不同林龄栓皮栎林下土壤颗粒分形及养分特征研究

祝忆伟，张志铭，赵 勇，赵 河，袁晓柯

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

不同林龄栓皮栎林下土壤颗粒分形及养分特征研究

祝忆伟，张志铭，赵 勇，赵 河，袁晓柯

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

运用土壤粒径组分质量分布原理与分形理论，通过野外调查与室内试验分析，对太行山南麓地区4种林龄栓皮栎林下土壤粒径分形特征与养分特征进行研究。结果表明，1)不同林龄栓皮栎土壤颗粒质量分布差异明显，随栓皮栎林龄增加，黏粒、粉粒含量呈上升趋势，沙粒含量随林龄增加而减少；2)4种林龄栓皮栎林下0～40 cm土壤粒径分形维数D在1.35～2.61之间，均值为2.14，其分形维数与土壤黏粒、粉粒含量呈正相关关系，与沙粒含量呈负相关关系；3)不同林龄栓皮栎的土壤理化性质存在差异，速效磷与有机质含量40 a生高于10 a生，全氮含量差异不明显，土壤中全氮、速效磷、有机质含量均与分形维数D呈正相关关系。

土壤粒径；分形维数；养分特征；不同林龄

土壤是一种由不同大小和形状的固体颗粒及孔隙构成的有着自相似结构的多孔介质，具有一定的分形特征[1]。土壤粒径分布是重要的土壤物理特性之一，不仅能够表明土壤颗粒的大小组成及其孔隙分布，还能反映土壤质地均匀程度、水力特征、土壤通气透水性和肥力等特性[2]，应用分形理论来描述土壤形态和性质已成为土壤科学研究的重要方法。目前关于对土壤粒径的研究已取得重大进展，自从MANDELBROT[3]提出分形理论的概念，GRASSBERGER[4]、TRICOT[5]又先后对该理论进行补充扩展,逐渐形成了多重分形理论。20世纪70年代，国外学者普遍热衷于对土壤物理结构的空间变异性研究[6]，20世纪80年代开始将土壤分形理论应用在土壤研究中[7-8]。国内从20世纪80年代开始，土壤分形理论就被应用到有关土壤方面的研究。杨培岭等[9]改进了土壤粒径的计算方法，用土壤颗粒的质量分布表示土壤颗粒的分形维数，之后，许多学者在此基础上先后探讨分析了分形理论及其在土壤空间变异中的应用[10-11]，并集中研究了不同生境下土壤粒径的分形特征[12]。前人的研究主要集中在不同植被类型和不同土地利用类型下土壤颗粒粒径分布及分形特征的研究，探讨了在不同植被与不同土地利用类型下此类区域土壤颗粒分形维数的空间变异特征[13-15]。然而关于在不同林龄生境下对低山丘陵地区土壤颗粒粒径分布与分形特征的研究较少。本研究区的栓皮栎林位于太行山南麓地区，属于干旱半干旱地区，前人关于该地区的研究多倾向于该地区的植被生长情况，主要有关于风、光照对侧柏和栓皮栎生长及形态建成的研究[16]；对太行山丘陵区刺槐人工林的研究[17]以及对栓皮栎人工林凋落物随季节交替的动态变化的研究[18]等，对于土壤颗粒分形特征及其与粒径组分相关关系的研究鲜有报道，因此本研究分析了不同林龄栓皮栎对该生境下土壤颗粒粒径质量分布及其分形特征，旨在阐明分形维数与土壤粒径组分及养分特征之间的关系，探讨不同林龄栓皮栎对土壤结构的改良作用，为太行山低山丘陵地区生态恢复与发展提供理论依据与技术参考。

1 研究区概况

本研究区在国有济源市大沟河林场(E112°24′～112°32′，N34°58′～35°04′)，海拔320～400 m，位于河南省济源市环城南路3 km处，属太行山南麓余脉丘陵区。

该研究区属于暖温带大陆性季风气候区，年均降雨量为700～900 mm，多集中在6—9月份。无霜期为220～230 d，植物生长期为210～220 d。年均气温为14.3 ℃，年平均日照时间为2 370.5 h，年均日照百分率为54%。本研究区内的土壤多为褐土，土层厚度为15～140 cm,母岩主要是砂岩和页岩。腐殖质厚度为5～10 cm，pH值为7.0～7.5，为碳酸盐反应。

植被属于温带落叶阔叶林地带，大部分为针阔混合林。除有少部分原始森林外，其余多为次生栎树林的杂木林以及侧柏林、刺槐和荆条灌木丛，在林区内还有少量的人工开垦种植的杨树林、竹林以及果林等，森林覆盖率达97.8%，森林平均郁闭度±0.7，生物多样性丰富。

2 材料与方法

2.1样地信息

在河南省济源市大沟河林场内，根据当地林场选林日志记载，在栓皮栎人工林区域分别选择10、20、30和40 a生的栓皮栎林为研究对象，样地植被情况如表1所示。

表1 样地情况一览表Table 1 Situation of the sample area

2.2土壤样品采集及测定

在每个龄级栓皮栎林中设置一个20 m×20 m样地，用S型取样法选取5个测点进行取样，每个测试点分别取0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层各300 g土壤，装于密封袋中并做好标记，带回实验室及时测量。

烘干法测定土壤含水率，待土样自然风干后分别过20目、60目筛，用凯氏定氮仪测定全氮含量、重铬酸钾(K2Cr2O7)加热容量法测定有机质含量、碳酸氢钠(NaHCO3)浸提-钼蓝比色法测定速效磷含量。使用Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪测定土壤粒径质量分布，粒径分级标准参照文献使用国际制分级标准[19]。土壤颗粒分形维数计算公式[2]如下：

(1)

式中：D为土壤颗粒分形维数；di为两相邻粒级间土壤颗粒的平均直径；dmax为土壤颗粒最大粒级的平均直径；Wi为土粒直径小于di的土壤颗粒质量；Wo为样品总质量。求出样品中不同粒径的lg(Wi/Wo)和lg(di/dmax)，再使用EXCEL将二者进行拟合求出斜率K，最终分形维数D=3-K。采用SPSS17.0统计软件中的 one-way ANOVA和Peareson相关分析方法分别进行方差分析和相关性分析。

3 结果与分析

3.1不同林龄栓皮栎土壤颗粒组成

4种林龄栓皮栎林下土壤中，粉粒含量最多，范围为24.48%～51.41%，平均为40.62%；其次为沙粒，为14.17%～54.48%，平均为30.07%；黏粒含量最少，为6.85%～35.34%，平均为25.31%(表2)。黏粒含量均值表现为30 a>40 a>10 a>20 a，粉粒含量均值表现为30 a>20 a>10 a>40 a，沙粒含量均值表现为10 a>20 a>40 a>30 a；在土层垂直结构上，4种林龄栓皮栎林下土壤中黏粒、粉粒含量均表现为随土层深度增加而减少，沙粒含量表现为随土层深度增加而增加。其中40 a生栓皮栎林下0～10 cm土层黏粒含量显著高于30～40 cm土层，其余各土层粒径分布无显著差异(表2)。

表2 各龄级土壤中不同粒径范围土壤颗粒质量与总质量百分比Table 2 Soil particle quality and total mass percentage in different particle size range in soil of each age

注：同列不同字母代表5%显著水平(P<0.05)。

Note：Different letters in the same column represent 5% significant levels(P<0.05).

3.2不同林龄栓皮栎林下土壤颗粒分形维数

在0～40 cm土层中，不同林龄栓皮栎林下土壤颗粒分形维数范围为1.35～2.61，均值大小分布表现为40 a>20 a>30 a>10 a生(表3)。4种林龄栓皮栎林下土壤颗粒分形维数在各土层均表现为40 a，30 a，20 a生之间无显著差异，但均显著高于10 a生；在土层垂直结构上，30 a生栓皮栎林下土壤颗粒分形维数表现为随土层深度增加而降低，其余3种林龄土壤颗粒分形维数无明显变化规律(表3)。

3.3栓皮栎林下土壤颗粒分形维数与粒径分布关系

土壤颗粒分形维数对土壤各个粒级反映不同。由图1可知，土壤颗粒分形维数与粘粒含量呈正相关关系(R2=0.217，P<0.05)，与粉粒含量呈极显著正相关关系(R2=0.761，P<0.01)，与沙粒含量呈极显著负相关关系(R2=0.931 4，P<0.01)。表明栓皮栎林下土壤颗粒分形维数随粘粒、粉粒含量增加而增加，随沙粒含量增加而减少。

表3 不同龄级土壤颗粒分形维数Table 3 Fractal dimensions of soil particles of different ages

注：同行不同字母代表5%显著水平(P<0.05)。

Note：Different letters in the same line represent 5% significant levels(P<0.05).

图1 土壤颗粒含量与分形维数的相关性Fig.1 Correlation between soil particlecontent and fractal dimension

3.4不同林龄栓皮栎林下土壤养分特征分析

不同林龄栓皮栎林下0～40 cm土壤全氮含量

均值大小表现为20 a>40 a>30 a>10 a生；速效磷含量表现为40 a>30 a>20 a>10 a生；有机质含量表现为40 a>20 a>30 a>10 a生；含水率表现为30 a>40 a>10 a>20 a生。在土层垂直结构上，4种林龄栓皮栎林下土壤养分整体上表现为表层养分含量高于深层，但变化规律不明显。其中，4种林龄栓皮栎林下土壤中全氮含量由表层至深层分别减少了0.25、0.45、0.23和0.35 g·kg-1；速效磷含量由表层至深层分别减少了4.17、4.16、7.05和 6.19 mg·kg-1；有机质含量由表层至深层分别减少了9.49、6.52、8.46和13.12 g·kg-1；土壤含水率由表层至深层分别减少了10.99%、6.43%、12.95%、7.47%(表4)。

表4 不同龄级栓皮栎林下土壤养分特征Table 4 Soil nutrient characteristics of quercus variabilis of different age

3.5栓皮栎林下土壤理化性质与分形维数相关关系

为进一步分析栓皮栎不同种植龄级林下土壤分形维数D与土壤理化性质之间的关系，对分形维数与土壤全氮、速效磷、有机质进行了相关性分析，结果如图2所示。全氮、速效磷及有机质含量与D值的相关系数分别为0.221 7、0.348 5、0.321 6，表明土壤全氮含量、速效磷含量、有机质含量与土壤分形维数均呈正相关关系。

图2 分形维数与土壤理化性质相关性Fig.2 Correlation between fractal dimension andsoil physical and chemical properties

4 结论与讨论

调查区域内栓皮栎林下土壤颗粒组分中，粉粒含量最高，为40.62%，其次是沙粒含量为30.07%，黏粒含量最少，为25.31%。在土层垂直结构上，4种林龄栓皮栎林下土壤中粘粒、粉粒含量均表现为随土层深度增加而减少，沙粒含量表现为随土层深度增加而增加。本研究中，太行山区10～40 a生栓皮栎林下土壤分形维数D范围为1.35～2.61。随着林龄的增加，4种林龄土壤颗粒分形维数总体上呈现逐渐升高的趋势：40 a>20 a>30 a>10 a生。表明40 a生的土壤物理结构状况最好，不仅能够保持良好的通气透水性，还有一定的保水和保肥的效能。而10 a生的栓皮栎林土壤粒径分形维数最低，表明林龄越小，沙粒含量越多，土壤结构状况越差，土壤的保水保肥能力也较差。分形维数越大，土壤中粘粒、粉粒含量越高，沙粒含量越少；分形维数越小，沙粒含量越多，这与杨慧玲等[20]、楚纯洁等[21-22]对不同植被类型和不同土地利用方式下土壤颗粒分形特征的研究结果一致。分形维数D与土壤颗粒含量具有显著的相关性，其中D与粘粒含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与粉粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与沙粒含量呈极显著负相关关系(P<0.01)，与王文彪等[23]对阴山北麓及赵清贺等[24]对黄河中下游土壤颗粒分形特征的研究结果一致，说明土壤颗粒组分与分形维数差异显著，可以在一定程度上反映土壤性质与结构特征。分形维数越高表示土壤透水性、透气性差，保水性好；分形维数越低表示土壤通透性好但保水能力差[25]。同时，本研究对分形维数与土壤理化性质相关性研究结果显示，土壤全氮、速效磷及有机质含量整体表现为随林龄增加而增加，垂直结构上整体表现为表层土壤养分含量高于深层。土壤粒径分形维数D与全氮、速效磷、有机质含量均呈正相关。这与贾萌萌等[26]对塔里木沙漠公路防护林及曹樱子等[27-28]对藏北高寒草原地区土壤颗粒分形特征的研究结果一致，表明土壤粒径分形维数不仅可以用来分析土壤颗粒分布状态与土壤结构特征，也可用来揭示土壤养分特征。

此外，前人相关研究结果显示，分形维数与土壤理化性质关系表现不一致[29-31]，这可能与不同地区植被类型或不同土地利用类型有关。不同地区气候类型、土地不同利用方式等因素对土壤影响不同，所以即使土壤颗粒组成相似，其理化性质也会有较大差异。

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(责任编辑：李莹)

StudyonsoilfractalandnutrientcharacteristicsunderforestsofQuercusvariabilisBl.ofdifferentages

ZHU Yiwei，ZHANG Zhiming，ZHAO Yong，ZHAO He，YUAN Xiaoke

(College of Forestry,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002, China)

In order to describe the fractal characteristics of soil particle-size under the influence ofQuercusvariabiliswhich is in different age of growth in the semi-arid area of Taihang Mountain, this paper, using the principle of soil particle distribution and fractal theory, through field investigation and laboratory analysis, studied the fractal characteristics and nutrient characteristics of soil particle-size under four different ages ofQuercusvariabilisin Taihang Mountain. The results showed that, 1) The distribution of soil particle-size in different ages was significantly different, and the content of clay granules increased with the increase of age,and the content of sand grains decreased with the increase of age; 2) The fractal dimension ranged from 1.35～2.61, and the mean value was 2.14.The fractal dimension was positively correlated with the soil clay content and negatively correlated with the sand content; 3) The soil physical and chemical properties were also significantly different. The content of available phosphorus and organic matter of 40-year-oldQuercuswas significantly higher than that of the 10-year-old, and the content of total nitrogen was not significant. The contents of total N, available phosphorus and organic matter were all positively correlated with the fractal dimensionD.

soil particle-size; fractal dimension; nutrient characteristics; different age

2017-02-27

国家自然科学基金项目(31270750)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD38 B00)

祝忆伟(1993-)，女，河南获嘉人，硕士研究生，主要从事恢复生态学研究。

赵 勇(1962-)，男，河南商丘人，教授，博士。

1000-2340(2017)05-0634-06

S792.189

A