文星跃, 黄成敏, 黄凤琴, 黄艳娟

(1.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；2.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621000)

粒径分布(Particle-size Distribution, PSD)作为土壤基本的物理性质之一，它不仅是土壤结构研究的重要内容，也是土壤发生、土壤肥力乃至土壤环境等领域常用的重要指标.如，土壤粒径分布常被用来估算土壤水分曲线及饱和、非饱和水力传导度等水力参数[1]，对深入理解土壤水分运动和溶质迁移规律起着重要的作用.土壤粒径反映土壤成土母质的均一性，指示土壤化学风化程度[2]和应用于成壤环境的变化研究[3-4].传统的土壤粒度表征方法无法进一步区分不同性质土壤间的细微差别，也无法解释包括土壤系统在内的不同尺度的各种自然现象的异质性.分形理论及其定量化表征参数-分形维数(Fractal Dimension)的引入使这一问题得到有效解决[5].土壤粒径分布也具有分形特征规律，通过土壤粒径分形维数不仅可以进一步比较不同土壤的颗粒分布特征和质地均匀程度[1, 6-10]，还可以用于反映土壤的其他特征，如土壤沙化[11]、土壤肥力[12-13]、土地利用类型对质地的影响[14-16]等.但目前缺乏土壤发生与粒径分形特征关系研究的报道.本文旨在通过分析岷江上游河谷土壤粒径分形维数及其与环境条件和其他土壤发生特征值之间的关系，探究成壤环境和成壤强度对粒径分形特征的影响，以丰富土壤发生学研究内容，为研究区农业生产、水土保持等实践活动提供参考.

1 研究区概况

岷江是长江上游的一级支流，发源于四川与甘肃交界的岷山南麓，其上游是指都江堰以上河段及其支流，处于青藏高原东侧的川西高原东部与四川盆地西缘的交接处，位于著名的“SN向地震构造带”上，地质构造复杂且活动频繁[17].在生态环境和景观上属于高原和平原的过渡地带，气候、植被及土壤垂直分布明显，地貌形态变化大，属典型的高山峡谷区.岷江上游地区既是长江上游重要的源区之一，又是毗邻的成都平原的重要生态屏障.岷江上游中部较场-茂县-汶川一带是典型的干旱河谷地区，因位于茶坪山的背风坡，下沉气流形成焚风效应，气候干旱少雨，降水量是岷江上游最少的地区，年降水仅为400～600 mm，其中80～90%的降水主要集中在5—10月，年蒸发量达到1 000～1 800 mm.年均气温约11.2 ℃，1月平均气温0.4 ℃，7月平均气温20.8 ℃[18-19].

2 研究方法

样品采集尽量选取了受现代人为影响少的地方，每个样品由采集地10～20 m范围内的3～4个点的表土(0～5 cm)混合而成，样地均系相对开阔的坡地，在岷江上游河谷两岸共选择了25个样地(表1).除样品M25 为黄土母质外，其余样品的母质均是石灰岩风化坡积或残积物.pH值用酸度计测定，水土比2.5∶1浸提；碳酸钙含量用气量法测定；游离铁测试采用柠檬酸钠-重碳酸钠-连二亚硫酸钠浸提，邻啡罗林比色；全铁用硝酸-盐酸-硫酸消化，邻啡罗林比色.土壤粒径分布用马尔文Master Size 2000型激光粒度仪测定.样品前处理,分别用体积分数10%H2O2和体积分数10%HCl加热去除有机质和碳酸盐，然后用去离子水浸泡,静置，抽去上层清液后加入0.05 mL/L的六偏磷酸钠分散剂.测试前用超声波清洗机振荡5 min.

表1 岷江上游河谷土壤样品基本情况Table 1 General situation of soil samples in the valley of upper MinJiang river

土壤粒径分形维数计算最初是由TYLER[10]提出的三维空间体积分维模型，由于土壤粒径分布的体积当时难以获得，TYLER[10]等和杨培岭[8]分别把它修改为颗粒的质量分维模型.近年来由于激光粒度仪的普遍使用，容易测得土壤颗粒的体积含量,王国梁等[20]推导出与质量分形维数模型相似的体积分形维数计算公式，并认为体积分形维数因为不需要做不同粒级土壤具有相同密度这一假设，因此较之质量分维模型更具有合理性.其推导出的计算公式为：V(r

3 结果与分析

3.1 土壤粒径分形维数的分布特点

岷江上游河谷地带的土壤表土粒径分形维数与地理位置相关，其地理位置的差异又反映了气候与植被特征的差异(图1,表2).样品M01-04位于岷江支流寿江流域，与都江堰毗邻，属北亚热带湿润气候，从三江乡到映秀镇的几个土壤表土粒径分形维数均较大(样地3除外)，到银杏乡和草坡乡后，分形维数明显减小，这也与作者在野外观察到的现象一致，即映秀镇-银杏乡-草坡乡沿线，岷江沿岸植被类型逐渐由半灌矮草向矮草过渡，而草坡乡羊店村(编号12)过后，河谷两岸基本上以矮草植被景观为主，属典型的干旱河谷地段.25个样地平均粒径分形维数为2.701 3，其中以乔灌植被环境下土壤的粒径分形维数平均值最大，为2.786 5，其余依次为乔草植被下的2.711 8，草灌植被下2.694 9，而草本环境下的土壤粒径分形维数最低，为2.675 1.上述关系反映了气候、植被条件等影响土壤发育的因素对土壤粒径分形有明显的影响.青藏高原西北部干旱半干旱区也发现植被覆盖下的土壤粒径分形维数较裸地大的现象[14].

3.2 分形维数与颗粒组成

相关性分析发现，岷江上游河谷土壤粒径分形维数与粘粒和细粉砂的体积百分数呈明显正相关，与粗粉砂和砂粒的体积百分数呈明显负相关(图2)，与其他地区的研究结果一致[7, 9, 12-13].岷江上游河谷表土粒径分形维数与粉砂的体积百分数无显著相关关系，而他人报道的研究结果既有显著正相关[7]，也有负相关[9]和不显著相关[22].其原因可能与各地区粗、细粉砂的体积百分数的不同造成的.因此，推测土壤中粒径越细的颗粒部分，其分形维数越大，反之，粒径越粗其分形维数越小；本文分形维数与<0.02 mm的粘粒、细粉砂含量的明显正相关及与>0.02 mm的粗粉砂、砂粒的明显负相关指示出0.02 mm可能是影响土壤粒径分形维数大小的临界粒径.

图1 岷江上游河谷土壤粒径分形维数分布Figure 1 Spatial distribution of the fractal dimension values of soil particles in the valley of upper Minjiang River

图2 分形维数D值与不同土壤粒径的体积百分数的关系Figure 2 The correlation between D Value of fractal dimension and soil particle (in volume)

表2 岷江上游河谷土壤粒度组成及其分形维数和粒度参数Table 2 Particle size distribution, fractal dimensions and grain size parameters of soils in the valley of upper Minjiang River

3.3 分形维数与粒度参数

岷江上游河谷地带的土壤表土样品粒径分形维数与粒径平均值(φ值)、偏度呈显著正相关，而与标准偏差和峰度无显著相关关系(图3).前者体现了如前所述的粒径大小对分形特征的影响；后者因为标准偏差反映颗粒的分选程度[23]，而标准偏差与峰度相关性较强[24]，说明了土壤粒径分形特征与土壤颗粒沉积的分选性无关.而前人对沉积颗粒的研究表明粒度分形维数D值与标准偏差或分选系数呈正相关关系，如湖泊沉积物、马兰黄土及储集性砂岩的粒度分维值与标准偏差或分选系数成明显的正比关系[23, 25]， 表明分选性越好的沉积物其粒度分形维数值越小的特点.这种差异的原因可能在于岷江上游河谷地带表层土壤大多是在母质上原地发育，而粒径分布主要受成壤强度影响而不是因远源物质搬运分选而成.

3.4 分形维数与铁游离度

土壤发生氧化铁形成比例的土壤铁游离度(Fed/Fet)是指示土壤风化成土作用强度的重要指标[2].岷江上游河谷表土粒径分形维数与铁游离度(Fed/Fet)呈明显的正相关关系(图4)，也反映土壤风化成土作用强，其分形维数高.前人对同一地区同一植被环境下的研究表明，土壤分形维数还与有机质、盐分、全氮呈显著正相关[12-13]，在沙漠干旱区植被恢复时间越长，土壤粒径分形维数越大[26].这是因为随着土壤风化成土作用增强，粘粒含量增加，土壤的表面积就越大，其吸附或保持有机质和盐分的量也会相应提高；而沙漠植被对风沙的固定时间越长，风成沉积物的成壤强度也增大.因此，上述研究其实也反映出土壤发育过程及强度对粒径分形维数具有影响.

岷江上游河谷土壤样品母质以石灰岩坡积物为主，上述结果表明了在母质相近的情况下，土壤粒径分形维数明显与气候、植被条件及反映土壤发育强度的粒径组成、铁游离度等特征指标密切相关.结合前人对同一区域植被条件下土壤粒径分形维数与有机质和盐分等的正相关关系[12-13]、沙漠区植被恢复时间越长土壤粒径分形维数越大[26]、干旱半干旱区草灌植被下的土壤粒径分形维数较裸地和耕地下的土壤分形维数大[14]，以及黄土高原沟壑区沟谷土壤分形维数最高、塬面次之而坡面最低的地貌分异特征[22]等的认识，可以发现，土壤风化成土强度越高、稳定性越大，其粒径分形维数越大，同时，土壤的粒径分形维数可以对气候、植被、地形等影响土壤发育的环境因素变化做出响应.因此，土壤粒径分形维数不仅可以用来判定土壤颗粒组成的差异，还可以结合传统的土壤发生学指标，比较成壤强度以及指示土壤发育环境.

图3 粒度参数与分形维数D散点图Figure 3 Scatter plot between grain size parameters and D value of fractal dimension

图4 铁游离度(Fed/Fet)与分形维数D散点图Figure 4 Scatter plot between Fed/Fet and D value of fractal dimension

4 结论

通过对岷江上游河谷表层土壤粒径分形维数的分布特征及其与粒度组成、粒度参数、铁游离度等相关性分析，得出如下结论：

(1)岷江上游河谷表层土壤粒径分形维数变化与气候、植被环境有关，生物量大的植被环境下土壤粒径分维值大.

(2)土壤粒径分形维数与粘粒、细粉粒含量呈显著正相关，而与粗粉粒、砂粒明显负相关；分形维数还与粒度平均值(φ值)和粒度偏度成明显正比关系，这些表明了土壤颗粒越细其分形维数越大，颗粒越粗则分形维数越小.

(3)粒度标准偏差和峰度值与分形维数无相关性，说明岷江上游河谷表层土壤粒径分形维数与外力作用的分选度无关，土壤是在母岩与母质上原位发育而来，并不是外力搬运分选而成.

(4)土壤粒径分形维数与反映土壤成壤强度的铁游离度呈明显正相关关系，指示了土壤风化成土强度对粒径分形维数有影响.

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