蘇麗鰻，趙玉佳，葉宏萌，甘娟，張康亮，蘇垣釗，袁旭音

（武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300）

土壤顆粒是構(gòu)成土壤固相骨架的基本單位，對(duì)土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響[1]。土壤粒徑分布（particle size distribution，PSD）可以用來(lái)表述土壤顆粒的組成狀況，是衡量土壤質(zhì)量和物理性質(zhì)指標(biāo)之一[2]，它不僅可以反映土壤風(fēng)化過(guò)程及土壤侵蝕程度[3]，還可以影響土壤的水分、肥力狀況、結(jié)構(gòu)特征以及植物的生長(zhǎng)[4]。土地利用方式變化會(huì)引起土壤養(yǎng)分和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變[5]，研究不同土地利用方式土壤粒徑分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)土壤侵蝕與土壤結(jié)構(gòu)特征變化具有重要意義。

由于土壤顆粒形狀不一，分布不規(guī)則，傳統(tǒng)的質(zhì)地分類描述方法難以表征土壤顆粒分布[2]。分形理論的提出及其在土壤物理學(xué)中的應(yīng)用為土壤結(jié)構(gòu)的非均勻特征研究提供新方法[3]。分形維數(shù)可以表征土壤粒徑分布的差異和自相似性，并反映其粒徑大小和分布的均勻程度[6]，一般來(lái)講，分形維數(shù)越大，土壤中粘粉粒含量越高，質(zhì)地越不均勻[7]。吳承禎等利用分形模型對(duì)不同經(jīng)營(yíng)模式土壤團(tuán)粒特征進(jìn)行分析，研究表明分形維數(shù)可以作為反映土壤肥力特征的潛在指標(biāo)[8]。趙文智等分別研究了不同地區(qū)土地沙質(zhì)荒漠化的分形特征，結(jié)果表明分形維數(shù)與各粒徑顆粒的含量、土壤有機(jī)質(zhì)和指示植物在群落中的重要值均顯著相關(guān)，提出了分形維數(shù)可以表征土地沙質(zhì)荒漠化的程度[9]。陳婧等利用分形維數(shù)對(duì)寧夏固原退化草地封育及條播種植檸條的土壤粒徑分布進(jìn)行分析，研究表明不同土地利用方式會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[5]。陳宇軒等對(duì)沙地樟子松人工林的土壤粒徑分布進(jìn)行分析，土壤分形維數(shù)特征顯示土壤顆粒分布與林齡存在著正相關(guān)關(guān)系[10]。因此，利用分形模型研究土壤粒徑分布對(duì)于理解不同地區(qū)的生態(tài)格局以及評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量有著重要意義。

國(guó)家公園作為一種自然保護(hù)地，是具有多樣化的生態(tài)服務(wù)功能的自然資本。武夷山國(guó)家公園自然環(huán)境多樣，植被類型多樣，地貌復(fù)雜，野生動(dòng)物和水生生物資源豐富，是我國(guó)首批國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)域之一。該園區(qū)內(nèi)保存有較完整的生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程，在水土保持、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)效益方面發(fā)揮著巨大的作用。土壤粒徑分布特征對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)育以及園區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。武夷山國(guó)家公園植被覆蓋率高，林地面積956.35 km2，占土地總面積的95.50%，茶葉產(chǎn)業(yè)是該地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源，茶園面積14.8 km2。運(yùn)用分形理論，研究武夷山國(guó)家公園茶園和林地2種不同土地利用類型的土壤粒徑分布特征，探究這2種土地利用類型土壤粒徑及分形維數(shù)的變化規(guī)律，以期為武夷山國(guó)家公園土壤資源的保護(hù)利用提供參考。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

武夷山國(guó)家公園位于武夷山脈的北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°24′13″～117°59′19″，北緯27°31′20″～27°55′49″，總面積1 001.41 km2。武夷山國(guó)家公園屬中亞熱帶季風(fēng)氣候型，具有氣候垂直變化顯著、溫暖濕潤(rùn)、四季分明、降水豐富等特點(diǎn)，年均氣溫17～19℃，年均降水量1 684～1 780mm，年均相對(duì)濕度為78%。武夷山國(guó)家公園是現(xiàn)存最典型、面積最大、保存最完整的中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，分布有200 km2未受到人為破壞的原生性森林植被，是我國(guó)亞熱帶東部地區(qū)森林植被保存最完好的區(qū)域。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)實(shí)地考察和研究任務(wù)的需要，樣地選取林地、茶園2種不同土地利用類型，從中篩選出22個(gè)典型樣地作為采樣點(diǎn)，記錄采樣點(diǎn)的行政位置、經(jīng)緯度、海拔及周邊的環(huán)境特征等信息，其位置及地貌植被情況見(jiàn)表1。2021年4月，用五點(diǎn)采樣法采集地表0～10 cm土壤，混合后裝入自封袋，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，待自然風(fēng)干，剔除樣品中的礫石、枯木、雜草等雜質(zhì)，研磨，過(guò)20目尼龍篩后進(jìn)行相關(guān)指數(shù)測(cè)定。含水率采用烘干法測(cè)定；容重采用環(huán)刀法測(cè)量；土壤粒徑使用Bettersize2600E型激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)量，粒度分析的粒徑范圍：0.02～1 000μm。

表1 采樣點(diǎn)基本信息Tab.1 Basic information of sampling points

1.3 分形維數(shù)計(jì)算

采用美國(guó)制土壤粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤粒徑分級(jí)[11]，具體分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 土壤粒徑分級(jí)Tab.2 Soil particle size classification μm

采用楊培嶺等提出的土壤分形模型計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)D[12]。即：

式中：D為土壤粒徑分形維數(shù)，δ為碼尺，W0為土壤各粒級(jí)質(zhì)量的總和，W為土壤粒徑小于di的累積質(zhì)量，為兩相鄰篩分級(jí)間粒徑的平均值，為最大粒級(jí)土粒的平均直徑。以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)作圖，得到線性回歸擬合方程，3-D為擬合的直線斜率，即可算出分形維數(shù)D值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒分布規(guī)律

由表3可知，整體上，武夷山國(guó)家公園土壤含水率在11.92%～48.86%之間，土壤容重在0.84～1.68 g/cm3之間，土壤顆粒組成主要以粉粒為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.63%～75.49%，砂?？傎|(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.88%～74.23%，其中極細(xì)砂＞粗砂＞中砂＞細(xì)砂，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.05%～8.90%。2種土地利用類型土壤顆粒組成存在著一定差異，茶園土壤粘粒、粉粒、砂粒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.11%，57.07%和39.92%，主要以粉粒為主，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少。其砂粒的分布規(guī)律為極細(xì)砂＞中砂＞細(xì)砂＞粗砂。林地土壤粘粒、粉粒、砂粒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.86%，44.50%和47.86%，粉粒和砂粒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別較小，砂粒略占優(yōu)勢(shì)，砂粒的分布規(guī)律為粗砂＞極細(xì)砂＞中砂＞細(xì)砂。與茶園土壤相比，林地土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了22.02%，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了19.89%。

表3 土壤顆粒粒徑分布Tab.3 Soil particle size distribution

2.2 土壤粒徑分形特征

由圖1可知，整體上，研究區(qū)的土樣的分形維數(shù)值分布范圍在2.493～2.942之間，平均值為2.799。茶園土樣的分形維數(shù)值分布范圍在2.572～2.942之間，平均值為2.845，相比之下，林地土樣的分形維數(shù)值更小一些，分布范圍在2.493～2.940之間，平均值為2.744。計(jì)算分形維數(shù)的線性擬合方程的R2范圍為0.786～0.997。

圖1 茶園和林地土壤粒徑分形維數(shù)Fig.1 Fractal dimension of soil particle size in tea garden and woodland

2.3 土壤基本性質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系

由表4可知，含水率、容重、分形維數(shù)以及土壤各粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)間均存在一定的相關(guān)性。其中：分形維數(shù)與土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率均在P＜0.05水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.425和0.436，與土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在P＜0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.964，與土壤砂粒含量在P＜0.05水平上顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.939，分形維數(shù)與土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性最大。含水率與土壤極細(xì)砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在P＜0.01水平上表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.646，與土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)，但沒(méi)達(dá)到顯著水平，與土壤粗砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在P＜0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.543。土壤容重與土壤極細(xì)砂、含水率均在P＜0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.643和0.830。土壤粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中砂、粗砂在P＜0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)。

表4 土壤基本性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系Tab.4 Correlation between basic property indicators of soil

3 討論

武夷山國(guó)家公園表層土壤粉粒含量較高，其次是砂粒，粘粒含量較低。武夷山年降水量大，山體陡峭，但園區(qū)地表植被覆蓋度高，從而減輕了水力對(duì)土壤的磨蝕作用，同時(shí)也有效阻攔了地表徑流的輸沙作用，使細(xì)粒物質(zhì)遇阻沉降堆積。茶園和林地表層土顆粒組成存在一定差異，茶園土壤主要以粉粒為主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相當(dāng)，砂粒略占優(yōu)勢(shì)。其原因可能與植被分布、海拔高度和人為干擾等因素有關(guān)。賀燕[13]和溫繡娟[14]發(fā)現(xiàn)土壤砂粒含量隨著海拔的升高而增大。劉均陽(yáng)等[15]和Roering等[16]研究表明植被種類、植被密度和樹(shù)齡等因素對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性的影響有很大的差異。植物根系可以通過(guò)物理、生物、電化學(xué)作用影響土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[3]。在植物根系的壓縮和纏繞的作用下，根際周圍的土壤顆粒由小向大轉(zhuǎn)變，并通過(guò)吸收土壤水分，降低土壤含水量，進(jìn)一步增加土壤的穩(wěn)定性。茶園和林地2種土地利用類型在植被種類、植被密度和樹(shù)齡等因素上有較大的差異，茶園海拔比林地低，并且部分茶園為農(nóng)田改造而來(lái)，地勢(shì)平緩，地表徑流速度較緩慢，小顆粒土壤易于沉積下來(lái)，使得茶園的粘粒和粉粒含量比林地高。

計(jì)算分形維數(shù)的線性擬合方程的R2范圍為0.786～0.997，表明分形維數(shù)的線性擬合效果能較好的反映土壤粒徑分布特征。有研究表明，質(zhì)地粗的土壤分形維數(shù)范圍為1.830～2.640，質(zhì)地細(xì)的土壤分形維數(shù)范圍為2.600～2.800[17]，研究區(qū)茶園D值處于2.572～2.942之間，林地D值處于2.493～2.940之間，表明茶園和林地的土壤質(zhì)地均偏細(xì)，土壤結(jié)構(gòu)良好。土壤分形維數(shù)最小值分布在林地的7號(hào)樣地，該樣地多以小灌木林為主，植被分布較稀疏，地表裸露，山體坡度大，經(jīng)雨水沖刷，較小顆粒的土壤容易被沖走，造成水土流失。

對(duì)本研究而言，土壤粉粒含量與分形維數(shù)相關(guān)性最大（r=0.963，P＜0.01），因此，決定武夷山國(guó)家公園分形維數(shù)的最關(guān)鍵因素為土壤粉粒含量的高低，具體來(lái)說(shuō)，土壤粉粒含量越高，土壤質(zhì)量分形維數(shù)越大。土壤顆粒分布對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)具有重意義[18]。一般來(lái)說(shuō)，土壤細(xì)顆粒含量越高，分形維數(shù)越大，土壤水分和土壤粒子的吸附力越強(qiáng)，土壤持水性能就越好[19]。相關(guān)性分析可知，含水量與分形維數(shù)、土壤粉粒含量和極細(xì)砂含量具有正相關(guān)關(guān)系，這與高傳友等[20]，黎建強(qiáng)等[18]研究結(jié)果一致。但含水量與土壤粉粒含量的正相關(guān)未達(dá)到顯著水平，與極細(xì)砂含量的正相關(guān)達(dá)到顯著水平，說(shuō)明極細(xì)砂含量對(duì)研究區(qū)土壤含水率的影響較為顯著。土壤容重是反映土壤透氣性、保水能力、透水性能和土壤結(jié)構(gòu)狀況的基本物理屬性[21]。土壤細(xì)顆粒含量越高，越有利于土壤形成良好的結(jié)構(gòu)，土地越稀松，土壤容重減小[22]；反之，土壤越緊實(shí)、板結(jié)，土壤容重越大，土壤退化越顯著。與高傳友等[20]研究結(jié)果一樣，土壤容重與土壤分形維數(shù)負(fù)相關(guān)但未達(dá)到顯著水平，而土壤極細(xì)砂含量和含水率對(duì)研究區(qū)土壤容重的影響較為顯著，這可能與研究區(qū)環(huán)境因子的復(fù)雜性有關(guān)。

4 結(jié)論

運(yùn)用分形理論對(duì)武夷山國(guó)家公園茶園和林地土壤粒徑分布特征進(jìn)行研究。研究區(qū)茶園土壤主要以粉粒為主，林地土壤粉粒和砂粒平均含量相當(dāng)，砂粒略占優(yōu)勢(shì)。茶園土壤分形維數(shù)比林地的高，土壤均勻性更高，但兩者土壤質(zhì)地均偏細(xì)，土壤結(jié)構(gòu)較良好。對(duì)比分形維數(shù)與土壤各粒徑含量相關(guān)性程度，土壤粉粒含量是土壤粒徑非均勻分布及分形維數(shù)值變化的主要因素。粉粒含量可作為武夷山國(guó)家公園水土保持或生態(tài)修復(fù)效果的衡量指標(biāo)。