全 文 ：英罗港红树林土壤粒径分布的分形特征 3
梁士楚1 　董　鸣1 3 3 　王伯荪2 　张炜银2
(1 中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室 ,北京 100093 ;2 中山大学生命科学学院 , 广州 510275)
【摘要】　应用分形理论分析了英罗港红树林土壤粒径分布的分形特征. 结果表明 ,红树林土壤的分形维数
为 2. 6837～2. 8834. 不同质地土壤的分形维数呈现砂壤土 < 轻壤土 < 中壤土 < 重壤土 < 轻粘土的规律 ,
外滩红树林土壤的分形维数低于中滩和内滩. 土壤分形维数与其盐分和有机质含量呈显著正相关. 群落类
型、土壤质地、滩位、含盐量、有机质含量等是影响英罗港红树林土壤分形维数的主要因子.
关键词 　红树林 　土壤 　粒径分布 　分形维数
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 01 - 0011 - 04 　中图分类号 　Q948. 885. 3 　文献标识码 　A
Fractal characteristics of particle size distributions of mangroves soils in Yingluo Bay. L IAN G Shichu1 ,DON G
Ming1 ,WAN G Bosun2 , ZHAN G Weiyin2 (1 Key L aboratory of Quantitative V egetation Ecology , Institute of
Botany , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093 , China ;2 School of L if e Science , Zhongshan U niversi2
ty , Guangz hou 510275 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (1) :11～14.
Based on fractal theory , the fractal characteristics of particlesize distributions of mangrove soils in Yingluo Bay
(21°28′N ,109°43′E) were studied. The results show that the fractal dimensions of the soils ranged from 2. 6837
to 2. 8834 ,and decreased in the order of sand loam < light loam < medium loam < heavy loam < light clay. The
fractal dimensions of the soils on exterior beach were lower than those on middle and inner beaches. There was a
significant positive linear relationship between fractal dimension and soil salinity and organic matter content . The
major factors that influenced the fractal dimensions of the soils were community type ,soil texture , beach posi2
tion ,soil salinity ,and soil organic matter content .
Key words 　Mangroves , Soil , Particle size distribution , Fractal dimension.
3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G2000046804) 、国家自然科学
基金资助项目 (39860023) .3 3 通讯联系人.
2000 - 08 - 14 收稿 ,2001 - 02 - 05 接受.
1 　引 　　言
分形理论是 Mandelbrot 于 20 世纪 70 年代中
期首次提出来的 ,用来研究自然界中没有特征长度
但又具有自相似性的图形和现象. 自然界的许多事
物和现象表现出极为复杂的形态 ,并非是严格的数
学分形 ,而是具有统计意义上的自相似性[22 ,23 ] . 作
为探索这种复杂性的新理论和方法 ,分形理论已被
应用于自然科学和社会科学中的许多领域. 土壤由
于内部的物理、化学、生物等过程的相互影响以及各
种地质过程和人为措施的干扰 ,导致土壤在形态、结
构、功能等方面表现为复杂的自然体. 由形状和大小
各异的颗粒组成的土壤结构 ,表观上反映出不规则
的几何形体. 研究表明 ,土壤是具有分形特征的系
统[17～20 ] ,分形理论在土壤研究中的应用已涉及土
壤的结构、水分特征、溶质转移等方面[1～4 ,8～12 ] . 红
树林是热带亚热带海岸潮间带特有的木本植物群
落 ,特殊的生态环境使红树林土壤在形成过程、结构
和性质等方面有其特殊性[5 ,7 ,16 ] . 通过分析红树林
土壤粒径分布的分形特征 ,可以进一步定量了解红
树林土壤的特征.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地自然概况
研究地位于广西英罗港红树林区 (21°28′N ,109°43′E) ,
属南亚热带海洋季风气候 ,年平均气温 22. 4 ℃,极端最高气
温 37. 4 ℃,极端最低气温 - 0. 8 ℃. 年平均降雨量为1816. 5
mm ,雨量集中在 5～9 月. 潮汐为半规则全日潮 ,平均潮差
2. 53m ,最大潮差 6. 25m. 红树林面积约 80hm2 ,其中红海榄
( Rhizophora stylosa)群落的面积最大 ;组成种类主要有木榄
( B ruguiera gym norrhiz a) 、红海榄、秋茄 ( Kandelia candel) 、
桐花树 ( Aegiceras corniculatum ) 、白骨壤 ( A vicennia m ari2
na) 、海漆 ( Excoecaria agallocha)等[6 ] .
212 　研究方法
21211 样地选择和取样 　根据群落的种类组成、滩位和土壤
条件 , 共选择了 15 个有代表性的群落地段作为样地 (表 1) ,
每个样地的取样面积为 400m2 . 样地进行常规群落学调查
后 ,按对角线随机选 5 个样点 ,挖取 0～20cm 层的土 ,均匀混
应 用 生 态 学 报 　2003 年 1 月 　第 14 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Jan. 2003 ,14 (1)∶11～14
表 1 　英罗港红树林样地的概况
Table 1 General situation of mangrove plots in Yingluo Bay
样地编号
Plot No.
滩位
Beach posi2
tion
群落类型
Commu2
nity type
含盐量
Soil
salinity
( ‰)
有机质
Soil organic
matter ( %)
物种重要值 Species importance value
木榄
B ruguiera
gy m norrhiza
秋茄
Kandelia
candel
红海榄
Rhizophora
stylosa
桐花树
Aegiceras
corniculat um
白骨壤
A vicennia
marina
Q1 A Rs 21. 35 10. 45 60. 34 42. 99 196. 66 0 0
Q2 B Rs 17. 33 6. 30 0 79. 82 220. 18 0 0
Q3 C Rs 8. 93 3. 29 0 74. 53 209. 98 0 15. 49
Q4 A Kc 17. 80 5. 16 39. 52 180. 92 44. 90 0 34. 66
Q5 A Kc 14. 84 4. 93 0 178. 68 56. 45 64. 86 0
Q6 C Kc 8. 01 3. 71 0 253. 21 0 0 46. 78
Q7 A RK 12. 23 4. 57 0 133. 01 144. 24 0 22. 76
Q8 B KA 17. 60 4. 32 0 150. 32 0 137. 46 12. 22
Q9 A Bg 26. 30 6. 38 204. 35 48. 91 46. 74 0 0
Q10 A Ac 16. 43 6. 14 24. 37 39. 54 26. 36 187. 03 22. 70
Q11 A Ac 16. 50 4. 75 0 43. 82 21. 46 218. 56 16. 15
Q12 B Ac 9. 36 3. 72 0 66. 31 0 201. 38 32. 30
Q13 C AA 8. 32 2. 56 0 0 0 140. 74 159. 26
Q14 C Am 7. 98 2. 78 0 0 0 29. 55 270. 44
Q15 C Am 6. 52 2. 53 0 0 0 47. 35 252. 65
A. 内滩 Inner beach ,B. 中滩 Middle beach ,C. 外滩 Exterior beach ,Rs. 红海榄群落 Rhizophora stylosa community , Kc. 秋茄群落 Kandelia candel
community ,RK. 红海榄 + 秋茄群落 Rhizophora stylosa + Kandelia candel community , KA. 秋茄 + 桐花树群落 Kandelia candel + Aegiceras cor2
niculat um community ,Bg. 木榄群落 B ruguiera gy m norrhiza community ,Ac. 桐花树群落 Aegiceras corniculat um community ,AA. 白骨壤 + 桐花树
群落 A vicennia marina + Aegiceras corniculat um community ,Am. 白骨壤群落 A vicennia marina community.
合 ,取 1kg 左右的混合土壤作为测试样品.
21211 理化分析 　土壤粒径组成、盐分和有机质含量分别用
比重计法、重量法和重铬酸钾法测定[10 ] . 每个样品 3 次重
复.
21213 分形维数计算 　粒径 r 小于某一特定测量尺度 R 的
累积土粒重量 W ( r < R ) 与 R 之间的分形关系式
为[13～15 ,21 ] :
　　( RRmax)
3 - D
=
W ( r < R)
Wo
式中 , Rmax为最大土粒的粒径大小 , Wo 是各粒级重量的总
和 , D 是分形维数.
3 　结果与分析
311 　分形维数与群落类型和潮滩发育的关系
　　英罗港红树林土壤粒径分布的分形维数为
2. 6837～2. 8834 (表 2) . 其中 ,演替前期的群落 ,如
白骨壤群落、桐花树群落和白骨壤 + 桐花树群落 ,由
于土壤砂粒含量较高 ,约 45 %～60 % ,因此它们的
分形维数较低 ,小于 2. 8. 样地 Q10 和 Q11 的桐花树
群落的分形维数大于 2. 8 ,与它们所在潮滩位置和
群落发生时的土壤基质条件有关. 样地 Q10 的桐花
树群落生长在内滩的潮沟边 ,潮沟是红树林物质运
输的主要通道 ,潮水对沉积物的分选作用使潮沟坡
岸主要由细粒物质组成[7 ] ;样地 Q11 的桐花树群落
生长在木榄群落被砍伐后的次生裸地上 ,因此这两
个样地土壤粒径 < 0. 001mm 的粘粒含量高于 30 % ,
使得它们的分形维数比正常的高. 而演替中期群
落 ,如秋茄 + 桐花树群落、秋茄群落、红海榄 + 秋茄
群落和红海榄群落 ,以及演替后期群落 ,如木榄群
落 ,它们土壤粒径 < 0. 001mm 的粘粒含量多高于
25 % ,分形维数大于 2. 8. 样地 Q10 的红海榄群落处
于外滩 ,地表受海浪冲刷较大 ,土壤中的砂粒含量较
高 ,达 44. 16 % ,所以分形维数小于 2. 8. 英罗港红树
林演替的主要途径是白骨壤或桐花树群落 →秋茄群
落→红海榄群落 →木榄群落 ,由于土壤与红树群落
的相互作用 ,这种演替途径实质上也反映了潮滩的
生态演替进程[6 ] . 因此 ,在英罗港红树林的进展演替
过程中 ,演替前期群落的土壤分形维数低于演替后
期群落.
312 　分形维数与土壤质地的关系
　　英罗港红树林中 ,群落的土壤质地不同 ,其分形
维数不同 ,并呈现砂壤土 < 轻壤土 < 中壤土 < 重壤
土 < 轻粘土的规律 (表 2) . 同一类型的群落 ,亦因土
壤质地不同 ,其分形维数有所差异 ,如红海榄群落土
壤的分形维数呈现轻壤土 < 重壤土 < 轻粘土. 由于
土壤结构受土粒大小和各粒级土粒数量分布的影
响 ,因此根据土壤中的砂粒和粘粒含量 ,也可以估测
土壤的分形维数[3 ,13 ] . 将英罗港各样地土壤中的砂
粒 ( X1)和粘粒含量 ( X2 ) 分别与分形维数 ( D ) 进行
线性回归 ,得出
　　砂粒 : D = - 0. 0030 X1 + 2. 9007
　　　　r = - 0. 9445 ( P < 0. 001)
　　粘粒 : D = - 0. 0073 X2 + 2. 6261
　　　　r = 0. 9771 ( P < 0. 001)
即英罗港红树林土壤分形维数与其砂粒含量呈显著
负相关 ,与粘粒含量则呈显著正相关.
21 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 2 　英罗港红树林土壤的粒径分布及其分形维数
Table 2 Particlesize distributions of mangrove soils in Yingluo Bay and their fractal dimensions
样地编号
Plot No.
土壤质地
Soil texture
粒径分布 Particlesize distribution (mm , %)
3～1 1～0. 25 0. 25～0. 05 0. 05～0. 01 0. 01～0. 005 0. 005～0. 001 < 0. 001
相关系数
Correlation
coefficient
分形维数
Fractal dimension
Q1 Ⅳ 1. 00 2. 07 9. 95 27. 18 10. 87 19. 03 29. 90 0. 9193 2. 8552
Q2 Ⅴ 0. 60 4. 37 6. 29 27. 51 7. 99 19. 52 33. 72 0. 9221 2. 8698
Q3 Ⅱ 1. 40 10. 35 33. 81 24. 67 2. 55 6. 80 20. 42 0. 9759 2. 7758
Q4 Ⅴ 0. 10 2. 72 3. 89 23. 32 10. 76 23. 32 35. 88 0. 8890 2. 8834
Q5 Ⅴ 1. 00 3. 77 8. 68 24. 73 10. 60 17. 66 33. 56 0. 9275 2. 8681
Q6 Ⅲ 0. 60 9. 21 25. 08 23. 99 3. 43 11. 99 25. 70 0. 9750 2. 8195
Q7 Ⅳ 0. 80 8. 83 21. 04 24. 27 5. 20 15. 60 24. 27 0. 9646 2. 8210
Q8 Ⅳ 0. 10 2. 04 20. 12 21. 20 7. 07 15. 90 33. 57 0. 9528 2. 8619
Q9 Ⅳ 0. 60 5. 18 13. 33 35. 17 5. 28 12. 31 28. 14 0. 9492 2. 8328
Q10 Ⅴ 0. 00 3. 76 6. 64 23. 30 8. 96 23. 30 34. 05 0. 9276 2. 8511
Q11 Ⅴ 0. 10 1. 68 5. 14 28. 64 10. 74 21. 48 32. 22 0. 8982 2. 8673
Q12 Ⅲ 3. 50 16. 15 29. 49 16. 64 4. 22 9. 52 20. 48 0. 9887 2. 7891
Q13 Ⅱ 4. 70 15. 17 32. 57 17. 62 5. 43 7. 16 17. 35 0. 9869 2. 7627
Q14 Ⅱ 2. 40 16. 27 38. 05 19. 97 3. 33 3. 33 16. 64 0. 9779 2. 7393
Q15 Ⅰ 5. 30 18. 54 38. 25 20. 53 3. 67 2. 50 11. 20 0. 9786 2. 6837
Ⅰ. 砂壤土 Sand loam , Ⅱ. 轻壤土 Light loam , Ⅲ. 中壤土 Medium loam , Ⅳ. 重壤土 Heavy loam , Ⅴ. 轻粘土 Light clay.
313 　分形维数与滩位的关系
　　由表 1 和表 2 可知 ,滩位也是影响英罗港红树
林土壤分形维数的重要因子. 同一类型群落 ,如红海
榄群落从外滩、中滩到内滩都有分布 ,土壤分形维数
为外滩 < 内滩 < 中滩. 产生这种现象的原因除与土
壤质地有关外 ,还与滩位不同的群落被海浪冲击的
程度不同等相关. 外滩的红海榄群落被海浪冲击最
大 ,且容易受海浪和潮流带来的砂粒等影响 ,土壤砂
粒含量高 ,而粒径 < 0. 001mm 的粘粒含量低. 中滩
的红海榄群落受海浪冲击较强 ,支柱根发达 ,呈高灌
丛型 ,而内滩的红海榄群落受海浪冲击较弱 ,支柱根
不发达 ,呈小乔木林型 ,因此中滩红海榄群落的阻拦
作用和促淤能力比内滩的强 ,它们粒径 < 0. 001mm
的粘粒含量分别为 33. 72 %和 29. 90 %. 秋茄群落分
布于外滩和内滩 ,土壤分形维数为外滩 < 内滩. 总体
上 ,英罗港红树林土壤分形维数呈现外滩 < 中滩和
内滩的规律.
314 　分形维数与盐度和有机质含量的关系
　　红树林每年都有大量残落物进入林内土壤 ,由
于海水的浸渍作用 ,土壤常呈还原状态 ,有机质分解
较慢 ,易于积累. 土壤含盐量受土壤质地的影响 ,土
粒越小 ,粘粒越多 ,其表面积越大 ,吸附盐类的数量
越多[5 ] . 对英罗港红树林各样地土壤的含盐量 ( S )
和有机质含量 ( O)与粘粒含量进行线性回归 ,得出
　　含盐量 : S = 0. 5516 X2 - 0. 6361
　　　　r = 0. 7385 ( P < 0. 01)
　　有机质 : O = 0. 1618 X2 + 0. 4891
　　　　r = 0. 6161 ( P < 0. 05)
由于土壤粘粒含量与分形维数之间存在显著的正相
关关系 ,因此将各样地土壤分形维数与含盐量和有
机质含量进行线性回归 ,得出
　　含盐量 : D = 0. 0073 S + 2. 7169
　　　　 r = 0. 7313 ( P < 0. 01)
　　有机质 : D = 0. 0181 O + 2. 7326
　　　　r = 0. 6367 ( P < 0. 05)
即土壤分形维数与含盐量和有机质含量呈显著正相
关. 因此 ,含盐量和有机质含量也是影响英罗港红树
林土壤分形维数的重要因子.
4 　结 　　论
411 　英罗港红树林中 ,不同类型的群落 ,由于组成
种类及其生物生态学特性的不同 ,其捕获沉积物和
促进淤积的能力不同 ,同时受所在滩涂位置、有机质
含量等共同影响 ,土壤的粒径分布有所差异 ,而具有
不同的分形特征. 主要表现为土壤粒径分布的分形
维数与其粘粒、盐分和有机质含量呈显著正相关 ,不
同质地土壤的分形维数呈现砂壤土 < 轻壤土 < 中壤
土 < 重壤土 < 轻粘土的规律 ,外滩红树林土壤的分
形维数低于中滩和内滩.
412 　粒径分布是表征土壤物理性质的重要参数之
一 ,它的非规则性和复杂性以及标度不变性的性质 ,
使分形自相似分布成为一种合适和自然的模型. 研
究表明 ,分形维数不仅刻画了英罗港红树林土壤粒
径分布的分形特征 ,还表征了土壤的质地、盐分和有
机质含量等特征. 因此 ,有必要进一步深入探讨分形
理论在红树林土壤理化性质研究中的应用.
参考文献
1 　Bartoli F , Philippy R , Doirisse M , et al . 1991. Structure and self2
similarity in silty and sandy soils : the fractal approach. J Soil Sci ,
42 :167～185
311 期 　　　　　　　　　　　　　梁士楚等 :英罗港红树林土壤粒径分布的分形特征 　　　　　　
2 　Eghball B , Mielke LN , Calvo GA , et al . 1993. Fractal description
of soil fragmentation for various tillage methods and crop se2
quences. Soil Sci Soc A m J ,57 :1337～1341
3 　Filgueira RR , Fourrnier LL , Sarli GO , et al . 1999. Sensitivity of
fractal parameters of soil aggregate to different management prac2
tices in a Phaeozem in central Argentina. Soil Tillage Res ,52 :217
～222
4 　Kozak E , Pachepsky YA , Sokolowski S , et al . 1996. A modified
number2based method for estimating fragmentation fractal dimen2
sions of soil. Soil Sci Soc A m J ,60 :1291～1297
5 　Lan F2S(蓝福生) , Li R2T (李瑞棠) , Chen P (陈 　平) , et al .
1994. The relationship between mangrove and soils on the beach of
Guangxi. Guihaia (广西植物) ,14 (1) :54～59 (in Chinese)
6 　Liang S2C(梁士楚) . 1996. Study on the mangrove communities in
Yingluo bay of Guangxi. Acta Phytoecol S in (植物生态学报) ,20
(4) :310～321 (in Chinese)
7　Lin P (林 　鹏) . 1997. Mangrove Ecosystem in China. Beijing :
Science Press. 11～53 (in Chinese)
8 　Michel R , Garrison S. 1991. Fractal fragmentation , soil porosity
and soil water properties I. Theory. Soil Sci Soc A m J ,55 :1231～
1238
9 　Michel R , Garrison S. 1991. Fractal fragmentation , soil porosity
and soil water properties II. Applications. Soil Sci Soc A m J ,55 :
1239～1244
10 　Nanjing Institute of Soil Science , Academia Sinica (中国科学院南
京土壤研究所) . 1983. Physical and Chemical Analysis of Soil.
Shanghai : Shanghai Science & Technology Press. 466～535 ( in
Chinese)
11 　Perfect E , Kay BD. 1991. Fractal theory applied to soil aggregates.
Soil Sci Soc A m J ,55 :1552～1558
12 　Perfect E , Rasiah V , Kay BD. 1992. Fractal dimensions of soil ag2
gregate2size distributions calculated by number and mass. Soil Sci
Soc A m J ,56 :1407～1409
13 　Rasiah V , Kay BD , Perfect E. 1993. New mass2based model for
estimating fractal dimensions of soil aggregates. Soil Sci Soc A m J ,
57 :891～895
14 　Scott WT , Stephen WW. 1989. Application of fractal mathematics
to soil water retention estimation. Soil Sci Soc A m J ,53 :987～996
15 　Scott WT , Stephen WW. 1992. Fractal scaling of soil particles2size
distributions : analysis and limitations. Soil Sci Soc A m J ,56 : 362
～369
16 　Sui S2Z(隋淑珍) , Zhang Q2M (张乔民) . 1999. Characteristics of
sediments along mangrove coast of south China. Tropic Oceanology
(热带海洋) ,18 (4) :17～23 (in Chinese)
17 　Taguas FJ , Martin MA , Perfect E. 1999. Simulation and testing of
self2similarity structures for soil particles2size distributions using it2
erated function systems. Geoderma ,88 :191～203
18 　Turcotte DL . 1989. Fractals in geology and geophysics. Pageoph ,
131 :171～196
19 　Turcotte DL . 1986. Fractals and fragmentation. J Geophys Res ,91 :
1921～1926
20 　Wu C2Z(吴承祯) , Hong W(洪　伟) . 1999. Study on fractal fea2
tures of soil aggregate structure under different management pat2
terns. Acta Pedol S in (土壤学报) , 36 (2) : 162～167 (in Chinese)
21 　Wu Q , Borkovec M , Sticher H. 1993. On particles2size distribu2
tions in soil. Soil Sci Soc A m J ,57 :883～890
22 　Yi S2M (易顺民) ,Sun Y2Z(孙云志) . 1997. The fractal features of
debris flow and its significance. Sci Geo Sin (地理科学) ,17 (1) :24
～31 (in Chinese)
23 　Zhu C (朱 　诚) , Yu S2Y(于世永) , Liu X2N (刘晓宁) . 1996.
The application of fractal method to studying quaternary sedimenta2
ry environment in Lushan area. Geo Res (地理研究) ,15 (3) :64～
69 (in Chinese)
作者简介 　梁士楚 ,男 ,1965 年 3 月生 ,博士 ,副研究员. 主
要从事种群生态学和红树林生态学研究. 发表学术论文 70
多篇 ,编著 1 本. E2mail :gxlsc @sina. com
41 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷