全 文 ：第２４卷第５期
２０１０年１０月
水土保持学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．，２０１０
泥石流源区新银合欢林地土壤微团聚体分形特征
＊
郭灵辉１，２，３，王道杰１，２，张云红１，４，陈 东１，２，３
（１．中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都６１００４１；２．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
成都６１００４１；３．中国科学院研究生院，北京１０００４９；４．山东师范大学人口资源与环境学院，济南２５００１４）
摘要：采用统计分析手段研究了泥石流源区新银合欢林土壤微团聚体分形特征及其与土壤养分之间的关系。结
果表明：土壤微团聚体分形维数随土层深度的增加呈现出增加趋势，０－４０ｃｍ土层尤其明显；大粒径微团聚体
（＞０．０２ｍｍ）构成土壤微结构的主体；０．０２ｍｍ粒径可作为土壤微团聚体分形维数的临界值，大于这一粒径的微
团聚体含量越多，土壤微团聚体分维值越小，反之，分维值越大。土壤微团聚体分形维数与土壤有机质、全氮、碱
解氮、全磷、速效磷、速效钾呈显著负相关，这说明土壤微团聚体分形维数能够客观地表征本区新银合欢林土壤肥
力状况，从而为抑灾林管理提供依据。
关键词：泥石流源区；新银合欢；微团聚体；分形特征
中图分类号：Ｓ１５２．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－２２４２（２０１０）０５－０２４３－０５
Ｆｒａｃｔａｌ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｕｎｄｅｒ Ｌｅｕｃａｅｎａ ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａ
Ｆｏｒｅｓｔ ｉｎ Ｄｅｂｒｉｓ Ｆｌｏｗ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｒｅａ
ＧＵＯ Ｌｉｎｇ－ｈｕｉ １，２，３，ＷＡＮＧ Ｄａｏ－ｊｉｅ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ－ｈｏｎｇ１，４，ＣＨＥＮ Ｄｏｎｇ１，２，３
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｈａｚａｒｄｓ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１；
２．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｈａｚａｒｄｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１；３．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９；
４．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００１４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍ ａｎｄ
ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｕｎｄｅｒ Ｌｅｕｃａｅｎａ ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａｆｏｒｅｓｔ ｉｎ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｓｏｕｒｃｅ ａｒｅａ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｓ－
ｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ（０－４０ｃｍ）．Ｌａｇｅｒ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ（＞０．０２ｍｍ）ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄ ｔｈｅ
ｍａｉｎ ｂｏｄｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．０．０２ｍｍ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｉｚｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｆｅａ－
ｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ．Ｔｈａｔ ｉｓ，ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ（＞０．０２ｍｍ），ｔｈｅ
ｓｍａｌｅｒ ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ
ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ，ｔｏｔａｌ－Ｎ，ａｌｋａｌｉ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｂｌｅ－Ｎ，ｔｏｔａｌ－Ｐ，ａｖａｉｌａｂｌｅ－
Ｐ，ａｖａｉｌａｂｌｅ－Ｋ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈａｔ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｂｌｅ ｔｏ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｓｏｉｌ
ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ｓｔａｔｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｔｈｉｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｂａｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｆｏｒｅｓｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｓｏｕｒｃｅ ａｒｅａ；Ｌｅｕｃａｅｎａ ｌｅｕｃｏｃｅｐｈａｌａ；ｍｉｃｒｏ－ａｇｇｒｅｇａｔｅ；ｆｒａｃｔａｌ ｆｅａｔｕｒｅ
分形作为一种几何工具，能够有效地描述自然界普遍存在的、杂乱无章的、不规则的现象，在土壤肥力评价
方面具有很好的应用价值，刘金福和龚伟等研究认为土壤团聚体的分形维数能够客观地表述团聚体的组成及
比例，为土壤肥力特征描述提供新尺度、新方法［１，２］。贾晓红、苏永中、赵来和张世熔等认为土壤颗粒分形维数
能很好地表征环境中土壤结构和养分状况，客观地反映土壤肥力特征，在作为土壤肥力诊断指标等方面具有很
好的应用潜力［３，４，５，６］。土壤微团聚体是构成土壤结构的颗粒单位，在很大程度上决定土壤的质量特征，其含量
及组成具有调节土壤水肥气热和影响土壤生物学活性的功能，与土壤肥力关系密切［７］。然而，对土壤微团聚体
＊ 收稿日期：２０１０－０３－１０
基金项目：国家自然科学基金资助课题（４０７７１０２５）；中国科学院知识工程重要方向课题 ＫＺＣＸ２－ＹＷ－３３２）；国家科技支撑计划课题
（２００８ＢＡＤ９８Ｂ０６－３）
作者简介：郭灵辉（１９８３－），男，硕士研究生，主要从事植物生态学学习研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２２７７４１０＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者：王道杰（１９６８－），男，副研究员，主要从事水土保持及生态修复等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｄｊ＠ｉｍｄｅ．ａｃ．ｃｎ
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2010.05.002
分形维数与土壤肥力情况研究较少［８］。蒋家沟流域泥石流灾害活动强烈，每年雨季暴发泥石流１５～２０次，最
多年达２８次，大规模的泥石流活动不但破坏沿途生产生活设施，而且导致区域生态系统严重退化。植物措施
是防治泥石流的重要措施，但对于生境恶劣的蒋家沟泥石流区，抑灾林后期管理工作尤为重要，且目前研究较
少。本文采用杨培岭分形计算方法对泥石流源区新银合欢林地土壤微团聚体分形特征进行研究，同时探讨微
团聚体分形维数与土壤养分之间的相关关系，分析植被恢复过程中土壤微结构的变化特征以及与土壤性质之
间的关系，以期为评价、管理新银合欢人工恢复林土壤环境提供依据。
１ 研究区概况
研究区位于中国科学院东川泥石流观测站所在的蒋家沟流域（１０３°０６′－１０３°１３′Ｅ，２６°１３′－２６°１７′Ｎ），属
于半干旱气候区［９］。区内多年平均气温２０．２℃，极端最高气温４０．９℃，极端最低气温－６．２℃，干湿季分明，
８８％的降雨集中在湿季（８－１０月），年均降雨量６９１．３ｍｍ，年均蒸发量３ ７５２．１７ｍｍ，蒸发量是降雨量的五倍
多，相对湿度５４％。由于老构造错综复杂，新构造活动强烈，在加上人为不合理利用，使该流域泥石流广为发
育。为有效防治泥石流，改善区域生态环境，１９８８年在该流域荒坡上种植大量新银合欢（Ｌｅｕｃａｅｎａ ｌｅｕｃｏｃｅｐｈ－
ａｌａ）人工恢复林，种植后封育禁伐。目前整个群落以新银合欢为主，并伴随有少量赤桉（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ ｃａｍａｌｄｕ－
ｌｅｎｓｉｓ）、马桑（Ｃｏｒｉａｒｉａ ｓｉｎｎｉｃａ）等。
２ 研究方法
土样获取与养分测定：２００８年７－９月进行样地调查，在中国科学院东川泥石流观测站附近新银合欢人工
林区设置实验随机选取五个取样点（ｉ、ｉ、ｉｉ、ｉｖ、ｖ）。每个取样点开挖１８０ｃｍ×１００ｃｍ土壤剖面，用１０ｃｍ×１０
ｃｍ×１０ｃｍ的取样器分层（２０ｃｍ）获取土样，每层两次重复，共９０个样，然后带回实验室同土层两样混合，筛分
并测定。土壤养分与土壤微团聚体测定参照王道杰等人研究［１０］。
土壤养分表聚系数：土壤养分表聚现象可以用表聚系数来表示［１１］，以０－１８０ｃｍ土层养分总含量为参照，
若０－２０ｃｍ土层某种养分与该种养分总含量之比大于该种养分在１８０ｃｍ土层中的平均值与１８０ｃｍ土层中
养分总含量之比（０．１１），则说明该种土壤养分具有表聚现象，数值越大则表聚现象越明显。公式如下：
Ｃｉ＝Ｎ２０ｉ／Ｎ１８０ｉ （１）
式中：Ｃｉ———第ｉ种土壤养分表聚系数；Ｎ２０ｉ———表示０－２０ｃｍ土层中第ｉ种土壤养分含量；Ｎ１８０ｉ———表示０－
１８０ｃｍ土层中第ｉ种土壤养分总含量。
土壤分形维数模型［１２］。具有相似结构的多孔介质土壤由大于某一粒径ｄｉ（ｄｉ＞ｄｉ＋１，ｉ＝１，２…）的土粒构
成的体积Ｖ（δ＞ｄｉ），可由公式表示：Ｖ（δ＞ｄｉ）＝Ａ［１－（ｄｉ／ｋ）３－Ｄ］ （２）
式中：δ———尺码；Ａ，ｋ———描述性状、尺度的常数；Ｄ———颗粒大小分布的分形维数。
通常粒径分析资料是由一定粒径重量分布表示的。以ｄｉ表示两筛分粒径ｄｉ与ｄｉ＋１间的粒径平均值，忽略
各粒径间土粒比重的差异，即ρｉ＝ρ（＝１，２…），则
Ｗ（δ＞ｄｉ）＝Ｖ（δ＞ｄｉ）ρ＝ρＡ［１－（ｄｉ／ｋ）
３－Ｄ］ （３）
式中：Ｗ（δ＞ｄｉ）为大于ｄｉ的累积土粒重量。以Ｗ０ 为土壤各粒径颗粒重量之和，定义ｌｉｍ
ｉ→∞
ｄｉ＝０，则由（３）式可得
Ｗ０＝ｌｉｍ
ｉ→∞
Ｗ（δ＞ｄｉ）＝ρＡ （４）
由（３）式和（４）式可导出：Ｗ（δ＞ｄｉ）／Ｗ０＝１－（ｄｉ／ｋ）３－Ｄ （５）
设珚ｄｍａｘ为最大粒径土粒的平均直径，Ｗ（δ＞珚ｄｍａｘ）＝０，代入（５）式有ｋ＝珚ｄｍａｘ。由此得出土壤颗粒的重量分
布与平均粒径的分形关系式：
Ｗ（δ＞ｄｉ）／Ｗ０＝１－（ｄｉ／珚ｄｍａｘ）３－Ｄ 或（ｄｉ／珚ｄｍａｘ）３－Ｄ＝Ｗ（δ＜ｄｉ）／Ｗ０ （６）
图１ 不同深度土壤微团聚体的平均分维特征
式中：Ｗ（δ＜ｄｉ）———粒径小于ｄｉ的颗粒累积重量。分别以
ｌｇ（ｄｉ／珚ｄｍａｘ）和ｌｇＷ（δ＜ｄｉ）／Ｗ０ 为横纵坐标，而３－Ｄ 则为
其斜率，由此可以通过回归方法得到分形维数Ｄ。
３ 结果与分析
３．１ 人工新银合欢林土壤微团聚体分维特征
由图１可知，泥石流源区人工新银合欢林地土壤微团
聚体分形维数随深度增加呈波动增大的趋势，０－２０ｃｍ土
４４２ 水土保持学报 第２４卷
层微团聚体分形维数最小（计算过程中所有决定系数均大于０．９０，线性相关显著ｐ＜０．０５）。从整个取样剖面
来看，从表层０－２０ｃｍ至深层１６０－１８０ｃｍ土壤微团聚体分形维数由２．４９６增加到２．５８１，８０ｃｍ土层出现分
维值波动异常，可能与本层砾石较多有关。样本ｔ检验显示，０－２０ｃｍ土层与２０－４０ｃｍ，８０－１００ｃｍ，１４０－
１６０ｃｍ，１６０－１８０ｃｍ土层微团聚体分维值差异显著，其他各层间除６０－８０ｃｍ与１４０－１６０ｃｍ土层外，微团
聚体分形维无显著差异，这说明植被恢复过程中表层土壤微结构变化比较明显。
表１ 不同深度土壤微团聚体的平均组成
土层／
ｃｍ
不同粒径（ｍｍ）微团聚体含量百分比／％
０．２５～０．０５ ０．０５～０．０２ ０．０２～０．００２ ＜０．００２
０－２０ ０．５１２ａ ０．１２９ ０．２７９ａ ０．０７９ａ
２０－４０ ０．４５８ｂ ０．１１０ ０．３２５ ０．１０８ｂ
４０－６０ ０．３７０ ０．１８４ ０．３２５ ０．１２１
６０－８０ ０．４７２ａｂｃ ０．１０２ ０．３１８ ０．１０８ａｂｃ
８０－１００ ０．４５４ｂ ０．１０４ ０．３２７ｂ ０．１１５ｂ
１００－１２０ ０．４４０ ０．１００ ０．３４１ａｂｃ ０．１１９
１２０－１４０ ０．４６３ ０．０９５ ０．３２４ａｂｃｅ ０．１１８
１４０－１６０ ０．４７９ｂｄ ０．１００ ０．３０４ａｂｄ ０．１１６ａｂｄ
１６０－１８０ ０．４７２ｂ ０．１０５ ０．３０４ ０．１１８ｂ
注：同列如有相同字母表示无显著差异，无字母间及其与有字母者间无显
著差异（Ｐ＜０．０５）。
３．２ 人工新银合欢林土壤微团聚体组成分布
由表１可知，新银合欢林土壤微结构中较大
粒径微团聚体占明显优势。不同土层深度中，粒
径为０．２５～０．０５ｍｍ的微团聚体含量占总微团
聚含量的３７％～５１．２％，含量优势明显，尤其在０
－２０ｃｍ层（５１％）。将各土层０．２５～０．０５ｍｍ与
０．０５～０．０２ｍｍ 粒径微团聚体统一合并分析发
现，其含量均大于５４％，构成了土壤微结构的主
体；小粒径微团聚体（＜０．０２ｍｍ）中，０．０２～
０．００２ｍｍ粒径含量有较大优势，各层含量都大于
小粒径微团聚体（＜０．０２ｍｍ）总量的７０％。
差异显著分析结果表明，不同土层微团聚体
结构差异规律主要表现在土壤表层０－２０ｃｍ，其中又以０．２５～０．０５ｍｍ和＜０．００２ｍｍ粒径变化显著。从整
个土壤剖面来看，０－２０ｃｍ土层中，粒径为０．２５～０．０５ｍｍ的微团聚体含量显著高于２０－４０ｃｍ，８０－１００ｃｍ
和１６０－１８０ｃｍ土层，而粒径＜０．００２ｍｍ的微团聚体含量显著低于２０－４０ｃｍ，８０－１００ｃｍ和１６０－１８０ｃｍ
土层，呈相反变化；这表明随着林地的自然恢复，土壤中０．２５～０．０５ｍｍ和＜０．００２ｍｍ团粒演化明显，尤其在
土壤表层０－２０ｃｍ。
图２ 土壤养分平均表聚特征
３．３ 人工新银合欢林土壤养分分布
新银合欢林各类土壤养分除全钾外，都随深度增加呈
现波动的减少趋势，表层聚集现象明显（表２，图２）。土壤
有机质、速效钾、碱解氮、全氮、速效磷及全磷表聚明显，表
聚系数分别为０．２３，０．２２，０．２１，０．１８，０．１５和０．１４。在自
然生态系统中，表土枯枝落叶和细根的周转是有机质输入
的主要途径，由于表土中有机质输入量大，土壤有机质含
量一般随深度增加而降低，有机质的增加也带来其他有效
养分的增多。而全钾表聚系数仅为０．１１，相对来说分布比较均匀，更呈现出母质性质的特性［１０］。
表２ 不同深度土壤养分平均分布特征
土层／
ｃｍ
有机质／
（ｇ·ｋｇ－１）
全氮／
（ｇ·ｋｇ－１）
碱解氮／
（ｇ·ｋｇ－１）
全磷／
（ｇ·ｋｇ－１）
速效磷／
（ｍｇ·ｋｇ－１）
全钾／
（ｍｇ·ｋｇ－１）
速效钾／
（ｍｇ·ｋｇ－１）
０－２０ ４１．８８ ２．４０ １１１．１６ ０．７５ ６．８８ ３３．７５ １３７．３３
２０－４０ ２０．８２ １．４６ ５７．０４ ０．６４ ４．９６ ３３．４６ ８２．２０
４０－６０ １７．１３ １．３４ ５５．４５ ０．５２ ４．５２ ３３．５３ ６４．７３
６０－８０ １７．０４ １．３２ ４９．７８ ０．５７ ３．９８ ３４．６７ ５８．５５
８０－１００ ２０．４７ １．４６ ６０．７７ ０．５９ ３．９３ ３１．３７ ６１．２８
１００－１２０ １５．２４ １．２３ ５３．３２ ０．５１ ４．７５ ３５．３６ ５５．０２
１２０－１４０ １４．７３ １．１８ ３８．８７ ０．５０ ４．８７ ３２．３６ ５３．１７
１４０－１６０ １４．９５ １．２１ ４５．６７ ０．５４ ５．２８ ３２．５５ ５９．８２
１６０－１８０ １５．３５ １．３１ ５０．３６ ０．５６ ４．４７ ３１．６８ ６５．８０
３．４ 人工新银合欢林土壤微团聚体分形维数与土壤性状的关系
新银合欢林土壤微团聚体分形维数与土壤微团聚体含量及土壤养分相关分析表明（表３），０．０２～０．００２
ｍｍ和＜０．００２ｍｍ微团聚体含量与土壤微结构分形维数呈极显著的正相关系，相关系数分别为０．５９和０．９７，
而０．２５～０．０５ｍｍ和０．０５～０．０２ｍｍ粒径含量与分形维数呈负相关，且关系不大，相关系数都小于０．５。因
５４２第５期 郭灵辉等：泥石流源区新银合欢林地土壤微团聚体分形特征
此，将微团聚体粒级分为两类（０．２５～０．０２ｍｍ和＜０．０２ｍｍ），进一步分析发现，土壤微团聚体分形维数与
０．２５～０．０２ｍｍ呈极显著负相关关系，相关系数为０．８１，而与＜０．０２ｍｍ粒径微结构体呈极显著的负相关关
系，相关系数为０．８１。微团聚体分形维数与土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾呈极显著负相关，
相关系数为－０．７０，－０．７０，－０．５８，－０．６７，－０．５３，－０．６１；与全钾呈正相关，相关系数仅为０．３６，相关关系
不大。进一步分析发现，土壤有机质、全氮、全磷、速效钾与０．２５～０．０５ｍｍ土壤微团聚体含量正相关关系密
切，而与＜０．０２ｍｍ微团聚体呈负相关关系，这可能是土壤养分导致较大颗粒土壤微团聚体的形成，大颗粒土
壤微团聚体又导致土壤微结构分维降低。
表３ 微团聚体分形维数与土壤性状相关系数
土壤性状 分维数 有机质 全氮 碱解氮 全磷 速效磷 全钾 速效钾
０．２５～
０．０５ｍｍ
０．０５～
０．０２ｍｍ
０．０２～
０．００２
＜０．００２
０．２５～
０．０２
有机质 －０．７０＊＊
全氮 －０．７０＊＊０．９９＊＊
碱解氮 －０．５８＊＊０．９１＊＊ ０．９２＊＊
全磷 －０．６７＊＊０．７７＊＊ ０．７６＊＊ ０．７３＊＊
速效磷 －０．５３＊＊０．５８＊＊ ０．６１＊＊ ０．６４＊＊ ０．４８＊＊
全钾 ０．３６＊ －０．４２＊ －０．４２＊ －０．２６＊－０．４６＊＊ －０．１３
速效钾 －０．６１＊＊０．７３＊＊ ０．７６＊＊ ０．８５＊＊ ０．７２＊＊ ０．６４＊ －０．１６
０．２５～０．０５ｍｍ －０．３３＊ ０．２２ ０．１８ ０．２０ ０．２２ －０．０３ －０．１４ ０．１８
０．０５～０．０２ｍｍ －０．２２ ０．１４ ０．１６ ０．０５ ０．１９ ０．２０ －０．０９ ０．１２ －０．７８＊＊
０．０２～０．００２ｍｍ ０．５９＊＊ －０．４１＊ －０．３８＊ －０．２８＊－０．４９＊＊ －０．０６ ０．３２＊ －０．３２＊－０．５３＊＊ －０．０８
＜０．００２ｍｍ ０．９７＊＊ －０．５７＊＊－０．５７＊＊－０．４７＊＊－０．６２＊＊－０．４３＊ ０．３０＊ －０．５４＊＊－０．４７＊＊ －０．０７ ０．６１＊＊
０．２５～０．０２ｍｍ－０．８１＊＊０．５３＊＊ ０．５０＊＊ ０．３９＊ ０．５９＊＊ ０．２２ －０．３４＊０．４５＊＊ ０．５６＊＊ ０．０９ －０．９４＊＊－０．８４＊＊
＜０．０２ｍｍ ０．８１＊＊－０．５３＊＊－０．５０＊＊－０．３９＊－０．５９＊＊ －０．２２ ０．３４＊ －０．４５＊＊－０．５６＊＊ －０．０９ ０．９４＊＊ ０．８４＊＊－１．００＊＊
注：＊＊表示ｐ＜０．００１，＊表示ｐ＜０．０５，ｎ＝４５。
４ 讨 论
土壤结构体是由不同粒级的土壤颗粒在各种作用力下，通过不同机理组成的，体现着土壤颗粒的物化性
质，不同类型土壤其结构体的组成比例和粒径分布不同［１３］。然而，土地利用方式的差异和利用年限的长短不
仅对土壤团聚体和微团聚体组成、数量和质量有较大影响，而且对不同深度土壤结构影响不同［１４］。使用化肥
或有机肥年限的长短以及使用量的多少、肥力水平的高低，可以影响土壤微团聚体的粘结能力，改变小粒级微
团聚体的团聚程度，进而影响具有稳定性的大粒级微团聚体形成［１５，１６］。当然，树种特性不同，特别是生态学特
性差异较大，对林地土壤结构的影响不同［１７，１８］。例如，杉木是针叶树种，其大量的凋落物累积和分解能使土壤
酸化，从而抑制土壤微生物的活性，影响土壤腐殖质化进程，进而影响土壤结构组成和分布［１９］。因此，土壤团
聚体和微团聚体的变化不仅继承了母质的特征，也综合了环境变化的信息。本研究表明人工新银合欢林土壤
微团聚体分形维数随土层深度的增加而增加，表层分维值最小。０．０２～０．００２ｍｍ和＜０．００２ｍｍ微团聚体含
量与土壤微结构分形维数呈极显著的正相关关系，而０．２５～０．０５ｍｍ和０．０５～０．０２ｍｍ粒径含量与分形维
数呈负相关，且关系不大。若将微团聚体粒级分为两类（０．２５～０．０２ｍｍ和＜０．０２ｍｍ）进一步分析发现，土壤
微团聚体分形维数与０．２５～０．０２ｍｍ粒级呈极显著负相关关系，而与＜０．０２ｍｍ粒径呈极显著的正相关关
系。因此，０．０２ｍｍ粒径可为土壤微团聚体分形维数的临界值，大于这一粒径微团聚体含量增加，分维值越
小，反之，分维值增加。由此可知，表层分维值最小，是由林地表层０．２５～０．０５ｍｍ微团聚体含量高于土壤下
层、而＜０．００２ｍｍ微团聚体含量低于土壤下层所致。
土壤微团聚体对土壤理化性质和生物学特性具有多方面的重要作用，其组成密切影响着土壤的保水、供水
性能，是土壤中养分和水分保储和释供的关键机制，与土壤肥力水平存在着明显的相关关系［２０］。不同粒级土
壤微团聚体对土壤肥力的影响不同，土壤微团聚体中脲酶、中性磷酸酶活性随粒级增大而降低［２１］，铁还原程度
也有相似规律［２２］，有机培肥后各级微团聚体中有机质的腐殖质组成，胡敏酸光学性质和活化度响应也不尽相
同［２３］。土壤肥力的高低，除受大小粒级微团聚体的自身影响外，它们的数量比也是一个非常重要的因素，存在
适当比例的大小粒级微团聚体的情况下，持水和释水、保养和供养之间才能很好的协调，而特征微团聚体的组
成比例是一个有用的指标，它能比较好的综合反映土壤对水肥的保供性能［２４，２５］。分形维数方法从侧面也证明
了陈恩凤等提出的“特征微团聚体”组成比例是可以用来数量化地界定土壤肥力水平与培肥效果，同时，也说明
６４２ 水土保持学报 第２４卷
了土壤微团聚体分形维数在评价土壤肥力方面也具有重要价值［８］。本研究对整个剖面相关分析发现土壤微团
聚体分形维数与土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾呈极显著负相关，这也间接地表明了土壤微结
构体分形维数对土壤养分状况的反映程度，说明土壤微结构体分形维数能够客观地表征土壤养分状况。以表
层为例，新银合欢林地表层由于枯枝落叶和细根的周转土壤养分富集，根据土壤有机质、全氮、全磷、速效钾与
０．２５～０．０５ｍｍ土壤微团聚体含量正相关关系密切，而与＜０．０２ｍｍ微团聚体呈负相关关系，本区表层０．２５
～０．０５ｍｍ粒径土壤微团聚体含量应较高和＜０．００２ｍｍ粒径土壤微团聚体含量应较低，分形维数也应较低，
本文研究结果也反映了这种关系，从而进一步说明土壤微团聚体分形维数能够客观地表征土壤养分状况。
５ 结 论
泥石流源区新银合欢林土壤微团聚体以较大颗粒为主，各土层０．２５～０．０２ｍｍ粒径微团聚体含量均大于
５４％，构成了土壤微结构的主体；小粒径微团聚体（＜０．０２ｍｍ）中，０．０２～０．００２ｍｍ粒径含量有较大优势，各
层含量都大于７０％。微团聚体分形维数随土壤深度的增加呈现增加趋势，０－４０ｃｍ土层尤为明显；大于０．０２
ｍｍ粒径微团聚体含量越多，分维值越小，大于０．０２ｍｍ粒径微团聚体含量越少，分维值越大，０．０２ｍｍ粒径
可成为土壤微团聚体分形维数的临界值。整个剖面相关分析发现土壤微团聚体分形维数与土壤有机质、全氮、
碱解氮、全磷、速效磷、速效钾呈极显著相关，这说明土壤微团聚体分形维数能够客观地表征土壤养分状况。表
层养分的富集，较大颗粒微团聚体含量较高，土壤微团聚体分形维数较小，这种现象也进一步论证土壤微团聚
体在反映土壤微结构组成及土壤肥力方面的可靠性。
本论文野外实验和室内实验过程中，得到了洪勇站长、杨德伟博士及中国科学院东川泥石流观测研究站全
体工作人员的大力支持，在此向他们表示衷心感谢！
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７４２第５期 郭灵辉等：泥石流源区新银合欢林地土壤微团聚体分形特征