滨海地区不同土地利用方式土壤颗粒组成及分形维数特征_朱芸.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 130 文章编号：1672-3317（2023）01-0130-08 滨海地区不同土地利用方式土壤颗粒 组成及分形维数特征 朱 芸1,2，傅庆林2*，郭 彬2，林义成2，刘 琛2（1.南京林业大学 林学院，南京 210037；2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021）摘 要：【目的】研究土壤颗粒分形维数与土壤肥力之间的关系，为土壤颗粒分形维数作为评价滨海地区土壤肥力的综合指标提供理论依据。【方法】选取浙江省绍兴市上虞区滨海地区 4 种土地利用方式（新垦海涂、水稻田、果园地和菜园地）的 0100 cm 土壤剖面为研究对象。应用分形理论对滨海地区不同土地利用方式土壤颗粒分形维数、pH、EC、土壤养分和酶活性进行研究，探讨了土壤颗粒分形维数与土壤颗粒组成及土壤肥力之间的关系。同时利用因子分析法研究了各理化因子对滨海地区土壤颗粒分形维数的影响。【结果】研究区土壤颗粒分形维数主要在 23之间；水稻土、果园土和菜园土的土壤颗粒分形维数显著高于新垦海涂；土地利用方式对土壤剖面中颗粒组成分布产生显著影响（P0.05），进而影响到土壤剖面的颗粒分形维数；新垦海涂和水稻土土壤颗粒分形维数在 020 cm土层中最高，而果园土和菜园土土壤颗粒分形维数在 80100 cm 土层中最高。【结论】土壤颗粒分形维数与土壤肥力相关性显著（P0.01），较好地反映土壤肥力，可作为评价滨海地区土壤肥力的定量指标之一。关 键 词：滨海地区；土地利用方式；土壤颗粒分形维数；土壤肥力 中图分类号：S152 文献标识码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022108 OSID：朱芸,傅庆林,郭彬,等.滨海地区不同土地利用方式土壤颗粒组成及分形维数特征J.灌溉排水学报,2023,42(1):130-137.ZHU Yun,FU Qinglin,GUO Bin,et al.Particle Composition and Fractal Dimension Vary with Land Management for Soils in Coastal RegionsJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):130-137.0 引 言【研究意义】滨海盐土作为我国生态脆弱系统土壤类型之一，同时也是重要的耕地后备资源1。滨海盐土在成陆过程中受到海水浸灌的影响，形成了含盐量高、土壤物理结构差和肥力低等特点，严重制约了滨海地区的农业可持续发展2。【研究进展】土壤颗粒组成是土壤重要的物理性质，其在成土过程中受到生物、化学等各种因素综合影响，使其大小和形态各异，且影响着土壤水、肥、气、热的传输与分配3-4。由于其自身特性及构成，通常用土壤粒径分形维数来描述其分形特征5-9。贾晓红等10研究发现在干旱沙漠地区中土壤颗粒分形维数可作为评价土壤演变程度的定量指标；王景燕等11发现土壤颗粒分形维数可以评价坡地退耕后土壤肥力的变化；姚姣转等12研究 收稿时间：2022-03-04 基金项目：浙江省粮食主产区农田地力快速培育与修复技术研究与示范项目（2019C02008）作者简介：朱芸（1995-），女。博士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治。E-mail: 通信作者：傅庆林，男。研究员，主要从事盐碱土改良。E-mail:F 表明土壤颗粒分形维数可用于反映土壤沙漠化过程。熊波等13发现土壤颗粒分形维数可作为区域耕地土壤质量评价指标之一。【切入点】土地利用是人类干预土壤结构和肥力最直接的活动，土地利用变化可引起自然现象和生态过程的变化，合理的土地利用可以有效改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力；不合理的土地利用会导致土壤结构破坏，质量下降14。揭示土壤颗粒组成变化是土地利用和管理中的重要部分，通过不同土地利用方式下土壤颗粒的变化特征，分析土壤生态环境及土壤肥力的变化情况15。近年来，关于土壤颗粒分形维数的研究都集中在干旱区沙地或坡耕地，但是，目前针对滨海盐土的土壤颗粒组成及分形维数研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】因此，本文以上虞区杭州湾滩涂围垦区为研究区，选取新垦海涂、水稻田、果园地和菜园地 4 种土地利用类型为研究对象，分析其理化性质和酶活性，计算土壤颗粒分形维数，并探讨土壤肥力与土壤颗粒分形维数的关系，以期为土壤颗粒分形维数作为评价滨海地区土壤肥力的指朱芸 等：滨海地区不同土地利用方式土壤颗粒组成及分形维数特征 131 标提供理论依据。1 材料与方法 1.1 研究区概况 研究区位于浙江省绍兴市上虞区杭州湾滨海盐土 围 垦 区（经 度30 070730 1236，纬 度120 4411120 5205），地处亚热带季风气候区，无霜期 251 d 左右，年降水量 1 400 mm。1.2 样品采集 样品采集于 2019 年 12 月，选取新垦海涂、水稻田（1976 年海涂围垦）、果园地（1974 年海涂围垦）和菜园地（1977 年海涂围垦）等 4 种土地利用方式（图 1），每种土地利用方式分别选取 3 个平行地块，各地块之间相隔至少 50 m。每个地块采用“S”形混合取样，采样剖面深度为 100 cm，按 020、2040、4060、6080 cm和 80100 cm 采集各土层土壤样品。样品去除杂质后装入自封袋带回实验室，待样品自然风干后磨碎过 2 mm筛用于土壤理化性质和酶活性的测定。注 A（新垦海涂）、B（水稻地）、C（果园地）和 D（菜园地）图 1 研究区域及采样点分布示意图 Fig.1 Study area and sampling point map 1.3 测定方法 土壤颗粒组成测定采用比重计法16测定：称取过 2 mm 筛的风干土样 50 g 于 500 mL 三角瓶中，加水湿润。根据不同的土壤 pH 值加入不同的分散剂（碱性土壤加六偏磷酸钠溶液；中性土壤加草酸钠溶液；酸性土壤加氢氧化钠溶液），再加水于三角瓶中使土壤容积约为 250 mL。瓶口放一个小漏斗放于电板上加热微沸 1 h，边加热边摇匀。待混悬液冷却后将其移到 1 000 mL 量筒中，测量悬液温度并结合时间沉降表，查出对应的比重计读数时间。用搅拌棒搅拌悬液上下约 30 次，测定时将比重计插入悬液中，到了选定时间记录比重计读数。以卡钦斯基制土壤粒径分级标准分 5 级测定：0.001 mm、0.0010.005、0.0050.01、0.010.05、0.050.25 mm。土壤 pH 值按 12.5 土水比用电极法-酸度计测定；EC 值按照 15 土水比用电导率仪 DDS-307A 测定；土壤有机碳量和全氮量采用元素分析仪检测（Elementar Vario MACRO,Germany）；碱解氮、有效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、钼锑抗比色法和火焰光度计法17。土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定18，脲酶活性使用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒测定（comin biotechnology Co,Ltd,Suzhou,China）。1.4 土壤颗粒分形维数（D）计算方法 本文采用杨培岭等19提出的土壤分形模型计算，计算公式为：W(Ri)W0=（RiRmax）3-D。（1）Ri为粒径分级中第 i 级，W(Ri）为粒径小于 Ri的土壤颗粒分布质量总和，W0为土壤各粒级质量的总和，Rmax为最大粒径的平均粒径。对式（1）中的两边同时取对数，以 lg(Vi/Vo)为纵坐标，lg(Ri/Rmax)为横坐标作图，得到的直线斜率为 3-D，因此，可用回归分析法得到土壤分形维数 D。1.5 数据处理与分析 采用 Excel 2016 进行数据整理和土壤颗粒分形维数计算拟合；利用 SPSS20.0 软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、偏相关性分析（Partial correlation）和因子分析，在因子分析法中对数据进行 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy)和巴特利球形(Bartletts test of sphericity)统计学检验，KMO 越接近于 1，巴特利球形值越小，研究数据越适用于因子分析20。采用 Excel 2020 作图。2.结果与分析2.1 土壤颗粒组成与分形维数 由表 1 可知，研究区内土壤颗粒组成主要以粗粉砂 粒（0.010.05 mm）为 主，质 量 百 分 数 在 54.53%84.01%之间；土壤颗粒分形维数（D）主要在 23 之间，且分形维数线性方程拟合度较高，R2均在 0.80 以上。不同土地利用方式下土壤颗粒组成和分形维数差异性显著（P0.05）。其中，在 020cm土层中，果园土、菜园土和水稻土中的黏粒（0.001 mm）、粉粒（0.0010.005 mm）和细粉粒量（0.0050.01 mm）显著高于新垦海涂，其他土层中则无规律性变化；在不同土层中，果园土、菜园土和水稻土中的砂粒量（0.050.25 mm）相比于新垦海涂，均显著降低（P0.05），而粗粉砂粒量（0.010.05 mm）在不同土层中变化规律则不明显。相比于新垦海涂，果园土、菜 园 土 和水 稻 土土 壤颗 粒 分 形维 数 显著 增加灌溉排水学报 http:/ 132（P0.05），说明滨海盐土开垦后土壤颗粒组成得到有效改善。不同土层中土壤颗粒组成和分形维数差异显著（P0.05）。随着土层深度加深，果园土和菜园土中的黏粒（0.001 mm）和粉粒（0.0010.005 mm）量逐渐增加，而在新垦海涂和水稻土中逐渐降低；砂粒（0.050.25 mm）量在新垦海涂中逐渐增加，而在果园土、菜园土和水稻土中呈逐渐降低趋势；细粉粒（0.0050.01 mm）和粗粉砂粒（0.010.05 mm）量在不同土层中变化规律不明显。新垦海涂和水稻土土壤颗粒分形维数在 020 cm 土层中最高，而果园土和菜园土土壤颗粒分形维数在 80100 cm 土层中最高。表 1 不同土地利用方式下土壤颗粒组成及分形维数 Table 1 Soil particle composition and fractal dimensions under different land use types 土层深度/cm 土地利用类型土壤颗粒组成/%DR2 0.001 mm0.0010.005 mm 0.0050.01 mm0.010.05 mm0.050.25 mm020新垦海涂8.69 0.28cA2.49 0.23cB3.12 0.37cB64.01 0.99cA23.26 0.72aB2.50 0.01bA0.86 0.04果园土13.50 0.42aB3.59 0.35bC10.22 0.50aC63.21 0.52cA7.47 0.56dA2.59 0.01aC0.90 0.04菜园土11.02 0.21bB5.88 0.56aC5.83 0.73bA71.39 0.72bB9.41 0.49cA2.57 0.02aC0.92 0.03水稻土10.08 0.75bA3.76 0.89bA4.06 0.39cA74.04 0.93aD15.32 0.79bA2.59 0.02aA0.88 0.032040新垦海涂2.80 1.08dD2.56 0.45cB12.90 0.57aA54.53 0.88cB25.92 0.87aB2.26 0.02dC0.93 0.01果园土16.55 0.58aA7.38 0.35aB9.51 0.79bC60.45 1.20bB6.51 0.32bB2.63 0.01aB0.92 0.01菜园土10.12 0.71bB6.31 0.45aC5.31 0.76cA75.49 1.05aA4.40 0.61cC2.52 0.01bD0.87 0.03水稻土6.36