闽北山地不同模式福建含笑—杉木混交林土壤结构的分形特征

林武星　郑郁善　朱炜

摘 要 运用分形理论研究了闽北山地不同模式福建含笑-杉木混交林包括福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林、1 ∶ 1株间混交林、福建含笑纯林和杉木纯林的土壤结构和理化性质，阐明不同模式福建含笑-杉木混交林土壤结构的分形特征，建立福建含笑-杉木混交林土壤水稳性团聚体、团聚体含量和结构体破坏率与分形维数回归模型，以及土壤水稳性团聚体、团聚体含量的分形维数与土壤各项具体的理化性质指标的关系式。结果显示：福建含笑-杉木混交林土壤水稳性团聚体和团聚体含量与其分形维数呈负相关，而结构体破坏率与分形维数之间正相关；土壤水稳性团聚体和团聚体含量的分形维数与其对应的土壤理化性质指标存在显著回归关系。福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林土壤水稳性团聚体和团聚体含量的分形维数均最小，土壤水稳性团聚体和团聚体含量最高，土壤结构和稳定性最好。运用分形理论研究林地土壤肥力状况为林地质量评价提供了一种新思路。

关键词 福建含笑；杉木；混交林；分形维数；土壤结构；土壤肥力

中图分类号 S152.4；S725.2 文献标识码 A

Fractal Character on Soil Structure in Different Forest Patterns

of Mixed Forest of Michelia fujianensis and Cunninghamia

lanceolata in North Fujian Mountain

LIN Wuxing1， ZHENG Yushan2， ZHU Wei1

1 Fujian Academy of Forestry， Fuzhou， Fujian 350012， China

2 College of Forestry， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract The soil structure， physical and chemical properties in different forest patterns of mixed forest of Michelia fujianensis and Cunninghamia lanceolata including 1 ∶ 1 line mixed， 1 ∶ 1 strain mixed， Michelia fujianensis pure stands and Cunninghamia lanceolata pure stands in north Fujian mountains were studied using the fractal theory. The fractal character in different forest patterns of mixed forest of M. fujianensis and C. lanceolata was clarified. The regression modes were built between the content of ≥ 0.25 mm soil water-stable aggregate constitution， aggregate constitution， percentage of construction damage and the soil fractal dimension，as well as between the fractal dimension of soil water-stable aggregate constitution， aggregate constitution and the index of soil physical and chemical properties. The results indicated that the soil fractal dimension showed negative correlation with the content of ≥ 0.25 mm soil water-stable aggregate constitution and aggregate constitution but positive correlation with percent of construction damage. The soil fractal dimension showed significant regression relationships with physicochemical properties. The soil fractal dimension of the content of water-stable aggregate constitution and aggregate constitution in line mixed of 1 ∶ 1 of M. fujianensis and C. lanceolata was the least，which showed the best in structural stability and fertility status. The application of the fractal theory on the forest soil fertility provides a new idea for forest assessment.

Key words Michelia fujianensis； Cunninghamia lanceolata； Mixed forest； Fractal dimension； Soil structure； Soil fertilize

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.022

杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.） Hook.]是闽北山地主要的造林树种，杉木林经营中多采取纯林且连栽，大量试验和实践结果都表明这种营林模式容易引起林分生产力下降和地力衰退，生态环境渐趋恶化[1-2]。福建含笑（Michelia fujianensis Q.F.Zheng）为木兰科含笑属常绿珍贵用材和观赏阔叶树种，具有速生、适应性强的特性[3]。目前国内有关杉木与不同阔叶树混交造林试验的相关报道较多，许多学者研究发现杉木与火力楠[4]、木荷[5]、厚朴[6]、乐东拟单性木兰[7]以及光皮桦[8]等树种混交可以发挥阔叶树凋落物量大、易分解、培肥土壤效果好的特点，能防止杉木林林分质量降低及地力退化，有效提高人工林生态系统稳定性，认为杉阔混交是杉木林经营的理想模式。但有关福建含笑-杉木混交林研究的文献屈指可数，仅见郑郁善等研究了福建含笑-杉木混交林水源涵养能力[3]，张任好、苏秀城及张兴正先后报道了福建含笑-杉木混交林生长和生态效益[9-11]，黄兴亮对福建含笑-杉木混交林的生物量进行了探索[12]。

土壤颗粒是一个不规则的几何形体，由形状和大小不一的颗粒组成的土壤具有分形特征的系统[13-15]。研究表明分形维数可以较好地定量描述土壤结构[16]。吴承祯[17]、刘金福[18]、封磊[19]、何东进[20]、林武星[21-23]等运用分形模型研究了不同林分类型土壤团粒结构取得了较好的效果。不同模式福建含笑-杉木混交林土壤肥力研究方面以往是通过土壤物理和化学性质指标对比分析，以此确定杉木与福建含笑合适的混交模式，这需要进行较为费时费工的土壤各项理化指标测定。本文运用分形理论对闽北山地不同模式的福建含笑-杉木混交林即福建含笑纯林、福建含笑与杉木行间混交林、株间混交林和杉木纯林土壤结构的分形特征开展研究，建立了4种人工林土壤结构分形维数与表征土壤肥力状况的各项理化指标关系式，旨在筛选出杉木林合适的造林模式，为杉木林可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省建瓯市房道镇采育场（27°15′N、118°37′E），年均温度16.8 ℃，年均降水量1 900 mm，年蒸发量1 460 mm，年均相对湿度81%，山地红壤，海拔高250～350 m，坡度18°～25°，坡向东南，土层深度﹥1 m。试验地造林前测得0～20 cm层土壤容重含量为0.925 g/cm3、有机质含量为39.362 g/kg、水解性氮含量为72.54 mg/kg、速效磷含量为4.07 mg/kg、速效钾含量为72.33 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验设计按照随机区组法进行，造林模式包括：福建含笑纯林、福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林、1 ∶ 1株间混交林和杉木纯林等4个处理，每处理5个重复，共20块样地，每样地面积0.066 7 hm2，样地间种2行福建柏作隔离带，造林密度3 000株/ hm2，株行距1.82 m×1.83 m。

1.2.2 调查测定和数据分析方法 造林后第5年对试验地采集土壤进行测定，每个样地采用“之”字形路线随机布设4个土壤剖面点并每个点分层取0～20 cm、20～40 cm土层土样，带回室内分别混合进行土样分析。土壤水稳性团聚体采用机械筛分法[24]，土壤物理性质采用环刀法[25]，土壤化学性质采用常规法[24]，土壤酶活性分析[26]：过氧化物酶采用A.III.bIJITeH法（1974）；转化酶活性采用E.Hoffmann与A.Seegrer法（1951）；脲酶活性采用标准扩散法。不同模式福建含笑杉木混交林土壤水稳性团聚体含量、物理性质、化学性质和酶活性测定结果见表1、3、4。研究结果采用Excel和SPSS17.0软件进行数据统计分析。

1.2.3 土壤结构分形维数模型 具有自相似结构的多孔介质-土壤，由大于某一粒径di（di>di+1，i=1，2，…）的土粒构成的体积V（δ>di）可由类似Katz[27]的公式表示：

V（δ>di）=A[1-（di/k）3-D] （1）

式中δ是码尺，A，K是描述形状、尺度的常数，D为土壤的分形维数。

通常粒径分析资料是由一定粒径间隔的颗粒重量分布表示的，以表示粒级di与di+1间粒径的平均值，忽略各粒级间土粒比重p的差异，即pi=p（i=1，2，…），则：

W（δ>）=V（δ>）p=pA[1-（/k）3-D] （2）

式中W（δ>di）为大于di的累积土粒重量。以W0表示土壤各粒级重量的总和，由定义lim di，则由（2）式得： i→∞

W0=lim W（δ>）=pA （3）

i→∞

由（2）、（3）式导出：

W（δ>di）/W0=1-（di/k）3-D （4）

设 max为最大粒级土粒的平均直径，W（δ> max）=0，带入（4）式有K= max。由此得出土壤颗粒的重量分布与平均粒径间的分形关系式：

W（δ>）/W0=1-（/ max）3-D （5）

或

（/ max）3-D=W（δ<）/W0 （6）

1.2.4 土壤性质与分形维数相关模型 采用一元线性回归方程建立土壤理化性质（Y）与分形维数（D）相关模型：

Y=a+bDs+cDg （7）

式中，Y为林地土壤理化性质指标含量；Ds、Dg分别为不同类型林分湿筛和干筛下土壤结构分形维数；a、b、c为参数。

1.3 数据处理

试验结果采用Excel和spss17.0软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析（One-Way ANONA），利用多重比较的方法（S-N-K），对不同模式福建含笑-杉木混交林土壤理化性质差异进行检验。

2 结果与分析

2.1 土壤团粒结构的分形维数与土壤水稳性团聚体、团聚体含量及结构体破坏率关系

土壤是具有分形特征的分散多孔介质材料。采取回归分析方法，从土壤团粒结构分形模型回归关系式（6）计算得到4种模式福建含笑-杉木混交林土壤团粒结构粒径分布的分形维数（表1），从中可知，不同模式林分湿筛土壤团粒结构分形维数为2.553 3～2.792 4，干筛土壤团粒结构分形维数为2.502 5～2.752 3，而且不论湿筛还是干筛均表现出>0.25 mm团聚体含量越大，土壤结构分形维数越小，即土壤中<0.25 mm的土壤颗粒含量越多，分形维数越大，土壤结构体破坏率越高。说明林分土壤小径级颗粒越多，质地越细，土壤粘性越强，土壤结构分形维数就越大。土壤水稳性团聚体、团聚体含量对土壤的机械组成性质、抗蚀性及水、肥、气、热等造成影响，是表征土壤肥力的重要因素，>0.25 mm的土壤水稳性团聚体和团聚体含量高，说明土壤通气透水，有利于植物根系伸展和生长以及土壤中动物、微生物活动，可以提高土壤自肥能力和植物生产力[18]。因此，土壤结构粒径分布的分形维数大小体现了>0.25 mm的土壤水稳性团聚体及团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响高低，土壤结构的分形维数越小，土壤结构和稳定性就越好。不同模式福建含笑-杉木混交林土壤水稳性团聚体、团聚体含量和结构体破坏率与土壤分形维数之间关系见表2，从建立的回归模型可知，>0.25 mm土壤水稳性团聚体、团聚体含量及结构破坏率与土壤分形维数之间呈显著直线相关关系（p<0.01）。随分形维数增加，>0.25 mm土壤颗粒水稳性团聚体和团聚体含量减少，而土壤结构体受破坏程度愈加严重。

2.2 不同模式福建含笑-杉木混交林土壤团粒结构的分形特征

不同模式福建含笑-杉木混交林无论是湿筛还是干筛条件下其土壤结构分形维数大小顺序均表现为杉木纯林〔Ds=2.792 4（2.792 4±0.453 7）、Dg=2.752 3（2.752 3±0.413 0）〕>福建含笑与杉木1 ∶ 1株间混交林〔Ds=2.740 2（2.740 2±0.392 8）、Dg=2.700 1（2.700 1±0.355 3）〕>福建含笑纯林〔Ds=2.686 2（2.686 2±0.317 7）、Dg=2.636 5（2.636 5±0.281 6）〕>福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林〔Ds=2.553 3（2.553 3±0.246 4）、Dg=2.502 5（2.502 5±0.217 4）〕。说明福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林土壤团粒结构的分形维数最小〔Ds=2.553 3（2.553 3±0.246 4）、Dg=2.502 5（2.502 5±0.217 4）〕，而土壤水稳性团聚体、团聚体含量在4种模式中最大，分别达到73.89%和78.31%，但土壤结构体破坏率最低，仅为5.64%；福建含笑纯林土壤水稳性团聚体和团聚体含量仅次于福建含笑与杉木1 ∶ 1行间混交林，土壤结构体破坏率也较小。可见杉木与福建含笑采取1 ∶ 1行间混交或营造福建含笑纯林均可使土壤更加疏松透气，有利于提高土壤的抗蚀性和持水力，从而减少地表径流，促进水源涵养和水土保持。这可能是因为福建含笑-杉木1 ∶ 1行间混交林和福建含笑纯林冠层结构较为合理，可以有效阻挡或缓冲降雨特别是暴雨对土壤的冲刷，同时这种上层空间结构使林内光照和温湿度适合于林分中乔灌草植物生长和微生物活动，覆盖地表的枯落物量较多且易于及时分解，有机质等养分回归土壤快；并且福建含笑-杉木行间混交林和福建含笑纯林具有良好的地下根系空间，根系在不同层次的生长、穿插对土壤团聚体结构的形成起到很好的作用。而杉木纯林土壤结构分形维数最大，土壤水稳性团聚体和团聚体含量最低，土壤结构体破坏率最高。这是因为杉木纯林冠层结构简单，枝叶量和浓密程度较福建含笑纯林和福建含笑-杉木混交林少，其对雨水的截流和减轻降水对地表的冲击作用较小，易产生地表径流。另一方面由于杉木针叶中含有大量的木素、树脂、单宁等，分解速度缓慢，枯落物聚积地表，导致杉木纯林养分归还土壤慢，地下根系对土壤团聚体结构形成的作用较弱。因而杉木纯林表层土壤水稳性团聚体、团聚体含量少，土壤结构差。

2.3 土壤团粒结构的分形维数与土壤肥力表征指标关系

从土壤团粒结构分形维数与土壤水稳性团聚体和团聚体含量建立的回归模型（表2）可知，土壤水稳性团聚体和团聚体含量可以通过土壤团粒结构分形维数体现，而土壤水稳性团聚体和团聚体含量的高低往往对土壤肥力产生重要影响，可见，土壤肥力状况可由土壤团粒结构分形维数的大小表达。通常情况下，土壤肥力通过土壤物理-化学性质各种具体指标表征。由不同类型林分中测定出的土壤各项物理-化学性质指标值（表3、4）与对应的土壤团粒结构分形维数（表1中Ds、Dg）进行计算，建立了福建含笑-杉木混交林土壤各项物理-化学性质具体指标与土壤团粒结构分形维数关系式（表5），看出土壤理化性质各项指标（全氮除外）与土壤水稳性团聚体、团聚体的分形维数密切相关，根据土壤团粒结构分形维数，运用这些模型就可计算出相应的土壤理化性质指标，从而预测土壤肥力状况。

3 讨论与结论

研究表明，福建含笑-杉木混交林土壤分形维数与>0.25 mm的土壤颗粒含量呈线性负相关（p<0.01），分形维数增加，>0.25 mm的土壤水稳性团聚体、团聚体含量减少，而土壤结构体破坏率与分形维数之间呈直线正相关关系，这一结果与许多类型林分的土壤分形维数和>0.25 mm的土壤水稳性团聚体、团聚体含量及土壤结构体破坏率关系[17-20，22-23]相一致，说明分形维数可客观表征土壤的结构性状，这就为土壤肥力状况研究增添了新指标。

在参试的闽北山地不同模式福建含笑-杉木混交林中，福建含笑与杉木采取1 ∶ 1行间混交土壤团粒结构的分形维数最小，土壤水稳性团聚体、团聚体含量最高。说明这种模式的林分土壤结构最稳定、抗蚀性也最强。从改善或维持地力角度考虑，闽北山区福建含笑与杉木混交最佳模式是两种树种按照1 ∶ 1的比例采取行间混交，可为杉木林可持续发展和林地持续利用提供依据。

本文在建立土壤结构分形维数与土壤理化性质指标预测模型时，只考虑了一元线性回归方程，因缺乏与其它方程包括二元以上线性和非线性回归方程的对比，所得出的模型有可能并不是最优，这将影响分形维数反映土壤肥力状况的准确度，所有这些问题亟需下一步深入研究加以完善。

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