不同改良措施對沙質土壤顆粒組成及分形特征的影響

鄭亞楠,姚永生,古麗熱婭尼·阿斯哈爾, 安世杰,李延霞,支金虎

(1.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300;2.塔里木大學南疆綠洲農業資源與環境研究中心，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】土壤是由大小不同、形狀各異的固體組分和孔隙以一定形式聯結所形成的多孔介質，具有一定的分形特性[1-3]。土壤粒徑分布(particle size distribution)與土地利用類型、土地覆被、土壤退化程度等密切相關[4]，還對土壤水分運動、溶質運移、養分狀況等有影響[5-7]。分形維數值可作為評價土壤顆粒粗細程度的一個定量化指標[5]，土壤中砂粒含量越高，土壤顆粒的分形維數越小，而黏粒含量越高，分形維數越大。【前人研究進展】Turcotte[8]提出多孔介質材料粒徑分布的分形維數概念后，對分形理論應用于定量描述土壤結構及肥力特征的研究隨之增多。Tyler[9]、楊培嶺等[10]通過土壤粒徑分布與質量分布的關聯研究，提出了運用分形模型計算土壤粒徑的方法，認為可以用團聚體的分形維數來表征土壤的結構的組成及其均勻程度。吳承禎等[11]認為分形維數是反映土壤肥力特征的重要參數。土壤粒徑及分形維數與土壤類型、母質、地貌、植被類型等密切相關[12-16]，可用來表征土壤的退化程度，并可用來分析土壤發育環境條件[17-22]。新疆南疆是我國典型的綠洲農業區，土壤沙質化影響農業可持續發展。【本研究切入點】土壤分形維數常被用于研究不同土地方式下的土壤粒徑狀況[23]，土地利用類型不同時，土壤結構則會有較大差異[24]，關于不同措施改良下土壤粒徑分形維數分布特征的研究較少，尤其是有關典型干旱區的南疆的報道則更少。研究不同改良措施對新疆南疆沙質土壤顆粒組成及分形特征的影響。【擬解決的關鍵問題】設置5種不同改良措施，研究新疆南疆沙化土壤在不同改良措施下的顆粒組成，粒徑分形維數的特點以及其相關關系，為新疆南疆退化土地的改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市12團國家農業科技園區，試驗區為暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候。墾區太陽輻射年均在0.559 5～0.612 1 MJ/cm2，日照百分率為5 869%。屬溫帶大陸性干旱氣候，全年干旱少雨，年均降雨量為40～82 mm，年均蒸發量約2 500 mm[25,26]。

分別在2019年3月和2020年5月采集0～20和20～40 cm土層的樣品，土壤樣品經自然風干后磨細，過2 mm篩。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2019～2020年展開，采用完全隨機區組設計，設置5個處理，分別為種植燕麥(A1)、種植油菜+燕麥(A2)、種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥(A3)、種植燕麥+農家肥(A4)、種植燕麥+農家肥+生物菌肥(A5)，每個處理重復3次，小區面積65 m2。

1.2.2 土壤樣品粒級測定

土壤顆粒組成(以體積分數計)采用馬爾文公司的Mastersizer2000激光粒度儀測定。根據美國農業部(USDA)土壤質地分級標準對土壤粒徑進行分級:黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、細砂粒(100～250 μm)、中砂粒(250～500 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、極粗砂粒(1 000～2 000 μm)[27]。

1.2.3 分形維數計算

采用Tyler等提出的體積分形模型對土壤顆粒體積分形維數D計算，公式如下：

式中：r為粒徑；Ri為粒徑分區中第i級粒徑；V(r

上式中兩邊同時取對數，以log(Ri/Rmax)為橫坐標、log{v(r

1.3 數據處理

運用SPSS 26統計軟件進行回歸分析和相關性分析，用最小差異顯著法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同改良措施下的土壤粒徑組成特點

研究表明，在0～20 cm土層，A2處理下砂粒體積含量最高，可達到58.05%，A3處理下砂粒體積含量最低，為48.22%，不同處理下砂粒體積含量大小依次為A2>A5>A1>A4>A3。在20～40 cm土層，A1和A5處理下砂粒總體含量最高為54.39%，其次為A2和A4，分別為49.05%和41.10%，與對照相比，砂粒含量相對降低。土壤組成以砂粒為主，黏粒和粉粒相對較少。其中砂粒又以極細砂粒為主，其次是細砂粒、粗砂粒、中砂粒、極粗砂粒，粒徑體積含量依次為砂粒>細粉粒>細砂粒>中砂粒>粗砂粒>黏粒>極粗砂粒。圖1

圖1 不同處理0～40 cm土壤粒徑分布Fig.1 Soil particle size distribution of 0-40 cm under different treatments

2.2 不同改良措施下土壤顆粒分形維數的總體特征

研究表明，0～40 cm土層中，5種處理的平均D值均介于2.35～2.49，且細顆粒物質呈增加趨勢。

在0～20 cm土層，不同處理的D值大小順序依次為：A3>A1A4>CK>A5。A3處理的D值較大，在20～40 cm土層，不同處理的D值按大小依次為：A4>A3>A1>A2、CK>A5，A4和A3處理下D值較大。土壤黏粒和粉粒總體體積含量越大，土壤分形維數就越大，土壤結構越好。表1

表1 不同改良措施下土壤顆粒組成百分含量和土壤顆粒分形維數Table 1 Percentage of soil particle composition and fractal dimension of soil particle under different improvement measures

2.3 不同處理下土壤粒徑和土壤分形維數的相關性

研究表明，在0～20 cm土層，黏粒與分形維數呈極顯著正相關關系，細粉粒與分形維數呈顯著正相關；在20～40 cm土層，黏粒、細粉粒和分形維數呈極顯著正相關關系，粗粉粒與分形維數呈顯著正相關，極細砂粒與分形維數呈顯著負相關，細砂粒與分形維數呈極顯著負相關。表2

3 討 論

土壤是植物生長的基礎物質，土壤顆粒組成決定養分和水分的貯存和運轉[28]。試驗區中土壤顆粒組成以砂粒、粉粒和黏粒為主，且在不同土層中砂粒總體含量在減少，表明在不同改良措施下，土壤顆粒組成發生了變化。李云良等[29]研究發現粒徑相對粗的沙土和粉土主要分布在高位灘地，粒徑較細的黏土主要分布在近水面的低洼處，表明土壤粒徑分布與土壤水分有密切的關系。土壤顆粒分形維數能夠反映土壤結構、土壤肥力及土壤退化程度等[30]，不同土地利用方式對土壤的影響與改變可以通過分形維數來反映，胡云峰等[31]通過不同土地利用方式/土地覆蓋下土壤粒徑分布特征得出土壤粒徑分布分形維數隨土地利用方式的不同而發生規律性改變，植被覆蓋度越高，分形維數越大。桂東偉等[4]對塔里木盆地南緣綠洲的土壤粒徑分析表明，分形維數為2.21時為土壤粒徑分布狀況的分界值,大于該值土壤顆粒分布相對較好。

4 結 論

4.1在0～40 cm土層下，5種改良措施下的平均D值介于2.35～2.49，細顆粒物質占主體。種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥和種植燕麥+農家肥處理效果最好，種植油菜+燕麥和種植燕麥+油菜秸稈翻耕+生物菌肥處理能夠提高黏粒粉粒含量。

4.2在0～20 cm土層中，黏粒與分形維數呈極顯著正相關，細粉粒與分形維數呈顯著正相關；在20～40 cm土層中，黏粒、細粉粒和分形維數呈極顯著正相關，粗粉粒與分形維數呈顯著正相關，極細砂粒與分形維數呈顯著負相關，細砂粒與分形維數呈極顯著負相關。黏粒和粉粒越大，土壤分形維數越大，土壤結構越好；土壤砂粒含量越高，分形維數越小，土壤結構越差。