夏江寶，顧祝軍，周峰，劉京濤，彭紹云

(1.濱州學(xué)院，山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，256603，山東濱州;2.南京曉莊學(xué)院生物化工與環(huán)境工程學(xué)院，211171，南京;3.福建省長(zhǎng)汀縣水土保持監(jiān)測(cè)站，366300，福建長(zhǎng)汀)

土壤分形理論在土壤結(jié)構(gòu)、水分特征及溶質(zhì)運(yùn)移等方面具有廣泛應(yīng)用，依據(jù)土壤顆粒分形維數(shù)研究土壤理化性狀方面的報(bào)道［1－3］很多。分形理論也已成為土壤復(fù)雜性和不規(guī)則性定量化研究的一種有效工具，可推動(dòng)土壤形態(tài)、過(guò)程等復(fù)雜問(wèn)題的解決［4－5］。運(yùn)用分形理論研究不同植被恢復(fù)措施后土壤顆粒的分形特征，評(píng)價(jià)其土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)組成及其均勻程度，對(duì)實(shí)施不同水土保持修復(fù)措施具有重要理論和實(shí)踐意義。福建省長(zhǎng)汀縣是我國(guó)典型的中亞熱帶紅壤生態(tài)系統(tǒng)，也是我國(guó)南方花崗巖紅壤丘陵區(qū)典型的水土流失區(qū)之一，從20 世紀(jì)80 年代就相繼采取了許多水土流失治理措施，使水土流失得到一定程度的恢復(fù)。由于長(zhǎng)汀縣水土流失的嚴(yán)重性、典型性、治理工作的長(zhǎng)期性和相對(duì)連續(xù)性，學(xué)術(shù)界已經(jīng)把長(zhǎng)汀縣水土流失治理的研究工作作為福建省乃至我國(guó)南方亞熱帶紅壤丘陵區(qū)水土流失治理的一個(gè)典型區(qū)［6－9］。近年來(lái)，在長(zhǎng)汀縣關(guān)于土壤侵蝕規(guī)律［7－8］、植被恢復(fù)措施及其效益評(píng)價(jià)［6，9－11］等方面的研究較多，但在南方紅壤丘陵區(qū)，有關(guān)不同植被類型土壤顆粒分形特征、土壤水分物理特征及其相互關(guān)系的研究報(bào)道較少。為探索不同植被恢復(fù)措施對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)及其水分生態(tài)特征的影響，筆者選取南方紅壤丘陵區(qū)福建省長(zhǎng)汀縣經(jīng)濟(jì)林、針闊混交林、喬灌混交林及針葉林4 種典型植被類型為研究對(duì)象，運(yùn)用土壤分形學(xué)和水文物理學(xué)原理與方法，研究不同植被類型的土壤顆粒組成、土壤分形維數(shù)、土壤基本物理性狀及土壤貯蓄水分特性，以期闡明南方紅壤丘陵區(qū)不同植被類型土壤顆粒分形特征及其機(jī)制，明確不同植被類型土壤水分物理特征，初步探明不同植被恢復(fù)措施改良土壤的效應(yīng)，為南方紅壤丘陵區(qū)水土保持植被的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省西部的長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)(E 116°18'～116°31'，N 25°33'～25°48')，為閩贛2 省的邊陲要沖，屬低山丘陵地貌。氣候暖熱濕潤(rùn)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.5 ～18.8 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃，地表極端最高氣溫76.6 ℃，年均降水量1 737.1 mm，其中3—6 月降水量占全年降水量的60%以上，且多暴雨。土壤為黑云母花崗巖風(fēng)化形成的紅壤，含沙量大，風(fēng)化殼深厚。由于歷史上較長(zhǎng)時(shí)間的人為干擾原因，水土流失極為嚴(yán)重，是我國(guó)中亞熱帶典型的花崗巖紅壤嚴(yán)重侵蝕區(qū)。花崗巖發(fā)育的紅壤抗蝕能力弱，原始植被多遭破壞，現(xiàn)有植被主要為馬尾松(Pinus massoniana)、板栗(Castanea mollissima Blume)、木荷(Schima superba Gardn et Champ)灌叢和荒草坡等次生植被和人工植被;灌木層主要為野漆(Toxicodendron succedaneum)、小葉赤楠(syzygium grijsii(Hance) Merr.et Perry)、黃梔子(Gardenia jasminoides)、毛冬青(Llex pubescens Hook)、油茶(Camellia oleifera)等;林下草本層主要有狗脊(Woodwardia japonica)、芒萁(Dicranop teris dichotoma)、地菍(Melastoma dodecandrum)等草本植物。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

2011 年7 月，在長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)露湖村附近，選取經(jīng)濟(jì)林板栗、針闊混交林(馬尾松+木荷)、喬灌混交林(馬尾松+油茶+小葉赤楠)、針葉林(馬尾松)4 種典型植被類型為研究對(duì)象，并以較少芒萁和狗脊生長(zhǎng)的草地為裸地對(duì)照。對(duì)不同植被類型標(biāo)準(zhǔn)地的坡度、坡向、坡位等立地因子，及林齡、林分密度、郁閉度、標(biāo)準(zhǔn)木樹高、胸徑等林分生長(zhǎng)狀況指標(biāo)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。不同植被類型立地因子和林分生長(zhǎng)狀況見表1。

2.2 土壤樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

在各植被類型的3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地(20 m×30 m)內(nèi)，按S 型均勻布設(shè)4 個(gè)采樣點(diǎn)，分0 ～20、20 ～40 cm層進(jìn)行采樣與各指標(biāo)的測(cè)定。樣品風(fēng)干處理后，采用機(jī)械篩分法(振篩法)測(cè)定土壤粒徑質(zhì)量分布，利用楊培嶺等［12］推導(dǎo)出的模型計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)。

式中:D 為土壤顆粒分形維數(shù);di為2 相鄰粒級(jí)di與di+1間土粒平均直徑，mm;dmax為最大粒級(jí)土粒平均直徑，mm;mi為直徑小于di的累積質(zhì)量，g;m0為土壤樣品總質(zhì)量，g。具體應(yīng)用時(shí)，首先求出土壤樣品不同粒徑di的lg(di/dmax)和lg(mi/m0)值，并將二者進(jìn)行線性擬合，分析求得斜率K，則土壤分形維數(shù)為D=3－K。

表1 不同植被類型立地因子和林分生長(zhǎng)狀況Tab.1 Stand growth status and site factors under different vegetation types

采用烘干法測(cè)定土壤含水量，環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤密度和孔隙度等各項(xiàng)水分物理參數(shù)［13］，并由公式計(jì)算一定土層深度內(nèi)的毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量［14］。按0.2 m 深度計(jì)算。其中，土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量的計(jì)算公式如下:

式中:Mh為土壤涵蓄降水量，mm;Mb為飽和蓄水量，mm;Mw為土壤含水量，mm;Mx為土壤有效涵蓄量，mm;Mm為毛管蓄水量，mm。

在Microsoft Excel 2003 統(tǒng)計(jì)軟件中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖，方差分析、多重比較和相關(guān)分析分別采用SPSS13.0 統(tǒng)計(jì)軟件中的one－way ANOVA、LSD(α=0.05 和0.01)和Peareson 相關(guān)分析方法完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤顆粒組成

不同植被類型不同粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量含量見表2?？梢钥闯?，不同植被類型不同粒徑范圍土壤顆粒的質(zhì)量含量差異顯著(P ＜0.01)。在0 ～40 cm 土層中，以粗砂礫質(zhì)量含量最高，變幅為51.00%～56.31%，平均為53.91%;針闊混交林、喬灌混交林為細(xì)砂礫質(zhì)量含量較高，分別為33.03%和34.71%，而經(jīng)濟(jì)林、針葉林、裸地以石礫質(zhì)量含量較高，分別為 35.90%、29.32% 和33.93%;不同植被類型粉黏粒質(zhì)量含量最低，變幅為2.51%～8.83%，平均為5.66%。表明紅壤丘陵區(qū)土壤中粗砂粒和石礫質(zhì)量含量顯著高于細(xì)砂礫質(zhì)量含量，而粉黏粒質(zhì)量含量最低。從植被類型來(lái)看，以石礫質(zhì)量含量差別最大，差值為25.91%，表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林＞裸地＞針葉林＞喬灌混交林＞針闊混交林，其次為粗砂粒，質(zhì)量含量差值在15.42% ～15.61%之間，表現(xiàn)為針闊混交林＞喬灌混交林＞裸地＞經(jīng)濟(jì)林＞針葉林，細(xì)砂礫質(zhì)量含量和粉黏粒質(zhì)量含量差值分別為6.27%～9.45%、6.81%，二者均表現(xiàn)為針闊混交林＞喬灌混交林＞針葉林＞經(jīng)濟(jì)林＞裸地。上述分析表明，植被建設(shè)具有顯著提高紅壤丘陵區(qū)土壤細(xì)砂礫質(zhì)量含量和粉黏粒質(zhì)量含量的作用。

表2 不同植被類型不同粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量含量Tab.2 Mass fraction of different soil particle size under different vegetation types

3.2 不同植被類型土壤顆粒分形維數(shù)

不同植被類型土壤顆粒的分形維數(shù)見圖1?？梢钥闯?，不同植被類型土壤顆粒組成的分形維數(shù)差異顯著(P ＜0.05)，0 ～20 cm 土層變動(dòng)范圍在2.104 0 ～2.457 7 之間，20 ～40 cm 土層變動(dòng)范圍在2.070 7 ～2.433 7 之間。各植被類型土壤顆粒的分形維數(shù)明顯高于裸地，其中針闊混交林、喬灌混交林明顯高于針葉林，而經(jīng)濟(jì)林較低。從垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，土壤分形維數(shù)表層(0 ～20 cm)大于20 ～40 cm 土層，表層土壤分形維數(shù)較高的原因主要與枯落物有關(guān)，枯落物不僅可以攔截黏粒等細(xì)粒物質(zhì)，還可以增加土壤養(yǎng)分含量，有機(jī)質(zhì)與黏粒膠結(jié)凝聚和沉積提高了土壤顆粒的分形維數(shù)［2－3］。綜合分析可知，針闊混交林、喬灌混交林及針葉林具有降低土壤石礫質(zhì)量含量，增加土壤細(xì)砂礫和粉黏粒質(zhì)量含量的作用，土壤顆粒分形維數(shù)被提高;經(jīng)濟(jì)林中石礫質(zhì)量含量增加，降低粉黏粒質(zhì)量含量作用不顯著，因此，其土壤顆粒分形維數(shù)與裸地相差不大。

3.3 不同植被類型土壤物理特征

圖1 不同植被類型土壤顆粒的分形維數(shù)Fig.1 Fractal dimension of soil particle size distribution under different vegetation types

不同植被類型土壤物理特征見表3?？梢钥闯?與裸地相比，不同植被類型土壤密度均有降低趨勢(shì)，各植被類型的土壤密度大小依次為針闊混交林＜喬灌混交林＜針葉林＜經(jīng)濟(jì)林＜裸地，與裸地相比，分別下降9.9%、7.9%、7.3%和5.0%;4 種植被類型的土壤總孔隙度、毛管孔隙度較裸地均有所增加，均表現(xiàn)為針闊混交林＞喬灌混交林＞針葉林＞經(jīng)濟(jì)林＞裸地，其中針闊混交林、喬灌混交林、針葉林及經(jīng)濟(jì)林的土壤總孔隙度分別比裸地增加18.9%、15.4%、14.6%和9.9%?？梢娀旖涣旨搬樔~林土壤有效水的貯存容量較大，樹木根系對(duì)水分的潛在有效利用率較高。土壤孔隙比反映了土壤的密實(shí)程度，一般孔隙比小于0.6 是密實(shí)的低壓縮性土，大于1.0 是疏松的高壓縮性土，結(jié)構(gòu)良好的耕層土壤孔隙比應(yīng)≥1.0。4 種植被類型的孔隙比在0.69 ～0.84 之間，均高于裸地，但仍低于疏松的高壓縮性土，其中針闊混交林、喬灌混交林、針葉林及經(jīng)濟(jì)林分別是裸地的1.34、1.27、1.26 和1.17 倍。表明混交林的土壤透水性、通氣性和持水能力優(yōu)于純林，并且針闊混交林好于喬灌混交林，純林中針葉林地表現(xiàn)出較好的疏松性，而經(jīng)濟(jì)林地相對(duì)較差。從垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，不同植被類型土壤密度表層低于20 ～40 cm 土層，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及孔隙比土壤表層高于20 ～40 cm 土層，但非毛管孔隙度經(jīng)濟(jì)林地表現(xiàn)為表層低于20 ～40 cm 土層，可能與耕作措施及人為干擾有一定關(guān)系。上述分析表明，不同植被類型土壤表層通氣、透水性能及涵養(yǎng)水源能力好于20 ～40 cm 土層，可能與表層枯落物及腐殖質(zhì)較厚有一定關(guān)系。

表3 不同植被類型土壤物理特征Tab.3 Soil physical characteristics under different vegetation types

3.4 不同植被類型土壤蓄水性能

不同植被類型土壤蓄水性能見表4。可以看出:不同植被類型土壤40 cm 飽和蓄水量均高于裸地，其中針闊混交林、喬灌混交林、針葉林、經(jīng)濟(jì)林飽和蓄水量分別是裸地的1.20、1.16、1.14 和1.10倍，表明減少地表徑流和防止土壤侵蝕功能方面針闊混交林較好，其次為喬灌混交林和針葉林，而經(jīng)濟(jì)林相對(duì)較差;毛管蓄水量表現(xiàn)為針闊混交林＞針葉林＞喬灌混交林＞經(jīng)濟(jì)林＞裸地，分別比裸地增加16.4%、14.2%、9.8%和7.4%，表明針闊混交林及針葉林吸持水分供其正常生理活動(dòng)所需的有效水分較多，喬灌混交林、針闊混交林、經(jīng)濟(jì)林及針葉林非毛管蓄水量分別是裸地的1.62、1.40、1.31 和1.18倍，表明涵養(yǎng)水源能力方面混交林較好，暫時(shí)貯存水分能力較強(qiáng)。綜合分析，混交林在涵養(yǎng)水源和供給植物有效水利用方面均好于純林和裸地，其中針闊混交林保持水土、涵養(yǎng)水源能力最高。

土壤蓄水性能與土壤前期含水量密切相關(guān)，當(dāng)土壤濕度大時(shí)，土壤蓄水量減少，即使降雨量很小，也會(huì)產(chǎn)生地表徑流。本次測(cè)定時(shí)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量含水量差異不顯著，均值為15.92%。與裸地相比，針闊混交林、針葉林、經(jīng)濟(jì)林及喬灌混交林土壤涵蓄降水量分別增加26.8%、13.3%、6.1%和2.4%。土壤有效涵蓄量可反映供植物利用的潛在土壤有效蓄水量，大小表現(xiàn)為針闊混交林＞針葉林＞裸地＞經(jīng)濟(jì)林＞喬灌混交林。上述分析表明:針闊混交林對(duì)土壤的改良作用不但能較好地減少地表徑流、防止土壤侵蝕，而且還能夠提供供植物生長(zhǎng)所必需的水分條件;在涵蓄降雨、減少水土流失方面，針葉林效果較好，其次為喬灌混交林，而經(jīng)濟(jì)林由于人為干擾的影響，在涵蓄降雨及有效水分供給等方面效果稍差。從垂直變化來(lái)看，除經(jīng)濟(jì)林的非毛管蓄水量這一指標(biāo)外，其他植被類型均表現(xiàn)為表層蓄水能力高于20 ～40 cm 土層，可見，在植被恢復(fù)后的表土層，根系微生物活動(dòng)及枯枝落葉的分解改善了土壤顆粒組成、密度和孔隙度狀況，從而使有林地表現(xiàn)出較好的水分貯存及利用效能。

3.5 土壤分形維數(shù)與水分物理參數(shù)的相關(guān)性

土壤與植被類型之間存在著相互作用，不同植被類型不但影響土壤基本理化參數(shù)，同樣通過(guò)影響土壤的發(fā)育、改變土壤中各粒級(jí)顆粒的比例，進(jìn)而影響土壤的分形維數(shù)［3，15］。土壤顆粒的分形維數(shù)對(duì)不同粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量含量的反映程度不同［3，15－16］。相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明:分形維數(shù)與土壤顆粒大小密切相關(guān)，其中與土壤中粉黏粒質(zhì)量含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤中細(xì)顆粒越多，即粉黏粒質(zhì)量含量越高，分形維數(shù)越高;其次與總孔隙度、飽和蓄水量、孔隙比也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.873 ～0.876 之間，表明分形維數(shù)越高，其土壤通氣透水及涵蓄水分能力也越高。而分形維數(shù)與石礫質(zhì)量含量、土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，即土壤顆粒2 ～1 mm質(zhì)量含量越高或土壤越密實(shí)，則土壤分形維數(shù)越低。土壤分形維數(shù)與非毛管孔隙度、非毛管蓄水量、涵蓄降水量及有效涵蓄量相關(guān)性不顯著，即土壤分形維數(shù)在反映不同植被類型的潛在或有效蓄水量方面不是很明顯。

表4 不同植被類型土壤蓄水性能Tab.4 Soil water storage capacity under different vegetation types

表5 土壤分形維數(shù)與水分物理參數(shù)的相關(guān)性(n=96)Tab.5 Correlation between soil fractal dimension and soil moisture physical parameters(n=96)

4 結(jié)論

1) 紅壤丘陵區(qū)不同植被類型對(duì)土壤顆粒組成及分形維數(shù)大小影響顯著。該區(qū)域土壤中粗砂粒和石礫質(zhì)量含量顯著高于細(xì)砂礫質(zhì)量含量，而粉黏粒質(zhì)量含量最低。植被建設(shè)具有顯著提高侵蝕紅壤丘陵區(qū)土壤細(xì)砂礫質(zhì)量含量和粉黏粒質(zhì)量含量的作用，其中混交林作用程度高于純林，并且針闊混交林高于喬灌混交林，針葉林高于經(jīng)濟(jì)林。土壤分形維數(shù)均值大小表現(xiàn)為針闊混交林＞喬灌混交林＞針葉林＞經(jīng)濟(jì)林＞裸地，并且土壤分形維數(shù)表土層(0 ～20 cm)大于20 ～40 cm 土層。

2) 與裸地相比，紅壤丘陵區(qū)植被建設(shè)具有降低土壤密度，增加土壤孔隙度的功能，其中土壤密度均值表現(xiàn)為針闊混交林＜喬灌混交林＜針葉林＜經(jīng)濟(jì)林，并且表土層低于20 ～40 cm 土層，而土壤總孔隙度、毛管孔隙度及孔隙比大小變化規(guī)律則與之相反。

3) 土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量隨植被類型的不同表現(xiàn)出一定差異，表土層蓄水能力好于20 ～40 cm 土層，其中0 ～40 cm 土層飽和蓄水量表現(xiàn)為針闊混交林＞喬灌混交林＞針葉林＞經(jīng)濟(jì)林。在土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力方面，混交林均好于純林，其中針闊混交林的理水調(diào)洪和涵養(yǎng)水源能力最好。土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量表現(xiàn)為針闊混交林最好，其次為針葉林，而經(jīng)濟(jì)林和喬灌混交林較差。

4) 紅壤丘陵區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)主要受粉黏粒質(zhì)量含量的影響，與總孔隙度、飽和蓄水量、孔隙比呈極顯著正相關(guān)，與石礫質(zhì)量含量、土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與非毛管孔隙度、非毛管蓄水量、涵蓄降水量及有效涵蓄量相關(guān)性不顯著。

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