、69.99 mg/kg。同種土地利用類型速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度變化各異，坡耕地速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度的增加先增多后減少，棄耕地速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度的增加而減少。隨坡度增加坡耕地中有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，棄耕地中質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。

水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在棄耕地中最高，坡耕地次之，生態(tài)林地最低，平均值分別為36.67、34.00和32.00 mg/kg。在坡耕地中隨坡度增加而增加，在棄耕地10°～20°范圍內(nèi)差異較小，顯著高于30°的棄耕地。

不同土地利用類型土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤顆粒各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)間相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)圖2。可知，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粗砂粒(0.5～0.25)粒級(jí)、細(xì)砂粒(0.25～0.1)粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P＜0.05)。其他土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性不顯著。土壤顆粒分形維數(shù)與養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍寥李w粒分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)，相關(guān)性不顯著，與有效磷和水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)。

表3 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．3 Soil nutrients content of different land uses

4 結(jié)論與討論

圖2 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤顆粒相關(guān)關(guān)系Fig．2 Relationship between soil organic matter content and particle size distribution content

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)關(guān)系Fig．3 Relationship between soil fractal dimension and soil nutrients content

1)研究區(qū)土壤顆粒分布均勻程度較低，具有典型的粗骨性砂土特征，表現(xiàn)為砂粒、石礫體積分?jǐn)?shù)高、粉黏粒體積分?jǐn)?shù)低、結(jié)構(gòu)松散等特征。坡耕地的石礫、砂粒體積分?jǐn)?shù)最高，而粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著低于棄耕地、生態(tài)林地，質(zhì)地差。隨坡度增加，坡耕地和棄耕地粉、黏粒體積分?jǐn)?shù)均呈減小趨勢(shì)。

2)坡耕地土壤顆粒分形維數(shù)顯著低于棄耕地和生態(tài)林地，土壤顆粒分形維數(shù)隨坡度增加呈減小趨勢(shì)，與石礫、粗砂粒、細(xì)砂粒體積分?jǐn)?shù)負(fù)相關(guān)，與粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)極顯著和顯著正相關(guān)。顆粒分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)，與有效磷和水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)成負(fù)相關(guān)。

3)土地利用類型和坡度對(duì)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響明顯，不同土壤養(yǎng)分元素隨土地利用類型和坡度變化表現(xiàn)出不同趨勢(shì)。受人為耕作管理影響，坡耕地有機(jī)質(zhì)和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在坡度低于20°時(shí)隨坡度增加減小，坡度大于20°時(shí)反之。棄耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度增加而減少，坡耕地和棄耕地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于生態(tài)林地。土壤有機(jī)質(zhì)與粗砂、細(xì)砂粒體積分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)。

土壤顆粒組成是土壤結(jié)構(gòu)形成的重要基礎(chǔ)，土壤作為一種具有自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征［1-3］。通過(guò)分維來(lái)描述、刻畫土壤顆粒的粒徑分布狀況，現(xiàn)有的研究已經(jīng)揭示了其分形維數(shù)在定量描述土壤質(zhì)地類型、物理性狀以及肥力特征等方面所具有的潛力［1-3］。由此可進(jìn)一步研究土壤的其他物理化學(xué)性狀及其對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的指示意義［20-21］。王國(guó)梁等［4］、馬云等［10］、劉霞等［22］研究發(fā)現(xiàn)，顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒大小、數(shù)量及分布的均勻程度、土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。土壤分形特征能夠反映土壤的結(jié)構(gòu)性狀，表征土壤結(jié)構(gòu)的變化［10］。分形維數(shù)隨土壤質(zhì)地由粗到細(xì)，呈現(xiàn)由小到大的變化趨勢(shì)［15］。這與本研究的結(jié)果相印證。

已有研究證明，土壤顆粒分形維數(shù)可以表征土壤養(yǎng)分狀況。陳小紅等［23］、趙文智等［24］的研究結(jié)果表明，顆粒分形維數(shù)的變化很好地反映了土壤顆粒物質(zhì)和養(yǎng)分的變化狀況。土壤顆粒分形維數(shù)可作為衡量土壤結(jié)構(gòu)、肥力狀況及退化土壤恢復(fù)程度的指標(biāo)之一。張世熔等［16］研究發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全N、全P、速效N、速效P及速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著的線性正相關(guān);程先富等［25］的研究結(jié)果與之相反，他們發(fā)現(xiàn)隨土壤顆粒分形維數(shù)的增加，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。周先容等［26］研究發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性不顯著，并認(rèn)為土壤顆粒分形維數(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分指示作用可能具有很強(qiáng)的空間特異性，研究的尺度不同結(jié)論不同。這些研究對(duì)深入探討分形學(xué)在土壤結(jié)構(gòu)性狀與土壤肥力特征的應(yīng)用方面以及揭示土壤肥力特征的規(guī)律性方面具有十分重要意義，為定量化研究土壤分形特征參數(shù)提供了新途徑。本研究結(jié)論表明，土壤顆粒分形維數(shù)能較好地表征土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分變化，這與陳小紅等［23］、趙文智等［24］、周先容等［26］的研究結(jié)果一致。不同研究結(jié)果的差異性可能與研究區(qū)域、植被類型、耕作強(qiáng)度等相關(guān)，進(jìn)一步探討土壤顆粒結(jié)構(gòu)、分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的定量化關(guān)系將有非常重要的意義。

［1］ 楊培嶺，羅遠(yuǎn)培，石元春.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):1896-1899

［2］ Tyler S W，Wheatcraft S W.Application of fractal mathematics to soil water retention estimation［J］.Soil Sci Soc Am J，1989，53:987-996

［3］ Tyler S W，Wheatcraft S W.Fractal sealing of soil parti-cle-size distributions analysis and limitations［J］.Soil Sci Soc Am J，1992，56:362-369

［4］ 王國(guó)梁，周生路，趙其國(guó).土壤顆粒的體積分形維數(shù)及其在土地利用中的應(yīng)用［J］.土壤學(xué)報(bào)，2005，42(4):545-550

［5］ 楊金玲，李德成，張甘霖，等.土壤顆粒粒徑分布質(zhì)量分形維數(shù)和體積分形維數(shù)的對(duì)比［J］.土壤學(xué)報(bào)，2008，43(3):413-418

［6］ 王玉杰，王云琦，夏一平，等.重慶縉云山典型林分土壤結(jié)構(gòu)分形特征［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(4):39-46

［7］ 丁文峰，丁登山.黃土高原植被破壞前后土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形特征［J］.地理研究，2002，21(6):700-706

［8］ 王德，傅伯杰，陳利頂，等.不同土地利用類型下土壤粒徑分形分析:以黃土丘陵溝壑區(qū)為例［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(7):3081-3088

［9］ 丁敏，龐獎(jiǎng)勵(lì)，劉云霞，等.黃土高原不同土地利用方式下土壤顆粒體積分形特征［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24(11):161-165

［10］馬云，何丙輝.不同土地利用方式下坡面土壤養(yǎng)分分布特征［J］.地理研究，2009，23(6):118-122

［11］陳沖，周衛(wèi)軍，鄭超，等.紅壤丘陵區(qū)坡度與坡向?qū)Ω赝寥鲤B(yǎng)分空間差異的影響［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(23):53-56

［12］嚴(yán)風(fēng)碩，何丙輝.不同土地利用方式下紫色土坡地水土流失特征:以涪陵為例［J］.亞熱帶水土保持，2009，21(4):14-19

［13］林大儀.土壤學(xué)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2002:57-67

［14］戰(zhàn)海霞，張光燦，劉霞，等.沂蒙山林區(qū)不同植物群落的土壤顆粒分形與水分入滲特征［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，7(1):49-56

［15］王麗，劉霞，張光燦，等.魯中山區(qū)采取不同生態(tài)修復(fù)措施時(shí)的土壤粒徑分形與孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2007，5(2):73-80

［16］張世熔，鄧良基，周倩，等.耕層土壤顆粒表面的分形維數(shù)及其與主要土壤特性的關(guān)系［J］.土壤學(xué)報(bào)，2002，21(4):221-226

［17］王賢，張洪江，程金花，等.重慶四面山幾種林地土壤顆粒分形特征及其影響因素［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25(3):154-159

［18］趙勇鋼，趙世偉，華娟，等.半干旱典型草原區(qū)封育草地土壤結(jié)構(gòu)特征研究［J］.草地學(xué)報(bào)，2009，17(1):106-112

［19］梁士楚，王伯蓀.廣西英羅港紅樹(shù)林區(qū)木欖群落土壤粒徑分布的分形特征［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2003，22(1):17-22

［20］李毅，李敏，曹偉，等.農(nóng)田土壤顆粒尺寸分布分維及顆粒體積分?jǐn)?shù)的空間變異性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(1):94-102

［21］王景燕，胡庭興，龔偉，等.川南坡地不同退耕模式對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形特征的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(6):1410-1416

［22］劉霞，姚孝友，張光燦，等.沂蒙山林區(qū)不同植物群落下土壤顆粒分形與孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，47(8):31-37

［23］陳小紅，段爭(zhēng)虎，譚明亮，等.沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中土壤顆粒分形維數(shù)的變化特征［J］.干旱區(qū)研究，2010，27(2):297-302

［24］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

［25］程先富，史學(xué)正，王洪杰.紅壤丘陵區(qū)耕層土壤顆粒的分形維數(shù)［J］.地理科學(xué)，2003，23(5):617-621

［26］周先容，陳勁松.川西亞高山針葉林土壤顆粒的分形特征［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25(8):891-894

［27］黃冠華，詹衛(wèi)華.土壤顆粒的分形特征及應(yīng)用［J］.土壤學(xué)報(bào)，2002，39(4):490-497