不同刨花楠种植模式对土壤理化性质及分形维数的影响

彭家顺，雷开敏，郭晓敏，牛德奎，刘晓君，兰龙焱

（江西农业大学 a.林学院；b.森林培育重点实验室，江西 南昌 330045）

南方红壤丘陵区地势起伏大，降雨较为集中，导致地表冲刷明显，形成了独特的生态环境，加之人口密度大，土地开发程度高，导致土壤侵蚀现象十分严重[1]。土壤侵蚀往往导致土壤中的养分流失[2]，这不仅限制了植物的生长发育，还会造成土地退化，进一步影响人类生存[3]。植被覆盖可以有效地遏制水土流失，能避免土壤中的养分流失，防止地力衰退，因此植树造林不仅具有缓解土地退化的现实意义，森林本身改善自然环境的能力也体现了其生态系统服务功能[4]。地上植被与土壤养分状况息息相关，植物生长需要从土壤中汲取养分，养分又会通过凋落物分解的方式回归到土壤中[5]，地上植物在养分循环的过程中起着重要作用，因此不同的种植模式会影响土壤的养分状况以及土壤质地[6]。

自Tyler 和Wheatcraft[7]将分形理论引入土壤学之后，分形理论在土壤学中便得到了广泛的应用。杨培岭等[8]用粒径的质量分布取代数量分布，建立了更精确和简便地描述土壤分形特征的模型。伍家辉等[9]对核桃幼林林下的土壤进行了研究，发现复合经营能够有效改良土壤，使分形维数增大。孙传龙等[10]研究发现，相同地区不同利用状况下土壤分形维数具有显著差异，人为扰动越大，分形维数越小。分形维数受到地被植物[11]、土地利用方式[12]、植被恢复年限[13]和受侵蚀状况[10,14]等因素的影响，且和土壤中的有机质等养分含量相关性显著[15]，因此土壤分形维数具有较强的时间以及空间异质性。土壤侵蚀具有普遍性，而且土壤侵蚀是土壤退化的主要原因之一[16]。饶良懿等[17]通过研究发现，同一坡面的土壤可蚀性具有明显的空间异质性，从坡顶到坡脚可蚀性呈先增大后减小的趋势。何周窈等[18]通过研究发现，土壤可蚀性受到土壤含水率的显著影响，随着土壤含水率的增加，土壤结构越不稳定，导致土壤可蚀性增大。土壤可蚀性受到土壤团聚体、气候、水分以及坡度等因素的影响，是判断土壤可侵蚀程度的重要指标之一[19]。但关于土壤可蚀性与土壤养分状况的相关性研究还相对较少，因此本研究除了探究不同种植模式下土壤分形维数的差异外，还试图进一步研究土壤可蚀性与土壤养分状况之间的关系。

刨花楠Machilus pauhoi是樟科润楠属的阔叶高大乔木，干形通直，材性优良，木材适用范围广，具有极强的经济价值，广泛分布于我国中亚热带和南亚热带[20-21]。Yu 等[22]和邹宇星[23]探究了氮磷添加等条件对刨花楠生长的影响，研究发现短期内的氮磷添加对刨花楠叶片各性状无显著差异，但不同季节间的刨花楠叶片差异显著。由于刨花楠普遍作为经济树种，我国学者对刨花楠的研究主要集中于氮磷添加等措施后刨花楠的响应，用于更好地指导刨花楠的栽培与种植，随着生态环境的不断恶化，林业可持续发展成为了人们关注的热点问题[24-25]，但关于刨花楠在水土保持以及土壤改良方面的研究相对较少。因此，本研究选择了不同的刨花楠种植模式，探究不同刨花楠种植模式下土壤理化性质以及土壤分形维数和可蚀性的变化规律，进一步了解土壤分形维数以及土壤可蚀性与土壤理化性质之间的关系，揭示不同刨花楠种植模式对林下土壤的影响，为刨花楠复合种植提供更加科学的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地设置在江西省婺源县生态林场（29°21′N、117°15′E），地处江西东北部低山丘陵区，该地区属于中亚热带季风区。全年无霜期较短，平均气温为16.8℃，总降水量平均为1 962.3 mm。4—6月为明显雨季，降水量占全年的47.9%。土壤类型以红壤和黄壤为主。

1.2 样地设置及土壤样品采集

2019年8月在研究区进行样地调查，在林场内设置了5 种处理模式，分别为近自然恢复条件下2年生刨花楠纯林（A）、2年生刨花楠-8年生杉木Cunninghamia lanceolata混交林（B）、8年生刨花楠-8年生杉木混交林（C）、8年生刨花楠-8年生湿地松Pinus elliottii混交林（D）、8年生刨花楠纯林（E），样地树种组成等基本情况如表1所示。每种处理方式各3 个重复，共15 个样地，并在各个样地内设置一个20 m×20 m 的样方，在各个样方按五点采样法进行土样的采集，装入自封袋并做好标记带回。

表1 样地基本情况Table 1 The basic information of sample plots

1.3 土壤理化性质的测定

将采集回来的土样自然风干，去根，过2 mm筛。参考《GB 7844-47 森林土壤比重的测定》，用比重瓶法测定土壤密度，用比重计法测定土壤机械组成，作土壤级配曲线图后，曲线上小于该粒径的沙质量占总沙样的50%的粒径为中值粒径（d50）。将风干土过0.149 mm 筛后，参考《土壤农化分析》，用浓硫酸外加热法测定土壤的有机质含量，用消煮法测定土壤全氮、全磷和全钾的含量。

1.4 土壤分形维数的测定

本研究分形维数的计算公式[26]为：

将两边同时取对数后得：

式中：为最大粒径土壤微团聚体的平均粒径；W(δ＜)为粒径小于平均粒径（）的土壤微团聚体含量；W0为土壤微团聚体总含量；D为土壤分形维数值。

1.5 土壤可蚀性K 的测定

土壤可蚀性K值采用EPIC 模型中的公式，利用土壤砂粒、粉粒和黏粒粒径组成含量与有机碳含量计算[27]，为：

式中：SAN、SIL、CLA 分别为土壤中的砂粒、粉粒和黏粒含量；C为土壤中的有机碳含量；SN1=1-SAN/100；土壤可蚀因子K换算成国际制需要再乘以0.131 7[28]。

1.6 数据处理与分析

采用SPSS 22.0 和Excel 2010 软件对试验数据进行统计分析，用OriginPro 9.0 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 土壤分形维数与可蚀性

近自然恢复条件下2年生刨花楠纯林（A）、2年生刨花楠-8年生杉木混交林（B）、8年生刨花楠-8年生杉木混交林（C）、8年生刨花楠-8年生湿地松混交林（D）和8年生刨花楠纯林（E）5 种种植模式的分形维数与可蚀性结果如表2所示。A、B 模式上层土壤的分形维数显著小于其他模式上层土壤（P＜0.05），B 模式与C 模式均混交了8年生的杉木，但B 模式上层土壤的分形维数仍显著小于C 模式，说明土壤分形维数随着刨花楠生长年限的增加而增加。但各模式之间下层土壤的分形维数并无显著差异（P＞0.05）。5种模式上、下层土壤的可蚀性均值在0.055～0.060范围内变化，不同模式以及不同土层之间的可蚀性均未表现出显著差异（P＞0.05），因此土壤可蚀性并不受种植模式的影响。综上所述，不同的刨花楠种植模式仅对上层土壤产生了较为显著的影响，并不能使下层土壤之间产生明显的差异性。

表2 刨花楠不同种植模式土壤分形维数与可蚀性†Table 2 Soil fractal dimension and erodibility under different planting patterns of Machilus pauhoi

2.2 土壤理化性质

各种植模式的上层土壤理化性质如表3所示。A、D 模式大颗粒（0.25～2.00 mm）土壤含量显著小于其他模式（P＜0.05），其余粒径的土壤在各模式之间无显著差异（P＞0.05）。B 模式的土壤密度在5 种模式之中最小，为2.41 g·cm-3，C 模式的土壤密度最大，为2.56 g·cm-3，但各模式的土壤密度之间并未表现出差异性（P＞0.05）。各模式下的土壤中值粒径也均未表现出差异性（P＞0.05），最大值为0.013 mm，最小值为0.008 mm，分别是B 模式和E 模式。各模式下土壤的有机质、全氮、全磷和全钾含量之间差异显著。E 模式的土壤有机质显著大于D 模式（P＜0.05），而A、B模式的土壤全氮含量显著大于其他模式（P＜0.05），土壤全磷含量则表现为A 模式显著大于其他模式（P＜0.05），B 和E 模式的土壤全钾含量大于其他模式，且差异显著（P＜0.05）。5 种不同的种植模式林下土壤的机械组成之间差异并不显著（P＞0.05），B 模式林下土壤的全氮和全钾含量均显著高于其它模式，且有机质和全磷含量在5 种模式中也为较高水平。因此综合来看，B 模式林下土壤的养分状况表现最好，即2年生刨花楠混交8年生杉木的种植模式能更好地改善土壤养分状况。

表3 刨花楠不同种植模式上层土壤理化性质†Table 3 Physicochemical properties of topsoil under different planting patterns

2.3 土壤分形维数和可蚀性与理化性质的关系

各种植模式上层土壤的分形维数和可蚀性与理化性质之间的相关性见表4。土壤分形维数与黏粒含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），与砂粒、全氮、全磷含量以及中值粒径显著负相关（P＜0.05）。土壤可蚀性大小与粉粒及全钾含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），与砂粒含量呈显著负相关关系（P＜0.05）。土壤分形维数和可蚀性大小均受到机械组成的影响，分形维数主要受到土壤砂粒和黏粒含量的影响，而可蚀性主要由土壤砂粒和粉粒含量决定。当土壤大颗粒（砂粒）含量越少、小颗粒（粉粒和黏粒）越多时，土壤的分形维数和可蚀性逐渐增大。因此，分形维数和可蚀性均能反映出土壤颗粒级配的状况。分形维数与土壤的全氮和全磷含量均有显著的相关性，而可蚀性与土壤全钾含量极显著相关，说明分形维数和可蚀性不仅能作为判断土壤颗粒粗细的指标，同时还能反映土壤的养分状况。

表4 相关性分析†Table 4 Correlation analysis

3 讨论与结论

3.1 不同种植模式下的土壤养分状况

种植模式会影响土壤养分状况，已经得到了学者的广泛认可[29-30]。A、B 模式分别为2年生刨花楠纯林和混交林，两模式土壤的有机质和全氮含量之间并无显著差异，但前者土壤全磷含量更高，而后者土壤全钾含量更高。磷元素能有效地促进植物的光合作用[31]，B 模式中8年生杉木已经发育成熟，光合作用较2年生刨花楠幼苗更强，因此对土壤中磷元素的吸收作用更强，2年生刨花楠-8年生杉木混交林土壤中的磷元素显著小于2年生刨花楠纯林。植物在生长初期，由于根茎的发育，对钾元素的吸收更加强烈[32]，因此2年生刨花楠纯林土壤中的全钾含量较低。刨花楠为速生树种，但前5 a 的生长速度较慢[33]，2年生刨花楠可能对土壤养分的吸收并不强，所以2年生刨花楠纯林和2年生刨花楠-8年生杉木混交林林下土壤的全氮、全磷和全钾含量在5 种种植模式中均处于一个较高水平。

Dollinger 等[34]的研究结果表明，混交林相较于纯林能更好地改善土壤养分。但本文的研究结果与其并不完全一致，8年生刨花楠纯林的土壤养分状况并不比8年生刨花楠混交林的养分状况差。土壤中有机质含量不仅受到林分类型的影响，还受到地被植物、枯落物分解速率等各方面的综合影响，且相同条件下阔叶树种的枯落物分解速率比针叶树种的枯落物分解速率快[35-36]，8年生刨花楠纯林枯落物中的有机质能更快地回归到土壤中，所以8年生刨花楠纯林土壤的有机质含量较其余种植模式大。C 和D 模式都为8年生刨花楠和杉木以及湿地松的混交林，但养分状况并不优良，表明刨花楠和杉木以及湿地松的混交林并不能改良土壤的养分状况。康希睿等[37]对杉木混交林进行了研究，比较了不同混交模式下杉木林的土壤肥力，结果表明混交林有较高的物种丰富度，对土壤养分的需求量更大，因此造成了混交林土壤肥力低于纯林的现象。

3.2 土壤分形维数及可蚀性对养分状况的响应

土壤分形维数的大小会影响土壤中有机质等营养元素的含量，学者普遍认为土壤分形维数是可以作为评价土壤养分状况的一个重要指标。本研究结果表明，土壤分形维数与土壤中的全氮和全磷含量呈显著负相关关系，但与土壤中其他营养元素含量均未达到显著相关性。杜仙雅等[38]、罗清虎等[39]和马俊杰等[40]探究了不同环境下土壤分形维数的变化规律，研究结果表明，随着土壤中有机质等含量的增加，土壤的分形维数逐渐减小。本研究发现，土壤分形维数与有机质或者全氮等营养元素含量呈负相关关系。因为土壤分形维数越大，则土壤越紧实，土壤孔隙度越低，不利于营养元素在土壤中的运移以及分解。但是贾国梅等[41]、曲聪聪等[42]的研究结果与本文相反，土壤分形维数的大小与有机质或者全氮等营养元素含量之间呈正相关关系。部分学者认为，土壤分形维数越大，土壤的细颗粒物越多，比表面积就越大，所以能够吸附更多的营养元素在颗粒表面。根据毛旭芮等[43]的研究，土壤可蚀性与有机碳含量之间有着显著的负相关关系，与本研究结果并不一致。本文中，土壤的可蚀性整体较低，且各种植模式下土壤的可蚀性差异并不明显，可能由于研究区内翻耕等人为活动，土壤的自然结构受到了影响，因此土壤的可蚀性与有机质之间关系不显著。土壤机械组成在一定程度上决定了土壤的养分状况[44]，土壤可蚀性大小同样受到机械组成的影响，通过对土壤可蚀性和养分状况进行相关性分析得出，土壤可蚀性与土壤的全钾含量之间存在显著相关性。因此判断土壤养分状况时，不仅可以将土壤分形维数作为一个重要指标，土壤可蚀性也可以作为一个参考依据，用来判断土壤的养分状况。

3.3 不同种植模式下的土壤分形维数与可蚀性

土壤颗粒大小是影响土壤分形维数的主要因素之一[45-46]。以前众多学者的研究结果表明，土壤分形维数与土壤砂粒含量呈负相关关系，与土壤粉粒和黏粒含量则呈正相关关系[47-49]，进一步得出土壤分形维数与中值粒径之间的关系为负相关。通过比较不同刨花楠种植模式下土壤的分形维数，发现土壤分形维数主要受到砂粒和黏粒含量的影响，分形维数越大，砂粒含量越少，黏粒含量越多，且中值粒径越小。本文的研究结果表明，2年生刨花楠纯林与混交林之间土壤的分形维数与可蚀性并无显著的关系，而8年生刨花楠纯林与混交林之间土壤的分形维数与可蚀性同样差异不显著。2年生刨花楠纯林和2年生刨花楠-8年生杉木混交林林下土壤的分形维数显著小于其它3 种模式，说明了随着林龄的增长，土壤的砂粒含量减少，黏粒含量增多，从而土壤的分形维数会增大。

黄冠华等[26]的研究结果与本文的基本一致，土壤的机械组成决定了土壤可蚀性大小。在本试验中，土壤可蚀性大小主要由粉粒和黏粒含量决定，随着土壤粉粒含量的增加以及黏粒含量的减少，可蚀性逐渐增大。但在不同种植模式下的土壤可蚀性之间并无显著的差异，所以种植模式对土壤可蚀性大小并无显著的影响。

随着林龄的不断增大，植物地下根系会逐渐发达，土壤的颗粒组成和孔隙状况随之会受到影响，从而改变土壤的结构特性[13]。因此，随着植物的生长，土壤的分形维数和可蚀性会发生改变。应该对婺源生态林场土壤的分形维数和可蚀性进行常年追踪，通过对多年生植被林下土壤的分形维数和可蚀性进行比较，研究不同种植模式下土壤的变化规律。

本研究对该林场的观察研究时间较短，今后应对该林场所布置的样地进行长期观测，进一步探究种植年限对刨花楠不同种植模式下土壤的影响，以期为华东地区人工林栽培提供更加科学的参考。