賈國(guó)梅+杜祥運(yùn)++席穎++?？?/p>

摘要：為探討消落帶水位消漲對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤抗侵蝕能力的影響，選取三峽庫區(qū)童莊河消落帶紫色土，以從未淹沒的樣地作為對(duì)照，應(yīng)用分形理論研究消落帶不同海拔梯度紫色土分形特征以及與土壤營(yíng)養(yǎng)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：不同海拔梯度的土壤粒徑分布中，粉粒含量占主導(dǎo)地位。然而分形維數(shù)（D）與黏粒之間具有極顯著的的正相關(guān)性，這意味著黏粒的變化對(duì)分形維數(shù)的分異起了決定性的作用。在消落帶區(qū)域，土壤顆粒的分形維數(shù)和黏粒含量是淹沒中等持續(xù)時(shí)間的區(qū)域（155～165 m）最大，且與從未淹沒的對(duì)照樣地（175 m以上）之間無顯著性的差異；其次是淹沒時(shí)間較短區(qū)域（165～175 m）；淹沒時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域（145～155 m）最低。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤顆粒的分形維數(shù)與黏粒含量及其土壤營(yíng)養(yǎng)之間都具有極顯著的正相關(guān)性。這些結(jié)果意味著消落帶淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域受淹水?dāng)_動(dòng)相對(duì)最強(qiáng)烈，土壤質(zhì)量退化最嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：土壤分形維數(shù)；土壤顆粒組成；有機(jī)碳；全氮；消落帶

中圖分類號(hào)： S152.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0470-03

收稿日期：2015-05-11

基金項(xiàng)目：三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心課題（編號(hào)：KF2013-09）；三峽大學(xué)預(yù)研基金（編號(hào)：Hy1406）。

通信作者簡(jiǎn)介：賈國(guó)梅（1965—），女，甘肅永登人，博士，教授，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail：jjjgm@126.com。三峽庫區(qū)消落帶是三峽大壩攔蓄和泄洪形成的水位落差約為30 m變化的反季節(jié)濕地。且位于庫首的消落帶多處于陡坡的狀態(tài)，土壤多為水穩(wěn)性很差、極易水蝕的紫色土構(gòu)成[1]。水位的周期性漲落和涌浪加之出露成陸期的降雨徑流可能導(dǎo)致土壤表層顆粒的重新分布，進(jìn)而引起土壤顆粒組成的空間變異[1]，加速消落帶土壤的侵蝕。土壤顆粒組成是反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和土壤退化過程的重要物理特性，但是僅僅用土壤顆粒分級(jí)定量化表征土壤質(zhì)地特性相對(duì)比較簡(jiǎn)單[2]。土壤顆粒分級(jí)的分形維數(shù)不僅能夠表征土壤質(zhì)地的均一程度、土壤滲透性和土壤營(yíng)養(yǎng)狀況，還能反映人為擾動(dòng)生境土壤物理特性的變化動(dòng)態(tài)[3]和優(yōu)劣[4]。因而在評(píng)價(jià)消落帶水位消漲過程中土壤退化的程度時(shí)，土壤顆粒分級(jí)分形維數(shù)的生態(tài)作用就顯得尤為重要。

目前，雖有研究報(bào)道了三峽庫區(qū)消落帶土壤理化特性，但是很少有研究報(bào)道三峽庫區(qū)陡坡消落帶濕地不同海拔梯度紫色土顆粒組成的分形維數(shù)的空間分異特征。因而，本研究以從未淹沒的樣地作為對(duì)照，研究消落帶不同海拔梯度紫色土分形維數(shù)和土壤營(yíng)養(yǎng)之間的相關(guān)性，揭示消落帶土壤紫色土分形維數(shù)的空間分異特征以及與土壤營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)系，為深入研究三峽庫區(qū)消落帶紫色土侵蝕過程的機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩秭歸縣童莊河（110°25′～111°06′ E，31°04′～31°34′ N）。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨熱同季，熱量充沛。年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 006.8 mm，年日照時(shí)間1 631.5 h，無霜期年平均約為260 d，土壤類型為紫色土。

1.2土壤采樣

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩的童莊河。選擇典型消落帶回水區(qū)，劃分不同高程段見表1，在每個(gè)固定的樣帶首先調(diào)查消落帶土壤質(zhì)地情況，選擇質(zhì)地相同的樣地隨機(jī)取樣。在2011年5月底至7月初，沿海拔高程按照從未淹沒區(qū)（NI）（175～185 m）、淹沒時(shí)間較短區(qū)（SI）（165～175 m）、淹沒時(shí)間中等區(qū)（MI）（155～165 m）和淹沒較長(zhǎng)區(qū)（LI）（145～155 m）分別定位選取4個(gè)代表樣地，從未淹沒區(qū)域作為對(duì)照組（表1）。在每個(gè)梯度選擇10 m×10 m的樣方各2塊，然后在每個(gè)樣方內(nèi)按照蛇形法在0～20 cm各采取5個(gè)點(diǎn)的土壤。采取的土樣立即放入塑料袋中密封帶入實(shí)驗(yàn)室，快速揀去枯枝落葉和石礫，過2 mm的篩子后，一部分很快貯藏到-20 ℃的冰箱里進(jìn)行土壤顆粒分級(jí)的分析，另一部分風(fēng)干，用于土壤營(yíng)養(yǎng)的分析。

1.3土壤理化性質(zhì)的分析

土壤粒級(jí)組成使用比重計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。

1.4土壤顆粒表面分形維數(shù)計(jì)算方法

土壤分形維數(shù)（D）采用楊培嶺等推導(dǎo)的公式[5]計(jì)算：

對(duì)所測(cè)土壤各粒級(jí)的含量進(jìn)行處理，之后分別以lg[m（δ 1.5數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理比較采用Turkeys-b 單因素方差分析，土壤顆粒、分形維數(shù)與土壤營(yíng)養(yǎng)之間的相關(guān)性分析用Pearsons test 分析，土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間的關(guān)系用線性回歸分析。數(shù)據(jù)在SPSS 17.0 軟件上分析。

2結(jié)果分析

2.1土壤顆粒組成的空間格局

土壤顆粒組成是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)。不同海拔梯度的表層土壤粒徑分布中，粉粒含量（0.02～0.002 mm）（53.31%～55.86%）占主導(dǎo)地位，其次是砂粒含量（0.02～2 mm）（24.15%～27.66%），黏粒含量（<0.002 mm） （14.83%～20.38%）最低（表2）。雖然土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的大小順序分別為：NI>MI>SI>LI、SI>LI>MI >NI和LI>SI>NI>MI，但是單因素方差分析的結(jié)果表明，粉粒和砂粒在不同海拔梯度之間并無顯著性的差異，只有粘粒的含量在不同海拔梯度之間具有顯著性差異，NI和MI之間無顯著性差異，但是它們與其他樣地之間具有顯著的差異，LI和SI樣地之間也有顯著性的差異。這表明水位的消漲對(duì)消落帶土壤顆粒組成特別黏粒含量的空間分異確實(shí)產(chǎn)生了顯著的影響，年淹沒和出露持續(xù)時(shí)間近似相等的區(qū)域土壤黏粒含量并沒有發(fā)生變化，而淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)和較短的區(qū)域其土壤黏粒含量都顯著降低。

2.2土壤分形維數(shù)的空間格局

消落帶表層土壤顆粒的分形維數(shù)D值在2.59～2.65（表2），土壤不同粒級(jí)含量與對(duì)應(yīng)土壤顆粒粒徑的相關(guān)系數(shù)絕大多數(shù)r2>0.91，表明該地區(qū)土壤顆粒粒徑分布具有分形的特征。

消落帶不同海拔梯度土壤分形維數(shù)的大小順序分別為 NI>MI>SI>LI。單因素方差分析的結(jié)果表明，土壤分形維數(shù)在NI和MI之間無顯著性差異，但是與其他樣地之間具有顯著差異，LI和SI樣地之間也具有顯著性差異（表2），這說明消落帶濕地淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)和較短的區(qū)域都顯著降低分形維數(shù)，且淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域降低更大，而年淹沒和出露持續(xù)時(shí)間近似相等的區(qū)域反而保持了分形維數(shù)的穩(wěn)定。

2.3土壤分形維數(shù)與各粒級(jí)含量的相關(guān)性

粒徑分布作為直接影響土壤機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的重要因素，也決定著土壤分形維數(shù)的大小，是進(jìn)行土壤分類的重要標(biāo)準(zhǔn)[6]。消落帶土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級(jí)土壤顆粒含量進(jìn)行線性回歸分析的結(jié)果表明，D值僅與土壤黏粒含量之間具有顯著的正相關(guān)性（P<0.01），而與粉粒及其砂粒之間并無顯著的相關(guān)性（P>0.05）（圖1）。由此認(rèn)為，土壤黏粒含量的變化對(duì)分形維數(shù)的分異主要起了決定性的作用。

2.4消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)的空間格局

土壤有機(jī)碳直接影響土壤結(jié)構(gòu)、持水性能和肥力狀況，是反映土壤質(zhì)量和健康的敏感指標(biāo)。消落帶土壤有機(jī)碳（3.26～4.30 g/kg）和全氮（0.36～0.47 g/kg）含量都顯著低于從未淹沒的樣地有機(jī)碳（7.62 g/kg）和全氮（0.84 g/kg）含量。在消落帶區(qū)域，土壤有機(jī)碳和全氮含量是LI區(qū)域低于MI區(qū)域和SI區(qū)域，而MI區(qū)域和SI區(qū)域之間并無顯著性差異（圖2）。這與郭泉水等[7]和郭勁松等[8]的研究結(jié)果一樣。這說明消落帶區(qū)域受水位消漲的影響，導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化，而淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的樣地土壤質(zhì)量退化更嚴(yán)重。

2.5土壤粒徑分布分形維數(shù)與土壤營(yíng)養(yǎng)含量的關(guān)系

土壤顆粒分形在某種程度上反映了土壤質(zhì)地和影響土壤營(yíng)養(yǎng)狀況，而土壤有機(jī)質(zhì)的分布和轉(zhuǎn)化反過來又影響土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。由表3可知，土壤分形維數(shù)、黏粒與土壤有機(jī)碳及其全氮之間都呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性（P<0.01），但是與砂粒及其粉粒之間都無顯著的相關(guān)性。這說明土壤分形維數(shù)可以作為土壤有機(jī)質(zhì)含量程度的指征[9]，能反映表層土壤營(yíng)養(yǎng)的損失狀況。

3討論

土壤分形維數(shù)能夠反映土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。土壤質(zhì)地與分形維數(shù)成反比的關(guān)系，質(zhì)地愈細(xì)，分形維數(shù)愈大，反之亦然。當(dāng)D>2.88時(shí)，分形維數(shù)表征的土壤質(zhì)地黏重、土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)[5]，土壤抗侵蝕性強(qiáng)。本研究中，土壤顆粒組成的分形維數(shù)在2.59～2.65之間，分形維數(shù)（D）主要與黏粒含量之間具有極顯著的正相關(guān)性，表明D值的大小主要是受黏粒含量的影響。徐泉斌等研究三峽庫區(qū)消落帶土壤抗蝕性的結(jié)果表明，土壤黏粒含量越高，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)[10]。這與本研究的結(jié)果相似黏粒含量高，D值大，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力強(qiáng)。

由于淹水?dāng)_動(dòng)程度的不同，致使土壤以黏粒為主的細(xì)顆粒和有機(jī)質(zhì)含量損失發(fā)生變化[11-12]。Rieu等研究表明當(dāng)分形維數(shù)越小，越易發(fā)生水土流失[13]。本研究中，從未淹沒區(qū)域土壤的黏粒含量和分形維數(shù)較大，有機(jī)碳和全氮含量最高。這是由于從未被淹沒區(qū)域植被覆蓋較好，土壤侵蝕相對(duì)較弱，土壤質(zhì)地較好，土壤肥力相對(duì)最高。這與Liu 等的研究結(jié)果[14]一致。Liu 等研究結(jié)果表明，保護(hù)林地其土壤分形維數(shù)最高[14]。在消落帶區(qū)域內(nèi)，分形維數(shù)D值在155～165 m區(qū)域內(nèi)最高，淹沒持續(xù)時(shí)間較短區(qū)域土壤顆粒的分形維數(shù)次之，淹沒時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域最低。雖然水位消漲降低了土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，但是155～165 m區(qū)域年淹沒和出露時(shí)間近似相等，地上植物多樣性最高[15]，植物根劈的作用，導(dǎo)致土粒不斷破碎，黏粒含量增加，D值變大，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了保持；淹沒持續(xù)時(shí)間較短區(qū)域，水位上升快，下降也快，水位波動(dòng)的擾動(dòng)沖刷也較大，結(jié)果造成表層土壤細(xì)顆粒被流水帶走，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量也顯著降低；淹沒時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域受淹水?dāng)_動(dòng)最強(qiáng)烈，淹水狀態(tài)下的土壤由于長(zhǎng)期浸泡于水中缺乏地表植被覆蓋保護(hù)，水流侵蝕下黏粒物質(zhì)流失比較嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤中砂粒含量較高，黏粒和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量最低，且最易發(fā)生水土流失。這與張世熔等的研究結(jié)果[16]相一致。這說明當(dāng)土壤的分形維數(shù)變小，土壤顆粒變粗，土壤質(zhì)量退化。

4結(jié)論

土壤分形維數(shù)與黏粒含量、有機(jī)碳及其全氮之間都具有顯著的正相關(guān)性，但是與粉粒及砂粒之間并無顯著的相關(guān)性。消落帶區(qū)域，淹沒持續(xù)時(shí)間中等的區(qū)域（155～165 m）最高的土壤分形維數(shù)與其地上植被的多樣性高、根劈作用增強(qiáng)有關(guān)。這意味著植被的恢復(fù)能夠提高土壤的抗侵蝕性，改善土壤結(jié)構(gòu)。淹沒時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域土壤黏粒含量、分形維數(shù)和營(yíng)養(yǎng)含量都相對(duì)最低。這說明淹沒時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)變劣，吸附有機(jī)質(zhì)能力較強(qiáng)的黏粒含量下降，土壤質(zhì)量退化，土壤抗侵蝕能力下降，水土流失加劇。因此增強(qiáng)消落帶淹沒時(shí)間較長(zhǎng)和較短區(qū)域土壤的抗侵蝕治理勢(shì)在必行。

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