青花椒种植对土壤颗粒组成及分形维数的影响

周于波，龚 伟，王景燕，唐海龙，赵昌平，黄 帅，林 梅

（四川农业大学林学院/四川省林业生态工程重点实验室，成都 611130）

土壤是一种由形状和大小各异的颗粒组成的多孔介质，具有自相似性和分型特征[1]。分形理论作为研究不规则几何形体的工具早已应用到土壤学领域，L.M.Arya等[2]及D.L.Turcotte[3]首先研究了土壤颗粒的分形现象及其分形维数的计算方法，但这些方法难以直接进行分形维数的计算。基于此，杨培岭等[4]将A.J.Katz等[5]的粒径计算方法进行改进，用土壤粒径的重量分布取代数量分布直接计算粒径分布的分形维数，提出了土壤颗粒分形维数的计算模型。此后，土壤分形理论被广泛应用于评价土壤理化性质的研究。近年来，分形理论在土壤学领域的应用主要集中在研究不同生境土壤理化性质的变化过程等[6-9]及土壤颗粒[10-12]和团聚体[9，13]分形维数与土壤物理性质、化学性质和生物特性的关系。

退耕还林工程自1999年开展以来，在水土流失治理等方面取得了巨大成功，但大量的坡耕地转化为林地，严重限制了退耕区经济的发展[14]。花椒是集香料、油料、食用调料及医药原料等用途于一身，且耐干旱，耐贫瘠，根系发达，固土能力强，是重要的水土保持经济树种[15]。因此，花椒种植与坡地退耕结合起来，既能促进经济发展和农民增收致富，又能起到较好的水土保持作用。迄今为止，有关农耕地退耕成花椒林后对土壤颗粒组成和分形维数影响变化方面的研究尚未见报道，这难以满足当前花椒产业发展的需要。基于此，本文采用杨培岭法对四川省广安区恒升镇退耕还林示范区的农耕地、弃耕地和不同种植年限青花椒地的土壤颗粒组成及分形维数进行研究，同时探讨土壤颗粒分形维数与土壤物理性质、养分含量和微生物数量的关系，以期为青花椒林土壤管理及退耕还林过程中经济林树种选择提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区位于四川省广安区恒升镇退耕还林示范区（106°47′E、30°42′N），海拔 600～800 m，坡度 12°～22°，地处四川东部，属亚热带湿润季风气候，年日均气温为17.5℃，最热月均气温为27.1℃，最冷月均气温为3.7℃，极端低温为-3.8℃，极端高温为40.5℃，年均降水总量为1 200 mm。试验地土壤为紫色土，退耕前农耕地种植作物为玉米（Zeamays）和红薯（Ipomoea batatas）。2～14a青花椒林分是2002、2007、2011和2014年春季坡地退耕后形成的，株行距为2 m×3 m，青花椒植株年施尿素330 g N/株、过磷酸钙45 g P2O5/株、硫酸钾180 g K2O/株；农耕地年施尿素510 kg N/hm2、过磷酸钙75 kg P2O5/hm2、硫酸钾300 kg K2O/hm2。从3 a龄开始，每年采用“以采代剪”管理和采收后枝叶还地措施，除草和病虫害防治按常规管理措施进行；弃耕地是2002年春季坡地退耕后形成的。退耕前（2002年春季）耕层（0～20 cm）土壤理化性质（平均值）为：有机质 12.0 g/kg、全氮 0.79 g/kg、全磷0.35 g/kg、全钾 20.0 g/kg、碱解氮 53.4 mg/kg、有效磷33.7 mg/kg、速效钾 74.0 mg/kg和 pH 7.14。

1.2 研究方法

本研究采用时空互代法[16-17]，在长期定点观测研究的基础上，选择成土母质相同、立地条件相似、地理位置相对集中且施肥情况相似的不同栽植年限的代表性青花椒林（2、5、9 和 14 a，分别以 QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9和QHJ-14表示）、弃耕地（QGD）和农耕地（CK）中建立10 m×10 m的标准地各3个。于2016年10月上旬在每个标准地内采用蛇形5点取样法采集0～20 cm土层混合样品，带回实验室后，将每个样品分为2份：一份于室内通风处自然风干后供土壤pH、土壤养分（有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾）测定；另一份新鲜土样用于土壤自然含水量和微生物数量（细菌、真菌和放线菌）测定。同时，用环刀采集各土层原状土壤样品测定土壤水分物理性质。

各指标测定方法如下：土壤颗粒组成采用吸管法测定[18]；土壤水分物理性质采用环刀法测定[19]；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法[20]；全氮采用半微量凯氏定氮法[21]；碱解氮采用碱解-扩散法[22]；有效磷采用HCl-H2SO4双酸浸提法[23]；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法[24]；微生物数量采用稀释平板法[25]。土壤颗粒分形维数采用杨培岭等[4]的模型计算。

1.3 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 22.0软件进行数据统计和分析，各变量间显著性检验采用单因子方差分析（ANOVA）和邓肯氏新复极差法（Duncan）进行分析，采用皮尔逊（Pearson）法进行各变量的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒组成

由表1可知，各处理 2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm、0.02～0.002 mm、＜0.002 mm 粒级百分含量分别为11.495%～13.072%，28.094%～30.231%，13.319%～16.245%，21.909%～25.644%，18.544%～21.447%。与CK相比，青花椒林和弃耕地降低了砂粒（2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm）颗粒含量，增加了粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）颗粒含量，且随青花椒种植年限的增加，砂粒（2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm）的含量逐渐减少，而粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）含量则逐渐增加。当青花椒的种植年限达到14 a（QHJ14）时，除0.25～0.05 mm外各粒级含量均与CK差异显著。与QGD相比，砂粒含量QGD高于QHJ-14，而粉粒和黏粒含量QGD低于QHJ-14。说明坡耕地退耕成青花椒和弃耕均可降低土壤中砂粒含量、增加粉粒和黏粒含量，且青花椒林的影响作用大于弃耕地。

2.2 土壤颗粒分形维数

各处理＜0.02 mm与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数均呈现出 CK＜QHJ-2＜QHJ-5＜QHJ-9＜QHJ-14（表 1）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14 和QGD与CK相比，分形维数分别增加1.4%、4.7%、6.9%、8.7%和5.1%，除QHJ-2外其他处理均与CK差异显著；＜0.02 mm与＞0.02 mm粒级含量的比值分别增加了4.1%、17.2%、25.0%、31.0%和18.3%，除QHJ-2外其他处理均与CK差异显著。QHJ-14土壤中＜0.02 mm与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数都高于QGD，但仅两者间的土壤中＜0.02 mm与＞0.02 mm粒级含量比值差异显著，而两者间的分形维数差异不显著。说明坡耕地青花椒种植和弃耕均可改善土壤颗粒组成和增加分形维数。

2.3 土壤物理性质

农耕地转变为青花椒林和弃耕地后，土壤容重降低，而孔隙度、通气度和持水量增加（表2）。青花椒林和弃耕地与CK相比，土壤容重降低0.8%～4.7%，非毛管孔隙增加0.3%～1.0%，毛管孔隙增加1.4%～6.1%，总孔隙增加1.6%～7.1%，通气度增加0.6%～2.3%，自然含水量增加0.78%～3.4%，最大持水量增加1.4%～6.4%，毛管持水量增加1.1%～5.5%，最小持水量增加1.0%～5.8%。其中土壤容重各处理与CK差异不显著；非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙、通气度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量除QHJ-2、QHJ-5外，QHJ-9、QHJ-14、QGD 均与 CK 差异显著；最小持水量除 QHJ-2 外，QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD与CK差异显著。相同年限的青花椒林和弃耕地土壤物理性质差异不显著。说明坡耕地青花椒种植和弃耕对土壤物理性质均具有较好的改善作用。

表1 不同处理土壤颗粒组成及分形维数Table1 Composition and fractal dimension of soil particles in different treatments

表2 不同处理土壤物理性质Table2 Soil physical properties in different treatments

2.4 土壤养分含量

农耕地转变为青花椒林和弃耕地后，土壤养分含量增加（表 3）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD与CK相比，土壤有机质含量分别增加6.7%、16.8%、27.0%、48.0%、32.0%，除 QHJ-2外其他处理与CK均差异显著；全氮含量分别增加4.5%、12.9%、21.4%、39.4%、25.4%，除QHJ-2外其他处理与CK均差异显著；碱解氮含量分别增加21.7%、62.3%、114.4%、194.9%、126.4%，各处理均与CK差异显著；有效磷含量除了QGD减少了18.4%外，其他处理 QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14 分别增加了9%、24.7%、51.5%、88.6%；速效钾含量除了QGD减少了 9.2%外，其他处理QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14分别增加了7.1%、24.8%、56.7%、97.6%。QHJ-14土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量均显著高于QGD。说明坡耕地种植青花椒和弃耕均可提高土壤中养分含量（弃耕地有效磷和速效钾除外），且土壤养分含量随青花椒种植年限的延长而增加。

2.5 土壤微生物数量

农耕地转变为青花椒林和弃耕地后，土壤微生物数量增加（表 3）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD与CK相比，细菌数量分别增加30.4%、95.3%、188.9%、260.4%和213.7%，各处理与CK间均差异显著；真菌数量分别增加26.7%、73.3%、146.7%、193.3%、173.3%，各处理与CK间均差异显著；放线菌数量分别增加 14.5%、43.7%、77.8%、102.1%、59.4%，各处理间除QHJ-2外均与CK差异显著；总微生物数分别增加32.5%、95.7%、186%、254.8%、207.3%，各处理与CK间均差异显著。QHJ-14土壤中微生物数量均显著高于QGD。说明坡耕地种植青花椒和弃耕均可增加土壤中微生物数量，且土壤微生物数量随青花椒种植年限的延长而增加。

表3 不同处理土壤养分含量和微生物数量Table3 Soil nutrient contents and microbe number in different treatments

2.6 相关性分析

由表4可知，土壤颗粒分形维数和＜0.02 mm粒级含量与＞0.02 mm粒级含量和比值（＜0.02 mm/＞0.02 mm）均与非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙、通气度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、细菌、真菌、放线菌和总微生物量呈显著或极显著正相关，而与土壤容重呈显著或极显著负相关。说明土壤颗粒分形维数和＜0.02 mm粒级含量与＞0.02 mm粒级含量比值（＜0.02 mm/＞0.02 mm）对土壤物理性质、养分含量和微生物数量具有较好的相关性，能较好地表征土壤肥力变化。

3 讨论

土壤颗粒是土壤结构形成的基础单元，不同粒级的土壤颗粒含量组合构成不同的土壤质地类型，进而影响土壤的理化性质和生物学过程[26]。前人的研究表明[27-28]，土壤质地越粗，越难形成良好的土壤结构；而质地越细，土壤中的微小孔隙度越多，形成的土壤结构也更复杂，分形维数也就越高。影响土壤质地的因素有很多，如成土母质、土地利用方式、耕作及管理方式、气候条件、植被覆盖情况以及人为因素等[29]。退耕还林等植被恢复措施有助于土壤黏粒含量的增加，如华瑞等[10]通过对不同退耕年限林草地土壤颗粒分形特征研究表明，由耕地转变为林草地后，砂粒的含量减少，黏粒的含量增加，且黏粒含量和分形维数随退耕年限的延长逐渐增加；王景燕等[28]通过对川南坡地退耕形成的慈竹林、杂交竹林、弃耕地等的土壤颗粒分形特征研究表明，退耕后土壤黏粒含量、颗粒分形维数都较农耕地有所增加。本研究结果也发现，不同种植年限的青花椒种植地和弃耕地与坡耕地对照相比，减少了砂粒含量，提高了土壤颗粒组成中粉粒和黏粒含量、＜0.02 mm粒级含量与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数，且粉粒和黏粒含量及＜0.02 mm粒级含量与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数随青花椒种植年限的延长而增加，进一步说明了坡地退耕有利于土壤黏化、土壤颗粒组成的改善和分形维数的增加。

表4 分形维数与土壤物理性质、养分含量和微生物数量的相关关系Table4 The correlation of fractal dimension with soil physical properties，nutrient contents and microbe number

土壤物理性质、养分含量和微生物数量等都是影响土壤肥力的重要指标。土壤物理性质可以调节土壤中水分和热量容量[30]；土壤养分含量则可以直接表征土壤的肥力状况[31]；土壤微生物是土壤肥力中最活跃的影响因子，几乎与所有的土壤过程都有直接或间接的关系[32]。本研究结果发现，土壤颗粒分形维数与土壤物理性质、养分含量、微生物数量均呈显著或极显著相关，这与多数学者的研究结果相同[33-36]，即分形维数可表征土壤物理性质、养分含量和微生物数量变化，可用于土壤肥力状况评价。董莉丽等[37]对陕西省吴起县和礼泉县退耕还林区土壤颗粒分形特征进行研究，结果表明颗粒分形维数荒地＞人工林地＞农地。而本研究结果发现，14 a青花椒种植地的土壤黏粒含量和分形维数高于相同退耕年限的弃耕地。这可能与本研究中青花椒冠幅较大、枝叶密集、根系发达，以及每年夏季采摘果实时通过修枝整形使大量枝叶回归林地覆盖地表，其避免降雨直接对土壤表面的击溅和冲刷、减少土壤颗粒特别是黏粒的流失和促进土壤黏化的效果应该比弃耕地更好，进而表现出相同年限的青花椒林土壤颗粒分形维数比弃耕地高的情况。本研究中，虽然14 a青花椒林与弃耕地相比土壤物理性质改善作用不显著，但前者的土壤养分含量和微生物数量均显著高于后者，这可能也与青花椒林果实采后大量枝叶还地为微生物提供大量的碳源物质促进微生物生长及养分转化有关；弃耕地土壤中有效磷和速效钾含量低于农耕地，而14 a青花椒地土壤中有效磷和速效钾含量显著高于农耕地，这主要与青花椒林长期施氮磷钾肥料而坡耕地弃耕地后处于自然状态没有施用化学肥料有关。

4 结论

农耕地退耕为青花椒林和弃耕地后，土壤容重降低，黏粒和养分（弃耕地有效磷、速效钾除外）含量、孔隙度、持水量、微生物数量、＜0.02 mm粒级与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数增加；随着青花椒种植年限的延长，土壤养分含量、微生物数量、＜0.02 mm粒级与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数均逐渐增加，土壤物理性质逐渐改善。土壤＜0.02 mm粒级与＞0.02 mm粒级含量的比值和分形维数与土壤物理性质、土壤养分含量和微生物数量均显著相关，两者可作为土壤肥力变化的评价指标。因此，坡耕地退耕为青花椒林对改善土壤颗粒组成和培肥改土具有重要作用。