黄土高原典型土壤剖面土壤颗粒组成分形特征.docx

1、农业工程学报TransactionsoftheCSAE黄土高原典型土壤剖面土壤颗粒组成分形特征党亚爱，李世清，王国栋3,赵坤I(1.西北农林科技大学/中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与早地农业国家重点实验室，杨凌712100；中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌712100；3.西北农林科技大学理学院，杨凌712100)摘要：采集从北向南依次分布的干润砂质新成土(神木)、黄土正常新成土(延安)和土垫早耕人为土(杨陵)等典型土壤剖面0200cm土层土样，通过测定土样颗粒体积分形维数及基本性质，以期阐明黄土高原典型土壤颗粒体积分形特征及其与土壤基本性质间的相关性。结果表明，从南到北，

2、土壤颗粒体积分形维数呈下降趋势，而不同土层土壤颗粒体积分形维数差异不显著。土垫早耕人为土、黄土正常新成土和干润砂质新成上表层(0】0cm)颗粒体积分形维数分别为2.7230.024、2.6090.077和2.589土0.025,表层以下(10200cm)颗粒平均体积分形维数分别为2.7290.034、2.5840.054和2.5580.034；颗粒体积分形维数与0.01mm的物理性黏粒及V0.002mm的黏粒体积百分含量呈极显著正相关关系，与0.0020.05mm的粉粒和0.05mm的砂粒体积百分含最呈极显著负相关关系，与粉粒的显著性较小，而土壤中物理性黏粒体积百分含斌与土壤全氮、有机碳及矿物

3、固定态铉均达到极显著正相关关系，而砂粒体积百分含量与上述土壤基本性质均呈极显著负相关关系。关键词：土壤，黏粒，黄土高原，体积分形维数，物理姓黏粒doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.09.013中国分类号：S155.5*5文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-9-0074-05党亚爱，李世清，王国栋，等.黄土高原典型土壤剖面土壤颗粒组成分形特征.农业工程学报，2009,25(9)：74-78.DangYaai,LiShiqing,WangGuodong,etal.Fractalcharacteristicsofsoilparticlecompos

4、itionfortypicaltypesofsoilprofileonLoessPlateaufJl.TransactionsoftheCSAE,2009,25(9)：7478.(inChinesewithEnglishabstract)0引言大量事实证明，自然界广泛存在着分形，土壤作为一种由不同颗粒组成、具有不规则形状自相似结构的多孔介质，也具有一定的分形特征回。Tyler141.杨培岭等通过用土壤颗粒质量分布计算粒径分布的分形维数，以表征土粒直径的大小和质地组成均匀程度，研究表明，质量分形维数还能够用于反映土壤结构、土壤属性和肥力、土壤退化程度等&%但其不足之处在于计算的前提是假定不同粒级

5、的土壤颗粒具有相同的密度。目前随着激光衍射技术的发展和应用，土壤颗粒体积分布的大小和数量可以精确获得。王国梁网用土壤颗粒体积分形模型对茶园、菜地和农田土壤剖面土壤颗粒体积分形维数变化进行的分析表明，土壤颗粒体积分形维数和质量分形维数均可表示土壤固有属性，但体积分形维数较质量分形维数更具合理性。而杨金铃等研究表明，由于激光衍射法“低估”了黏粒部分,因此体积分形维数相对低于质量分形维数，在独特自然条件一一黄土高原形成的土壤其颗粒分形维数特征如何，缺欠资料，为了阐明黄土收稿日期：2008-03-20修订日期：2009-06-10基金项目：国家自然科学基金(90502006,30230230)；西北农

6、林科技大学创新团队资助项目作者简介：党亚爱.女，博士，主要从事土壤氛素方面的研究。杨凌西北农林科技大学理学院，712100:Email:dangyaai通信作者：李世清，教授，主要从事土壤-植物氯素营养研究.杨凌中国科学院水利部水土保持研究所，712100.Email:sqli高原典型土壤颗粒分形维数，本文以采集于黄土高原北部神木、中部延安和南部杨陵等地的典型土壤剖面为对象，研究黄土高原典型土壤不同土层土壤的分形特征及其与土壤粒度组成和土壤养分的关系，以期明确不同土壤类型下不同土层土壤分形特征的差异，为了解黄土高原黄土的土壤固有属性及土壤肥力提供基础科学资料。1研究区概况黄土高原地区位于中国内

7、陆腹地，地处黄河中上游与海河上游地区，东起太行山，西至乌鞘岭，南达秦岭，北至阴山，位于东经】00。54,114。33，北纬33。4341。16之间，面积为62.80X104km2,占国土面积的6.54%。该区地貌、气候、植被和土壤均具有明显的分异特征：从南至北，地貌由渭河阶地、黄土台墟、高原沟壑、丘陵沟壑向风沙丘陵过渡；气候由东南部的暖温带半湿润区向西北部中温带干早半干旱区过渡。年均气温为3.614.3C,年均降水量为150750mm,降水主要集中在79月，占年降水量的60%80%,降水量低而不稳。2材料与方法2.1野外采样2005年7月选取位于黄土高原北部的神木、中部的延安和南部的杨凌3个具

8、有代表性的地区(图1),在每一地区分别选择农田和草地各两块以采集土壤样品。每个样点分层采取0200cm层土样，在20cm以上每10cm为一层采样；20cm以下每20cm为一层，每个土样均为34个样点的混合样。各采样点具体情况见表1。图1采样地理位置示意图Fig.lPositionofsoilsamplingsite表1土壤采样点基本情况Table1Basicstatusofsoilsamplingsite地点土壤类型GPS定位农田/草地气候类型神木（六道沟）神木（六道沟）干洞砂质新成上E11022.137N3847.6501221mE11022.026N3847.595,1188mE110*2

9、2.195*N3847.571,.240mE11022.168,马铃薯地中温带半豆子地干早草原季风气候,草地1年平均气温8.4C马铃薯地中温带半豆子地干早草原季风气候,草地1年平均气温8.4C草地2N3847.6201236m暖温带半湿润气候,年平均欠温I3CE10920.126N3620.505，1105m马铃薯地延安黄土正常新成土E10920.166N3620.195,1110m谷子地暖温带半干早包候，（五枣园）E109。20.076N3620.5l3,104m草地1年平均气温8.8CE10920.026,N3620.265,1115m草地2E108070N34310.511m草地1E10

10、8P76草地2杨陵土垫N34317,511m（西北农林早耕科技大学）人为土E】08。067，N34294511m玉米地E108。068N34293,511m甘蓿地E108070N34310.511m草地1E108P76草地2杨陵土垫N34317,511m（西北农林早耕科技大学）人为土E】08。067，N34294511m玉米地E108。068N34293,511m甘蓿地2.2室内分析土样采回后，拣去植物根系，过1mm筛孔后部分土样风干，以测定土壤全氮、有机碳和颗粒分布等，部分土样放置在4.C冰箱中待用。颗粒分布采用英国马尔文公司生产的MS2000型激光粒度测量仪测定。粒径分别设定为0.51、0

11、.250.5、0.10.25、0.10.05、0.0050.01、0.0020.005、0.002mm.根据美国制分类标准分为砂粒（0.051mm）、粉粒（0.0020.05mm）和黏粒（V0.002mm）,根据卡庆斯基粒级划分为物理性黏粒（0.01mm）和物理性砂粒（0.01-1mm）。土样有机碳用重铭酸钾-外加热容量法测定，全氮用半微最开氏法消煮后，全自动定氮仪测定。2.3分形模型根据粒度分析仪所获得粒径体积数据，根据王国梁等对土壤颗粒体积分形维数的概念及其计算公式推导，得到如下体积分形维数计算公式SR）=当3“（1）*人V或VR）=R3-D&Av（2）式中：，土壤粒径；V-粒径大于R或小

12、于R的全部土壤颗粒的总体积；*为土壤颗粒的总体积；应一在数值上等于最大粒径数RL：D土壤颗粒的体积分形维数。王国梁刃指出，上式与Tyler等及杨培岭等得到的质量分形维数的计算公式在形式上完全相似，不同的是这里用体积代替了质量。尽管体积分形维数公式与质量分形维数的公式相似，但体积分形维数计算中不再需要做不同粒级土壤颗粒具有相同密度这一假设，故更具有合理性。对上式采用计算机拟合和回归分析方法，即可求出分形维数D值。具体步骤如下：首先，在每一分级区间，选择该区间的代表性粒径（用该区间上、下限算术平均值来代表），第2步，根据分级区间，在图上画出小于等于各区间代表粒径的累积体积，然后将此图转化为对数-对

13、数形式。第3步，根据第2步的对数图，得到拟合直线斜率，该直线斜率即等于上式中的3-D,从而可以求出分形维数。值。2.4数据处理采用SPSS13.0软件包中的相应程序和Excel软件对测定结果进行统计分析，多重比较采用LSD法，并采用Excel软件作图。3结果与分析3.1土壤颗粒分形维数的分布特征黄土高原从南到北土壤颗粒体积分形维数随土层深度的变化规律见图2。对同一地理位置和土地利用方式，土壤颗粒体积分形维数随土层深度变化不显著，土垫旱耕人为土、黄土正常新成土和干润砂质新成土表层（010cm）体积分形维数分别为2.7230.024、2.6090.077和2.5890.025,表层以下（10200

14、cm）平均体积分形维数分别为2.7290.034、2.584+0.054和2.5580.034,表层与表层以下差异不显著（户0.05）。从南到北，相同土地利用方式下同层次土壤颗粒体积分形维数呈下降趋势。显著性分析进一步表明，干润砂质新成土和黄土正常新成土体积分形维数在整个剖面土层中差异不显著（P0.05）,但这两种土壤与土垫旱耕人为土同土层体积分形维数差异显著（PV0.05）,以草地土壤颗粒体积分形维数的差异表现更为显著。从图2还可以看出，相同土壤类型下草地和农田土壤颗粒体积分形维数差异不显著。口草地AIS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.溢蟾最太袤一农出A园农田B衣HJC州仙川00?。兰08-09_0970N0S0竺0?00_0070808409W0T角0Z0一C70.90.80,70,602.Z2.2上层深度/cm3温深度/cm注：图中A为干润砂质新成土.B为黄土正常新成土.C为土垫早耕人为土图2土壤颗粒体积分形维数随土层深度的变化Fig.2Changesofvolumefractaldimensionsofsoilparticlewithsoildepth3.2土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒组成的关系从体积分形维数的计算过程可知，D值的计

16、算与土壤颗粒粒径由大到小的累积含量有关，为了进一步探寻土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒组成之间的关系，对土壤颗粒体积百分含量与体积分形维数进行了相关性分析（图3）。分析表明，土壤颗粒体积分形维数与土壤黏粒（V0.002mm）体积百分含量呈极显著正相关关系（P0.05mm）体积百分含量呈极显著负相关关系（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.砂粒图3土壤萩粒体积分形维数

17、与土壤黏粒、粉粒和砂粒的相关关系Fig.3Correlationrelationshipsofvolumefractaldimensionsofsoilparticlesandclay,volumefractaldimensionsofsoilparticlesandsilt,volumefractaldimensionsofsoilparticlesandsandcontentofsoil3.3土填颗粒体积分形维数与土壤性质的关系黄土高原土壤颗粒体积分形维数与不同粒径颗粒的体积百分含量及土壤基本性质的相关分析见表2。从表2可以看出，土壤颗粒体积分形维数与土壤黏粒或者物理性黏粒体积百分含量存在

18、极显著正相关关系，与土壤有机碳含量呈显著正相关，与粉粒、砂粒呈极显著负相关,而与土壤全氮及矿物固定态铉含最的相关性未达到显著水平。土壤黏粒含量与土壤全氮、有机碳及固定态铉含量也均未达到显著水平，而土壤中物理性黏粒体积百分含量与上述土壤基本性质均达到极显著正相关关系，砂粒体积百分含量与上述土壤基本性质均达到极显著负相关关系。上壤性质体枳分形雄数全氯含鼠有机碳含量固定态铉含企物理性黏粒体积白分含做黏粒体积白分含址粉粒体积白分含量全氟含轼0.1326有机碳含仙0.1837*0.9580固定态铉含量0.13980.57330.5067”物理性黏粒体积百分含隘0.4155”0.4709*0.4510*0

19、.5443黏粒体积百分含或0.76300.02670.04480.13400.5265粉粒体积百分含量0.25680.2669“0.24240.26360.2251*0.3910砂粒体枳百分含量0.5838-0.2162*-0.2147*-0.3160-0.6971-0.7275*-O.343O*表2土壤颗粒体积分形维数与不同粒径土壤颗粒含量及土填性质的相关关系Table2Correlationrelationshipsofvolumefractaldimensionsofsoilparticleswithdifferentdiametersandsoilproperties注：表示相关性极显

20、著(PV0.01),表示相关性显著(P2005.42(4)：545550.(inChinesewithEnglishabstract)杨金玲，李德成，张甘霖等.土壤颗粒粒径分布质量分形维数和体积分形维数的对比J.土壤学报，2008,45(3)：143-420.YangJinling,LiDecheng,ZhangGanlin,etal.Comparisonofmassandvolumefiraculdimensionsofsoilparticlesizedistributions。.ActaPedologicaSinica.2008,45(3)：143420.(inChinesewithEng

21、lishabstract)贾晓红，李新荣，李元寿.干旱沙区植被恢复过程中土壤颗粒分形特征J.地理研究，2007,26(3)：518-525.JiaXiaohong,LiXinrong,LiYuanshou.FractaldimensionofsoilparticlesizedistributionduringtheprocessofvegetationrestorationinaridsandduneareaJ.GeographicalResearch,2007,26(3):518525.(inChinesewithEnglishabstract)朱震达，陈广庭.中国土地沙质荒漠化M.北京：科

22、学出版社，1994：157-179.6 刘东生.黄土与环境M).北京：科学出版社，1985：1-481.141孙继敏.李希霍芬与黄土的风成学说J1.第四纪研究，2005,25(4)：437-442.SunJimin.RichthofenandhistheoryoftheeolianoriginofLoessJ.QuaternarySciences.2005,25(4)：437442.(inChinesewithEnglishabstract)15党亚爱，李世清，王国栋，等.黄土高原典型土壤矿物固定态铉变化的南北差异J.植物营养与肥料学报，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