沂蒙山区小流域坡耕地土壤颗粒结构与养分退化特征

单桂梅，张春平，刘霞†，吴迪，张光灿，姚孝友，杨韶洋，王静

(1.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，山东农业大学林学院水土保持系，国家林业局泰山森林生态站，271018，山东泰安;2.水利部淮河水利委员会水土保持监测中心站，233001，安徽蚌埠)

土壤是由大小、形状不同的固体组分和孔隙以一定的形式连结所形成的多孔介质，具有极不规则几何形状、自相似结构和一定的分形特征［1］。分形理论自产生后发展迅速，分形、分维在描述复杂几何形状方面的优势越来越显著。利用这一理论展开的对土壤结构分形特征与土壤性质间关系的一系列研究［1-3］，揭示了土壤分形特征的内涵，并通过土壤分形特征描述土壤属性和土壤结构;因此，通过分形定量化描述坡耕地土壤颗粒结构的非均匀性、复杂性程度，明确土壤颗粒结构分形特征参数的定量关系，在探究人为作用因素与土壤结构组成分形之间的关系上具有重要的应用价值。

近年来，国内外学者利用分形理论对土壤颗粒分布特征进行了研究。继B.B.Mandelbrot在1983年首先建立了二维空间的颗粒大小分形特征模型之后，D.L.Turcotte提出了利用重量分布与平均粒径间的关系计算土壤团聚体分形维数的方法［2-3］，S.W.Tyler等［2-3］和杨培岭等［1］在此基础上建立的三维空间的土壤颗粒质量分形模型，同样适用于计算土壤团聚体的分形维数;但土壤颗粒质量分形模型的提出是基于不同粒级土壤颗粒具有相同密度这一不合理假设条件的，因此受到一些学者的质疑。随着土壤颗粒测定方法和精度的提高，其颗粒体积的大小和数量可以利用激光衍射技术准确测量。王国梁等［4］提出了土壤颗粒体积分形维数的概念，并用土壤颗粒体积分形模型对茶园、菜地和农田土壤剖面上颗粒体积分形维数变化进行了分析，认为土壤颗粒体积分形维数比质量分形维数更具合理性［4-5］。

坡耕地作为一种农业用地类型和耕地资源，不仅生产力低下，而且是水土流失的主要策源地。目前，我国关于不同土地利用类型土壤退化及物理、化学和生物过程及其相互作用的研究已经取得了重要进展［6-10］，在研究区域上，以南方红壤丘陵区和北方黄土丘陵区的研究成果［6-9］较多。马云等［10］研究了不同土地利用方式下坡面土壤养分分布特征，发现不同坡位坡耕地的有机质和全量养分含量要低于有林地，但速效养分要远远高于其他土地利用类型。陈冲等［11］研究了红壤丘陵区典型区域耕地土壤养分含量与坡度和坡向空间变化关系后，得出随坡度增大土壤有机质和全氮含量升高，而全磷和有效磷含量降低，全钾含量不随坡度变化的结论。严风硕等［12］研究了不同土地利用方式下紫色土坡地水土流失特征，认为在相同降雨条件下，裸地小区、坡耕地小区、自然草地小区的径流、泥沙流失量依次减少。目前，对沂蒙山区等典型北方土石山区土壤退化的研究相对较少，未见关于坡耕地及退耕后土壤结构分形特征的研究，坡耕地土壤结构与养分退化程度及其二者的关系还不清楚。为此，笔者以沂蒙山区小流域不同坡度坡耕地、弃耕地和生态林地为研究对象，通过测定不同土地利用类型、不同坡度坡耕地土壤颗粒分维与养分状况，研究坡耕地土壤颗粒结构和养分退化的程度及其与坡度的关系，为深入了解坡耕地土壤退化特征及其定量化评价提供参考。

1 研究区概况

研究地点位于沂源县东北部的孟坡小流域。沂源县地处山东省中部，E117°54′～118°31′，N35°55′～36°23′，总 面 积 1 636 km2，人 口 约 56 万，耕 地3万4 667 hm2，人均耕地面积少，后备土地资源不足，土地的承载力已接近饱和，人地矛盾十分突出。属暖温带季风区域大陆性半湿润气候，年平均气温11.9℃，无霜期189 d，年日照时间2 660.6 h，多年平均降水量690.9 mm，年最大降水量1 616.7 mm，年最小降水量442.5 mm，7—9月降雨最为集中，占全年的51.7% 。孟坡小流域海拔420～475 m，自然坡度5°～30°，基岩为花岗片麻岩，土壤类型为棕壤，质地粗，土层瘠薄，植被覆盖度低，生物多样性单一，水土流失严重。主要土地利用类型有耕地、荒草地、生态林地等。主要植物有刺槐(Robinia pseudoacacia)、赤松(Pinus densiflora)、苹果(Malus pumila)、荆条(Vitexnegundo heterophylla)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、白茅(Imperata cylindrica)、早熟禾(Poa annua L)、鹅观草(Roegneria kamoji Ohwi)、艾蒿(Artemisia argyi)、荩草(Arthraxon hispidus)等。

2 材料及方法

2.1 试验样地

在小流域内选取不同坡度坡耕地、弃耕地、生态林地3种土地利用类型(表1)，其中坡耕地耕作年限约25 a，弃耕地退耕年限6～8 a，生态林地林分为人工刺槐纯林，20世纪80年代末在退耕坡地上栽植，林下有少量灌草和枯落物。

2.2 研究方法

在选取的实验观测地内设置面积20 m×20 m的样地，海拔在425～450 m范围内，坡向为阳坡或半阳坡。在坡上、中、下3个坡位选取样点，每个试验样点重复3次取样，均匀挖取0～20 cm土层内土壤样品，将同一样地(3个样点)的土壤样品混合均匀后，进行风干处理。

表1 样地基本情况Tab．1 Survey of different land-uses in the study area

2.2.1 土壤颗粒粒级的测定 利用美国贝克曼库尔特公司生产的LS13320激光粒度仪测定土壤颗粒体积分数。先将土壤样品中大于2 mm的石砾筛出，取初次筛分土样0.3 g放入50 mL试管中，加入10 mL 10%的H2O2水浴，加热充分反应除去样品中的有机质，加入10 mL 10%的HCl煮沸，充分反应除去碳酸盐。再将试管中注满去离子水并静置12 h，反复静置抽除上层清液除酸至pH值为6.5～7.0。加入10 mL 0.1 mol/L的六偏磷酸钠并用超声波清洗机振荡10 min后，使用激光粒度仪测量颗粒组成。

土壤颗粒粒度分级根据美国农部制土壤质地分类系统［13］，将土壤粒径分为以下7个级别，2～1、1～0.5、0.5 ～0.25、0.25 ～0.1、0.1 ～0.05、0.05～0.002、＜0.002 mm。

2.2.2 土壤颗粒分形维数的测定 采用王国梁等［4］提出的土壤颗粒体积分形维数概念，体积分形维数计算公式为

式中:V为粒径小于R的全部土壤颗粒的体积分数，%;r为土壤粒径，mm;VT为土壤颗粒的总体积分数，%;λV为在数值上等于最大粒径数;D为土壤颗粒的体积分形维数。

对上式两边取对数后转化为对数方程，将对数方程进行线性回归拟合，所得拟合方程的斜率即为上式中的3-D，从而可求出D值。

土壤养分测定均采用土壤农化分析法。有机质(SOM)质量分数采用重铬酸钾外加热氧化法测定;水解氮(AN)质量分数采用碱解扩散法测定;有效磷(AP)质量分数采用盐酸-硫酸浸提法测定;速效钾(AK)质量分数采用1 mol/L NH4Ac浸提，火焰光度计法测定。每次测定设置3组重复，取平均值进行分析。

通过Excel 2003、SPSS 19等相关软件对实验数据进行统计及其差异性(LSD多重比较法)、相关性(Pearson相关分析法)分析。

3 结果与分析

3.1 土壤颗粒组成特征及其分形维数

表2为土壤体积分形维数与各级颗粒体积分数。可知:不同土地利用类型土壤砂粒体积分数最高，为67.93% ～74.82%，平均70.73%，其中粗砂粒31.70% ～38.06%，细砂粒32.54% ～38.79%;石砾体积分数次之，为14.68% ～20.46%，平均17.48%;粉粒及黏粒体积分数最低，为8.08% ～13.66%、0.41% ～1.08%，平均 11.03%、0.76%。结果表明，研究区土壤具有北方石质山地所发育土壤砂粒体积分数高、细粒物质体积分数低、结构松散等典型的粗骨性特征［14］，砂砾化现象严重。按美国农部制分类标准［13］，其质地均属于砂土的范畴。

多重比较分析结果表明，除坡耕地与弃耕地、生态林地的粉粒体积分数差异显著(P＜0.05)外，其他各粒级颗粒体积分数差异不显著。对比3种土地利用类型中土壤颗粒体积分数发现:坡耕地石砾和砂粒体积分数最高(18.63%和72.30%)，而粉、黏粒体积分数最低(8.54%和0.54%);弃耕地的砂粒体积分数最低(69.56%)，黏粒体积分数最高(0.93%);生态林地石砾体积分数最低(15.36%)，粉粒体积分数最高(13.66%)。对比不同粒级颗粒体积分数发现，石砾、砂粒在弃耕地所占体积分数比低于坡耕地，低幅5%和4%，粉粒和黏粒反之，增幅38%和72%，说明坡耕地弃耕后人为和自然因素影响程度发生变化，土壤各个粒级都发生不同程度的变化，石砾、砂粒组成变化相对较小，主要表现在粉、黏粒上。同一土地利用类型不同坡度条件下，各粒级颗粒体积分数变化不一。坡耕地随着坡度的增加，石砾体积分数先减少后增加，砂粒体积分数增大，粉粒和黏粒体积分数减小;弃耕地随着坡度的增加，砂粒体积分数增高，粉、黏粒体积分数减小。

表2 土壤体积分形维数与各级颗粒体积分数Tab．2 Soil particle composition and particle fractal dimension %

从表2中可以看出，不同土地利用类型的土壤分形维数在2.18～2.38之间，平均值2.30，大小表现为生态林地＞弃耕地＞坡耕地，平均值分别为2.37、2.33、2.21，这一趋势与粉粒、黏粒体积分数变化一致。通过多重比较分析，坡耕地与弃耕地、生态林地的分形维数差异显著(P＜0.05)，其他土地利用类型间差异不显著。随着坡度的增加，坡耕地和弃耕地土壤颗粒体积分维数减小，减小幅度1% ～2%，说明坡度对砂质化土壤颗粒分形维数影响变化是缓慢的。通过相关性分析(图1)可知，颗粒分形维数与石砾、粗砂粒、细砂粒(0.25～0.1)粒级范围内颗粒体积分数呈负相关，与细砂粒(0.1～0.05)粒级颗粒体积分数呈正相关，相关性不显著，与粉粒、黏粒体积分数分别呈极显著(P＜0.01)和显著(P＜0.05)正相关，即土壤颗粒分形维数与＞0.1 mm粒级的颗粒呈正相关，与＜0.1 mm粒级的颗粒呈负相关。这一结果与王丽等［15］的研究成果一致，表明分形维数与土壤颗粒大小、数量及分布的均匀程度密切相关。土壤的颗粒越小、细粒体积分数越高，分形维数越大。分形维数随土壤质地由粗到细，呈现由小到大的变化趋势。

土壤颗粒组成除了继承了成土母质的类型和特点外，又受自然和人为因素影响［16］。研究区在较陡坡和陡坡地依然有坡耕地分布，坡耕地土壤结构松散，非毛管孔隙多，毛管孔隙少，蓄水保肥能力弱，加之耕作方式单一粗放，不良耕作习惯(如顺坡耕种、排灌等)促使土壤养分和粉、黏粒不断淋溶流失，导致团粒结构减少、质地粗化，进而分形维数降低［17-18］。相同坡度条件下，弃耕地和生态林地人为扰动强度小，植物通过与土壤之间的相互作用，促进土壤细粒物质发育，使颗粒组成细化，分形维数也会相应增大，同时枯落物不仅可以拦截黏粒等细粒物质，还可以增加土壤养分含量，有机质与黏粒胶结凝聚和沉积提高了分形维数［17］，土壤保土蓄水能力加强，土壤结构趋于稳定;赵勇刚等［18］、梁士楚等［19］也认为，有机体与环境之间的相互作用，影响了分形维数的大小。在由坡耕地向弃耕地演化的过程中，细粒物质体积分数逐渐升高，表层土壤逐渐发育，质地均一程度越来越差，土壤颗粒分形维数逐渐提高［10］。这进一步印证了土壤细粒物质和有机质体积分数对土壤质地的影响，因此坡耕地土壤质地相对其他土地利用类型粗化。

图1 土壤颗粒分形维数与各粒级颗粒体积分数相关关系Fig．1 Relationship between soil fractal dimension and volume particle size distribution

3.2 土壤养分特征及其与颗粒组成的关系

表3为不同土地利用类型土壤养分质量分数。可知，有机质质量分数在不同土地利用类型中大小趋势为坡耕地(平均15.92 g/kg)＜弃耕地(平均17.61 g/kg)＜生态林地(平均17.85 g/kg)。同一土地利用类型坡度不同时，坡耕地在坡度小于20°时有机质质量分数随坡度增加而减少，大于20°时反之。主要原因是，低坡度条件下，人为耕作干扰强度大，增施了有机肥等，而高坡度下管理粗放;弃耕地有机质质量分数随着坡度增加而减少;生态林地有机质质量分数与相同坡度弃耕地相比质量分数偏小1%，比相同坡度坡耕地质量分数大16.1%。

速效钾和有效磷质量分数在不同土地利用类型中变化趋势一致，大小依次为生态林地、坡耕地、弃耕地，速效钾平均质量分数77.76、66.60、65.00 mg/kg，有效磷平均质量分数 78.44、76.76、69.99 mg/kg。同种土地利用类型速效钾质量分数随坡度变化各异，坡耕地速效钾质量分数随坡度的增加先增多后减少，弃耕地速效钾质量分数随坡度的增加而减少。随坡度增加坡耕地中有效磷质量分数增加，弃耕地中质量分数减少。

水解氮质量分数在弃耕地中最高，坡耕地次之，生态林地最低，平均值分别为36.67、34.00和32.00 mg/kg。在坡耕地中随坡度增加而增加，在弃耕地10°～20°范围内差异较小，显著高于30°的弃耕地。

不同土地利用类型土壤养分质量分数与土壤颗粒各粒级体积分数间相关性分析结果见图2。可知，有机质质量分数与粗砂粒(0.5～0.25)粒级、细砂粒(0.25～0.1)粒级体积分数显著负相关(P＜0.05)，与粉粒、黏粒质量分数显著正相关(P＜0.05)。其他土壤养分质量分数与土壤颗粒体积分数相关性不显著。土壤颗粒分形维数与养分质量分数相关分析结果见图3。可知，土壤颗粒分形维数与有机质、速效钾质量分数正相关，相关性不显著，与有效磷和水解氮质量分数呈负相关，相关性不显著，有效磷质量分数与水解氮质量分数呈显著(P＜0.05)正相关。

表3 不同土地利用类型土壤养分质量分数Tab．3 Soil nutrients content of different land uses

4 结论与讨论

图2 有机质质量分数与土壤颗粒相关关系Fig．2 Relationship between soil organic matter content and particle size distribution content

图3 土壤颗粒分形维数与土壤养分质量分数相关关系Fig．3 Relationship between soil fractal dimension and soil nutrients content

1)研究区土壤颗粒分布均匀程度较低，具有典型的粗骨性砂土特征，表现为砂粒、石砾体积分数高、粉黏粒体积分数低、结构松散等特征。坡耕地的石砾、砂粒体积分数最高，而粉粒、黏粒体积分数显著低于弃耕地、生态林地，质地差。随坡度增加，坡耕地和弃耕地粉、黏粒体积分数均呈减小趋势。

2)坡耕地土壤颗粒分形维数显著低于弃耕地和生态林地，土壤颗粒分形维数随坡度增加呈减小趋势，与石砾、粗砂粒、细砂粒体积分数负相关，与粉粒、黏粒体积分数极显著和显著正相关。颗粒分形维数与有机质、速效钾质量分数成正相关，与有效磷和水解氮质量分数成负相关。

3)土地利用类型和坡度对土壤养分质量分数影响明显，不同土壤养分元素随土地利用类型和坡度变化表现出不同趋势。受人为耕作管理影响，坡耕地有机质和速效钾质量分数在坡度低于20°时随坡度增加减小，坡度大于20°时反之。弃耕地土壤养分质量分数随坡度增加而减少，坡耕地和弃耕地的土壤养分质量分数低于生态林地。土壤有机质与粗砂、细砂粒体积分数显著负相关，与粉粒、黏粒体积分数显著正相关。

土壤颗粒组成是土壤结构形成的重要基础，土壤作为一种具有自相似结构的多孔介质，具有一定的分形特征［1-3］。通过分维来描述、刻画土壤颗粒的粒径分布状况，现有的研究已经揭示了其分形维数在定量描述土壤质地类型、物理性状以及肥力特征等方面所具有的潜力［1-3］。由此可进一步研究土壤的其他物理化学性状及其对周边生态环境的指示意义［20-21］。王国梁等［4］、马云等［10］、刘霞等［22］研究发现，颗粒分形维数与土壤颗粒大小、数量及分布的均匀程度、土壤养分质量分数密切相关。土壤分形特征能够反映土壤的结构性状，表征土壤结构的变化［10］。分形维数随土壤质地由粗到细，呈现由小到大的变化趋势［15］。这与本研究的结果相印证。

已有研究证明，土壤颗粒分形维数可以表征土壤养分状况。陈小红等［23］、赵文智等［24］的研究结果表明，颗粒分形维数的变化很好地反映了土壤颗粒物质和养分的变化状况。土壤颗粒分形维数可作为衡量土壤结构、肥力状况及退化土壤恢复程度的指标之一。张世熔等［16］研究发现，分形维数与有机质、全N、全P、速效N、速效P及速效K质量分数呈显著的线性正相关;程先富等［25］的研究结果与之相反，他们发现随土壤颗粒分形维数的增加，土壤有机质质量分数减少。周先容等［26］研究发现，土壤颗粒分形维数与有机质质量分数的相关性不显著，并认为土壤颗粒分形维数对土壤养分指示作用可能具有很强的空间特异性，研究的尺度不同结论不同。这些研究对深入探讨分形学在土壤结构性状与土壤肥力特征的应用方面以及揭示土壤肥力特征的规律性方面具有十分重要意义，为定量化研究土壤分形特征参数提供了新途径。本研究结论表明，土壤颗粒分形维数能较好地表征土壤结构和养分变化，这与陈小红等［23］、赵文智等［24］、周先容等［26］的研究结果一致。不同研究结果的差异性可能与研究区域、植被类型、耕作强度等相关，进一步探讨土壤颗粒结构、分形维数与土壤养分质量分数间的定量化关系将有非常重要的意义。

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