长汀县花岗岩崩岗剖面土体分形特征

摘要：选取长汀县两处典型崩岗侵蚀的土壤剖面和两处未发生崩岗侵蚀的土壤剖面为研究对象，采用激光粒度分析仪对土壤颗粒组成进行测定，并对剖面土体的土壤颗粒组成及分形维数进行比较，探讨土壤颗粒组成与分形维数的关系，结果表明：与未发生崩岗侵蚀土壤相比，崩岗侵蚀土壤砂粒含量高，黏粒含量少，其分形维数小于未发生崩岗侵蚀土壤；剖面土壤的分形维数随采样深度的增加先增大后减小；土壤颗粒的分形维数与黏粒含量的变化规律相一致。研究结果表明，分形维数是能反映崩岗土壤质地差异和侵蚀程度的一项综合指标。关键词：崩岗；分形维数；颗粒组成中图分类号：S157.1文献标识码：A文章编号：1006—2327—（2019）04—0006—04崩岗侵蚀是我国南方地区最严重的土壤侵蚀类型之一，主要发生在花岗岩地区[1]。崩岗侵蚀危害十分严重，造成大量表土丧失，地表千沟万壑，无法利用[2]。因此，对于崩岗侵蚀的研究成为了我国南方水土保持研究的重要课题。在崩岗侵蚀的过程中，崩壁的崩塌是崩岗侵蚀发展的关键，崩壁的崩塌主要是由土体稳定性降低所导致，而土壤颗粒组成是影响崩壁土体稳定性的关键因素之一[3]。土壤颗粒组成是土壤理化特性的一项重要指标，土壤颗粒在一定程度上决定了土壤的结构和性质，并间接影响了土壤的水分特性以及侵蚀强度等理化性质[4,5]。由于土壤自身的构成及其特性，具有自相似特征或分形特征，通常用土壤颗粒的分形维数来描述其分形特征[6,7]。土壤颗粒的分形维数不仅能够表征土壤颗粒分布特征，且能反映土壤质地的均匀程度、土壤的通透性和土壤属性，还能够反映岩土的分化强弱程度以及土体的抗侵蚀强度等理化性质[8,9]。近年来，崩岗土壤颗粒分形维数的研究受到了广泛关注。由于崩岗分布范围广，其土壤颗粒组成具有明显的空间变异特征，空间变异性大。鉴于此，本文采集了长汀县河田镇两处典型崩岗土壤剖面，同时采集四都镇、童坊镇两处未发生崩岗土壤剖面作为对比，对崩岗侵蚀土壤与未发生崩岗侵蚀土壤的颗粒组成及其分形维数进行比较，分析土壤不同土层深度颗粒组成及分形维数的变化，探讨土壤颗粒组成与分形维数的关系，为防治崩岗侵蚀提供理论依据。1材料与方法

研究区位于福建省龙岩汀县，东经116°00′45″～116°39′20″，北纬25°18′40″～26°02′05″。长汀1.1研究区概况县主要为低山丘陵地貌，地处亚热带季风气候，全县年平均气温为18.3℃，年平均降雨量1730mm。长汀县的崩岗主要发生在易风化的花岗岩地区，崩岗个数达3583个，占全省崩岗总个数的13.77%。河田镇为典型的花岗岩红壤侵蚀区，土壤抗蚀能力差，侵蚀区内崩岗分布广，数量众多，共计2266处，是福建省典型的崩岗侵蚀区域。1.2样品采集本研究选取河田镇两处典型崩岗区的崩岗土壤剖面（剖面Ⅰ和剖面Ⅱ），以及四都镇（剖面Ⅲ）和童坊镇（剖面Ⅳ）未发生崩岗侵蚀的土壤剖面各一处为研究对象。剖面Ⅰ位于经度116°28′08″E，纬度基金资助：国家自然科学基金资助项目（41571272）。作者简介：黄碧妃（1988年-），女，福建福安人，博士研究生，助理实验师，主要从事土壤侵蚀与治理等方面的研究。*通信作者：黄炎和（1962年-），男，广东饶平人，博士，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与治理等方面的研究。6第44卷第4期福建热作科技FujianScience&TechnologyofTropicalCropsVol.44No.4201925°39′21″N，根据土壤发育层垂直采样，自上至下共采集11个样品，编号分别为A1（0～8cm）、A2（8～24cm）、A3（24～61cm）、A4（61～94cm）、A5（94～143cm）、A6（143～177cm）、A7（177～203cm）、A8（203～222cm）、A9（222～254cm）、A10（254～278cm）、A11（>278cm）；剖面Ⅱ位于经度116°27′39″E，纬度25°35′52″N，分为B1（0～7cm），B2（7～15cm），B3（15～32cm），B4（32～59cm），B5（59～81cm），B6（81～100cm），B7（100～125cm），B8（>125cm）8个层次；剖面Ⅲ位于经度116°12′29″E，纬度25°40′41″N，采集C1（0～10cm），C2（10～30cm），C3（30～45cm），C4（45～70cm），C5（70～90cm），C6（90～105cm），C7（>105cm）7个土层；剖面Ⅳ位于经度116°35′01″E，纬度25°47′25″N，采集6个样品，分别为D1（0～10cm）、D2（10～30cm）、D3（30～50cm）、D4（50～78cm）、D5（78～100cm）、D6（>100cm），共计32个土壤样品。1.3土壤颗粒组成的测定土壤颗粒组成采用BT-9300ST激光粒度分析仪（丹东百特仪器有限公司）测定。采用美国农业部分类系统对土壤颗粒进行分级：砂粒（2～0.05mm）、粉砂（0.05～0.002mm）和黏粒（小于0.002mm）三个等级。1.4分形维数计算分形维数采用杨培岭[10]的土壤分形模型计算，土壤颗粒质量分布与土壤颗粒的分形维数关系式为：式中：di表示两筛分粒级di与di1间粒径的平均值；dmax表示最大粒径的平均值；W(di)为粒径小于di土壤颗粒的累积质量；W0为土壤各粒级的总质量。对上式两边取对数，以lg(di/dmax)为横坐标，lg(W(di)/W0)为纵坐标，进行线性拟合，拟合方程的斜率为3-D，根据斜率即可得到土壤颗粒分形维数D。1.5数据处理与分析试验数据采用Excel2007，SPSS18.0进行数理统计分析。采用SPSS18.0进行线性回归分析和多重比较，图采用Origin8.5进行绘制。



-

dW(di)

(-i)3DW0dmax-2结果与分析

由图1和表1可知，崩岗侵蚀2.1剖面土壤颗粒分布特征土壤剖面Ⅰ的砂粒、粉粒和黏粒含量分别介于39.54%～73.12%、22.28%～50.17%和4.43%～10.69%之间，剖面Ⅱ的砂粒含量为47.47%～55.30%，粉粒含量为38.07%～42.95%，黏粒含量为5.03%～10.34%。而未发生崩岗侵蚀的土壤剖面Ⅲ的砂粒、粉粒和黏粒含量分别介于13.13%～18.68%、70.49%～72.98%和10.38%～14.21%之间，剖面Ⅳ的砂粒含量为7图1研究剖面土壤不同粒级颗粒含量第44卷第4期福建热作科技FujianScience&TechnologyofTropical表1颗粒砂粒（%）CropsVol.44No.4201915.66%～28.19%、粉粒含量为67.13%～76.86%，黏粒的含量为4.69%～7.48%。研究结果表明，崩岗侵蚀土壤砂粒含量高于未发生崩岗侵蚀土壤，黏粒、粉粒含量均低于未发生崩岗侵蚀土壤。由于崩岗土壤黏粒含量低且砂粒含量高，土壤结构较为疏松，水稳性差，导致其抗蚀性和抗冲能力低，黏粒在降雨及径流的作用下容易发生侵蚀。而未崩岗侵蚀区的土壤中黏粒含量高于崩岗侵蚀区土壤，由于黏粒具有巨大的比表面积和吸附能，可通过黏结作用将土粒或微团聚体黏结在一起，不易发生水土流失和崩岗侵蚀。分形维数（D）（%）粉粒（%）研究剖面土壤不同粒径级别的颗粒含量统计特征值土壤剖面样本数极小值极大值极差均值标准差LSD比较变异系数ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ1187611876118761187639.5447.4713.1315.6622.2838.0770.4367.134.435.0310.384.692.582.612.702.5973.1233.5852.5012.6255.3018.687.8351.495.5515.592.721.6.622.720.943.672.451.651.391.130.050.040.020.03bbaabbaabbabbbab0.240.050.110.230.260.070.010.050.310.210.110.180.020.010.010.0128.1912.5320.22.9572.9876.8610.6910.3414.217.482.712.712.742.6.8840.562.5571.329.7473.406.258.025.327.953.8313.092.796.340.132.660.102.670.042.730.072.50.1727.39.4910.29致使未发生崩岗侵蚀的土壤具有较强黏结性和较紧实土体结构，因此其抗蚀和抗冲能力强于崩岗土壤，对比崩岗侵蚀土壤与未发生崩岗侵蚀土壤的分形维数可知，未发生崩岗侵蚀土壤的分形维数大于崩岗侵蚀土壤，表明未发生崩岗侵蚀土壤风化程度较高，具有较强的抗侵蚀能力。而崩岗侵蚀土壤由于其风化程度较弱，粗颗粒含量高，使得土体的内聚力减小，抗冲抗蚀能力下降，在外力作用下容易失稳崩塌。吴志峰[8]的研究结果表明，分形维数可以反映风化壳的风化强弱及抗蚀强度，分形维数越小，岩土的风化程度越低，土壤的抗冲蚀能力越弱。从图2可以看出，随着剖面土壤采样深度的增大，土壤颗粒的分形维数先增大后减小。由于长汀县地处亚热带地区，高温多雨，岩石风化作用强烈，黏化过程以淋溶淀积黏化为主，导致下层土壤黏粒含量高，分形维数大。同时，由于崩岗地区地表枯落物较少，根系分布浅，黏粒等细颗粒物质随水流迁移到土壤深层并积淀，从而加重了深层土壤质地，因此呈现出分形维数表层较小而深层大的特征。但随着土层深度的进一步增加，土壤风化程度降低，粗颗粒含量变高，土壤黏粒含量下降，使得土壤分形维数减小。2.3

分形维数与土壤颗粒组成的关系对分形维数与土壤黏粒、粉粒、砂粒8图2研究剖面土壤分形维数变化第44卷第4期福建热作科技FujianScience&TechnologyofTropicalCropsVol.44No.42019质量分数进行线性回归拟合得到分形维数与各粒径颗粒含量的拟合方程如表2所示。由线性回归方程可知，对于崩岗侵蚀剖面土壤，其分形维数与砂粒含量呈极显著线性负相关，与粉粒含量、黏粒含量均呈极显著线其分形维数与砂粒含量呈极显著线性负相关，与黏粒含量呈极显著线性正相关，而与粉粒含量相关性不高。但对于所有土壤剖面，土壤分形维数仅与黏粒含量呈极显著线性正相关，与砂粒、粉粒含量的相关性不高。这表明，黏粒含量越高，土壤分形维数越大，质地越细，土壤越紧实；砂粒含量越高，分蚀剖面土体表2分形维数与土壤颗粒组成的关系方程D=-0.004d2~0.05+2.869D=0.004d0.05~0.002+2.483D=0.019d<0.002+2.509D=-0.003d+决定系数R2样本数n0.786**0.6**0.976**0.693**0.0210.953**0.2980.1790.953**191919131313323232崩岗侵蚀剖面（剖面Ⅰ、Ⅱ）性正相关。而对于未发生崩岗侵蚀土壤剖面，未发生崩岗侵D=-0.011d2~0.05+2.8840.05~0.002

（剖面Ⅲ、Ⅳ）2.901D=0.014d<0.002+2.546所有土壤剖面D=-0.001d2~0.05+2.726D=0.001d0.05~0.002+2.610D=0.016d<0.002+2.536注：表中**表示关系达到极显著水平（P<0.01）形维数越低，质地越粗，土粒之间的胶结能力越差则土壤越松散，遇水便发生崩解，容易形成掏蚀，这为崩岗的发生创造了条件。这一结果与相关研究结论是一致的[12,13]。

3结论

（1）崩岗侵蚀剖面土壤砂粒含量高，未发生崩岗侵蚀剖面土壤粉粒含量高，且未发生崩岗侵蚀土壤的黏粒含量大于崩岗侵蚀土壤，其抗蚀和抗冲能力强于崩岗土壤。（2）未发生崩岗侵蚀土壤的分形维数平均值高于崩岗侵蚀土壤。随着剖面土壤采样深度的增加，土壤颗粒的分形维数先增大后减小。（3）所研究的剖面土壤的分形维数与黏粒含量呈极显著线性正相关，与砂粒含量呈极显著线性负相关，即土壤颗粒越细，分形维数越大，土壤颗粒越粗，则分形维数越小。综上所述，土壤颗粒的分形维数可表征土壤风化壳的风化程度以及土壤的抗蚀强度。参考文献[1]唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社,2004.80-82.[2]林敬兰,黄炎和.崩岗侵蚀的成因机理研究与问题[J].水土保持学报,2010,17(2):41-44.[3]林敬兰,黄炎和,张德斌,等.水分对崩岗土体抗剪切特性的影响[J].水土保持学报,2013,27(3):55-58.[4]刘霞,姚孝友,张光灿,等.沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分形与孔隙结构特征[J].林业科学,2011,47(8):31-37.[5]王丽,刘霞,张光灿,等.鲁中山区采取不同生态修复措施时的土壤粒径分形与孔隙结构特征[J].中国水土保持科学,2007,5(2):73-80.[6]陈子玉,顾祝军.南方水蚀区不同侵蚀程度土壤粒径分形研究[J].水土保持研究,2013,20(2):13-16.[7]吴尧,姚健,吴永波,等.岷江上游典型植被下土壤分形特征及对水分入渗的影响[J].水土保持通报,2012,32(2):12-16.[8]吴志峰.华南花岗岩风化土体粒度成分的分形特征[J].中国水土保持,1997,(5):17-19.[9]张海延,时延庆.山东省不同土地利用方式土壤颗粒组成及其分形维数特征[J].水土保持研究,2018,25(1):126-131.[10]杨培岭,罗远培,石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J].科学通报,1993,38(20):16-19.[11]蒋芳市,黄炎和,林金石,等.花岗岩崩岗崩积体颗粒组成及分形特征[J].水土保持研究,2014,21(6):175-180.[12]伏耀龙,张兴昌,王金贵.岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征[J].农业工程学报,2012,28(5):120-125.[13]王贤,张洪江,程金花,等.重庆四面山几种林地土壤颗粒分形特征及其影响因素[J].水土保持学报,2011,25(3):154-159.9