高玉寒　姚云峰　李龍　郭月峰　湯軍　張美麗

摘要：為內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗土壤的綜合評價提供定量化標(biāo)準(zhǔn)和理論依據(jù)，以該地區(qū)4種類型土壤為研究對象分析土壤機械組成的垂直分布特征，并運用分形模型對土壤結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)果表明：敖漢旗4種不同類型土壤的機械組成在不同土壤類型、不同土層中均表現(xiàn)為沙粒>粉粒>黏粒，其中黏粒和粉粒的含量隨土層深度的增加而增加，沙粒的含量隨土層深度的增加而減少。4種類型土壤分形維數(shù)由高到低依次為栗鈣土>褐土>棕壤>風(fēng)沙土，經(jīng)皮爾遜相關(guān)分析得到4種類型土壤中黏粒、粉粒、沙粒對土壤分形維數(shù)均具有顯著性影響。因此，僅憑某一粒級土壤的含量不能說明土壤結(jié)構(gòu)狀況。

關(guān)鍵詞：機械組成；分形維數(shù)；土壤類型；垂直分布；土壤綜合評價；量化指標(biāo)

中圖分類號： S152文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0236-04[HS）][HT9.SS]

土壤機械組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元[1]，土壤機械組成決定土壤保肥蓄水性能，而且直接關(guān)系土壤松緊程度、孔隙數(shù)量，進而影響土壤通氣、透水等性能，是評價土壤基本性質(zhì)和形成環(huán)境的一個重要指標(biāo)[2]。土壤是一種由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀和自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[3]。運用各種分形模型計算土壤顆粒、團聚體和孔隙度的分形維數(shù)來表征土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)組成及其均勻程度，成為定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征的新方法[4-9]。研究表明，土壤粒徑分布分形維數(shù)不僅能夠表征土壤粒徑大小，還能反映質(zhì)地的均勻程度以及土壤的通透性[5]；分形維數(shù)與土壤水穩(wěn)性團聚體含量有明顯的對應(yīng)關(guān)系，可以表征土壤的肥力狀況[6]；土壤分形維數(shù)還可以用來模擬和預(yù)測土壤水分特征[7]；胡云鋒等探討了風(fēng)蝕區(qū)土壤的分形維數(shù)對土地利用變化的影響，提出分形維數(shù)可作為土壤退化的指標(biāo)[8]。本研究對赤峰市敖漢旗主要的4種類型土壤進行分層研究，分析土壤機械組成的垂直分布特征，并運用分形理論及計算土壤粒徑分布分形維數(shù)的質(zhì)量分布模型，定量化描述該地區(qū)4種類型土壤分形維數(shù)的差異及垂直分布特征，以期為該地區(qū)土壤綜合評價提供一個量化的指標(biāo)，為水土保持型植被建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1材料與方法

[HTK]1.1研究區(qū)概況[HT]

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部的敖漢旗，地處燕山山脈東段，科爾沁沙地南緣向松遼平原過渡的地段，其地理坐標(biāo)位于北緯41°42′～42°02′、東經(jīng)119°30′～120°54′。全境南北長176 km，東西寬122 km，總面積約為8 300 km2。研究區(qū)總體屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量在310～460 mm，集中在7—8月，極端最大降水量可達740 mm，降水自南向北遞減，年蒸發(fā)量2 000～2 600 mm，年均氣溫為6 ℃，最高氣溫39.7 ℃，最低氣溫為-30.9 ℃。

研究區(qū)內(nèi)土壤類型主要為栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤。棕壤分布在敖漢旗的山地垂直帶上，一般在海拔800 m以上出現(xiàn)。全旗棕壤面積87 658 hm2，占總面積的10.56%。敖漢旗褐土是華北褐土的延伸，分布在靠南的地上丘陵區(qū)，一般在海拔600～800 m之間，敖漢旗褐土面積238 503 hm2，占全旗面積的28.73%。敖漢旗栗鈣土分布在中北部黃土丘陵區(qū)和漫崗丘陵地帶，栗鈣土面積為262 823 hm2，總面積占全旗的31.66%。風(fēng)沙土是干旱半干旱區(qū)風(fēng)積沙母質(zhì)上發(fā)育的土壤，敖漢旗主要分布在中北部老哈河、教來河沿岸階地或者漫崗坡面上，風(fēng)沙土面積為172 835 hm2，占全旗面積的20.82%。4種類型土壤面積從大到小依次表現(xiàn)為栗鈣土>褐土>風(fēng)沙土>棕壤。

1.2土壤樣品的采集與處理

選擇研究區(qū)4種主要土壤類性即栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土和棕壤作為研究對象，樣地基本情況見表1。

確定樣地后，結(jié)合流域1 ∶[KG-*3]5萬地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖，在樣地內(nèi)按“S”形布設(shè)4個樣點，每個樣點間隔5 m，確定土壤剖面位置。去除土壤表層的植被與枯落物，挖掘深1 m，長1.5 m、寬1.5 m的土壤剖面，按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm劃分5層，由下至上分層取樣，每層取3個重復(fù)，以降低采樣中系統(tǒng)誤差及異常樣點的干擾，整個樣區(qū)共取64個土壤剖面303個土壤樣品。將每個土壤剖面同一層次的土樣混合均勻，按四分法去除多余土樣裝入無菌袋帶回實驗室，經(jīng)晾曬、去除植物根系等雜質(zhì)后采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀測定土壤粒度，該粒度分析儀測量范圍為0.01～3 500 μm，重復(fù)測量誤差小于1%。最后的測試結(jié)果以美國制粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)輸1.3分形模型

泰勒等提出的用土壤粒徑、土壤顆粒質(zhì)量分布為因子的關(guān)系式（1）[10-11]，可以更為直觀地反映土壤粒徑分布分形維數(shù)，著種方法用土壤顆粒的質(zhì)量分布直接計算粒徑分布的分形維數(shù)來表征土粒直徑和質(zhì)地組成的均勻程度。與傳統(tǒng)的用土壤粒徑的數(shù)量分布來描述土壤的分形特征的方法相比，該方法只須通過土壤顆粒的機械組成分析，便可方便地確定相應(yīng)的分形維數(shù)。

[HS3][JZ（]D=3-[SX（]lg（mi/m0）lg（d[TX-]i/d[TX-]max）[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：D代表土壤顆粒分形維數(shù)；mi代表粒徑小于[FK（W1。1]d[TX-]i[FK）]的顆粒累積質(zhì)量；m0代表土壤各粒徑顆粒質(zhì)量之和；[FK（W1。1]d[TX-]i[FK）]代表兩篩分粒徑di與di+1間的粒徑平均值；[FK（W1。2]d[TX-]max[FK）]代表最大粒徑土粒的平均直徑。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型土壤機械組成的垂直分布差異分析

由圖1可知，栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤土4種類型土壤隨土層深度增加土壤機械組成產(chǎn)生變化。栗鈣土中的黏粒含量與棕壤中的黏粒含量和粉粒含量在0～20 cm土層中較高，在20～40 cm土層中最低，之后隨土壤深度增加，黏粒和粉粒的含量分別對應(yīng)增加，在80～100 cm土層都達到最大值。風(fēng)沙土和褐土中黏粒和粉粒的含量在0～20 cm土層中最低，土壤深度每增加20 cm，黏粒和粉粒的含量分別對應(yīng)增加，在 80～100 cm 土層中含量最高。栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土中沙粒的含量在0～20 cm土層最高，只有棕壤中沙粒的含量在 20～40 cm 土層最高，除此之外，這4種類型土壤中沙粒的含量隨土層深度的增加均減少，且都在80～100 cm土層中沙粒含量最低。

由圖1還可得知，栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤土4種類型土壤的機械組成在不同土壤類型、不同土層均為沙粒（67.49%）>粉粒（31.22%）>黏粒（1.29%）。但是，相同土層中機械組成的相對比例不同，其中黏粒的含量在0～20、20～40、40～60、80～100 cm土層中均為栗鈣土>褐土>棕壤土>風(fēng)沙土；在60～80 cm土層中為栗鈣土>棕壤土>褐土>風(fēng)沙土。粉粒含量在0～20、20～40、60～80、80～100 cm土層中均為栗鈣土>褐土>棕壤土>風(fēng)沙土；在40～60 cm土層中為栗鈣土>棕壤土>褐土>風(fēng)沙土。沙粒的含量在所有土層中均為風(fēng)沙土>棕壤土>褐土>栗鈣土。在0～100 cm 土層中，栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤土4種類型土壤中黏粒的含量表現(xiàn)為栗鈣土（1.86%）>褐土（1.46%）>棕壤土（1.12%）>風(fēng)沙土（0.71%），粉粒的含量為栗鈣土（38.60%）>褐土（35.08%）>棕壤土（31.63%）>風(fēng)沙土（19.54%），沙粒的含量為風(fēng)沙土（79.75%）>棕壤土（67.25%）>褐土（63.44%）>栗鈣土（59.53%）。

綜上分析可知，4種類型土壤機械組成大體相似，但其各粒級間的含量在不同土壤類型及不同土層中有一定的變化范圍。在栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤土4種土壤類型中，栗鈣土中黏粒和粉粒的含量最高，其次分別為褐土和棕壤土，風(fēng)沙土中黏粒和粉粒的含量最少；而沙粒的含量則相反，風(fēng)沙土中沙粒的含量最多，其次分別為棕壤土、褐土及栗鈣土。與此同時，4種類型土壤中黏粒和粉粒的含量隨土層加深均呈增大的趨勢；沙粒的含量隨土層加深均呈減小的趨勢。

2.2分形維數(shù)分析

分別以lg（mi/m0）、lg（[FK（W1。3]d[TX-]i/d[TX-]max[FK）]）為縱、橫坐標(biāo)，根據(jù)表2中的粒徑數(shù)據(jù)得到4種不同類型土壤土樣lg（mi/m0）與lg（[FK（W1。3]d[TX-]i/d[TX-]max[FK）]）的線性回歸分析結(jié)果（圖2），可以看出土壤作為一種多孔介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)具有統(tǒng)計意義上的自相似性，表現(xiàn)出明顯的分形特征。

應(yīng)用土壤分形維數(shù)計算公式得到4種不同類型土壤不同層的分形維數(shù)，4種類型土壤分形維數(shù)平均值在2.593～2.696 之間，結(jié)果如表3所示。

以土層深度為因素A、土壤類型為因素B進行雙因素方差分析，其結(jié)果（表4）表明，敖漢旗4種不同類型土壤分形維數(shù)因土層深度變化和土壤類型不同而差異顯著。

土壤作為一種多孔介質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的分形特征。其粒徑分布分形維數(shù)反映土粒對空間的充能力[13]。理論上，沒有任何固相填充的孔隙空間的分形維數(shù)為2，沒有任何孔隙巖石的分形維數(shù)等于3[14]。劉云鵬等研究得到，結(jié)構(gòu)良好的土壤粒徑分布分形維數(shù)應(yīng)在2.750左右，土壤粒徑分布分形維數(shù)可以作為土壤結(jié)構(gòu)評價的一個指標(biāo)，土壤質(zhì)地越粗，越不易形成良好的結(jié)構(gòu)，分形維數(shù)也較小，土壤質(zhì)地越細(xì)，因包含的小土粒越多，形成的微小孔隙也越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)就越高[15]。

由分析結(jié)果可知，4種類型土壤隨土層深度增加分形維數(shù)均表現(xiàn)出增加的趨勢，這與敖漢旗當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和人為干預(yù)有著密切的聯(lián)系，由于表層土壤受風(fēng)蝕、水蝕和人為影響最為頻繁，導(dǎo)致表層土壤分形維數(shù)較小，而較深層土壤分形維數(shù)較大。

而土壤類型對于土壤粒徑分形維數(shù)的影響也較大，從表4可以看出，土壤粒徑分形維數(shù)隨土壤類型不同表現(xiàn)出顯著的差異性。從總體上看，敖漢旗4種不同土壤粒徑分形維數(shù)變化由高到低依次為栗鈣土（2.696）>褐土（2.656）>棕壤（2.625）>風(fēng)沙土（2.593），栗鈣土的土壤粒徑分形維數(shù)更接近于2.750，其次依次為褐土、棕壤、風(fēng)沙土。土壤粒徑分形維數(shù)越接近2.750，表明土壤結(jié)構(gòu)狀況越好，既能保證良好的通氣透水性，具有一定的保水保肥性能，土壤粒徑分形維數(shù)越低，表明土壤結(jié)構(gòu)狀況最差，表現(xiàn)出的保水保肥能力也較差。

由表5可見，經(jīng)皮爾遜相關(guān)分析得到，土壤粒徑分形維數(shù)與黏粒、粉粒、沙粒含量的相關(guān)性依次為沙粒（-0.947）>粉粒（0.944）>黏粒（0.707），沙粒、粉粒含量在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達-0.947、0.944，黏粒含量在0.05水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.707。表明沙粒、粉粒和黏粒對土壤分形維數(shù)均具有顯著影響。

3討論與結(jié)論

栗鈣土、褐土、風(fēng)沙土、棕壤土4種類型土壤在不同土層其機械組成大體相似，但各粒級間的含量隨深度的變化有一定的變化。在0～100 cm土層中，4種類型土壤的機械組成中各成分的含量為沙粒>粉粒>黏粒，其中黏粒和粉粒的含量隨土層深度的增加均呈增加的趨勢，沙粒的含量隨土層深度的增加呈減少的趨勢。同一土層不同類型土壤中黏粒、粉粒和沙粒的含量不同。在0～100 cm土層中，黏粒和粉粒的含量均為栗鈣土>褐土>棕壤土>風(fēng)沙土，沙粒的含量為風(fēng)沙土>棕壤土>褐土>栗鈣土。

赤峰市敖漢旗4種不同類型土壤分布分形維數(shù)隨土層加深均有增加的趨勢，這4種類型土壤分形維數(shù)由高到低依次為栗鈣土（2.696）>褐土（2.656）>棕壤（2.625）>風(fēng)沙土（2.593），在該地區(qū)栗鈣土土壤結(jié)構(gòu)狀況較褐土和棕壤較好，風(fēng)沙土土壤結(jié)構(gòu)狀況最差。土壤中黏粒、粉粒、沙粒的含量對土壤分形維數(shù)都有顯著影響，黏粒和粉粒表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，沙粒為極顯著負(fù)相關(guān)。隨著沙粒含量的升高，其土壤粒徑分形維數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，但沙粒含量太高會導(dǎo)致土壤保水能力下降；隨著黏粒含量的升高，土壤粒徑分形維數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢，但黏粒含量太高會導(dǎo)致土壤通氣能力的下降[16]。因此，僅憑某一粒級土壤的含量不能說明土壤結(jié)構(gòu)狀況。

土壤作為一種多孔介質(zhì)，其粒徑分布分形維數(shù)反映土粒對空間的充能力[13]，體現(xiàn)了土壤的結(jié)構(gòu)特征，對土壤的通氣透水性、保水保肥能力[17]及抗蝕能力[4-9]等均具有重要的參考意義，對于水土保持林的營造具有重要的指導(dǎo)意義。

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