不同尺度下土壤粒径分布特征及其影响因子——以黄土丘陵沟壑区为例

赵明月, 赵文武,*, 刘源鑫

1 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京师范大学, 北京 100875 2 北京师范大学 资源学院, 北京 100875

不同尺度下土壤粒径分布特征及其影响因子
——以黄土丘陵沟壑区为例

赵明月1,2, 赵文武1,2,*, 刘源鑫1,2

1 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京师范大学, 北京 100875 2 北京师范大学 资源学院, 北京 100875

土地利用方式和环境因子是影响土壤粒径的重要因素，尺度不同其影响效应差异明显。研究不同尺度表层土壤粒径与土地利用、环境因子的关系对评价黄土丘陵沟壑区土壤物理性质具有积极意义。选择黄土丘陵沟壑区安塞集水区和沐浴小流域作为研究区，探讨两个尺度上表层土壤粒径含量、分布特征及其与土地利用类型和环境因子的关系。研究结果表明：(1)研究区域内表层土壤颗粒主要为砂粒和粉粒，在小流域和集水区尺度上，各粒径百分含量属于中等变异，D值为弱变异，但随着研究区由沐浴小流域变化到安塞集水区，粒径和D值的空间变异性均有所提高；(2)尺度不同，土地利用对土壤粒径的影响效应不同，在沐浴小流域不同土地利用类型的砂粒含量从高到低依次为荒草地>农用地>林地>灌木林地>园地，在集水区的变化顺序依次为荒草地>灌木林地>林地>农用地>园地，粉粒含量的次序均与砂粒相反，小流域土壤粒径分形维数D依次为灌木林地>荒草地>林地>园地>农用地，在安塞集水区为灌木林地>荒草地>农用地>林地>园地；(3)在沐浴小流域和安塞集水区，土壤颗粒分形维数与土壤砂粒、黏粒百分含量呈极显著正相关关系，与土壤粉粒百分含量呈极显著负相关关系，且砂质壤土D值高于壤土和粉壤土；(4)在沐浴小流域，植被盖度、相对海拔和坡位相对于土地利用类型、坡向和坡度对土壤粒径影响较大；而在安塞集水区植被盖度、土地利用类型和坡度对土壤粒径影响较大。

土地利用; 环境因子; 土壤粒径; 分形维数; 尺度

尺度是指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间维，往往以粒度和幅度来表达。尺度效应不仅依赖于事物的本身，而且与整个环境或背景有关[1-4]。土壤由不同粒级土粒组成，各粒级的含量差异很大。土壤粒径分布PSD)影响土壤的水力特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等，是土壤重要的物理特性之一[5-8]。由于成土母质、气候、地形、植被和人类干扰程度不同，不同尺度的土壤性质存在空间变异性。在较大尺度上，土壤主要受母质、气候、地形等因子的控制；在较小尺度上，主要受土壤特性、植被覆盖、微立地以及干扰的影响[9-10]。其中，土地利用方式和环境因子是影响土壤粒径的重要因素[11-13]。目前，国内外土壤粒径空间变异性的研究已有很多文献[14-18]，但是在不同空间尺度上讨论土壤粒径的空间分布还较为少见。从不同尺度上探讨土壤粒径的含量和空间变异性，分析表层土壤粒径含量及其与环境因子的关系，有利于从不同尺度系统把握土壤粒径的空间变异特征及影响因素。

黄土高原地区地形破碎，土地利用类型复杂多样，土壤侵蚀程度差异较大。对于该地区土壤物理性质的研究较多，但主要集中于特定区域不同土地利用类型下土壤的物理性质差异研究，而忽略不同尺度间的对比分析。本研究选择黄土丘陵沟壑区安塞集水区和集水区内的沐浴小流域，从两个尺度上分析土壤粒径与环境因子的关系，以期为黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀的防治和土地利用结构调整提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安塞集水区和沐浴小流域地处黄土高原腹地(108°5′44″—109°26′18″E，36°30′45″—37°19′3″N)，地形地貌复杂多样，梁峁起伏、沟壑纵横，属典型的黄土丘陵沟壑区。该区域属中温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温8.8 ℃，年平均降水量505.3 mm，其中74%集中在6—9月。集水区面积1334.00 km2，属于强度水土流失区，也是西北典型的生态环境脆弱区。土壤以黄绵土为主，约占总面积的95%。土壤成土母质主要有黄土和洪积冲积两大类，黄土土层深厚，质地组成以粉沙为主，抗蚀能力低。沐浴小流域位于安塞县郝家坪乡，面积1.30 km2，是安塞集水区的典型小流域。该小流域地处安塞集水区中游，土地利用方式以农耕地、林地、荒草地、灌木林地为主，农耕地面积较小且分布零散，总体人为干扰较少。

1.2 土壤采样

根据土地利用、地形、土壤特征等因素，综合考虑流域水系分布与道路可达性，经实地踏勘于2012年7、8月在安塞集水区和沐浴小流域分别选取了79、35个采样点。每个样点内设置5个重复随机采样。土壤粒径采用比重计法测定。样点分布情况见图1[19]，样点的土地利用类型和坡位分布情况见表1。

图1 研究区位置示意和采样点分布图Fig.1 Location of study area and the distribution of sampling sites

表1 采样点在土地利用类型及坡位上的分布

1.3 分形维数计算与统计分析

杨培玲等[20]将Katz的计算方法进行了改进，通过粒径分布与对应的重量分布相联系，提出了用粒径重量分布资料表征的土壤分维模型。本研究根据此模型，计算方法如下：

假定由大于某一粒径Ri(Ri>Ri+1,i=1,2,3,…,i)的土粒构成的体积V(r>Ri)可表示为：

V(r>Ri)=Cv[1-(Ri/λv)3-D

(1)

式中，Ri是特征尺度，Cv，λv是描述颗粒形状、尺度的常数。

当Ri=0时，(1)式变为计算全部土壤颗粒总体积VT，即V(r>Ri) =VT=Cv

当Ri=Rmax(Rmax为最大粒径)时，λv=Rmax

因此有：

(2)

调整(2)式可得：

(3)

对上式两边同时取对数，即可得到土壤颗粒组成的分形维数计算公式：

(4)

采用SPSS 18.0对表层土壤容重和粒径进行描述性统计分析，采用CANOCO 4.5[20-21]对土壤分形维数、粒径和土地利用及环境因子之间的关系进行典范对应分析分析(CCA)[22]。CCA分析需要两个矩阵，其一是物种数据矩阵，即本研究中的土壤粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量和分形维数D，其二是环境因子数据矩阵，即本研究中的土地利用类型和环境因子。

2 结果与分析

2.1 不同尺度土壤粒径和土壤颗粒分形维数特征分析

对土壤粒径和分形维数进行描述性统计(表2)。由表2可知，研究区域内表层土壤颗粒以砂粒和粉粒为主，其中沐浴小流域的土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为50.27%、38.83%和10.89%；安塞集水区表层土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为46.20%、43.06%和10.74%。在小流域和集水区尺度上，各粒径百分含量空间差异性不大，属于中等变异(10%

根据粒径分级及公式(2—4)，对粒径进行分形维数的计算，得到土壤PSD分形维数D值。沐浴小流域D值介于1.86—2.55之间，平均值为2.14，变异系数为7.01；安塞集水区D值介于1.71—2.55之间，平均值为2.09，变异系数为7.66。在不同研究尺度D值均属于弱变异性，但随着研究区由沐浴小流域到安塞集水区，各粒径含量和D值的空间变异系数均有增加。

表2 土壤粒径和分形维数的描述性统计

2.2 不同土地利用类型的土壤粒径分布与分形特征

不同土地利用类型的土壤粒径和分形维数见表3。由表3可知，不同土地利用类型下的砂粒含量在沐浴小流域含量从高到低依次为：荒草地>农用地>林地>灌木林地>园地，在集水区的次序为：荒草地>灌木林地>林地>农用地>园地；在两个研究区粉粒含量在不同土地利用类型下的次序均与砂粒相反。黏粒含量变化幅度不大。在沐浴小流域，灌木林地的D值最高(2.18)、荒草地其次(2.17)、农用地最低(2.09)，D值从高到低依次为灌木林地>荒草地>林地>园地>农用地。在安塞集水区，依然是灌木林地的D值最高(2.11)，园地最低(2.06)，从高到低依次为灌木林地>荒草地>农用地>林地>园地。

土壤理化性质的变异大部分由土地利用类型变化引起，许明祥等[13]在对黄土丘陵沟壑区土壤理化性质空间变异性研究中，发现土地利用类型可以解释97%的土壤质量指标的变异性，即土地利用类型是黄土丘陵区土壤理化性质变异的主导因子。在本研究中，不同土地利用类型结合植被盖度，在不同尺度上对表层土壤分形维数的影响作用不同。随着研究区由小流域到集水区，不同土地利用类型的分形维数D是降低的。总体趋势是：植被盖度大，分形维数越高。研究区的样本土壤中黏粒含量均<15%，属于砂质土壤。这类土壤砂粒含量较高，透水性好，保蓄性差。灌木林地和荒草地砂粒含量高于灌木林地和林地，这是由于林地和灌木林地通过冠层截留降低降雨侵蚀力影响水土流失，加上枯枝落叶层对表层土壤的保护，表层土壤中细颗粒含量较多，砂粒含量较低。

表3 不同尺度土地利用类型的土壤粒径分布和分形维数

研究区农用地主要种植玉米，由于人为干扰剧烈，虽然有施肥投入，但由于频繁土壤耕作和收获等因素影响，土壤表层疏松、水土流失严重，进而导致砂粒与粉粒的含量比较高，而黏粒含量比较低。灌木林地、林地和荒草地的土壤机械组成表现出较大的尺度差异，在小流域，灌木林地的砂粒含量占51.50%，远高于粉粒含量37.05%，而在集水区尺度上，砂粒含量和粉粒含量分别为44.21%和44.14%；在小流域，林地的砂粒含量为48.83%，高于粉粒含量40.38%，在集水区尺度，砂粒和粉粒含量分别为46.45%和43.17%；在小流域，荒草地的砂粒和粉粒含量分别为52.54%和36.51%，集水区分别为47.41%和41.87%。

黏粒含量的变异性较低，采样点中园地的黏粒含量最高，灌木林地和荒草地的黏粒含量高于林地和农用地。集水区林地、灌木林地以及荒草地发育较好，且在集水区西南和东北部有大量封育林场，荒草地植被覆盖度也较高。一方面由于山坡上部冲刷而来的细土粒在林地沉积，另一方面林地、灌木林地和荒草地表层植被覆盖度大，枯枝落叶和有机质含量丰富，腐殖化作用明显，具有明显的保持水土和改良土壤结构功能，所以黏粒含量较高。园地土壤机械组成的尺度差异不明显，这可能与小流域园地采样不足有关。

2.3 不同尺度表层土壤颗粒的分形维数与土壤粒径的关系

从分形维数的计算过程可知，D值与土壤颗粒粒径由大到小的累积含量有关，为了进一步探寻土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒组成之间的关系，对土壤颗粒体积百分含量与分形维数进行Pearson相关性分析。分析表明，在沐浴小流域和安塞集水区，土壤颗粒体积分形维数与土壤砂粒、黏粒百分含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与土壤粉粒百分含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。

表4 土壤分形维数D与粒径含量的相关性

为深入揭示D值与各粒径的关系，将3个粒径含量与D值进行多元逐步回归分析。小流域D值与粉粒(x1)、砂粒(x2)、黏粒(x3)回归方程为D=5.918-0.5x1-0.37x2，模型检验达到极显著水平，R2=0.987。偏回归系数显著性检验结果表明，D与常数、砂粒、粉粒的偏相关关系显著，粉粒含量对D值的影响大于砂粒的影响。集水区D值的回归方程为D=2.161-0.12x2+0.41x3，模型检验达到极显著水平，R2=0.980。偏回归系数显著性检验表明，D与常数、粉粒、黏粒的偏相关关系显著，粉粒含量对D值的影响大于黏粒含量。

进一步分析D值与土壤粒径含量的关系，按照美国农业部土壤质地分类三角图标法，将土壤样品进行质地划分，采集样点的土壤类型为粉壤土、壤土和砂质壤土。对不同质地土壤D值进行统计分析。结果表明，在沐浴小流域，粉壤土、壤土和砂质壤土的D值平均数分别为1.872、2.100和2.255, 安塞集水区分别为1.934、2.089和2.227。采集样品中，土壤颗粒黏粒含量平均值为10.74%，粒径含量以粉粒和砂粒为主。D值与砂粒含量正相关，砂质壤土D值高于壤土和粉壤土。这种变化在沐浴小流域和安塞集水区的表现是一致的。这与在陕北黄土丘陵沟壑区土壤粒径的相关研究结论是基本一致[12,23-24]的。但也有研究[14,17]认为黏粒含量与D值相关性最强。在本研究中，土壤黏粒含量较低，且变异性小，因此与D值的相关性也较弱。

2.4 不同尺度下土壤粒径与环境因子的关系

利用单因素方差分析不同环境因子对粒径含量和分形维数D的相关性(表5)。进一步进行CCA分析的结果见图2。

CCA分析中，环境因子用箭头表示，箭头所处的象限表示环境因子与排序轴间的正负相关性，箭头连线的长度代表着某个环境因子与土壤粒径分布之间相关程度的大小，连线越长，说明相关性越大。反之越小。箭头连线和排序轴的夹角代表着某个环境因子与排序轴的相关性大小，夹角越小，相关性越高；反之越低。

由图2可知，D值与砂粒、黏粒含量正相关，且与砂粒相关性高于黏粒；D值与粉粒含量负相关。由环境因子之间的关系可知，在小流域坡度和土地利用类型对粒径和D值的影响表现出微弱负相关，即随着坡度增加，土地利用类型对土壤粒径的影响增大，但随着研究区由小流域变化到集水区，这种相关性消失。在小流域坡度和坡向对粒径和D值的影响表现出较强的负相关，即随着坡度增加，坡向对小流域的影响作用减弱；在集水区也表现出了相同的趋势。

表5 土壤粒径、分形维数与环境因子的相关性分析

图2 沐浴小流域(上)和安塞集水区(下)土壤颗粒和环境因子关系的二维排序图

根据土壤粒径与环境因子的关系(图2)可知，在小流域，土地利用和地形因子对土壤粒径的总体影响差异较小，植被盖度、相对海拔和坡位相对于土地利用类型、坡向和坡度对土壤粒径影响较大；安塞集水区植被盖度、土地利用类型和坡度对土壤粒径影响较大。在两个研究区砂粒含量和坡度、坡位均表现为正相关，与坡向、土地利用类型负相关；粉粒则相反。且砂粒和粉粒含量均与相对海拔和植被盖度的相关性较弱。但随着研究区由小流域到集水区，各含量与各环境因子的相关性大小不同。小流域植被盖度对粒径的影响较大，这是由于植物枯枝落叶的分解能够增加土壤有机质，改善土壤结构，植物根系也能较好的保持土壤，改善其结构。但由于小流域面积小，土地利用类型差别不大，因此对土壤粒径影响较小。随着研究区由小流域到集水区，植被盖度和土地利用类型对土壤粒径的影响作用明显高于地形因子。这说明在集水区尺度，土地利用类型和植被盖度是影响土壤粒径的主要因素，这与很多研究的结果是一致的[11,25]。地形因子中，坡位在小流域中对土壤粒径含量影响较大，坡度在集水区影响较大。小流域的坡位与土壤颗粒性质关系密切，研究区易发生土壤流失，从坡上冲刷下来的细土粒易沉积在坡下[25]；以往研究[26]也表明，坡下部沉积带比坡上部侵蚀带的粉粒含量高，砂粒和黏粒含量低。在较大的集水区尺度，相对海拔对集水区的影响很小，这是由于研究区为丘陵沟壑区、地形破碎，相对海拔和坡度等地形因子共同影响局地水热平衡及土壤侵蚀过程，坡度因子对粒径的影响占主导作用。

3 结论

(1)沐浴小流域的土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为50.27%，38.83%和10.89%；安塞集水区表层土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为46.20%，43.06%和10.74%。沐浴集水区D值分布在1.86—2.55之间，平均值为2.14，安塞集水区D值分布在1.71—2.55之间，平均值为2.09。研究区由沐浴小流域到安塞集水区，各粒径百分含量和D值的空间变异性增强。在小流域尺度，土壤质地的空间变异性较小，而在集水区尺度，土壤属性的变异性有所增加。

(2)沐浴小流域不同土地利用类型的砂粒含量从高到低依次为：荒草地>农用地>林地>灌木林地>园地，集水区的次序为：荒草地>灌木林地>林地>农用地>园地。粉粒含量的次序均与砂粒相反。不同土地利用类型土壤粒径分形维数D从高到低排序，在沐浴小流域表现为灌木林地>荒草地>林地>园地>农用地，在安塞集水区依次为灌木林地>荒草地>农用地>林地>园地。

(3)小流域D值与粉粒(x1)、砂粒(x2)、黏粒(x3)回归方程为D=5.918-0.5x1-0.37x2，集水区D值的回归方程为D=2.161-0.12x2+0.41x3。D值与粉粒极显著负相关，与黏粒正相关，且随着研究区尺度的增加，正相关性增强。按质地进行分析，在沐浴小流域，粉壤土、壤土和砂质壤土的D值平均数分别为1.872、2.100和2.255，安塞集水区分别为1.934、2.089和2.227。采集样品中，土壤颗粒黏粒含量平均值为10.74%，粒径含量以粉粒和砂粒为主。D值与砂粒含量正相关，砂质壤土D值高于壤土和粉壤土。这种变化在沐浴小流域和安塞集水区的表现是一致的。

(4)土壤性质的变异性是不同尺度地形、土壤母质、土地利用及人为活动等多种因子综合作用的结果。黄土丘陵沟壑区地貌类型多样、地形破碎，不同坡位、坡向、海拔影响水热条件和土壤物质的再分配。其中，在小流域，植被盖度、相对海拔和坡位对土壤粒径影响较大；在安塞集水区植被盖度、土地利用类型和坡度对土壤粒径影响较大。

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Comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales: a case study in the Loess Hilly-gully area

ZHAO Mingyue1,2, ZHAO Wenwu1,2,*, LIU Yuanxin1,2

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

The land use types and environmental factors have a great significance on soil particle size distribution (PSD). However the effects are different in different scales. Research on the relationship between topsoil particle size distribution and land use & environmental factors can provide a basis for assessing topsoil physical properties in loess hilly-gully area. The study was conducted in the Muyu small watershed and the Ansai catchment in the loess hilly area of the Loess Plateau in China, and the comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales were carried out. The research results showed that: (1) The topsoil in the loess hilly-gully areas of the Loess Plateau are mainly composed of sand and silt in both small watershed and catchment. The percentage of each particle size is medium spatial variability, and the spatial variability ofDis far below of the particle size. But it appears clearly that the spatial variabilities are scale dependent and it increases with the increase of study area. (2)The effects of land use types on soil particle size are different at two scales. The sand content varied with land use in the order: grassland> farmland> woodland> shrub land> orchard land in the Muyu small watershed, and grassland> shrub land> woodland> orchard land> farmland in the Ansai catchment. The silt content varied with land use in the opposite order of the sand content. TheDvalue varied with land use in the order: shrub land> grassland>woodland> orchard land> farmland in the Muyu small watershed, and shrub land>grassland>farmland>woodland>orchard land in the Ansai catchment. (3) In both Muyu small watershed and the Ansai catchment,Dis very significant positive correlation with the soil sand content and clay content, significant negative correlation with soil silt content, andDvalue is much higher in the sandy loam than that in the loam and silt loam. (4) Vegetation cover, altitude and position have more influence on the soil particle size than other factors in the Muyu small watershed, while vegetation cover, land use, and slope influence the soil particle much more greatly in the Ansai catchment.

land use; environmental factors; soil particle size; fractal dimension; scale

国家自然科学基金项目(41390462, 41171069)

2013-11-27;

2014-09-09

10.5846/stxb201311272828

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

赵明月, 赵文武, 刘源鑫.不同尺度下土壤粒径分布特征及其影响因子——以黄土丘陵沟壑区为例.生态学报,2015,35(14):4625-4632.

Zhao M Y, Zhao W W, Liu Y X.Comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scales: a case study in the Loess Hilly-gully area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4625-4632.