北江干流河岸帶不同植被類型土壤粒徑分形特征

高傳友, 趙清賀, 劉 倩

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 南寧530226; 2.教育部 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 開封 475004; 3.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 河南 開封 475004)

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北江干流河岸帶不同植被類型土壤粒徑分形特征

高傳友1, 趙清賀2,3, 劉 倩2,3

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 南寧530226; 2.教育部 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 開封 475004; 3.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 河南 開封 475004)

土壤粒徑; 分形維數(shù); 植被類型; 河岸帶; 北江干流

河岸帶是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康，連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)交錯(cuò)帶[1]，能提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如縱向上過濾河流懸浮沉積物與水體污染物從而減少地表物質(zhì)的河道內(nèi)傳輸，橫向上依靠環(huán)境變量的梯度效應(yīng)從而滯留高地沉積物與農(nóng)業(yè)面源污染物，生物提供多樣的棲息地，增強(qiáng)坡岸穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)高地至低地的坡面徑流等[2-3]。作為河岸帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)維持的基礎(chǔ)，河岸帶土壤因受河流洪水過程、河道形態(tài)、岸灘結(jié)構(gòu)和人為干擾等多種因素的影響[4-5]，呈現(xiàn)復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，成為自然因素和人為因素共同作用的聚集地[1]。如受流水過程影響，河岸帶土壤粒徑分布具有明顯的梯度效應(yīng)、夾帶、傳輸和沉積過程中不同團(tuán)粒與形狀的顆粒的水力分選效應(yīng)以及水流強(qiáng)度差異等，致使隨距河流距離的增加或從低地至高地，土壤顆粒粒徑大小呈降低趨勢(砂粒至黏粒)，有機(jī)質(zhì)含量呈升高趨勢[5]。因此，研究河岸帶土壤組成與結(jié)構(gòu)，有助于進(jìn)一步了解洪水過程對河岸沖刷和淤積沉積物的影響，亦為自然和人為干擾下河岸帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的維持提供理論基礎(chǔ)[1,5]。

土壤粒徑分布與分形是土壤組成與結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一[6]。其中，土壤粒徑分形維數(shù)被認(rèn)為是解釋土壤結(jié)構(gòu)受水位波動[2]、土地利用變化[1,6-7]、植被恢復(fù)狀況[3,8-10]、人類干擾程度[11]等環(huán)境因子影響的重要指標(biāo)和有效工具[12-14]，近年來在土壤科學(xué)研究中備受關(guān)注。因此，本研究以受人類活動和洪水過程影響嚴(yán)重的北江干流河岸帶為對象，分析不同植被類型土壤粒徑分形特征，為揭示不同植被類型調(diào)節(jié)洪水對河岸侵蝕的影響和河岸帶生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持提供基礎(chǔ)。

1　研究區(qū)概況

本研究選擇粵北地區(qū)的北江干流河岸帶(清遠(yuǎn)—韶關(guān)段)為研究區(qū)域(圖1)。北江屬珠江水系第二大水系，廣東省4大河流之一，占廣東省國土面積的22%[15-16]。流域年平均氣溫為18～21℃，年最高氣溫出現(xiàn)在7月、8月份[15]。年降雨量為1 300～2 400 mm，主要集中在雨季(4—9月，占全年降水量的70%)，旱季(10—3月)降雨較少。其中，雨季分為兩個(gè)汛期：第一個(gè)汛期，受鋒面降雨影響，發(fā)生在4—6月，雨量、雨強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間較長，往往造成洪澇災(zāi)害；第二個(gè)汛期，受熱帶氣旋影響，發(fā)生在7—9月[15,17]。由于北江流域降雨時(shí)空分布異質(zhì)性較大，每年洪澇和旱災(zāi)時(shí)有發(fā)生，但是，時(shí)間上，隨著雨季的延遲和旱季降雨的增加，年內(nèi)降雨有趨均的態(tài)勢，而空間上降雨中心有北移趨勢(位于降雨中心的流域中南部年降雨減少，北部降雨增加)[15]。北江年平均徑流量為4.82×1010m3，水資源十分豐富，是廣東省重要的引用水源，沿江建設(shè)有多個(gè)水利水電工程用以滿足農(nóng)業(yè)、工業(yè)和市政用水以及水電開發(fā)和洪水控制[15,17]。但是，由于流域周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，近年來北江水質(zhì)惡化明顯，其中，農(nóng)業(yè)/農(nóng)村區(qū)域的潛在污染源主要為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、殺蟲劑、有機(jī)污染物和農(nóng)村生活污水等，工業(yè)/城市區(qū)域的潛在污染源包括工業(yè)廢水、城市生活污水、化工污染和水路交通污染等[16,18]。北江流域總面積的70%由紅壤、赤紅壤、黃紅壤及黃壤組成，具有較好的營養(yǎng)和滲水蓄水能力，為區(qū)域內(nèi)各種植物和農(nóng)作物的生長發(fā)育提供良好條件，也正因如此，區(qū)域內(nèi)尤其是河流沿岸開墾嚴(yán)重，造成土壤養(yǎng)分與結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。目前針對北江的研究，多以流域降雨時(shí)空變化、水土流失、水文水質(zhì)等方面為主要對象[15-18]，較少關(guān)注河岸帶土壤—植被系統(tǒng)，更缺少河岸帶不同植被類型土壤粒徑組成與分形維數(shù)等基礎(chǔ)性研究。

圖1研究區(qū)采樣點(diǎn)位置

2　材料與方法

2.1樣品采集與室內(nèi)分析

在對研究區(qū)進(jìn)行植被普查的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的混交林(喬灌雜木林)、桉樹林、竹林和草地作為不同植被類型于2014年6月進(jìn)行采樣，樣地的面積為400 m2，共26個(gè)樣地，其中混交林8個(gè)，桉樹林5個(gè)，竹林7個(gè)，草地6個(gè)，樣地分布見圖1。在各個(gè)樣地內(nèi)采用5點(diǎn)采樣法，每個(gè)采樣點(diǎn)距離中心采樣點(diǎn)5 m，采樣深度為0—20 cm，同一樣地中5個(gè)樣點(diǎn)土壤混合均勻后裝入自封袋密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干處理。另外，采用環(huán)刀法取0—20 cm土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，采用烘干法測定土壤容重(BD)和含水量(SM)。

2.2分形維數(shù)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理

采用基于土壤顆粒重量分布的方法[19-20]，計(jì)算土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)，公式如下：

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析：相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)和線性回歸方法，單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著性差異檢驗(yàn)不同植被類型間D值與顆粒組成的差異及其顯著性，顯著性水平設(shè)定為0.05。

3　結(jié)果與分析

3.1北江河岸帶土壤粒徑分布與分形特征描述

如表1所示，北江干流河岸帶土壤樣品的顆粒組成以<0.002，0.002～0.02，0.05～0.25 mm的含量較高，分別為22.75%，28.89%，28.24%，其次為0.02～0.05 mm，其平均值為11.8%，1～2 mm含量最小，平均值僅為1.1%。變異系數(shù)表明，隨粒徑增大，各粒級空間變異增大。

按照美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤主要由粉粒組成(40.7%)，其次為砂粒(36.6%)，黏粒最低(22.8%)，總體上呈均勻分布。根據(jù)質(zhì)量分形維數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算分形維數(shù)時(shí)各樣地的線性擬合方程的R2為0.78～0.99，表明擬合效果能較好地反映土壤粒徑分布特征，同時(shí)也說明土壤質(zhì)量分形維數(shù)在本研究區(qū)的計(jì)算精度較高。分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，北江干流河岸帶土壤分形維數(shù)為2.71～2.86，平均值為2.79，變異系數(shù)為2%，空間變異較小，說明研究區(qū)土壤質(zhì)地比較均一[21-22]。根據(jù)前人研究[7,23-24]，結(jié)構(gòu)良好的土壤其粒徑分形維數(shù)應(yīng)在2.75左右，因此，北江干流河岸帶土壤結(jié)構(gòu)整體屬于良好。

表1　北江干流河岸帶土壤粒徑分布與分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)描述

由圖2可知，由相關(guān)性分析與回歸分析可知，研究區(qū)土壤分形維數(shù)D值與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.98，0.81，p值均為0.00；分形維數(shù)與砂粒百分含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其回歸方程的R2和p值分別為0.63，0.00，達(dá)到極顯著水平。這表明黏粒和粉粒含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)越高，而土壤砂粒含量越高，其分形維數(shù)越低。本研究結(jié)果與較多研究的土壤分形維數(shù)與黏粒和砂粒含量關(guān)系的結(jié)果相一致[7,11,25]，而與部分研究關(guān)于土壤分形維數(shù)與粉粒關(guān)系的結(jié)果有所不同[26]，同時(shí)，亦與個(gè)別研究關(guān)于土壤分形維數(shù)與砂粒關(guān)系的結(jié)果相反[27]。這與諸多環(huán)境因子的不同有關(guān)，如受干擾程度[11]、植被類型和土地利用方式[7,25]、不同粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)[28]、不同研究尺度[27]等。根據(jù)前人對細(xì)顆粒含量與土壤退化或土壤肥力之間關(guān)系的研究結(jié)果[7,11,25]，結(jié)合本研究土壤粒徑分形維數(shù)與細(xì)顆粒之間顯著的相關(guān)性，從側(cè)面說明研究區(qū)土壤粒徑分形維數(shù)可以作為指示土壤退化或者土壤肥力的一個(gè)指標(biāo)。

圖2土壤分形維數(shù)與顆粒組成的相關(guān)性

3.2不同植被類型土壤顆粒組成與分形特征

各植被類型土壤顆粒差異顯著，除竹林外，均以粉粒含量最高。其中，砂粒含量表現(xiàn)為竹林>混交林>草地>桉樹林，與砂粒含量相反，分形維數(shù)D值、粉粒含量和黏粒含量均表現(xiàn)為桉樹林>草地>混交林>竹林，除竹林與桉樹林之間差異顯著外(p<0.05)，其他植被類型間差異均不顯著，說明竹林與桉樹林在改良或維持土壤結(jié)構(gòu)方面有顯著差異。根據(jù)前人研究[7,23-24]，本研究竹林土壤分形維數(shù)最接近2.75，說明竹林土壤結(jié)構(gòu)狀況最好，具有一定的保水保肥能力，混交林次之，桉樹林最低，表明桉樹純林的土壤結(jié)構(gòu)最差，保水保肥能力也較差。值得說明的是：4種植被類型中竹林的黏粒含量最低，說明并非黏粒越高土壤結(jié)構(gòu)越好[23-24]，而可能存在一個(gè)閾值。在閾值范圍內(nèi)，隨黏粒含量升高，土壤分形維數(shù)D值升高，顆粒比表面積增大，黏結(jié)性更好，對養(yǎng)分的吸附和固定越多，而超過閾值會導(dǎo)致土壤通氣能力不足，結(jié)構(gòu)變差[25]。因此，對于特定類型土壤(不同植被類型、土地利用方式或者研究尺度等)，可根據(jù)其類型黏粒含量與分形維數(shù)的相關(guān)性進(jìn)一步探討其保持良好土壤結(jié)構(gòu)的黏粒含量[24,26]。

表2　植被類型對土壤分形維數(shù)與顆粒組成的影響

注：同一列不同字母表示在0.05水平差異顯著。

3.3河岸帶土壤顆粒分形維數(shù)與理化性質(zhì)關(guān)系

表3　河岸帶土壤顆粒組成和分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

土壤顆粒分布在土壤水分運(yùn)動過程中扮演重要的角色。據(jù)前人研究[29]，砂粒含量越多，SM就較低，黏粒含量越高，分形維數(shù)越大，SM就較高。本文結(jié)果與其他地區(qū)研究結(jié)果相一致，但除砂粒含量外，分形維數(shù)D值、黏粒含量與SM的正相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，說明砂粒含量對研究區(qū)SM的影響較為顯著。BD是反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，與土壤結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系的基本物理屬性，其值越大土壤越緊實(shí)、板結(jié)，退化趨勢越明顯，其值越小土壤越疏松，結(jié)構(gòu)越良好[1,7,11,30]。與黎建強(qiáng)等[29]的BD與分形維數(shù)D值呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果不同，本研究中BD與D值負(fù)相關(guān)性明顯，但未達(dá)到顯著水平，其原因可能與作用于土壤的環(huán)境因子有關(guān)，如Liu等[11]發(fā)現(xiàn)不同干擾程度草地BD與D值相關(guān)性變異較大。一般情況下，土壤分形維數(shù)D值越高、顆粒比表面積大的黏粒含量越豐富，土壤黏結(jié)性和對養(yǎng)分的吸附和固定作用就越強(qiáng)，易造成養(yǎng)分積累[25]。但本研究發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)D值和黏粒含量均與TOC和TN的相關(guān)性不顯著，且均呈負(fù)相關(guān)性，其原因可能與研究區(qū)土壤黏粒含量過高導(dǎo)致土壤通氣能力不足有關(guān)[23-24]。

自然狀態(tài)下，土壤中的磷素來源主要為巖石風(fēng)化釋放和凋落物分解[32-33]，河岸帶土壤因其特殊的位置，地表徑流和地下徑流活動頻繁，磷素的遷移轉(zhuǎn)化主要通過吸附作用進(jìn)行[32]。河岸帶土壤通過對地表或地下徑流中磷素的吸收，而增加土壤中的TP含量、減少匯入河流中的TP濃度[33]。因此，本研究關(guān)于北江干流河岸帶土壤TP與分形維數(shù)D和黏粒含量呈顯著正相關(guān)、與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果，與伏耀龍等[25]的岷江上游干旱河谷土壤分形維數(shù)與TP的相關(guān)性不顯著以及Liu等[33]對長江典型流域土壤顆粒分形維數(shù)與TP的關(guān)系研究(TP含量與分形維數(shù)、粉粒和黏粒含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，與砂粒含量呈顯著正相關(guān))不太一致?？傊?，受地形地貌過程、水文過程、土地利用和植被類型、干擾程度、研究尺度等因素的影響，土壤顆粒組成和分形特征與土壤理化性質(zhì)間的相互作用頗為復(fù)雜，而對河岸帶土壤粒徑分形及其與理化性質(zhì)關(guān)系的研究目前較少，有待更多案例進(jìn)行比較分析。

4　結(jié) 論

(1) 北江干流河岸帶不同植被類型土壤主要有粉粒組成(40.66%)，其次為砂粒(36.59%)，黏粒最低(22.75%)，總體上呈均勻分布，并粒徑增大，各粒級空間變異增大。土壤分形維數(shù)為2.71～2.86，空間變異較小，土壤結(jié)構(gòu)整體屬于良好、質(zhì)地比較均一。研究區(qū)土壤分形維數(shù)D值與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與砂粒百分含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明黏粒和粉粒含量越高，砂粒含量越低，土壤顆粒的分形維數(shù)越高。

(2) 對于不同植被類型，砂粒含量表現(xiàn)為竹林>混交林>草地>桉樹林，分形維數(shù)D值、粉粒含量和黏粒含量均表現(xiàn)為桉樹林>草地>混交林>竹林。其中，竹林與桉樹林之間差異顯著外(p<0.05)，表明二者在改良或維持土壤結(jié)構(gòu)方面有顯著差異。

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Fractal Characteristic of Soil Particle Size Under Different Vegetation Types in Riparian Zone of the Main Stream of Beijiang River

GAO Chuanyou1, ZHAO Qinghe2,3, LIU Qian2,3

(1.GuangxiVocationalandTechnicalCollege,Nanning530226,China; 2.KeyLaboratoryofGeospatialTechnologyfortheMiddleandLowerYellowRiverRegions,MinistryofEducation,Kaifeng,He′nan475004,China; 3.CollegeofEnvironmentandPlanning,He′nanUniversity,Kaifeng,He′nan475004,China)

Taking 4 kinds of vegetation types such as bamboo forest, eucalyptus forest, mixed forest, and grassland as research samples, we investigated the soil particle size distribution (PSD) and fractal dimension (D) characteristics as well as their relationships with other basic soil physicochemical properties based on the field survey and laboratory experiment. The results indicated that soil structure in Beijiang River riparian zone was good withDvalue of 2.79, soil texture was uniform, and the soil PSD was homogeneous with silt, sand, and clay contents of 40.66%, 36.59%, and 22.75%, respectively. However, spatial variation of soil particle increased with increase of soil particle size. Pearson correlation analysis indicated thatDvalue was significantly related with PSD, namely,Dvalue increased with increase of silt and clay contents and decrease of sand content.Dvalue and PSD varied obviously between different vegetation types, therein, the sand content followed the order of bamboo forest>mixed forest>grassland>eucalyptus forest, while theDvalue, silt content, and clay content presented the same change rule, in the order of eucalyptus forest>grassland>mixed forest>bamboo forest. Moreover, ANOVA result showed that, with regarding to effect of vegetation type on soil structure, there was significant difference between bamboo forest and eucalyptus forest, while insignificant deference between other vegetation types was observed. Relationship betweenDvalue and PSD and other soil physicochemical properties showed that bothDvalue and clay content were correlated significantly and negatively with nitrate nitrogen content (p<0.05) and then were correlated significantly and negatively with total phosphorus content (p<0.05). Soil sand content was significantly negatively correlated with soil moisture content at the 0.05 level, and then soil silt content was only significantly negatively correlated with soil moisture content. In addition, the correlations betweenDvalue, sand, silt, clay contents and total organic carbon and total nitrogen contents were not significant. In summary, riparian soil is influenced simultaneously by various factors, and the relationship between its physicochemical properties is significantly different from the other landscape.

soil particle size distribution; fractal dimension; vegetation types; riparian zone; Beijiang River

2015-07-29

2015-09-16

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41301197);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M550382,2015T80766);教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(GTYR2013010)

高傳友(1984—),男,河南開封人,碩士,講師,主要從事園林設(shè)計(jì)和景觀生態(tài)學(xué)研究。E-mail:905136388@qq.com

趙清賀(1982—),男,河南開封人,博士,講師,主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究。E-mail:zhaoqinghe@henu.edu.cn

S152.3

A

1005-3409(2016)03-0037-06