三峡库区植物篱系统土壤颗粒分形特征及其与土壤理化性质的关系

黎建强, 张洪江, 陈奇伯, 周红芬

(1.西南林业大学 环境科学与工程学院, 昆明 650224; 2.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司 水土保持工程技术部, 昆明 650051)

三峡库区植物篱系统土壤颗粒分形特征及其与土壤理化性质的关系

黎建强1, 张洪江2, 陈奇伯1, 周红芬3

(1.西南林业大学 环境科学与工程学院, 昆明 650224; 2.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司 水土保持工程技术部, 昆明 650051)

在对长江三峡库区坡耕地植物篱系统调查样地土壤样品颗粒分析的基础上，对植物篱系统内土壤颗粒分布及土壤分形维数与土壤物理性质和土壤养分含量的关系进行了研究，结果表明：(1) 乔木类、草本类和灌木类植物篱带间坡耕地土壤砂粒含量比其对应的植物篱带内土壤沙砾平均含量分别高10.4%，13.7%和9.2%；而黏粒含量在植物篱带内富集，其平均含量比植物篱带间坡耕地土壤黏粒含量分别高14.3%，19.5%和10.7%；(2) 土壤分形维数与土壤黏粒和土壤粉粒含量具有显著(P<0.01)的正相关关系，而与土壤砂粒含量显著负相关。(3) 土壤分形维数与土壤孔隙度、含水量和土壤饱和导水率极显著正相关，而土壤容重与分形维数呈显著负相关关系。土壤分形维数与土壤有机质、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全钾、土壤有效钾、土壤全磷含量和阳离子交换量显著相关，而土壤有效磷含量和土壤分形维数相关性不显著。

植物篱; 土壤颗粒分形特征; 土壤理化性质; 相关关系

土壤颗粒分布(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，它与土壤侵蚀、水文过程、土壤肥力状况等密切相关[1-2]。在土壤科学研究中，分形理论被引入到土壤科学，作为定量研究土壤颗粒分布的重要指标[3-4]，运用土壤颗粒的分形维数来表征土壤质地和结构组成及其均匀程度，已成为定量描述土壤结构特征的新方法[5]。目前，测定土壤土壤颗粒分布的经典技术包括筛分法和基于土壤颗粒沉降过程的吸管法和比重计法[6]，然而，近年来激光衍射技术(laser diffraction,LD)的发展和应用使土壤颗粒体积分布的准确测定成为现实，可以利用激光粒度分析仪测得的土壤颗粒体积分布数据来统计土壤颗粒分布的分形维数[7]。

植物篱间作技术作为控制土壤流失、增加土壤肥力的重要坡耕地水土保持措施，植物篱对土壤颗粒的拦截作用对土壤颗粒在坡面的重新分布具有重要的影响[8]。植物篱有利于控制土壤侵蚀和水土流失，可以有效地拦截径流中的细颗粒物质[9-10]，从而使植物篱系统内土壤颗粒组成发生变化。因此，土壤颗粒分布特征可以在一定程度上反映植物篱带对坡耕地侵蚀过程的影响。然而，对于坡面植物篱系统内土壤颗粒的分布的研究较少，很少有学者运用分形理论来评价植物篱对土壤颗粒再分布的影响。本文运用土壤颗粒分形理论对植物篱系统土壤颗粒的分形特征进行了研究，并分析了土壤体积分形维数与土壤物理性质和土壤养分含量的关系，为运用土壤体积分形维数来评价植物篱系统内土壤颗粒分布、土壤物理性质和土壤养分状况提供理论依据。

1 研究区与研究对象概况

1.1 研究区概况

根据不同的植物篱类型，结合地形地貌特点，主要试验点布设在在重庆市江津区。江津区位于长江中上游，三峡库区尾端。江津区气候属北半球亚热带季风气候区，年平均气温18.4℃。年日照时数1 273.6 h，年降雨量1 030.7 mm，无霜期341 d，年湿度81%。土壤主要为沙溪庙组沙页岩发育形成的紫色土和水稻土。

1.2 植物篱概况

根据植物篱的外貌特征和物种组成，将不同的植物篱划分为乔木类、灌木类和草本类植物篱。乔木类植物篱物种主要为桑树(Morusalba)、柑橘(Citrusreticulata)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、梨树(Pyrussorotina)和李子(Prunuscerasifera)。灌木类植物篱物种包括：黄荆(Vitexnegundo)、臭椿(Ailanthusaltissima)、八角枫(Alangiumchinense)。草本类植物篱以紫背天葵(Gynurabicolo)、旱菜(HerbaRorippae)、空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)为主。调查区内植物篱种植年限为5～7 a，植物篱带宽0.5～2 m，盖度均>90%，带间耕地平均宽度在4～6 m，农作物以玉米(Zeamays)和红薯(Ipomoeabatatas)为主。

2 研究方法

2.1 采样点布设

在调查区域随机布设调查样地32个(其中乔木类植物篱14个，草本类植物篱10个，灌木类植物篱8个)，在每个调查样地内，分别于植物篱带上(植物篱冠层投影带上±20 cm范围内)、植物篱带内(植物篱冠层投影中点处)、植物篱带下(植物篱冠层投影带下±20 cm范围内)和植物篱带间坡耕地(两植物篱带间距的中点处)，各布设1个土壤采样点，在每个土壤采样点土壤耕层(0～20 cm)采集土样，每个采样点重复3次取样，混合均匀并对土壤颗粒组成、土壤物理性质和土壤养分进行测定。

2.2 测定项目及方法

土壤颗粒组成采用激光颗粒分析仪(Fritsch Particle Sizer Analysette 22)测定，土壤粒径在0～2 500 μm范围内被划分为14级，根据美国制分类标准分为砂粒(>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环刀法测定[11]；土壤水分含量采用TDR100测定；土壤饱和导水率采用定水头法测定[12]。土壤养分含量采用常规方法进行测定[11,13]，土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法分析；有效氮采用碱解扩散法；土壤全磷采用酸溶—钼锑抗比色法；有效磷采用碳酸氢钠浸取—钼锑抗比色法分析；土壤全钾采用酸溶—火焰光度计法；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法分析；阳离子交换量采用醋酸铵交换法测定。

2.3 分形模型

土壤颗粒体积分形维数利用下式[3-4]计算：

(1)

式中：V(r

对式(1) 两边同时取对数可得：

(2)

2.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.5软件进行数据处理。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性检验，利用Pearson相关系数评价土壤颗粒的体积分形维数与土壤理化性质各指标之间的相关性。

3 结果与分析

3.1 植物篱系统土壤颗粒分布及其分形维数

3种植物篱系统内土壤颗粒分布见表1。3种植物篱系统内土壤砂粒含量在不同位置具有一定的差异性，乔木类植物篱带间坡耕地土壤砂粒含量为50.56%，与植物篱带内和带下土壤砂粒含量具有显著性差异，而与植物篱带上土壤砂粒含量差异不显著；草本类植物篱带间坡耕地与植物篱带上土壤砂粒含量差异显著，而与植物篱带内和带下土壤砂粒含量无显著差异；灌木类植物篱带间坡耕地和植物篱带土壤砂粒含量显著，其带间坡耕地和植物篱带内平均土壤砂粒含量分别为45.56%和41.37%。乔木类、草本类和灌木类植物篱带间坡耕地土壤黏粒含量分别为6.71%，6.06%和7.42%，除与乔木类和灌木类植物篱带下土壤黏粒含量无显著差异外，均显著小于其对应的植物篱带内和带上土壤黏粒含量。

表1 不同植物篱系统内土壤颗粒分布及其分形维数

注：1)表中数据为平均±标准差；2)同种类同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

3种植物篱系统内土壤颗粒体积分形维数见表1。乔木类带间坡耕地土壤分形维数分别为2.38与植物篱带内土壤分形维数差异显著，而植物篱带内不同位置土壤分形维数无显著差异；草本类植物带间坡耕地土壤分形维数为2.36，与植物篱带不同位置土壤分形维数差异显著；灌木类植物篱带内和带上土壤分形维数均为2.42，与其带下和带间坡耕地土壤分形维数差异显著，其土壤分形维数分别为24.1和2.40。

3.2 土壤颗粒组成和土壤分形维数的关系

土壤分形维数与土壤颗粒组成的关系和模型见图1。

土壤分形维数与不同粒径级土壤颗粒含量具有显著的相关关系，土壤分形维数与土壤砂粒含量呈显著的负相关关系，而与土壤黏粒含量、粉粒含量极显著正相关。在极显著水平(P<0.01)，土壤分形维数与土壤砂粒、粉粒和黏粒的线性回归模型分别为：

y= -0.003x1+2.562；y=0.004x2+2.217；

y=0.023x3+2.222

式中：y——土壤分形维数；x1——土壤砂粒含量；x2——土壤粉粒含量；x3——土壤黏粒含量。

图1 土壤分形维数与土壤砂粒、粉粒和黏粒的相关关系

3.3土壤分形维数与土壤理化性质的关系

土壤分形维数与土壤物理性质和养分含量相关关系见表2和表3。土壤分形维数与土壤物理性质各指标的相关关系均达到了极显著水平。土壤分形维数与土壤孔隙度、土壤含水量和土壤饱和导水率为正相关关系，其相关系数分别为0.239，0.460和0.635，均大于r0.01(128)=0.230，即显著性水平P<0.01，而土壤容重与分形维数呈显著负相关关系；土壤分形维数与土壤有机质、土壤全氮、土壤有效氮、土壤全钾、土壤有效钾和阳离子交换量的相关系数为分别为0.420，0.501，0.318，0.501，0.262和0.554，其相关性水平P<0.01，土壤全磷和土壤分形维数的相关性在显著性水平为P<0.05时也显著相关，而土壤有效磷含量和土壤分形维数相关性不显著。

表2 土壤分形维数与土壤物理性质相关关系(n=128)

注：**P<0.01,*P<0.05；下同。

表3 土壤分形维数与土壤养分相关关系(n=128)

4 结论与讨论

植物篱系统内土壤颗粒分布和土壤颗粒体积分形维数在植物篱系统内不同位置具有一定的差异性，这种差异性主要表现为植物篱的拦截作用[14]，植物篱形成的生物梯局部影响着土壤侵蚀发生的强度和途径，从而影响径流泥沙在坡面的搬运—沉积过程[15-16]。土壤颗粒在坡面侵蚀的作用下，从植物篱带间坡耕地向下坡位移动，由于植物篱的物理拦截作用，土壤颗粒在植物篱带内和带前沉积、富集。而土壤细颗粒物质比粗颗粒物质在坡面径流的侵蚀作用下更容易流失[17]，因此，植物篱带间坡耕地土壤细颗粒物质减少，粗颗粒增加，而植物篱带土壤细颗粒物质富集，土壤黏粒含量增加。3种植物篱系统内土壤颗粒组成也存在一定的差异，灌木类植物篱带内土壤黏粒含量均高于乔木类和灌木类植物篱，这是由于灌木类植物篱密度大，植物篱带内近地表植物残体多，拦截土壤细颗粒的能力较强；乔木类植物篱主要以经济树种为主，其修剪的枝叶作为薪柴被输出植物篱系统，而草本类植物篱生物量较小，输入植物篱带内的植物残体量较少，因此拦截土壤细颗粒的能力较灌木类植物篱差。

土壤颗粒分形维数与不同粒径土壤的颗粒含量具有显著的相关性，即土壤分形维数与土壤砂粒、粉粒和黏粒含量显著相关[18-20]，而土壤黏粒含量和土壤分形维数的相关系数为最大，因此，决定土壤分形维数的最关键因素为土壤黏粒含量的高低，具体来说，土壤黏粒含量越高，土壤体积分形维数越大[21-23]。由于对于土壤细颗粒的拦截作用和不同植物篱对土壤颗粒拦截的能力不同，使3种植物篱系统内土壤颗粒组成在植物篱不同位置具有一定的差异性，从而导致了植物篱系统内不同位置土壤体积分形维数的变化。

土壤颗粒分布通常由不同粒级土壤，即土壤砂粒、粉粒和黏粒的重量百分含量确定[24]，它对土壤水分运动、土壤的养分的保持和土壤有机质的矿化具有重要意义[25-26]。植物篱的枯枝落叶提供的有机质，有利于土壤团聚体的形成，促使土壤形成良好的结构从而土壤容重减小，土壤入渗性能得到改善和提高[14，27]。此外土壤细颗粒物质在植物篱带内的增加有利于增加水土壤水分和土壤粒子的吸附力，土壤持水性能增强，阳离子交换量增大[28]。因此，在植物篱系统内土壤颗粒分形维数与土壤容重、孔隙度、土壤含水量和土壤饱和导水率具有显著的相关性。土壤颗粒分形维数与土壤有机质含量、土壤养分含量和阳离子交换量也具有显著的相关性，植物篱系统内植物篱带内土壤分形维数显著高于植物篱带间坡耕地，一方面是由于植物篱带内有机质的显著增加，植物篱枯枝落叶有利于植物篱系统内土壤有机质和土壤氮元素的增加[29]，并且土壤中的养分元素可以通过有机制的矿化得到释放而增加。另一方面是土壤细颗粒物质的在植物篱带内的富集，由于土壤细颗粒物质是氮、磷、钾等养分元素的主要载体[17，30-31]，土壤细颗粒物质的增加必然导致土壤养分含量的提高和土壤保肥能力的增强。因此，土壤的颗粒分形维数和土壤养分含量具有显著的相关性，土壤体积分形维数可以用来评价植物篱系统内土壤颗粒分布、土壤物理性质和土壤养分状况，但是土壤分形维数在多大程度上能反映土壤物理性质和土壤的养分状况还需进一步研究和探讨。

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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

国家科技支撑计划重点项目(2008BAD98B01-03);云南省教育厅科学研究基金项目(2014Y322)

黎建强(1982—),男,陕西陇县人,讲师,博士,主要研究水土保持与生态恢复。E-mail:JQ-Lee83125@hotmail.com

S152

：A

：1005-3409(2014)06-0129-05