水庫消落帶土壤顆粒組成分形及其空間分異特征

鄭曉嵐, 楊 玲, 宋 嬌, 鮑玉海, 李進林, 賀秀斌

(1.中國科學院、水利部 成都山地災害與環境研究所 山地表生過程與生態調控重點實驗室,成都 610041; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331)

土壤顆粒組成直接影響土壤結構、土壤水力特性、土壤肥力狀況和土壤侵蝕程度，是重要的土壤物理特性之一，了解區域土壤粒徑分布特征，可為控制土壤侵蝕過程、探索土壤特性變化、恢復退化土地生態系統提供一定的科學依據[1-5]。定量研究土壤粒徑分布特征是土壤、地質、農業、環境等學科領域研究的重要內容之一，分形理論作為土壤研究的一種有效工具，在土壤結構、土壤特性及土壤空間變異規律等方面得到廣泛應用[6-13]。其中，土壤顆粒分形維數不僅能夠表征土壤顆粒分布特征和土壤質地均勻程度，還可以反映土壤侵蝕程度，土壤顆粒分形維數影響因素的諸多研究表明，分形維數與土地利用方式、植被類型、母質特征等密切相關[3,14-19]。

大型水庫消落帶遭受周期性淹沒—出露變化帶來的極端干濕交替作用，其土地利用、植被、土壤特性在短期內發生較大變化，上述水土環境的變化和特殊的水動力條件可能導致消落帶土壤表層顆粒的重新分布，進而引起土壤顆粒組成的空間變異[20-23]。目前利用土壤顆粒分形維數探討陸地坡面土壤性狀的研究較多[24-26]，但針對紫色土尤其是周期性淹水出露過程影響下的水庫消落帶土壤顆粒組成特征研究較少。因此，本文以三峽水庫消落帶紫色土為研究對象，探討近10 a來周期性淹水作用下其土壤顆粒組成空間分異，探討土壤顆粒體積分形維數與海拔高程、土層深度、顆粒體積含量間的相關性，為消落帶土壤侵蝕過程機理研究和水土保持措施優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽庫區腹地重慶市忠縣石寶鎮庫段(107°32′—108°14′E, 30°03′—30°35′N)，地勢較為平坦，呈典型的丘陵地貌。屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 172.1 mm，雨熱同期，降雨多集中在5—9月[27]。區域內出露巖層為第四系殘積土層及侏羅系中統沙溪廟組砂泥巖，主要土壤類型為紫色土，在中國土壤系統分類中屬于正常新成土，為易蝕性土壤[28]。受人為清庫和初期淹水的影響，消落帶現有植被以一年生和多年生草本植物為主，主要為空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、狗牙根(Cynodondactylon)、雙穗雀稗(Paspalumpaspaloides)、馬唐(Digitariasanguinalis)和蒼耳(Xanthiumsibiricum)等[27]。

1.2 土壤樣品采集

2016年9月水庫蓄水前在忠縣石寶鎮共和村庫段選取生境類型相似的紫色土岸坡，布設樣地采集土壤樣品，樣地內的土地利用類型在人為清庫前為旱地，淹水后為以狗牙根為主的草地。為表征消落帶不同海拔高程土壤所受庫水壓力、淹水時間和干濕循環幅度等明顯的空間分異特點，本文以5 m為間隔，分別在150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m布設樣地，每個海拔設置3個樣地，采集上層(0—10 cm)和下層(10—20 cm)的土壤，其中以未淹水海拔高程180 m的土壤作為對照，樣地概況見表1。每個樣地用五點采樣法采集1 kg左右土壤樣品并混合均勻，帶回實驗室，挑去其中的石塊和粗根等雜物，自然風干后經過研磨、過篩等前處理，用于室內測試分析。

表1 不同水位高程樣地概況

1.3 樣品測定與指標計算

土壤顆粒組成采用MasterSize 2000型激光粒度分析儀測定，根據美國制劃分標準將土壤粒徑分為以下7個級別，0～0.002，0.002～0.05，0.05～0.1，0.1～0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm，其中砂粒為0.05～2 mm，粉粒為0.002～0.05 mm，黏粒為<0.002 mm。

土壤顆粒分形維數采用體積分形維數表示[29]，將以上7個粒徑數據帶入以下公式進行計算：

(1)

式中:r為土壤顆粒粒徑(mm);R為某區間的代表粒徑,通常用該區間上下限的算術平均值表示;V(r

公式(1)與楊培嶺等[30]及Tyler等[31]所建立的質量分形維數計算公式在表達上類似，但不同的是此公式用體積代替質量，從而完美避開需做不同粒徑具有相同密度的假設，使得此公式更加符合實際情況，所得結論更具說服力。

為方便計算時，兩邊需同時建立對數表達式，公式如下：

(2)

對公式(2)進行線性回歸后，得到擬合的直線斜率，該斜率為公式中的3-D，從而求出D值。

2 結果與分析

2.1 不同海拔高程上的土壤顆粒組成

由圖1可知，消落帶各海拔高程土壤中粉粒含量均為最高，占土壤顆粒的72.6%～86.5%；其次是砂粒含量，含量最少的為黏粒，占比為2.13%～3.44%。土壤黏粒、粉粒和砂粒含量在不同海拔高程上均有顯著差異(p<0.01)。總的來看，粉粒含量與海拔高程呈正相關關系，隨著海拔高程的增加，土壤粉粒含量逐漸增大，其中150～165 m區間增長速度較快，之后增長速度減緩；而砂粒含量與海拔高程呈負相關關系，隨著海拔梯度的增加，土壤砂粒含量逐漸減小，減小速度先快后慢，其中175 m高程土壤砂粒含量為150 m高程土壤砂粒含量的41.3%。黏粒含量與海拔梯度的關系由圖1可看出，在150～165 m區間上，隨著海拔高程的增加，黏粒含量逐漸增加，但增長幅度較小，在165 m黏粒含量達到最高后增長停滯，隨后黏粒含量趨于平穩，變動較小。中值粒徑介于10.6～20.36，并與海拔高程呈負相關關系，隨著海拔的增大，中值粒徑不斷減小。

圖1 不同高程土壤各顆粒體積含量分布特征

未淹水對照樣地(海拔180 m)粉粒含量占比最大，占比為88.18%；黏粒含量占比最小，為3.65%；相較于消落帶土壤，180 m高程對照樣地土壤粉粒、黏粒含量均達到最大，分別增加5.76%～35.10%和1.89%～17.62%；而砂粒含量達到最小，相較于消落帶土壤減少26.38%～205.95%。同時，海拔180 m中值粒徑最小，為10.6。

2.2 不同土層間的土壤顆粒組成

土壤顆粒體積含量在土層間無顯著差異(p>0.01)，但同一海拔高程內，0—10 cm黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土層；0—10 cm土層砂粒含量大于10—20 cm土層(圖2)。從黏粒含量來看，0—10 cm和10—20 cm土層土壤黏粒含量均在165 m處達到最大，分別為3.52%與3.61%，最小值分別出現在海拔150 m與155 m處，與最大值分別相差58.68%與32.01%。從粉粒含量來看，兩層土壤粉粒含量均在175 m達到最大，分別為86.17%與86.87%，最小值出現在海拔150 m與160 m處，與最大值分別差22.85%與11.57%。與黏粒、粉粒含量相反，0—10 cm和10—20 cm土層土壤砂粒含量最大值均出現在低海拔區域，分別在海拔150 m(32.06%)與155 m(19.93%)處，而最小含量均出現在海拔175 m處，與最大含量分別相差72.43%與62.40%。對照組180 m兩層土壤顆粒變化規律與其他高程一致，0—10 cm土層的黏粒、粉粒含量均小于10—20 cm土層的黏粒、粉粒含量，而0—10 cm土層的砂粒含量大于10—20 cm土層的砂粒含量。

圖2 0-10 cm，10-20 cm土層土壤各顆粒體積含量分布特征

2.3 土壤體積分形維數空間分布特征

土壤體積分形維數在不同海拔高程上具有顯著差異(p=0.008<0.01)，其中150 m與155 m海拔土壤體積分形維數最小，均為2.50；160～175 m體積分形維數次之，介于2.54～2.58；180 m對照樣地土壤體積分形維數最大，為2.59。海拔高程與土壤體積分形維數的線性回歸關系表明(圖3)，土壤顆粒體積分形維數與海拔高程呈正相關關系，隨高程增加，土壤顆粒體積分形維數呈線性上升趨勢，其中R2為0.74。

圖3 不同高程土壤顆粒體積分形維數

0—10 cm土層土壤顆粒體積分形維數的最小值、最大值、均值分別為2.45，2.58，2.54，均小于10—20 cm土層土壤(分別為2.51，2.60，2.56)，上下兩層土壤顆粒體積分形維數的變異系數分別為1.90，1.02，均屬于弱變異性，離散程度較低。可見，土壤體積分形維數在不同土層上無顯著性差異(p=0.212>0.01)，即土層深度對土壤體積分形維數的影響不顯著。

2.4 體積分形維數與土壤顆粒體積分數的關系

土壤顆粒體積分數與體積分形維數的線性關系見圖4，結果表明，黏粒體積分數與體積分形維數呈顯著正相關(p<0.01)，即隨著黏粒體積分數的增加，土壤顆粒體積分形維數增大；粉粒體積分數與體積分形維數呈正相關，且正相關性極顯著(p<0.01)。而砂粒與體積分形維數呈顯著負相關(p<0.01)，即隨著砂粒含量增大，體積分形維數減小。在相關性強度上，黏粒與體積分形維數的線性相關性最強(R2=0.96)，即體積分形維數對黏粒含量的變化最敏感，其次是砂粒(R2=0.78)，粉粒與體積分形維數的線性相關性最弱(R2=0.73)。

圖4 各顆粒體積分數與體積分形維數的關系

3 討 論

消落帶環境的特殊性不利于保持土壤結構的穩定性，土壤顆粒組成存在明顯的空間分異，總體來看，三峽水庫消落帶土壤顆粒組成分形維數隨海拔升高而增大，最大值出現在165 m處(圖3)，表明此海拔的土壤侵蝕程度較其他海拔更低。研究表明消落帶土壤侵蝕速率的波動模式與特定水位停留時間的波動模式一致，且最低和最高海拔附近的停留時間明顯長于其他海拔[32]，侵蝕強度也高于其他海拔，因此165 m高程上的土壤侵蝕程度較其他海拔的土壤侵蝕更小，與本研究結論相似。同時，本研究發現，體積分形維數在各海拔區間的大小依次為：160～165 m海拔區間、170～175 m海拔區間、150～155 m海拔區間，即160～165 m海拔區間上土壤黏粒、粉粒含量最多，出現這種規律的原因可能與消落帶上復合侵蝕營力下發生的搬運—沉積過程有關。消落帶上部(170～175 m)主要以降雨徑流侵蝕為主，其表層土壤的細小顆粒在降雨沖刷過程中被水流搬運，逐漸在消落帶中部(160～165 m)沉積，使得粘、粉粒含量在消落帶中部增多而在消落帶上部減少；同時，消落帶下部(150～155 m)淹水時間相對較長、淹水頻率較高，土壤所受水位變動的影響較大，加之強烈的波浪侵蝕，易發生土壤侵蝕，導致表層細顆粒被水沖刷，隨水流遷移至下游地區后逐漸沉積，導致消落帶土壤顆粒組成的空間變異。

研究表明，土壤體積分形維數一定程度上可以反映水土流失的程度[33]，體積分形維數越小就越易發生水土流失。消落帶樣地周邊區域的相關研究表明[34]，忠縣石寶鎮紫色土坡耕地表層0—20 cm土壤體積分形維數介于2.64～2.66，均高于本研究中消落帶草地表層土壤體積分形維數，同時本次研究中未淹水區(180 m)土壤顆粒的體積分形維數大于消落帶內部區域，因此可以表明消落帶比周圍地區更易發生水土流失，相關研究發現消落帶內土壤侵蝕模數高于周圍環境16倍[35]，水土流失程度更高，與本次研究結論相似。造成這種差異的原因可能是水庫消落帶與陸地環境不同，經歷反復淹水過程，使得消落帶原有植被消亡或減少，逐漸由多年生植被轉為一年生植被，植被固土能力減弱，土壤抗侵蝕性能降低，且在周期性淹水—落干過程中受到多營力復合侵蝕[35]、坡面泥沙輸移等過程的影響，造成土壤細顆粒和營養物質大量流失，砂粒含量增多，土壤體積分形維數減小。而研究區域三峽水庫消落帶屬于河谷氣候，在暴雨和高溫的作用下，土體含水量易發生飽和—不飽和—飽和的快速變化，且反復淹水改變土壤理化性質，土壤黏聚力和抗剪強度下降[36]；淹沒期的波浪侵蝕、落干期的降雨徑流，以及由重力或機械力控制的堤岸坍塌等不同類型的侵蝕共同作用，易造成消落帶水土流失程度較其他地區更高[37]。

土壤顆粒組成分形特征可反映土壤質地均勻程度和土壤侵蝕程度，且因土地利用類型或方式的不同而異，比如，林地、草地等非耕作土壤的體積分形維數分別為2.783，2.894，低于坡耕地(2.963)等耕作土壤[16]，表明林地的土壤結構更好，主要原因為林地、草地根系發育較好，具有較好的群落結構，豐富的根系不僅有良好的固土作用，同時大量的凋落物也為微生物的生長提供養分使其分泌大量物質，促進土壤顆粒間的粘結，提高土壤結構的穩定性。而坡耕地由于長期的人為耕作導致土壤結構和植物根系遭受破壞，同時由于周期性的翻耕使得根系難以在短時間恢復，造成有機質對土壤顆粒的粘結作用不明顯，因此坡耕地土壤以細顆粒為主。

4 結 論

(1)消落帶表層0—20 cm土壤粒徑以粉粒為主，占土壤顆粒的72.6%～86.5%，其次是砂粒含量，最小的為黏粒含量；對照組180 m海拔高程上，粉粒含量占比最大，占比為88.18%；黏粒含量占比最小，為3.65%，相較于其他高程，180 m海拔高程粉粒、黏粒含量分別增加5.76%～35.1%和1.89%～17.62%，砂粒含量減少26.38%～205.95%；同時180 m內部土壤顆粒占比差異較大，粗化情況明顯。

(2)消落帶土壤顆粒組成在海拔上的變化趨勢為黏粒含量、粉粒含量與海拔梯度呈正比關系(黏粒增長幅度較小)，砂粒含量與海拔梯度大體呈反比關系，其中175 m高程土壤砂粒含量為150 m高程土壤砂粒含量的41.3%；同時，土壤顆粒組成在不同海拔高程存在較大差異(p<0.01)，但在土層深度上無顯著差異(p>0.01)。

(3)海拔高程、土層深度與土壤體積分形維數的關系為：土壤顆粒體積分形維數在不同海拔高程具有明顯異質性，且與海拔高程呈正相關，總變化趨勢為隨著高程增加，土壤顆粒體積分形維數呈線性上升趨勢(R2=0.74)；不同土層之間具有弱變異性(Cv<2)，土層深度對體積分形維數的影響不顯著(p>0.05)。

(4)土壤顆粒體積分形維數與黏粒、粉粒含量的關系均呈顯著正相關(p<0.01)，即隨著黏粒、粉粒含量的增加，土壤顆粒體積分形維數呈線性增長趨勢，而體積分形維數與砂粒含量呈顯著負相關；在相關性強度上，黏粒與體積分形維數的線性相關性最強，其次是砂粒，相關性最弱的為粉粒。