郭士維，鐘 斌，許文年，，夏 露，郭 婷，陳 敏，夏 棟，?

(1.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，443002，湖北宜昌；2.福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，350700，福州；3.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)), 443002, 湖北宜昌；4.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，443002，湖北宜昌)

土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件[1]、風(fēng)化程度等因素的不同，都會(huì)影響土壤粒徑分布及土壤有機(jī)質(zhì)含量[2-3]，從而直接影響土壤侵蝕與土地退化[4-5]。同時(shí)隨著分形理論[6-7]被引入土壤學(xué)中應(yīng)用，分形理論開始逐步應(yīng)用于有關(guān)土壤粒徑分布特征及其相關(guān)性的研究。起初單重分形被用于表征土壤粒徑分布特征， 但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)單重分形只能對土壤進(jìn)行整體性的描述，無法對細(xì)致的顆粒分形進(jìn)行描述。目前，分形理論方法已經(jīng)成為描述土壤粒徑分布的重要手段。目前，黃土丘陵區(qū)、干旱區(qū)和半干旱區(qū)土壤粒徑分形相關(guān)研究[8]表明分形維數(shù)與土壤顆粒組成可能存在相關(guān)性，但是隨著研究區(qū)域的不同，分形維數(shù)與土壤顆粒的關(guān)系也不盡相同。

小流域作為評價(jià)水域匯流過程和泥沙輸出時(shí)的基本單元，也是面臨污染的重點(diǎn)監(jiān)測對象[9]。近年來，眾多學(xué)者探討小流域內(nèi)不同土地利用方式對土壤理化特性的影響[9-12]。研究結(jié)果均表明，小流域內(nèi)不同的土地利用方式會(huì)對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生不同影響。但以小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域的土壤粒徑分布分析[11-12]，多處于黃土高原地區(qū)，且根據(jù)不同的土壤質(zhì)地展開的研究結(jié)論不盡相同。下牢溪位于三峽大壩和葛洲壩之間，其地理位置十分獨(dú)特，不同土地利用方式會(huì)影響土壤泥沙及養(yǎng)分的流失，從而對葛洲壩庫區(qū)甚至長江的水質(zhì)產(chǎn)生影響。筆者采用單重分形和多重分形對下牢溪小流域內(nèi)典型的土地利用方式下粉壤土進(jìn)行粒徑分形及其與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性分析，描述不同土地利用方式對土壤粒徑及有機(jī)質(zhì)之間的影響，從而探究適合小流域內(nèi)水土保持的利用方式。以期為小流域生態(tài)建設(shè)提供一定的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

下牢溪位于長江北岸，屬于長江上、中游分界線處的小型一級支流，干流發(fā)源于黃花鎮(zhèn)，匯入長江葛洲壩庫區(qū)，平均海拔855 m，全長26.7 km，流域面積137.2 km2，多年平均降雨量1 164.1 mm，流域內(nèi)土壤質(zhì)地以粉壤土和黏壤土為主。研究區(qū)地貌獨(dú)特，具有鄂西地區(qū)流域內(nèi)的典型特征，以沉積巖建造為主，主要為碳酸鹽巖，溶蝕強(qiáng)烈，以深切峽谷為主，坡陡谷深。該流域?qū)儆谖覈髂峡λ固氐貐^(qū)東端，地層出露以及碎石坡地廣布導(dǎo)致耕地資源緊缺，典型的土地利用方式為天然原始林地、飛機(jī)撒播的人工柏樹林和旱地農(nóng)業(yè)，主要沿河道分布(圖1)，旱地農(nóng)業(yè)90%以上屬于石坎梯田。作物以玉米、紅薯、土豆、油菜為主，并且近年來伴隨鄉(xiāng)村旅游業(yè)發(fā)展，荒廢農(nóng)田占比正逐年上升。同時(shí)經(jīng)歷多年的流域治理和森林撫育，沿河道兩側(cè)分布有石坎梯田的人工林，以白楊為主。

圖1 采樣點(diǎn)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of sampling points

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與制備

2019年11月，通過前期對下牢溪小流域的調(diào)查，流域內(nèi)主要的土地利用為林地和農(nóng)田，針對林地和農(nóng)田分別各自選擇研究區(qū)內(nèi)最常見的3種典型土地利用方式，共計(jì)6種土地利用方式；所有樣地的位置需位于下牢溪河岸的兩側(cè)；撂荒農(nóng)田則應(yīng)撂荒至少3 a以上，蔬菜地和石坎農(nóng)田耕作物種應(yīng)為小流域內(nèi)主要作物：例如玉米、紅薯；林地樣地的選取除石坎人工林外，由于小流域內(nèi)地形原因，所選取的林地樣地還應(yīng)具有一定的坡度，所選擇樣地內(nèi)物種豐富度高，且樣地覆蓋區(qū)域大，便于設(shè)置樣方及采樣。針對符合上述條件的樣地優(yōu)先選擇土地利用方式保持年限最久的樣地為研究對象；針對田地設(shè)置1 m×1 m的樣地，林地設(shè)置10 m×10 m的樣地，各設(shè)置3個(gè)為重復(fù)，共18個(gè)樣地，采集土樣(表1)。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of the study sites

2.2 測試方法

2.2.1 土壤理化性質(zhì)測定 用電導(dǎo)儀測定土壤的pH；采用重鉻酸鉀-外加熱氧化法測定土壤有機(jī)質(zhì)；采用鋁盒烘干差減法測定土壤含水率；采用環(huán)刀法測試土壤密度。

2.2.2 土壤顆粒組成測定 采用激光粒度分析儀(TopSizer)測定土壤粒徑分布(particle size distribution，PSD)，稱取0.5 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣置于燒杯中，加10 mL 10%的H2O2溶液用來去除土壤中的有機(jī)質(zhì)，待反應(yīng)完全后；向燒杯中加入10 mL的10%HCl溶液去除碳酸鈣。注滿蒸餾水并靜置12 h后抽出上清液，加10 mL 0.06 mol/L六偏磷酸鈉溶液分散土粒，超聲震蕩15 min后用激光粒度儀測得土壤粒徑體積分?jǐn)?shù)[8]。

2.2.3 土壤PSD單重分形維數(shù)計(jì)算 測定過后的土壤PSD分布范圍根據(jù)美國制土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)將土壤粒徑分為7個(gè)級別，采用土壤顆粒體積分形模型，計(jì)算土壤PSD的單重分形維數(shù)(Dv)[6]。

2.2.4 土壤PSD多重分形維數(shù)計(jì)算 將激光粒度分析儀測量土壤粒徑范圍(0.02～2 000 μm)區(qū)間劃分成100個(gè)區(qū)間，計(jì)算土壤PSD多重分形維數(shù)；在q(-10～10)的范圍內(nèi)以1為步長，利用q-Dq譜函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到廣義分形維譜圖。當(dāng)q取0、1、2時(shí)，得到相應(yīng)的D值分別為容量維數(shù)D0、信息熵維數(shù)D1、關(guān)聯(lián)維數(shù)D2。具體計(jì)算方式見參考文獻(xiàn)[7]、[8]和[13]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

筆者采用SPSS對不同土地利用方式下土壤的各項(xiàng)理化性質(zhì)進(jìn)行了單因素方差分析，用Excel處理數(shù)據(jù)并制圖，表格中的數(shù)據(jù)為3組重復(fù)數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式下土壤基本性質(zhì)

不同土地利用方式有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為24.16～91.08 g/kg。表現(xiàn)為NP>AP>AF>SP>VF>SF。林地(NP、AP)土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高其他土地利用方式(P<0.05)，SP、VF、SF之間的差異性不顯著(P>0.05)(表2)?？傮w上林地土壤的pH和土壤密度低于農(nóng)用土地；含水率高于農(nóng)用土地。由于不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)分布不均勻，尤其是撂荒農(nóng)田因長期撂荒，田中有灌木生長，且其生長地點(diǎn)隨機(jī)，盡管樣品采取過程中采用五點(diǎn)取樣法并且混合測定的，但不同重復(fù)間仍有差距從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差過高。

表2 不同土地利用下土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physical and chemical properties of different land use

3.2 土壤PSD及單重分形特征

表3按美國制土壤質(zhì)地粒級分類標(biāo)準(zhǔn)[14]分析，粉粒(78.18%～89.03%)為不同土地利用方式下的土壤主要組成成分，土壤質(zhì)地為粉壤土。如圖2所示，6種土地利用方式下土壤PSD分布高峰區(qū)集中在粒徑為0.002～0.02 mm范圍內(nèi)；但林地在0.2 mm附近有明顯的波峰出現(xiàn)。不同土地利用方式下土壤顆粒分形參數(shù)Dv值范圍為2.590～2.719；總體上農(nóng)用土地大于林地且差異顯著(P<0.05)。表明林地較農(nóng)用土地相比土壤粗?；医Y(jié)構(gòu)松散[6,15]。

圖2 不同土地利用方式土壤粒徑分布圖Fig.2 Soil particle size distribution map of different land use types

表3 不同土地利用方式土壤顆粒組成及單重分形維數(shù)Tab.3 Soil particle composition and single fractal dimension Dv of different land use types

3.3 多重分形

廣義維普曲線Dq～q用來描述土壤顆粒分形結(jié)構(gòu)的均勻度及復(fù)雜情況[16]。隨著q值的增大，廣義維數(shù)Dq通常會(huì)呈現(xiàn)反“S”的遞減趨勢。q<0時(shí)的Dq反映土壤PSD分形結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，q>0時(shí)的Dq反映PSD整體的非均勻程度，其變化幅度(D-10～D0值)越大，表征該土壤分形結(jié)構(gòu)越精細(xì)或越復(fù)雜，土壤PSD越不均勻[12]。

不同土地利用方式下，q<0時(shí)，Dq的變化幅度為NP0時(shí)，Dq的變化幅度為AP ≈ NP

圖3 不同土地利用方式土壤粒徑分布廣義分形維數(shù)DqFig.3 Generalized dimension spectra Dq of soil particle size distribution under different land use types

D0、D1、D2分別表征PSD整體的基本性質(zhì)、局域的集中程度及離散程度，隨著D0數(shù)值的增大土壤的顆粒缺失的粒徑數(shù)目增多；隨著D1、D2數(shù)值減小，表示PSD測定的局域分布的粒徑范圍相對較窄、不同局域分布的差別大，離散性小，土壤PSD不均勻。從表4看出，3種林地下土壤D0、D1、D2均高于3種農(nóng)用土地，表明農(nóng)用土地土壤缺失粒徑范圍大，土壤PSD分布均勻度降低，離散性大。

3.4 土壤PSD、分形維數(shù)及有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析

通過表5看出土壤中有機(jī)質(zhì)的含量與Dv呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)，與黏粒呈負(fù)相關(guān)，與砂粒呈正相關(guān)(P<0.05)；Dv與黏粒呈極顯著正相關(guān)、與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)，與粉粒呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這表明Dv降低的原因可能是因?yàn)橥寥乐猩傲ｓw積分?jǐn)?shù)過高且黏粒、粉粒體積分?jǐn)?shù)低，這與表3所得結(jié)論一致；土壤PSD分形維數(shù)與土壤顆粒粒徑間的相關(guān)性表現(xiàn)為：黏粒體積分?jǐn)?shù)與D0、D1呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與D2呈負(fù)相關(guān)但不顯著，粉粒與D0、D1、D2呈極顯著負(fù)相關(guān)，砂粒與D0、D1、D2呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)。綜上，Dv可以很好地表征土壤顆粒的粗細(xì)，卻不能完全的反映土壤PSD分布均勻的程度。

表5 土壤PSD分形維數(shù)與土壤顆粒組成及土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between soil PSD fractal dimension, soil particle composition and soil physical and chemical properties

4 討論

本研究表明：土壤PSD的單重分形維數(shù)可以反映土壤顆粒粗細(xì)程度，但不能很好地反映土壤均勻程度，廣義分形維數(shù)可反映出土壤的均勻度。林地(天然林、人工柏樹林、石坎人工林)較農(nóng)用土地(撂荒農(nóng)田、蔬菜地、石坎農(nóng)田)土壤顆粒質(zhì)地較粗，土壤PSD均勻度較高；農(nóng)用土地土壤中大顆粒(砂粒)的流失是土壤質(zhì)地均勻度降低離散性大的重要原因。由于小流域內(nèi)降雨及其形成沖刷現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致坡面水土流失，并且林地(天然林、人工柏樹林)多位于較陡的坡面上(坡度見表1)，有研究證明隨著侵蝕程度的增加，較細(xì)的顆粒會(huì)被保留在緩坡上，而較粗的顆粒會(huì)被保留在陡坡上[17]，農(nóng)用方式多采用石坎以及梯田的方式，改變了耕作土地的坡度，減小了小顆粒的流失；并且耕作和施肥這些人類活動(dòng)也將導(dǎo)致粗糙的土壤顆粒粉碎成細(xì)顆粒[18]。而林地由于根系穿插增強(qiáng)通透性，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)體形成，而且根系分泌物質(zhì)增加了顆粒間的膠結(jié)作用，對細(xì)粒物質(zhì)粘結(jié)作用更大，從而利于大顆粒的形成[19]。

有研究[20]證明Dv的大小與土壤黏粒、粉粒含量呈正相關(guān)，與砂粒呈負(fù)相關(guān)；這與筆者得出的結(jié)果是相同的，表明Dv可以很好地反映土壤顆粒的粗細(xì)程度，即使是不同質(zhì)地的土壤；已有研究證明D0、D1、D2與土壤顆粒組成具有一定的相關(guān)性，然而不同的研究結(jié)果不同；本研究結(jié)果認(rèn)為黏粒體積分?jǐn)?shù)與D0、D1呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與D2呈負(fù)相關(guān)但不顯著，粉粒與D0、D1、D2呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，砂粒與D0、D1、D2呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。由于不同研究區(qū)域土壤質(zhì)地及土壤缺失粒徑不同，當(dāng)土壤缺失粒徑主要為小顆粒時(shí)，土壤的均勻性則與小顆粒相關(guān)性更強(qiáng)，本文中不同土地利用方式下粉壤土缺失粒徑主要為大顆粒，所以導(dǎo)致土壤均勻性降低的原因主要是大顆粒的缺失。

林地所受到人為干擾較少且土壤表層凋落物及土壤中腐殖質(zhì)含量豐富[10,19]，導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)含量較高。本研究結(jié)果為有機(jī)質(zhì)與黏粒體積分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與砂粒呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與D1呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與D2呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。與之前的研究[21]相反，但有研究表明在長江典型流域，總磷的含量與粉粒和黏粒含量呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與砂粒呈正相關(guān)(P<0.05)，并且其樣地中農(nóng)田的黏粒、粉粒的含量要高于林地[17]。這表明由于地理位置及土壤質(zhì)地差異得出的結(jié)論可能會(huì)存在差異；例如高頻率的降水和容易風(fēng)化形成砂粒或黏粒的母質(zhì)的存在對D1的值產(chǎn)生了強(qiáng)烈的負(fù)面影響，以及不同土壤質(zhì)地影響其PSD分布范圍的主要粒徑不同，從而導(dǎo)致其與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性不盡相同[22]。關(guān)于有機(jī)質(zhì)與土壤粒徑分布的相關(guān)性應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)地的不同而區(qū)分。而不同土壤質(zhì)地與有機(jī)質(zhì)能否有一個(gè)新的模型來描述還有待展開大量的研究。

5 結(jié)論

在下牢溪小流域內(nèi)，林地有利于粉壤土中有機(jī)質(zhì)含量的提高以及土壤大顆粒的積累，從而提高土壤PSD均勻度。

單重分形維數(shù)與土壤顆粒相關(guān)性往往不受土壤質(zhì)地影響，而多重分形維數(shù)往往會(huì)由于土壤質(zhì)地不同或缺失粒徑不同而與土壤顆粒相關(guān)性不同；但即使是不同的質(zhì)地，多重分形也能很好地反映出土壤PSD的均勻度。