三峡库区消落带紫色土颗粒分形的空间分异特征

贾国梅+杜祥运++席颖++牛俊涛

摘要：为探讨消落带水位消涨对土壤团粒结构和土壤抗侵蚀能力的影响，选取三峡库区童庄河消落带紫色土，以从未淹没的样地作为对照，应用分形理论研究消落带不同海拔梯度紫色土分形特征以及与土壤营养的相关关系。结果表明：不同海拔梯度的土壤粒径分布中，粉粒含量占主导地位。然而分形维数（D）与黏粒之间具有极显著的的正相关性，这意味着黏粒的变化对分形维数的分异起了决定性的作用。在消落带区域，土壤颗粒的分形维数和黏粒含量是淹没中等持续时间的区域（155～165 m）最大，且与从未淹没的对照样地（175 m以上）之间无显著性的差异；其次是淹没时间较短区域（165～175 m）；淹没时间较长区域（145～155 m）最低。相关性分析结果表明，土壤颗粒的分形维数与黏粒含量及其土壤营养之间都具有极显著的正相关性。这些结果意味着消落带淹没持续时间较长区域受淹水扰动相对最强烈，土壤质量退化最严重。

关键词：土壤分形维数；土壤颗粒组成；有机碳；全氮；消落带

中图分类号： S152.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0470-03

收稿日期：2015-05-11

基金项目：三峡库区生态环境教育部工程研究中心课题（编号：KF2013-09）；三峡大学预研基金（编号：Hy1406）。

通信作者简介：贾国梅（1965—），女，甘肃永登人，博士，教授，主要从事土壤生态学研究。E-mail：jjjgm@126.com。三峡库区消落带是三峡大坝拦蓄和泄洪形成的水位落差约为30 m变化的反季节湿地。且位于库首的消落带多处于陡坡的状态，土壤多为水稳性很差、极易水蚀的紫色土构成[1]。水位的周期性涨落和涌浪加之出露成陆期的降雨径流可能导致土壤表层颗粒的重新分布，进而引起土壤颗粒组成的空间变异[1]，加速消落带土壤的侵蚀。土壤颗粒组成是反映土壤结构、土壤肥力和土壤退化过程的重要物理特性，但是仅仅用土壤颗粒分级定量化表征土壤质地特性相对比较简单[2]。土壤颗粒分级的分形维数不仅能够表征土壤质地的均一程度、土壤渗透性和土壤营养状况，还能反映人为扰动生境土壤物理特性的变化动态[3]和优劣[4]。因而在评价消落带水位消涨过程中土壤退化的程度时，土壤颗粒分级分形维数的生态作用就显得尤为重要。

目前，虽有研究报道了三峡库区消落带土壤理化特性，但是很少有研究报道三峡库区陡坡消落带湿地不同海拔梯度紫色土颗粒组成的分形维数的空间分异特征。因而，本研究以从未淹没的样地作为对照，研究消落带不同海拔梯度紫色土分形维数和土壤营养之间的相关性，揭示消落带土壤紫色土分形维数的空间分异特征以及与土壤营养之间的关系，为深入研究三峡库区消落带紫色土侵蚀过程的机理提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区域选择紧邻三峡大坝秭归县童庄河（110°25′～111°06′ E，31°04′～31°34′ N）。该地区气候属亚热带大陆性季风气候，气候温暖湿润，四季分明，雨热同季，热量充沛。年平均气温为17.9 ℃，年平均降水量为1 006.8 mm，年日照时间1 631.5 h，无霜期年平均约为260 d，土壤类型为紫色土。

1.2土壤采样

研究区域选择紧邻三峡大坝的童庄河。选择典型消落带回水区，划分不同高程段见表1，在每个固定的样带首先调查消落带土壤质地情况，选择质地相同的样地随机取样。在2011年5月底至7月初，沿海拔高程按照从未淹没区（NI）（175～185 m）、淹没时间较短区（SI）（165～175 m）、淹没时间中等区（MI）（155～165 m）和淹没较长区（LI）（145～155 m）分别定位选取4个代表样地，从未淹没区域作为对照组（表1）。在每个梯度选择10 m×10 m的样方各2块，然后在每个样方内按照蛇形法在0～20 cm各采取5个点的土壤。采取的土样立即放入塑料袋中密封带入实验室，快速拣去枯枝落叶和石砾，过2 mm的筛子后，一部分很快贮藏到-20 ℃的冰箱里进行土壤颗粒分级的分析，另一部分风干，用于土壤营养的分析。

1.3土壤理化性质的分析

土壤粒级组成使用比重计法进行测定；土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定。

1.4土壤颗粒表面分形维数计算方法

土壤分形维数（D）采用杨培岭等推导的公式[5]计算：

对所测土壤各粒级的含量进行处理，之后分别以lg[m（δ 1.5数据处理

试验数据的处理比较采用Turkeys-b 单因素方差分析，土壤颗粒、分形维数与土壤营养之间的相关性分析用Pearsons test 分析，土壤分形维数与土壤颗粒组成之间的关系用线性回归分析。数据在SPSS 17.0 软件上分析。

2结果分析

2.1土壤颗粒组成的空间格局

土壤颗粒组成是形成土壤结构的重要物质。不同海拔梯度的表层土壤粒径分布中，粉粒含量（0.02～0.002 mm）（53.31%～55.86%）占主导地位，其次是砂粒含量（0.02～2 mm）（24.15%～27.66%），黏粒含量（<0.002 mm） （14.83%～20.38%）最低（表2）。虽然土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的大小顺序分别为：NI>MI>SI>LI、SI>LI>MI >NI和LI>SI>NI>MI，但是单因素方差分析的结果表明，粉粒和砂粒在不同海拔梯度之间并无显著性的差异，只有粘粒的含量在不同海拔梯度之间具有显著性差异，NI和MI之间无显著性差异，但是它们与其他样地之间具有显著的差异，LI和SI样地之间也有显著性的差异。这表明水位的消涨对消落带土壤颗粒组成特别黏粒含量的空间分异确实产生了显著的影响，年淹没和出露持续时间近似相等的区域土壤黏粒含量并没有发生变化，而淹没持续时间较长和较短的区域其土壤黏粒含量都显著降低。

2.2土壤分形维数的空间格局

消落带表层土壤颗粒的分形维数D值在2.59～2.65（表2），土壤不同粒级含量与对应土壤颗粒粒径的相关系数绝大多数r2>0.91，表明该地区土壤颗粒粒径分布具有分形的特征。

消落带不同海拔梯度土壤分形维数的大小顺序分别为 NI>MI>SI>LI。单因素方差分析的结果表明，土壤分形维数在NI和MI之间无显著性差异，但是与其他样地之间具有显著差异，LI和SI样地之间也具有显著性差异（表2），这说明消落带湿地淹没持续时间较长和较短的区域都显著降低分形维数，且淹没持续时间较长的区域降低更大，而年淹没和出露持续时间近似相等的区域反而保持了分形维数的稳定。

2.3土壤分形维数与各粒级含量的相关性

粒径分布作为直接影响土壤机械结构组成的重要因素，也决定着土壤分形维数的大小，是进行土壤分类的重要标准[6]。消落带土壤颗粒分形维数与各粒级土壤颗粒含量进行线性回归分析的结果表明，D值仅与土壤黏粒含量之间具有显著的正相关性（P<0.01），而与粉粒及其砂粒之间并无显著的相关性（P>0.05）（图1）。由此认为，土壤黏粒含量的变化对分形维数的分异主要起了决定性的作用。

2.4消落带土壤营养的空间格局

土壤有机碳直接影响土壤结构、持水性能和肥力状况，是反映土壤质量和健康的敏感指标。消落带土壤有机碳（3.26～4.30 g/kg）和全氮（0.36～0.47 g/kg）含量都显著低于从未淹没的样地有机碳（7.62 g/kg）和全氮（0.84 g/kg）含量。在消落带区域，土壤有机碳和全氮含量是LI区域低于MI区域和SI区域，而MI区域和SI区域之间并无显著性差异（图2）。这与郭泉水等[7]和郭劲松等[8]的研究结果一样。这说明消落带区域受水位消涨的影响，导致土壤质量退化，而淹没持续时间较长的样地土壤质量退化更严重。

2.5土壤粒径分布分形维数与土壤营养含量的关系

土壤颗粒分形在某种程度上反映了土壤质地和影响土壤营养状况，而土壤有机质的分布和转化反过来又影响土壤结构和质地。由表3可知，土壤分形维数、黏粒与土壤有机碳及其全氮之间都呈现极显著的正相关性（P<0.01），但是与砂粒及其粉粒之间都无显著的相关性。这说明土壤分形维数可以作为土壤有机质含量程度的指征[9]，能反映表层土壤营养的损失状况。

3讨论

土壤分形维数能够反映土壤结构的优劣。土壤质地与分形维数成反比的关系，质地愈细，分形维数愈大，反之亦然。当D>2.88时，分形维数表征的土壤质地黏重、土壤结构紧实[5]，土壤抗侵蚀性强。本研究中，土壤颗粒组成的分形维数在2.59～2.65之间，分形维数（D）主要与黏粒含量之间具有极显著的正相关性，表明D值的大小主要是受黏粒含量的影响。徐泉斌等研究三峡库区消落带土壤抗蚀性的结果表明，土壤黏粒含量越高，土壤抗侵蚀能力越强[10]。这与本研究的结果相似黏粒含量高，D值大，土壤结构稳定，土壤抗侵蚀能力强。

由于淹水扰动程度的不同，致使土壤以黏粒为主的细颗粒和有机质含量损失发生变化[11-12]。Rieu等研究表明当分形维数越小，越易发生水土流失[13]。本研究中，从未淹没区域土壤的黏粒含量和分形维数较大，有机碳和全氮含量最高。这是由于从未被淹没区域植被覆盖较好，土壤侵蚀相对较弱，土壤质地较好，土壤肥力相对最高。这与Liu 等的研究结果[14]一致。Liu 等研究结果表明，保护林地其土壤分形维数最高[14]。在消落带区域内，分形维数D值在155～165 m区域内最高，淹没持续时间较短区域土壤颗粒的分形维数次之，淹没时间较长区域最低。虽然水位消涨降低了土壤营养物质的含量，但是155～165 m区域年淹没和出露时间近似相等，地上植物多样性最高[15]，植物根劈的作用，导致土粒不断破碎，黏粒含量增加，D值变大，土壤结构的稳定性得到了保持；淹没持续时间较短区域，水位上升快，下降也快，水位波动的扰动冲刷也较大，结果造成表层土壤细颗粒被流水带走，土壤有机质和全氮含量也显著降低；淹没时间较长区域受淹水扰动最强烈，淹水状态下的土壤由于长期浸泡于水中缺乏地表植被覆盖保护，水流侵蚀下黏粒物质流失比较严重，导致土壤中砂粒含量较高，黏粒和营养物质含量最低，且最易发生水土流失。这与张世熔等的研究结果[16]相一致。这说明当土壤的分形维数变小，土壤颗粒变粗，土壤质量退化。

4结论

土壤分形维数与黏粒含量、有机碳及其全氮之间都具有显著的正相关性，但是与粉粒及砂粒之间并无显著的相关性。消落带区域，淹没持续时间中等的区域（155～165 m）最高的土壤分形维数与其地上植被的多样性高、根劈作用增强有关。这意味着植被的恢复能够提高土壤的抗侵蚀性，改善土壤结构。淹没时间较长区域土壤黏粒含量、分形维数和营养含量都相对最低。这说明淹没时间较长的区域土壤结构变劣，吸附有机质能力较强的黏粒含量下降，土壤质量退化，土壤抗侵蚀能力下降，水土流失加剧。因此增强消落带淹没时间较长和较短区域土壤的抗侵蚀治理势在必行。

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