土壤分散性与分形维数对坡耕地转变为藤椒林地的响应

唐海龙，龚 伟，王景燕，舒正悦，熊 靓，蔡 煜，林 梅

(四川农业大学 林学院，林业生态工程四川省重点实验室，四川 成都 611130)

丘陵区坡耕地易受不合理耕作、雨水冲刷等外界因素影响，导致土壤稳定性和肥力下降[1]。改进土地利用方式、改变覆被植物，是改善土壤环境、提高土壤肥力的较好途径，也是当前全球变化的研究热点[2]。土壤颗粒组成变化是植被变化、土地利用和管理措施作用最直接的表现，土壤颗粒和微团聚体分形维数可作为土壤肥力和稳定性的判断性指标[3]。坡耕地改种经济林，既可以改善坡地土壤环境，又可以兼顾农户收益和环境效益。研究坡耕地退耕种植藤椒后土壤分散性、分形维数和肥力的变化，对了解藤椒种植的培肥改土效应和指导藤椒发展具有重要意义。1992年，Tyler等[4]将分形理论引入到土壤学研究后，不同学者针对土壤粒径分布、分散性和分形维数等土壤特性对覆被植物变化的响应进行了大量研究。土壤分形维数能够表征土壤质地组成的均匀程度，是定量描述土壤结构特征的重要指标[5]。已有的研究结果表明，土壤微团聚体分形维数能够反映土壤肥力变化[6-7]。

目前，花椒属植物种植对土壤分散性及分形维数的影响主要集中在花椒(Zanthoxylumbungeanum)上。王忠林等[8]和代文才等[9]的研究发现，花椒林地能提高土壤团聚度和团聚状况，降低土分散率；汪三树等[10]的研究发现，坡耕地种植花椒生物埂均能提高土壤机械组成和微团聚体分形维数。藤椒是竹叶花椒(Zanthoxylumarmatum)的一个栽培品种，但关于竹叶花椒(或藤椒)林土壤分散性、分形维数等方面的研究尚未见报道。本研究以川东丘陵区岳池县长田乡藤椒林为对象，研究坡耕地转化为藤椒林后土壤分散性、颗粒和微团聚体分形维数、养分含量、微生物数量和酶活性的响应，探讨微团聚体分形维数与土壤肥力的关系，以期为川东丘陵区坡地退耕发展藤椒和土壤管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地自然概况

试验于川东丘陵区岳池县长田乡藤椒基地(106°29′E，30°43′N)进行。研究区属中亚热带湿润季风气候，年均降水量1 204 mm，蒸发量1 402 mm，年平均气温17.5 ℃，年无霜期330 d，年总日照时数1 182 h[11]。研究区土壤为该地区分布最广的紫色土，土层厚度40 cm左右。研究区海拔490～540 m，坡度约12°。3 a和5 a藤椒林分别为2013年和2010年秋季坡地退耕后形成的，株行距2 m×3 m，藤椒从3年龄开始采用“以采代剪”和采收后枝叶还地的管理措施。退耕前，农耕地采用玉米(Zeamays)+油菜(Brassicacampestris)一年两熟种植方式。退耕前(2010年秋季)耕层(0～20 cm)土壤理化性质：有机质9.82 g·kg-1，全氮 0.70 g·kg-1，全磷0.35 g·kg-1，全钾19.6 g·kg-1，碱解氮56.1 mg·kg-1，有效磷31.4 mg·kg-1，速效钾91.3 mg·kg-1，pH值7.69。

1.2 研究方法

在坡向、坡度、坡位和海拔基本一致的地段，选择有代表性的3 a和5 a藤椒林(分别以TJ-3和TJ-5表示)及农耕地(CK)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点取样法分别采集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，用于土壤微团聚体组成，有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，以及酶活性测定；另一份鲜样用于土壤自然含水量和微生物数量测定。同时，用环刀采集0～20 cm土层原状土壤样品，测定土壤水分物理性质。

测试指标及其测定方法参照文献[12-13]进行，简述如下：土壤微团聚体和颗粒组成采用吸管法，田间持水量采用环刀法，有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法，土壤全氮采用半微量凯氏法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用Olsen法，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法，微生物数量采用平板法，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法，脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶活性采用KMnO4滴定法。根据测定结果，参照文献[14]计算土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率、侵蚀系数和物理稳定性指数。土壤颗粒和微团聚体分形维数(D)采用杨培岭等[5]的方法计算。

土壤微团聚体分散性、分形维数和肥力状况是多个指标的综合反映。为了系统评价藤椒种植年限对土壤微团聚体分散性和土壤肥力的影响，及其与微团聚体分形维数间的相互关系，采用隶属函数法，对土壤分散性和土壤肥力指标进行转换，其中：结构颗粒指数、团聚状况、团聚度、物理稳定性指数和土壤养分含量、微生物数量和酶活性指标的数据转换公式为

X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

(1)

分散率和侵蚀系数数据转换公式为

X′=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

将转化后结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率、侵蚀系数和物理稳定性指数隶属度值累加，求得土壤分散性综合值(CVSD)，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，细菌、真菌、放线菌和总微生物数量，以及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性各指标隶属度值累加，求得土壤肥力综合值(CVSF)。

1.3 数据分析

采用Excel 2013和SPSS 22.0软件对所有数据进行整理和分析，对各指标作单因素方差分析(one-way ANOVA)，对有显著差异的处理采用最小显著极差法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒组成及其分散性

由表1可知，坡耕地转变为藤椒林地后，随种植年限延长，土壤2～0.25 mm和0.25～0.05 mm粒级微团聚体均增加，而机械组成降低；0.02～0.002 mm和<0.002 mm粒级微团聚体均降低，而机械组成增加；0.05～0.02 mm粒级微团聚体先减少后增加，机械组成先增加后减少。其中，2～0.25、0.05～0.02、0.02～0.002 mm粒级微团聚体和机械组成与CK差异不显著。总体来看，坡耕地转变为藤椒林能在一定程度上促进土壤小粒径微团聚体向大粒径聚合，促进土壤大粒径机械组成向小粒径转化。

土壤分散性对土壤覆被植物和管理水平的响应灵敏，可指示土壤粒径组成。由表2可知，坡耕地转变为藤椒林地后，随种植年限延长，土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度和物理稳定性指数均逐年增加，分散率和侵蚀系数逐年降低。TJ-3和TJ-5的土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度和物理稳定性指数分别比CK增加1.2%～5.3%、23.1%～32.5%、13.4%～18.7%和14.1%～18.9%，分散率和侵蚀系数分别降低5.4%～7.6%和1.5%～2.2%，其中，土壤结构性颗粒指数和侵蚀系数与CK差异不显著。土壤分散性综合值随藤椒种植年限的延长而降低，TJ-3和TJ-5分别比CK降低4.3%和68.4%，TJ-5比TJ-3降低67.0%，说明坡耕地转变为藤椒林后，促进分散性降低，增加土壤稳定性。

2.2 土壤颗粒和微团聚体分形维数

由表3可知，坡耕地转变为藤椒林地后，分形回归模型计算得到的D值为2.686～2.781，分形回归模型的相关系数均在0.917以上，呈极显著线性相关(P<0.01)。随藤椒种植年限延长，土壤颗粒分形维数无显著差异，但土壤微团聚体分形维数逐渐减小，TJ-3和TJ-5分别比CK降低0.33%和0.81%，CK与TJ-5差异显著，而与TJ-3差异不显著。以上结果说明，土壤微团聚体分形维数对藤椒林种植年限的响应比土壤颗粒分形维数更灵敏。

表1不同处理的土壤机械组成和微团聚体组成

Table1Mechanical and microaggregates composition of soil under different treatments

处理Treatment不同粒径的机械组成Mechanical composition (%) of different size (mm)2～0.250.25～0.050.05～0.020.02～0.002<0.002<0.05不同粒径的微团聚体组成Microaggregates composition (%) of different size (mm)2～0.250.25～0.050.05～0.020.02～0.002<0.002<0.05CK8.5 a10.7 a28.6 a31.7 a20.4 a80.8 a19.5 a15.7 b18.7 a33.9 a12.2 a64.8 aTJ-38.1 a10.4 a28.7 a32.1 a20.7 a81.5 a20.9 a17.3 ab17.4 a32.9 a11.4 ab61.8 bTJ-58.0 a10.2 a27.8 a32.6 a21.5 a81.9 a21.5 a17.9 a18.0 a32.2 a10.4 b60.7 b

同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2不同处理的土壤分散性

Table2Dispersion of soil particles under different treatments

处理TreatmentJGKLTJZK/%TJD/%FSL/%QSXSWLWDCVSDCK0.338 a16.0 b45.4 b80.2 a0.854 a18.5 b4.147 aTJ-30.342 a19.7 a51.5 a75.9 b0.841 a21.1 ab3.968 aTJ-50.356 a21.2 a53.9 a74.1 b0.835 a22.0 a1.310 b

JGKL、TJZK、TJD、FSL、QSXS和WLWD分别为结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率、侵蚀系数和物理稳定性指数。

JGKL，TJZK，TJD，FSL，QSXS and WLWD represented structure particle index，aggregation status，aggregation degree，dispersion rate，erosion coefficient，and physical stability index，respectively.

2.3 土壤养分、微生物和酶

由表4可知，坡耕地转变为藤椒林地后，随藤椒种植年限延长，土壤各养分含量均逐年增加，TJ-3和TJ-5的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别比CK增加15.2%～22.6%、9.5%～15.4%、18.5%～32.2%、22.6%～39.4%和15.1%～28.4%。TJ-5的土壤养分含量均显著高于CK(P<0.05)，有效磷含量亦显著高于TJ-3(P<0.05)，说明种植藤椒对于增加土壤养分含量具有较好作用。

由表5可知，坡耕地转变为藤椒林地后，随藤椒种植年限延长，土壤微生物数量与酶活性均逐年增加，与CK差异显著(P<0.05)。TJ-3和TJ-5的土壤细菌、真菌、放线菌数量比CK分别增加77.5%～140.3%、77.7%～152.2%和58.5%～98.1%，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性分别比CK增加46.2%～90.7%、36.2%～67.2%、27.5%～49.8%和23.4%～34.5%。TJ-5的土壤细菌、真菌和放线菌数量比TJ-3分别增加35.4%、41.9%和25.0%，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性比TJ-3分别增加30.4%、22.8%、17.5%，且均差异显著(P<0.05)。各处理的土壤微生物组成，均以细菌占比最高，放线菌和真菌次之。土壤肥力综合值随藤椒种植年限延长显著增大(P<0.05)，TJ-3和TJ-5分别比CK增加485.5%和849.8%。说明种植藤椒未改变土壤细菌、真菌和放线菌的大体结构，但对增加土壤微生物数量和酶活性具有重要作用，能大幅提高土壤肥力综合值。

表3不同处理的土壤颗粒和微团聚体分形维数

Table3Fractal dimension of soil particle and micro-aggregate under different treatments

处理Treatment土壤颗粒Soil particle分形维数Fractal dimension相关系数Coefficient土壤微团聚体 Soil micro-aggregate分形维数Fractal dimension相关系数CoefficientCK2.773 a0.9202.708 a0.930TJ-32.775 a0.9182.699 ab0.935TJ-52.781 a0.9172.686 b0.935

表4不同处理的土壤养分含量

Table4Soil nutrient contents under different treatments

处理Treatment有机质Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)碱解氮Hydrolysis N/(mg·kg-1)有效磷Available P/(mg·kg-1)速效钾Available K/(mg·kg-1)CK9.661 b0.681 b54.6 b29.7 c89.6 bTJ-311.130 a0.746 ab64.7 a36.4 b103.1 aTJ-511.845 a0.786 a72.2 a41.4 a115.0 a

表5不同处理的土壤微生物数量和酶活性

Table5Soil microbe quantity and enzyme activities under different treatments

处理Treatment微生物Microbe/(104 cfu·g-1)细菌Bacteria真菌Fungi放线菌Actynomycete总数Total蔗糖酶Invertase/(mg·g-1·d-1)脲酶Urease/(mg·g-1·d-1)磷酸酶Phosphatase/(μg·g-1·d-1)过氧化氢酶Catalase/(ml·g-1·h-1)CVSFCK2808.3 c9.2 c263.8 c3081.3 c6.262 c0.177 c0.229 c1.841 b1.070 cTJ-34985.0 b16.4 b418.1 b5419.5 b9.154 b0.241 b0.292 b2.269 a6.265 bTJ-56747.3 a23.2 a522.7 a7293.2 a11.939 a0.296 a0.343 a2.475 a10.163 a

2.4 相关性分析

由表6可知，土壤CVSD、D与有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量，细菌、真菌、放线菌和总微生物数量，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性，以及CVFS均呈显著负相关(P<0.05)，说明土壤CVSD和D与土壤养分含量、微生物数量、酶活性和土壤肥力综合值之间联系密切，通过对土壤分散性综合值和微团聚体分形维数的研究可以预测坡耕地转变为藤椒林后土壤肥力的变化状况。

表6微团聚体分形维数与土壤养分含量、微生物数量和酶活性的相关性

Table6Relationship among fractal dimension of micro-aggregate，soil nutrient contents，microbe quantity and enzyme activities

指标IndexCVSFCVSDD指标IndexCVSFCVSDD有机质Organic matter0.910**-0.856**-0.855**总微生物Total microbe0.914**-0.980**-0.831**全氮Total N0.814**-0.908**-0.828**蔗糖酶Invertase0.983**-0.939**-0.714*碱解氮Hydrolysis N0.917**-0.837**-0.773*脲酶 Urease0.985**-0.918**-0.764*有效磷Available P0.938**-0.869**-0.870**磷酸酶Phosphatase0.970**-0.899**-0.798**速效钾Available K0.884**-0.737*-0.732*过氧化氢酶Catalase0.984**-0.938**-0.845**细菌Bacteria0.963**-0.887**-0.834**CVSF—-0.948**-0.846**真菌Fungi0.947**-0.874**-0.824**CVSD-0.948**—0.828**放线菌Actynomycete0.961**-0.898**-0.754*D-0.846**0.828**—

**，P<0.01；*，P<0.05。

3 讨论

本研究发现，坡耕地转变为藤椒林能增加0.05 mm以上粒级土壤微团聚体含量、团聚状况、团聚度、物理稳定性指数、养分含量和酶活性，以及颗粒分形维数和肥力综合值，降低0.05 mm以下粒级微团聚体含量、土壤分散率、微团聚体分形维数和分散性综合值。随藤椒种植年限延长，微团聚体分形维数降低，而土壤颗粒分形维数增加，但前者比后者对坡耕地转变为藤椒林的响应更灵敏。坡地种植藤椒能改良土壤结构，提升土壤结构稳定性与肥力，土壤肥力和抗蚀能力随藤椒种植年限的延长而增加。土壤分散性综合值和微团聚体分形维数与土壤养分、微生物数量、酶活性和肥力综合值显著相关，可作为坡耕地退耕后土壤肥力变化的综合评价指标。

土壤颗粒是组成土壤结构体的基本单元，颗粒组成和微团聚体对土壤肥力特性和抗侵蚀能力有重要影响[15-16]。土壤植被、耕作方式和施肥等能影响土壤有机胶体的形成和分解，以及大小粒级微团聚体的相互转化[7]。刘梦云等[17]和周萍等[18]的研究发现，果园(或灌木林)与农耕地相比能显著提高土壤大粒级微团聚体含量，降低小粒级含量。代文才等[9]对丘陵区花椒种植的研究也得到相同的结果。本研究发现，坡耕地转变为藤椒林后，土壤微团聚体组成中2～0.02 mm粒级含量增加，<0.02 mm粒级含量减少，这与其他学者的研究结果相似。土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率和侵蚀系数等能表征土壤分散特性和稳定性，对土地利用变化有较好的指示作用。赵昌平等[14]的研究发现，农林复合地土壤结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度和物理稳定性指数均高于农耕地，而分散率和侵蚀系数均低于农耕地；吴鹏等[19]的研究发现，耕地转变为麻栎等有林地后，土壤团聚状况、团聚度显著增高，分散率显著降低；代文才等[9]的研究发现，花椒林地土壤团聚状况比耕地高16.4%，分散率比耕地低15.4%，而团聚度与耕地无差异。相反，陈佳等[20]的研究发现，人工林地相对于坡耕地土壤团聚状况、团聚度显著减小，而分散率增大。本研究发现，坡耕地转变为藤椒林地后，结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度和物理稳定性指数随种植年限的延长而增大，分散率和侵蚀系数随种植年限的延长而减小。本研究中藤椒采用“以采代剪”和枝叶还地管理，大量有机物返回到土壤中，使土壤有机胶体含量增加，改变土壤微团聚体组成，因而表现为大粒级微团聚体含量增高，团聚状况和团聚度增大，而分散率和侵蚀系数降低。

植被与土壤相互作用。随植被恢复，土壤中水、肥、气、热和生物活性等性质得到相应改善，土壤中物质循环和能量代谢增强[21]，土壤环境及其稳定性也向着良性方向演变。张平究等[22]的研究发现，15 a花椒林土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量分别比退化林地增加85.7%、58.3%、77.3%和224.2%，脲酶和磷酸酶活性升高73.2%和66.7%，蔗糖酶活性降低。龙健等[23]的研究发现，13 a花椒林土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量，细菌、真菌和放线菌数量，以及脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著高于农耕地。本研究发现，坡耕地转变为藤椒林后，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，细菌、真菌、放线菌和总微生物数量，以及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均高于坡耕地，且上述指标均随藤椒种植年限的延长而增加。藤椒林从3 a到5 a，产量及枝叶生物量逐渐增大，有机物归还林地土壤的量也逐渐增加，为微生物提供了大量的能源物质，有利于微生物的繁殖、土壤养分转化和酶活性的增加，这应该是本研究中坡耕地退耕后土壤性质改善的重要原因。吕可等[24]对大红袍花椒叶浸提液的研究发现，浸提液对土壤微生物数量、种类和酶活均有一定程度的抑制作用。与本研究结果出现差异的原因可能在于：前者研究属中短期培养试验，土壤中微生物还未适宜花椒浸提液中相关物质造成的影响，因而表现为受抑；而本研究属长期试验，土壤中微生物通过驯化已适应藤椒土壤。另外，也可能与大量的枝叶等有机物返还土壤后为微生物提供大量碳源和营养物质有关。微生物的生长及有机物的分解对酶活性的提高作用大于花椒残体中某些物质对微生物和酶活性的抑制作用，最终表现为藤椒林土壤微生物数量和酶活性增高。

土壤植被、利用方式和施肥措施的改变，会使土壤理化性质及生物学特性发生改变，与之相关的土壤颗粒分形维数和微团聚体分形维数也会随其改变。不同学者对土壤分形维数与肥力指标的相关性研究结果有一定差异：黄欢等[25]对植物篱、廖咏梅等[26]对高山针叶林、张超等[27]对不同植被类型的研究均发现，土壤微团聚体分形维数与土壤养分含量呈显著负相关，土壤颗粒分形维数与土壤养分含量呈显著正相关；龚伟等[7，28]的研究结果发现，林地人工更新后土壤微团聚体分形维数与土壤养分含量和微生物数量均呈显著负相关，长期施肥土壤微团聚体分形维数与土壤养分含量和酶活性均呈显著负相关；王小丹等[29]的研究却发现，土壤颗粒分形维数和微团聚体分形维数与土壤有机质和碱解氮含量均呈负相关，但土壤颗粒分形维数与土壤有机质和碱解氮含量相关性不显著。本研究发现，坡耕地退耕为藤椒林后，土壤微团聚体分形维数降低，且与土壤养分含量、微生物数量和酶活性均呈显著负相关。这与以上多数学者的研究结果相似，与王小丹等[29]的研究结果有一定差异，这可能由采样点土壤质地、气候和管理措施的差异导致。周萍等[30]的研究发现，土壤微团聚体分形维数随草地恢复年限的增加而减小；王晟强等[31]的研究也发现，茶园土壤微团聚体分形维数与有机质、全氮、碱解氮、全磷和有效磷含量均呈显著负相关，且随茶树种植年限的延长而减小。本研究发现，坡耕地退耕为藤椒林后土壤颗粒分形维数随种植年限的延长而降低。这与前述研究结果相似。另外，本研究中藤椒种植对土壤微团聚体分形维数具有显著影响，而对颗粒分形维数没有显著影响，说明短期内土壤微团聚体分形维数比土壤颗粒分形维数对土壤植被变化的响应更为灵敏。因此，土壤微团聚体分形维数可作为评价坡耕地退耕后土壤肥力演变的综合评价指标。