水库消落带土壤颗粒组成分形及其空间分异特征

郑晓岚, 杨 玲, 宋 娇, 鲍玉海, 李进林, 贺秀斌

(1.中国科学院、水利部 成都山地灾害与环境研究所 山地表生过程与生态调控重点实验室,成都 610041; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331)

土壤颗粒组成直接影响土壤结构、土壤水力特性、土壤肥力状况和土壤侵蚀程度，是重要的土壤物理特性之一，了解区域土壤粒径分布特征，可为控制土壤侵蚀过程、探索土壤特性变化、恢复退化土地生态系统提供一定的科学依据[1-5]。定量研究土壤粒径分布特征是土壤、地质、农业、环境等学科领域研究的重要内容之一，分形理论作为土壤研究的一种有效工具，在土壤结构、土壤特性及土壤空间变异规律等方面得到广泛应用[6-13]。其中，土壤颗粒分形维数不仅能够表征土壤颗粒分布特征和土壤质地均匀程度，还可以反映土壤侵蚀程度，土壤颗粒分形维数影响因素的诸多研究表明，分形维数与土地利用方式、植被类型、母质特征等密切相关[3,14-19]。

大型水库消落带遭受周期性淹没—出露变化带来的极端干湿交替作用，其土地利用、植被、土壤特性在短期内发生较大变化，上述水土环境的变化和特殊的水动力条件可能导致消落带土壤表层颗粒的重新分布，进而引起土壤颗粒组成的空间变异[20-23]。目前利用土壤颗粒分形维数探讨陆地坡面土壤性状的研究较多[24-26]，但针对紫色土尤其是周期性淹水出露过程影响下的水库消落带土壤颗粒组成特征研究较少。因此，本文以三峡水库消落带紫色土为研究对象，探讨近10 a来周期性淹水作用下其土壤颗粒组成空间分异，探讨土壤颗粒体积分形维数与海拔高程、土层深度、颗粒体积含量间的相关性，为消落带土壤侵蚀过程机理研究和水土保持措施优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于三峡库区腹地重庆市忠县石宝镇库段(107°32′—108°14′E, 30°03′—30°35′N)，地势较为平坦，呈典型的丘陵地貌。属亚热带季风气候区，年均气温18.2℃，年均降水量1 172.1 mm，雨热同期，降雨多集中在5—9月[27]。区域内出露岩层为第四系残积土层及侏罗系中统沙溪庙组砂泥岩，主要土壤类型为紫色土，在中国土壤系统分类中属于正常新成土，为易蚀性土壤[28]。受人为清库和初期淹水的影响，消落带现有植被以一年生和多年生草本植物为主，主要为空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、狗牙根(Cynodondactylon)、双穗雀稗(Paspalumpaspaloides)、马唐(Digitariasanguinalis)和苍耳(Xanthiumsibiricum)等[27]。

1.2 土壤样品采集

2016年9月水库蓄水前在忠县石宝镇共和村库段选取生境类型相似的紫色土岸坡，布设样地采集土壤样品，样地内的土地利用类型在人为清库前为旱地，淹水后为以狗牙根为主的草地。为表征消落带不同海拔高程土壤所受库水压力、淹水时间和干湿循环幅度等明显的空间分异特点，本文以5 m为间隔，分别在150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m布设样地，每个海拔设置3个样地，采集上层(0—10 cm)和下层(10—20 cm)的土壤，其中以未淹水海拔高程180 m的土壤作为对照，样地概况见表1。每个样地用五点采样法采集1 kg左右土壤样品并混合均匀，带回实验室，挑去其中的石块和粗根等杂物，自然风干后经过研磨、过筛等前处理，用于室内测试分析。

表1 不同水位高程样地概况

1.3 样品测定与指标计算

土壤颗粒组成采用MasterSize 2000型激光粒度分析仪测定，根据美国制划分标准将土壤粒径分为以下7个级别，0～0.002，0.002～0.05，0.05～0.1，0.1～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm，其中砂粒为0.05～2 mm，粉粒为0.002～0.05 mm，黏粒为<0.002 mm。

土壤颗粒分形维数采用体积分形维数表示[29]，将以上7个粒径数据带入以下公式进行计算：

(1)

式中:r为土壤颗粒粒径(mm);R为某区间的代表粒径,通常用该区间上下限的算术平均值表示;V(r

公式(1)与杨培岭等[30]及Tyler等[31]所建立的质量分形维数计算公式在表达上类似，但不同的是此公式用体积代替质量，从而完美避开需做不同粒径具有相同密度的假设，使得此公式更加符合实际情况，所得结论更具说服力。

为方便计算时，两边需同时建立对数表达式，公式如下：

(2)

对公式(2)进行线性回归后，得到拟合的直线斜率，该斜率为公式中的3-D，从而求出D值。

2 结果与分析

2.1 不同海拔高程上的土壤颗粒组成

由图1可知，消落带各海拔高程土壤中粉粒含量均为最高，占土壤颗粒的72.6%～86.5%；其次是砂粒含量，含量最少的为黏粒，占比为2.13%～3.44%。土壤黏粒、粉粒和砂粒含量在不同海拔高程上均有显著差异(p<0.01)。总的来看，粉粒含量与海拔高程呈正相关关系，随着海拔高程的增加，土壤粉粒含量逐渐增大，其中150～165 m区间增长速度较快，之后增长速度减缓；而砂粒含量与海拔高程呈负相关关系，随着海拔梯度的增加，土壤砂粒含量逐渐减小，减小速度先快后慢，其中175 m高程土壤砂粒含量为150 m高程土壤砂粒含量的41.3%。黏粒含量与海拔梯度的关系由图1可看出，在150～165 m区间上，随着海拔高程的增加，黏粒含量逐渐增加，但增长幅度较小，在165 m黏粒含量达到最高后增长停滞，随后黏粒含量趋于平稳，变动较小。中值粒径介于10.6～20.36，并与海拔高程呈负相关关系，随着海拔的增大，中值粒径不断减小。

图1 不同高程土壤各颗粒体积含量分布特征

未淹水对照样地(海拔180 m)粉粒含量占比最大，占比为88.18%；黏粒含量占比最小，为3.65%；相较于消落带土壤，180 m高程对照样地土壤粉粒、黏粒含量均达到最大，分别增加5.76%～35.10%和1.89%～17.62%；而砂粒含量达到最小，相较于消落带土壤减少26.38%～205.95%。同时，海拔180 m中值粒径最小，为10.6。

2.2 不同土层间的土壤颗粒组成

土壤颗粒体积含量在土层间无显著差异(p>0.01)，但同一海拔高程内，0—10 cm黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土层；0—10 cm土层砂粒含量大于10—20 cm土层(图2)。从黏粒含量来看，0—10 cm和10—20 cm土层土壤黏粒含量均在165 m处达到最大，分别为3.52%与3.61%，最小值分别出现在海拔150 m与155 m处，与最大值分别相差58.68%与32.01%。从粉粒含量来看，两层土壤粉粒含量均在175 m达到最大，分别为86.17%与86.87%，最小值出现在海拔150 m与160 m处，与最大值分别差22.85%与11.57%。与黏粒、粉粒含量相反，0—10 cm和10—20 cm土层土壤砂粒含量最大值均出现在低海拔区域，分别在海拔150 m(32.06%)与155 m(19.93%)处，而最小含量均出现在海拔175 m处，与最大含量分别相差72.43%与62.40%。对照组180 m两层土壤颗粒变化规律与其他高程一致，0—10 cm土层的黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土层的黏粒、粉粒含量，而0—10 cm土层的砂粒含量大于10—20 cm土层的砂粒含量。

图2 0-10 cm，10-20 cm土层土壤各颗粒体积含量分布特征

2.3 土壤体积分形维数空间分布特征

土壤体积分形维数在不同海拔高程上具有显著差异(p=0.008<0.01)，其中150 m与155 m海拔土壤体积分形维数最小，均为2.50；160～175 m体积分形维数次之，介于2.54～2.58；180 m对照样地土壤体积分形维数最大，为2.59。海拔高程与土壤体积分形维数的线性回归关系表明(图3)，土壤颗粒体积分形维数与海拔高程呈正相关关系，随高程增加，土壤颗粒体积分形维数呈线性上升趋势，其中R2为0.74。

图3 不同高程土壤颗粒体积分形维数

0—10 cm土层土壤颗粒体积分形维数的最小值、最大值、均值分别为2.45，2.58，2.54，均小于10—20 cm土层土壤(分别为2.51，2.60，2.56)，上下两层土壤颗粒体积分形维数的变异系数分别为1.90，1.02，均属于弱变异性，离散程度较低。可见，土壤体积分形维数在不同土层上无显著性差异(p=0.212>0.01)，即土层深度对土壤体积分形维数的影响不显著。

2.4 体积分形维数与土壤颗粒体积分数的关系

土壤颗粒体积分数与体积分形维数的线性关系见图4，结果表明，黏粒体积分数与体积分形维数呈显著正相关(p<0.01)，即随着黏粒体积分数的增加，土壤颗粒体积分形维数增大；粉粒体积分数与体积分形维数呈正相关，且正相关性极显著(p<0.01)。而砂粒与体积分形维数呈显著负相关(p<0.01)，即随着砂粒含量增大，体积分形维数减小。在相关性强度上，黏粒与体积分形维数的线性相关性最强(R2=0.96)，即体积分形维数对黏粒含量的变化最敏感，其次是砂粒(R2=0.78)，粉粒与体积分形维数的线性相关性最弱(R2=0.73)。

图4 各颗粒体积分数与体积分形维数的关系

3 讨 论

消落带环境的特殊性不利于保持土壤结构的稳定性，土壤颗粒组成存在明显的空间分异，总体来看，三峡水库消落带土壤颗粒组成分形维数随海拔升高而增大，最大值出现在165 m处(图3)，表明此海拔的土壤侵蚀程度较其他海拔更低。研究表明消落带土壤侵蚀速率的波动模式与特定水位停留时间的波动模式一致，且最低和最高海拔附近的停留时间明显长于其他海拔[32]，侵蚀强度也高于其他海拔，因此165 m高程上的土壤侵蚀程度较其他海拔的土壤侵蚀更小，与本研究结论相似。同时，本研究发现，体积分形维数在各海拔区间的大小依次为：160～165 m海拔区间、170～175 m海拔区间、150～155 m海拔区间，即160～165 m海拔区间上土壤黏粒、粉粒含量最多，出现这种规律的原因可能与消落带上复合侵蚀营力下发生的搬运—沉积过程有关。消落带上部(170～175 m)主要以降雨径流侵蚀为主，其表层土壤的细小颗粒在降雨冲刷过程中被水流搬运，逐渐在消落带中部(160～165 m)沉积，使得粘、粉粒含量在消落带中部增多而在消落带上部减少；同时，消落带下部(150～155 m)淹水时间相对较长、淹水频率较高，土壤所受水位变动的影响较大，加之强烈的波浪侵蚀，易发生土壤侵蚀，导致表层细颗粒被水冲刷，随水流迁移至下游地区后逐渐沉积，导致消落带土壤颗粒组成的空间变异。

研究表明，土壤体积分形维数一定程度上可以反映水土流失的程度[33]，体积分形维数越小就越易发生水土流失。消落带样地周边区域的相关研究表明[34]，忠县石宝镇紫色土坡耕地表层0—20 cm土壤体积分形维数介于2.64～2.66，均高于本研究中消落带草地表层土壤体积分形维数，同时本次研究中未淹水区(180 m)土壤颗粒的体积分形维数大于消落带内部区域，因此可以表明消落带比周围地区更易发生水土流失，相关研究发现消落带内土壤侵蚀模数高于周围环境16倍[35]，水土流失程度更高，与本次研究结论相似。造成这种差异的原因可能是水库消落带与陆地环境不同，经历反复淹水过程，使得消落带原有植被消亡或减少，逐渐由多年生植被转为一年生植被，植被固土能力减弱，土壤抗侵蚀性能降低，且在周期性淹水—落干过程中受到多营力复合侵蚀[35]、坡面泥沙输移等过程的影响，造成土壤细颗粒和营养物质大量流失，砂粒含量增多，土壤体积分形维数减小。而研究区域三峡水库消落带属于河谷气候，在暴雨和高温的作用下，土体含水量易发生饱和—不饱和—饱和的快速变化，且反复淹水改变土壤理化性质，土壤黏聚力和抗剪强度下降[36]；淹没期的波浪侵蚀、落干期的降雨径流，以及由重力或机械力控制的堤岸坍塌等不同类型的侵蚀共同作用，易造成消落带水土流失程度较其他地区更高[37]。

土壤颗粒组成分形特征可反映土壤质地均匀程度和土壤侵蚀程度，且因土地利用类型或方式的不同而异，比如，林地、草地等非耕作土壤的体积分形维数分别为2.783，2.894，低于坡耕地(2.963)等耕作土壤[16]，表明林地的土壤结构更好，主要原因为林地、草地根系发育较好，具有较好的群落结构，丰富的根系不仅有良好的固土作用，同时大量的凋落物也为微生物的生长提供养分使其分泌大量物质，促进土壤颗粒间的粘结，提高土壤结构的稳定性。而坡耕地由于长期的人为耕作导致土壤结构和植物根系遭受破坏，同时由于周期性的翻耕使得根系难以在短时间恢复，造成有机质对土壤颗粒的粘结作用不明显，因此坡耕地土壤以细颗粒为主。

4 结 论

(1)消落带表层0—20 cm土壤粒径以粉粒为主，占土壤颗粒的72.6%～86.5%，其次是砂粒含量，最小的为黏粒含量；对照组180 m海拔高程上，粉粒含量占比最大，占比为88.18%；黏粒含量占比最小，为3.65%，相较于其他高程，180 m海拔高程粉粒、黏粒含量分别增加5.76%～35.1%和1.89%～17.62%，砂粒含量减少26.38%～205.95%；同时180 m内部土壤颗粒占比差异较大，粗化情况明显。

(2)消落带土壤颗粒组成在海拔上的变化趋势为黏粒含量、粉粒含量与海拔梯度呈正比关系(黏粒增长幅度较小)，砂粒含量与海拔梯度大体呈反比关系，其中175 m高程土壤砂粒含量为150 m高程土壤砂粒含量的41.3%；同时，土壤颗粒组成在不同海拔高程存在较大差异(p<0.01)，但在土层深度上无显著差异(p>0.01)。

(3)海拔高程、土层深度与土壤体积分形维数的关系为：土壤颗粒体积分形维数在不同海拔高程具有明显异质性，且与海拔高程呈正相关，总变化趋势为随着高程增加，土壤颗粒体积分形维数呈线性上升趋势(R2=0.74)；不同土层之间具有弱变异性(Cv<2)，土层深度对体积分形维数的影响不显著(p>0.05)。

(4)土壤颗粒体积分形维数与黏粒、粉粒含量的关系均呈显著正相关(p<0.01)，即随着黏粒、粉粒含量的增加，土壤颗粒体积分形维数呈线性增长趋势，而体积分形维数与砂粒含量呈显著负相关；在相关性强度上，黏粒与体积分形维数的线性相关性最强，其次是砂粒，相关性最弱的为粉粒。