不同改良措施对沙质土壤颗粒组成及分形特征的影响

郑亚楠,姚永生,古丽热娅尼·阿斯哈尔, 安世杰,李延霞,支金虎

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300;2.塔里木大学南疆绿洲农业资源与环境研究中心，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】土壤是由大小不同、形状各异的固体组分和孔隙以一定形式联结所形成的多孔介质，具有一定的分形特性[1-3]。土壤粒径分布(particle size distribution)与土地利用类型、土地覆被、土壤退化程度等密切相关[4]，还对土壤水分运动、溶质运移、养分状况等有影响[5-7]。分形维数值可作为评价土壤颗粒粗细程度的一个定量化指标[5]，土壤中砂粒含量越高，土壤颗粒的分形维数越小，而黏粒含量越高，分形维数越大。【前人研究进展】Turcotte[8]提出多孔介质材料粒径分布的分形维数概念后，对分形理论应用于定量描述土壤结构及肥力特征的研究随之增多。Tyler[9]、杨培岭等[10]通过土壤粒径分布与质量分布的关联研究，提出了运用分形模型计算土壤粒径的方法，认为可以用团聚体的分形维数来表征土壤的结构的组成及其均匀程度。吴承祯等[11]认为分形维数是反映土壤肥力特征的重要参数。土壤粒径及分形维数与土壤类型、母质、地貌、植被类型等密切相关[12-16]，可用来表征土壤的退化程度，并可用来分析土壤发育环境条件[17-22]。新疆南疆是我国典型的绿洲农业区，土壤沙质化影响农业可持续发展。【本研究切入点】土壤分形维数常被用于研究不同土地方式下的土壤粒径状况[23]，土地利用类型不同时，土壤结构则会有较大差异[24]，关于不同措施改良下土壤粒径分形维数分布特征的研究较少，尤其是有关典型干旱区的南疆的报道则更少。研究不同改良措施对新疆南疆沙质土壤颗粒组成及分形特征的影响。【拟解决的关键问题】设置5种不同改良措施，研究新疆南疆沙化土壤在不同改良措施下的颗粒组成，粒径分形维数的特点以及其相关关系，为新疆南疆退化土地的改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市12团国家农业科技园区，试验区为暖温带极端大陆性干旱荒漠气候。垦区太阳辐射年均在0.559 5～0.612 1 MJ/cm2，日照百分率为5 869%。属温带大陆性干旱气候，全年干旱少雨，年均降雨量为40～82 mm，年均蒸发量约2 500 mm[25,26]。

分别在2019年3月和2020年5月采集0～20和20～40 cm土层的样品，土壤样品经自然风干后磨细，过2 mm筛。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2019～2020年展开，采用完全随机区组设计，设置5个处理，分别为种植燕麦(A1)、种植油菜+燕麦(A2)、种植燕麦+油菜秸秆翻耕+生物菌肥(A3)、种植燕麦+农家肥(A4)、种植燕麦+农家肥+生物菌肥(A5)，每个处理重复3次，小区面积65 m2。

1.2.2 土壤样品粒级测定

土壤颗粒组成(以体积分数计)采用马尔文公司的Mastersizer2000激光粒度仪测定。根据美国农业部(USDA)土壤质地分级标准对土壤粒径进行分级:黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、极细砂粒(50～100 μm)、细砂粒(100～250 μm)、中砂粒(250～500 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)、极粗砂粒(1 000～2 000 μm)[27]。

1.2.3 分形维数计算

采用Tyler等提出的体积分形模型对土壤颗粒体积分形维数D计算，公式如下：

式中：r为粒径；Ri为粒径分区中第i级粒径；V(r

上式中两边同时取对数，以log(Ri/Rmax)为横坐标、log{v(r

1.3 数据处理

运用SPSS 26统计软件进行回归分析和相关性分析，用最小差异显著法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同改良措施下的土壤粒径组成特点

研究表明，在0～20 cm土层，A2处理下砂粒体积含量最高，可达到58.05%，A3处理下砂粒体积含量最低，为48.22%，不同处理下砂粒体积含量大小依次为A2>A5>A1>A4>A3。在20～40 cm土层，A1和A5处理下砂粒总体含量最高为54.39%，其次为A2和A4，分别为49.05%和41.10%，与对照相比，砂粒含量相对降低。土壤组成以砂粒为主，黏粒和粉粒相对较少。其中砂粒又以极细砂粒为主，其次是细砂粒、粗砂粒、中砂粒、极粗砂粒，粒径体积含量依次为砂粒>细粉粒>细砂粒>中砂粒>粗砂粒>黏粒>极粗砂粒。图1

图1 不同处理0～40 cm土壤粒径分布Fig.1 Soil particle size distribution of 0-40 cm under different treatments

2.2 不同改良措施下土壤颗粒分形维数的总体特征

研究表明，0～40 cm土层中，5种处理的平均D值均介于2.35～2.49，且细颗粒物质呈增加趋势。

在0～20 cm土层，不同处理的D值大小顺序依次为：A3>A1A4>CK>A5。A3处理的D值较大，在20～40 cm土层，不同处理的D值按大小依次为：A4>A3>A1>A2、CK>A5，A4和A3处理下D值较大。土壤黏粒和粉粒总体体积含量越大，土壤分形维数就越大，土壤结构越好。表1

表1 不同改良措施下土壤颗粒组成百分含量和土壤颗粒分形维数Table 1 Percentage of soil particle composition and fractal dimension of soil particle under different improvement measures

2.3 不同处理下土壤粒径和土壤分形维数的相关性

研究表明，在0～20 cm土层，黏粒与分形维数呈极显著正相关关系，细粉粒与分形维数呈显著正相关；在20～40 cm土层，黏粒、细粉粒和分形维数呈极显著正相关关系，粗粉粒与分形维数呈显著正相关，极细砂粒与分形维数呈显著负相关，细砂粒与分形维数呈极显著负相关。表2

3 讨 论

土壤是植物生长的基础物质，土壤颗粒组成决定养分和水分的贮存和运转[28]。试验区中土壤颗粒组成以砂粒、粉粒和黏粒为主，且在不同土层中砂粒总体含量在减少，表明在不同改良措施下，土壤颗粒组成发生了变化。李云良等[29]研究发现粒径相对粗的沙土和粉土主要分布在高位滩地，粒径较细的黏土主要分布在近水面的低洼处，表明土壤粒径分布与土壤水分有密切的关系。土壤颗粒分形维数能够反映土壤结构、土壤肥力及土壤退化程度等[30]，不同土地利用方式对土壤的影响与改变可以通过分形维数来反映，胡云峰等[31]通过不同土地利用方式/土地覆盖下土壤粒径分布特征得出土壤粒径分布分形维数随土地利用方式的不同而发生规律性改变，植被覆盖度越高，分形维数越大。桂东伟等[4]对塔里木盆地南缘绿洲的土壤粒径分析表明，分形维数为2.21时为土壤粒径分布状况的分界值,大于该值土壤颗粒分布相对较好。

4 结 论

4.1在0～40 cm土层下，5种改良措施下的平均D值介于2.35～2.49，细颗粒物质占主体。种植燕麦+油菜秸秆翻耕+生物菌肥和种植燕麦+农家肥处理效果最好，种植油菜+燕麦和种植燕麦+油菜秸秆翻耕+生物菌肥处理能够提高黏粒粉粒含量。

4.2在0～20 cm土层中，黏粒与分形维数呈极显著正相关，细粉粒与分形维数呈显著正相关；在20～40 cm土层中，黏粒、细粉粒和分形维数呈极显著正相关，粗粉粒与分形维数呈显著正相关，极细砂粒与分形维数呈显著负相关，细砂粒与分形维数呈极显著负相关。黏粒和粉粒越大，土壤分形维数越大，土壤结构越好；土壤砂粒含量越高，分形维数越小，土壤结构越差。