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(píng)價(jià)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(duì)象分析土壤機(jī)械組成的垂直分布特征，并運(yùn)用分形模型對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：敖漢旗4種不同類型土壤的機(jī)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(duì)土壤分形維數(shù)均具有顯著性影響。因此，僅憑某一粒級(jí)土壤的含量不能說明土壤結(jié)構(gòu)狀況。

關(guān)鍵詞：機(jī)械組成；分形維數(shù)；土壤類型；垂直分布；土壤綜合評(píng)價(jià)；量化指標(biāo)

中圖分類號(hào)： S152文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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

土壤機(jī)械組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元[1]，土壤機(jī)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(jìn)而影響土壤通氣、透水等性能，是評(píng)價(jià)土壤基本性質(zhì)和形成環(huán)境的一個(gè)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(yùn)用各種分形模型計(jì)算土壤顆粒、團(tuán)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(tuán)聚體含量有明顯的對(duì)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(duì)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(duì)赤峰市敖漢旗主要的4種類型土壤進(jìn)行分層研究，分析土壤機(jī)械組成的垂直分布特征，并運(yùn)用分形理論及計(jì)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(píng)價(jià)提供一個(gè)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(dá)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(duì)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(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)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(gè)重復(fù)，以降低采樣中系統(tǒng)誤差及異常樣點(diǎn)的干擾，整個(gè)樣區(qū)共取64個(gè)土壤剖面303個(gè)土壤樣品。將每個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jí)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)應(yīng)增加，在80～100 cm土層都達(dá)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(duì)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(jī)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(jī)械組成的相對(duì)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(jī)械組成大體相似，但其各粒級(jí)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(shí)，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(jì)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(jì)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(jìn)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(duì)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(píng)價(jià)的一個(gè)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(duì)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(dá)-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(dá)0.707。表明沙粒、粉粒和黏粒對(duì)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(jī)械組成大體相似，但各粒級(jí)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(jī)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(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致土壤通氣能力的下降[16]。因此，僅憑某一粒級(jí)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(duì)空間的充能力[13]，體現(xiàn)了土壤的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)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(duì)于水土保持林的營造具有重要的指導(dǎo)意義。

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