黄土丘陵区不同土地利用方式土壤团粒结构分形特征

2008年4月6(2) :75-82中国水土保持科学

Science of Soil and Water Conservation Vol. 6 No. 2Apr. 2008

周萍1, 2, 刘国彬1, 3, 候喜禄1

(11中国科学院水利部水土保持研究所, 712100, 陕西杨凌; 21中国科学院研究生院, 100049, 北京;

31西北农林科技大学水土保持研究所, 712100, 陕西杨凌)

摘要土壤团粒、水稳性团粒和微团粒状况是影响土壤结构和性质的重要因素。运用分形理论研究黄土丘陵区纸坊沟流域7种不同土地利用方式土壤团粒结构的分形特征。结果表明:表层土壤团粒的分形维数在11641~21114之间, 其大小顺序为人工草地>果园>坡耕地>乔木林地>灌丛>天然草地>人工梯田。土壤水稳性团粒的分形维数在11774~21384之间, 其变化顺序为果园>乔木林地>人工草地>坡耕地>天然草地>人工梯田>灌丛, 二者均表现出\0125mm 粒级土壤团粒含量越低, 分形维数越高的规律; 分形维数与\5mm 、5~2mm 和\0125mm 粒级的土壤团粒、水稳性团粒呈极显著负相关(P 乔木林地>坡耕地>人工梯田>人工草地>果园>灌丛, 灌丛有助于促进土壤微结构形成, 分形维数与0125~0105mm 和>01001mm 粒级土壤微团粒含量呈极显著负相关(P

Fractal features of soil aggregate structure under different

land use in the Hilly -gu lly region of Loess Plateau

Zhou Ping , Liu Guobin , Hou Xilu

1, 2

1, 3

(11Institute of Soil and Water Conservation, Chines e Academy of Sci ences and Minis try of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi; 21Graduate Uni versity of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beiji ng; 31Northwest A&FUniversi ty, 712100, Yangling, Shaanxi:China)

Abstract The status of soil aggregates, water stable aggregates and microa ggre gates are important fac tors affecting soil structures and features. Based on the fractal theory, the fractal dimension of soil aggregates and microaggregates structure under seven different land use types in Zhifang Hilly -gully region was studied. The

results showed that:the fractal dimension of the upper layer (0to 20c m) soil aggregate structure under these seven land use types ranged from 11641to 21114. The frac tal dimension of soil aggregate of artificial meadow was highest, followed by orchard, slope crop -land, arbor forest land, shrub land, natural meadow and artificial terrace. The frac tal dimension of water stable soil a ggre gate ranged from 11744to 21384, the fractal

收稿日期:2007-05-09 修回日期:2008-01-20

项目名称:中国科学院西部行动计划/黄土高原水土保持与可持续生态建设试验示范研究0(KZCX2-XB2-05) ; 国家重点基础研

究发展计划/中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究0(2007CB407205) ; 国家自然科学基金重点项目/黄土高原生

态恢复的环境效应及评价0(90502007)

第一作者简介:周萍(1981) ) , 女, 博士研究生。主要研究方向:植被恢复和生态系统服务功能。E -mail:zhouping04@mails. gu -cas. ac. cn 责任作者简介:刘国彬(1958) ) , 男, 博士, 研究员。主要研究方向:水土保持与流域管理。E -mail:gbli u@ms. is wc. ac. cn

中国水土保持科学

2008年

dimension of orchard water stable soil aggregate of artificial meadow was highest, followed by arbor forest land, artificial meado w, slope crop -land, natural meado w, artificial terrace and shrub land. Both of the conditions showed the same la w:The lower total amount of the soil aggregates (more than 0125mm) was, the higher fractal dimension was. There were remarkable negative correlation between the fractal dimension and not less than 5mm, 5to 2mm and not less than 0125m m soil aggregates and water stable aggregates contents. But significant positive c orrelation with less than 0125mm soil aggregates. C onsidered the rate of soil structural da mage, the soil structure and stability of shrub land was the highest, the next was natural meadow, artificial meado w was the lo west a mong these seven land use types. In the upper soil layer (0to 20c m) the range of fractal dimension of soil microaggregate was 21360to 21487. The fractal dimension of soil microaggregate of natural meadow was highest, follo wed by arbor forest land, slope crop -land, artificial terrace, artificial meado w, orchard, and shrub land was the lowest of that. It was showed that shrub land and natural meadow were beneficial to forming soil microaggregates. The c orrelation analysis results sho wed that fractal dimension had remarkable negative correlation with 0125to 0105mm and more than 01001mm microaggregates, also had positive correlation with less than 01001mm microaggates. B ut the soil texture of lower layers (20to 60cm) were relevant to the parent material and little affected by human beings activities. There existed significant positive correlation among three frac tal dimensions (P

Key words soil a ggre gate; microaggregate; land use types; fractal dimension; Hilly -gully region of Loess Plateau

Mandelbort 在他的专著中提出了分形和分形维数的概念, 为研究不规则事物提供了有效方法。P. A. Burrough [3]又将分形应用到自然生态和环境学科领域中, 分形理论成为当代新兴的学术思想, 具有较大的应用潜力。土壤由大小与形状各异的土壤颗粒组成, 表现出不规则几何形状且具有自相似性, 说

-5]

明土壤是具有分形特征的系统[4。20世纪80年

[1-2]

量分布, 直接计算粒径分布的分形维数, 表征土粒直

径的大小和质地组成的均匀程度。

黄土丘陵区植被生态恢复过程中, 土壤质量评价, 微生物量碳氮, 土壤侵蚀, 养分流失和土壤肥力退化等研究已有报道, 但有关土壤团粒变化的研究不多, 且涉及不同土地利用方式的研究仅局限于土壤性质的测定, 对土壤团粒结构分形维数的研究较少。笔者试图在前人研究的基础上, 以黄土丘陵区纸坊沟流域为研究单元, 根据实测资料, 运用分形理论描述不同土地利用方式的土壤团粒结构分形维数特征及其结构特性, 探讨不同土地利用方式对土壤结构和土壤性质的影响, 以期为流域植被恢复及土壤肥力特征描述提供新尺度和新方法, 为合理利用土地和制订切实可行的水土保持措施提供基本依据。

代起, 分形理论应用到土壤学领域中的土壤结构、水

-9]

分特征以及溶质转移等方面的研究中[6, 推动了土壤形态、结构、过程等问题的解决, 并在一定程度上

-11]使其定量化[10。土壤团粒结构是反映土壤特征

和评价土壤质量的重要指标之一, 其表征形式有土壤团聚体组成、水稳性团聚体组成、微团聚体组成等。不同土地利用方式对土壤团粒的形成、数量和质量有重要影响。关于土壤团粒结构的数量和质量的特征, 一般从团粒粒径质量百分比和MWD(平均质量直径) 等方面进行分析, 但这不能完全反映土壤团粒结构对土壤性质的综合影响。K. J. Falcon -er 、L. M. Arya 等首先研究了土壤颗粒的分形现象及其分形维数的计算, D. L. Turcotte [4]又提出了多孔介质材料的粒径分布与分形维数关系公式, 杨[14][12]

[13]

1 研究区概况

研究区位于陕西省安塞县纸坊沟小流域, E 109b 13c 46d ~109b 16c 03, N 36b 42c 42d ~36b 46c 28d , 海拔1100~1400m, 流域面积8127km 2, 属黄土丘陵沟壑区第2副区, 暖温带半湿润气候向半干旱气候过, h,

第2期

周萍等:黄土丘陵区不同土地利用方式土壤团粒结构分形特征

cm 2, 年平均气温818e , \0e 积温373315e , \10e 积温311319e , 无霜期157~194d 。年平均降雨量54215mm, 分布不均, 7、8、9月份降雨量占年降雨量的6111%, 且多暴雨。流域植被属于暖温带落叶阔叶林区向暖温带草原区过渡的森林草原植被。1938) 1973年, 由于毁林开荒及人类活动的影响, 地带性植被已经破坏殆尽, 流域生态系统严重退化[15]。

在坡向、坡度、坡位和海拔基本一致的刺槐(Robinia pseudoacacia ) 乔木林地, 狼牙刺(So phora davidii ) 灌丛, 铁杆蒿(Artemisia sacrorum )-茭蒿(Artemisia gi -raldii )-长芒草(Stipa bungeana ) 天然草地, 玉米(Zea mays ) 人工梯田, 苜蓿(Medicago sativa ) 人工草地, 苹果(Malus pumila Mill) 果园和茵陈蒿(Artemisia capil -laries )-香青兰(Dracocephalum moldavica ) 坡耕地等不同用地上分别选取30m @30m 的标准地(表1) 。在各样地上挖取表层0~20cm 土壤剖面并采集1kg 原状土样(用硬质铝盒装好, 保证不受挤压) 备用, 各样地均设3次重复, 再用直径为3c m 的土钻, 采用蛇形五点取样法, 采集0~20、20~40和40~60cm 土壤样品, 也均设3次重复, 并用GPS 定位, 详细记录采样点周围的景观信息。

2 研究方法

211 样地选择和样品采集为研究纸坊沟流域内不同土地利用方式土壤团粒、水稳性团粒和微团粒的变化特征, 根据流域地貌特征、植被和土地利用状况, 以典型性和代表性为原则, 于2006年9月中旬,

表1 样地的基本情况Tab. 1 General information of sites

土地利用方式乔木林地灌丛天然草地人工梯田人工草地果园坡耕地

刺槐狼牙刺

铁杆蒿, 茭蒿, 长芒草玉米苜蓿苹果

茵陈蒿, 香青兰

植被类型

地貌部位梁坡梁坡梁坡梁坡梁坡梁坡梁坡

坡向NW45b N45b W S20b E N NE S 20b E E

坡度/(b )

[1**********]222

坡位坡中上部坡中部坡中部坡中上部坡中部坡中部坡中上部

海拔/m [***********]0711211315

土壤类型黄绵土黄绵土黄绵土黄绵土黄绵土黄绵土黄绵土

212 样品分析测试

土壤团聚体分离方法:依据I. C. Mendes 等

[16]

3 结果分析

不同土地利用方式表层土壤团粒及水稳性团粒的组成及分形维数统计结果见表2。

311 不同土地利用方式土壤团粒及水稳性团粒组

成分析

由表2可以看出, 7种土地利用方式中, 表层土壤团粒(干筛) 状况为:\5mm 粒径的土壤团粒含量变化范围在40126%~69160%之间, 变化顺序为人工梯田>乔木林地>灌丛>天然草地>坡耕地>果园>人工草地; 5~2mm 粒径的土壤团粒含量变化范围在8104%~15161%之间, 果园, 人工草地, 坡耕地和人工梯田在这个粒级的含量高于天然草地、灌丛和乔木林地, 表明人为活动强烈的土地利用方式在这一粒径范围内土壤团粒含量高于天然的、未经人为扰动或人为干预较少的土地利用方式, 乔木林地和灌丛土壤团粒在这一粒径范围内的含量仅占8104%和8153%, 这与乔木和灌丛的根系在表土层的分布状况有很大的关系; 在2~1mm 、1~015mm 5~, 和彭新华等[17]的干筛和湿筛法进行土壤团粒和水稳性团粒的分离。用英国马尔文公司的MS2000型激光粒度仪测定土壤微团粒含量。

213 分形维数模型

前人研究表明, 土壤是具有分形特征的系统型

[4-5]

。运用分形理论建立土壤团粒结构的分形模:粒径d i 小于某一特定测量尺度的累积土粒

(d i /d max )

3-D

[18-19]

质量m i 与d i 之间的分形关系式为

=m i /m o

式中:d max 为最大土粒的粒径, mm; m i 为粒径大于d i 的累积土粒质量, kg; m o 为各粒级质量的总和, kg; D 为分形维数。

分别以lg(m i /m o ) 、lg (d i /d max ) 为纵、横坐标作图, 则3-D 是该实验直线的斜率, 故可用回归分析方法对土壤分形维数(D ) 进行测定。214 数据统计分析

对所得实验数据用E xcel 和SPSS 1110统计分

中国水土保持科学

2008年

占的比例大于其他土地利用方式, 分别达到8173%、7188%和4172%, 这与果园每年的施肥有关, 施用有机肥, 特别是有机肥和无机肥配施有利于增加2~1mm, 1~015mm 和015~0125mm 团聚体含量, 不同粒径的团粒在营养元素的保持、供应及转

化能力等方面发挥着不同的作用[20]。0125~2mm 团聚体是土壤肥力的重要物质条件, 可用该粒径团

粒的相对增加来评价植被恢复或土壤改良措施的土

-22]

壤生态效应[21; \0125mm 粒径的土壤团粒含量

最大的为天然草地, 最小的为人工草地。

表2 不同土地利用方式土壤团粒及水稳性团粒组成及分形维数

Tab. 2 Composition of soil aggregate and water stable soil aggregate and fractal dimension under different land use

土地利用方式

处理方法干筛

乔木林地

湿筛干筛

灌丛

湿筛干筛

天然草地

湿筛干筛

人工梯田

湿筛干筛

人工草地

湿筛干筛

果园

湿筛干筛

坡耕地

湿筛

69110? 131460109? 151233170? 812669160? 111048170? 614740126? 915512160? 312148127? 111329140? 611260109? 141233170? 9188

9140? 119810126? 210110140? 112510162? 51606120? 018913165? 41562110? 016915160? 41263180? 011214117? 11564110? 0145

3190? 01166123? 11236100? 21143196? 01243130? 01176195? 11542180? 01468173? 01694190? 01565186? 01694100? 0187

3160? 01144193? 01695130? 01462181? 01094140? 01266150? 01474140? 01567188? 01878170? 11564116? 01196150? 0126

1170? 01262197? 01763120? 01911155? 01152120? 11014103? 01783160? 01234172? 01585170? 01982140? 01045170? 0125

12130? 111209116? 111220160? 615911147? 1013235120? 1013628161? 911274150? 1216014180? 215947150? 519813132? 216546100? 9169

38187? 1117638138? 516264140? 915612158? 112526179? 9112

29130? 211160163? 1218

3100? 01458153? 2132

4110? 01266107? 0174

5130? 01265137? 0189

6110? 01293101? 0111

52120? 1415916140? 1145

4190? 0156

\5m m 62146? 1612

5~2m m 8104? 0169

土壤团粒组成/%(均值? 标准差)

2~1mm 4162? 0158

1~015m m 4152? 0114

015~0125m m 3107? 0178

42124? 14120结构体破坏率/%

相关系数01952? 0101701943? 0101501964? 0101401962? 0101201977? 0100701973? 0100501979? 0100201953? 0100301984? 0100601945? 0100401984? 0100101939? 0100501950? 0101201939? 01009

分形维数11974? 0101721382? 0102211963? 0102811774? 0105111942? 0102121003? 0101911641? 0106411983? 0101821114? 0101821344? 0101721107? 0102121384? 0101421000? 0102921283? 01019

从表2也可看出, 7种土地利用方式中, \5mm 的水稳性团粒(湿筛) 变化顺序为灌丛>人工梯田>天然草地>坡耕地>果园>乔木林地>人工草地, \0125mm 粒径的土壤水稳性团粒含量最高的为灌丛, 最小的为人工草地。可见, 无论是\5mm 还是

\0125mm 粒径, 灌丛土壤水稳性团粒含量在所有土地利用方式中最高, 说明灌丛土壤组成状况最好, 土壤结构稳定, 这与灌丛长期自然演替过程中冠幅具有多层次结构、地上部分持水量大且每年有大量的凋落物归还土壤, 土壤腐殖质积累多, 利于土壤水稳性团粒的形成有关。人工草地\0125mm 土壤水稳性团粒最小, 这可能与其表层土壤人为扰动较大, 破坏了表土的土壤团粒结构, 使土壤的抗冲性减弱有关。

7种土地利用方式中, 表土团粒结构体的破坏率表现为人工草地>乔木林地>坡耕地>果园>人工梯田>天然草地>灌丛, 其中, 结构体破坏率最大的人工草地是结构体破坏率最小的灌丛的14倍左右。天然草地由于其根系分布较浅且须根发达, 表, 土高原特殊的地形地貌及侵蚀环境, 植被恢复过程中保护天然草灌措施是必要的。乔木林地表层土壤团粒的结构体破坏率达到42142%, 这与其根系发达且扎根较深, 表层土中分布的根量较少有关。人工草地的结构体破坏率在各种土地利用方式中最大, 表明其结构和稳定性较差, 这可能是因为人工草地地表枯落物极少, 土壤腐殖质含量相对较少, 加之开垦耕种人为活动干扰强烈所致。综合干、湿筛法, 灌丛土壤结构与稳定性最好, 其次为天然草地。312 不同土地利用方式土壤团粒及水稳性团粒分

形特征土壤团粒结构分形维数反映了它对土壤结构与稳定性的影响趋势, 即团粒结构的分形维数愈小, 土壤愈具有良好的结构与稳定性。以lg(m i /m o ) 和lg(d i /d max ) 为纵、横坐标, 应用回归分析方法计算出7种土地利用方式土壤团粒结构的分形维数。由表2可以看出, 回归分析的相关系数均在0193以上且达到极显著水平(P [23]

第2期

周萍等:黄土丘陵区不同土地利用方式土壤团粒结构分形特征

然草地>人工梯田, 基本表现为\0125mm 粒径的团粒含量越低, 其分形维数越高, 这与丁文峰等的研究结果一致。

[24]

土壤越具有良好的结构与稳定性。7种土地利用方式中, 人工草地土壤团粒干筛的分形维数最高, 而果园土壤团粒湿筛的分形维数最高, 且人工草地的土壤结构体破坏率最高。表明人工草地土壤的结构与稳定性在7种土地利用方式中最差, 土壤团粒孔隙分布最不均匀, 通透性差, 这可能是土壤腐殖质含量相对较少, 有机物分解和腐殖质再合成的强度较弱, 使土壤中的养分易于流失有关。从一个侧面反映了土壤团粒结构分形维数越大, 土壤肥力越低。

313 不同土地利用方式土壤微团粒组成及其分形

特征

7种土地利用方式不同土层深度土壤微团粒组成及其分形维数统计结果如表3所示。

7种土地利用方式表层土壤水稳性团粒(湿筛) 的分形维数在11774~21384之间, 其变化顺序为果园>乔木林地>人工草地>坡耕地>天然草地>人工梯田>灌丛, 也表现出\0125mm 粒径的团粒含量越低, 其结构的粒径分布分形维数越高的规律。通过分形维数与土壤团粒、水稳性团粒间的相关性分析结果(表2) 可看出, \5mm, 5~2mm 和\0125mm 的团粒与分形维数呈显著负相关, 与

表3 不同土地利用方式不同土层深度土壤微团粒组成及其分形维数

Tab. 3 Composition analysis of soil microaggregates and fractal dimension of di fferent soil layers under di fferent land use

土层深度

c m

土壤微团粒组成/%(均值? 标准差)

微团粒/mm

乔木林地

[1~0125](0125~0105](0105~0101]

0~20

(0101~01005](01005~01001]

分形维数相关系数

[1~0125](0125~0105](0105~0101]

20~40

(0101~01005](01005~01001]

分形维数相关系数

[1~0125](0125~0105](0105~0101]

40~60

(0101~01005](01005~01001]

分形维数相关系数

3136? 0159

灌丛11191? 2115

天然草地4152? 1106

人工梯田0175? 0106

人工草地0193? 0124

果园3133? 1123

坡耕地1145? 0114

29158? 914744108? 1615430110? 111235165? 415632111? 1117233185? 1412131158? 1015647162? 1413733125? 812645159? 1516247115? 911850170? 1618946137? 1619850117? 121367125? 31759138? 21142181? 1101

4146? 11035107? 11561123? 0198

7143? 01969152? 21652170? 0105

6112? 01467154? 11452179? 0107

6126? 11267139? 21012161? 0197

6137? 01567160? 11142148? 1110

6121? 11107149? 11493109? 0197

21484? 0102921360? 0101921487? 0101421469? 0103121460? 0102321458? 0101921481? 0102101908? 0100501943? 0100201911? 0100501920? 0100401914? 0100301919? 0100101917? 010040131? 0109

5151? 1126

1175? 0104

1112? 0104

0100? 0103

0100? 0102

0170? 0104

28144? 814940124? 819730119? 1012130143? 819231196? 1619834190? 1117829112? 1012352109? 1614340142? 614149161? 1412050198? 1214653181? 1711449158? 1514653162? 151697113? 11978196? 21163108? 0197

5127? 01986124? 11022133? 0189

7104? 11478166? 21162174? 0149

6141? 21518131? 31252175? 0147

5154? 11236128? 21652141? 1102

5173? 21107124? 11782154? 0169

6143? 01497113? 01783101? 0115

21490? 0103921442? 0103121475? 0101521472? 0103621439? 0102121455? 0101921475? 0101601906? 0100501936? 0100701909? 0100101910? 0100201912? 0100201917? 0100601912? 010040162? 010928164? 514753107? 141016193? 51967198? 11422177? 011921471? 0103301907? 01003

) ) ) ) ) ) ) )

1102? 0104

0180? 0117

0125? 0104

0129? 0109

0137? 0121

30199? 1014132158? 1412130128? 614531131? 519832108? 814750102? 1516949177? 1614353168? 1212350152? 1718253145? 141566172? 21568145? 11472181? 0114

6117? 01267192? 21132176? 0149

6131? 21466191? 11422157? 0169

6165? 11218141? 11082181? 0179

5150? 01585190? 01492169? 0147

21476? 0101621470? 0103121453? 0102821475? 0102121451? 0101101911? 0100201914? 0100201910? 0100701910? 0100301915? 01005

中国水土保持科学

2008年

由表3可以看出:表层(0~20cm) 土壤1~0125mm 粒径的微团粒含量由大到小顺序为灌丛>天然草地>乔木林地>果园>坡耕地>人工草地>人工梯田。0125~0101mm 粒径范围内土壤微团粒含量相差不大, 变动范围在75169%~82181%之间。0101~01001mm 粒径下土壤微团粒含量变化顺序为天然草地>乔木林地>人工梯田>人工草地>果园>坡耕地>灌丛。

20~40cm 土层中, 1~0125mm 粒径土壤微团粒含量的变化趋势和表层相同, 只是变化范围仅在5151%~0之间, 在这一土层范围内最低。7种土地利用方式土壤微团粒含量都集中在0125~0105mm 和0105~0101m m 中, 变化范围在79180%~85177%之间, 这2个粒径范围的土壤微团粒含量也受人为干扰活动影响很大。在0101~01005mm 和01005~01001mm 范围的土壤微团粒的含量也表现出人工土地利用方式小于天然土地利用方式的规律, 但其土壤微团粒的含量仅占到11151%~16109%。

在40~60cm 土层中, 由于灌丛土壤中的石渣含量高而未进行分析, 其余6种土地利用方式1~0125mm 粒径的土壤微团粒含量只有天然草地大于1%, 其他土地利用方式含量大小顺序为天然草地>人工梯田>乔木林地>坡耕地>果园>人工草地。0125~0101mm 粒径的土壤微团粒含量变化范围在81101%~85153%之间, 最大的是坡耕地, 最小的是天然草地。0125~0101mm 粒径的土壤微团粒含量和>01005mm 粒径的土壤微团粒含量表现出相同的变化规律。

同样, 利用回归分析法计算7种土地利用方式

土壤微团粒结构分形维数特征的变化规律, 可知0~20cm 表层土壤的分形维数在21360~21487之间, 变化顺序为天然草地>乔木林地>坡耕地>人工梯田>人工草地>果园>灌丛。表层各粒级微团粒含量与分形维数之间相关分析结果表明:1~0125mm, 0125~0105mm 和>01001mm 粒级的土壤微团粒与分形维数表现为极显著负相关(P 坡耕地>天然草地>人工梯田>果园>灌丛>人工草地, 此土层土壤微团粒在1~0125mm 粒径区间的分形维数变化趋势和表层土壤微团粒含量变化相一致; 40~60cm 土层的土壤微团粒分形维数变化顺序为天然草地>果园>乔木林地>人工梯田>人工草地>坡耕地>灌丛, 该土层土壤质地与母质形成发育过程有关, 受人为活动干扰较小。总体来看, 不同土地利用方式剖面土壤微团粒分形维数变化较大, 表层土壤微团粒的分形维数变化规律与相应的土壤团粒含量变化趋势相似, 而表层土壤的改变体现了人类活动干扰对于土壤性质的影响, 因此, 土壤微团粒的分形维数可表征土壤结构质量的高低。

314 土壤团粒、水稳性团粒和微团粒的分形维数比

较及与土壤抗蚀性关系分析

分形维数可以在一定程度上反映土壤团粒, 水稳性团粒和微团粒的含量、土壤均一性、土壤通透性、抗蚀性、土壤肥力等并揭示其规律性。从土壤团粒、水稳性团粒和微团粒的分形维数与土壤抗蚀性关系分析(表4) 可知, 这3种分形维数之间存在正相关关系, 且土壤团粒和水稳性团粒分形维数间的相关性达到显著水平(P

[25]

表4 3种分形维数与土壤性质的相关分析

Tab. 4 Correlation analysis between three fractal di mension and soil characters

水稳性团粒分形维数微团粒分形维数土壤密度土壤全氮

水稳性团粒分形维数

1100001429-01900*-01686

微团粒分形维数

0142911000-01607-01214

土壤密度-01900*-0160711000-01179

土壤全氮-01686-01214-0117911000

土壤有机质

-01850*-01786*-01714*

01779*

第2期

周萍等:黄土丘陵区不同土地利用方式土壤团粒结构分形特征

4 结论与讨论

1) 黄土丘陵区纸坊沟流域内7种不同土地利用方式土壤团粒结构(干筛) 的分形特征研究结果表明, 天然草地、灌丛和人工梯田的土壤团粒分形维数较其他土地利用类型的低, 土壤结构团聚状况好、稳定性高、破坏率小、抗侵蚀能力强、保持水土和改善土壤肥力功能强, 而人工草地最差。针对黄土丘陵区的黄土特性和侵蚀环境, 加强草地和灌丛地的保护, 对保持和提高物种多样性, 改善生态环境意义重大。土壤团粒和水稳性团粒分形维数的变化规律不一致, 需进一步加强分形学在土壤结构性状与土壤肥力特征方面的研究。笔者所讨论的7种土地利用方式土壤结构分形特征差异基本表现为天然草地利用方式下的分形维数小于受人为活动干扰较大的人工草地土地利用方式的分形维数, 至于人为活动是如何影响土壤结构和性质的、影响程度如何等问题仍有待深入探讨和研究。

2) 通过分形维数与土壤团粒、水稳性团粒各粒径的相关性分析可知:\5mm, 5~2mm 和\0125mm 团粒与分形维数呈极显著负相关关系, 与01001mm 粒级的微团粒与分形维数呈极显著负相关关系,

3) 不同土地利用方式土壤微团粒的分形维数在不同土层剖面变化较大。表层土壤分形维数变化规律与相应土壤微团粒含量变化趋势相似, 表层土壤的改变体现了人类活动干扰对于土壤性质的改变, 因此, 土壤微团粒的分形维数也可以表征土壤结构质量的高低。下层土壤质地情况与成土母质形成发育过程有关, 受人为活动干扰较小。流域不同土地利用方式土壤的微团粒分形维数存在较大差异, 其中, 天然草地和灌木林地有助于土壤微团粒的形成。

4) 在计算土壤团粒和微团粒分形维数时采用双对数线形回归法, 此法是将非线性模型参数的求分形维数对于双对数后的线性方程而言是最优的, 但对于原分形模型不一定是最优的; 因此, 建议在进行土壤团粒分形维数计算时采用其他的最优化方法直接求解模型的分形维数, 如采用遗传算法、改进单纯形法等[26], 以期在一定程度上提高所计算分形维数的精度。

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(责任编辑:宋如华)

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(责任编辑:程云)