红壤丘陵区不同植被类型土壤颗粒分形与水分物理特征

夏江宝，顾祝军，周峰，刘京涛，彭绍云

(1.滨州学院，山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，256603，山东滨州;2.南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，211171，南京;3.福建省长汀县水土保持监测站，366300，福建长汀)

土壤分形理论在土壤结构、水分特征及溶质运移等方面具有广泛应用，依据土壤颗粒分形维数研究土壤理化性状方面的报道［1－3］很多。分形理论也已成为土壤复杂性和不规则性定量化研究的一种有效工具，可推动土壤形态、过程等复杂问题的解决［4－5］。运用分形理论研究不同植被恢复措施后土壤颗粒的分形特征，评价其土壤质地、结构组成及其均匀程度，对实施不同水土保持修复措施具有重要理论和实践意义。福建省长汀县是我国典型的中亚热带红壤生态系统，也是我国南方花岗岩红壤丘陵区典型的水土流失区之一，从20 世纪80 年代就相继采取了许多水土流失治理措施，使水土流失得到一定程度的恢复。由于长汀县水土流失的严重性、典型性、治理工作的长期性和相对连续性，学术界已经把长汀县水土流失治理的研究工作作为福建省乃至我国南方亚热带红壤丘陵区水土流失治理的一个典型区［6－9］。近年来，在长汀县关于土壤侵蚀规律［7－8］、植被恢复措施及其效益评价［6，9－11］等方面的研究较多，但在南方红壤丘陵区，有关不同植被类型土壤颗粒分形特征、土壤水分物理特征及其相互关系的研究报道较少。为探索不同植被恢复措施对土壤物理结构及其水分生态特征的影响，笔者选取南方红壤丘陵区福建省长汀县经济林、针阔混交林、乔灌混交林及针叶林4 种典型植被类型为研究对象，运用土壤分形学和水文物理学原理与方法，研究不同植被类型的土壤颗粒组成、土壤分形维数、土壤基本物理性状及土壤贮蓄水分特性，以期阐明南方红壤丘陵区不同植被类型土壤颗粒分形特征及其机制，明确不同植被类型土壤水分物理特征，初步探明不同植被恢复措施改良土壤的效应，为南方红壤丘陵区水土保持植被的合理选择提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于福建省西部的长汀县河田镇(E 116°18'～116°31'，N 25°33'～25°48')，为闽赣2 省的边陲要冲，属低山丘陵地貌。气候暖热湿润，属中亚热带季风气候，年均气温17.5 ～18.8 ℃，极端最高气温39.8 ℃，地表极端最高气温76.6 ℃，年均降水量1 737.1 mm，其中3—6 月降水量占全年降水量的60%以上，且多暴雨。土壤为黑云母花岗岩风化形成的红壤，含沙量大，风化壳深厚。由于历史上较长时间的人为干扰原因，水土流失极为严重，是我国中亚热带典型的花岗岩红壤严重侵蚀区。花岗岩发育的红壤抗蚀能力弱，原始植被多遭破坏，现有植被主要为马尾松(Pinus massoniana)、板栗(Castanea mollissima Blume)、木荷(Schima superba Gardn et Champ)灌丛和荒草坡等次生植被和人工植被;灌木层主要为野漆(Toxicodendron succedaneum)、小叶赤楠(syzygium grijsii(Hance) Merr.et Perry)、黄栀子(Gardenia jasminoides)、毛冬青(Llex pubescens Hook)、油茶(Camellia oleifera)等;林下草本层主要有狗脊(Woodwardia japonica)、芒萁(Dicranop teris dichotoma)、地菍(Melastoma dodecandrum)等草本植物。

2 研究方法

2.1 野外调查

2011 年7 月，在长汀县河田镇露湖村附近，选取经济林板栗、针阔混交林(马尾松+木荷)、乔灌混交林(马尾松+油茶+小叶赤楠)、针叶林(马尾松)4 种典型植被类型为研究对象，并以较少芒萁和狗脊生长的草地为裸地对照。对不同植被类型标准地的坡度、坡向、坡位等立地因子，及林龄、林分密度、郁闭度、标准木树高、胸径等林分生长状况指标进行实地调查。不同植被类型立地因子和林分生长状况见表1。

2.2 土壤样品采集与指标测定

在各植被类型的3 个标准地(20 m×30 m)内，按S 型均匀布设4 个采样点，分0 ～20、20 ～40 cm层进行采样与各指标的测定。样品风干处理后，采用机械筛分法(振筛法)测定土壤粒径质量分布，利用杨培岭等［12］推导出的模型计算土壤颗粒分形维数。

式中:D 为土壤颗粒分形维数;di为2 相邻粒级di与di+1间土粒平均直径，mm;dmax为最大粒级土粒平均直径，mm;mi为直径小于di的累积质量，g;m0为土壤样品总质量，g。具体应用时，首先求出土壤样品不同粒径di的lg(di/dmax)和lg(mi/m0)值，并将二者进行线性拟合，分析求得斜率K，则土壤分形维数为D=3－K。

表1 不同植被类型立地因子和林分生长状况Tab.1 Stand growth status and site factors under different vegetation types

采用烘干法测定土壤含水量，环刀浸水法测定土壤密度和孔隙度等各项水分物理参数［13］，并由公式计算一定土层深度内的毛管蓄水量、非毛管蓄水量和饱和蓄水量［14］。按0.2 m 深度计算。其中，土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量的计算公式如下:

式中:Mh为土壤涵蓄降水量，mm;Mb为饱和蓄水量，mm;Mw为土壤含水量，mm;Mx为土壤有效涵蓄量，mm;Mm为毛管蓄水量，mm。

在Microsoft Excel 2003 统计软件中对实验数据进行整理和作图，方差分析、多重比较和相关分析分别采用SPSS13.0 统计软件中的one－way ANOVA、LSD(α=0.05 和0.01)和Peareson 相关分析方法完成。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型土壤颗粒组成

不同植被类型不同粒径范围土壤颗粒质量含量见表2。可以看出，不同植被类型不同粒径范围土壤颗粒的质量含量差异显著(P ＜0.01)。在0 ～40 cm 土层中，以粗砂砾质量含量最高，变幅为51.00%～56.31%，平均为53.91%;针阔混交林、乔灌混交林为细砂砾质量含量较高，分别为33.03%和34.71%，而经济林、针叶林、裸地以石砾质量含量较高，分别为 35.90%、29.32% 和33.93%;不同植被类型粉黏粒质量含量最低，变幅为2.51%～8.83%，平均为5.66%。表明红壤丘陵区土壤中粗砂粒和石砾质量含量显著高于细砂砾质量含量，而粉黏粒质量含量最低。从植被类型来看，以石砾质量含量差别最大，差值为25.91%，表现为经济林＞裸地＞针叶林＞乔灌混交林＞针阔混交林，其次为粗砂粒，质量含量差值在15.42% ～15.61%之间，表现为针阔混交林＞乔灌混交林＞裸地＞经济林＞针叶林，细砂砾质量含量和粉黏粒质量含量差值分别为6.27%～9.45%、6.81%，二者均表现为针阔混交林＞乔灌混交林＞针叶林＞经济林＞裸地。上述分析表明，植被建设具有显著提高红壤丘陵区土壤细砂砾质量含量和粉黏粒质量含量的作用。

表2 不同植被类型不同粒径范围土壤颗粒质量含量Tab.2 Mass fraction of different soil particle size under different vegetation types

3.2 不同植被类型土壤颗粒分形维数

不同植被类型土壤颗粒的分形维数见图1。可以看出，不同植被类型土壤颗粒组成的分形维数差异显著(P ＜0.05)，0 ～20 cm 土层变动范围在2.104 0 ～2.457 7 之间，20 ～40 cm 土层变动范围在2.070 7 ～2.433 7 之间。各植被类型土壤颗粒的分形维数明显高于裸地，其中针阔混交林、乔灌混交林明显高于针叶林，而经济林较低。从垂直结构来看，土壤分形维数表层(0 ～20 cm)大于20 ～40 cm 土层，表层土壤分形维数较高的原因主要与枯落物有关，枯落物不仅可以拦截黏粒等细粒物质，还可以增加土壤养分含量，有机质与黏粒胶结凝聚和沉积提高了土壤颗粒的分形维数［2－3］。综合分析可知，针阔混交林、乔灌混交林及针叶林具有降低土壤石砾质量含量，增加土壤细砂砾和粉黏粒质量含量的作用，土壤颗粒分形维数被提高;经济林中石砾质量含量增加，降低粉黏粒质量含量作用不显著，因此，其土壤颗粒分形维数与裸地相差不大。

3.3 不同植被类型土壤物理特征

图1 不同植被类型土壤颗粒的分形维数Fig.1 Fractal dimension of soil particle size distribution under different vegetation types

不同植被类型土壤物理特征见表3。可以看出:与裸地相比，不同植被类型土壤密度均有降低趋势，各植被类型的土壤密度大小依次为针阔混交林＜乔灌混交林＜针叶林＜经济林＜裸地，与裸地相比，分别下降9.9%、7.9%、7.3%和5.0%;4 种植被类型的土壤总孔隙度、毛管孔隙度较裸地均有所增加，均表现为针阔混交林＞乔灌混交林＞针叶林＞经济林＞裸地，其中针阔混交林、乔灌混交林、针叶林及经济林的土壤总孔隙度分别比裸地增加18.9%、15.4%、14.6%和9.9%。可见混交林及针叶林土壤有效水的贮存容量较大，树木根系对水分的潜在有效利用率较高。土壤孔隙比反映了土壤的密实程度，一般孔隙比小于0.6 是密实的低压缩性土，大于1.0 是疏松的高压缩性土，结构良好的耕层土壤孔隙比应≥1.0。4 种植被类型的孔隙比在0.69 ～0.84 之间，均高于裸地，但仍低于疏松的高压缩性土，其中针阔混交林、乔灌混交林、针叶林及经济林分别是裸地的1.34、1.27、1.26 和1.17 倍。表明混交林的土壤透水性、通气性和持水能力优于纯林，并且针阔混交林好于乔灌混交林，纯林中针叶林地表现出较好的疏松性，而经济林地相对较差。从垂直结构来看，不同植被类型土壤密度表层低于20 ～40 cm 土层，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及孔隙比土壤表层高于20 ～40 cm 土层，但非毛管孔隙度经济林地表现为表层低于20 ～40 cm 土层，可能与耕作措施及人为干扰有一定关系。上述分析表明，不同植被类型土壤表层通气、透水性能及涵养水源能力好于20 ～40 cm 土层，可能与表层枯落物及腐殖质较厚有一定关系。

表3 不同植被类型土壤物理特征Tab.3 Soil physical characteristics under different vegetation types

3.4 不同植被类型土壤蓄水性能

不同植被类型土壤蓄水性能见表4。可以看出:不同植被类型土壤40 cm 饱和蓄水量均高于裸地，其中针阔混交林、乔灌混交林、针叶林、经济林饱和蓄水量分别是裸地的1.20、1.16、1.14 和1.10倍，表明减少地表径流和防止土壤侵蚀功能方面针阔混交林较好，其次为乔灌混交林和针叶林，而经济林相对较差;毛管蓄水量表现为针阔混交林＞针叶林＞乔灌混交林＞经济林＞裸地，分别比裸地增加16.4%、14.2%、9.8%和7.4%，表明针阔混交林及针叶林吸持水分供其正常生理活动所需的有效水分较多，乔灌混交林、针阔混交林、经济林及针叶林非毛管蓄水量分别是裸地的1.62、1.40、1.31 和1.18倍，表明涵养水源能力方面混交林较好，暂时贮存水分能力较强。综合分析，混交林在涵养水源和供给植物有效水利用方面均好于纯林和裸地，其中针阔混交林保持水土、涵养水源能力最高。

土壤蓄水性能与土壤前期含水量密切相关，当土壤湿度大时，土壤蓄水量减少，即使降雨量很小，也会产生地表径流。本次测定时，试验区内土壤质量含水量差异不显著，均值为15.92%。与裸地相比，针阔混交林、针叶林、经济林及乔灌混交林土壤涵蓄降水量分别增加26.8%、13.3%、6.1%和2.4%。土壤有效涵蓄量可反映供植物利用的潜在土壤有效蓄水量，大小表现为针阔混交林＞针叶林＞裸地＞经济林＞乔灌混交林。上述分析表明:针阔混交林对土壤的改良作用不但能较好地减少地表径流、防止土壤侵蚀，而且还能够提供供植物生长所必需的水分条件;在涵蓄降雨、减少水土流失方面，针叶林效果较好，其次为乔灌混交林，而经济林由于人为干扰的影响，在涵蓄降雨及有效水分供给等方面效果稍差。从垂直变化来看，除经济林的非毛管蓄水量这一指标外，其他植被类型均表现为表层蓄水能力高于20 ～40 cm 土层，可见，在植被恢复后的表土层，根系微生物活动及枯枝落叶的分解改善了土壤颗粒组成、密度和孔隙度状况，从而使有林地表现出较好的水分贮存及利用效能。

3.5 土壤分形维数与水分物理参数的相关性

土壤与植被类型之间存在着相互作用，不同植被类型不但影响土壤基本理化参数，同样通过影响土壤的发育、改变土壤中各粒级颗粒的比例，进而影响土壤的分形维数［3，15］。土壤颗粒的分形维数对不同粒级土壤颗粒质量含量的反映程度不同［3，15－16］。相关分析结果(表5)表明:分形维数与土壤颗粒大小密切相关，其中与土壤中粉黏粒质量含量呈极显著正相关关系，土壤中细颗粒越多，即粉黏粒质量含量越高，分形维数越高;其次与总孔隙度、饱和蓄水量、孔隙比也呈极显著正相关，相关系数在0.873 ～0.876 之间，表明分形维数越高，其土壤通气透水及涵蓄水分能力也越高。而分形维数与石砾质量含量、土壤密度呈极显著负相关，即土壤颗粒2 ～1 mm质量含量越高或土壤越密实，则土壤分形维数越低。土壤分形维数与非毛管孔隙度、非毛管蓄水量、涵蓄降水量及有效涵蓄量相关性不显著，即土壤分形维数在反映不同植被类型的潜在或有效蓄水量方面不是很明显。

表4 不同植被类型土壤蓄水性能Tab.4 Soil water storage capacity under different vegetation types

表5 土壤分形维数与水分物理参数的相关性(n=96)Tab.5 Correlation between soil fractal dimension and soil moisture physical parameters(n=96)

4 结论

1) 红壤丘陵区不同植被类型对土壤颗粒组成及分形维数大小影响显著。该区域土壤中粗砂粒和石砾质量含量显著高于细砂砾质量含量，而粉黏粒质量含量最低。植被建设具有显著提高侵蚀红壤丘陵区土壤细砂砾质量含量和粉黏粒质量含量的作用，其中混交林作用程度高于纯林，并且针阔混交林高于乔灌混交林，针叶林高于经济林。土壤分形维数均值大小表现为针阔混交林＞乔灌混交林＞针叶林＞经济林＞裸地，并且土壤分形维数表土层(0 ～20 cm)大于20 ～40 cm 土层。

2) 与裸地相比，红壤丘陵区植被建设具有降低土壤密度，增加土壤孔隙度的功能，其中土壤密度均值表现为针阔混交林＜乔灌混交林＜针叶林＜经济林，并且表土层低于20 ～40 cm 土层，而土壤总孔隙度、毛管孔隙度及孔隙比大小变化规律则与之相反。

3) 土壤饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量随植被类型的不同表现出一定差异，表土层蓄水能力好于20 ～40 cm 土层，其中0 ～40 cm 土层饱和蓄水量表现为针阔混交林＞乔灌混交林＞针叶林＞经济林。在土壤贮蓄和调节水分的潜在能力方面，混交林均好于纯林，其中针阔混交林的理水调洪和涵养水源能力最好。土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量表现为针阔混交林最好，其次为针叶林，而经济林和乔灌混交林较差。

4) 红壤丘陵区土壤颗粒分形维数主要受粉黏粒质量含量的影响，与总孔隙度、饱和蓄水量、孔隙比呈极显著正相关，与石砾质量含量、土壤密度呈极显著负相关，而与非毛管孔隙度、非毛管蓄水量、涵蓄降水量及有效涵蓄量相关性不显著。

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