夏江寶，張淑勇，王榮榮，趙艷云，孫景寬，劉京濤，劉 慶

(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， 濱州 256603；2. 山東省黃河三角洲野生植物資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心， 濱州 256603； 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 泰安 271018)

貝殼堤島3種植被類型的土壤顆粒分形及水分生態(tài)特征

夏江寶1,2，張淑勇1,3，*，王榮榮1,3，趙艷云1，孫景寬1，劉京濤1，劉 慶1

(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， 濱州 256603；2. 山東省黃河三角洲野生植物資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心， 濱州 256603； 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 泰安 271018)

運(yùn)用土壤粒徑質(zhì)量分布原理與分形學(xué)理論，以黃河三角洲貝殼堤島的3種植被類型為研究對象，以裸地為對照，測定分析土壤顆粒分形維數(shù)、粒徑組成和水分物理參數(shù)，探討不同植被類型的土壤顆粒分形特征及其影響因素。結(jié)果表明：貝殼砂土壤中粗砂粒含量最高；其次是細(xì)砂粒，而石礫和粉粘粒含量較低。灌木林地和草地具有降低石礫、粗砂粒，增加細(xì)砂粒和粉粘粒含量的作用。不同植被類型土壤顆粒分形維數(shù)均值在1.5845—1.9157之間，大小依次為酸棗林、杠柳林和草地，表層高于20—40cm土層。酸棗林、杠柳林及草地0—40cm土壤容重均值分別比裸地低23.87%，14.51%和10.47%；總孔隙度均值分別比裸地增加16.96%，16.71%和1.31%。植被恢復(fù)措施對貝殼砂表層的孔隙結(jié)構(gòu)、疏松程度改善較好，草地及灌木林地的蓄水性能均表現(xiàn)為0—20cm高于20—40cm。土壤顆粒分形維數(shù)與粉粘粒含量、毛管孔隙度、總孔隙度、飽和蓄水量、吸持蓄水量等呈極顯著正相關(guān)，與細(xì)砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與粗砂粒含量和容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與石礫含量、非毛管孔隙度、滯留蓄水量的相關(guān)性不大。從土壤分形維數(shù)及其水分生態(tài)特征來看，貝殼堤島3種植被類型的改良土壤物理性質(zhì)及蓄水保土功能表現(xiàn)為灌木林好于草地，其中酸棗林好于杠柳林，0—20cm好于20—40cm土層。

分形維數(shù)；土壤粒徑分布；土壤水分；植被類型；貝殼堤島

土壤顆粒分形特征不但表征土壤粒徑的大小組成及孔隙分布[1- 2]，還能反映土壤水力學(xué)特征[3]、土壤質(zhì)地均勻程度及通氣透水性[4- 5]及土壤肥力[6]等特性。利用粒徑的重量分布描述土壤顆粒組成的分形維數(shù)具有求解精確、簡便的特點(diǎn)[7- 9]，因此，這一方法得到廣泛應(yīng)用。目前對土壤顆粒分形特征的研究已有傳統(tǒng)的分形維數(shù)與不同土壤質(zhì)地關(guān)系的分析[8- 9]集中到某一具體立地類型、同種土壤質(zhì)地下的不同土地利用方式或植被恢復(fù)措施效益分析及土壤質(zhì)量評價(jià)等方面，如用土壤顆粒分形特征反映科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變過程[10]、庫布齊沙漠沙柳沙障構(gòu)建方式優(yōu)劣[11]、沂蒙山區(qū)的植被恢復(fù)效果[12]、土石山區(qū)林地土壤質(zhì)量評價(jià)[5,13]、黃河三角洲灘地[6]及黃土丘陵溝壑區(qū)[14]土地利用類型比較、退耕還湖安慶沿江濕地土壤演變狀況[15]等，同時(shí)也從單一的土壤顆粒分形向不同土壤類型的多重分形維數(shù)轉(zhuǎn)變[14,16- 19]。

貝殼堤是淤泥質(zhì)或粉砂質(zhì)海岸所特有的一種灘脊類型，黃河三角洲的濱州市無棣、沾化縣境內(nèi)分布著兩道貝殼堤，與天津、河北的貝殼堤相連，組成規(guī)模宏大、國內(nèi)獨(dú)有的貝殼灘脊海岸，與美國圣路易斯安娜州和南美蘇里南的貝殼堤并稱為世界三大古貝殼堤，在世界第四紀(jì)地質(zhì)和海岸地貌研究中占有極其重要的位置[20]。貝殼堤島這一獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，目前對黃河三角洲貝殼堤島的研究主要集中在貝殼堤島脆弱生態(tài)系統(tǒng)特征及其保護(hù)管理對策[20- 21]、植被及微生物分布特征[22]、典型灌草生理生態(tài)特征[23- 24]及貝殼沙中微量元素含量和形態(tài)特征[25]等方面，而對該區(qū)域主要灌草植被恢復(fù)措施下的貝殼砂土壤顆粒分形特征及其影響因素的分析尚未見報(bào)道。鑒于此，本文以黃河三角洲貝殼堤島的杠柳(PeriplocasepiumBunge)林、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosaHu)林及砂引草(MesserschmidiasibiricaLinn.)草地3種植被類型為研究對象，并以裸地為對照，運(yùn)用土壤單重分形學(xué)原理與方法，測定分析貝殼堤島不同植被類型的土壤顆粒分形維數(shù)、顆粒組成、容重、孔隙度及蓄水性能等指標(biāo)，探討不同植被類型對土壤物理結(jié)構(gòu)的改良作用，闡明貝殼砂植被恢復(fù)措施下的土壤顆粒分形特征及其影響因素，以其為貝殼砂生境下的土壤顆粒分形學(xué)機(jī)制奠定基礎(chǔ)，為黃河三角洲貝殼堤島灌草種類選擇及模式構(gòu)建提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 研究地概況

圖1 貝殼堤島不同植被類型的土壤采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic map of sampling sites of soil under different vegetation types in Shell Island

本研究選擇在山東濱州市無棣縣中東部濱海低地的汪子島(38°02′51″—38°21′06″N，117°46′58″—118°05′43″E)，總面積約435.4km2，位于濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)內(nèi)(圖1)。該保護(hù)區(qū)屬于暖溫帶東亞季風(fēng)大陸性半濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量為550mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的71%以上；多年平均蒸發(fā)量為2430.6 mm，蒸降比為4.4。多年平均氣溫為12.36℃，極端最低氣溫為-25.3℃，極端最高氣溫為37.5℃；多年平均日照2849 h/a，平均無霜期205d。貝殼堤島地勢平坦，海拔一般在5m以下，潛水水位淺，礦化度高。貝殼砂平均厚度達(dá)1.0—2.5m，局部達(dá)3—4m，土壤類別主要是貝殼砂土類和濱海鹽土類，向海側(cè)和向陸側(cè)以濱海鹽漬土為主，成土母質(zhì)由風(fēng)積物和鈣質(zhì)貝殼土壤化組成。植被類型以草本、灌木為主，現(xiàn)有樹種較少，受自然因素和平島挖砂等人類活動的影響，貝殼堤島植被主要種如杠柳、酸棗、檉柳(TamarixchinensisLour)等形成的天然次生灌木林在逐步減少，草本以砂引草、獐毛(Aeluropussinessis(Debeaux)Tzvel)、二色補(bǔ)血草(Limoniumbicolor(Bunge) O.Ktunze)等為主。

2 研究材料與方法

2.1 研究樣地

在貝殼堤島灌草植被集中分布的灘脊地帶，選擇生境條件一致的酸棗、杠柳天然次生灌木林，及以砂引草為主的草地為試驗(yàn)樣地，并以相同地段的貝殼砂裸地作為對照。酸棗林平均樹高1.65m，平均基莖1.38cm，林分郁閉度0.85，覆蓋度90%，樹齡平均為8a生，林下草本以青蒿(ArtemisiacarvifoliaBuch.)、地膚 (Kochiascoparia(Linn.)Schrad) 、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)為主。杠柳林平均樹高1.36m，平均基莖1.21cm，林分郁閉度0.75，覆蓋度85%，樹齡平均為6a生，林下草本以狗尾草(Setariaviridis(Linn.)Beauv.)、鵝絨藤(Cynanchumchinense(Thunb.)Mak.)為主。砂引草為多年生草本，主要借根狀莖的延伸進(jìn)行無性繁殖，水分適宜時(shí)，也能用正常的種子繁殖，株高平均為0.38m，覆蓋度65%，伴生種有青蒿和地膚。

2.2 土壤樣品的采集與測定

在每種植被類型內(nèi)設(shè)置3個(gè)面積為10m×10m的樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)按S形選取5個(gè)測點(diǎn)，取0—20cm以及20—40cm土層的土壤樣品，把同一樣地5個(gè)土壤樣品分層混勻后，進(jìn)行風(fēng)干處理。烘干法測定土壤含水量，環(huán)刀浸水法測定土壤容重和孔隙度等參數(shù)[26]，并由公式計(jì)算一定土層深度內(nèi)的吸持蓄水量、滯留蓄水量和飽和蓄水量[27]，本研究按0.2 m深度計(jì)算。樣品風(fēng)干處理后，采用機(jī)械篩分法與比重計(jì)法測定土壤粒徑質(zhì)量分布，粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國制和參照文獻(xiàn)[12]?；赥urcotte[28]和Sperry[29]等土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算公式，利用Tyler等[3]和楊培嶺等[7]推導(dǎo)出的新模型公式，土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算公式可表示如下：

(1)

式中,D為土壤顆粒分形維數(shù)；di為兩相鄰粒級di與di+1間土粒平均直徑(mm)；dmax為最大粒級土粒平均直徑(mm)；Wi為直徑小于di的累積質(zhì)量(g)；W0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(Wi/W0)值，并將兩者進(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。具體的土壤粒徑計(jì)算原理及推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)[8,11]。采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件中的one-way ANOVA、LSD(α=0.05， 0.01和0.001)和Peareson相關(guān)分析方法分別進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤顆粒組成與分形維數(shù)

3.1.1 不同植被類型的土壤顆粒組成

由表1可知，貝殼砂土壤中，粗砂粒含量最高，在50.15%—72.30%之間，平均為61.31%；其次為細(xì)砂粒，含量在8.65%—32.65%之間，平均為19.97%；而石礫和粉粘粒含量相對較低，石礫含量在12.65%—20.13%之間，平均為17.33%；粉粘粒含量在0.25%—4.92%之間，平均僅為1.39%。表明貝殼砂生境內(nèi)粗砂粒、細(xì)砂粒含量顯著高于石礫、粉粘粒，具有壤質(zhì)砂土特點(diǎn)，屬于多礫質(zhì)粗砂土的范疇[8]。不同植被類型土壤粒徑的質(zhì)量分布差異極顯著(F=380.449，Sig.=0.000，Plt;0.001)，3種植被類型0—40cm貝殼砂土壤剖面中石礫含量差異極顯著(F=12.234，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次為草地lt;杠柳林lt;酸棗林lt;裸地，分別比裸地低20.43%、16.87%和3.98%。粗砂粒含量差異極顯著(F=11.205，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次為酸棗林lt;杠柳林lt;草地lt;裸地，分別比裸地低15.85%、11.78%和2.76%。細(xì)砂粒含量差異極顯著(F=8.740，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次為杠柳林gt;酸棗林gt;草地gt;裸地，分別比裸地高71.37%、62.10%和38.33%。粉粘粒含量差異極顯著(F=14.727，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次為酸棗林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地，分別是裸地的8.26、4.08和2.18倍。表明灌木林地和草地具有減小石礫和粗砂粒含量，增加細(xì)砂粒和粉粘粒含量的作用，即植被恢復(fù)措施，具有使貝殼砂由粗粒徑向細(xì)粒徑轉(zhuǎn)變的效能。在垂直結(jié)構(gòu)上，不同植被類型不同顆粒分布表現(xiàn)出一定的差異，占主要成分的粗砂粒均表層低于20—40cm，細(xì)砂粒除草地差異不顯著外(Pgt;0.05)，其他均表現(xiàn)為表層高于20—40cm。占百分比最少的粉粘粒含量均表現(xiàn)為表層高于20—40cm，石礫含量除杠柳林外，其他均表現(xiàn)為表層高于20—40cm。

表1 各植被類型土壤中不同粒徑范圍土壤顆粒質(zhì)量與總質(zhì)量百分比

3.1.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粒級分布的關(guān)系

3種植被類型及裸地0—40cm土壤顆粒分形維數(shù)差異極顯著(F=24.70，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小表現(xiàn)為酸棗林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地(圖2)，與裸地相比，分別增加36.52%，23.67%，12.92%。在垂直結(jié)構(gòu)上，土壤顆粒分形維數(shù)均表現(xiàn)為表層高于20—40cm土層，差異均極顯著(Plt;0.001)。不同土壤層次顆粒分形維數(shù)大小均表現(xiàn)為酸棗林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地，0—20cm分形維數(shù)分別比裸地高48.39%、32.75%和15.69%；20—40cm分形維數(shù)分別比裸地高23.96%、14.07%和9.98%。表明不同的植被恢復(fù)措施對貝殼砂土壤分形維數(shù)影響較大，并且隨著貝殼砂深度的不同，其分形維數(shù)也表現(xiàn)出較大差異。

土壤顆粒分形維數(shù)對各個(gè)粒級土粒含量的反映程度不同，為確定分形維數(shù)與各粒級含量的關(guān)系，對分形維數(shù)與石礫、粗砂粒、細(xì)砂粒和粉粘粒的含量進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)。土壤顆粒分形維數(shù)與粉粘粒含量呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.940，Plt;0.01)，與細(xì)砂粒呈顯著正相關(guān)(r=0.771，Plt;0.05)，與粗砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.947，Plt;0.01)，與石礫含量的相關(guān)性不顯著(r=0.417，Pgt;0.05)?？梢?，貝殼砂生境下，土壤顆粒分形維數(shù)隨粉粘粒以及細(xì)砂粒含量的增加而增加，隨粗砂粒含量的增加而減少，其中，對土壤顆粒分形維數(shù)影響程度較大的是粗砂粒和粉粘粒含量，其次是細(xì)砂粒含量，石礫含量較小。

圖2 不同植被類型下的土壤顆粒分形維數(shù)Fig.2 Soil particle fractal dimension in different vegetation types

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與粒徑組成的相關(guān)性Fig.3 Relationships between soil fractal dimension and soil particle content

3.2 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重和孔隙度

各植被類型下的土壤容重均低于裸地(表2)，差異顯著(F=17.212，sig.=0.001，Plt;0.05)，其中0—40cm土壤容重均值酸棗林、杠柳林、草地，分別比裸地低23.87%，14.51%和10.47%?？偪紫抖炔町愶@著(F=9.607，sig.=0.005，Plt;0.05)，均值大小為酸棗林gt;杠柳林gt;草地，分別比裸地高16.96%，16.71%和1.31%，表明酸棗林的通氣透水性能較好，其次為杠柳林，草地較差。酸棗林和杠柳林的毛管孔隙度均值較高，差異不顯著(Pgt;0.05)，草地的毛管孔隙度與裸地接近，表明酸棗林和杠柳林土壤中有效水的貯存容量較大，利于植被根系對水分的有效利用，而草地在維持自身生長發(fā)育所貯存水分的潛能相對較低。非毛管孔隙度均值最大的為杠柳林，比裸地增加74.17%，涵養(yǎng)水源潛能相對較好；而酸棗林和草地差異不顯著(Pgt;0.05)，僅比裸地增加22.50%，12.71%。在垂直結(jié)構(gòu)上，土壤容重表現(xiàn)為表層低于20—40cm土層，總孔隙度和毛管孔隙度則與之相反。

表2 不同植被類型的土壤容重和孔隙度特征

圖4 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重和孔隙度的相關(guān)性Fig.4 Relationships between soil fractal dimension and soil density and porosity

圖5 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水量的相關(guān)性Fig.5 Relationships between soil fractal dimension and soil water-storage capacity

由圖4可知，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.928，Plt;0.01)，與毛管孔隙度、總孔隙度均呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.883，0.857，與非毛管孔隙度的相關(guān)性不顯著(r=0.350，Pgt;0.05)。可見，土壤顆粒分形維數(shù)對土壤容重和孔隙度狀況的反映程度不一樣，其中反映程度最大的是土壤容重，其次是毛管孔隙度，總孔隙度次之。表明貝殼砂生境下土壤容重越小，總孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤顆粒分形維數(shù)越大，但土壤顆粒分形維數(shù)難以反映非毛管孔隙度的大小。

3.3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水性能

不同植被類型下土壤飽和蓄水量(F=9.628，sig.=0.006，Plt;0.05)、吸持蓄水量(F=7.606，sig.=0.010，Plt;0.05)差異均顯著，均值大小均表現(xiàn)為酸棗林gt;杠柳林gt;草地(表3)，其中飽和蓄水量分別比裸地高16.94%、16.70%和1.30%，吸持蓄水量分別比裸地高16.63%，13.49%和0.66%。滯留蓄水量差異極顯著(F=25.011，sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小表現(xiàn)為杠柳林gt;酸棗林gt;草地，分別是裸地的1.74、1.23和1.13倍，表明酸棗林供給植物有效水利用較好，杠柳林涵養(yǎng)水源潛能較好，草地貯存水分的能力較差。在垂直結(jié)構(gòu)上，飽和蓄水量及吸持蓄水量均表現(xiàn)為土壤表層大于20—40cm。

表3 不同植被類型的土壤蓄水性能

土壤顆粒分形維數(shù)與飽和蓄水量(r=0.855，Plt;0.01)、吸持蓄水量(r=0.881，Plt;0.01)均呈極顯著正相關(guān)，與滯留蓄水量的相關(guān)性不明顯(r=0.340，Pgt;0.05)(圖5)。表明土壤顆粒分形維數(shù)對土壤蓄水指標(biāo)的反映程度不一樣，其中反映程度最大的是飽和蓄水量，其次是吸持蓄水量。即飽和蓄水量和吸持蓄水量越大，土壤顆粒分形維數(shù)越大，但土壤顆粒分形維數(shù)對滯留蓄水量的反映程度不高。

4 討論與結(jié)論

4.1 貝殼砂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤顆粒組成的關(guān)系

土壤顆粒組成與分形維數(shù)，除了與成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、物理化學(xué)風(fēng)化過程有關(guān)外[8- 9,30]，還與土地利用方式[6,14]、不同植被類型[5- 6,12]有一定關(guān)系。在相同地段、相同生境內(nèi)，植被可通過地表覆蓋、枯枝落葉層的攔截降雨、減弱風(fēng)蝕、水蝕等過程，保存了地表層的細(xì)沙粒及粉粘粒含量；同時(shí)枯落物形成的腐殖質(zhì)層及植物根系本身穿插、殘?bào)w及分泌物均可有效改變土壤物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，從而影響土壤的顆粒組成及分形維數(shù)[5- 6,12,16]。黃河三角洲貝殼堤島灘脊地帶的粗砂粒含量最高，其次為細(xì)砂粒，石礫和粉粘粒含量較低。研究表明，屬于潮土類型的黃河三角洲灘地有林地粉粒含量最高，但棉花地和荒草地砂粒含量最高[6]；屬于棕壤類型的冀北山地森林土壤中粗粉粒和沙粒含量顯著高于細(xì)黏粒、細(xì)粉粒，混交林的細(xì)粒含量均高于純林[13]?？梢姡悮ど吧硟?nèi)土壤主要來源于風(fēng)化的貝殼，顆粒組成相對較粗，但灌木林地及草地具有降低貝殼砂石礫、粗砂礫，增加細(xì)砂粒和粉粘粒的作用，并且0—20cm土層表現(xiàn)明顯，即植被措施具有較好的增加貝殼砂細(xì)顆粒含量的作用，并且灌木林地好于草地，這與其植被覆蓋度高、生物量大，根系發(fā)達(dá)有一定關(guān)系。

土壤粒徑大小及含量對土壤顆粒間的組合、孔隙大小、數(shù)量及幾何形態(tài)都起著決定作用[3,9,19]。我國不同質(zhì)地類型內(nèi)土壤分形維數(shù)按砂土類-壤土類-粘壤土類-粘土類四大類質(zhì)地順序，依次增大，測量范圍值在1.834—2.904之間，其中壤質(zhì)砂土最低，范圍值在1.834—2.641之間[8]。黃河三角洲灘地荒草地及有林地土壤顆粒分形維數(shù)在2.4657—2.6798之間[6]，山地森林土壤顆粒分形維數(shù)在2.0570—2.3739之間[13]，而貝殼砂土壤顆粒分形維數(shù)為1.3632—2.1416，明顯低于壤土、粘壤土及粘土類，表層高于20—40cm土層，3種植被類型的分形維數(shù)大小依次為酸棗林、杠柳林、草地，均值為1.7452，接近壤質(zhì)砂土的測量最低值1.834[8]，可見與山地森林或黃河灘地土壤相比，貝殼堤島的土壤粗顆粒較多，分形維數(shù)偏低。但貝殼堤島的灌木林及荒草地仍提高了相同生境下的分形維數(shù)，由裸地的1.4032增至酸棗林下的1.9157，增幅為36.52%，表明灌木林下貝殼砂變細(xì)，易形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，分形維數(shù)有增大趨勢，0—20cm土層這種改善作用較為明顯，酸棗林分形維數(shù)表層最高，這與其覆蓋度最大，分解層枯枝落葉豐厚易增加表層土壤養(yǎng)分含量和粉粘粒含量有一定關(guān)系。同時(shí)樹木根系的生長影響土壤的物理化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)，加快了土壤風(fēng)化的速度及腐殖質(zhì)的形成，有利于細(xì)砂粒物質(zhì)的固定[5,12,16]。而草地覆蓋度較低，枯落物儲量低，細(xì)小顆粒易被風(fēng)蝕掉，草本植物根系較淺且不發(fā)達(dá)，土壤易粗?；中尉S數(shù)較低。在無植被覆蓋的地方，因風(fēng)蝕而引起細(xì)顆粒和營養(yǎng)物質(zhì)被吹蝕，土壤有粗?；冎刳厔?，粗砂粒含量最多，保水性能差，植被生長困難，易惡變?yōu)閲?yán)重的退化沙化質(zhì)地[10- 11]。

科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變過程中[10]，黃河三角洲灘地不同土地利用方式下[6]，山地典型森林植被下[5,13]的土壤顆粒分形維數(shù)與土壤中砂粒、粗粉粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而與粘粒、粉粒含量呈顯著的正相關(guān)，這與本研究結(jié)果基本一致。貝殼砂土壤顆粒分形維數(shù)與粉粘粒含量呈極顯著正相關(guān)，與細(xì)砂粒呈顯著正相關(guān)，與粗砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，但與大粒徑石礫含量相關(guān)性不顯著，與相關(guān)研究表明土壤質(zhì)地由粗到細(xì)，分形維數(shù)由小到大的結(jié)論一致[3- 4,8- 9]，可見土壤顆粒分形維數(shù)在描述貝殼砂這一特殊土壤質(zhì)地是可行的。土壤顆粒分形維數(shù)對各個(gè)粒級土粒含量的反映程度有一定差異，總體表現(xiàn)為土壤顆粒組成或團(tuán)粒組成的分形維數(shù)是隨著土壤質(zhì)地變細(xì)而增大，隨粗粒徑砂粒含量的增加而變小，這一規(guī)律隨土壤質(zhì)地、土地利用方式或植被類型的不同略有差異，如冀北山地森林與黏粒含量相關(guān)性不顯著[13]，重慶四面山林地土壤分形維數(shù)與粉粒含量的相關(guān)性不顯著[5]，這可能與成土母質(zhì)、土壤粒徑分布范圍、含量及質(zhì)地均勻程度有關(guān)。

4.2 貝殼砂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤物理參數(shù)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)良好的土壤容重為1.25—1.35 g/cm3，水氣關(guān)系協(xié)調(diào)的土壤總孔隙度為40%—50%。貝殼堤島灌木林地及草地土壤容重在1.04—1.44 g/cm3，均低于裸地，總孔隙度為44.53%—56.66%，表明植被覆蓋對貝殼砂土壤物理結(jié)構(gòu)改善較好，灌木林地0—20cm總孔隙度達(dá)54.20%以上，土壤容重表層低于20—40cm土層，這與表層枯落物回歸土壤及腐殖質(zhì)層的形成有一定關(guān)系，較高的覆蓋度，在一定程度上減弱了風(fēng)蝕及降雨對土壤的沖刷淋蝕，且較多的殘次根系使毛管孔隙度增大，在一定程度上改善了土壤通氣狀況[5,12]。裸地總孔隙度偏低，容重偏大，可能與泥質(zhì)海岸上潮時(shí)攜帶的淤泥堆積有一定關(guān)系，而有植被覆蓋的地方，除了植被本身的改良土壤效應(yīng)外，向海側(cè)的酸棗、杠柳及檉柳等沖浪林帶能有效抵擋潮灘淤泥。

山地森林土壤分形維數(shù)與土壤容重呈正相關(guān)，與總孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]。一般而言，土壤分形維數(shù)越高，土壤質(zhì)地越粘重，通透性越差；分形維數(shù)越低，土壤結(jié)構(gòu)越松散[9]。但來源于風(fēng)化未全的貝殼砂，土壤顆粒較粗，孔隙度較大，不利于貯存水分，因此，植被恢復(fù)措施下的貝殼砂生境則呈現(xiàn)與之相反的變化規(guī)律，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與毛管孔隙度、總孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與非毛管孔隙度相關(guān)性不顯著。即貝殼砂生境下，土壤孔隙度大、通氣透水性能好，則分形維數(shù)也越高；而土壤變得密實(shí)，容重增大，則分形維數(shù)也越低；與山地森林表現(xiàn)規(guī)律不一致[13]，這主要與貝殼砂土壤中粗粒徑含量相對較高、分形維數(shù)相對較低有一定關(guān)系，這也表明隨著土壤顆粒組成、粒徑大小及含量的不同，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤的疏松程度、通氣性能表現(xiàn)出一定的閾值效應(yīng)。

4.3 貝殼砂土壤顆粒分形維數(shù)與土壤蓄水性能的關(guān)系

吸持蓄水量為毛管持水，主要用來貯存植物生理用水，滯留蓄水量為非毛管持水，多反映植被的涵養(yǎng)水源功能，飽和蓄水量為吸持貯存與滯留貯存的總和，可反映植被減少地表徑流和防止土壤侵蝕的功能[26,31]。黃河三角洲灘地有林地0—40cm飽和蓄水量在82.69—102.85mm，吸持蓄水量在79.07—93.34mm，滯留蓄水量在2.02—9.51mm[31]；貝殼堤島灌木林及草地0—40cm飽和蓄水量在89.06—113.32mm，吸持蓄水量在82.80—104.36mm，滯留蓄水量在4.56—8.96mm?？梢?，從保持水土、植物有效水利用及水源涵養(yǎng)的角度來看，貝殼堤島灘脊地帶好于黃河灘地，貝殼砂具有一定涵蓄水分的潛力，并且灌木林的蓄水性能好于草地。植被恢復(fù)措施對貝殼砂表層的孔隙結(jié)構(gòu)、疏松程度改善較好，通氣、透水性能比較協(xié)調(diào)，因此灌木林地及草地的蓄水性能均表現(xiàn)為0—20cm高于20—40cm，這與黃河灘地的白蠟林、刺槐林結(jié)果類似[31]。

土壤孔隙大小分布決定著土壤持水性能，土壤顆粒分形維數(shù)在一定程度上能夠反映土壤的蓄水特性[5,13]。冀北山地森林土壤顆粒分形維數(shù)與最大持水量呈負(fù)相關(guān)，與田間持水量相關(guān)性不顯著[13]；但重慶四面山林地下的土壤顆粒分形維數(shù)與飽和含水量、毛管持水量和田間持水量均呈正相關(guān)，與非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)[5]，這與本研究結(jié)果類似，貝殼砂生境下土壤顆粒分形維數(shù)與飽和蓄水量、吸持蓄水量呈極顯著正相關(guān)，而與滯留蓄水量相關(guān)性不大，表明土壤顆粒分形維數(shù)隨著成土母質(zhì)、植被類型的不同，對土壤蓄水性能的反映表現(xiàn)出一定的差異。分形維數(shù)高的土壤中細(xì)沙粒或粘粒含量相對較高，而粘粒含量高的土壤利于土壤團(tuán)聚體的形成，可改善土壤通氣、透水性能，增強(qiáng)土壤毛管孔隙度；同時(shí)單位土粒表面積越大，土壤對水分子的吸附力越大，土壤的持水性能易增強(qiáng)[5]。從土壤顆粒分形及其水分生態(tài)特征來看，貝殼堤島3種植被類型的改良土壤物理性質(zhì)及蓄水保土功能表現(xiàn)為灌木林好于草地，其中酸棗林好于杠柳林。

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WaterecologyandfractalcharacteristicsofsoilparticlesizedistributionofthreetypicalvegetationsinShellIsland

XIA Jiangbao1,2, ZHANG Shuyong1,3,*, WANG Rongrong1,3, ZHAO Yanyun1, SUN Jingkuan1，LIU Jingtao1, LIU Qing1

1BinzhouUniversity,ShandongProvincialKeyLaboratoryofEco-EnvironmentalScienceforYellowRiverDelta,Binzhou256603,China2ShandongProvincialEngineeringandTechnologyResearchCenterforWildPlantResourcesDevelopmentandApplicationofYellowRiverDelta,Binzhou256603,China3CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China

Little information is available about soil particle-size distribution in shell ridge ecosystems. Based on the principle of quality distribution of soil particle size and fractal theory,PeriplocasepiumBunge,Ziziphusjujubavar.spinosaHu andMesserschmidiasibiricaLinn. growing on Shell Island, located on the Yellow River Delta, were analyzed in contrast with bare soil to determine the fractal dimensions of soil particles, soil particle-size distribution and soil water physical characteristics, in order to explore the effects of different vegetation types on soil pore structure and hydrological physical characteristics, and the effect of fractal mechanisms of different vegetation types on soil particle composition in shell sand habitats. The results showed that: 1) In shell sand soil, the distribution of soil particles among three typical vegetations was as follows: coarse sand, fine sand, gravel and silt-clay. And the mean value of coarse, fine sand, gravel and silt-clay was 61.31%, 19.97%, 17.33%, 1.39%, respectively, indicating that grassland and shrub could decrease the particle content of gravel and coarse sand, and improve the content of soil fine sand and silt-clay, which performed well in 0—20cm soil layer. With the vegetation restoration measures, the mean value of fractal dimension of shell sand varied from 1.5845 to 1.9157. The sequence of fractal dimension was as follows:Z.jujubavar.spinosaHu,P.sepiumBunge and Grassland, and the surface soil layer was larger than that in 20—40cm soil layer. Fractal dimension had a very significant positive correlation with silt-clay (r=0.940，Plt;0.01), a significant positive correlation with fine sand (r=0.771，Plt;0.05), and a very significant negative correlation with coarse sand (r=-0.947，Plt;0.01), but the correlation with gravel was not obvious. 2) The mean value of soil density in 0—40cm ofZ.jujubavar.spinosaHu,P.sepiumBunge and Grassland were lower by 23.87%，14.51% and 10.47%, respectively, compared with bare land (1.48 g/cm3); the mean value of total porosity of soil increased by 16.96%,16.71%, 1.31%, respectively, compared with bare land (45.39%), and the degree of porosity in the surface soil layer was higher than that in 20—40cm soil layer. Fractal dimension had a very significant negative correlation with soil density, and a very significant positive correlation with capillary porosity and total porosity, but there was no significant correlation with non-capillary porosity. In shell sand habitats, the ventilation permeability was better with soil porosity decreasing, fractal dimension as well; but the higher soil-compacting degree, the bigger soil density, fractal dimension was lower. 3) Vegetation restoration measures could well improve pore structure of shell sand surface and the degree of porosity, as well as ventilation, pervious performance. Soil water storage capacity of grasslands and shrub land all performed better in 0—20cm than that in 20—40cm. Under shell sand habitats, fractal dimension had a very significant positive correlation with total water-storage capacity and capillary water-storage capacity, but the correlation with non-capillary water-storage capacity was not obvious. Judging from the fractal characteristics and soil hydrological physical characteristics, we concluded that the sequence of improving the capacity of soil physical properties and soil and water conservation of three typical vegetations in Shell Island was that shrub,was better than grassland, among which,Z.jujubavar.spinosaHu was better thanP.sepiumBunge, and soil layer in 0—20cm than that in 20—40cm.

fractal dimension; soil particle-size distribution; soil water; vegetation type; Shell Island

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31100468); 山東省高?？蒲邪l(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(J13LC03); 國家科技支撐資助項(xiàng)目(2009BADB2B05); 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2012KFJJ04)

2012- 07- 14;

2012- 11- 19

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhsyong@126.com

10.5846/stxb201207140994

夏江寶,張淑勇,王榮榮,趙艷云,孫景寬,劉京濤,劉慶.貝殼堤島3種植被類型的土壤顆粒分形及水分生態(tài)特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(21):7013- 7022.

Xia J B, Zhang S Y, Wang R R, Zhao Y Y, Sun J K, Liu J T, Liu Q.Water ecology and fractal characteristics of soil particle size distribution of three typical vegetations in Shell Island.Acta Ecologica Sinica,2013,33(21):7013- 7022.