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滇东高原石漠化地区红裸土的粒度及分形特征

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 106次


摘要:红裸土是由山原红壤严重退化形成的裸露在高原面上的颗粒较细、颜色鲜红、无植被生长的特殊土漠化景观,深入认识红裸土的理化性质,是这类特殊荒漠化景观防治的基础。运用分形模型研究了滇东高原13个样地红裸土表层的粒度及分形特征,结果表明:表层红裸土整体属于壤土类粉质粘壤土,以细组分为主混合;粒度平均值(Mz)、分选系数(σ)和偏度(SK)反映了红裸土属于近源、快速堆积而成,搬运动力单一,后期曾经历强烈的化学风化;红裸土分形维数在2.421~2.837之间,与砂粒含量呈极显著负相关(R=-0.907),与粉粒含量相关关系不显著,说明红裸土土壤的细颗粒含量越高,其分形维数越大。分形维数与有机质、速效钾、铵态氮呈正相关,与速效磷略呈负相关,但都不显著。红裸土土壤颗粒变细,应该是其多年难以生长植被的原因之一。

关键字 :红裸土;表层;土壤粒度;分形维数

Abstract: Red bare soil is a kind of soil with fine grain size, bright red color and none-vegetation covers, and it developed form severely degenerated mountain red earth. Research towards better understanding of red bare soil can be the basis of prevention of such desertification landscape. 13 soil surface samples of red bare soil have been researched with fractal feature model. The result indicated that, surface red bare soil belongs to silty clay loam with fine components mainly; average particle size(Mz), sorting coefficient(σ), skewness(SK) shows it formed form near source, fast accumulation and single force of transportation which bared strongly chemical weathering during late stage. The fractal dimension of red bare soil was between 2.421and 2.837 which has a significant negative correlation with sand content(R=-0.907), but has non-significant correlation with silt content. Thus, the higher the silt content are the higher the fractal dimension are. Moreover, the fractal dimension has positive correlation with the content of soil organic matter, available K and ammonium N, but has a negative correlation with available P. Therefore, the soil particles became thinner might be the reason of non-vegetation.

Key words: red bare soil; surface layer; soil particle size; fractal dimension

云南地处我国西南喀斯特地区的中心地带,也是世界三大喀斯特集中分布区的东亚片区的核心。特殊的地质背景造就其相对脆弱的生态环境,加上长期不合理的土地利用活动影响,使喀斯特地区土壤石质荒漠化(称石漠化)问题尤为突出[1]。作为滇东高原的主要土壤类型之一的山原红壤,土体深厚,适宜多种林木、牧草和农作物生长。近年来,山原红壤退化严重,局部地段已多年裸露,呈现出一种与石漠化相伴生的特殊土漠化景观—“红裸土”景观。深入认识红裸土的理化性质,揭示其多年难以生长植被的原因,既是滇东喀斯特地区这一地球表层关键地段的重要科学问题,也可为石漠化地区水土流失防治和生态环境修复提供依据。

土壤颗粒是构成土壤结构体的基本单元,土壤颗粒组成的变化和差异,可以用来判断土壤退化的强弱和发展强度。土壤的粒径分布在某种程度上决定了土壤的结构和性质,常常被用做分析土壤性质的重要指标,同时土壤颗粒组成的变化也是土地退化过程中最普遍且具有代表性的现象[2-4]。因为土壤是一种由不同颗粒组成、具有不规则形状和自相似结构的多孔介质,故具有一定的分形特性[5-8]AryaTurcotte等研究了土壤颗粒的分形现象及其分形维数的计算方法,以此来表征土粒直径的大小和质地组成的均匀程度,此后有学者对其计算方法进行了改进。宫阿都[9]、苏永中[10]从耕地退化、沙漠化等角度对土壤颗粒分形维数的作用进行讨论,发现分形维数对土地沙漠化具有一定的指示作用。鉴于此,本研究拟通过滇东高原石漠化地区红裸土的土壤粒度和分形特征分析,以深入认识红裸土的结构特征。

1 研究区概况

滇东高原西以红河断裂带为界,东以滇黔桂省界与贵州高原为邻,北至四川盆地南缘,南到中越边境。区内碳酸盐岩广布,占总面积的一半以上,其中古生界石碳、二叠系灰岩及中生界三叠系的灰岩分布最广,上覆土被多为山原红壤。本区冬无严寒,夏无酷暑,降水丰沛,干湿分明、雨热同季、旱凉同期,年平均气温13 .8 ℃,≥10 ℃年活动积温4024 ℃,7 月均温19 .8 ℃,1月均温5 .7 ℃,年均相对湿度为75 %,年均降水量1332 mm ,主要集中在5 -10 月,年日照时数1819 .9 h,日照率为41 %,全年无霜期240天,属北亚热带和南温带山地季风气候。

2 研究方法

2.1 样品的采集与测试

2013年9月在昆明市呈贡新区,曲靖市的富源县、宣威市、罗平县红裸土典型发育地段,选择13个样点取其表层20cm,每个样品控制在1kg左右。用陶瓷工具采样,密封袋装样编号,样品取回后烘干碾磨后过2mm筛备用。

1 采样地点基本情况

采样地点

Sampling site

样号

Code

经纬度

Coordinate

海拔(m)

Altitude

采样深度(cm

Depth

宣威拖克山腰

S1

103°47′01″E26°22′00″N

2090

0~20

宣威务德-西泽

S2

104°12′41″E25°43′07″N

1969

0~20

富源海田后山

S3

104°12′47″E25°44′47″N

2143

0~20

富源后所小海子

S4

104°04'11″E25°34'47″N

2040

0~20

富源多乐屯

S5

104°11′48″E25°42′50″N

2050

0~20

富源凉水井岩奢

S6

104°14′00″E26°10′45″N

2011

0~20

富源海坪清水

S7

104°08′42″E25°34′47″N

2106

0~20

富源清水塘

S8

104°03′42″E25°28′22″N

2158

0~20

富源杨家坟

S9

104°16′03″E25°52′25″N

2106

0~20

富源光山头

S10

104°00′04″E25°28′21″N

2168

0~20

富源回隆

S11

104°00′40″E25°31′07″N

2087

0~20

罗平长底

S12

104°29′52″E25°02′30″N

1343

0~20

呈贡龙潭山

S13

102°52′28″E24°54′07″N

2127

0~20

本次实验所涉及的每个样品都经过英国马尔文公司生产的Mastersize2000激光粒度仪的2次测量并取其平均值作为其最终结果。该仪器的测量范围为0.002~2mm,精度为±2%。在测定过程中根据土壤颗粒的实际情况进行泵速的调整,及时清洗泵管,确保数据的可靠性。

2.2 土壤粒度参数计算

根据Folk-Ward(1957)图解法公式计算出粒度参数[11]。粒度参数包括:粒度平均值(Mz)、分选系数(σ)、偏度(SK)、峰态(KG)。

2.3土壤分形维数计算

采用杨培岭等[12]提出的体积分形维数计算方法,提出土壤粒径分布的体积分维值FD。土壤颗粒的体积分布与平均粒径间的分形关系式为 :

Ri/Rmax3-FD=M(r<Ri/Mo                 

式中,Ri为表示两筛分粒级 RiRi+1间粒径的平均值,Rmax为最大粒级土粒的平均值,M( r < Ri)为小于Ri的累积土粒质量,Mo为土壤各粒级质量的总和。由(1)可知式中各土壤颗粒的粒径及小于某一粒径土壤体积可通过土壤的机械分析确定,然后分别以lg(Mi/Mo),lg(Ri/Rmax)为纵、横坐标,3 - FD是线性拟合方程的斜率,FD为土壤颗粒分形维数。

3 结果与分析

3.1 粒度组成及粒度参数

    据土壤美国粒级制划分标准,将研究区土壤粒级分为粘粒(<2µm)、粉粒(2~50µm)、极细砂(50~100µm)、细砂(100~250µm)、中砂(250~500µm)、粗砂(500~2000µm6个级别。在表2的显示中,表层土壤颗粒组成以粘粒和粉粒为主,粒级范围百分含量合计高达90﹪以上。由土壤质地三角图看出(1),红裸土以粉质粘壤土为主。

2 表层土样土壤粒度参数

采样点

Sampling site

编号

Code

粒度平均值

Mz

   分选系数

σ

偏度

SK

峰态

KG

宣威拖克

S1

7.228

1.702

-0.146

1.176

宣威务德

S2

7.205

1.725

-0.142

1.000

富源海田后山

S3

7.072

1.951

-0.098

0.936

富源后所小海子

S4

6.858

2.222

-0.189

0.789

富源多乐屯

S5

7.322

1.659

-0.148

1.198

富源凉水井岩奢

S6

7.327

1.773

-0.123

1.077

富源海坪清水

S7

6.882

2.113

-0.149

0.859

富源清水塘

S8

6.473

1.371

0.014

1.168

富源杨家坟

S9

7.089

2.111

-0.108

0.751

富源光山头

S10

7.112

2.041

-0.281

1.084

富源回隆

S11

7.335

1.897

-0.249

1.211

罗平长底

S12

6.742

1.527

0.073

1.093

呈贡龙潭山

S13

6.735

1.735

-0.201

1.075

3.2 土壤颗粒分维值

    2中分形维数是根据上述分形维数定义和计算过程得出。由表2可知红裸土表层13处样地的分形维数在2.5634~2.8373之间。土壤质地包括粉砂壤土—粉质粘壤土—粉质粘土。有研究表明在喀斯特石漠化发生过程中伴随着土壤表层颗粒物质的损失,损失的是易侵蚀或者是可蚀部分,随着石漠化发生、发展,细颗粒物质首先丧失,表现为分形维数变小[ 2]。而红裸土表层颗粒物质和分形维数不符合该规律,说明红裸土发育区尚未达到石漠化严重时期。

3 表层土样土壤分形维数计算结果

样地

Sampling site

编号

Code

土壤质地

Soil texture

粗砂Coarse

细砂Fine

粉粒Silt

粘粒Clay

分形(FD)

R2

2~0.25mm

0.25~0.05mm

0.05~0.002mm

0.002mm

宣威拖克

S1

粉质粘壤土

0.13

2.05

60.11

37.71

2.7963

0.6866

宣威务德

S2

粉质粘壤土

0.00

0.53

60.46

39.02

2.8052

0.6715

海田后山

S3

粉质粘壤土

0.00

3.02

57.12

39.86

2.8068

0.6969

富源小海子

S4

 粉质粘土

0.00

6.19

56.07

37.74

2.7918

0.7264

富源多乐屯

S5

粉质粘土

0.00

1.79

57.67

40.54

2.8117

0.6847

富源凉水井岩奢

S6

粉质粘壤土

0.00

0.49

58.86

40.65

2.8137

0.6714

富源海坪清水

S7

粉质粘壤土

0.00

4.82

59.51

35.67

2.7818

0.7103

富源清水塘

S8

粉砂壤土

0.00

1.88

85.94

12.18

2.5634

0.6746

富源杨家坟

S9

粉质粘壤土

0.00

4.11

57.15

38.74

2.7996

0.7069

富源光山头

S10

粉质粘土

0.00

5.17

51.29

43.54

2.8225

0.7248

富源回隆

S11

粉质粘土

0.00

4.44

48.99

46.57

2.8373

0.7208

罗平长底

S12

粉砂壤土

0.00

1.53

76.27

22.20

2.6877

0.6757

呈贡龙潭山

S13

粉质粘壤土

0.00

2.41

70.63

26.97

2.7268

0.6834

3.3 分形系数和土壤粒度组成关系

    对表层红裸土分形维数FD4个土壤粒径级别的体积百分含量分别做回归分析(由于2~0.25mm粒级含量几乎为零,因此与细砂合并,统计为砂粒),统计分析结果见图2 。不难看出红裸土表层土壤分形维数与土壤各粒径的体积百分含量的分布均显著相关:FD2~0.05mm土壤粒径含量存在极显著的负相关,相关系数为-0.9071**;与0.05~0.002mm的土壤粒径含量呈负相关,相关系数为-0.4826;另外<0.002mm土壤颗粒的百分含量存在极显著的正相关,相关系数为0.9692**。表明红裸土表层土壤的细颗粒含量越高,其分形维数越大。

2 土壤颗粒含量与分形维数的关系

3.4 分形维数与土壤养分的关系

3是土壤养分与分形维数的线性回归:土壤分形维数与有机质呈现出显著正相关,这与王佩将[13]在贵州喀斯特地区对黄壤的研究结果相反;但与龙健[2]等研究喀斯特地区的石灰土中认为的分形维数和有机质存在显著正相关关系相似。分形维数与速效钾、硝态氮均呈正相关,与速效磷呈负相关,但都不显著。说明土壤的分形维数越大,有机质、速效钾、硝态氮的含量越少,而速效磷的含量越多。可见土壤颗粒分形可以在一定程度上反映红裸土表层土壤肥力状况。程先富[14]等的研究结果表明分形维数与速效钾呈正相关,与速效磷呈负相关,但都不显著。本研究结果与其他研究结果存有差异,这主要受研究区环境、土壤类型和母岩等的不同而具有很强的空间特异性。

3 土壤养分与分形维数的关系

4 结论

 = 1 \* GB2 研究区红裸土表层土壤粒度参数分析结果:平均粒径变化于7.335~6.473Φ(6.193~11.257µm),分选性属较差和差且偏度多为负偏,表明土壤颗粒偏细,以粉粒和粘粒为主。

 = 2 \* GB2 表层土壤分形维数在2.5634~2.8373之间,土壤质地整体属于粉质粘壤土。分形维数能够表征土壤颗粒特征,但对不同粒级颗粒含量的反映程度不同。分形维数与粘粒呈极显著正相关,与细砂和粉粒呈负相关和显著负相关。

= 3 \* GB2分形维数与有机质、速效钾、铵态氮呈正相关,与速效磷呈负相关,但都不显著在说明分形维数一定程度可以反映红裸土表层土壤肥力的特征。

= 4 \* GB2根据以上研究表明,红裸土表面难以生长植被的原因与它的理化性质有关,土壤颗粒组成偏细,造成土壤的固水保水性差,土壤易板结,有机质等物质流失快,造成植被很难生长。

参考文献

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