全 文 ：川南坡地不同退耕模式对土壤团粒结构
分形特征的影响*
王景燕摇 胡庭兴**摇 龚摇 伟摇 宫渊波摇 罗承德
(四川农业大学林业生态工程省级重点实验室, 四川雅安 625014)
摘摇 要摇 运用分形模型,研究了川南坡地及其退耕成慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和
弃耕地 5 年后土壤团粒结构分形维数,探讨了分形维数与土壤理化性质之间的关系.结果表
明:退耕后,不同退耕模式样地>0郾 25 mm 的土壤团聚体和水稳性团聚体含量均显著增加,团
粒结构分形维数介于 1郾 377 ~ 2郾 826,为慈竹林<杂交竹林<桤木+慈竹混交林<弃耕地<农耕
地,并随>0郾 25 mm的土壤团聚体及水稳性团聚体含量的增加而降低;土壤自然含水量、毛管
孔隙、有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量增加,而土壤容重、非毛管孔隙和通气度降低.退
耕后的慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃耕地的土壤团粒结构分形维数与土壤理化性
质相关性较好.农耕地退耕对增加>0郾 25 mm 的土壤团聚体及水稳性团聚体含量和提高土壤
结构稳定性具有较好的作用;土壤团粒结构分形维数可以作为坡地退耕后土壤肥力变化的理
想指标,在研究区坡地退耕种植慈竹具有较好的培肥改土效益.
关键词摇 退耕模式摇 植被恢复摇 团粒结构摇 分形维数
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1410-07摇 中图分类号摇 S157郾 1, S714郾 2摇 文献标识码摇 A
Fractal features of soil aggregate structure in slope farmland with different de鄄farming pat鄄
terns in south Sichuan Province of China. WANG Jing鄄yan, HU Ting鄄xing, GONG Wei, GONG
Yuan鄄bo, LUO Cheng鄄de (Sichuan Provincial Key Laboratory of Ecological Forestry Engineering,
Sichuan Agricultural University, Ya爷an 625014, Sichuan, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21
(6): 1410-1416.
Abstract: By using fractal model, this paper studied the fractal dimension of soil aggregate struc鄄
ture (D) in the slope farmland ( CK), its 5鄄year de鄄farmed Neosinocalamus affinis plantation
(NAP), Bambusa pervariabilis伊Dendrocalamopsis oldhami plantation (BDP), Alnus crenastogyne +
Neosinocalamus affinis plantation (ANP), and abandoned farmland (AFL) in south Sichuan Prov鄄
ince of China, and analyzed the relationships between the D and soil physical and chemical proper鄄
ties. In the de鄄farmed plantations and abandoned farmland, the contents of >0郾 25 mm soil aggre鄄
gates and water鄄stable aggregates were increased significantly, compared with those in the slope
farmland. The D was 1郾 377-2郾 826, being in the order of NAPcreased with the increasing contents of >0郾 25 mm soil aggregates and water鄄stable aggregates. Com鄄
paring with CK, de鄄farming increased the soil natural water content, capillary porosity, and con鄄
tents of soil organic matter, total N, alkali鄄hydrolysable N, total P, and total K, and decreased soil
bulk density, non鄄capillary porosity, and aeration porosity. There were close relationships between
the fractal dimension of soil aggregate structure and the soil physical and chemical properties. All
the results suggested that the de鄄farming of slope farmland was beneficial to the increase of the con鄄
tents of >0郾 25 mm soil aggregates and water鄄stable aggregates, and the enhancement of soil struc鄄
ture stability. The D could be used as an ideal index to evaluate soil fertility, and planting Neosino鄄
calamus affinis on the de鄄farming slope farmland was a good measure for the improvement of soil fer鄄
tility in the research area.
Key words: de鄄farming pattern; vegetation restoration; aggregate structure; fractal dimension.
*国家“十五冶科技攻关计划项目(2001BA606A鄄06,2004BA606A鄄06)、国家“十一五冶科技支撑计划项目(2006BAC01A11)、四川省教育厅项目
(08ZB038,09ZB053)和四川农业大学“211 工程冶创新团队项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: hutx001@ yahoo. com. cn
2009鄄11鄄17 收稿,2010鄄03鄄27 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1410-1416
摇 摇 分形是指具有相似性或膨胀对称性的几何现
象,即局部与整体在形态、功能和信息等方面具有统
计意义上的相似性[1-2],分形维数是分形理论及其
应用研究中的一个重要参量,能够在深层次上描述、
研究和分析自然界中普遍存在的不规则的和随机的
现象[3-4] .土壤是具有不规则形状和自相似结构的
多孔介质,具有一定的分形特征[5] . Arya 等[6] 及
Turcotte[7]研究了土壤颗粒的分形现象和分形维数
的计算方法,但这些方法难以直接利用常规试验数
据进行计算;杨培岭等[8]在 Katz 法的基础上,提出
用粒径的质量分布取代粒径的数量分布来描述土壤
分形特征的模型,该模型较精确、简便.近年来,运用
分形模型计算土壤颗粒、团聚体和孔隙度的分形维
数来表征土壤质地和结构组成及其均匀程度,已成
为定量描述土壤结构特征的新方法[4,9-10] . 土壤团
粒结构分形维数能反映团聚体含量对土壤结构稳定
性的影响趋势[11] .土壤团聚体是土粒经各种作用形
成的直径在 10 ~ 0郾 25 mm 的结构单位,其组成和稳
定性与肥力水平密切相关,并左右着土壤中水、气、
根系穿插及养分活化等状况[12] .团聚体的稳定性直
接影响土壤表层的水、土界面行为,特别是与降雨入
渗和土壤侵蚀关系十分密切.
我国是世界上水土流失最严重的国家之一.由
于特殊的自然地理和社会经济条件,水土流失的
90%以上发生在山区、丘陵区和风沙区,尤其集中分
布在占国土总面积近 70%的山丘区[13] . 川南地区
地处长江上游,降雨丰富. 多年来,由于对坡地不合
理的开垦和耕作,这一区域坡地土壤的退化和水土
流失现象严重.目前,有关川南坡地退耕后土壤团粒
结构分形维数变化方面的研究尚未见报道,制约了
该地区植被恢复及生态建设. 本文以长江上游川南
坡地不同退耕模式为对象,研究不同退耕模式对土
壤团粒结构分形维数和土壤理化性质的影响,探讨
分形维数与土壤理化性质的关系,以期为退耕还林
还草工程中退耕模式的选择及研究区植被恢复提供
科学参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验区自然概况
试验区位于四川省沐川县沐溪镇退耕还林示范
区,距沐川县城约 3 km(28毅58忆 E,103毅55忆 N),海拔
390 ~ 570 m,坡度 25毅—30毅. 沐川县现有林业用地
8郾 7伊104 hm2,其中竹林 2郾 8伊104 hm2,是国家级“山
区综合开发试点县冶和省级“农业产业化试点县冶,
也是四川省天然林保护工程和生态林业建设工程试
点县[14] .该区地处华西雨屏区,属亚热带湿润季风
气候,地带性植被属亚热带常绿阔叶林.根据沐川县
气象站(海拔 396郾 9 m)历年气象观测资料统计,全
年日平均气温 17郾 3 益,最热月均温 26郾 2 益,最冷月
均温 7郾 2 益,全年降水量 1332郾 1 mm,年降雨天数
207 d,降雨多集中于 5—8 月,年蒸发量 971郾 7 mm.
供试土壤为紫色土,由于该区水土流失严重,土层瘠
薄,厚度一般为 30 ~ 35 cm,退耕前,采用小麦鄄玉米
一年两熟种植方式,采用传统的人工方式进行土壤
耕作和作物收获.试验开始前土壤表层(0 ~ 15 cm)
的理化性质为:有机质 7郾 8 g·kg-1、全氮 0郾 62 g·
kg-1、全磷 0郾 68 g·kg-1、全钾 8郾 6 g·kg-1、有效磷
254郾 2 mg·kg-1、速效钾 81郾 7 mg·kg-1和 pH 7郾 98.
退耕试验始于 2003 年秋季,退耕模式为:慈竹
(Neosinocalamus affinis)林(NAP)、杂交竹(Bambusa
pervariabilis伊Dendrocalamopsis oldhami)林(BDP)、桤
木(Alnus crenastogyne) +慈竹混交林(ANP)和弃耕
自然恢复地(简称弃耕地,AFL),并设农耕地为对照
(CK).慈竹林和杂交竹林模式林分密度均为 900 丛
·hm-2;桤木+慈竹混交林模式中桤木为 2003 年秋
季种植,并在 2004 年秋季均匀补植慈竹,林分密度
为桤木 1670 株·hm-2、慈竹 600 丛·hm-2;弃耕地
自弃耕后从未复垦.慈竹林、杂交竹林和桤木+慈竹
混交林林分郁闭度分别为 0郾 9、0郾 7 和 0郾 8,弃耕地
植被几乎全为草本植物,慈竹林、杂交竹林、桤木+
慈竹混交林和弃耕地草本层覆盖度分别约为 5% 、
30% 、5%和 90% .
1郾 2摇 研究方法
在野外调查基础上,根据典型性和代表性的原
则,分别在慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林、弃
耕地和农耕地(对照)上选择坡向、坡度、坡位和海
拔高度基本一致的 10 m伊10 m 标准地各 3 个. 于
2008 年 10 月中旬在每个标准地内采用蛇形 5 点取
样法,用环刀采集表层(0 ~ 15 cm)土壤样品,测定
土壤水分物理性质[15],同时取表层土壤混合样测定
土壤团粒结构和养分含量.
测定方法:土壤团粒结构采用机械筛分法,土壤
有机质采用重铬酸钾氧化鄄外加热法,全氮采用半微
量凯氏法,碱解氮采用碱解鄄扩散法,全磷采用 NaOH
碱熔鄄钼锑抗比色法,有效磷采用 Olsen 法,全钾采
用 NaOH碱熔鄄火焰光度法,速效钾采用 1 mol·L-1
乙酸铵浸提鄄火焰光度法[15] .
土壤团粒结构分形维数采用杨培岭等[8]的方
11416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王景燕等: 川南坡地不同退耕模式对土壤团粒结构分形特征的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
法计算,分形维数模型参见文献[16].
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 10郾 0 软件对文中数据进行统计分
析,表中数据均为平均值依标准差,采用单因子方差
分析(ANOVA)和最小显著极差法(SSR)检验不同
模式土壤各变量之间的显著性差异.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同退耕模式土壤团粒结构分形维数
分形维数是反映土壤结构几何形状的参数.运
用回归分析法,计算得到各模式类型土壤团粒结构
的分形维数在 1郾 377 ~ 2郾 826 (表 1). 回归分析发
现,湿筛条件下,>5 mm (X1)、5 ~ 2 mm (X2)、2 ~ 1
mm (X3)、1 ~ 0郾 5 mm (X4)、0郾 5 ~ 0郾 25 mm (X5)和
>0郾 25 mm (X6)水稳性土壤团聚体含量及结构体破
坏率(X7)与团粒结构分形维数 D(湿筛条件)呈极
显著线性关系, 相关系数分别为 - 0郾 897**、
-0郾 778**、 - 0郾 891**、 - 0郾 844**、 - 0郾 903**、
-0郾 983**和-0郾 983**;干筛条件下,>5 mm (X8)、
5 ~ 2 mm (X9)、2 ~ 1 mm (X10)、1 ~ 0郾 5 mm (X11)、
0郾 5 ~ 0郾 25 mm (X12)和>0郾 25 mm (X13)土壤团聚体
含量与土壤团粒结构分形维数 D(干筛条件)也呈
极显著线性关系,相关系数分别为 - 0郾 904**、
0郾 870**、 0郾 899**、 0郾 935**、 0郾 864** 和
-0郾 941** .这说明湿筛条件下,土壤团粒结构分形
维数与各粒级水稳性团聚体含量呈极显著负相关,
与结构体破坏率呈极显著正相关,其中与>0郾 25 mm
水稳性团聚体含量和结构体破坏率相关性最佳;干
筛条件下,团粒结构分形维数与>5 mm和>0郾 25 mm
团聚体含量呈极显著线性负相关,而与其他粒级团
聚体含量呈极显著线性正相关,其中与>0郾 25 mm
团聚体含量相关性最佳.因此,团粒结构分形维数能
够反映各粒级团聚体含量和土壤结构体破坏率对土
壤结构与稳定性的影响趋势,>0郾 25 mm 团聚体和
水稳性团聚体含量是影响团粒结构分形维数的重要
粒径含量因素,且干筛和湿筛条件下>0郾 25 mm 土
壤团聚体含量越高,其分形维数越小,土壤结构体破
坏率越低,土壤结构越稳定.
由表 1 可知,各退耕模式间土壤团粒结构分形
维数和 > 0郾 25 mm 团聚体含量差异显著. 与对照
(CK)相比,在湿筛条件下,慈竹林、杂交竹林、桤木
+慈竹混交林和弃耕地分形维数分别降低 10郾 5% 、
7郾 3% 、5郾 3%和 3郾 4% ,慈竹林、杂交竹林和桤木+慈
竹混交林间差异显著,且均显著低于弃耕地;在干筛
条件下,慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃
耕地分形维数分别降低 25郾 6% 、23郾 0% 、12郾 0%和
11郾 7% ,退耕模式均显著低于农耕地,桤木+慈竹混
交林与弃耕地及慈竹林与杂交竹林间无差异显著
性,但慈竹林和杂交竹林均显著低于桤木+慈竹混
交林和弃耕地. 在湿筛条件下,4 种模式>0郾 25 mm
团聚体含量分别增加 74郾 9% 、59郾 5% 、47郾 4% 和
33郾 7% ,退耕模式均显著高于农耕地,各林地间差异
显著且均显著高于弃耕地;在干筛条件下,>0郾 25
mm团聚体含量分别增加 1郾 1% 、1郾 0% 、0郾 8% 和
0郾 7% ,退耕模式均显著高于农耕地,慈竹林与杂交
竹林及桤木+慈竹混交林与弃耕地间无差异显著
性,但慈竹林和杂交竹林均显著高于桤木+慈竹混
交林和弃耕地.从以上结果可以看出,无论在湿筛条
表 1摇 不同退耕模式土壤团聚体组成
Tab. 1摇 Soil aggregate composition under different de鄄farming patterns (g·kg-1)
林分类型
Stand type 团聚体粒径 Aggregate size (mm)
>5 5 ~ 2 2 ~ 1 1 ~ 0郾 5 0郾 5 ~ 0郾 25 >0郾 25
结构体破坏率
Percent of
construction
damage (% )
分形维数
Fractal
dimension
相关系数
Correlation
coefficient
NAP 玉 923郾 2依16郾 7a 62郾 5依13郾 6c 10郾 5依2郾 7d 2郾 0依0郾 4c 0郾 7依0郾 1c 998郾 9a 15郾 3依1郾 8e 1郾 377依0郾 025c 0郾 948依0郾 008**
域 209郾 6依27郾 8a 211郾 5依20郾 2a 176郾 9依10郾 3a 145郾 6依5郾 8a 102郾 8依4郾 4a 846郾 4a 2郾 529依0郾 026e 0郾 993依0郾 002**
BDP 玉 821郾 1依31郾 0b 135郾 6依26郾 3b 31郾 3依6郾 6c 8郾 7依1郾 9c 1郾 3依0郾 2c 998郾 0a 22郾 7依2郾 2d 1郾 426依0郾 020c 0郾 979依0郾 001**
域 189郾 4依25郾 5a 201郾 8依28郾 0a 164郾 8依13郾 5ab 135郾 2依18郾 1ab 80郾 7依8郾 6b 771郾 9 b 2郾 621依0郾 027d 0郾 995依0郾 002**
ANP 玉 796郾 2依34郾 1b 140郾 4依25郾 0b 38郾 3依6郾 3c 18郾 2依3郾 1b 2郾 8依0郾 2bc 995郾 9b 28郾 3依2郾 7c 1郾 629依0郾 010b 0郾 983依0郾 003**
域 168郾 8依27郾 7ab 196郾 2依33郾 4a 150郾 2依22郾 4bc 129郾 3依9郾 4ab 69郾 1依9郾 2bc 713郾 6c 2郾 676依0郾 020c 0郾 993依0郾 004**
AFL 玉 727郾 7依34郾 7c 156郾 4依19郾 6b 84郾 4依14郾 3b 23郾 0依4郾 0b 3郾 9依0郾 3b 995郾 4b 35郾 0依3郾 0b 1郾 636依0郾 042b 0郾 987依0郾 001**
域 138郾 7依5郾 1b 173郾 7依18郾 7ab 136郾 4依9郾 0c 124郾 9依5郾 0b 73郾 6依2郾 5b 647郾 3d 2郾 730依0郾 021b 0郾 994依0郾 001**
CK 玉 478郾 8依56郾 1d 294郾 9依34郾 5a 145郾 5依12郾 7a 53郾 4依9郾 3a 15郾 7依2郾 6a 988郾 3c 51郾 0依1郾 3a 1郾 852依0郾 028a 0郾 994依0郾 003**
域 75郾 2依9郾 6c 147郾 0依21郾 3b 107郾 4依8郾 9d 96郾 7依5郾 7c 57郾 7依6郾 7c 484郾 0e 2郾 826依0郾 006a 0郾 991依0郾 003**
NAP:慈竹林 Neosinocalamus affinis plantation; BDP:杂交竹林 Bambusa pervariabilis伊Dendrocalamopsis oldhami plantation; ANP:桤木+慈竹混交林
Alnus crenastogyne + Neosinocalamus affinis plantation; AFL:弃耕地 Abandoned farmland; CK: 农耕地 Slope farmland. 玉:干筛 Dry sieving; 域:湿
筛 Wet sieving郾 同一列数据后不同字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters following mean within the same column meant significant difference
among patterns at 0郾 05 level. *P<0郾 05; **P<0郾 01. 下同 The same below.
2141 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
件下还是在干筛条件下,农耕地土壤团粒结构分形
维数最大,土壤团聚体和水稳性团聚体含量最低,土
壤结构破坏率最高,且显著高于各退耕模式. 所以,
农耕地退耕对增加团聚体及水稳性团聚体含量和提
高土壤结构稳定性具有较好的作用.
2郾 2摇 分形维数与土壤物理性质的关系
由表 2 可知,各模式间土壤自然含水量、容重、
非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙和通气度差异显著.
与农耕地相比,退耕模式慈竹林、杂交竹林、桤木+
慈竹混交林和弃耕地的土壤自然含水量分别增加
49郾 7% 、36郾 8% 、27郾 6%和 14郾 1% ,退耕模式均显著
高于农耕地,各林地间差异显著且均显著高于弃耕
地;容重分别增加 3郾 8% 、12郾 0% 、14郾 3%和 15郾 0% ,
除慈竹林外其他各模式均显著高于农耕地,杂交竹
林、桤木+慈竹混交林和弃耕地间差异不显著,但三
者均显著高于慈竹林;非毛管孔隙分别降低
63郾 4% 、72郾 5% 、75郾 8%和 77郾 8% ,退耕模式间无差
异显著性,但四者均显著低于农耕地;毛管孔隙分别
增加 44郾 6% 、41郾 1% 、34郾 0%和 28郾 8% ,退耕模式均
显著高于农耕地,慈竹林显著高于桤木+慈竹混交
林和弃耕地,但与杂交竹林无差异显著性;总孔隙分
别增加 6郾 8% 、1郾 4% 、-4郾 3%和-8郾 7% ,农耕地显著
高于弃耕地和低于慈竹林,并与杂交竹林和桤木+
慈竹混交林无差异显著性;通气度分别降低
36郾 6% 、45郾 8% 、54郾 9%和 57郾 7% ,退耕模式均显著
低于农耕地,慈竹林显著高于桤木+慈竹混交林和
弃耕地,但与杂交竹林无差异显著性. 结果说明,随
着退耕后植被的恢复土壤自然含水量增加,由于减
免了人为耕作、除草等农业经营管理活动,土体变得
紧实,大孔隙减小而小孔隙增加,通气度相对降低,
由于不同植被根系对土壤穿插及对孔隙度的改善不
同,使得慈竹林和杂交竹林总孔隙增加,而其他两种
模式降低.
摇 摇 对土壤物理性质与土壤团粒结构分形维数回归
分析结果表明(表 3),干筛和湿筛得到的土壤团粒
结构分形维数均与自然含水量、非毛管孔隙和毛管
孔隙间呈显著负相关,而与容重、总孔隙和通气度间
相关性不显著.导致这一现象的原因与农耕地土壤
松散、容重低、总孔隙和通气度大有关.
2郾 3摇 分形维数与土壤养分的关系
由表 4 可知,与农耕地相比,退耕模式慈竹林、
杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃耕地有机质含量
分别增加 105郾 3% 、76郾 3% 、64郾 5%和 43郾 4% ,退耕
模式均显著高于农耕地,杂交竹林与桤木+慈竹混
交林间无差异显著性,但两者均显著低于慈竹林,且
各林地均显著高于弃耕地;全氮含量分别增加
88郾 5% 、65郾 6% 、55郾 7%和 39郾 3% ,退耕模式均显著
高于农耕地,各林地间差异显著且均显著高于弃耕
地;碱解氮含量分别增加 129郾 0% 、96郾 2% 、68郾 2%
和 47郾 0% ,退耕模式均显著高于农耕地,各林地间
差异显著且均显著高于弃耕地;全磷含量分别增加
13郾 4% 、10郾 4% 、7郾 5%和3郾 0% ,除弃耕地外,其他
表 2摇 不同退耕模式土壤物理性质
Tab. 2摇 Soil physical properties under different de鄄farming patterns
林分类型
Stand type
自然含水量
Natural water
content (% )
容 重
Bulk density
(g·cm-3)
非毛管孔隙
Non鄄capillary
porosity (% )
毛管孔隙
Capillary porosity
(% )
总孔隙
Total porosity
(% )
通气度
Aeration porosity
(% )
NAP 27郾 7依0郾 9a 1郾 38依0郾 08b 5郾 6依0郾 5b 41郾 2依0郾 9a 46郾 8依0郾 8a 9郾 0依0郾 5b
BDP 25郾 3依1郾 2b 1郾 49依0郾 08a 4郾 2依0郾 6b 40郾 2依2郾 7ab 44郾 4依2郾 3ab 7郾 7依0郾 4bc
ANP 23郾 6依0郾 5c 1郾 52依0郾 01a 3郾 7依0郾 4b 38郾 2依0郾 6bc 41郾 9依0郾 6bc 6郾 4依0郾 5c
AFL 21郾 1依0郾 6d 1郾 53依0郾 04a 3郾 4依0郾 6b 36郾 7依1郾 1c 40郾 0依0郾 5c 6郾 0依0郾 5c
CK 18郾 5依0郾 5e 1郾 33依0郾 01b 15郾 3依2郾 4a 28郾 5依0郾 7d 43郾 8依1郾 7b 14郾 2依2郾 7a
表 3摇 分形维数与土壤物理性质的关系
Tab. 3摇 Relationship between fractal dimension and soil physical properties
项目
Item
拟合回归方程 Linear regression equation
玉 域
相关系数 Correlation coefficient
玉 域
自然含水量 Natural water content D=3郾 3766-0郾 0301X D=2郾 7177-0郾 0488X -0郾 966** -0郾 927**
容重 Bulk density D=2郾 7438-0郾 0465X D=2郾 1179-0郾 3681X -0郾 042 -0郾 197
非毛管孔隙 Non鄄capillary porosity D=2郾 5898+0郾 0134X D=1郾 4262+0郾 0245X 0郾 610* 0郾 660**
毛管孔隙 Capillary porosity D=3郾 3751-0郾 0189X D=2郾 8021-0郾 0330X -0郾 867** -0郾 897**
总孔隙 Total porosity D=3郾 5169-0郾 0194X D=2郾 8950-0郾 0302X -0郾 484 -0郾 448
通气度 Aeration porosity D=2郾 5511+0郾 0144X D=1郾 3535+0郾 0266X 0郾 446 0郾 487
31416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王景燕等: 川南坡地不同退耕模式对土壤团粒结构分形特征的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 不同退耕模式土壤养分含量
Tab. 4摇 Soil nutrients content under different de鄄farming patterns
林分类型
Stand type
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
全 氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Alkaline hydrolysis N
(mg·kg-1)
全 磷
Total P
(g·kg-1)
有效磷
Available P
(mg·kg-1)
全 钾
Total K
(g·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
NAP 15郾 6依0郾 5a 1郾 15依0郾 02a 96郾 4依7郾 5a 0郾 76依0郾 01a 225郾 6依6郾 0b 9郾 0依0郾 1a 67郾 1依3郾 0b
BDP 13郾 4依0郾 8b 1郾 01依0郾 02b 82郾 6依3郾 4b 0郾 74依0郾 02ab 207郾 3依6郾 9c 8郾 9依0郾 2ab 56郾 4依3郾 0c
ANP 12郾 5依0郾 4b 0郾 95依0郾 03c 70郾 8依4郾 9c 0郾 72依0郾 01b 176郾 7依4郾 5d 8郾 7依0郾 2abc 48郾 6依1郾 8d
AFL 10郾 9依0郾 6c 0郾 85依0郾 05d 61郾 9依3郾 3d 0郾 69依0郾 01c 152郾 5依10郾 8e 8郾 7依0郾 1bc 45郾 2依1郾 2d
CK 7郾 6依0郾 3d 0郾 61依0郾 01e 42郾 1依2郾 3e 0郾 67依0郾 02c 248郾 7依5郾 7a 8郾 5依0郾 2c 79郾 6依1郾 8a
表 5摇 分形维数与土壤养分的关系
Tab. 5摇 Relationship between fractal dimension and soil nutrients content
项目
Item
拟合回归方程 Linear regression equation
玉摇 域摇
相关系数 Correlation coefficient
玉 域
有机质 Organic matter D=3郾 1211-0郾 0371X D=2郾 2976-0郾 0595X -0郾 987** -0郾 939**
全氮 Total N D=3郾 1727-0郾 5428X D=2郾 3994-0郾 8916X -0郾 968** -0郾 943**
碱解氮 Alkaline hydrolysis N D=3郾 0512-0郾 0053X D=2郾 2012-0郾 0087X -0郾 980** -0郾 957**
全磷 Total P D=4郾 4937-2郾 5438X D=4郾 6909-4郾 3488X -0郾 881** -0郾 893**
有效磷 Available P D=2郾 6605+0郾 0001X D=1郾 4780+0郾 0005X 0郾 026 0郾 106
全钾 Total K D=5郾 8700-0郾 3654X D=6郾 7662-0郾 5929X -0郾 801** -0郾 771**
速效钾 Available K D=2郾 5884+0郾 0015X D=1郾 3613+0郾 0037X 0郾 186 0郾 279
退耕地均显著高于农耕地,各林地均显著高于弃耕
地,而杂交竹林与慈竹林和桤木+慈竹混交林间无
差异显著;有效磷含量分别降低 9郾 3% 、16郾 6% 、
29郾 0%和 38郾 7% ,退耕模式均显著低于农耕地,各
林地间差异显著且均显著高于弃耕地;全钾含量分
别增加 5郾 9% 、4郾 7% 、2郾 4%和 2郾 4% ,除慈竹林和杂
交竹林显著高于农耕地外,其他退耕模式与农耕地
间无差异显著性;速效钾含量分别降低 15郾 7% 、
29郾 1% 、38郾 9%和 43郾 2% ,退耕模式均显著低于农
耕地,各林地间差异显著,且慈竹林和杂交竹林显著
高于弃耕地.退耕后有效磷和速效钾含量的降低与
农耕地化肥施用有关. 这说明退耕有利于土壤有机
质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量的增加.
摇 摇 对土壤养分含量与土壤团粒结构分形维数回归
分析结果表明(表 5),不论是干筛还是湿筛条件下,
土壤团粒结构分形维数与有机质、全氮、碱解氮、全
磷和全钾呈显著负相关,而与有效磷和速效钾相关
性不显著.导致这一现象的原因与农耕地施肥,有效
磷和速效钾含量较高有关.
3摇 讨摇 摇 论
土壤团聚体是土壤结构构成的基础,影响土壤
的各种理化性质[13,17],且土壤水稳性团聚体大小、
数量和稳定性决定土壤孔隙大小、结构的稳定性,影
响土壤通透性、抗蚀性,是表征土壤结构的重要指标
之一[18-19] .本研究发现,坡地退耕后土壤团聚体、水
稳性团聚体和有机质含量增加.研究报道,土壤耕作
会降低土壤有机质含量及结构稳定性,加剧土壤侵
蚀,造成土壤营养物质流失[20];耕作活动为土壤有
机质的分解转化创造了有利条件,且耕作强度增加
可促进土壤有机质周转[21] .有机胶结物的增加是形
成和维持土壤结构的主要方面,土壤有机质水平的
提高有利于土壤良好结构的形成和土壤稳定性的提
高[22] .赵勇钢等[11]的研究也发现,退耕地较好的土
壤团粒结构与其较高的有机质含量密切相关.因此,
本研究中土壤团聚体及水稳性团聚体含量的增加,
与退耕后减免了人为活动对土壤结构的破坏及耕作
对土壤有机质矿化分解的影响有关.同时,退耕后尤
其是退耕还林后,每年有大量的枯落物归还土壤转
化为有机质,使土壤有机胶体含量增加,有利于土壤
团聚体和大粒径团聚体形成及稳定性增加,进而导
致坡地退耕后土壤团粒结构分形维数降低和土壤结
构改善.
表征土壤结构分布的分形维数 D 能够反映土
壤颗粒大小的影响,分形维数 D 通常介于 2 ~ 3[23],
当 D=0 时,土壤由单一直径的颗粒组成;当 03郾 0 时,大颗粒占优;当 D > 3郾 0 时,小颗粒占
优[24-25] .本研究中,各退耕模式湿筛条件下土壤团
粒结构分形维数介于 2 ~ 3,干筛条件下土壤团粒结
构分形维数为 1郾 377 ~ 1郾 852,与周萍等[26]对黄土丘
4141 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
陵区不同土地利用方式干筛条件下土壤团粒结构分
形维数(1郾 641 ~ 2郾 114)研究结果相似. Castrignan侔
等[27]研究发现,当 D 接近 2 时,表明团聚体主要由
数量很少的大团聚体组成,而随着 D 值的增大,土
壤中小尺寸团聚体的数量也随之增加.因此,造成本
研究中干筛条件下土壤团粒结构分形维数<2 的原
因与各退耕模式土壤大粒径团聚体组成有关.
土壤容重是土壤物理性质的一个重要指标,容
重大小反映出土壤透水性、通气性和根系伸展时阻
力状况[18] .土壤孔隙组成是土壤养分、水分和空气
以及微生物、植物根系活动的通道,可以直接反映整
个土体构造状况,是土壤肥力的重要指标之一[12] .
土壤矿物质是土壤的骨骼,碳、氮、磷和钾等元素的
含量状况不仅能够反映土壤的总体肥力,而且是评
价管理措施优劣的主要指标,还可以阐明土壤对植
物营养成分的供应状况[28] .吴承桢等[16]研究发现,
土壤团粒结构分形维数能够较好地反映土壤水稳性
团聚体及水稳性大团聚体含量对土壤结构与稳定性
的影响,且表现为团粒结构分形维数越小,土壤结构
和稳定性越好,并提出分形维数是较为理想的土壤
物理肥力指标.之后,许多学者对土壤分形维数与土
壤肥力指标间的关系进行了研究并得出,土壤分形
维数越小,>0郾 25 mm 团聚体与水稳性团聚体含量
越高,土壤肥力也越高[21,29-30] . 本研究结果发现,土
壤团粒结构分形维数与自然含水量、非毛管孔隙、毛
管孔隙、有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾相关性达
显著水平,而与土壤容重、总孔隙、通气度、有效磷和
速效钾之间相关性不显著.导致这一现象的原因,与
农耕地经营管理过程中耕作对土壤容重、总孔隙和
通气度的影响,及施肥对土壤有效磷和速效钾含量
的影响有关.据此,去除农耕地仅对退耕地(桤木+
慈竹混交林、杂交竹林、慈竹林和弃耕地)土壤团粒
结构分形维数与土壤容重、总孔隙、通气度、有效磷
和速效钾之间相关性进行线性相关分析发现,相关
性均达到极显著水平,说明土壤团粒结构分形维数
能够较好地评价坡地退耕后土壤理化性质变化. 慈
竹属于乡土竹种比较适生于研究区贫瘠的土壤,而
杂交竹属引进竹种与慈竹相比长势要稍微差一些,
而桤木的长势及生物量明显不如两个竹种,且在桤
木+慈竹混交林中慈竹是第 2 年补植的,各竹种须
根较发达对土壤性质的改良较好,且据调查地表枯
落物蓄积量也是慈竹林>杂交竹林>桤木+慈竹混交
林>弃耕地.因此,退耕有利于研究区土壤肥力提高
和土壤结构改善,各退耕模式以慈竹林最好.
4摇 结摇 摇 论
退耕 5 年后,与农耕地相比,退耕还林地(慈竹
林、杂交竹林和桤木+慈竹混交林)或弃耕自然恢复
地(弃耕地)均可增加土壤团聚体和水稳性团聚体
含量,降低土壤团粒结构分形维数,改善土壤结构;
与弃耕地相比,退耕还林地对增加土壤团聚体及水
稳性团聚体含量,降低土壤分形维数的效果更好,并
以慈竹林最好,杂交竹林次之.退耕地土壤团粒结构
分形维数与土壤理化性质具有较好的相关性,可以
作为坡地退耕后土壤肥力变化的评价指标. 退耕还
林地通过地上部巨大的生物量和地表丰富的枯落物
对土壤有较好的避护作用,其地下部大量的根系和
有机物质输入量对土壤理化性质有较好的改良作
用,从而改善了土壤结构,降低了团粒结构分形维
数.因此,采用坡地退耕,尤其是退耕还林,并选择适
宜的植被恢复模式,对改善川南坡地土壤结构,提高
土壤肥力,减少水土流失和促进区域生态环境可持
续发展具有重要意义.
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作者简介 摇 王景燕,女,1980 年生,博士研究生,讲师. 主要
从事林业生态工程方面的教学与研究,发表论文 10 余篇.
E鄄mail: wangjingyan@ sicau. edu. cn
责任编辑摇 李凤琴
6141 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷