不同母質(zhì)類型發(fā)育土壤顆粒組成分形特征*

徐加盼，李繼洪，魏玉杰?，張光輝，陽邦戈，蔡崇法

不同母質(zhì)類型發(fā)育土壤顆粒組成分形特征*

徐加盼1，李繼洪2，魏玉杰1?，張光輝1，陽邦戈1，蔡崇法1，3

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2. 中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

為探討母質(zhì)類型對土壤粒徑分布非均勻性和土壤結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的影響，采用激光粒度分析方法和分形理論，研究了沖積物﹑花崗巖殘積物﹑第四紀(jì)紅黏土及淺海沉積物四種母質(zhì)類型發(fā)育土壤的顆粒組成﹑分形特征及土壤理化性質(zhì)對顆粒組成及分形參數(shù)的影響。結(jié)果表明：（1）花崗巖殘積物以及淺海沉積物發(fā)育的土壤粒徑分布范圍大，大顆粒含量高，非均勻性較小。沖積物和第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的土壤顆粒集中分布在2～200 μm的細(xì)顆粒區(qū)域，異質(zhì)性較大。（2）從土壤顆粒體積單分形維數(shù)（值）看，母質(zhì)類型對不同發(fā)生層顆粒組成的均勻性影響有所差異。沖積物和花崗巖殘積物發(fā)育的土壤顆粒分布的不均勻性從A層向C層遞減，淺海沉積物發(fā)育的土壤從A層向C層，顆粒分布的不均勻性遞增，第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的土壤三個(gè)發(fā)生層顆粒分布的均勻性相近；從0值看，母質(zhì)類型對不同發(fā)生層顆粒組成的分布范圍影響較小。（3）不同母質(zhì)類型土壤的pH﹑CEC﹑游離氧化物﹑蛭石及高嶺石含量等與土壤粒徑分布的異質(zhì)性和分布范圍表現(xiàn)出的差異一致（＜0.05）。以上結(jié)論表明，母質(zhì)類型對土壤粒徑分布及分形特征影響顯著。

母質(zhì)類型；土壤顆粒組成；多重分形；激光粒度分析

土壤粒徑分布（Particle size distribution，PSD）反映了土壤風(fēng)化成土過程，與土壤結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)動(dòng)過程及肥力密切相關(guān)，并直接影響土壤侵蝕與土地退化，是重要的土壤物理特性之一，定量研究和描述土壤粒徑分布特征是土壤物理學(xué)研究的重點(diǎn)之一[1-2]。母質(zhì)是地殼表層的巖石礦物經(jīng)過風(fēng)化作用形成的風(fēng)化產(chǎn)物，它是形成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)，是構(gòu)成土壤的骨架，對成土過程和土壤不同發(fā)生層特性有深刻影響[3]。土壤粒徑分布受很多因素的影響，現(xiàn)在對于其影響因素的研究，大多集中在土地利用類型[4-6]，植被類型[7-9]，耕作施肥措施、水分狀況等[10-12]方面，關(guān)于母質(zhì)對于土壤粒徑分布產(chǎn)生影響的研究較少。

由于土壤顆粒具有不規(guī)則形狀和自相似結(jié)構(gòu)的特性，其分布呈現(xiàn)非均勻性，傳統(tǒng)的土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)不能科學(xué)地反映土壤顆粒的分布特征，因此可以利用分形幾何學(xué)來研究土壤的形狀特征[13-14]。目前關(guān)于土壤結(jié)構(gòu)的分形模型多是基于土壤結(jié)構(gòu)的單一分形（monofractal）特征而提出的[15-17]，但單一分形只能對土壤微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性、平均性的描述與表征。近年來，國內(nèi)外學(xué)者[6，14，18-20]提出采用多重分形理論得到的土壤粒徑的分形維數(shù)可以間接反映土壤粒徑分布的自相似性﹑差異性和土壤顆粒分布的均勻程度，是描述土壤粒徑分布的新途徑。本研究采用激光粒度儀獲得土壤粒徑分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用分形和多重分形的方法探討了不同母質(zhì)類型發(fā)育土壤的粒徑分布特征，探討了土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)和分形參數(shù)的相關(guān)性，為研究母質(zhì)類型對于土壤粒徑分布的影響機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究以熱帶-亞熱帶地區(qū)四種不同母質(zhì)發(fā)育的典型土壤為研究對象，在丘陵地區(qū)采集典型剖面不同發(fā)生層（A、B、C）的土壤樣品。其中，沖積物、花崗巖殘積物、第四紀(jì)紅黏土以及淺海沉積物分別取自河南鄭州、湖北咸寧、湖南長沙以及海南文昌。四個(gè)區(qū)域年均氣溫為14～24℃，年均降雨量為640～1 778 mm，采樣區(qū)域以及土壤樣品詳細(xì)信息見表1。

1.2 樣品處理與分析

將各區(qū)域不同發(fā)生層采集的土壤經(jīng)過風(fēng)干處理之后，去除大于2 mm的砂礫以及植物細(xì)根等雜質(zhì)，供試土樣的粒徑分析在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院土壤物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用MS3000型激光粒度分析儀（英國）進(jìn)行土壤PSD分析，測量范圍為0.1～3 000 μm，每個(gè)樣品重復(fù)測量三次，前處理方法參考管孝艷等[21]。采用美國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)，計(jì)算各個(gè)粒級(jí)土壤顆粒的比例。

土壤理化性質(zhì)的測定均采用常規(guī)分析法[22]，其中，土壤干密度采用環(huán)刀法；土壤pH采用pH計(jì)；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法；土壤有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀外加熱法；游離鐵﹑鋁氧化物采用檸檬酸鈉-重碳酸鈉-連二亞硫酸鈉法浸提，然后使用等離子發(fā)射光譜法測定；土壤黏土礦物采用虹吸法。

表1 供試土壤基本信息

1.3 土壤粒徑分布的單分形參數(shù)

根據(jù)公式計(jì)算土壤顆粒體積分形維數(shù)[23]

1.4 土壤粒徑分布的多重分形參數(shù)

取激光粒度儀測量區(qū)間=[0.01，2000]，測量得到的分析結(jié)果是100個(gè)子區(qū)間（粒徑段）的相對應(yīng)的土壤顆粒的體積百分含量，即1，2，3100，相對應(yīng)的子區(qū)間分別為，對應(yīng)的粒徑分布子區(qū)間的體積分?jǐn)?shù)即為。根據(jù)激光粒度儀劃分區(qū)間的原理，在測定區(qū)間內(nèi)，為常數(shù)，為使用多重分形方法分析區(qū)間的土壤顆粒粒徑分布特征，須使各子區(qū)間長度相同，故作變換，，由此構(gòu)造一個(gè)新的無量綱區(qū)間J=[0,5]，其中有100個(gè)等距離的子區(qū)間，。

則可得到粒徑分布的奇異性指數(shù)

則相對于a()的粒徑分布多重分形譜函數(shù)為

廣義維數(shù)譜()能夠詳細(xì)地反映出土壤粒徑分布的局部特征和非均勻性。當(dāng)=0、1時(shí)，對應(yīng)得到0、1。0是容量維數(shù)，也稱為計(jì)盒維數(shù)，提供土壤PSD的基本信息，0=1表示各尺度上各個(gè)分區(qū)域的體積百分比均不為0，0=0表示各尺度上各個(gè)分區(qū)域的體積百分比均為0。1為信息維數(shù)，為衡量土壤PSD的異質(zhì)性提供了工具，1/0可以用來衡量分布的異質(zhì)程度。

奇異性指數(shù)a與多重分形譜函數(shù)f[a()]能夠表述粒徑分布多重分形的局部特征。多重分形譜的譜寬(Da=amax–amin)反映整個(gè)分形結(jié)構(gòu)上物理量概率測度分布的不均勻程度。Da越大，土壤粒徑分布越不均勻。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本文采用IBM SPSS Statistics 22對土壤母質(zhì)類型和土壤各項(xiàng)基本理化性質(zhì)分別進(jìn)行了單因素方差分析，分析了分形參數(shù)和基本理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，用Excel 2010繪制了土壤顆粒分布頻率曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

不同母質(zhì)類型土壤的基本理化性質(zhì)及Duncan檢驗(yàn)分析如表2所示?？梢钥闯觯撼寥狸栯x子交換量和有機(jī)質(zhì)外，其他各項(xiàng)性質(zhì)均表現(xiàn)為不同母質(zhì)類型土壤之間的差異程度大于相同母質(zhì)類型不同發(fā)生層土壤之間的差異程度，其中4種母質(zhì)類型不同發(fā)生層土壤的有機(jī)質(zhì)還表現(xiàn)從A層向C層遞減的趨勢，這是因?yàn)橥寥辣韺佑袡C(jī)質(zhì)積累豐富，靠近母質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低[24]。土壤pH﹑游離氧化物﹑蛭石含量表現(xiàn)出顯著差異。其中，鄭州沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤pH＞7呈堿性，其他三種母質(zhì)發(fā)育的土壤為酸性，pH均在5.0～6.0之間；游離氧化物和蛭石含量則呈現(xiàn)從南到北遞減的趨勢。

表2 土壤基本理化性質(zhì)

注：數(shù)據(jù)采用Duncan檢驗(yàn)，同列不同字母表示差異顯著（＜0.01）。Note：Duncan test was used for data，and the different letter in the same column indicated that the difference was significant（＜0.01）.

2.2 不同土壤粒徑的分布特征

從4種不同母質(zhì)類型的土壤顆粒分布頻率曲線可以看出，母質(zhì)類型為沖積物的ZZA、ZZB、ZZC以及母質(zhì)類型為第四紀(jì)紅黏土的CSA、CSB、CSC這兩組土壤頻率分布曲線的變化幅度較小，土壤顆粒集中分布在2～200 μm的細(xì)顆粒區(qū)域，分布的異質(zhì)性較小，三個(gè)不同發(fā)生層土壤之間的差異性也較小；而花崗巖殘積物發(fā)育的XNA、XNB、XNC及淺海沉積物發(fā)育的WCA、WCB、WCC這兩組土壤的顆粒分布的均勻程度相對較大，不同發(fā)生層土壤之間的差異性大。

土壤顆粒組成的統(tǒng)計(jì)分析（表3）表明：各粒級(jí)土粒之間差異顯著，其中以粉粒體積分?jǐn)?shù)最高，在32.15%～93.13%之間（平均為63.41%）；其次是極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒，分別在0.67%～39.90%（平均為14.24%）和1.19%～27.97%（平均為12.00%），而黏粒、中砂粒、粗砂粒和極粗砂粒體積分?jǐn)?shù)相對較低，分別在0.83%～36.65%（平均為5.42%）、0～12.64%（平均為4.36%）、0～2.35%（平均為0.53%）、0～0.18%（平均為0.46%）。

表3 不同母質(zhì)類型土壤顆粒組成

從相同母質(zhì)發(fā)育的不同發(fā)生層的土壤來看，除文昌淺海沉積物發(fā)育的土壤外，黏粒含量均有從A層向C層遞減的趨勢；除長沙沖積物外，其他三種母質(zhì)發(fā)育的土壤的粉粒含量也均有從A層向C層遞減的趨勢；砂粒含量則未表現(xiàn)出明顯隨著發(fā)生層遞變的規(guī)律。從不同母質(zhì)發(fā)育的3個(gè)土壤的平均值來看，黏粒體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為WC（淺海沉積物）＞CS（第四紀(jì)黏土）＞XN（花崗巖）＞ZZ（沖積物），分別為15.14%、3.86%、1.37%、1.32%，地域上表現(xiàn)為從南至北依次減少；粉粒表現(xiàn)為CS＞XN＞W(wǎng)C＞ZZ，分別為89.41%、57.40%、56.58%、50.25%，均在50%以上；砂粒體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為ZZ＞XN＞W(wǎng)C＞CS，分別為48.43%、41.24%、28.29%、6.73%。

四種母質(zhì)發(fā)育的土壤的黏、粉、砂體積分?jǐn)?shù)均差異明顯，說明母質(zhì)對土壤顆粒組成的影響顯著。其中文昌淺海沉積物發(fā)育的磚紅壤的黏粒含量最高，而鄭州沖積物發(fā)育的褐土的砂粒含量最高，各類型土壤粉粒含量的平均值均高于50%。黏粒含量和粉粒含量隨著土壤發(fā)生層有一定的遞變規(guī)律，說明對于不同的發(fā)生層，母質(zhì)對顆粒組成的影響具有差異。

2.3 不同母質(zhì)類型土壤粒徑分布的分形特征

四個(gè)區(qū)域不同母質(zhì)類型土壤顆粒分形參數(shù)見表4?？梢钥闯?，4種母質(zhì)類型下12個(gè)不同土壤顆粒單分形維數(shù)值介于1.79～2.63之間。從不同母質(zhì)發(fā)育的三個(gè)土壤的平均值來看，WC（2.40）＞XN（2.32）＞CS（2.27）＞ZZ（1.91），文昌淺海沉積物發(fā)育的土壤顆粒組成不均勻性最大，顆粒分布在較寬的粒徑范圍，而鄭州沖積物發(fā)育的土壤顆粒分布最集中，與土壤粒徑分布頻率曲線（圖1）表現(xiàn)出的顆粒分布異質(zhì)性的結(jié)果一致，分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地越不均勻。此外，沖積物和花崗巖殘積物發(fā)育的兩組土壤，分形維數(shù)從A層向C層遞減，說明土壤顆粒分布的不均勻性隨著土壤深度的增加而減??；淺海沉積物發(fā)育的土壤相反，土壤顆粒分布從A層向C層，不均勻性增大；第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的三個(gè)發(fā)生層土壤的單分形維數(shù)差異不大，說明不同采樣深度的土壤均勻性相近。

在本研究中，各個(gè)土壤樣品的粒徑分布均是連續(xù)的（圖1），分析的上下限均介于0.01～2 000 μm，所以0值越大，就代表土壤粒徑的分布范圍越寬。如表4所示，從相同母質(zhì)發(fā)育的三個(gè)土壤0的平均值來看，說明文昌淺海沉積物發(fā)育的土壤0值最大，粒徑分布范圍較寬，咸寧花崗巖殘積物發(fā)育的土壤其次，長沙第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的土壤再次，而鄭州沖積物發(fā)育的土壤0最小，粒徑分布范圍最窄。各母質(zhì)發(fā)育的不同發(fā)生層土壤之間，0值的差異不明顯，粒徑分布范圍較一致。

從相同母質(zhì)發(fā)育的三個(gè)土壤的1的平均值來看，CS、ZZ、XN及WC組土壤分別為0.89、0.84、0.84和0.83，表明長沙第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的土壤異質(zhì)性最大，粒徑分布范圍集中在較小的區(qū)域，而文昌淺海沉積物發(fā)育的土壤異質(zhì)性最小，粒徑分布較均勻。ZZ 、XN、 WC組土壤1值相差不大，遠(yuǎn)小于CS組。

四種母質(zhì)發(fā)育的土壤Δα差異較大，其中文昌淺海沉積物和咸寧花崗巖殘積物發(fā)育的土壤的Δα的值較大，粒徑分布范圍較大，非均勻程度較小，這與0值反映的規(guī)律基本一致。

表4 土壤粒徑分布的分形參數(shù)

圖1 不同母質(zhì)類型土壤顆粒分布頻率曲線

2.4 分形維數(shù)與基本理化性質(zhì)相關(guān)性

將基本理化性質(zhì)與分形參數(shù)做相關(guān)分析（表5），結(jié)果表明：土壤顆粒組成與CEC以及蛭石含量的相關(guān)性較明顯。其中，土壤陽離子交換量與土壤黏粒含量呈正相關(guān)，與粉粒含量呈極顯著正相關(guān)，與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)橥寥乐械酿ち：头哿５燃?xì)顆粒含量越高，土壤吸附陽離子的能力就越強(qiáng)，CEC含量越高。此外，在三種黏土礦物中，蛭石含量與土壤顆粒組成的相關(guān)性較大，這是因?yàn)椴煌纲|(zhì)類型的土壤的蛭石含量和土壤顆粒組成均有顯著的地帶性差異。

表5 土壤顆粒組成及分形參數(shù)與土壤基本性質(zhì)的相關(guān)性

注：*表示顯著相關(guān)（＜0.05），**表示極顯著相關(guān)（＜0.01）。Note：*stands for relation is significant（＜0.05），**stands for relation is very significant.

各分形參數(shù)中，單分形參數(shù)及容量維數(shù)0與pH﹑CEC﹑游離氧化物﹑蛭石及高嶺石含量均表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)楹?表現(xiàn)的土壤粒徑分布的異質(zhì)性和分布范圍與以上理化性質(zhì)呈現(xiàn)出一致的差異。其中，土壤pH與及0均表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），這是因?yàn)閺谋敝聊希寥罉悠返乃嵝灾饾u增強(qiáng)，pH呈減小的趨勢，而所采集土樣的粒徑分布范圍和均勻性卻隨著采樣區(qū)域緯度的降低有增大的趨勢。同樣，游離鐵鋁氧化物也呈現(xiàn)從北至南遞增的趨勢，與及0均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。而整體來看，1、1/0及Δα與各種理化性質(zhì)的相關(guān)性不顯著。

3 結(jié) 論

本文旨在通過分形理論探究不同母質(zhì)發(fā)育土壤在顆粒組成特征的差異，研究發(fā)現(xiàn)：花崗巖殘積物以及淺海沉積物發(fā)育的土壤分布范圍大，大顆粒含量高，土壤顆粒分布的非均勻性較小。沖積物和第四紀(jì)黏土發(fā)育的土壤顆粒集中在2～200 μm的細(xì)顆粒區(qū)域，土壤粒徑分布的異質(zhì)性較大。從和0值反映的結(jié)果來看，母質(zhì)類型對不同發(fā)生層顆粒組成的均勻性的影響有所差異，對不同發(fā)生層顆粒組成的分布范圍的影響較小。不同母質(zhì)類型土壤的pH﹑CEC﹑游離氧化物及蛭石含量表現(xiàn)出的地帶性差異與土壤粒徑分布的異質(zhì)性和分布范圍表現(xiàn)出來的差異基本一致，這是因?yàn)椴煌纲|(zhì)受到地域環(huán)境的影響也存在顯著差異。試驗(yàn)也有欠考慮之處：由于側(cè)重于方法應(yīng)用的探索，為豐富研究樣品，本研究重點(diǎn)考慮了我國中南部地區(qū)幾種典型母質(zhì)發(fā)育的土壤，使得研究范圍涉及了不同氣候帶。總體而言，已有的研究方法和結(jié)果能夠清晰地闡釋不同母質(zhì)發(fā)育土壤顆粒組成的差異，關(guān)于引起顆粒組成差異的內(nèi)在機(jī)理則有待于深入剖析。

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Fractal Characteristics of Particle Composition for Soils Developed from Different Parent Materials

XU Jiapan1, LI Jihong2, WEI Yujie1?, ZHANG Guanghui1, YANG Bangge1, CAI Chongfa1, 3

(1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Central South Electric Power Design Institute CO., LTD. of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China; 3. Key Laboratory of Arable Land Conservation, Middle and Lower Reaches of Yangtze River of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, China)

To explore the influence of different parent materials on the heterogeneity of soil particle size distribution and soil structure,laser particle size analysis and fractal techniques were used to investigate particle composition with its fractal characteristics of soils developed from alluvium, granite residues, quaternary clay and neritic deposit.The results showed that: 1) a wider range of particle size distribution, higher content of coarse particles but less heterogeneity was observed for soils developed from granite residues and neritic deposit, while higher concentration of fine particles within a range of 2～200 μm and higher heterogeneity for soils developed from alluvium and quaternary clay. 2) according to thevalues, the influence of parent materials on the heterogeneity of particle composition varied with pedogenic layers. The heterogeneity of particle size distribution declined from A to C layer for soils developed from alluvium and granite, however, an opposite trend was observed for soils developed from neritic deposit, and less significant difference in different pedogenic layers for soils developed from quaternary clay. In addition, the type of parent materials had less influence on the range of particle size distribution among pedogenic layers in accordance with the results of0. 3) the degree of heterogeneity and particle size range were significantly determined by soil pH, CEC, free oxides, vermiculite and kaolinite in soils developed from different parent materials (< 0.05).The above results showed that the parent materials had a significant effect on soil particle size distribution and its fractal characteristics.

Parent materials; Soil particle size distribution; Multifractal technique; Laser particle size analysis

S152.7

A

10.11766/trxb201904280012

徐加盼，李繼洪，魏玉杰，張光輝，陽邦戈，蔡崇法. 不同母質(zhì)類型發(fā)育土壤顆粒組成分形特征[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（5）：1197–1205.

XU Jiapan，LI Jihong，WEI Yujie，ZHANG Guanghui，YANG Bangge，CAI Chongfa. Fractal Characteristics of Particle Composition for Soils Developed from Different Parent Materials[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1197–1205.

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41630858，41807065）和中國博士后基金項(xiàng)目（2018M640714）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41630858，41807065）and the China Postdoctoral Science Foundation（No. 2018M640714）

，E-mail：wyj@mail.hzau.edu.cn

徐加盼（1993—），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向：土壤結(jié)構(gòu)與功能。E-mail：jappaxu@163.com

2019–04–28；

2020–01–13；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2020–04–30

（責(zé)任編輯：檀滿枝）