北江干流河岸帶不同植被類型土壤粒徑分形特征

高傳友, 趙清賀, 劉 倩

(1.廣西職業技術學院, 南寧530226; 2.教育部 黃河中下游數字地理技術重點實驗室,河南 開封 475004; 3.河南大學 環境與規劃學院, 河南 開封 475004)

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北江干流河岸帶不同植被類型土壤粒徑分形特征

高傳友1, 趙清賀2,3, 劉 倩2,3

(1.廣西職業技術學院, 南寧530226; 2.教育部 黃河中下游數字地理技術重點實驗室,河南 開封 475004; 3.河南大學 環境與規劃學院, 河南 開封 475004)

土壤粒徑; 分形維數; 植被類型; 河岸帶; 北江干流

河岸帶是維持河流生態系統健康，連接陸地生態系統和水生生態系統的重要生態交錯帶[1]，能提供多種生態系統服務，如縱向上過濾河流懸浮沉積物與水體污染物從而減少地表物質的河道內傳輸，橫向上依靠環境變量的梯度效應從而滯留高地沉積物與農業面源污染物，生物提供多樣的棲息地，增強坡岸穩定性和調節高地至低地的坡面徑流等[2-3]。作為河岸帶生態系統服務維持的基礎，河岸帶土壤因受河流洪水過程、河道形態、岸灘結構和人為干擾等多種因素的影響[4-5]，呈現復雜的組成和結構異質性，成為自然因素和人為因素共同作用的聚集地[1]。如受流水過程影響，河岸帶土壤粒徑分布具有明顯的梯度效應、夾帶、傳輸和沉積過程中不同團粒與形狀的顆粒的水力分選效應以及水流強度差異等，致使隨距河流距離的增加或從低地至高地，土壤顆粒粒徑大小呈降低趨勢(砂粒至黏粒)，有機質含量呈升高趨勢[5]。因此，研究河岸帶土壤組成與結構，有助于進一步了解洪水過程對河岸沖刷和淤積沉積物的影響，亦為自然和人為干擾下河岸帶生態系統服務的維持提供理論基礎[1,5]。

土壤粒徑分布與分形是土壤組成與結構研究的重要內容之一[6]。其中，土壤粒徑分形維數被認為是解釋土壤結構受水位波動[2]、土地利用變化[1,6-7]、植被恢復狀況[3,8-10]、人類干擾程度[11]等環境因子影響的重要指標和有效工具[12-14]，近年來在土壤科學研究中備受關注。因此，本研究以受人類活動和洪水過程影響嚴重的北江干流河岸帶為對象，分析不同植被類型土壤粒徑分形特征，為揭示不同植被類型調節洪水對河岸侵蝕的影響和河岸帶生態系統穩定性的維持提供基礎。

1　研究區概況

本研究選擇粵北地區的北江干流河岸帶(清遠—韶關段)為研究區域(圖1)。北江屬珠江水系第二大水系，廣東省4大河流之一，占廣東省國土面積的22%[15-16]。流域年平均氣溫為18～21℃，年最高氣溫出現在7月、8月份[15]。年降雨量為1 300～2 400 mm，主要集中在雨季(4—9月，占全年降水量的70%)，旱季(10—3月)降雨較少。其中，雨季分為兩個汛期：第一個汛期，受鋒面降雨影響，發生在4—6月，雨量、雨強和持續時間較長，往往造成洪澇災害；第二個汛期，受熱帶氣旋影響，發生在7—9月[15,17]。由于北江流域降雨時空分布異質性較大，每年洪澇和旱災時有發生，但是，時間上，隨著雨季的延遲和旱季降雨的增加，年內降雨有趨均的態勢，而空間上降雨中心有北移趨勢(位于降雨中心的流域中南部年降雨減少，北部降雨增加)[15]。北江年平均徑流量為4.82×1010m3，水資源十分豐富，是廣東省重要的引用水源，沿江建設有多個水利水電工程用以滿足農業、工業和市政用水以及水電開發和洪水控制[15,17]。但是，由于流域周邊經濟發展迅速，近年來北江水質惡化明顯，其中，農業/農村區域的潛在污染源主要為農業非點源污染、殺蟲劑、有機污染物和農村生活污水等，工業/城市區域的潛在污染源包括工業廢水、城市生活污水、化工污染和水路交通污染等[16,18]。北江流域總面積的70%由紅壤、赤紅壤、黃紅壤及黃壤組成，具有較好的營養和滲水蓄水能力，為區域內各種植物和農作物的生長發育提供良好條件，也正因如此，區域內尤其是河流沿岸開墾嚴重，造成土壤養分與結構發生較大變化。目前針對北江的研究，多以流域降雨時空變化、水土流失、水文水質等方面為主要對象[15-18]，較少關注河岸帶土壤—植被系統，更缺少河岸帶不同植被類型土壤粒徑組成與分形維數等基礎性研究。

圖1研究區采樣點位置

2　材料與方法

2.1樣品采集與室內分析

在對研究區進行植被普查的基礎上，選擇具有代表性的混交林(喬灌雜木林)、桉樹林、竹林和草地作為不同植被類型于2014年6月進行采樣，樣地的面積為400 m2，共26個樣地，其中混交林8個，桉樹林5個，竹林7個，草地6個，樣地分布見圖1。在各個樣地內采用5點采樣法，每個采樣點距離中心采樣點5 m，采樣深度為0—20 cm，同一樣地中5個樣點土壤混合均勻后裝入自封袋密封保存，帶回實驗室進行風干處理。另外，采用環刀法取0—20 cm土樣帶回實驗室，采用烘干法測定土壤容重(BD)和含水量(SM)。

2.2分形維數計算與數據處理

采用基于土壤顆粒重量分布的方法[19-20]，計算土壤顆粒質量分形維數，公式如下：

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行數據的統計與分析：相關性分析采用Pearson相關系數和線性回歸方法，單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著性差異檢驗不同植被類型間D值與顆粒組成的差異及其顯著性，顯著性水平設定為0.05。

3　結果與分析

3.1北江河岸帶土壤粒徑分布與分形特征描述

如表1所示，北江干流河岸帶土壤樣品的顆粒組成以<0.002，0.002～0.02，0.05～0.25 mm的含量較高，分別為22.75%，28.89%，28.24%，其次為0.02～0.05 mm，其平均值為11.8%，1～2 mm含量最小，平均值僅為1.1%。變異系數表明，隨粒徑增大，各粒級空間變異增大。

按照美國制土壤質地分類標準，研究區土壤主要由粉粒組成(40.7%)，其次為砂粒(36.6%)，黏粒最低(22.8%)，總體上呈均勻分布。根據質量分形維數計算公式，計算分形維數時各樣地的線性擬合方程的R2為0.78～0.99，表明擬合效果能較好地反映土壤粒徑分布特征，同時也說明土壤質量分形維數在本研究區的計算精度較高。分形維數計算結果表明，北江干流河岸帶土壤分形維數為2.71～2.86，平均值為2.79，變異系數為2%，空間變異較小，說明研究區土壤質地比較均一[21-22]。根據前人研究[7,23-24]，結構良好的土壤其粒徑分形維數應在2.75左右，因此，北江干流河岸帶土壤結構整體屬于良好。

表1　北江干流河岸帶土壤粒徑分布與分形維數統計描述

由圖2可知，由相關性分析與回歸分析可知，研究區土壤分形維數D值與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關關系，R2分別為0.98，0.81，p值均為0.00；分形維數與砂粒百分含量呈顯著負相關關系，其回歸方程的R2和p值分別為0.63，0.00，達到極顯著水平。這表明黏粒和粉粒含量越高，土壤顆粒的分形維數越高，而土壤砂粒含量越高，其分形維數越低。本研究結果與較多研究的土壤分形維數與黏粒和砂粒含量關系的結果相一致[7,11,25]，而與部分研究關于土壤分形維數與粉粒關系的結果有所不同[26]，同時，亦與個別研究關于土壤分形維數與砂粒關系的結果相反[27]。這與諸多環境因子的不同有關，如受干擾程度[11]、植被類型和土地利用方式[7,25]、不同粒徑分級標準[28]、不同研究尺度[27]等。根據前人對細顆粒含量與土壤退化或土壤肥力之間關系的研究結果[7,11,25]，結合本研究土壤粒徑分形維數與細顆粒之間顯著的相關性，從側面說明研究區土壤粒徑分形維數可以作為指示土壤退化或者土壤肥力的一個指標。

圖2土壤分形維數與顆粒組成的相關性

3.2不同植被類型土壤顆粒組成與分形特征

各植被類型土壤顆粒差異顯著，除竹林外，均以粉粒含量最高。其中，砂粒含量表現為竹林>混交林>草地>桉樹林，與砂粒含量相反，分形維數D值、粉粒含量和黏粒含量均表現為桉樹林>草地>混交林>竹林，除竹林與桉樹林之間差異顯著外(p<0.05)，其他植被類型間差異均不顯著，說明竹林與桉樹林在改良或維持土壤結構方面有顯著差異。根據前人研究[7,23-24]，本研究竹林土壤分形維數最接近2.75，說明竹林土壤結構狀況最好，具有一定的保水保肥能力，混交林次之，桉樹林最低，表明桉樹純林的土壤結構最差，保水保肥能力也較差。值得說明的是：4種植被類型中竹林的黏粒含量最低，說明并非黏粒越高土壤結構越好[23-24]，而可能存在一個閾值。在閾值范圍內，隨黏粒含量升高，土壤分形維數D值升高，顆粒比表面積增大，黏結性更好，對養分的吸附和固定越多，而超過閾值會導致土壤通氣能力不足，結構變差[25]。因此，對于特定類型土壤(不同植被類型、土地利用方式或者研究尺度等)，可根據其類型黏粒含量與分形維數的相關性進一步探討其保持良好土壤結構的黏粒含量[24,26]。

表2　植被類型對土壤分形維數與顆粒組成的影響

注：同一列不同字母表示在0.05水平差異顯著。

3.3河岸帶土壤顆粒分形維數與理化性質關系

表3　河岸帶土壤顆粒組成和分形維數與土壤理化性質相關性

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

土壤顆粒分布在土壤水分運動過程中扮演重要的角色。據前人研究[29]，砂粒含量越多，SM就較低，黏粒含量越高，分形維數越大，SM就較高。本文結果與其他地區研究結果相一致，但除砂粒含量外，分形維數D值、黏粒含量與SM的正相關性均未達到顯著水平，說明砂粒含量對研究區SM的影響較為顯著。BD是反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，與土壤結構有密切關系的基本物理屬性，其值越大土壤越緊實、板結，退化趨勢越明顯，其值越小土壤越疏松，結構越良好[1,7,11,30]。與黎建強等[29]的BD與分形維數D值呈顯著負相關的結果不同，本研究中BD與D值負相關性明顯，但未達到顯著水平，其原因可能與作用于土壤的環境因子有關，如Liu等[11]發現不同干擾程度草地BD與D值相關性變異較大。一般情況下，土壤分形維數D值越高、顆粒比表面積大的黏粒含量越豐富，土壤黏結性和對養分的吸附和固定作用就越強，易造成養分積累[25]。但本研究發現，分形維數D值和黏粒含量均與TOC和TN的相關性不顯著，且均呈負相關性，其原因可能與研究區土壤黏粒含量過高導致土壤通氣能力不足有關[23-24]。

自然狀態下，土壤中的磷素來源主要為巖石風化釋放和凋落物分解[32-33]，河岸帶土壤因其特殊的位置，地表徑流和地下徑流活動頻繁，磷素的遷移轉化主要通過吸附作用進行[32]。河岸帶土壤通過對地表或地下徑流中磷素的吸收，而增加土壤中的TP含量、減少匯入河流中的TP濃度[33]。因此，本研究關于北江干流河岸帶土壤TP與分形維數D和黏粒含量呈顯著正相關、與砂粒含量呈顯著負相關的結果，與伏耀龍等[25]的岷江上游干旱河谷土壤分形維數與TP的相關性不顯著以及Liu等[33]對長江典型流域土壤顆粒分形維數與TP的關系研究(TP含量與分形維數、粉粒和黏粒含量呈顯著的負相關，與砂粒含量呈顯著正相關)不太一致。總之，受地形地貌過程、水文過程、土地利用和植被類型、干擾程度、研究尺度等因素的影響，土壤顆粒組成和分形特征與土壤理化性質間的相互作用頗為復雜，而對河岸帶土壤粒徑分形及其與理化性質關系的研究目前較少，有待更多案例進行比較分析。

4　結 論

(1) 北江干流河岸帶不同植被類型土壤主要有粉粒組成(40.66%)，其次為砂粒(36.59%)，黏粒最低(22.75%)，總體上呈均勻分布，并粒徑增大，各粒級空間變異增大。土壤分形維數為2.71～2.86，空間變異較小，土壤結構整體屬于良好、質地比較均一。研究區土壤分形維數D值與黏粒和粉粒含量呈顯著正相關關系，與砂粒百分含量呈顯著負相關關系，說明黏粒和粉粒含量越高，砂粒含量越低，土壤顆粒的分形維數越高。

(2) 對于不同植被類型，砂粒含量表現為竹林>混交林>草地>桉樹林，分形維數D值、粉粒含量和黏粒含量均表現為桉樹林>草地>混交林>竹林。其中，竹林與桉樹林之間差異顯著外(p<0.05)，表明二者在改良或維持土壤結構方面有顯著差異。

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Fractal Characteristic of Soil Particle Size Under Different Vegetation Types in Riparian Zone of the Main Stream of Beijiang River

GAO Chuanyou1, ZHAO Qinghe2,3, LIU Qian2,3

(1.GuangxiVocationalandTechnicalCollege,Nanning530226,China; 2.KeyLaboratoryofGeospatialTechnologyfortheMiddleandLowerYellowRiverRegions,MinistryofEducation,Kaifeng,He′nan475004,China; 3.CollegeofEnvironmentandPlanning,He′nanUniversity,Kaifeng,He′nan475004,China)

Taking 4 kinds of vegetation types such as bamboo forest, eucalyptus forest, mixed forest, and grassland as research samples, we investigated the soil particle size distribution (PSD) and fractal dimension (D) characteristics as well as their relationships with other basic soil physicochemical properties based on the field survey and laboratory experiment. The results indicated that soil structure in Beijiang River riparian zone was good withDvalue of 2.79, soil texture was uniform, and the soil PSD was homogeneous with silt, sand, and clay contents of 40.66%, 36.59%, and 22.75%, respectively. However, spatial variation of soil particle increased with increase of soil particle size. Pearson correlation analysis indicated thatDvalue was significantly related with PSD, namely,Dvalue increased with increase of silt and clay contents and decrease of sand content.Dvalue and PSD varied obviously between different vegetation types, therein, the sand content followed the order of bamboo forest>mixed forest>grassland>eucalyptus forest, while theDvalue, silt content, and clay content presented the same change rule, in the order of eucalyptus forest>grassland>mixed forest>bamboo forest. Moreover, ANOVA result showed that, with regarding to effect of vegetation type on soil structure, there was significant difference between bamboo forest and eucalyptus forest, while insignificant deference between other vegetation types was observed. Relationship betweenDvalue and PSD and other soil physicochemical properties showed that bothDvalue and clay content were correlated significantly and negatively with nitrate nitrogen content (p<0.05) and then were correlated significantly and negatively with total phosphorus content (p<0.05). Soil sand content was significantly negatively correlated with soil moisture content at the 0.05 level, and then soil silt content was only significantly negatively correlated with soil moisture content. In addition, the correlations betweenDvalue, sand, silt, clay contents and total organic carbon and total nitrogen contents were not significant. In summary, riparian soil is influenced simultaneously by various factors, and the relationship between its physicochemical properties is significantly different from the other landscape.

soil particle size distribution; fractal dimension; vegetation types; riparian zone; Beijiang River

2015-07-29

2015-09-16

國家自然科學資助項目(41301197);中國博士后科學基金資助項目(2014M550382,2015T80766);教育部黃河中下游數字地理技術重點實驗室開放基金(GTYR2013010)

高傳友(1984—),男,河南開封人,碩士,講師,主要從事園林設計和景觀生態學研究。E-mail:905136388@qq.com

趙清賀(1982—),男,河南開封人,博士,講師,主要從事景觀生態學研究。E-mail:zhaoqinghe@henu.edu.cn

S152.3

A

1005-3409(2016)03-0037-06