黄河中下游河岸缓冲带土壤粒径分形特征

赵清贺，卢训令，汤茜，张祎帆，刘璞

（1.教育部黄河中下游数字地理技术重点实验室，475004，河南开封；2.河南大学环境与规划学院，475004，河南开封）

黄河中下游河岸缓冲带土壤粒径分形特征

赵清贺1，2，卢训令1，2，汤茜1，2，张祎帆1，2，刘璞1，2

（1.教育部黄河中下游数字地理技术重点实验室，475004，河南开封；2.河南大学环境与规划学院，475004，河南开封）

在人类活动与自然因素的共同作用下，黄河中下游河岸缓冲带土壤结构和植被等受到不同程度的破坏。本研究选择黄河中下游郑州—开封段河岸缓冲带作为研究区，探讨河岸人工林表层0～20 cm土壤颗粒组成和分形维数在不同植被类型和河岸缓冲距离的分布特征及其与群落特征的关系。结果表明：1）研究区土壤颗粒质量分数呈非均匀分布，土壤质地空间分布表现为同质性，不同植被类型和河岸缓冲距离对土壤颗粒组成与土壤颗粒分形维数D值的影响差异不显著，D为2.75左右，土壤结构良好；2）D值与黏粒质量分数均与土壤全碳（TC）、总有机碳（TOC）和全氮（TN）的质量分数显著正相关（P＜0.01），砂粒质量分数则与TC、TOC和TN质量分数呈显著的负相关（P＜0.01），粉粒质量分数只与TN质量分数在0.05水平显著正相关；3）草本高度、乔木胸径、高度和郁闭度与D值、粉粒和黏粒质量分数呈正相关，与砂粒质量分数呈负相关。说明河岸人工林覆盖和生物量越大，土壤结构越好。

土壤粒径；分形特征；群落特征；河岸缓冲带；黄河中下游滩地

土壤作为一种独立的自然体，在组成、形态和结构等方面表现为复杂的多孔介质，其物理、化学和生物过程与粒径分布（soil particle size distribution，PSD）密切相关［1-3］。土壤粒径影响土壤饱和、非饱和水力参数、肥力状况、孔隙分布状况、淋溶、固碳和抗侵蚀能力等，被认为是重要的土壤特性之一，亦是土壤结构研究的重要内容之一［4-6］。随着分形理论及其方法在土壤学领域的应用，土壤粒径分形维数成为定量化解决土壤形态、过程等问题的有效工具［2，7- 8］。土壤粒径分形维数不仅可以表征不同土壤的颗粒大小、分布的均匀程度和孔隙分布状况等（如分形维数越小，土壤颗粒的粒径越大，黏粒质量分数越低）［2- 3，9］，还可以反映土壤水分、土壤密度和土壤营养等理化性质对人类干扰、土地利用类型、植物群落特征和土壤生物结皮等环境因子的响应［9-14］；因此，自分形理论引入土壤结构研究以来，众多学者分别从土壤颗粒数量［15］、质量［9-10］和体积［13，16-17］等角度探讨土壤粒径分形维数的计算模型［12］。其中，S.W.Tyler等［10］和杨培岭等［9］将粒径计算方法改进后，得出基于土壤颗粒质量分布的方法；该方法因只需通过土壤颗粒的机械组成分析便可确定分形维数而被广泛引用［18］。

目前，土壤分形特征研究多集中于其与土壤理化性质［3，13-14］和生物多样性［13，19］等的关系，以及对不同土地利用［4，16，20］、植被群落类型［11，18，21］、土壤生物结皮［14］、土壤侵蚀［6］等的响应，涉及草地［13］、山地［21］、丘陵［6］、小流域［3］、行政区域［14，22］、绿洲［20］等，而对河岸缓冲带土壤粒径分形特征的研究较少。横向上，河岸缓冲带被视为陆地生态系统与水生生态系统的生态交错带，环境变量梯度效应显著，并能提供多种生态系统服务，如稳固岸坡、保护生物多样性、滞留高地沉积物与农业面源污染物、径流调节等［23-24］；纵向上，形成具有特定植被组成与分布的生态廊道，通过洪水事件的沉积过程过滤河流悬浮沉积物与水体污染物，减少地表物质，如有机化合物、营养物和微量金属等的河道内传输［23-24］。河岸缓冲带地形地貌特征很大程度上依赖于岸边侵蚀与泥沙淤积的动态平衡，并受河道形态（平面与地形）、岸滩结构（基质类型与植被）、河流水动力特征（局部河流水动力与泥沙）和人为干扰（农业种植、放牧、淘沙、水利水电开发等）的交互作用的影响［23-24］。在从经常受洪水影响的离河道较近的低地到较少受洪水影响的离河道远的高地这一交互作用的梯度上，河岸缓冲带土壤（包括河岸缓冲带土壤养分的损失、增加或转换过程以及土壤颗粒的组成与结构等）呈现较为复杂的异质性，是河岸缓冲带生产力、生物多样性保护和水土保持等生态系统服务的维持基础［25］；因此，研究河岸缓冲带土壤分形特征，可为进一步理解河岸缓冲带生态系统服务的形成过程和维持机制提供支持。近年来，黄河中下游河岸缓冲带受人类活动、自然因素（如降雨模式）以及上游来沙条件变化的影响，造成淤积泥沙的粒径组成发生变化，致使土壤团粒结构疏松、沙化严重、有机质含量低、保水保肥力弱等一系列问题出现［26-28］。如三门峡和小浪底水库的调节作用，造成下游洪峰与洪量减小，输送泥沙动力减弱，粗质泥沙（＞0.05mm）大量淤积，导致下游河岸缓冲带粒径组成发生变化［26，29-30］；同时，由于下游洪峰与洪量减小，河岸缓冲带受洪水淹没的频率和范围减少，导致至河岸不同距离泥沙粒径组成呈梯度性分布：因此，探讨此区域土壤粒径分形特征显得尤为重要。笔者以采集于黄河中下游郑州-开封段河岸缓冲带杨树和柳树人工林土壤为对象，研究黄河中下游河岸缓冲带土壤粒径分形特征及其与土壤养分与群落特征之间的相互关系，探讨其随植被类型和河岸缓冲距离的变化规律，以期为研究区土壤的土壤养分、水土保持和河岸带修复等实践活动提供基础科学资料。

1 研究区概况

研究区位于黄河中下游河南境内（E 113°03′～114°30′，N 34°48′～35°01′），东西分别以开封黄河大桥和伊洛河入河口为界，南北分别以黄河南北岸大堤为界，涉及郑州、开封、新乡、焦作等4个地级市。研究区从西向东由丘陵向平原过渡（河道比降为0.1‰～0.33‰），由中游向下游形成连续的丘陵-平原过渡景观，具有独特的自然环境特征，同时由于河道泥沙以悬移质形式输移为主，水库调节、水土保持措施、大堤的修建及河道由窄变宽流速降低等因素致使洪峰与洪量减少，泥沙输送动力减弱，导致河道淤积严重。黄河下游河道宽浅，河势多变，主流摆动频繁，形成典型的游荡型（主流摆动幅度可达8 km）“地上悬河”［26-28］，导致“三河”出现（斜河、横河、滚河），增加堤防险情，尽管小浪底大坝调水调沙造成下游来水来沙条件发生改变，对游荡性河段的河势和河道河床的演变产生很大影响；但其影响方向目前还没有定论（如向弯曲方向发展、向单一性或稳定分汊型发展、趋于稳定等）［26-31］。研究区属于暖温带大陆性半湿润季风气候，光照充足，霜冻期短（无霜日数为210 d），年日照约2 384 h，春季干旱，夏秋季节降雨集中，雨热同季，冬季寒冷，全年平均气温在12℃～16℃之间，年平均降水量约在550～650mm之间，年际变化大，空间分布不均匀，而且近年来有雨日减少，特大暴雨频率增加，旱涝灾害加剧明显［26，28］；植被以杨树、柳树和混交人工林为主，林下草本植物主要为菊科（Compositae）、禾本科（Gramineae）、豆科（Leguminosae）、十字花科（Brassicaceae）等，林草植被是黄河行洪、蓄洪和滞沙的重要因子［28］；土壤类型主要为潮土、黄褐土，土层深厚，土壤盐碱化现象时有发生，河岸缓冲绝大部分土地已被开垦耕作，农作物多为一年两熟或两年三熟，以冬小麦为主，受分散种植效益低的影响，农业产业水平较低［28］。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集、处理与分析

2014年5月沿黄河两岸大堤内区域采集土壤样品。从中游至下游，共设置11条样线，每条样线布置3～6个样地，每个样地大小为20 m× 20m，共47个样地。根据研究区河岸缓冲人工林的分布类型，本研究采集土壤的样品主要为种植年限为5～15年的杨树人工林和柳树人工林，并根据2种人工林的分布多少，分别布置40和7个样地。每个样地记录海拔、至河流距离（共设置4个缓冲区，分别为＜1.5 km，样地数量（n）=13；1.5～3 km，n=11；3～4.5 km，n=11；＞4.5 km，n=12）、乔木层高度、郁闭度和每木胸径、草本层的高度和盖度。每个样地采用梅花形5点取样法取0～20 cm土层深度的混合土壤约1 kg，去除枯落物等杂物后放入带编号样品袋，带回实验室室内分析，然后经自然风干、研磨、过2 mm土筛，采用四分法取出一部分土样进行土壤颗粒组成分析，一部分继续研磨过60目土筛，再用四分法取出用于测定土壤全碳（total carbon，TC）、总有机碳（total organic carbon，TOC）、全氮（total nitrogen，TN）、铵态氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）、硝态氮（nitrate nitrogen，NO3--N）、全磷（total phosphorus，TP）、有效磷（available phosphorus，A-P）的质量分数。土壤颗粒组成测定使用比重计法，重复测定结果误差＜2％，输出结果按美国制土壤粒径分级标准和质地分类制输出：黏粒（＜0.002mm）、粉粒（0.002～0.02、0.02～0.05mm）、砂粒（0.05～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2mm）。TC和TN用碳氮元素分析仪测定，TOC由重铬酸钾氧化-外加热法测定，NH4+-N和NO3--N采用2 mol·L-1KCl溶液浸提并分别用紫外分光光度法和纳氏试剂比色法进行测定，TP和A-P分别用酸溶-钼锑抗比色法和Olsen法测定［32］。

2.2 分形维数计算与统计分析

采用杨培岭等［9］通过粒径分布与对应的土壤质量分布之间的关系而推导改进的土壤分形维数模型计算土壤颗粒质量分形维数，计算公式如下：

式中：D为土壤颗粒粒径分形维数；r为土壤颗粒粒径，mm；m为粒径小于Ri的颗粒的累积质量，g；mT为土壤颗粒的总质量，g；m/mT是粒径小于Ri的土壤颗粒的累积质量比例，Ri为2筛分粒级（Ri与Ri+1）的算术平均值，mm；Rmax为所有粒级的最大粒径，）为因变量和自变量进行线性拟合，所得直线斜率即为（3-D），由此得到土壤粒径分形维数D值［9］。

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件对各级粒径、颗粒组成和分形维数进行描述性统计分析；采用单因素方差分析（ANOVA）探讨颗粒组成和分形维数在不同植被类型和不同缓冲距离内的差异性；采用Pearson相关分析和线性回归分析阐明颗粒组成和分形维数与土壤养分因子（TC、TOC、TN、NH4+-N、NO3--N、TP和A-P）之间的关系；采用CANOCO for Windows 4.5软件对分形维数、颗粒组成和群落特征之间的相关性进行典范对应分析（canonical correspondence analysis，CCA）。其中，分形维数和颗粒组成（粉粒、砂粒和黏粒的质量分数）为物种数据，海拔高度，乔木高度、郁闭度、平均胸径和密度，草本高度和盖度为群落特征数据。

3 结果与分析

3.1 土壤粒径和分形维数的总体特征

由表1可知，黄河中下游河岸缓冲带0～20 cm土壤颗粒以粉粒（0.002～0.02、0.02～0.05 mm）为主（＞50％），其中0.002～0.02 mm粒级质量分数最高，达32.8％，变异系数最低。砂粒中0.05～0.25mm粒级颗粒质量分数较高，但是空间变异较大（83.5％），最大值是最小值的184倍，0.25～2mm粒级质量分数较少（＜1％），说明研究区不同粒级的土壤颗粒质量分数呈非均匀分布［16，33］。由表1可知，计算分形维数时，线性拟合方程的决定系数介于0.61～0.92之间，回归分析显著水平均＜0.05，说明土壤质量分形维数在本研究区的计算精度较高。整体上，研究区土壤粒径分形维数平均值为2.76，变异系数为3.03％，呈现较小的变异性，说明研究区土壤粒径空间分布整体较均匀［16，33］。

表1 土壤粒径和分形维数的描述性统计（n=47，％）Tab.1 Descriptive statistics of soil particle size and fractal dimension（Number of samples n=47，％）

3.2 不同植被类型与缓冲距离的土壤颗粒与分形特征

由表2可知，杨树人工林和柳树人工林均以粉粒质量分数最高，砂粒质量分数次之，黏粒质量分数最少。其中，砂粒和黏粒的质量分数均表现为高变异性（47％～91％），且柳树人工林高于杨树人工林。2种植被类型土壤分形维数比较接近，柳树人工林空间变异高于杨树人工林，方差分析结果表明，2种植被类型土壤颗粒组成与分形维数差异均不显著，表明在研究区0～20 cm土层2种人工林对土壤粒径组成分形维数影响的差异不大。这与前人对黄河中上游小流域和下游三角洲的研究结果有所不同，如，王德等［4］、茹豪等［6］、白一茹等［33］发现水蚀严重的黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型（分别为：林地、灌木地、草地、梯田、退耕还林地；刺槐林地、油松林地、侧柏林地、苹果林地、灌木林地、荒草地、农地；枣树林、苜蓿地、谷子地、柠条地）对土壤粒径分布和分形维数存在显著差异，吕圣桥等［34］指出黄河三角洲滩地土壤颗粒分形特征受土地利用方式（刺槐林地、欧美杨林地、棉花地、荒草地）影响显著。对比发现，本研究结果应与所选植被类型生态习性接近、立地条件差异小有关，同为河岸防护林的柳树和杨树人工林的保水保肥效益差异不显著。

在不同缓冲距离上，不同土壤颗粒组成的质量分数与不同植被类型相似（表2），除3～4.5 km缓冲距离外均表现为粉粒＞砂粒＞黏粒。在3～4.5 km缓冲距离内，黏粒质量分数高于砂粒，同时土壤颗粒分形维数最高，变异系数最小；因此，不同缓冲距离上土壤颗粒分形维数有可能与黏粒和砂粒的质量分数有较强的相关性，有待相关性分析进一步验证（表3）。另外，有研究表明，土壤质地越粗越不易形成良好的结构，土壤质地越细结构越复杂，而土壤颗粒分形维数在2.75左右代表土壤结构良好［18，35］。总体上，黄河中下游河岸缓冲带不同植被类型与缓冲距离土壤结构接近于2.75，表明研究区土壤结构良好，具有较好的透水性和保水保肥力性能［18，21］，同时说明本土植物具有良好的土壤养分维持能力［3］。本研究结果与李晓鹏等［22］对封丘县壤质潮土的土壤粒径分形结果相一致。

表2 不同植被类型与缓冲距离的土壤粒径分布和分形维数Tab.2 Soil particle size distribution and fractal dimension of different vegetation types and buffer distances

图1示出黄河中下游河岸缓冲带不同植被类型土壤粒径分形维数D值与不同土壤颗粒组成的关系图。结果表明，研究区D值与砂粒质量分数呈显著的负相关关系（P＜0.01），而与粉粒质量分数呈显著的正相关关系（P＜0.01），表明随粉粒质量分数的升高、砂粒质量分数的减少，D值呈增大的趋势。D值虽与黏粒质量分数呈正相关，但不同植被类型有所差异，其中杨树人工林D值与黏粒质量分数正相关性显著（P＜0.01），而柳树人工林两者之间相关性不显著（P＞0.05）。表明随黏粒质量分数的升高，杨树人工林D值增大；但黏粒太高容易导致土壤透气性下降［18，35］，因此并非黏粒质量分数越高土壤结构越好。已有研究成果表明，总体上分形维数与细颗粒正相关，而与粗颗粒负相关，本文粒径分形维数与黏粒的相关关系与其他地区的研究结果一致［5，36］；但是，也有相关研究表明，土壤粒径分形维数因土地利用的不同而发生规律改变［36］，在黄河下游河岸缓冲带土壤中，细颗粒物质受洪水冲刷和降雨产流水蚀的影响而发生流失，不同植被类型对表层土的拦截作用不同，导致本研究中不同植被类型间分形维数与黏粒的相关关系规律发生量变，但并未产生量间关系的质变或方向发生变化。另外，相关研究表明，黏粒质量分数与粒径分布均匀性有密切关系［5］，从这个意义上说，柳树人工林土壤粒径分布非均匀性较高，这与表2中柳树人工林土壤较大的黏粒质量分数和空间变异系数相契合。

图1 不同植被类型土壤分形维数D与颗粒组成的相关关系Fig.1 Correlation between fractal dimension and soil particle size under different vegetation types

表3 不同缓冲距离土壤分形维数D与颗粒组成的相关关系Tab.3 Correlation between fractal dimension and soil particle size under different buffer distances

在不同缓冲距离上，D值与砂粒质量分数呈显著的负相关关系（P＜0.01），而与黏粒质量分数呈显著的正相关关系（P＜0.01）；因此，不同缓冲距离上土壤颗粒分形维数与黏粒和砂粒质量分数有较强的相关关系得到印证（表2和表3）。D值与粉粒质量分数的相关关系在不同缓冲距离表现差异，其中，0～3 km范围内呈正相关，但不显著，在＞3 km的缓冲区内，呈显著的正相关关系（P＜0.05）。总体上，研究区土壤随土壤颗粒变细分形维数增大，随着土壤颗粒增大分形维数变小。受黄河下游水位变化和泥沙冲刷与沉积等因素的影响，0～3 km缓冲距离内土壤颗粒空间分布不均匀、变异系数较大，而3～4.5 km及其以外区域，受人类活动影响显著，土壤颗粒空间变异系数明显低于0～3 km缓冲区域。其中，细颗粒尤其是粉粒质量分数表现最为明显，表现为平均质量分数较高、空间变异最小；因此，黄河下游河岸缓冲带土壤同时受黄河水沙变化和人类活动的影响，土壤颗粒组成的变化及量间关系沿单一环境梯度变化规律复杂，线性关系不显著。

3.3 土壤颗粒和分形特征与土壤养分的关系

Pearson相关分析结果（表4）表明，分形维数D值与土壤全碳（TC）、总有机碳（TOC）和全氮（TN）存在显著的正相关关系（P＜0.01），而与其他养分因子相关性不显著。与D相似，土壤黏粒质量分数与TC、TOC和TN呈显著的正相关关系（P＜0.01），与其他养分因子相关性不显著；土壤砂粒质量分数与TC、TOC和TN呈显著的负相关关系（P＜0.01），与其他养分因子负相关但均不显著；土壤粉粒质量分数与TN在0.05水平显著正相关，与其他养分因子呈正相关但均不显著。这与较多针对不同流域、生态系统和气候条件的研究结果一致［3-4，14，34］：由于土壤颗粒对养分元素的吸附保持能力存在差异，土壤颗粒越细或黏粒质量分数越高，黏结性越强并形成紧密的团聚体，分形维数越高，越有利于C、N等在土壤中留存；反之，TOC质量分数的降低会在一定程度上破坏土壤团聚体的形成和稳定性，降低土壤结构保持和养分保蓄功能，导致土壤抗侵蚀力降低，当TOC下降至某一水平时，甚至能导致土壤稳定性丧失。尽管如此，不同的研究所得的结果并非一致。例如：Liu Yanyan等［13］对高山草地土壤颗粒分形维数与土壤理化性质和物种多样性的关系研究中发现，在轻度与中等程度干扰草地上，D与SOM呈显著的负相关，在轻度与重度干扰草地上，D与TN呈显著的负相关；伏耀龙等［36］对岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征研究中指出D与 SOM、TN和TP质量分数相关性不显著。本研究中TP质量分数与D值和颗粒组成相关性不显著，这与Liu Xiaojun等［3］对长江典型流域土壤颗粒分形与TP的关系研究不太一致，其结果表明，TP质量分数与粉粒和黏粒质量分数分别在0.01和0.05水平呈显著的负相关，与砂粒质量分数在0.01水平呈显著正相关，并与D值呈显著的线性关系（P＜0.01）。根据前人研究，河岸缓冲带土壤TP质量分数与其地形地貌过程、土地利用和植被类型等因子有着复杂的联系［23-25，37］，因此影响TP质量分数的环境因子有待进一步分析。

表4 河岸缓冲带土壤分形维数D和颗粒组成与土壤养分的相关性Tab.4 Correlation between riparian soil particle size，fractal dimension and nutrient factors

3.4 土壤颗粒和分形特征与群落特征的关系

CCA结果表明（图2），二维排序图第1轴和第2轴解释物种-环境关系的贡献率分别为91.7％和8％，7个群落特征中，草本高度、乔木胸径、高度和郁闭度与第1轴相关性较强，海拔、乔木密度和草本盖度与第2轴相关性较强。第1轴上，草本高度、乔木胸径、高度和郁闭度与土壤颗粒分形维数D值、粉粒质量分数和黏粒质量分数呈正相关，与砂粒质量分数呈负相关，表明乔木径级越高、郁闭度越高、生物量越大，土壤分形维数、粉粒和黏粒质量分数就越高、砂粒质量分数就越低，这与植被通过枯枝落叶的分解和根系穿插作用增加土壤有机质和改善土壤结构有关［34，36］。河岸坡面侵蚀严重地区，土壤养分随细颗粒受水蚀影响而流失，但坡面不同植被覆盖和种植年限对泥沙和养分的拦截过滤效果不同［6，11，34］；因此从某种意义上讲土壤颗粒分形维数特征在一定程度上可以表征河岸坡面植被覆盖变化对产流、产沙和养分流失的影响［3］。海拔与第2轴相关性较强；但由于第2轴解释物种-环境数据关系的贡献率仅为8％；因此，与伏耀龙等的研究［36］不同，本研究区土壤分形维数和颗粒组成受海拔影响较小，其原因与研究区海拔梯度（76～108 m）较小有关［3］。

4 结论

1）研究区0～20 cm土壤质地空间分布上比较均一，不同粒级的土壤颗粒质量分数呈非均匀分布。其中，黏粒（＜0.002 mm）和粉粒（0.002～0.02、0.02～0.05mm）质量分数较高（＞75.5％），砂粒质量分数较低，植被类型（柳树和杨树人工林）和河岸缓冲距离（＜1.5 km、1.5～3 km、3～4.5 km和＞4.5 km）对土壤颗粒组成与分形维数的影响差异不显著。总体上，黄河中下游河岸缓冲带土壤颗粒分形维数在2.75左右，结构良好，具有较好的透水性和保水保肥力性能。

2）Pearson相关分析与CCA分析结果表明：研究区土壤颗粒分形维数D值与土壤全碳（TC）、总有机碳（TOC）和全氮（TN）存在显著的正相关关系（P＜0.01），而与其他养分因子相关性不显著；土壤黏粒质量分数与TC、TOC和TN呈显著的正相关关系（P＜0.01），相反，砂粒质量分数与TC、TOC和TN呈显著的负相关关系（P＜0.01），而粉粒质量分数只与TN在0.05水平显著正相关。群落特征中，草本高度、乔木胸径、高度和郁闭度与土壤颗粒分形维数D值和粉粒质量分数和黏粒质量分数呈正相关，与砂粒质量分数呈负相关，说明乔木径级越高、郁闭度越高、生物量越大，土壤分形维数、粉粒和黏粒质量分数就越高、砂粒质量分数就越低。另外，与其他研究结果不同，由于研究区海拔梯度较小，土壤分形维数和颗粒组成受海拔影响较小。

3）黄河中下游河岸缓冲带受人类活动与自然因素的共同作用，土壤结构疏松、有机质质量分数降低和沙化严重等问题突显，本研究结果可为河岸坡面侵蚀控制、植被恢复以及土壤肥力和结构状况评价具有理论和实践意义。

图2 土壤颗粒与分形特征和植物群落特征关系的CCA二维排序图Fig.2 Two-dimensional CCA ordination diagram for relationship between soil particle size，fractal dimension and plant community characteristics in the riparian buffer zone along the Yellow River

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Fractal dimension characteristic of soil particle size in the riparian buffer zone of them iddle and lower reaches of the Yellow River

Zhao Qinghe1，2，Lu Xunling1，2，Tang Qian1，2，Zhang Yifan1，2，Liu Pu1，2

（1.Key Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions，Ministry of Education，475004，Kaifeng，Henan，China；2.College of Environment and Planning，Henan University，475004，Kaifeng，Henan，China）

［Background］Riparian soil and vegetation along rivers are important for biodiversity maintenance and biogeochemistry circulation of river ecosystems，and are the basis of many ecosystem services.Influenced by human activities and natural factors，soil structure and vegetation in the riparian buffer zone of the middle and lower reaches of the Yellow River are subjected to degradation to a certain extent.［Methods］Selecting the Zhengzhou-Kaifeng section of the middle and lower reaches of the Yellow River as the studied area，as well as using methods of field investigation，experimental analysis，and canonical correspondence analysis（CCA），the present study was conducted to investigate the fractal dimension characteristics of riparian plantation soil particle size at the surface layer of 0-20 cm under different vegetation types and buffer distances.［Results］The results indicated that the soil particle size distribution（PSD）was heterogeneous with higher contents of silt and clay（more than 75.5％）and lesscontent of sand.However，soil texture was uniform in spatial，since no significant difference was observed between Salix matsudana plantation and Populus tomentasa plantation as well as among the four riparian buffer zones（＜1.5 km，sample number（n）=13；1.5-3 km，n=11；3-4.5 km，n= 11；＞4.5 km，n=12）.The fractal dimension（D）value was approximately equal to 2.75，suggesting a fine soil structure with favorable performance in the retention of water and fertility in the studied area.Result from Pearson correlation analysis indicated that D value and clay content were significantly and positively correlated with soil total carbon（TC），total organic carbon（TOC），and total nitrogen（TN）at the 0.01 level，on the contrary，sand content was significantly and negatively correlated with TC，TOC，and TN at the 0.01 level，while silt content was only significantly and positively correlated with TN at the 0.05 level.Result from CCA indicated that the community characteristics such as the herb height，tree diameter of breast height，tree height，and tree cover were related positively and closely with D value，silt content，and clay content，while were negatively correlated with sand content，suggesting that the larger tree coverage and biomass can lead to the better soil structure.Moreover，inconsistent with other research results，the soil particle size distribution and fractal dimension characteristics were less affected by elevation because of the small gradient variation in the studied area.［Conclusions］The riparian buffer zone of the middle and lower reaches of the Yellow River，which is affected by both human activities and natural factors，is subjected to serious issues of soils such as loose structure，decreased organic matter content，and significant desertification，thus results from this study can provide basis for ecological restoration，bank erosion control，and land management of the degraded riparian zone.

soil particle size；fractal dimension；community characteristics；riparian buffer zone；floodplain of the middle and lower reaches of the Yellow River

Q14

A

1672-3007（2016）05-0037-10

10.16843/j.sswc.2016.05.006

2016- 04- 11

2016- 09- 01

项目名称：中国博士后科学基金资助项目“黄河中下游典型河段河岸带植被格局与土壤环境耦合机制”（2014M550382），“黄河下游典型河岸带植被格局与坡面侵蚀过程的耦合机制”（2015T80766）；国家自然科学基金“华南红壤区河岸植被缓冲带景观格局对土壤侵蚀过程的调控机理研究”（41301197）；教育部黄河中下游数字地理技术重点实验室开放基金“黄河中下游典型河段河岸带植被格局与土壤环境的耦合过程与驱动机制研究”（GTYR2013010）；河南省高校科技创新团队支持计划“农业资源开发与可持续利用”（16IRTSTHN012）

赵清贺（1982—），男，博士后，讲师。主要研究方向：景观生态学。E-mail：zhaoqinghe@henu.edu.cn