三峽庫(kù)區(qū)植物籬系統(tǒng)土壤顆粒分形特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

黎建強(qiáng), 張洪江, 陳奇伯, 周紅芬

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650224; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083;3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司 水土保持工程技術(shù)部, 昆明 650051)

三峽庫(kù)區(qū)植物籬系統(tǒng)土壤顆粒分形特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

黎建強(qiáng)1, 張洪江2, 陳奇伯1, 周紅芬3

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650224; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083;3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司 水土保持工程技術(shù)部, 昆明 650051)

在對(duì)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)坡耕地植物籬系統(tǒng)調(diào)查樣地土壤樣品顆粒分析的基礎(chǔ)上，對(duì)植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布及土壤分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：(1) 喬木類、草本類和灌木類植物籬帶間坡耕地土壤砂粒含量比其對(duì)應(yīng)的植物籬帶內(nèi)土壤沙礫平均含量分別高10.4%，13.7%和9.2%；而黏粒含量在植物籬帶內(nèi)富集，其平均含量比植物籬帶間坡耕地土壤黏粒含量分別高14.3%，19.5%和10.7%；(2) 土壤分形維數(shù)與土壤黏粒和土壤粉粒含量具有顯著(P<0.01)的正相關(guān)關(guān)系，而與土壤砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)。(3) 土壤分形維數(shù)與土壤孔隙度、含水量和土壤飽和導(dǎo)水率極顯著正相關(guān)，而土壤容重與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全鉀、土壤有效鉀、土壤全磷含量和陽(yáng)離子交換量顯著相關(guān)，而土壤有效磷含量和土壤分形維數(shù)相關(guān)性不顯著。

植物籬; 土壤顆粒分形特征; 土壤理化性質(zhì); 相關(guān)關(guān)系

土壤顆粒分布(Soil particle-size distribution，PSD)，通常代表了土壤黏粒、粉粒和砂粒所占的百分含量[1]，是最根本的土壤物理特征之一，它與土壤侵蝕、水文過(guò)程、土壤肥力狀況等密切相關(guān)[1-2]。在土壤科學(xué)研究中，分形理論被引入到土壤科學(xué)，作為定量研究土壤顆粒分布的重要指標(biāo)[3-4]，運(yùn)用土壤顆粒的分形維數(shù)來(lái)表征土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)組成及其均勻程度，已成為定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征的新方法[5]。目前，測(cè)定土壤土壤顆粒分布的經(jīng)典技術(shù)包括篩分法和基于土壤顆粒沉降過(guò)程的吸管法和比重計(jì)法[6]，然而，近年來(lái)激光衍射技術(shù)(laser diffraction,LD)的發(fā)展和應(yīng)用使土壤顆粒體積分布的準(zhǔn)確測(cè)定成為現(xiàn)實(shí)，可以利用激光粒度分析儀測(cè)得的土壤顆粒體積分布數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)土壤顆粒分布的分形維數(shù)[7]。

植物籬間作技術(shù)作為控制土壤流失、增加土壤肥力的重要坡耕地水土保持措施，植物籬對(duì)土壤顆粒的攔截作用對(duì)土壤顆粒在坡面的重新分布具有重要的影響[8]。植物籬有利于控制土壤侵蝕和水土流失，可以有效地?cái)r截徑流中的細(xì)顆粒物質(zhì)[9-10]，從而使植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒組成發(fā)生變化。因此，土壤顆粒分布特征可以在一定程度上反映植物籬帶對(duì)坡耕地侵蝕過(guò)程的影響。然而，對(duì)于坡面植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒的分布的研究較少，很少有學(xué)者運(yùn)用分形理論來(lái)評(píng)價(jià)植物籬對(duì)土壤顆粒再分布的影響。本文運(yùn)用土壤顆粒分形理論對(duì)植物籬系統(tǒng)土壤顆粒的分形特征進(jìn)行了研究，并分析了土壤體積分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系，為運(yùn)用土壤體積分形維數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究對(duì)象概況

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)不同的植物籬類型，結(jié)合地形地貌特點(diǎn)，主要試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)在在重慶市江津區(qū)。江津區(qū)位于長(zhǎng)江中上游，三峽庫(kù)區(qū)尾端。江津區(qū)氣候?qū)俦卑肭騺啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫18.4℃。年日照時(shí)數(shù)1 273.6 h，年降雨量1 030.7 mm，無(wú)霜期341 d，年濕度81%。土壤主要為沙溪廟組沙頁(yè)巖發(fā)育形成的紫色土和水稻土。

1.2 植物籬概況

根據(jù)植物籬的外貌特征和物種組成，將不同的植物籬劃分為喬木類、灌木類和草本類植物籬。喬木類植物籬物種主要為桑樹(shù)(Morusalba)、柑橘(Citrusreticulata)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、梨樹(shù)(Pyrussorotina)和李子(Prunuscerasifera)。灌木類植物籬物種包括：黃荊(Vitexnegundo)、臭椿(Ailanthusaltissima)、八角楓(Alangiumchinense)。草本類植物籬以紫背天葵(Gynurabicolo)、旱菜(HerbaRorippae)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為主。調(diào)查區(qū)內(nèi)植物籬種植年限為5～7 a，植物籬帶寬0.5～2 m，蓋度均>90%，帶間耕地平均寬度在4～6 m，農(nóng)作物以玉米(Zeamays)和紅薯(Ipomoeabatatas)為主。

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

在調(diào)查區(qū)域隨機(jī)布設(shè)調(diào)查樣地32個(gè)(其中喬木類植物籬14個(gè)，草本類植物籬10個(gè)，灌木類植物籬8個(gè))，在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)，分別于植物籬帶上(植物籬冠層投影帶上±20 cm范圍內(nèi))、植物籬帶內(nèi)(植物籬冠層投影中點(diǎn)處)、植物籬帶下(植物籬冠層投影帶下±20 cm范圍內(nèi))和植物籬帶間坡耕地(兩植物籬帶間距的中點(diǎn)處)，各布設(shè)1個(gè)土壤采樣點(diǎn)，在每個(gè)土壤采樣點(diǎn)土壤耕層(0～20 cm)采集土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)3次取樣，混合均勻并對(duì)土壤顆粒組成、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤顆粒組成采用激光顆粒分析儀(Fritsch Particle Sizer Analysette 22)測(cè)定，土壤粒徑在0～2 500 μm范圍內(nèi)被劃分為14級(jí)，根據(jù)美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒(>0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。土壤容重和孔隙度采用采用環(huán)刀法測(cè)定[11]；土壤水分含量采用TDR100測(cè)定；土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定[12]。土壤養(yǎng)分含量采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定[11,13]，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法分析；有效氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法；有效磷采用碳酸氫鈉浸取—鉬銻抗比色法分析；土壤全鉀采用酸溶—火焰光度計(jì)法；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法分析；陽(yáng)離子交換量采用醋酸銨交換法測(cè)定。

2.3 分形模型

土壤顆粒體積分形維數(shù)利用下式[3-4]計(jì)算：

(1)

式中：V(r

對(duì)式(1) 兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得：

(2)

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，利用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)土壤顆粒的體積分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物籬系統(tǒng)土壤顆粒分布及其分形維數(shù)

3種植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布見(jiàn)表1。3種植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤砂粒含量在不同位置具有一定的差異性，喬木類植物籬帶間坡耕地土壤砂粒含量為50.56%，與植物籬帶內(nèi)和帶下土壤砂粒含量具有顯著性差異，而與植物籬帶上土壤砂粒含量差異不顯著；草本類植物籬帶間坡耕地與植物籬帶上土壤砂粒含量差異顯著，而與植物籬帶內(nèi)和帶下土壤砂粒含量無(wú)顯著差異；灌木類植物籬帶間坡耕地和植物籬帶土壤砂粒含量顯著，其帶間坡耕地和植物籬帶內(nèi)平均土壤砂粒含量分別為45.56%和41.37%。喬木類、草本類和灌木類植物籬帶間坡耕地土壤黏粒含量分別為6.71%，6.06%和7.42%，除與喬木類和灌木類植物籬帶下土壤黏粒含量無(wú)顯著差異外，均顯著小于其對(duì)應(yīng)的植物籬帶內(nèi)和帶上土壤黏粒含量。

表1 不同植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布及其分形維數(shù)

注：1)表中數(shù)據(jù)為平均±標(biāo)準(zhǔn)差；2)同種類同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

3種植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒體積分形維數(shù)見(jiàn)表1。喬木類帶間坡耕地土壤分形維數(shù)分別為2.38與植物籬帶內(nèi)土壤分形維數(shù)差異顯著，而植物籬帶內(nèi)不同位置土壤分形維數(shù)無(wú)顯著差異；草本類植物帶間坡耕地土壤分形維數(shù)為2.36，與植物籬帶不同位置土壤分形維數(shù)差異顯著；灌木類植物籬帶內(nèi)和帶上土壤分形維數(shù)均為2.42，與其帶下和帶間坡耕地土壤分形維數(shù)差異顯著，其土壤分形維數(shù)分別為24.1和2.40。

3.2 土壤顆粒組成和土壤分形維數(shù)的關(guān)系

土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成的關(guān)系和模型見(jiàn)圖1。

土壤分形維數(shù)與不同粒徑級(jí)土壤顆粒含量具有顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤黏粒含量、粉粒含量極顯著正相關(guān)。在極顯著水平(P<0.01)，土壤分形維數(shù)與土壤砂粒、粉粒和黏粒的線性回歸模型分別為：

y= -0.003x1+2.562；y=0.004x2+2.217；

y=0.023x3+2.222

式中：y——土壤分形維數(shù)；x1——土壤砂粒含量；x2——土壤粉粒含量；x3——土壤黏粒含量。

圖1 土壤分形維數(shù)與土壤砂粒、粉粒和黏粒的相關(guān)關(guān)系

3.3土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分含量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表2和表3。土壤分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到了極顯著水平。土壤分形維數(shù)與土壤孔隙度、土壤含水量和土壤飽和導(dǎo)水率為正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.239，0.460和0.635，均大于r0.01(128)=0.230，即顯著性水平P<0.01，而土壤容重與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全鉀、土壤有效鉀和陽(yáng)離子交換量的相關(guān)系數(shù)為分別為0.420，0.501，0.318，0.501，0.262和0.554，其相關(guān)性水平P<0.01，土壤全磷和土壤分形維數(shù)的相關(guān)性在顯著性水平為P<0.05時(shí)也顯著相關(guān)，而土壤有效磷含量和土壤分形維數(shù)相關(guān)性不顯著。

表2 土壤分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)相關(guān)關(guān)系(n=128)

注：**P<0.01,*P<0.05；下同。

表3 土壤分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系(n=128)

4 結(jié)論與討論

植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布和土壤顆粒體積分形維數(shù)在植物籬系統(tǒng)內(nèi)不同位置具有一定的差異性，這種差異性主要表現(xiàn)為植物籬的攔截作用[14]，植物籬形成的生物梯局部影響著土壤侵蝕發(fā)生的強(qiáng)度和途徑，從而影響徑流泥沙在坡面的搬運(yùn)—沉積過(guò)程[15-16]。土壤顆粒在坡面侵蝕的作用下，從植物籬帶間坡耕地向下坡位移動(dòng)，由于植物籬的物理攔截作用，土壤顆粒在植物籬帶內(nèi)和帶前沉積、富集。而土壤細(xì)顆粒物質(zhì)比粗顆粒物質(zhì)在坡面徑流的侵蝕作用下更容易流失[17]，因此，植物籬帶間坡耕地土壤細(xì)顆粒物質(zhì)減少，粗顆粒增加，而植物籬帶土壤細(xì)顆粒物質(zhì)富集，土壤黏粒含量增加。3種植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒組成也存在一定的差異，灌木類植物籬帶內(nèi)土壤黏粒含量均高于喬木類和灌木類植物籬，這是由于灌木類植物籬密度大，植物籬帶內(nèi)近地表植物殘?bào)w多，攔截土壤細(xì)顆粒的能力較強(qiáng)；喬木類植物籬主要以經(jīng)濟(jì)樹(shù)種為主，其修剪的枝葉作為薪柴被輸出植物籬系統(tǒng)，而草本類植物籬生物量較小，輸入植物籬帶內(nèi)的植物殘?bào)w量較少，因此攔截土壤細(xì)顆粒的能力較灌木類植物籬差。

土壤顆粒分形維數(shù)與不同粒徑土壤的顆粒含量具有顯著的相關(guān)性，即土壤分形維數(shù)與土壤砂粒、粉粒和黏粒含量顯著相關(guān)[18-20]，而土壤黏粒含量和土壤分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)為最大，因此，決定土壤分形維數(shù)的最關(guān)鍵因素為土壤黏粒含量的高低，具體來(lái)說(shuō)，土壤黏粒含量越高，土壤體積分形維數(shù)越大[21-23]。由于對(duì)于土壤細(xì)顆粒的攔截作用和不同植物籬對(duì)土壤顆粒攔截的能力不同，使3種植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒組成在植物籬不同位置具有一定的差異性，從而導(dǎo)致了植物籬系統(tǒng)內(nèi)不同位置土壤體積分形維數(shù)的變化。

土壤顆粒分布通常由不同粒級(jí)土壤，即土壤砂粒、粉粒和黏粒的重量百分含量確定[24]，它對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)、土壤的養(yǎng)分的保持和土壤有機(jī)質(zhì)的礦化具有重要意義[25-26]。植物籬的枯枝落葉提供的有機(jī)質(zhì)，有利于土壤團(tuán)聚體的形成，促使土壤形成良好的結(jié)構(gòu)從而土壤容重減小，土壤入滲性能得到改善和提高[14，27]。此外土壤細(xì)顆粒物質(zhì)在植物籬帶內(nèi)的增加有利于增加水土壤水分和土壤粒子的吸附力，土壤持水性能增強(qiáng)，陽(yáng)離子交換量增大[28]。因此，在植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重、孔隙度、土壤含水量和土壤飽和導(dǎo)水率具有顯著的相關(guān)性。土壤顆粒分形維數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分含量和陽(yáng)離子交換量也具有顯著的相關(guān)性，植物籬系統(tǒng)內(nèi)植物籬帶內(nèi)土壤分形維數(shù)顯著高于植物籬帶間坡耕地，一方面是由于植物籬帶內(nèi)有機(jī)質(zhì)的顯著增加，植物籬枯枝落葉有利于植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮元素的增加[29]，并且土壤中的養(yǎng)分元素可以通過(guò)有機(jī)制的礦化得到釋放而增加。另一方面是土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的在植物籬帶內(nèi)的富集，由于土壤細(xì)顆粒物質(zhì)是氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的主要載體[17，30-31]，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的增加必然導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量的提高和土壤保肥能力的增強(qiáng)。因此，土壤的顆粒分形維數(shù)和土壤養(yǎng)分含量具有顯著的相關(guān)性，土壤體積分形維數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤顆粒分布、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況，但是土壤分形維數(shù)在多大程度上能反映土壤物理性質(zhì)和土壤的養(yǎng)分狀況還需進(jìn)一步研究和探討。

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SoilParticle-SizeFractalCharacteristicsandtheRelationshipwithPhysicochemicalPropertiesofSoilinHedgerowSystemsintheThreeGorgesReservoirArea

LI Jian-qiang1, ZHANG Hong-jiang2, CHEN Qi-bo1, ZHOU Hong-fen3

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China; 2.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 3.DepartmentofSoilandWaterConservationTechnology,KunmingEngineering&ResearchInstituteofNonferrousMetallurgyCo.,Ltd.,Kunming650051,China)

To achieve well understanding of soil particle-size fractal characteristics and the volume fractal dimension(Dv) variance among hedgerow agroforestry system, and also the correlations betweenDvand soil physical properties and nutrients, soils sampled from inventory plots located in the Three Gorges Reservoir area of the Yangtze River were analyzed in this study.Dvwas calculated and the relations betweenDvand soil physicochemical properties were tested. The result indicated that: (1) sand concentrations of soil under hedgerows stripe were reduced by 14.3%，19.5% and 10.7% respectively compared with those of soils taken from between hedgerows, the clay concentrations of soils under hedgerows stripe increased under hedgerow with the increment of 14.3%, 19.5% and 10.7%; (2)Dvwas correlated positively and highly significantly (P<0.01) with the soil clay concentration and less significantly (P<0.05) with soil silt content, however,Dvwas negatively correlated with soil sand concentration; (3)Dvof soil in hedgerow systems was correlated positively and highly significantly (P<0. 01) with the soil porosity, water content, soil saturated water conductivity, and correlated negatively with soil bulk density. In addition, theDvof soils in hedgerow systems were highly positively correlated with total and available nitrogen, total and exchangeable potassium, total phosphorus and cation exchangeable capacity.

hedgerow system; soil particle-size fractal characteristics; soil physicochemical properties; correlation

2014-03-04

：2014-03-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008BAD98B01-03);云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014Y322)

黎建強(qiáng)(1982—),男,陜西隴縣人,講師,博士,主要研究水土保持與生態(tài)恢復(fù)。E-mail:JQ-Lee83125@hotmail.com

S152

：A

：1005-3409(2014)06-0129-05