重庆市宅基地复垦土源土壤分形特征研究——以渝西大足区古龙镇、万古镇为例

王　程，龙虹竹，陈国建,2，李春娟，肖卓勇，张　超

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 400047)



重庆市宅基地复垦土源土壤分形特征研究
——以渝西大足区古龙镇、万古镇为例

王程1，龙虹竹1，陈国建1,2，李春娟1，肖卓勇1，张超1

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 400047)

[摘要]选取重庆市大足区农村宅基地复垦项目的复垦土源为研究对象，分别对地基翻耕土(TS)、土墙捣碎土(WS)和外部客土(OS)这三种主要复垦土源的表土(0～20 cm)进行土样采集，并利用体积分形维数研究其土壤颗粒组成、分形特征及相互关系，结果表明：①三种复垦土源中，土壤颗粒组成以粉粒(0.002～0.05 mm)为主，按粉粒体积分数均值排序为WS(86.84%)>OS(86.13%)>TS(79.36%)，黏粒(0～0.002 mm)和砂粒(0.05～2 mm)所占比例较低，按黏粒体积分数均值排序为OS(9.24%)>TS(8.97%)>WS(7.49%)，按砂粒体积分数均值排序为TS(12.69%)>WS(5.66%)>OS(4.84%)；②三种复垦土源的土壤颗粒体积分形维数TS为2.56～2.81、WS为2.65～2.74、OS为2.70～2.78，按其均值排序为OS(2.723)>WS(2.696)>TS(2.678)；③土壤颗粒体积分形维数与黏粒体积分数呈显著的线性正相关，与砂粒体积分数呈线性负相关但线性关系不显著，与粉粒体积分数不存在一致的相关性；④研究区三种复垦土源土壤结构良好，但并未处于最佳状态，黏粒含量较理想值低。

土壤颗粒是土壤结构形成的物质基础，不同粒径的颗粒组合构成不同的土壤质地类型，进而影响土壤的物理、化学和生物学过程[1]。由于土壤结构组成的复杂性，土壤物理性质的有关测量值呈现出不规则性和随机性[2]。作为探索不规则结构和形态的工具，分形几何学被广泛应用于土壤学研究中[3-5]，推动土壤形态及其形成过程复杂性问题的解决，并在一定程度上使其定量化。Mandelbrot[6]首先建立了二维空间的颗粒大小分形特征模型；Tyler等[7]和杨培岭等[8]在此基础上，基于土壤密度均一性的假设，推导出了土壤粒径分布(Soil Particle Size Distribution，简称PSD)的质量(重量)分布模型；随着定量研究的不断发展，王国梁等[9]又提出了基于土壤颗粒体积的PSD模型。国内外许多学者用分形理论研究了土壤粒径分形特征[10]，主要集中在不同土壤质地[11-12]、不同土地利用/土地覆盖[13-14]、不同水土保持措施/生态修复措施[15-16]和矿区土壤重构[17-18]土壤粒径分布分形特征等方面，但是对农村宅基地复垦土源土壤颗粒分形特征的研究尚未见公开报道。

将农村宅基地进行复垦是保护土地资源、缓解人地矛盾的重要举措，而复垦土源的土壤结构特征将对复垦土地的质量产生重要影响。重庆市农村宅基地复垦的土源主要有三种：第一种是土墙捣碎土(WS)，即农村废旧房屋的土墙，经过捣碎及雨水浸润，形成可供农作物生长的耕作层；第二种是地基翻耕土(TS)；第三种是外部客土(OS)，也就是从复垦区附近运来的表层土壤。

本研究利用马尔文(Malvern)MS2000激光粒度仪对三种复垦土源的土壤粒径进行测定，分别计算出各自的体积分形维数，分析三种土源的土壤分形特征，并提出相应的优化措施，以期提高复垦土壤质量、增加农作物产量，为全国其他地区农村宅基地复垦工程设计提供科学依据和实际参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

大足区位于重庆西部、四川盆地东南部，地理位置为东经105°29′～106°02′、北纬29°24′～29°52′。该区土壤多为紫色土，极少部分为黄壤；地貌类型为剥蚀侵蚀低山，采样点海拔280～450 m；多年平均降水量在1 100 mm以上，降水主要集中在5—10月份。

本研究选取了大足区古龙镇、万古镇典型宅基地复垦耕地中具有代表性的3处采样区的6块刚复垦未耕种地块作为样地，其中地基翻耕土地块、土墙捣碎土地块和外部客土地块各2个。样地基本情况见表1。

表1　大足区古龙镇、万古镇样地基本情况

1.2土壤样品采集与处理

土壤样品采集日期为2013年11月，采集时根据地块大小、形状在每块样地上按照S形随机确定10个采样点，用土壤取样器在每个采样点附近选取2～3个点采集0～20 cm的耕作层土壤制成混合样，用四分法留取约0.5 kg作为1份试验土样，装入对应编号样品袋中，详细做好样品标记，并剔除不合格样品。

土样带回实验室后，剔除土样中的石砾、碎瓦块、根茎等杂物，将土样铺开置于实验室阴凉处，自然风干后，用木槌、滚筒研磨，过孔径2 mm的筛，将筛出来的小于2 mm的土样进行保存；然后取0.5 g土样放入500 mL烧杯中，先加30%过氧化氢(H2O2)，在电炉上加热使其充分反应以有效地除去样品中的有机质，再加盐酸(HCl)并煮沸使其充分反应以除去碳酸盐；接着加超纯水稀释，静置12 h，除去上清液以除酸，直至pH值在6.5～7.0之间；最后加入六偏磷酸钠〔(NaPO3)6〕，将土样溶液搅匀后迅速加入测试杯中，用马尔文MS2000激光粒度仪进行测定，并开启超声波促进土壤颗粒进一步分散，当遮光度介于10%～20%之间时停止加入土壤溶液，根据标准操作程序进行测试和结果保存，得到土壤颗粒不同粒级的体积分数。

1.3研究方法

采用王国梁等[9]推导出的体积分形维数计算方法，其计算公式为

(1)

2结果与分析

2.1三种土源的土壤颗粒组成特征

利用激光粒度分析仪的用户粒度分级系统将所获得的60份土样的土壤粒径数据按黏粒(0～0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)进行划分，分别计算出各自的体积分数(表2)。

表2　大足区不同宅基地复垦土源土壤颗粒分级统计

2.1.1三种土源土壤颗粒组成的总体特征

从表2来看，三种复垦土源中，土壤颗粒组成以粉粒为主，其体积分数均值较高，排序为WS>OS>TS；黏粒和砂粒所占比例较低，黏粒体积分数排序为OS>TS>WS，砂粒体积分数排序为TS>WS>OS。

2.1.2三种土源土壤颗粒组成的各自细部特征

(1)地基翻耕土(TS)。黏粒体积分数变幅为3.35%～18.10%，均值为8.97%；粉粒体积分数变幅为66.63%～89.46%，均值为79.36%；砂粒体积分数变幅为0.16%～28.75%，均值为12.69%。体积分数均值排序为粉粒>砂粒>黏粒。同时，我们可以看出，黏粒和砂粒的样本体积分数变化幅度较大，样本差异显著。

(2)土墙捣碎土(WS)。黏粒体积分数变幅为6.07%～11.10%，均值为7.49%；粉粒体积分数变幅为80.31%～90.34%，均值为 86.84%；砂粒体积分数变幅为2.75%～11.41%，均值为5.66%。体积分数均值排序为粉粒>黏粒>砂粒。

(3)外部客土(OS)。黏粒体积分数变幅为7.05%～14.22%，均值为9.24%；粉粒体积分数变幅为81.54%～89.70%，均值为86.13%；砂粒体积分数变幅为0.69%～9.07%，均值为4.84%。体积分数均值排序为粉粒>黏粒>砂粒。

2.2土壤颗粒体积分形维数及决定系数特征描述

在计算三种土源的体积分形维数时，先根据美国制的分类标准，将60份土样按测得的土壤粒径数据细分成7个粒径级(0～0.002、0.002～0.02、0.02～0.05、0.05～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2 mm)，然后根据公式(1)，计算出体积分形维数D，结果见表3。

表3　研究区土壤颗粒体积分形维数

表3表明，三种土源样地土壤颗粒体积分形维数的均值排序为OS>WS>TS，变异系数排序为TS>OS>WS。地基翻耕土的变异系数较大，说明其分形维数较为离散，样本差异较大。

2.3土壤颗粒体积分形维数与土壤粒级分布的相关性分析

2.3.1三种复垦土源样地土壤颗粒体积分形维数与土壤粒级分布的相关性

通过图1可以看出，TS的体积分形维数与黏粒及粉粒体积分数呈显著的线性正相关(0.05水平)，而与砂粒体积分数呈线性负相关(0.05水平)；WS和OS的体积分形维数与黏粒体积分数呈显著的线性正相关(0.05水平)，但与粉粒和砂粒的线性关系不显著。

图1　大足区宅基地复垦土源土壤颗粒体积分形维数与土壤粒级分布的关系

为此，我们把三种复垦土源的土壤颗粒体积分形维数与土壤粒级分布的关系总体特征概括如下：三种复垦土源土壤颗粒体积分形维数与黏粒的体积分数呈显著的正相关，而与砂粒的体积分数呈负相关(线性关系不显著)，与粉粒的相关性存在着不一致性。这与巨莉等[14]和韦杰等[16]的研究结果类似。

2.3.2线性回归结果检验

上述研究表明，粒径较小的土壤颗粒含量越高，其体积分形维数越大；反之，则土壤颗粒体积分形维数越小。但将三种复垦土源的黏、粉、砂粒体积分数与其体积分形维数分别进行线性回归分析，发现土墙捣碎土和外部客土的粉粒和砂粒体积分数变量没有通过F检验和T检验，而三种土源的黏粒体积分数与体积分形维数的相关系数在置信水平(0.05水平)，能通过线性回归分析的一系列显著性检验。

上述线性回归方程检验结果表明，土壤黏粒体积分数对土壤颗粒体积分形维数的影响最为显著，且呈现出显著的正相关，而粉粒和砂粒则间接影响体积分形维数的大小[16]。

2.3.3三种复垦土源土壤结构与理想状况对比分析

有学者认为结构和肥力性状良好的土壤，其分形维数大致在2.60～2.80，最佳在2.75左右[11-12]。本研究区样地三种复垦土源的体积分形维数均值都在2.60～2.80，但小于2.75。说明研究区样地土壤结构良好，但并未处于理想状态，三种土源黏粒含量较理想状态低。

3结论与讨论

(1)重庆市宅基地复垦土源样地土壤结构状况良好，但未处于最佳状态，黏粒体积分数均值较理想值低。三种复垦土源黏粒含量均值表现为外部客土>土墙捣碎土>地基翻耕土。由于三种复垦土源的黏粒含量均相对较少，说明在宅基地复垦过程中，黏粒属于结构性缺失。一方面，复垦表土受到人为因素的扰动较大，并不具备自然界土壤的完整结构；另一方面，由于未进行耕种，缺乏作物、植被等对土壤的覆盖保护，加上雨水侵蚀等因素的影响，导致一部分黏粒的流失。因此，在这三种复垦土源中，宅基地翻耕土较其他两种土源受到的水力侵蚀较大。

(2)三种复垦土源土壤颗粒体积分形维数与黏粒体积分数呈显著的线性正相关关系；与砂粒体积分数呈线性负相关，但线性关系并不显著；与粉粒体积分数线性关系差异较大，不存在一致的相关性。线性回归结果检验表明：三种复垦土源土壤颗粒体积分形维数与黏粒体积分数的线性回归分析均能通过显著性检验，且呈现显著的正相关，这说明体积分形维数受黏粒体积分数影响最为显著。

(3)从三种宅基地复垦土源土壤颗粒体积分形维数的计算结果来看，分形维数均值最高的为外部客土(2.723)，也最接近理想值2.75，土壤结构相对较好，其原因可能是外部客土土壤结构保存完整，并未受到太多人为干扰。为此，在进行宅基地复垦时，一方面，要尽可能多地选择土壤结构保存相对完整的外部客土，如果外部客土土源数量有限，那么可以考虑多种复垦土源混搭，从而相对改善复垦土源土壤结构；另一方面，要注重对复垦土源进行保护和有效耕作，从而促进粮食增收，推动农村宅基地复垦工程更好地实施。

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(责任编辑徐素霞)

[基金项目]国家自然科学基金项目(41001168)；重庆市自然科学基金项目(CSTC2010BB0326，CSTC2012jjA80008)；重庆市国土资源和房屋管理局2014年度科技计划项目

[中图分类号]S152.3

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)06-0065-04

[作者简介]王程(1990—)，男，陕西商洛市人，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究；通信作者陈国建(1975—)，男，四川达州市人，副教授，博士，主要从事区域水土保持研究。

[收稿日期]2015-08-21

[关键词]宅基地复垦；不同土源；土壤粒径；体积分形维数；对比分析；重庆市