風(fēng)沙區(qū)煤礦復(fù)墾地土壤顆粒的組成與分形特征

張孝中, 徐崟堯, 王惠澤

(1.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所, 陜西 西安 710004; 2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 陜西 西安 710119)

土壤作為一種由水分、空氣和不同顆粒等各類物質(zhì)所組成的多孔介質(zhì)，其本身是具有不規(guī)則的形狀和自相似性特征的復(fù)雜幾何體[1-2]，因此土壤具有一定的分形特性。作為土壤固相的基本組成單元，土壤顆粒繼承了其母質(zhì)的分形特點(diǎn)。自Mandelbort[3]，Tyler[4]、楊培嶺等[5]學(xué)者將分形理論引入土壤科學(xué)研究、不斷優(yōu)化分形維數(shù)計(jì)算模型以來，中國學(xué)者對(duì)土壤顆粒分形維數(shù)的研究在土壤環(huán)境修復(fù)[1,6-7]、土地利用變化[8-9]、植被生態(tài)恢復(fù)[10-11]等方面取得了大量成果。齊雁冰等[1]、陳小紅等[6]通過對(duì)干旱區(qū)土壤的分形維數(shù)變化來表征沙漠化的正逆過程。賈曉紅等[11]認(rèn)為分形維數(shù)可作為土壤評(píng)價(jià)定量指標(biāo)，其大小與土壤的細(xì)粒化和養(yǎng)分狀況呈顯著正相關(guān)。王富等[12]則將分形維數(shù)與土壤容重、有機(jī)質(zhì)、孔隙度進(jìn)行相關(guān)分析，指出荒坡封育是水庫水源涵養(yǎng)區(qū)土壤恢復(fù)的最佳方式。由此可見，土壤顆粒的分形特征不僅能表征土壤理化性狀，還對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有一定的指示作用。

煤礦在建設(shè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中挖損地表、重塑地貌形態(tài)、破壞周邊植被等會(huì)對(duì)礦區(qū)土壤產(chǎn)生強(qiáng)烈破壞，改變土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，進(jìn)而對(duì)土壤顆粒及其分形特征造成影響。目前，關(guān)于煤礦區(qū)復(fù)墾地的土壤顆粒分布及分形特征的研究較少，僅有對(duì)煤礦的排土場和塌陷區(qū)進(jìn)行初步研究[13-15]。大柳塔煤礦地處毛烏素沙地的東南緣，是陜蒙2省交界之地，有煤炭“黑三角”之稱。為消除20世紀(jì)80年代大柳塔礦區(qū)露天剝采方式對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大影響，大柳塔于90年代起開展植被復(fù)墾工作。因此，本文采用土壤分形理論對(duì)大柳塔煤礦的復(fù)墾地土壤進(jìn)行研究，說明不同植被類型下土壤顆粒的分布和分形特征，分析不同植被類型的分形維數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性，探討風(fēng)沙區(qū)煤礦植被修復(fù)的物種選擇，為恢復(fù)和改善礦區(qū)土壤生態(tài)功能提供建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣的大柳塔煤礦(109°33′—110°30′E，39°01′—39°30′N)，該區(qū)是陜西省與內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界處，在氣候上處東亞季風(fēng)的北緣，是典型的暖溫帶大陸性半干旱氣候，年均溫在7.0 ℃左右，年均降水量340～470 mm，且集中在7—8月，蒸發(fā)量與降水量之比為4∶1。研究區(qū)處在毛烏素沙地東南緣，是毛烏素沙地與黃土高原的過渡區(qū)，地貌上主要為固定沙丘和蓋沙黃土梁，海拔高度在1 227～1 469 m。土壤類型以風(fēng)沙土為主，土壤含水量、養(yǎng)分均較低，部分地區(qū)存在少量的黑壚土、草甸土[16]。大柳塔煤礦經(jīng)過20世紀(jì)80年代的露天開采，原地帶性植被已遭到破壞。現(xiàn)今大柳塔礦區(qū)的主要人工植被有小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)、旱柳(Salixmatsudana)、沙柳(Salixpsammophila)、硬質(zhì)早熟禾(Poasphondylodes)、沙地柏(Sabinavulgaris)等。

2 研究方法

2.1 土樣采集

土壤樣品采集時(shí)間在2016年7月中下旬，采樣地在大柳塔礦區(qū)復(fù)墾地有代表性的3處不同植被類型及1處未經(jīng)復(fù)墾的裸沙地，樣地基本情況詳見表1。每個(gè)樣地隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，用直徑為5 cm的土鉆取土，取土間隔為5 cm，深度為70 cm。取土后立即將樣品放入塑封袋中密封保存，每塊樣地取土樣45個(gè)，共計(jì)135個(gè)土樣。通過詢問礦區(qū)居民和工作人員，獲得樣地的復(fù)墾年限均在16～20 a。

表1 研究區(qū)樣地基本情況

注：Shannon-Winner多樣性、Simpon優(yōu)勢度、Pielou均勻度數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[17]。

2.2 樣品測定

土壤顆粒組成采用激光粒度儀(Mastersizer 2000)進(jìn)行測定，試驗(yàn)步驟： ①將野外采集回的土樣進(jìn)行烘干處理后過2 mm篩，從而去除土壤中>2 mm的石礫； ②取0.5 g土樣放入500 ml燒杯，依次加入濃度為10%H2O2和HCl溶液各5 ml去除土壤中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽； ③向燒杯內(nèi)部注滿蒸餾水靜置72 h后抽出上層清液，反復(fù)注水—抽水—靜置至pH為中性； ④測試粒徑前加入0.1 ml/L分散劑(NaPO3)6后，使用激光粒度儀測定土壤粒徑，并借助儀器自帶的分級(jí)功能可得到任意兩個(gè)粒徑間的體積比例。粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考美國制：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細(xì)砂粒(0.05～0.1 mm)、細(xì)砂粒(0.1～0.25 mm)、中砂粒(0.25～0.5 mm)和粗砂粒(0.5～2 mm)。土壤含水量采用烘干法，有機(jī)質(zhì)含量則采用重鉻酸鉀—外加熱法。

2.3 土壤顆粒分形維數(shù)模型

分形理論在土壤物理研究中已廣泛運(yùn)用，而土壤顆粒具備自相似特征，引入分形理論可以更好地反映土壤性質(zhì)變化[2]。Mandelbrot等[3]首次提出二維空間的分形維數(shù)模型，Tyler[4]、楊培嶺等[5]在前人基礎(chǔ)上總結(jié)建立了可用土壤顆粒的質(zhì)量分布來計(jì)算的質(zhì)量分形模型。隨著激光衍射技術(shù)的廣泛運(yùn)用，王國梁等[18]采用了土壤顆粒的體積百分比來描述土壤分形維數(shù)特征，這一方法解決了質(zhì)量分形模型中不同粒級(jí)的土壤顆粒具有相同密度的假設(shè)[2,18-19]，因此本文主要采用土壤顆粒體積分形維數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：D——分形維數(shù)；ri——任意兩顆粒的均值(ri>ri+1，i=1，2，3，…)；Rmax——最大土壤顆粒(mm)；V(r

2.4 數(shù)據(jù)處理

所用數(shù)據(jù)采用Excel 2007對(duì)土壤顆粒分布與體積分形維數(shù)進(jìn)行歸類整理與計(jì)算，采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析和LSD單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤顆粒組成特征

土壤的顆粒組成是土壤重要的特征和屬性之一，

它能表征土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣程度，反映土壤質(zhì)地的均一性[2,5]，同時(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分狀況、水分含量、孔隙分布等土壤性質(zhì)方面有著重要影響[10]。通過分析土壤的顆粒組成可以反映研究區(qū)不同植被類型下土壤顆粒的大小和組成。通過表2可以看出，不同植被類型下的土壤顆粒組成分布及差異。研究區(qū)3種植被類型與未復(fù)墾裸沙地的土壤顆粒組成主要集中在細(xì)砂(0.1～0.25 mm)，這與前人研究結(jié)果較一致[20]。喬木林、灌木林、草地和裸沙地的細(xì)砂含量分別占各自土壤顆粒總體積含量的48.019%，38.179%，38.529%和48.584%，且灌草地的細(xì)砂含量顯著(p<0.05)低于喬木林與裸沙地。喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒組成次集中于中砂(0.25～0.5 mm)，其含量分別占34.735%，24.519%和37.494%；而草地的土壤顆粒次集中于極細(xì)砂(0.05～0.1 mm)，其含量占到20.258%。由于研究區(qū)地處風(fēng)沙區(qū)，其土壤類型為風(fēng)沙土，故土壤顆粒組成以砂粒為主[12]，各植被類型的<0.05 mm黏、粉粒的體積含量均在10%以下，黏、粉粒的含量少。

在不同土層深度下，喬木林、灌木林和草地土壤中黏、粉粒(<0.05 mm)含量主要集中于0—30 cm土層內(nèi)，且隨土層深度增加，黏、粉粒含量逐漸減少；而裸沙地由于細(xì)粒物質(zhì)含量接近于0，因此其在不同土層間黏、粉粒含量的差異并不顯著。不同深度下砂粒(0.05～2 mm)含量的變化在裸沙地上較為顯著，由于裸沙地的地表裸露、缺少植被對(duì)表層土壤的覆蓋與保護(hù)，抗風(fēng)蝕能力下降，在風(fēng)沙區(qū)干燥大風(fēng)的環(huán)境下表層土易被風(fēng)蝕[7]，致使0—10 cm土壤的砂粒含量要顯著低于20—40 cm。

植物復(fù)墾總體上能夠改善研究區(qū)復(fù)墾地的土壤顆粒組成、防止土地沙化的加劇。在不同植被類型下，實(shí)施復(fù)墾的草地、灌木林的土壤粒徑大體與未復(fù)墾的裸沙地差異顯著(p<0.05)，僅有喬木林與裸沙地在各級(jí)粒徑上無顯著差異(p>0.05)。從土壤顆粒的組成上看，草地、灌木林的細(xì)粒物質(zhì)(<0.1 mm)含量明顯高于喬木林地和裸沙地。在0—70 cm內(nèi)，草地的黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒的含量均顯著(p<0.05)高于相同土層的喬木林與裸沙地；灌木林土壤在粉粒和極細(xì)砂的平均含量上也顯著(p<0.05)高于喬木林與裸沙地。而在粗粒物質(zhì)含量中，草地、灌木林土壤中細(xì)砂、中砂粒的平均含量均顯著(p<0.05)低于喬木林與裸沙地，說明在研究區(qū)風(fēng)沙環(huán)境條件下，以草本、灌木為主的植被類型對(duì)煤礦復(fù)墾地在改良土壤質(zhì)地、細(xì)化土壤顆粒的作用要明顯優(yōu)于喬木。

表2 不同植被類型下不同土層深度的土壤顆粒組成

注：不同小寫字母表示相同植被、不同深度下差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示相同深度、不同植被類型下差異顯著(p<0.05)。下同。

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)特征

土壤顆粒的分形維數(shù)不僅可以表征土壤顆粒的大小與均勻性，還能反映不同植被類型對(duì)土壤的改良程度[21]。土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤中微小的孔隙更為發(fā)育，土壤結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其分形維數(shù)越大；土壤質(zhì)地越粗，土壤結(jié)構(gòu)則更加松散，其分形維數(shù)越小[1]。研究區(qū)復(fù)墾地的土壤顆粒分形維數(shù)的范圍在1.550～2.425，其值順序?yàn)椋郝闵车?喬木林<灌木林<草地(表3)。不同植被類型下，喬木林的分形維數(shù)與未復(fù)墾的裸沙地并無顯著差異(p>0.05)，而草地和灌木林的分形維數(shù)則顯著(p<0.05)高于喬木、裸沙地。研究區(qū)草地的土壤顆粒分形維數(shù)值為2.425，已接近石占飛等[22]研究的紅堿淖生態(tài)保護(hù)區(qū)(2.43)，灌木林的分形維數(shù)值與同屬風(fēng)沙區(qū)的神木涼水井煤礦(2.33)相近，只有喬木林與裸沙地的土壤分形維數(shù)明顯較小，這說明大柳塔煤礦復(fù)墾地主要植被類型中，草本或灌木在改善土壤環(huán)境、細(xì)化土壤顆粒的作用要顯著優(yōu)于喬木。在土壤的垂直剖面上，可以得出研究區(qū)復(fù)墾地0—70 cm土壤顆粒分形維數(shù)的深度變化情況(表3)。通過表3可以得出，除草地外，喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒分形維數(shù)皆隨土層深度的增加而降低，說明大柳塔煤礦復(fù)墾地的土壤粒徑隨深度的增加而逐漸變粗，這與表2中土壤顆粒分布的變化相一致。而草地的分形維數(shù)則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，其數(shù)值在30—40 cm出現(xiàn)低值后波動(dòng)增加，這可能是由于植被根系對(duì)土壤有較好的改良效果。在不同的土層深度下，0—10與20—70 cm的分形維數(shù)彼此均有顯著差異(p<0.05)，而20—70 cm的分形維數(shù)彼此差異不顯著(p>0.05)，其原因是植被復(fù)墾增加了地表粗糙程度，能夠顯著降低攜帶沙粒的氣流流速，從而能夠從中截獲更多的細(xì)粒物質(zhì)在土壤表層集聚，使研究區(qū)表層(0—10 cm)土壤中黏、粉粒的含量顯著高于其他土層。

表3 不同植被類型下不同土層深度的土壤顆粒分形維數(shù)

3.3 分形維數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系

將研究區(qū)不同植被類型下的分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。可以看出，分形維數(shù)與土壤顆粒有明顯的相關(guān)性。在各植被類型下，分形維數(shù)與黏粒、粉粒和極細(xì)砂含量都呈正相關(guān)，且與黏、粉粒分別都達(dá)到了顯著水平(p<0.05)；而分形維數(shù)與細(xì)砂、中砂和粗砂含量則呈負(fù)相關(guān)，且與粗砂含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，這說明土壤顆粒的粗細(xì)程度與分形維數(shù)密切相關(guān)，土壤細(xì)粒物質(zhì)含量越多，則分形維數(shù)值越大；土壤粗粒物質(zhì)越多，分形維數(shù)值越小，與楊培嶺等[5]、楊金玲等[19]的研究結(jié)果相近。土壤含水量與喬木林、灌木林和裸沙地的分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而與草地則呈正相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)含量則與各植被類型的分形維數(shù)皆呈正相關(guān)，與裸沙地的分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)。草地增加地表的粗糙程度利于空氣中細(xì)粒物質(zhì)的截留[17]；同時(shí)，草本植物的需水量要低于喬、灌木，土壤處于相對(duì)濕潤的條件下增加起沙風(fēng)速，減少了細(xì)粒物質(zhì)的吹蝕量，從而使研究區(qū)草地土壤中黏粒、粉粒的含量明顯高于其他植被類型，在一定程度上起到保水保肥的作用，因此草地的土壤含水量、有機(jī)質(zhì)與其分形維數(shù)值呈正相關(guān)。而裸沙地由于未經(jīng)植物的復(fù)墾作用，地表在無植被保護(hù)下，土壤中細(xì)粒物質(zhì)極易被吹蝕，裸沙地的土壤顆粒由較粗的砂粒組成，土壤水分、養(yǎng)分含量均較小，進(jìn)一步加劇沙地土壤的粗化程度，因而裸沙地的土壤分形維數(shù)與含水量、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)。

表4 不同植被類型的分形維數(shù)與土壤性質(zhì)相關(guān)性

注：**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)； *表示顯著相關(guān)(p<0.05)。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)的土壤顆粒組成以細(xì)砂(0.1～0.25 mm)為主。喬木林、灌木林和裸沙地的土壤顆粒次分布在中砂(0.25～0.5 mm)，而草地的土壤顆粒次分布于極細(xì)砂(0.05～0.1 mm)。在土壤垂直剖面上，喬木林、灌木林和草地的土壤表層0—30 cm黏、粉粒(<0.05 mm)含量要顯著高于裸沙地。

(2) 大柳塔煤礦復(fù)墾地的土壤顆粒分形維數(shù)為：裸沙地(1.550)<喬木林地(1.626)<灌木林地(2.300)<草地(2.425)，且草地與灌木林的分形維數(shù)顯著高于裸沙地、喬木林。大柳塔煤礦采用草本或灌木復(fù)墾能夠促進(jìn)土壤質(zhì)地的修復(fù)與改良。

(3) 分形維數(shù)與土壤顆粒的組成關(guān)系顯著，與土壤黏粒、粉粒含量呈顯著正相關(guān)，與土壤粗砂含量顯著負(fù)相關(guān)。分形維數(shù)與含水量、有機(jī)質(zhì)的關(guān)系并不顯著。土壤顆粒分形維數(shù)可用來表征和評(píng)價(jià)礦區(qū)的土壤顆粒變化特征。