武夷山国家公园不同土地利用类型土壤粒径分布与分形特征

苏丽鳗，赵玉佳，叶宏萌，甘娟，张康亮，苏垣钊，袁旭音

（武夷学院 生态与资源工程学院，福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300）

土壤颗粒是构成土壤固相骨架的基本单位，对土壤养分及理化性质产生不同程度的影响[1]。土壤粒径分布（particle size distribution，PSD）可以用来表述土壤颗粒的组成状况，是衡量土壤质量和物理性质指标之一[2]，它不仅可以反映土壤风化过程及土壤侵蚀程度[3]，还可以影响土壤的水分、肥力状况、结构特征以及植物的生长[4]。土地利用方式变化会引起土壤养分和团粒结构特性发生改变[5]，研究不同土地利用方式土壤粒径分布特征，对认识土壤侵蚀与土壤结构特征变化具有重要意义。

由于土壤颗粒形状不一，分布不规则，传统的质地分类描述方法难以表征土壤颗粒分布[2]。分形理论的提出及其在土壤物理学中的应用为土壤结构的非均匀特征研究提供新方法[3]。分形维数可以表征土壤粒径分布的差异和自相似性，并反映其粒径大小和分布的均匀程度[6]，一般来讲，分形维数越大，土壤中粘粉粒含量越高，质地越不均匀[7]。吴承祯等利用分形模型对不同经营模式土壤团粒特征进行分析，研究表明分形维数可以作为反映土壤肥力特征的潜在指标[8]。赵文智等分别研究了不同地区土地沙质荒漠化的分形特征，结果表明分形维数与各粒径颗粒的含量、土壤有机质和指示植物在群落中的重要值均显著相关，提出了分形维数可以表征土地沙质荒漠化的程度[9]。陈婧等利用分形维数对宁夏固原退化草地封育及条播种植柠条的土壤粒径分布进行分析，研究表明不同土地利用方式会对土壤结构稳定性产生影响[5]。陈宇轩等对沙地樟子松人工林的土壤粒径分布进行分析，土壤分形维数特征显示土壤颗粒分布与林龄存在着正相关关系[10]。因此，利用分形模型研究土壤粒径分布对于理解不同地区的生态格局以及评价土壤质量有着重要意义。

国家公园作为一种自然保护地，是具有多样化的生态服务功能的自然资本。武夷山国家公园自然环境多样，植被类型多样，地貌复杂，野生动物和水生生物资源丰富，是我国首批国家公园体制试点区域之一。该园区内保存有较完整的生态结构和生态过程，在水土保持、涵养水源、调节气候等生态效益方面发挥着巨大的作用。土壤粒径分布特征对植被的生长发育以及园区生态系统的稳定具有重要作用。武夷山国家公园植被覆盖率高，林地面积956.35 km2，占土地总面积的95.50%，茶叶产业是该地区重要的经济来源，茶园面积14.8 km2。运用分形理论，研究武夷山国家公园茶园和林地2种不同土地利用类型的土壤粒径分布特征，探究这2种土地利用类型土壤粒径及分形维数的变化规律，以期为武夷山国家公园土壤资源的保护利用提供参考。

1 研究区与方法

1.1 研究区概况

武夷山国家公园位于武夷山脉的北部，地理坐标为东经117°24′13″～117°59′19″，北纬27°31′20″～27°55′49″，总面积1 001.41 km2。武夷山国家公园属中亚热带季风气候型，具有气候垂直变化显著、温暖湿润、四季分明、降水丰富等特点，年均气温17～19℃，年均降水量1 684～1 780mm，年均相对湿度为78%。武夷山国家公园是现存最典型、面积最大、保存最完整的中亚热带原生性森林生态系统，分布有200 km2未受到人为破坏的原生性森林植被，是我国亚热带东部地区森林植被保存最完好的区域。

1.2 样品采集与分析

根据实地考察和研究任务的需要，样地选取林地、茶园2种不同土地利用类型，从中筛选出22个典型样地作为采样点，记录采样点的行政位置、经纬度、海拔及周边的环境特征等信息，其位置及地貌植被情况见表1。2021年4月，用五点采样法采集地表0～10 cm土壤，混合后装入自封袋，低温保存带回实验室，待自然风干，剔除样品中的砾石、枯木、杂草等杂质，研磨，过20目尼龙筛后进行相关指数测定。含水率采用烘干法测定；容重采用环刀法测量；土壤粒径使用Bettersize2600E型激光粒度分布仪进行测量，粒度分析的粒径范围：0.02～1 000μm。

表1 采样点基本信息Tab.1 Basic information of sampling points

1.3 分形维数计算

采用美国制土壤粒级标准进行土壤粒径分级[11]，具体分级见表2。

表2 土壤粒径分级Tab.2 Soil particle size classification μm

采用杨培岭等提出的土壤分形模型计算土壤颗粒分形维数D[12]。即：

式中：D为土壤粒径分形维数，δ为码尺，W0为土壤各粒级质量的总和，W为土壤粒径小于di的累积质量，为两相邻筛分级间粒径的平均值，为最大粒级土粒的平均直径。以为横坐标，为纵坐标作图，得到线性回归拟合方程，3-D为拟合的直线斜率，即可算出分形维数D值。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 26.0软件进行数据的统计和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒分布规律

由表3可知，整体上，武夷山国家公园土壤含水率在11.92%～48.86%之间，土壤容重在0.84～1.68 g/cm3之间，土壤颗粒组成主要以粉粒为主，质量分数为19.63%～75.49%，砂粒总质量分数为21.88%～74.23%，其中极细砂＞粗砂＞中砂＞细砂，粘粒质量分数为1.05%～8.90%。2种土地利用类型土壤颗粒组成存在着一定差异，茶园土壤粘粒、粉粒、砂粒平均质量分数分别为3.11%，57.07%和39.92%，主要以粉粒为主，粘粒质量分数最少。其砂粒的分布规律为极细砂＞中砂＞细砂＞粗砂。林地土壤粘粒、粉粒、砂粒平均质量分数分别为2.86%，44.50%和47.86%，粉粒和砂粒平均质量分数差别较小，砂粒略占优势，砂粒的分布规律为粗砂＞极细砂＞中砂＞细砂。与茶园土壤相比，林地土壤粉粒质量分数降低了22.02%，砂粒质量分数提高了19.89%。

表3 土壤颗粒粒径分布Tab.3 Soil particle size distribution

2.2 土壤粒径分形特征

由图1可知，整体上，研究区的土样的分形维数值分布范围在2.493～2.942之间，平均值为2.799。茶园土样的分形维数值分布范围在2.572～2.942之间，平均值为2.845，相比之下，林地土样的分形维数值更小一些，分布范围在2.493～2.940之间，平均值为2.744。计算分形维数的线性拟合方程的R2范围为0.786～0.997。

图1 茶园和林地土壤粒径分形维数Fig.1 Fractal dimension of soil particle size in tea garden and woodland

2.3 土壤基本性质指标间相关关系

由表4可知，含水率、容重、分形维数以及土壤各粒径质量分数间均存在一定的相关性。其中：分形维数与土壤粘粒质量分数、含水率均在P＜0.05水平上显著正相关，相关系数分别为0.425和0.436，与土壤粉粒质量分数在P＜0.01水平上显著正相关，相关系数为0.964，与土壤砂粒含量在P＜0.05水平上显著负相关，相关系数为0.939，分形维数与土壤粉粒质量分数相关性最大。含水率与土壤极细砂质量分数分别在P＜0.01水平上表现出显著正相关，相关系数为0.646，与土壤粉粒质量分数成正相关，但没达到显著水平，与土壤粗砂质量分数在P＜0.01水平上显著负相关，相关系数为0.543。土壤容重与土壤极细砂、含水率均在P＜0.01水平上显著负相关，相关系数分别为0.643和0.830。土壤粉粒质量分数与土壤中砂、粗砂在P＜0.01水平上显著负相关。

表4 土壤基本性质指标间的相关关系Tab.4 Correlation between basic property indicators of soil

3 讨论

武夷山国家公园表层土壤粉粒含量较高，其次是砂粒，粘粒含量较低。武夷山年降水量大，山体陡峭，但园区地表植被覆盖度高，从而减轻了水力对土壤的磨蚀作用，同时也有效阻拦了地表径流的输沙作用，使细粒物质遇阻沉降堆积。茶园和林地表层土颗粒组成存在一定差异，茶园土壤主要以粉粒为主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相当，砂粒略占优势。其原因可能与植被分布、海拔高度和人为干扰等因素有关。贺燕[13]和温绣娟[14]发现土壤砂粒含量随着海拔的升高而增大。刘均阳等[15]和Roering等[16]研究表明植被种类、植被密度和树龄等因素对土壤团聚体的稳定性的影响有很大的差异。植物根系可以通过物理、生物、电化学作用影响土壤团聚体形成和稳定[3]。在植物根系的压缩和缠绕的作用下，根际周围的土壤颗粒由小向大转变，并通过吸收土壤水分，降低土壤含水量，进一步增加土壤的稳定性。茶园和林地2种土地利用类型在植被种类、植被密度和树龄等因素上有较大的差异，茶园海拔比林地低，并且部分茶园为农田改造而来，地势平缓，地表径流速度较缓慢，小颗粒土壤易于沉积下来，使得茶园的粘粒和粉粒含量比林地高。

计算分形维数的线性拟合方程的R2范围为0.786～0.997，表明分形维数的线性拟合效果能较好的反映土壤粒径分布特征。有研究表明，质地粗的土壤分形维数范围为1.830～2.640，质地细的土壤分形维数范围为2.600～2.800[17]，研究区茶园D值处于2.572～2.942之间，林地D值处于2.493～2.940之间，表明茶园和林地的土壤质地均偏细，土壤结构良好。土壤分形维数最小值分布在林地的7号样地，该样地多以小灌木林为主，植被分布较稀疏，地表裸露，山体坡度大，经雨水冲刷，较小颗粒的土壤容易被冲走，造成水土流失。

对本研究而言，土壤粉粒含量与分形维数相关性最大（r=0.963，P＜0.01），因此，决定武夷山国家公园分形维数的最关键因素为土壤粉粒含量的高低，具体来说，土壤粉粒含量越高，土壤质量分形维数越大。土壤颗粒分布对土壤水分运动具有重意义[18]。一般来说，土壤细颗粒含量越高，分形维数越大，土壤水分和土壤粒子的吸附力越强，土壤持水性能就越好[19]。相关性分析可知，含水量与分形维数、土壤粉粒含量和极细砂含量具有正相关关系，这与高传友等[20]，黎建强等[18]研究结果一致。但含水量与土壤粉粒含量的正相关未达到显著水平，与极细砂含量的正相关达到显著水平，说明极细砂含量对研究区土壤含水率的影响较为显著。土壤容重是反映土壤透气性、保水能力、透水性能和土壤结构状况的基本物理属性[21]。土壤细颗粒含量越高，越有利于土壤形成良好的结构，土地越稀松，土壤容重减小[22]；反之，土壤越紧实、板结，土壤容重越大，土壤退化越显著。与高传友等[20]研究结果一样，土壤容重与土壤分形维数负相关但未达到显著水平，而土壤极细砂含量和含水率对研究区土壤容重的影响较为显著，这可能与研究区环境因子的复杂性有关。

4 结论

运用分形理论对武夷山国家公园茶园和林地土壤粒径分布特征进行研究。研究区茶园土壤主要以粉粒为主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相当，砂粒略占优势。茶园土壤分形维数比林地的高，土壤均匀性更高，但两者土壤质地均偏细，土壤结构较良好。对比分形维数与土壤各粒径含量相关性程度，土壤粉粒含量是土壤粒径非均匀分布及分形维数值变化的主要因素。粉粒含量可作为武夷山国家公园水土保持或生态修复效果的衡量指标。