重慶市宅基地復(fù)墾土源土壤分形特征研究
——以渝西大足區(qū)古龍鎮(zhèn)、萬古鎮(zhèn)為例

王　程，龍虹竹，陳國建,2，李春娟，肖卓勇，張　超

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400047)

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重慶市宅基地復(fù)墾土源土壤分形特征研究
——以渝西大足區(qū)古龍鎮(zhèn)、萬古鎮(zhèn)為例

王程1，龍虹竹1，陳國建1,2，李春娟1，肖卓勇1，張超1

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400047)

[摘要]選取重慶市大足區(qū)農(nóng)村宅基地復(fù)墾項(xiàng)目的復(fù)墾土源為研究對象，分別對地基翻耕土(TS)、土墻搗碎土(WS)和外部客土(OS)這三種主要復(fù)墾土源的表土(0～20 cm)進(jìn)行土樣采集，并利用體積分形維數(shù)研究其土壤顆粒組成、分形特征及相互關(guān)系，結(jié)果表明：①三種復(fù)墾土源中，土壤顆粒組成以粉粒(0.002～0.05 mm)為主，按粉粒體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)閃S(86.84%)>OS(86.13%)>TS(79.36%)，黏粒(0～0.002 mm)和砂粒(0.05～2 mm)所占比例較低，按黏粒體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)镺S(9.24%)>TS(8.97%)>WS(7.49%)，按砂粒體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)門S(12.69%)>WS(5.66%)>OS(4.84%)；②三種復(fù)墾土源的土壤顆粒體積分形維數(shù)TS為2.56～2.81、WS為2.65～2.74、OS為2.70～2.78，按其均值排序?yàn)镺S(2.723)>WS(2.696)>TS(2.678)；③土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著的線性正相關(guān)，與砂粒體積分?jǐn)?shù)呈線性負(fù)相關(guān)但線性關(guān)系不顯著，與粉粒體積分?jǐn)?shù)不存在一致的相關(guān)性；④研究區(qū)三種復(fù)墾土源土壤結(jié)構(gòu)良好，但并未處于最佳狀態(tài)，黏粒含量較理想值低。

土壤顆粒是土壤結(jié)構(gòu)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同粒徑的顆粒組合構(gòu)成不同的土壤質(zhì)地類型，進(jìn)而影響土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程[1]。由于土壤結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性，土壤物理性質(zhì)的有關(guān)測量值呈現(xiàn)出不規(guī)則性和隨機(jī)性[2]。作為探索不規(guī)則結(jié)構(gòu)和形態(tài)的工具，分形幾何學(xué)被廣泛應(yīng)用于土壤學(xué)研究中[3-5]，推動土壤形態(tài)及其形成過程復(fù)雜性問題的解決，并在一定程度上使其定量化。Mandelbrot[6]首先建立了二維空間的顆粒大小分形特征模型；Tyler等[7]和楊培嶺等[8]在此基礎(chǔ)上，基于土壤密度均一性的假設(shè)，推導(dǎo)出了土壤粒徑分布(Soil Particle Size Distribution，簡稱PSD)的質(zhì)量(重量)分布模型；隨著定量研究的不斷發(fā)展，王國梁等[9]又提出了基于土壤顆粒體積的PSD模型。國內(nèi)外許多學(xué)者用分形理論研究了土壤粒徑分形特征[10]，主要集中在不同土壤質(zhì)地[11-12]、不同土地利用/土地覆蓋[13-14]、不同水土保持措施/生態(tài)修復(fù)措施[15-16]和礦區(qū)土壤重構(gòu)[17-18]土壤粒徑分布分形特征等方面，但是對農(nóng)村宅基地復(fù)墾土源土壤顆粒分形特征的研究尚未見公開報(bào)道。

將農(nóng)村宅基地進(jìn)行復(fù)墾是保護(hù)土地資源、緩解人地矛盾的重要舉措，而復(fù)墾土源的土壤結(jié)構(gòu)特征將對復(fù)墾土地的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。重慶市農(nóng)村宅基地復(fù)墾的土源主要有三種：第一種是土墻搗碎土(WS)，即農(nóng)村廢舊房屋的土墻，經(jīng)過搗碎及雨水浸潤，形成可供農(nóng)作物生長的耕作層；第二種是地基翻耕土(TS)；第三種是外部客土(OS)，也就是從復(fù)墾區(qū)附近運(yùn)來的表層土壤。

本研究利用馬爾文(Malvern)MS2000激光粒度儀對三種復(fù)墾土源的土壤粒徑進(jìn)行測定，分別計(jì)算出各自的體積分形維數(shù)，分析三種土源的土壤分形特征，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，以期提高復(fù)墾土壤質(zhì)量、增加農(nóng)作物產(chǎn)量，為全國其他地區(qū)農(nóng)村宅基地復(fù)墾工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)際參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

大足區(qū)位于重慶西部、四川盆地東南部，地理位置為東經(jīng)105°29′～106°02′、北緯29°24′～29°52′。該區(qū)土壤多為紫色土，極少部分為黃壤；地貌類型為剝蝕侵蝕低山，采樣點(diǎn)海拔280～450 m；多年平均降水量在1 100 mm以上，降水主要集中在5—10月份。

本研究選取了大足區(qū)古龍鎮(zhèn)、萬古鎮(zhèn)典型宅基地復(fù)墾耕地中具有代表性的3處采樣區(qū)的6塊剛復(fù)墾未耕種地塊作為樣地，其中地基翻耕土地塊、土墻搗碎土地塊和外部客土地塊各2個(gè)。樣地基本情況見表1。

表1　大足區(qū)古龍鎮(zhèn)、萬古鎮(zhèn)樣地基本情況

1.2土壤樣品采集與處理

土壤樣品采集日期為2013年11月，采集時(shí)根據(jù)地塊大小、形狀在每塊樣地上按照S形隨機(jī)確定10個(gè)采樣點(diǎn)，用土壤取樣器在每個(gè)采樣點(diǎn)附近選取2～3個(gè)點(diǎn)采集0～20 cm的耕作層土壤制成混合樣，用四分法留取約0.5 kg作為1份試驗(yàn)土樣，裝入對應(yīng)編號樣品袋中，詳細(xì)做好樣品標(biāo)記，并剔除不合格樣品。

土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除土樣中的石礫、碎瓦塊、根莖等雜物，將土樣鋪開置于實(shí)驗(yàn)室陰涼處，自然風(fēng)干后，用木槌、滾筒研磨，過孔徑2 mm的篩，將篩出來的小于2 mm的土樣進(jìn)行保存；然后取0.5 g土樣放入500 mL燒杯中，先加30%過氧化氫(H2O2)，在電爐上加熱使其充分反應(yīng)以有效地除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，再加鹽酸(HCl)并煮沸使其充分反應(yīng)以除去碳酸鹽；接著加超純水稀釋，靜置12 h，除去上清液以除酸，直至pH值在6.5～7.0之間；最后加入六偏磷酸鈉〔(NaPO3)6〕，將土樣溶液攪勻后迅速加入測試杯中，用馬爾文MS2000激光粒度儀進(jìn)行測定，并開啟超聲波促進(jìn)土壤顆粒進(jìn)一步分散，當(dāng)遮光度介于10%～20%之間時(shí)停止加入土壤溶液，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)操作程序進(jìn)行測試和結(jié)果保存，得到土壤顆粒不同粒級的體積分?jǐn)?shù)。

1.3研究方法

采用王國梁等[9]推導(dǎo)出的體積分形維數(shù)計(jì)算方法，其計(jì)算公式為

(1)

2結(jié)果與分析

2.1三種土源的土壤顆粒組成特征

利用激光粒度分析儀的用戶粒度分級系統(tǒng)將所獲得的60份土樣的土壤粒徑數(shù)據(jù)按黏粒(0～0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)進(jìn)行劃分，分別計(jì)算出各自的體積分?jǐn)?shù)(表2)。

表2　大足區(qū)不同宅基地復(fù)墾土源土壤顆粒分級統(tǒng)計(jì)

2.1.1三種土源土壤顆粒組成的總體特征

從表2來看，三種復(fù)墾土源中，土壤顆粒組成以粉粒為主，其體積分?jǐn)?shù)均值較高，排序?yàn)閃S>OS>TS；黏粒和砂粒所占比例較低，黏粒體積分?jǐn)?shù)排序?yàn)镺S>TS>WS，砂粒體積分?jǐn)?shù)排序?yàn)門S>WS>OS。

2.1.2三種土源土壤顆粒組成的各自細(xì)部特征

(1)地基翻耕土(TS)。黏粒體積分?jǐn)?shù)變幅為3.35%～18.10%，均值為8.97%；粉粒體積分?jǐn)?shù)變幅為66.63%～89.46%，均值為79.36%；砂粒體積分?jǐn)?shù)變幅為0.16%～28.75%，均值為12.69%。體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)榉哿?砂粒>黏粒。同時(shí)，我們可以看出，黏粒和砂粒的樣本體積分?jǐn)?shù)變化幅度較大，樣本差異顯著。

(2)土墻搗碎土(WS)。黏粒體積分?jǐn)?shù)變幅為6.07%～11.10%，均值為7.49%；粉粒體積分?jǐn)?shù)變幅為80.31%～90.34%，均值為 86.84%；砂粒體積分?jǐn)?shù)變幅為2.75%～11.41%，均值為5.66%。體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)榉哿?黏粒>砂粒。

(3)外部客土(OS)。黏粒體積分?jǐn)?shù)變幅為7.05%～14.22%，均值為9.24%；粉粒體積分?jǐn)?shù)變幅為81.54%～89.70%，均值為86.13%；砂粒體積分?jǐn)?shù)變幅為0.69%～9.07%，均值為4.84%。體積分?jǐn)?shù)均值排序?yàn)榉哿?黏粒>砂粒。

2.2土壤顆粒體積分形維數(shù)及決定系數(shù)特征描述

在計(jì)算三種土源的體積分形維數(shù)時(shí)，先根據(jù)美國制的分類標(biāo)準(zhǔn)，將60份土樣按測得的土壤粒徑數(shù)據(jù)細(xì)分成7個(gè)粒徑級(0～0.002、0.002～0.02、0.02～0.05、0.05～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2 mm)，然后根據(jù)公式(1)，計(jì)算出體積分形維數(shù)D，結(jié)果見表3。

表3　研究區(qū)土壤顆粒體積分形維數(shù)

表3表明，三種土源樣地土壤顆粒體積分形維數(shù)的均值排序?yàn)镺S>WS>TS，變異系數(shù)排序?yàn)門S>OS>WS。地基翻耕土的變異系數(shù)較大，說明其分形維數(shù)較為離散，樣本差異較大。

2.3土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤粒級分布的相關(guān)性分析

2.3.1三種復(fù)墾土源樣地土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤粒級分布的相關(guān)性

通過圖1可以看出，TS的體積分形維數(shù)與黏粒及粉粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著的線性正相關(guān)(0.05水平)，而與砂粒體積分?jǐn)?shù)呈線性負(fù)相關(guān)(0.05水平)；WS和OS的體積分形維數(shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著的線性正相關(guān)(0.05水平)，但與粉粒和砂粒的線性關(guān)系不顯著。

圖1　大足區(qū)宅基地復(fù)墾土源土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤粒級分布的關(guān)系

為此，我們把三種復(fù)墾土源的土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤粒級分布的關(guān)系總體特征概括如下：三種復(fù)墾土源土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒的體積分?jǐn)?shù)呈顯著的正相關(guān)，而與砂粒的體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)(線性關(guān)系不顯著)，與粉粒的相關(guān)性存在著不一致性。這與巨莉等[14]和韋杰等[16]的研究結(jié)果類似。

2.3.2線性回歸結(jié)果檢驗(yàn)

上述研究表明，粒徑較小的土壤顆粒含量越高，其體積分形維數(shù)越大；反之，則土壤顆粒體積分形維數(shù)越小。但將三種復(fù)墾土源的黏、粉、砂粒體積分?jǐn)?shù)與其體積分形維數(shù)分別進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)土墻搗碎土和外部客土的粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)變量沒有通過F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)，而三種土源的黏粒體積分?jǐn)?shù)與體積分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)在置信水平(0.05水平)，能通過線性回歸分析的一系列顯著性檢驗(yàn)。

上述線性回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)對土壤顆粒體積分形維數(shù)的影響最為顯著，且呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，而粉粒和砂粒則間接影響體積分形維數(shù)的大小[16]。

2.3.3三種復(fù)墾土源土壤結(jié)構(gòu)與理想狀況對比分析

有學(xué)者認(rèn)為結(jié)構(gòu)和肥力性狀良好的土壤，其分形維數(shù)大致在2.60～2.80，最佳在2.75左右[11-12]。本研究區(qū)樣地三種復(fù)墾土源的體積分形維數(shù)均值都在2.60～2.80，但小于2.75。說明研究區(qū)樣地土壤結(jié)構(gòu)良好，但并未處于理想狀態(tài)，三種土源黏粒含量較理想狀態(tài)低。

3結(jié)論與討論

(1)重慶市宅基地復(fù)墾土源樣地土壤結(jié)構(gòu)狀況良好，但未處于最佳狀態(tài)，黏粒體積分?jǐn)?shù)均值較理想值低。三種復(fù)墾土源黏粒含量均值表現(xiàn)為外部客土>土墻搗碎土>地基翻耕土。由于三種復(fù)墾土源的黏粒含量均相對較少，說明在宅基地復(fù)墾過程中，黏粒屬于結(jié)構(gòu)性缺失。一方面，復(fù)墾表土受到人為因素的擾動較大，并不具備自然界土壤的完整結(jié)構(gòu)；另一方面，由于未進(jìn)行耕種，缺乏作物、植被等對土壤的覆蓋保護(hù)，加上雨水侵蝕等因素的影響，導(dǎo)致一部分黏粒的流失。因此，在這三種復(fù)墾土源中，宅基地翻耕土較其他兩種土源受到的水力侵蝕較大。

(2)三種復(fù)墾土源土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；與砂粒體積分?jǐn)?shù)呈線性負(fù)相關(guān)，但線性關(guān)系并不顯著；與粉粒體積分?jǐn)?shù)線性關(guān)系差異較大，不存在一致的相關(guān)性。線性回歸結(jié)果檢驗(yàn)表明：三種復(fù)墾土源土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)的線性回歸分析均能通過顯著性檢驗(yàn)，且呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，這說明體積分形維數(shù)受黏粒體積分?jǐn)?shù)影響最為顯著。

(3)從三種宅基地復(fù)墾土源土壤顆粒體積分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果來看，分形維數(shù)均值最高的為外部客土(2.723)，也最接近理想值2.75，土壤結(jié)構(gòu)相對較好，其原因可能是外部客土土壤結(jié)構(gòu)保存完整，并未受到太多人為干擾。為此，在進(jìn)行宅基地復(fù)墾時(shí)，一方面，要盡可能多地選擇土壤結(jié)構(gòu)保存相對完整的外部客土，如果外部客土土源數(shù)量有限，那么可以考慮多種復(fù)墾土源混搭，從而相對改善復(fù)墾土源土壤結(jié)構(gòu)；另一方面，要注重對復(fù)墾土源進(jìn)行保護(hù)和有效耕作，從而促進(jìn)糧食增收，推動農(nóng)村宅基地復(fù)墾工程更好地實(shí)施。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 宋孝玉,李亞娟,李懷有,等.不同地貌類型及土地利用方式下土壤粒徑的分形特征[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(9):155-160.

[2] 葛東媛,張洪江,鄭國強(qiáng),等.重慶四面山4種不同人工林地土壤顆粒分形特征[J].水土保持研究,2011,18(2):148-151.

[3] Bird N,Diaz M C,Saa A,et al.Fractal and multi fractal analysis of pore-scale images of soil[J].Journal of Hydrology,2006,322(1-4):211-219.

[4] Ribolzi O,Patin J,Bresson L M.Impact of slope gradient on soil surface features and infiltration on steep slopes in northern Laos[J].Geomorphology,2011,127(1-2):53-63.

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

[6] Mandelbrot B B.The Fractal Geometry of Nature[M].San Francisco:W H Freeman and Company,1982:4-20.

[7] Tyler S W,Wheatcraft S W.Fractal scaling of soil particle-size distribution:analysis and limitations[J].Soil Science Society America Journal,1992,56(2):362-369.

[8] 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.

[9] 王國梁,周生路,趙其國.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.

[10] 管孝艷,楊培嶺,呂燁.基于多重分形的土壤粒徑分布與土壤物理特性關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(3):44-50.

[11] 李德成,張?zhí)伊?中國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.

[12] 劉云鵬,王國棟,張社奇,等.陜西4種土壤粒徑分布的分形特征研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(2):92-94.

[13] Filgueira R R,Fournier L L,Cerisola C I,et al.Particle-size distribution in soils:a critical study of the fractal model validation[J].Geoderma,2006,134(3-4):327-334.

[14] 巨莉,文安邦,郭進(jìn),等.三峽庫區(qū)不同土地利用類型土壤顆粒分形特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2011,25(5):234-237.

[15] 王富,賈志軍,董智,等.不同生態(tài)措施下水源涵養(yǎng)區(qū)土壤粒徑分布的分形特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(5)：113-117.

[16] 韋杰,金慧芳,賀秀斌,等.三峽庫區(qū)有限順坡耕作坡耕地表土顆粒分形特征[J].中國水土保持科學(xué),2014,1(3):23-29.

[17] 王金滿,張萌,白中科,等.黃土區(qū)露天煤礦排土場重構(gòu)土壤顆粒組成的多重分形特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(4):230-238.

[18] 余健,房莉,李涵韜,等.采煤塌陷地及其復(fù)墾土壤顆粒分布與分形特征[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(6):1095-1101.

(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41001168)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC2010BB0326，CSTC2012jjA80008)；重慶市國土資源和房屋管理局2014年度科技計(jì)劃項(xiàng)目

[中圖分類號]S152.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)06-0065-04

[作者簡介]王程(1990—)，男，陜西商洛市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究；通信作者陳國建(1975—)，男，四川達(dá)州市人，副教授，博士，主要從事區(qū)域水土保持研究。

[收稿日期]2015-08-21

[關(guān)鍵詞]宅基地復(fù)墾；不同土源；土壤粒徑；體積分形維數(shù)；對比分析；重慶市