鄭曉嵐, 楊 玲, 宋 嬌, 鮑玉海, 李進(jìn)林, 賀秀斌

(1.中國(guó)科學(xué)院、水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331)

土壤顆粒組成直接影響土壤結(jié)構(gòu)、土壤水力特性、土壤肥力狀況和土壤侵蝕程度，是重要的土壤物理特性之一，了解區(qū)域土壤粒徑分布特征，可為控制土壤侵蝕過(guò)程、探索土壤特性變化、恢復(fù)退化土地生態(tài)系統(tǒng)提供一定的科學(xué)依據(jù)[1-5]。定量研究土壤粒徑分布特征是土壤、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一，分形理論作為土壤研究的一種有效工具，在土壤結(jié)構(gòu)、土壤特性及土壤空間變異規(guī)律等方面得到廣泛應(yīng)用[6-13]。其中，土壤顆粒分形維數(shù)不僅能夠表征土壤顆粒分布特征和土壤質(zhì)地均勻程度，還可以反映土壤侵蝕程度，土壤顆粒分形維數(shù)影響因素的諸多研究表明，分形維數(shù)與土地利用方式、植被類型、母質(zhì)特征等密切相關(guān)[3,14-19]。

大型水庫(kù)消落帶遭受周期性淹沒(méi)—出露變化帶來(lái)的極端干濕交替作用，其土地利用、植被、土壤特性在短期內(nèi)發(fā)生較大變化，上述水土環(huán)境的變化和特殊的水動(dòng)力條件可能導(dǎo)致消落帶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[20-23]。目前利用土壤顆粒分形維數(shù)探討陸地坡面土壤性狀的研究較多[24-26]，但針對(duì)紫色土尤其是周期性淹水出露過(guò)程影響下的水庫(kù)消落帶土壤顆粒組成特征研究較少。因此，本文以三峽水庫(kù)消落帶紫色土為研究對(duì)象，探討近10 a來(lái)周期性淹水作用下其土壤顆粒組成空間分異，探討土壤顆粒體積分形維數(shù)與海拔高程、土層深度、顆粒體積含量間的相關(guān)性，為消落帶土壤侵蝕過(guò)程機(jī)理研究和水土保持措施優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫(kù)區(qū)腹地重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)庫(kù)段(107°32′—108°14′E, 30°03′—30°35′N)，地勢(shì)較為平坦，呈典型的丘陵地貌。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 172.1 mm，雨熱同期，降雨多集中在5—9月[27]。區(qū)域內(nèi)出露巖層為第四系殘積土層及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂泥巖，主要土壤類型為紫色土，在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類中屬于正常新成土，為易蝕性土壤[28]。受人為清庫(kù)和初期淹水的影響，消落帶現(xiàn)有植被以一年生和多年生草本植物為主，主要為空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、狗牙根(Cynodondactylon)、雙穗雀稗(Paspalumpaspaloides)、馬唐(Digitariasanguinalis)和蒼耳(Xanthiumsibiricum)等[27]。

1.2 土壤樣品采集

2016年9月水庫(kù)蓄水前在忠縣石寶鎮(zhèn)共和村庫(kù)段選取生境類型相似的紫色土岸坡，布設(shè)樣地采集土壤樣品，樣地內(nèi)的土地利用類型在人為清庫(kù)前為旱地，淹水后為以狗牙根為主的草地。為表征消落帶不同海拔高程土壤所受庫(kù)水壓力、淹水時(shí)間和干濕循環(huán)幅度等明顯的空間分異特點(diǎn)，本文以5 m為間隔，分別在150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m布設(shè)樣地，每個(gè)海拔設(shè)置3個(gè)樣地，采集上層(0—10 cm)和下層(10—20 cm)的土壤，其中以未淹水海拔高程180 m的土壤作為對(duì)照，樣地概況見(jiàn)表1。每個(gè)樣地用五點(diǎn)采樣法采集1 kg左右土壤樣品并混合均勻，帶回實(shí)驗(yàn)室，挑去其中的石塊和粗根等雜物，自然風(fēng)干后經(jīng)過(guò)研磨、過(guò)篩等前處理，用于室內(nèi)測(cè)試分析。

表1 不同水位高程樣地概況

1.3 樣品測(cè)定與指標(biāo)計(jì)算

土壤顆粒組成采用MasterSize 2000型激光粒度分析儀測(cè)定，根據(jù)美國(guó)制劃分標(biāo)準(zhǔn)將土壤粒徑分為以下7個(gè)級(jí)別，0～0.002，0.002～0.05，0.05～0.1，0.1～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm，其中砂粒為0.05～2 mm，粉粒為0.002～0.05 mm，黏粒為<0.002 mm。

土壤顆粒分形維數(shù)采用體積分形維數(shù)表示[29]，將以上7個(gè)粒徑數(shù)據(jù)帶入以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中:r為土壤顆粒粒徑(mm);R為某區(qū)間的代表粒徑,通常用該區(qū)間上下限的算術(shù)平均值表示;V(r

公式(1)與楊培嶺等[30]及Tyler等[31]所建立的質(zhì)量分形維數(shù)計(jì)算公式在表達(dá)上類似，但不同的是此公式用體積代替質(zhì)量，從而完美避開(kāi)需做不同粒徑具有相同密度的假設(shè)，使得此公式更加符合實(shí)際情況，所得結(jié)論更具說(shuō)服力。

為方便計(jì)算時(shí)，兩邊需同時(shí)建立對(duì)數(shù)表達(dá)式，公式如下：

(2)

對(duì)公式(2)進(jìn)行線性回歸后，得到擬合的直線斜率，該斜率為公式中的3-D，從而求出D值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔高程上的土壤顆粒組成

由圖1可知，消落帶各海拔高程土壤中粉粒含量均為最高，占土壤顆粒的72.6%～86.5%；其次是砂粒含量，含量最少的為黏粒，占比為2.13%～3.44%。土壤黏粒、粉粒和砂粒含量在不同海拔高程上均有顯著差異(p<0.01)?？偟膩?lái)看，粉粒含量與海拔高程呈正相關(guān)關(guān)系，隨著海拔高程的增加，土壤粉粒含量逐漸增大，其中150～165 m區(qū)間增長(zhǎng)速度較快，之后增長(zhǎng)速度減緩；而砂粒含量與海拔高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著海拔梯度的增加，土壤砂粒含量逐漸減小，減小速度先快后慢，其中175 m高程土壤砂粒含量為150 m高程土壤砂粒含量的41.3%。黏粒含量與海拔梯度的關(guān)系由圖1可看出，在150～165 m區(qū)間上，隨著海拔高程的增加，黏粒含量逐漸增加，但增長(zhǎng)幅度較小，在165 m黏粒含量達(dá)到最高后增長(zhǎng)停滯，隨后黏粒含量趨于平穩(wěn)，變動(dòng)較小。中值粒徑介于10.6～20.36，并與海拔高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著海拔的增大，中值粒徑不斷減小。

圖1 不同高程土壤各顆粒體積含量分布特征

未淹水對(duì)照樣地(海拔180 m)粉粒含量占比最大，占比為88.18%；黏粒含量占比最小，為3.65%；相較于消落帶土壤，180 m高程對(duì)照樣地土壤粉粒、黏粒含量均達(dá)到最大，分別增加5.76%～35.10%和1.89%～17.62%；而砂粒含量達(dá)到最小，相較于消落帶土壤減少26.38%～205.95%。同時(shí)，海拔180 m中值粒徑最小，為10.6。

2.2 不同土層間的土壤顆粒組成

土壤顆粒體積含量在土層間無(wú)顯著差異(p>0.01)，但同一海拔高程內(nèi)，0—10 cm黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土層；0—10 cm土層砂粒含量大于10—20 cm土層(圖2)。從黏粒含量來(lái)看，0—10 cm和10—20 cm土層土壤黏粒含量均在165 m處達(dá)到最大，分別為3.52%與3.61%，最小值分別出現(xiàn)在海拔150 m與155 m處，與最大值分別相差58.68%與32.01%。從粉粒含量來(lái)看，兩層土壤粉粒含量均在175 m達(dá)到最大，分別為86.17%與86.87%，最小值出現(xiàn)在海拔150 m與160 m處，與最大值分別差22.85%與11.57%。與黏粒、粉粒含量相反，0—10 cm和10—20 cm土層土壤砂粒含量最大值均出現(xiàn)在低海拔區(qū)域，分別在海拔150 m(32.06%)與155 m(19.93%)處，而最小含量均出現(xiàn)在海拔175 m處，與最大含量分別相差72.43%與62.40%。對(duì)照組180 m兩層土壤顆粒變化規(guī)律與其他高程一致，0—10 cm土層的黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土層的黏粒、粉粒含量，而0—10 cm土層的砂粒含量大于10—20 cm土層的砂粒含量。

圖2 0-10 cm，10-20 cm土層土壤各顆粒體積含量分布特征

2.3 土壤體積分形維數(shù)空間分布特征

土壤體積分形維數(shù)在不同海拔高程上具有顯著差異(p=0.008<0.01)，其中150 m與155 m海拔土壤體積分形維數(shù)最小，均為2.50；160～175 m體積分形維數(shù)次之，介于2.54～2.58；180 m對(duì)照樣地土壤體積分形維數(shù)最大，為2.59。海拔高程與土壤體積分形維數(shù)的線性回歸關(guān)系表明(圖3)，土壤顆粒體積分形維數(shù)與海拔高程呈正相關(guān)關(guān)系，隨高程增加，土壤顆粒體積分形維數(shù)呈線性上升趨勢(shì)，其中R2為0.74。

圖3 不同高程土壤顆粒體積分形維數(shù)

0—10 cm土層土壤顆粒體積分形維數(shù)的最小值、最大值、均值分別為2.45，2.58，2.54，均小于10—20 cm土層土壤(分別為2.51，2.60，2.56)，上下兩層土壤顆粒體積分形維數(shù)的變異系數(shù)分別為1.90，1.02，均屬于弱變異性，離散程度較低?？梢?jiàn)，土壤體積分形維數(shù)在不同土層上無(wú)顯著性差異(p=0.212>0.01)，即土層深度對(duì)土壤體積分形維數(shù)的影響不顯著。

2.4 體積分形維數(shù)與土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)與體積分形維數(shù)的線性關(guān)系見(jiàn)圖4，結(jié)果表明，黏粒體積分?jǐn)?shù)與體積分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，即隨著黏粒體積分?jǐn)?shù)的增加，土壤顆粒體積分形維數(shù)增大；粉粒體積分?jǐn)?shù)與體積分形維數(shù)呈正相關(guān)，且正相關(guān)性極顯著(p<0.01)。而砂粒與體積分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，即隨著砂粒含量增大，體積分形維數(shù)減小。在相關(guān)性強(qiáng)度上，黏粒與體積分形維數(shù)的線性相關(guān)性最強(qiáng)(R2=0.96)，即體積分形維數(shù)對(duì)黏粒含量的變化最敏感，其次是砂粒(R2=0.78)，粉粒與體積分形維數(shù)的線性相關(guān)性最弱(R2=0.73)。

圖4 各顆粒體積分?jǐn)?shù)與體積分形維數(shù)的關(guān)系

3 討 論

消落帶環(huán)境的特殊性不利于保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤顆粒組成存在明顯的空間分異，總體來(lái)看，三峽水庫(kù)消落帶土壤顆粒組成分形維數(shù)隨海拔升高而增大，最大值出現(xiàn)在165 m處(圖3)，表明此海拔的土壤侵蝕程度較其他海拔更低。研究表明消落帶土壤侵蝕速率的波動(dòng)模式與特定水位停留時(shí)間的波動(dòng)模式一致，且最低和最高海拔附近的停留時(shí)間明顯長(zhǎng)于其他海拔[32]，侵蝕強(qiáng)度也高于其他海拔，因此165 m高程上的土壤侵蝕程度較其他海拔的土壤侵蝕更小，與本研究結(jié)論相似。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，體積分形維數(shù)在各海拔區(qū)間的大小依次為：160～165 m海拔區(qū)間、170～175 m海拔區(qū)間、150～155 m海拔區(qū)間，即160～165 m海拔區(qū)間上土壤黏粒、粉粒含量最多，出現(xiàn)這種規(guī)律的原因可能與消落帶上復(fù)合侵蝕營(yíng)力下發(fā)生的搬運(yùn)—沉積過(guò)程有關(guān)。消落帶上部(170～175 m)主要以降雨徑流侵蝕為主，其表層土壤的細(xì)小顆粒在降雨沖刷過(guò)程中被水流搬運(yùn)，逐漸在消落帶中部(160～165 m)沉積，使得粘、粉粒含量在消落帶中部增多而在消落帶上部減少；同時(shí)，消落帶下部(150～155 m)淹水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、淹水頻率較高，土壤所受水位變動(dòng)的影響較大，加之強(qiáng)烈的波浪侵蝕，易發(fā)生土壤侵蝕，導(dǎo)致表層細(xì)顆粒被水沖刷，隨水流遷移至下游地區(qū)后逐漸沉積，導(dǎo)致消落帶土壤顆粒組成的空間變異。

研究表明，土壤體積分形維數(shù)一定程度上可以反映水土流失的程度[33]，體積分形維數(shù)越小就越易發(fā)生水土流失。消落帶樣地周邊區(qū)域的相關(guān)研究表明[34]，忠縣石寶鎮(zhèn)紫色土坡耕地表層0—20 cm土壤體積分形維數(shù)介于2.64～2.66，均高于本研究中消落帶草地表層土壤體積分形維數(shù)，同時(shí)本次研究中未淹水區(qū)(180 m)土壤顆粒的體積分形維數(shù)大于消落帶內(nèi)部區(qū)域，因此可以表明消落帶比周圍地區(qū)更易發(fā)生水土流失，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)消落帶內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)高于周圍環(huán)境16倍[35]，水土流失程度更高，與本次研究結(jié)論相似。造成這種差異的原因可能是水庫(kù)消落帶與陸地環(huán)境不同，經(jīng)歷反復(fù)淹水過(guò)程，使得消落帶原有植被消亡或減少，逐漸由多年生植被轉(zhuǎn)為一年生植被，植被固土能力減弱，土壤抗侵蝕性能降低，且在周期性淹水—落干過(guò)程中受到多營(yíng)力復(fù)合侵蝕[35]、坡面泥沙輸移等過(guò)程的影響，造成土壤細(xì)顆粒和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量流失，砂粒含量增多，土壤體積分形維數(shù)減小。而研究區(qū)域三峽水庫(kù)消落帶屬于河谷氣候，在暴雨和高溫的作用下，土體含水量易發(fā)生飽和—不飽和—飽和的快速變化，且反復(fù)淹水改變土壤理化性質(zhì)，土壤黏聚力和抗剪強(qiáng)度下降[36]；淹沒(méi)期的波浪侵蝕、落干期的降雨徑流，以及由重力或機(jī)械力控制的堤岸坍塌等不同類型的侵蝕共同作用，易造成消落帶水土流失程度較其他地區(qū)更高[37]。

土壤顆粒組成分形特征可反映土壤質(zhì)地均勻程度和土壤侵蝕程度，且因土地利用類型或方式的不同而異，比如，林地、草地等非耕作土壤的體積分形維數(shù)分別為2.783，2.894，低于坡耕地(2.963)等耕作土壤[16]，表明林地的土壤結(jié)構(gòu)更好，主要原因?yàn)榱值?、草地根系發(fā)育較好，具有較好的群落結(jié)構(gòu)，豐富的根系不僅有良好的固土作用，同時(shí)大量的凋落物也為微生物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分使其分泌大量物質(zhì)，促進(jìn)土壤顆粒間的粘結(jié)，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而坡耕地由于長(zhǎng)期的人為耕作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和植物根系遭受破壞，同時(shí)由于周期性的翻耕使得根系難以在短時(shí)間恢復(fù)，造成有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤顆粒的粘結(jié)作用不明顯，因此坡耕地土壤以細(xì)顆粒為主。

4 結(jié) 論

(1)消落帶表層0—20 cm土壤粒徑以粉粒為主，占土壤顆粒的72.6%～86.5%，其次是砂粒含量，最小的為黏粒含量；對(duì)照組180 m海拔高程上，粉粒含量占比最大，占比為88.18%；黏粒含量占比最小，為3.65%，相較于其他高程，180 m海拔高程粉粒、黏粒含量分別增加5.76%～35.1%和1.89%～17.62%，砂粒含量減少26.38%～205.95%；同時(shí)180 m內(nèi)部土壤顆粒占比差異較大，粗化情況明顯。

(2)消落帶土壤顆粒組成在海拔上的變化趨勢(shì)為黏粒含量、粉粒含量與海拔梯度呈正比關(guān)系(黏粒增長(zhǎng)幅度較小)，砂粒含量與海拔梯度大體呈反比關(guān)系，其中175 m高程土壤砂粒含量為150 m高程土壤砂粒含量的41.3%；同時(shí)，土壤顆粒組成在不同海拔高程存在較大差異(p<0.01)，但在土層深度上無(wú)顯著差異(p>0.01)。

(3)海拔高程、土層深度與土壤體積分形維數(shù)的關(guān)系為：土壤顆粒體積分形維數(shù)在不同海拔高程具有明顯異質(zhì)性，且與海拔高程呈正相關(guān)，總變化趨勢(shì)為隨著高程增加，土壤顆粒體積分形維數(shù)呈線性上升趨勢(shì)(R2=0.74)；不同土層之間具有弱變異性(Cv<2)，土層深度對(duì)體積分形維數(shù)的影響不顯著(p>0.05)。

(4)土壤顆粒體積分形維數(shù)與黏粒、粉粒含量的關(guān)系均呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，即隨著黏粒、粉粒含量的增加，土壤顆粒體積分形維數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而體積分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)；在相關(guān)性強(qiáng)度上，黏粒與體積分形維數(shù)的線性相關(guān)性最強(qiáng)，其次是砂粒，相關(guān)性最弱的為粉粒。