卜慶雨 王秀偉 陳桂蘭 谷會巖

(東北林業(yè)大學,哈爾濱,150040)

土壤微團聚體,是有機-無機復合體經(jīng)過多次聚合而形成,以不同粒級微團聚體的形式組合在土體內(nèi),它的含量和分布對土壤一系列物理性質(zhì)都有重要影響[1]。微團聚體是土壤結(jié)構(gòu)形成的重要基礎(chǔ),其不同的粒級組成比例對土壤養(yǎng)分供給、改善土壤的通氣、滲水性、水力學性質(zhì)發(fā)揮著不同的作用[2-3],也是養(yǎng)分的主要載體[4],它對土壤物理性質(zhì)和植物生長具有良好的作用。

分形理論自上世紀70年代產(chǎn)生后發(fā)展迅速,在描述復雜幾何形狀方面的優(yōu)勢越來越顯著,很快引起了各個學科領(lǐng)域的關(guān)注。自20世紀80年代起,分形理論被應(yīng)用到土壤學科中[5],之后,Tyler et al.[6]、楊培嶺等[7]提出了土壤顆粒粒徑分布的質(zhì)量分形維數(shù)計算公式;這雖然為土壤值的合理表達提出了一種新的概念,但土壤顆粒質(zhì)量分形模型的提出,是依據(jù)不同粒級土壤顆粒具有相同密度這一不合理假設(shè)條件的,因此受到一些學者的質(zhì)疑。隨著土壤顆粒測定方法和精度的提高,其顆粒體積的大小和數(shù)量可以利用激光衍射技術(shù)準確測量。2005年,王國梁等提出了土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念,并用土壤體積分形模型對其進行分析驗證后認為,土壤顆粒體積分形維數(shù)比質(zhì)量分形維數(shù)更具合理性[8-9]。微團聚體分形維數(shù)能夠反映土壤顆粒大小和質(zhì)地組成特征,是描述土壤結(jié)構(gòu)的重要指標,也可以反映林地內(nèi)土壤物理、化學等變化特征[10]。因此,通過分形維數(shù)定量化描述坡林地土壤顆粒結(jié)構(gòu)的非均勻性、復雜性程度,明確土壤顆粒粒徑組成結(jié)構(gòu)和土壤特性的定量關(guān)系以及分形維數(shù)和主要養(yǎng)分在坡面的分布特征,在探究土壤結(jié)構(gòu)組成分形之間的關(guān)系方面具有重要的應(yīng)用價值。

東北黑土區(qū)不僅是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地,也是水土流失較為嚴重的區(qū)域之一[11]。水土保持林則是治理水土流失的有效生物措施[12]。目前,關(guān)于東北黑土區(qū)水土保持林坡林地的土壤微團聚體坡面分形特征研究的較少,為此,本研究在黑龍江省齊齊哈爾市克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場,選擇位置相鄰,坡度、坡向、坡長、林齡基本一致的樟子松水土保持林、楊樹水土保持林、坡耕地(對照)為研究對象;在選定的坡面上沿著和坡面等高線垂直的方向分別布設(shè)3條樣線,每條樣線從坡頂至坡底分別設(shè)置10個取樣點;使用環(huán)刀法,按照土層深度(h)采集土壤表層(0

1 研究地概況

研究地位于黑龍江省齊齊哈爾市克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(48°11′～48°24′N、125°7′～125°37′E),地處訥河市與克山縣交界處,位于松嫩平原東北部。屬于小興安嶺西南麓向松嫩平原過渡的典型黑土區(qū)核心地帶,地勢丘陵漫崗,地貌類型以漫川漫崗為主。海拔240～340 m。該區(qū)域土壤類型以黏化濕潤均腐土為主,只在部分低洼處鑲嵌分布少量的草甸土,屬典型黑土區(qū)。屬溫帶大陸性季風氣候,四季溫差大,霜凍早,低溫時間較長,嚴寒干燥。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與處理

在克山農(nóng)場選擇位置相鄰,坡度、坡向、坡長、林齡基本一致的樟子松水土保持林地、楊樹水土保持林地、坡耕地(對照)為研究對象,2022年8月份收獲農(nóng)作物之后,在選定的坡面上沿著和坡面等高線垂直的方向分別布設(shè)3條樣線作為3個重復,每2條樣線之間間隔3 m,每條樣線從坡頂至坡底分別設(shè)置了10個取樣點,每個取樣點之間間隔30 m。使用100 cm3的環(huán)刀,按照土層深度(h)采集土壤表層(0

2.2 土壤樣品指標及測定方法

采用激光粒度分布儀(BT-9300ST)測定土壤微團聚體的粒徑分布、比表面積,土壤粒徑分級采用美國農(nóng)業(yè)部制定的土壤粒級(d)標準：d<0.002 mm為黏粒、0.002 mm≤d<0.020 mm為細粉粒、0.020 mm≤d<0.050 mm為粗粉粒、0.050 mm≤d<0.100 mm為極細砂粒、0.100 mm≤d<0.250 mm為細砂(本研究中將0.050 mm≤d<0.250 mm統(tǒng)稱為砂粒)。pH,采用電位計法測定;全磷質(zhì)量分數(shù),采用硫酸-高氯酸消解鉬銻抗比色法測定;有效磷質(zhì)量分數(shù),采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法測定;全氮質(zhì)量分數(shù),采用半微量凱氏法測定;土壤密度、孔隙度,采用環(huán)刀法[13]測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)土壤微團聚體組成不同粒級的體積分數(shù),參考王國梁等[8]提出的分形模型,計算不同粒徑土壤微團聚體分形維數(shù)(D,以下將體積分形維數(shù)簡稱為分形維數(shù))。

計算關(guān)系式VR/VT=(R/λV)3-D,對公式兩邊取對數(shù)可得lg(VR/VT)=(3-D)lg(R/λV)。式中,λV為土壤顆粒分級中最大的粒徑、R為某一特定粒徑、VR為土壤粒徑小于D的顆?？傮w積、VT為土壤顆?？傮w積、D為土壤顆粒體積分形維數(shù)。然后分別以lg[V(r

通過Excel2010對實驗所得數(shù)據(jù)進行整理;用SPSS26.0軟件對所測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤微團聚體組成特征

運用回歸分析方法,計算出樟子松林地、楊樹林地、坡耕地(CK)土壤表層和下層微團聚體分形維數(shù)。本研究對土壤微團聚體不同粒級(d)范圍(d<0.002 mm、0.002 mm≤d<0.020 mm、0.020 mm≤d<0.050 mm、0.050 mm≤d<0.250 mm)占總體積比例(體積分數(shù))情況進行測定,對微團聚體組成粒徑進行分級(見表1),供試土壤的分形維數(shù)在2.404～2.431之間。3塊試驗地的微團聚體的組成比例較為相似,可以看出,本研究的2種水土保持林地和坡耕地,微團聚體的主要粒級為細粉粒和粗粉粒2個粒級。細粉粒體積分數(shù)最高(為40.47%～46.64%),土壤表層和下層細粉粒體積分數(shù)由大到小依次為對照樣地、樟子松林地、楊樹林地;其次是粗粉粒體積分數(shù)(為31.07%～35.04%),土壤表層粗粉粒體積分數(shù)由大到小依次為坡耕地、樟子松林地、楊樹林地,土壤下層粗粉粒體積分數(shù)由大到小依次為坡耕地、楊樹林地、樟子松林地;其余的黏粒和砂粒2個粒級占的比例很小,特別是黏粒體積分數(shù)僅為5.57%～6.36%,且在土壤下層樟子松林地、楊樹林地的土壤黏粒體積分數(shù)比坡耕地分別增加了11.05%、13.54%,土壤表層增加量較大。砂粒體積分數(shù)為12.72%～22.15%,各土層砂粒體積分數(shù)由大到小均依次為楊樹林地、樟子松林地、坡耕地。

表1 土壤微團聚體粒徑組成及體積分形維數(shù)

土壤分形維數(shù)是描述土壤物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的重要指標之一,通過分析土壤微團聚體粒級分布的分形維數(shù)可以定量了解土壤質(zhì)量特征。本研究中,坡耕地分形維數(shù)最低;這與任婷婷等[13]研究結(jié)果相反,該研究結(jié)果認為,在不同的土地類型中,由于坡耕地的人為影響因素導致坡耕地的大的顆粒被不斷細化,所以分形維數(shù)最大;產(chǎn)生這樣的結(jié)果,是研究地點不同導致結(jié)果有差異。本研究區(qū)坡耕地土壤結(jié)構(gòu)松散,加之單一的耕作方式,促使土壤養(yǎng)分和粉粒、黏粒不斷淋溶流失,致使小粒級結(jié)構(gòu)的減少、土質(zhì)粗化;此外,耕地現(xiàn)在難以通過秸稈焚燒的方式增加有機質(zhì),有機質(zhì)減少導致土壤的黏結(jié)作用降低[14],所以分形維數(shù)最低。本研究表明,土壤下層坡面分形維數(shù),水土保持林的明顯高于坡耕地的;是因為林地人為因素強度較小,且植物根系通過與土壤之間的相互作用,使微團聚體組成細化,同時枯落物也會攔截降雨,減少地表徑流[15],枯落物分解后還會增加土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),使土壤黏粒、粉粒增加[16],進而提高了分形維數(shù)。

3.2 土壤微團聚體粒徑組成與分形維數(shù)相關(guān)性

由表2可見：土壤下層的分形維數(shù),分別與黏粒、細粉粒體積分數(shù)呈顯著正相關(guān),與粗粉粒、砂粒體積分數(shù)呈顯著負相關(guān)。對于土壤表層,2種水土保持林地和坡耕地的分形維數(shù),都與黏粒體積分數(shù)呈顯著正相關(guān);坡耕地和楊樹林地的土壤分形維數(shù),與細粉粒體積分數(shù)呈顯著相關(guān);只有坡耕地土壤的分形維數(shù),與砂粒體積分數(shù)呈顯著負相關(guān)。

由圖1可見：黏粒、細粉粒體積分數(shù),與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān),其中,分形維數(shù)與黏粒體積分數(shù)決定系數(shù)(R2=0.977)最大,表明黏粒體積分數(shù)與土壤分形維數(shù)的相關(guān)性最強;分形維數(shù),與細粉粒、粗粉粒體積分數(shù)相關(guān)性不強;而砂粒體積分數(shù)與分形維數(shù)的決定系數(shù)為負數(shù),說明無函數(shù)線性關(guān)系。

圖1 分形維數(shù)與各粒級體積分數(shù)的相關(guān)關(guān)系回歸結(jié)果

微團聚體分形維數(shù)能夠有效地反映土壤微團聚體的顆粒組成和質(zhì)地特征,表現(xiàn)出土壤顆粒粒級越小、黏粒體積分數(shù)越高,土壤分形維數(shù)越高[17-19]。黏粒、細粉的體積分數(shù)越大,分形維數(shù)越大;粗粉粒、砂粒體積分數(shù)越大,分形維數(shù)越小。

土壤微團聚體是土壤自動調(diào)節(jié)能力的物質(zhì)基礎(chǔ)[20],其粒徑組成影響土壤的水分的分布和利用,進而對土壤的理化性質(zhì)也會產(chǎn)生影響。本研究表明,只有黏粒體積分數(shù)與分形維數(shù)全部呈顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)在0.964～0.999之間,線性擬合結(jié)果優(yōu)度也遠超于其他粒級。這表明,黏粒體積分數(shù)是反映土壤表面特性關(guān)系非常密切的,與其他粒級相比,黏粒的優(yōu)勢更明顯,其次是細粉粒體積分數(shù)。

3.3 土壤分形維數(shù)的坡面分布

由表3可見：樟子松林地、楊樹林地去除個別取樣點,整體趨勢表現(xiàn)為土壤下層分形維數(shù)大于土壤表層分形維數(shù),且土壤表層分形維數(shù)的數(shù)值波動大于土壤下層分形維數(shù)的數(shù)值波動。從林地類型分析,土壤表層,坡耕地、樟子松林地的分形維數(shù)整體趨勢較為平緩,楊樹林地分形維數(shù)在坡面呈波浪式上升。坡耕地的分形維數(shù)最低,樟子松林地、楊樹林地分形維數(shù)在各個取樣地點的上升和下降趨勢基本表現(xiàn)一致。

表3 各樣地土壤表層和下層分形維數(shù)的坡面分布

土壤下層的耕地微團聚體分形維數(shù)最低,樟子松林地微團聚體分形維數(shù)比楊樹林地微團聚體分形維數(shù)波動稍大。從坡頂至距坡頂180 m之間,樟子松林地和楊樹林地的微團聚體分形維數(shù)都是較平穩(wěn)的波動,在距坡頂180 m至距坡頂300 m之間,楊樹林地的微團聚體分形維數(shù)呈波浪上升趨勢,樟子松林地微團聚體分形維數(shù)則是先下降后上升,并且在距坡頂270 m時微團聚體分形維數(shù)達到最低點。土壤微團聚體分形維數(shù)越高,黏粒體積分數(shù)越高,越容易形成穩(wěn)定的團聚體,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[21-22]。土壤下層整個坡面,坡耕地的分形維數(shù)明顯小于樟子松林地、楊樹林地的分形維數(shù),這說明水土保持林的林下土壤的土質(zhì)優(yōu)于耕地。

3.4 土壤主要養(yǎng)分的坡面分布

由表4可見：全磷質(zhì)量分數(shù),在坡面上的分布趨勢較為穩(wěn)定,土壤表層、下層全磷質(zhì)量分數(shù),由大到小依次為耕地、楊樹林地、樟子松林地。

表4 各樣地土壤全磷質(zhì)量分數(shù)的坡面分布

由表5可見：土壤表層,楊樹林地的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)波動較大,耕地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較為平穩(wěn),樟子松林地的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢;土壤下層,楊樹林地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較為穩(wěn)定,樟子松林地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)整體偏下降趨勢。

表5 各樣地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的坡面分布

由表6可見：土壤表層、下層,土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)由大到小依次為耕地、樟子松林地、楊樹林地,且耕地的有效磷質(zhì)量分數(shù)遠超出林地,這是由于人為施肥因素的影響。

耕地的全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù),遠高于林地的全磷質(zhì)量分數(shù)。原因是人為因素影響過大,林地土壤下層的全磷質(zhì)量分數(shù)受坡面位置的影響更明顯,且波動較小,隨著距坡頂位置越來越遠,全磷質(zhì)量分數(shù)也隨之下降。根據(jù)有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)這3個指標的坡面分布特征,判斷楊樹林地、樟子松林地哪個樹種維持養(yǎng)分效果較好,但并不能直接說明哪種林地的好與壞;因為不同樹種制造利用養(yǎng)分的機制不同,不同類型的水土保持林養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)差異大[23]。

表6 各樣地土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)的坡面分布

3.5 3個樣地土壤微團聚體組成特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表7可見：本研究的樟子松林地、楊樹林地、坡耕地黏粒體積分數(shù),僅與全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān),與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關(guān);細粉粒體積分數(shù),與有效磷質(zhì)量分數(shù)、土壤密度、微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關(guān),與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、土壤pH、總孔隙度、全氮質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān);粗粉粒體積分數(shù),與有效磷質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、土壤密度呈顯著正相關(guān),與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、土壤pH、總孔隙度、全氮質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān);砂粒體積分數(shù),與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、土壤pH、總孔隙度、全氮質(zhì)量分數(shù)呈顯著正相關(guān),與有效磷質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、土壤密度、微團聚體顆粒比表面積呈顯著負相關(guān);分形維數(shù),僅與全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān),與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關(guān)。

表7 土壤微團聚體粒徑組成、土壤理化指標及微團聚體分形維數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果

土壤微團聚體粒級組成,影響土壤的質(zhì)地、養(yǎng)分等理化性質(zhì);分形維數(shù)對土壤的養(yǎng)分特征也具有一定的影響[24]。本研究中,各個粒級體積分數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性較強;分形維數(shù),僅與全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關(guān),與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關(guān),與其他理化指標均未達到顯著水平;土壤各養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的變化,對分形維數(shù)(D)沒有顯著影響。是因為本研究區(qū)地處黑土區(qū),近年來東北水土流失與土壤退化嚴重,本研究中的水土保持林為人工林,在植被恢復過程中土壤基本養(yǎng)分狀況得到改善;但土壤粒徑組成性狀卻不能及時得到改善[25]。不同的研究方法,研究區(qū)域和植被類型等因素的不同影響,使得研究結(jié)果也不盡相同,這也為進一步探討土壤質(zhì)量結(jié)構(gòu)、分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分間的定量化關(guān)系將有非常重要的意義。

4 結(jié)論

坡面主要土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),全磷質(zhì)量分數(shù)(土壤表層、下層),由大到小依次為耕地、楊樹林地、樟子松林地;有效磷質(zhì)量分數(shù)(土壤表層、下層),由大到小依次為耕地、樟子松林地、楊樹林地;有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),土壤表層由大到小依次為楊樹林地、樟子松林地、耕地,土壤下層由大到小依次為楊樹林地、耕地、樟子松林地。

分形維數(shù)與有效磷質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、微團聚體顆粒比表面積顯著相關(guān);分形維數(shù)在一定程度上可用于表征土壤的養(yǎng)分狀況。

土壤下層整個坡面,坡耕地的分形維數(shù)明顯小于樟子松林地、楊樹林地的分形維數(shù),說明水土保持林的林下土壤的土質(zhì)優(yōu)于耕地。

根據(jù)坡面土壤微團聚體分布特征及其趨勢、坡面養(yǎng)分分布特征綜合對比,楊樹林地土質(zhì)優(yōu)于樟子松林地。

目前關(guān)于不同土地利用類型的團聚體分形特征研究較多,這些研究也表示不同土地利用類型的粒徑組成差異較大;本研究選擇同一坡度、同一類型土壤的耕地與不同樹種林地,分析分形維數(shù)更具有可靠性。本研究樣地中的對照樣地為坡耕地,人為干擾因素較大,但研究中的粒徑組成及其與理化性質(zhì)的關(guān)系,可為今后黑土區(qū)的土壤質(zhì)量的改良與評價提供參考。