黃土高原典型土壤剖面土壤顆粒組成分形特征.docx

1、農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)TransactionsoftheCSAE黃土高原典型土壤剖面土壤顆粒組成分形特征黨亞愛，李世清，王國棟3,趙坤I(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)/中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與早地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100；中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，楊凌712100)摘要：采集從北向南依次分布的干潤砂質(zhì)新成土(神木)、黃土正常新成土(延安)和土墊早耕人為土(楊陵)等典型土壤剖面0200cm土層土樣，通過測(cè)定土樣顆粒體積分形維數(shù)及基本性質(zhì)，以期闡明黃土高原典型土壤顆粒體積分形特征及其與土壤基本性質(zhì)間的相關(guān)性。結(jié)果表明，從南到北，

2、土壤顆粒體積分形維數(shù)呈下降趨勢(shì)，而不同土層土壤顆粒體積分形維數(shù)差異不顯著。土墊早耕人為土、黃土正常新成土和干潤砂質(zhì)新成上表層(0】0cm)顆粒體積分形維數(shù)分別為2.7230.024、2.6090.077和2.589土0.025,表層以下(10200cm)顆粒平均體積分形維數(shù)分別為2.7290.034、2.5840.054和2.5580.034；顆粒體積分形維數(shù)與0.01mm的物理性黏粒及V0.002mm的黏粒體積百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與0.0020.05mm的粉粒和0.05mm的砂粒體積百分含最呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與粉粒的顯著性較小，而土壤中物理性黏粒體積百分含斌與土壤全氮、有機(jī)碳及礦物

3、固定態(tài)鉉均達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系，而砂粒體積百分含量與上述土壤基本性質(zhì)均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。關(guān)鍵詞：土壤，黏粒，黃土高原，體積分形維數(shù)，物理姓黏粒doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.09.013中國分類號(hào)：S155.5*5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-6819(2009)-9-0074-05黨亞愛，李世清，王國棟，等.黃土高原典型土壤剖面土壤顆粒組成分形特征.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,25(9)：74-78.DangYaai,LiShiqing,WangGuodong,etal.Fractalcharacteristicsofsoilparticlecompos

4、itionfortypicaltypesofsoilprofileonLoessPlateaufJl.TransactionsoftheCSAE,2009,25(9)：7478.(inChinesewithEnglishabstract)0引言大量事實(shí)證明，自然界廣泛存在著分形，土壤作為一種由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，也具有一定的分形特征回。Tyler141.楊培嶺等通過用土壤顆粒質(zhì)量分布計(jì)算粒徑分布的分形維數(shù)，以表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成均勻程度，研究表明，質(zhì)量分形維數(shù)還能夠用于反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤屬性和肥力、土壤退化程度等&%但其不足之處在于計(jì)算的前提是假定不同粒級(jí)

5、的土壤顆粒具有相同的密度。目前隨著激光衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，土壤顆粒體積分布的大小和數(shù)量可以精確獲得。王國梁網(wǎng)用土壤顆粒體積分形模型對(duì)茶園、菜地和農(nóng)田土壤剖面土壤顆粒體積分形維數(shù)變化進(jìn)行的分析表明，土壤顆粒體積分形維數(shù)和質(zhì)量分形維數(shù)均可表示土壤固有屬性，但體積分形維數(shù)較質(zhì)量分形維數(shù)更具合理性。而楊金鈴等研究表明，由于激光衍射法“低估”了黏粒部分,因此體積分形維數(shù)相對(duì)低于質(zhì)量分形維數(shù)，在獨(dú)特自然條件一一黃土高原形成的土壤其顆粒分形維數(shù)特征如何，缺欠資料，為了闡明黃土收稿日期：2008-03-20修訂日期：2009-06-10基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(90502006,30230230)；西北農(nóng)

6、林科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目作者簡介：黨亞愛.女，博士，主要從事土壤氛素方面的研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，712100:Email:dangyaai通信作者：李世清，教授，主要從事土壤-植物氯素營養(yǎng)研究.楊凌中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100.Email:sqli高原典型土壤顆粒分形維數(shù)，本文以采集于黃土高原北部神木、中部延安和南部楊陵等地的典型土壤剖面為對(duì)象，研究黃土高原典型土壤不同土層土壤的分形特征及其與土壤粒度組成和土壤養(yǎng)分的關(guān)系，以期明確不同土壤類型下不同土層土壤分形特征的差異，為了解黃土高原黃土的土壤固有屬性及土壤肥力提供基礎(chǔ)科學(xué)資料。1研究區(qū)概況黃土高原地區(qū)位于中國內(nèi)

7、陸腹地，地處黃河中上游與海河上游地區(qū)，東起太行山，西至烏鞘嶺，南達(dá)秦嶺，北至陰山，位于東經(jīng)】00。54,114。33，北緯33。4341。16之間，面積為62.80X104km2,占國土面積的6.54%。該區(qū)地貌、氣候、植被和土壤均具有明顯的分異特征：從南至北，地貌由渭河階地、黃土臺(tái)墟、高原溝壑、丘陵溝壑向風(fēng)沙丘陵過渡；氣候由東南部的暖溫帶半濕潤區(qū)向西北部中溫帶干早半干旱區(qū)過渡。年均氣溫為3.614.3C,年均降水量為150750mm,降水主要集中在79月，占年降水量的60%80%,降水量低而不穩(wěn)。2材料與方法2.1野外采樣2005年7月選取位于黃土高原北部的神木、中部的延安和南部的楊凌3個(gè)具

8、有代表性的地區(qū)(圖1),在每一地區(qū)分別選擇農(nóng)田和草地各兩塊以采集土壤樣品。每個(gè)樣點(diǎn)分層采取0200cm層土樣，在20cm以上每10cm為一層采樣；20cm以下每20cm為一層，每個(gè)土樣均為34個(gè)樣點(diǎn)的混合樣。各采樣點(diǎn)具體情況見表1。圖1采樣地理位置示意圖Fig.lPositionofsoilsamplingsite表1土壤采樣點(diǎn)基本情況Table1Basicstatusofsoilsamplingsite地點(diǎn)土壤類型GPS定位農(nóng)田/草地氣候類型神木（六道溝）神木（六道溝）干洞砂質(zhì)新成上E11022.137N3847.6501221mE11022.026N3847.595,1188mE110*2

9、2.195*N3847.571,.240mE11022.168,馬鈴薯地中溫帶半豆子地干早草原季風(fēng)氣候,草地1年平均氣溫8.4C馬鈴薯地中溫帶半豆子地干早草原季風(fēng)氣候,草地1年平均氣溫8.4C草地2N3847.6201236m暖溫帶半濕潤氣候,年平均欠溫I3CE10920.126N3620.505，1105m馬鈴薯地延安黃土正常新成土E10920.166N3620.195,1110m谷子地暖溫帶半干早包候，（五棗園）E109。20.076N3620.5l3,104m草地1年平均氣溫8.8CE10920.026,N3620.265,1115m草地2E108070N34310.511m草地1E10

10、8P76草地2楊陵土墊N34317,511m（西北農(nóng)林早耕科技大學(xué)）人為土E】08。067，N34294511m玉米地E108。068N34293,511m甘蓿地E108070N34310.511m草地1E108P76草地2楊陵土墊N34317,511m（西北農(nóng)林早耕科技大學(xué)）人為土E】08。067，N34294511m玉米地E108。068N34293,511m甘蓿地2.2室內(nèi)分析土樣采回后，揀去植物根系，過1mm篩孔后部分土樣風(fēng)干，以測(cè)定土壤全氮、有機(jī)碳和顆粒分布等，部分土樣放置在4.C冰箱中待用。顆粒分布采用英國馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000型激光粒度測(cè)量儀測(cè)定。粒徑分別設(shè)定為0.51、0

11、.250.5、0.10.25、0.10.05、0.0050.01、0.0020.005、0.002mm.根據(jù)美國制分類標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒（0.051mm）、粉粒（0.0020.05mm）和黏粒（V0.002mm）,根據(jù)卡慶斯基粒級(jí)劃分為物理性黏粒（0.01mm）和物理性砂粒（0.01-1mm）。土樣有機(jī)碳用重銘酸鉀-外加熱容量法測(cè)定，全氮用半微最開氏法消煮后，全自動(dòng)定氮儀測(cè)定。2.3分形模型根據(jù)粒度分析儀所獲得粒徑體積數(shù)據(jù)，根據(jù)王國梁等對(duì)土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念及其計(jì)算公式推導(dǎo)，得到如下體積分形維數(shù)計(jì)算公式SR）=當(dāng)3“（1）*人V或VR）=R3-D&Av（2）式中：，土壤粒徑；V-粒徑大于R或小

12、于R的全部土壤顆粒的總體積；*為土壤顆粒的總體積；應(yīng)一在數(shù)值上等于最大粒徑數(shù)RL：D土壤顆粒的體積分形維數(shù)。王國梁刃指出，上式與Tyler等及楊培嶺等得到的質(zhì)量分形維數(shù)的計(jì)算公式在形式上完全相似，不同的是這里用體積代替了質(zhì)量。盡管體積分形維數(shù)公式與質(zhì)量分形維數(shù)的公式相似，但體積分形維數(shù)計(jì)算中不再需要做不同粒級(jí)土壤顆粒具有相同密度這一假設(shè)，故更具有合理性。對(duì)上式采用計(jì)算機(jī)擬合和回歸分析方法，即可求出分形維數(shù)D值。具體步驟如下：首先，在每一分級(jí)區(qū)間，選擇該區(qū)間的代表性粒徑（用該區(qū)間上、下限算術(shù)平均值來代表），第2步，根據(jù)分級(jí)區(qū)間，在圖上畫出小于等于各區(qū)間代表粒徑的累積體積，然后將此圖轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)-對(duì)

13、數(shù)形式。第3步，根據(jù)第2步的對(duì)數(shù)圖，得到擬合直線斜率，該直線斜率即等于上式中的3-D,從而可以求出分形維數(shù)。值。2.4數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件包中的相應(yīng)程序和Excel軟件對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用LSD法，并采用Excel軟件作圖。3結(jié)果與分析3.1土壤顆粒分形維數(shù)的分布特征黃土高原從南到北土壤顆粒體積分形維數(shù)隨土層深度的變化規(guī)律見圖2。對(duì)同一地理位置和土地利用方式，土壤顆粒體積分形維數(shù)隨土層深度變化不顯著，土墊旱耕人為土、黃土正常新成土和干潤砂質(zhì)新成土表層（010cm）體積分形維數(shù)分別為2.7230.024、2.6090.077和2.5890.025,表層以下（10200

14、cm）平均體積分形維數(shù)分別為2.7290.034、2.584+0.054和2.5580.034,表層與表層以下差異不顯著（戶0.05）。從南到北，相同土地利用方式下同層次土壤顆粒體積分形維數(shù)呈下降趨勢(shì)。顯著性分析進(jìn)一步表明，干潤砂質(zhì)新成土和黃土正常新成土體積分形維數(shù)在整個(gè)剖面土層中差異不顯著（P0.05）,但這兩種土壤與土墊旱耕人為土同土層體積分形維數(shù)差異顯著（PV0.05）,以草地土壤顆粒體積分形維數(shù)的差異表現(xiàn)更為顯著。從圖2還可以看出，相同土壤類型下草地和農(nóng)田土壤顆粒體積分形維數(shù)差異不顯著?？诓莸谹IS草地B草地C9080OOZ08一08-09一09-0Z0Zoz_078-00一08。80

15、9。9W07S。70一0一0.7O6O.5O4O,30.2OZ2.22.溢蟾最太袤一農(nóng)出A園農(nóng)田B衣HJC州仙川00?。蘭08-09_0970N0S0竺0?00_0070808409W0T角0Z0一C70.90.80,70,602.Z2.2上層深度/cm3溫深度/cm注：圖中A為干潤砂質(zhì)新成土.B為黃土正常新成土.C為土墊早耕人為土圖2土壤顆粒體積分形維數(shù)隨土層深度的變化Fig.2Changesofvolumefractaldimensionsofsoilparticlewithsoildepth3.2土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤顆粒組成的關(guān)系從體積分形維數(shù)的計(jì)算過程可知，D值的計(jì)

16、算與土壤顆粒粒徑由大到小的累積含量有關(guān)，為了進(jìn)一步探尋土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間的關(guān)系，對(duì)土壤顆粒體積百分含量與體積分形維數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖3）。分析表明，土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤黏粒（V0.002mm）體積百分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P0.05mm）體積百分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（PV0.01）。90807022.2.=O.OO8x*2.4l582000400060.00粉粒/%b.粉粒.9080702.2250240y=-0.0061x+27119010.00200030.0040.00砂粒/%9080.70.60502.222.Z402.c.砂粒圖3土壤萩粒體積分形維數(shù)

17、與土壤黏粒、粉粒和砂粒的相關(guān)關(guān)系Fig.3Correlationrelationshipsofvolumefractaldimensionsofsoilparticlesandclay,volumefractaldimensionsofsoilparticlesandsilt,volumefractaldimensionsofsoilparticlesandsandcontentofsoil3.3土填顆粒體積分形維數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系黃土高原土壤顆粒體積分形維數(shù)與不同粒徑顆粒的體積百分含量及土壤基本性質(zhì)的相關(guān)分析見表2。從表2可以看出，土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤黏?；蛘呶锢硇责ちｓw積百分含量存在

18、極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，與粉粒、砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān),而與土壤全氮及礦物固定態(tài)鉉含最的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。土壤黏粒含量與土壤全氮、有機(jī)碳及固定態(tài)鉉含量也均未達(dá)到顯著水平，而土壤中物理性黏粒體積百分含量與上述土壤基本性質(zhì)均達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系，砂粒體積百分含量與上述土壤基本性質(zhì)均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。上壤性質(zhì)體枳分形雄數(shù)全氯含鼠有機(jī)碳含量固定態(tài)鉉含企物理性黏粒體積白分含做黏粒體積白分含址粉粒體積白分含量全氟含軾0.1326有機(jī)碳含仙0.1837*0.9580固定態(tài)鉉含量0.13980.57330.5067”物理性黏粒體積百分含隘0.4155”0.4709*0.4510*0

19、.5443黏粒體積百分含或0.76300.02670.04480.13400.5265粉粒體積百分含量0.25680.2669“0.24240.26360.2251*0.3910砂粒體枳百分含量0.5838-0.2162*-0.2147*-0.3160-0.6971-0.7275*-O.343O*表2土壤顆粒體積分形維數(shù)與不同粒徑土壤顆粒含量及土填性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table2Correlationrelationshipsofvolumefractaldimensionsofsoilparticleswithdifferentdiametersandsoilproperties注：表示相關(guān)性極顯

20、著(PV0.01),表示相關(guān)性顯著(P2005.42(4)：545550.(inChinesewithEnglishabstract)楊金玲，李德成，張甘霖等.土壤顆粒粒徑分布質(zhì)量分形維數(shù)和體積分形維數(shù)的對(duì)比J.土壤學(xué)報(bào)，2008,45(3)：143-420.YangJinling,LiDecheng,ZhangGanlin,etal.Comparisonofmassandvolumefiraculdimensionsofsoilparticlesizedistributions。.ActaPedologicaSinica.2008,45(3)：143420.(inChinesewithEng

21、lishabstract)賈曉紅，李新榮，李元壽.干旱沙區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤顆粒分形特征J.地理研究，2007,26(3)：518-525.JiaXiaohong,LiXinrong,LiYuanshou.FractaldimensionofsoilparticlesizedistributionduringtheprocessofvegetationrestorationinaridsandduneareaJ.GeographicalResearch,2007,26(3):518525.(inChinesewithEnglishabstract)朱震達(dá)，陳廣庭.中國土地沙質(zhì)荒漠化M.北京：科

22、學(xué)出版社，1994：157-179.6 劉東生.黃土與環(huán)境M).北京：科學(xué)出版社，1985：1-481.141孫繼敏.李希霍芬與黃土的風(fēng)成學(xué)說J1.第四紀(jì)研究，2005,25(4)：437-442.SunJimin.RichthofenandhistheoryoftheeolianoriginofLoessJ.QuaternarySciences.2005,25(4)：437442.(inChinesewithEnglishabstract)15黨亞愛，李世清，王國棟，等.黃土高原典型土壤礦物固定態(tài)鉉變化的南北差異J.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007,13(5)：831-837.DangYaai,

23、LiShiqing,WangGuodong,etal.ThedifferentcharacteristicsofsoilfixedammoniumfromsouthtonorthontheLoessPlateauJ.PlantNutritionandFertilizerScience.2007,13(5)：831837.(inChinesewithEnglishabstract)FractalcharacteristicsofsoilparticlecompositionfortypicaltypesofsoilprofileonLoessPlateauDangYaai1,3,LiShiqin

24、g1,2*,WangGuodong3,ZhaoKun1(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,NorthwestAgricultureandForestryUniversity/InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,MinistryofWaterResou

25、rcesYanglingl2WiyChina;CollegeofScience,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China)Abstract:ForsearchingthecharacteristicsofthevolumefractaldimensionofsoilparticleonLoessPlateauandtherelationshipofvolumefractaldimensionandthemaincharacteristicsofsoil,threetypicaltypesofsoilswithin0-200cmdepthwerecollectedandtestedfromnorthtosouthontheLoessPlateau.TheywereUst-SandiicEntisolsinShenmu,Los-Orthic-EntisolinYananandEum-OrthicAnthrosolinYanglingrespectively.Someconclusionscouldbedrawnasfollows:Thevolumefractaldimensionofsoilparticleincreasedfromnorthtosouthatt