全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆员期摇 摇 圆园员猿年 员员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
生态系统生产总值核算院概念尧核算方法与案例研究 欧阳志云袁朱春全袁杨广斌袁等 渊远苑源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对传染病爆发流行的影响研究进展 李国栋袁张俊华袁焦耿军袁等 渊远苑远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
好氧甲烷氧化菌生态学研究进展 贠娟莉袁王艳芬袁张洪勋 渊远苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响 张云海袁何念鹏袁张光明袁等 渊远苑愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
世界蜘蛛的分布格局及其多元相似性聚类分析 申效诚袁张保石袁张摇 锋袁等 渊远苑怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
风向因素对转基因抗虫棉花基因漂移效率的影响 朱家林袁贺摇 娟袁牛建群袁等 渊远愿园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
长江口及东海春季底栖硅藻尧原生动物和小型底栖生物的生态特点 孟昭翠袁徐奎栋 渊远愿员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
长江口横沙东滩围垦潮滩内外大型底栖动物功能群研究 吕巍巍袁马长安袁余摇 骥袁等 渊远愿圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎
沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险 杨摇 阳袁周正朝袁王欢欢袁等 渊远愿猿源冤噎噎噎噎噎噎
盐分和底物对黄河三角洲区土壤有机碳分解与转化的影响 李摇 玲袁仇少君袁檀菲菲袁等 渊远愿源源冤噎噎噎噎噎噎
短期夜间低温胁迫对秋茄幼苗碳氮代谢及其相关酶活性的影响 郑春芳袁刘伟成袁陈少波袁等 渊远愿缘猿冤噎噎噎噎
猿圆个切花菊品种的耐低磷特性 刘摇 鹏袁陈素梅袁房伟民袁等 渊远愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
年龄和环境条件对泥蚶富集重金属镉和铜的影响 王召根袁吴洪喜袁陈肖肖袁等 渊远愿远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
角倍蚜虫瘿对盐肤木光合特性和总氮含量的影响 李摇 杨袁杨子祥袁陈晓鸣袁等 渊远愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多噬伯克霍尔德氏菌 宰杂鄄云允怨对草甘膦的降解特性 李冠喜袁吴小芹袁叶建仁 渊远愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
金龟甲对蓖麻叶挥发物的触角电位和行为反应 李为争袁杨摇 雷袁申小卫袁等 渊远愿怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
白洋淀生态系统健康评价 徐摇 菲袁赵彦伟袁杨志峰袁等 渊远怨园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠海鹤洲水道沿岸红树林湿地大型底栖动物群落特征 王摇 卉袁钟摇 山袁方展强 渊远怨员猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型森林和草地生态系统呼吸各组分间的相互关系 朱先进袁于贵瑞袁王秋凤袁等 渊远怨圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
抚育间伐对油松人工林下大型真菌的影响 陈摇 晓袁白淑兰袁刘摇 勇袁等 渊远怨猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
百山祖自然保护区植物群落 遭藻贼葬多样性 谭珊珊袁叶珍林袁袁留斌袁等 渊远怨源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土霉素对堆肥过程中酶活性和微生物群落代谢的影响 陈智学袁谷摇 洁袁高摇 华袁等 渊远怨缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
兴安落叶松针叶解剖结构变化及其光合能力对气候变化的适应性 季子敬袁全先奎袁王传宽 渊远怨远苑冤噎噎噎噎
盐城海滨湿地景观演变关键土壤生态因子与阈值研究 张华兵袁刘红玉袁李玉凤袁等 渊远怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区沙地芦苇对浅水位变化的生理生态响应 马赟花袁张铜会袁刘新平 渊远怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杂宰粤栽模型融雪模块的改进 余文君袁南卓铜袁赵彦博袁等 渊远怨怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应 常学礼袁赵学勇袁王摇 玮袁等 渊苑园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贝壳堤岛 猿种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征 夏江宝袁张淑勇袁王荣荣袁等 渊苑园员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区古夫河着生藻类叶绿素 葬的时空分布特征及其影响因素 吴述园袁葛继稳袁苗文杰袁等 渊苑园圆猿冤噎噎噎
资源与产业生态
煤炭开发对矿区植被扰动时空效应的图谱分析要要要以大同矿区为例 黄摇 翌袁汪云甲袁李效顺袁等 渊苑园猿缘冤噎噎
学术信息与动态
叶中国当代生态学研究曳新书推介 刘某承 渊苑园源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员猿鄄员员
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封面图说院 百山祖保护区森林植物群落要要要百山祖国家级自然保护区位于浙西南闽浙交界处袁由福建武夷山向东北伸展而成袁
主峰海拔 员愿缘远援苑皂袁为浙江省第二高峰遥 其独特的地形和水文地理环境形成了中亚热带气候区中一个特殊的区域袁
保存着十分丰富的植物种质资源以及国家重点保护野生动植物种袁尤其是 员怨愿苑年由国际物种保护委员会列为世界
最濒危的 员圆种植物之一的百山祖冷杉袁是第四纪冰川的孑遗植物袁素有野活化石冶之称遥 随着海拔的升高袁其植被为
常绿阔叶林尧常绿鄄落叶阔叶混交林尧针阔混交林尧针叶林尧山地矮林和山地灌草丛遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 21 期
2013年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.21
Nov.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31100468); 山东省高校科研发展计划资助项目(J13LC03); 国家科技支撑资助项目(2009BADB2B05);
山东省黄河三角洲生态环境重点实验室开放基金资助项目(2012KFJJ04)
收稿日期:2012鄄07鄄14; 摇 摇 修订日期:2012鄄11鄄19
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhsyong@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201207140994
夏江宝,张淑勇,王荣荣,赵艳云,孙景宽,刘京涛,刘庆.贝壳堤岛 3 种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征.生态学报,2013,33(21):
7013鄄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鄄7022.
贝壳堤岛 3种植被类型的土壤颗粒分形
及水分生态特征
夏江宝1,2,张淑勇1,3,*,王荣荣1,3,赵艳云1,孙景宽1,刘京涛1,刘摇 庆1
(1. 滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 滨州摇 256603;
2. 山东省黄河三角洲野生植物资源开发利用工程技术研究中心, 滨州摇 256603; 3. 山东农业大学林学院, 泰安摇 271018)
摘要:运用土壤粒径质量分布原理与分形学理论,以黄河三角洲贝壳堤岛的 3种植被类型为研究对象,以裸地为对照,测定分析
土壤颗粒分形维数、粒径组成和水分物理参数,探讨不同植被类型的土壤颗粒分形特征及其影响因素。 结果表明:贝壳砂土壤
中粗砂粒含量最高;其次是细砂粒,而石砾和粉粘粒含量较低。 灌木林地和草地具有降低石砾、粗砂粒,增加细砂粒和粉粘粒含
量的作用。 不同植被类型土壤颗粒分形维数均值在 1.5845—1.9157 之间,大小依次为酸枣林、杠柳林和草地,表层高于 20—
40cm土层。 酸枣林、杠柳林及草地 0—40cm土壤容重均值分别比裸地低 23.87%,14.51%和 10.47%;总孔隙度均值分别比裸地
增加 16.96%,16.71%和 1.31%。 植被恢复措施对贝壳砂表层的孔隙结构、疏松程度改善较好,草地及灌木林地的蓄水性能均表
现为 0—20cm高于 20—40cm。 土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量、毛管孔隙度、总孔隙度、饱和蓄水量、吸持蓄水量等呈极显著
正相关,与细砂粒含量呈显著正相关,与粗砂粒含量和容重呈极显著负相关,与石砾含量、非毛管孔隙度、滞留蓄水量的相关性
不大。 从土壤分形维数及其水分生态特征来看,贝壳堤岛 3种植被类型的改良土壤物理性质及蓄水保土功能表现为灌木林好
于草地,其中酸枣林好于杠柳林,0—20cm好于 20—40cm土层。
关键词:分形维数;土壤粒径分布;土壤水分;植被类型;贝壳堤岛
Water ecology and fractal characteristics of soil particle size distribution of three
typical vegetations in Shell Island
XIA Jiangbao1,2, ZHANG Shuyong1,3,*, WANG Rongrong1,3, ZHAO Yanyun1, SUN Jingkuan1, LIU Jingtao1,
LIU Qing1
1 Binzhou University, Shandong Provincial Key Laboratory of Eco鄄Environmental Science for Yellow River Delta, Binzhou 256603, China
2 Shandong Provincial Engineering and Technology Research Center for Wild Plant Resources Development and Application of Yellow River Delta, Binzhou
256603, China
3 College of Forestry, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China
Abstract: Little information is available about soil particle鄄size distribution in shell ridge ecosystems. Based on the
principle of quality distribution of soil particle size and fractal theory, Periploca sepium Bunge, Ziziphus jujuba var. spinosa
Hu and Messerschmidia sibirica Linn. 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鄄size distribution and soil water physical
characteristics, in order to explore the effects of different vegetation types on soil pore structure and hydrological physical
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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鄄clay. And the mean value of coarse, fine sand, gravel and silt鄄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鄄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郾 9157. The sequence of fractal dimension was as follows: Z. jujuba var. spinosa Hu, P. sepium Bunge 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鄄clay ( r= 0.940,P<0.01), a significant positive correlation with fine sand ( r= 0.771,P<0.05), and a
very significant negative correlation with coarse sand ( r= -0.947,P<0.01), but the correlation with gravel was not obvious.
2) The mean value of soil density in 0—40cm of Z. jujuba var. spinosa Hu, P. sepium Bunge 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鄄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鄄storage capacity and capillary water鄄storage capacity, but the correlation with non鄄
capillary water鄄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. jujuba
var. spinosa Hu was better than P. sepium Bunge, and soil layer in 0—20cm than that in 20—40cm.
Key Words: fractal dimension; soil particle-size distribution; soil water; vegetation type; Shell Island
土壤颗粒分形特征不但表征土壤粒径的大小组成及孔隙分布[1鄄2],还能反映土壤水力学特征[3]、土壤质
地均匀程度及通气透水性[4鄄5]及土壤肥力[6]等特性。 利用粒径的重量分布描述土壤颗粒组成的分形维数具
有求解精确、简便的特点[7鄄9],因此,这一方法得到广泛应用。 目前对土壤颗粒分形特征的研究已有传统的分
形维数与不同土壤质地关系的分析[8鄄9]集中到某一具体立地类型、同种土壤质地下的不同土地利用方式或植
被恢复措施效益分析及土壤质量评价等方面,如用土壤颗粒分形特征反映科尔沁沙地农田沙漠化演变过
程[10]、库布齐沙漠沙柳沙障构建方式优劣[11]、沂蒙山区的植被恢复效果[12]、土石山区林地土壤质量评
价[5,13]、黄河三角洲滩地[6]及黄土丘陵沟壑区[14]土地利用类型比较、退耕还湖安庆沿江湿地土壤演变状
况[15]等,同时也从单一的土壤颗粒分形向不同土壤类型的多重分形维数转变[14,16鄄19]。
贝壳堤是淤泥质或粉砂质海岸所特有的一种滩脊类型,黄河三角洲的滨州市无棣、沾化县境内分布着两
道贝壳堤,与天津、河北的贝壳堤相连,组成规模宏大、国内独有的贝壳滩脊海岸,与美国圣路易斯安娜州和南
美苏里南的贝壳堤并称为世界三大古贝壳堤,在世界第四纪地质和海岸地貌研究中占有极其重要的位置[20]。
贝壳堤岛这一独特的生态系统,引起了众多学者的关注,目前对黄河三角洲贝壳堤岛的研究主要集中在贝壳
堤岛脆弱生态系统特征及其保护管理对策[20鄄21]、植被及微生物分布特征[22]、典型灌草生理生态特征[23鄄24]及
贝壳沙中微量元素含量和形态特征[25]等方面,而对该区域主要灌草植被恢复措施下的贝壳砂土壤颗粒分形
4107 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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特征及其影响因素的分析尚未见报道。 鉴于此,本文以黄河三角洲贝壳堤岛的杠柳(Periploca sepium Bunge)
林、酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa Hu)林及砂引草(Messerschmidia sibirica Linn.)草地 3种植被类型为研究对
象,并以裸地为对照,运用土壤单重分形学原理与方法,测定分析贝壳堤岛不同植被类型的土壤颗粒分形维
数、颗粒组成、容重、孔隙度及蓄水性能等指标,探讨不同植被类型对土壤物理结构的改良作用,阐明贝壳砂植
被恢复措施下的土壤颗粒分形特征及其影响因素,以其为贝壳砂生境下的土壤颗粒分形学机制奠定基础,为
黄河三角洲贝壳堤岛灌草种类选择及模式构建提供理论依据和技术参考。
摇 图 1摇 贝壳堤岛不同植被类型的土壤采样点示意图
Fig. 1 摇 Schematic map of sampling sites of soil under different
vegetation types in Shell Island
1摇 研究地概况
本研究选择在山东滨州市无棣县中东部滨海低地
的汪子岛(38毅02忆51义—38毅21忆06义N,117毅46忆58义—118毅
05忆43义E),总面积约 435.4km2,位于滨州贝壳堤岛与湿
地国家级自然保护区的缓冲区内(图 1)。 该保护区属
于暖温带东亚季风大陆性半湿润气候区,多年平均降水
量为 550mm,主要集中在 6—9 月份,占全年降水量的
71%以上;多年平均蒸发量为 2430. 6 mm,蒸降比为
4郾 4。 多年平均气温为 12. 36益,极端最低气温为
-25.3益,极端最高气温为 37.5益;多年平均日照 2849
h / a,平均无霜期 205d。 贝壳堤岛地势平坦,海拔一般
在 5m以下,潜水水位浅,矿化度高。 贝壳砂平均厚度
达 1.0—2.5m,局部达 3—4m,土壤类别主要是贝壳砂土
类和滨海盐土类,向海侧和向陆侧以滨海盐渍土为主,
成土母质由风积物和钙质贝壳土壤化组成。 植被类型
以草本、灌木为主,现有树种较少,受自然因素和平岛挖砂等人类活动的影响,贝壳堤岛植被主要种如杠柳、酸
枣、柽柳(Tamarix chinensis Lour)等形成的天然次生灌木林在逐步减少,草本以砂引草、獐毛(Aeluropus sinessis
(Debeaux)Tzvel)、二色补血草(Limonium bicolor (Bunge) O.Ktunze)等为主。
2摇 研究材料与方法
2.1摇 研究样地
在贝壳堤岛灌草植被集中分布的滩脊地带,选择生境条件一致的酸枣、杠柳天然次生灌木林,及以砂引草
为主的草地为试验样地,并以相同地段的贝壳砂裸地作为对照。 酸枣林平均树高 1.65m,平均基茎 1.38cm,林
分郁闭度 0.85,覆盖度 90%,树龄平均为 8a 生,林下草本以青蒿(Artemisia carvifolia Buch.)、地肤 (Kochia
scoparia(Linn.)Schrad) 、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)为主。 杠柳林平均树高 1.36m,平均基茎 1郾 21cm,
林分郁闭度 0.75,覆盖度 85%,树龄平均为 6a 生,林下草本以狗尾草(Setaria viridis(Linn.) Beauv.)、鹅绒藤
(Cynanchum chinense(Thunb.)Mak.)为主。 砂引草为多年生草本,主要借根状茎的延伸进行无性繁殖,水分适
宜时,也能用正常的种子繁殖,株高平均为 0.38m,覆盖度 65%,伴生种有青蒿和地肤。
2.2摇 土壤样品的采集与测定
在每种植被类型内设置 3个面积为 10m伊10m的样地,在每个样地内按 S形选取 5个测点,取 0—20cm以
及 20—40cm土层的土壤样品,把同一样地 5 个土壤样品分层混匀后,进行风干处理。 烘干法测定土壤含水
量,环刀浸水法测定土壤容重和孔隙度等参数[26],并由公式计算一定土层深度内的吸持蓄水量、滞留蓄水量
和饱和蓄水量[27],本研究按 0.2 m深度计算。 样品风干处理后,采用机械筛分法与比重计法测定土壤粒径质
量分布,粒径分级标准依据中国制和参照文献[12]。 基于 Turcotte[28]和 Sperry[29]等土壤颗粒分形维数计算公
式,利用 Tyler等[3]和杨培岭等[7]推导出的新模型公式,土壤颗粒分形维数计算公式可表示如下:
D= 3 -
lg(Wi / W0)
lg(di / dmax)
(1)
5107摇 21期 摇 摇 摇 夏江宝摇 等:贝壳堤岛 3种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征 摇
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式中, D为土壤颗粒分形维数;di为两相邻粒级 di与 di+1间土粒平均直径(mm);dmax为最大粒级土粒平均直径
(mm);Wi为直径小于 di的累积质量(g);W0为土壤样品总质量(g)。 具体应用时,首先求出土壤样品不同粒
径 di的 lg(di / dmax) 和 lg(Wi /W0) 值,并将两者进行线性拟合分析求得斜率 K,则土壤分形维数为 D = 3 - K 。
具体的土壤粒径计算原理及推导过程详见文献[8,11]。 采用 SPSS13.0统计软件中的 one鄄way ANOVA、LSD(琢=
0.05, 0.01和 0.001)和 Peareson相关分析方法分别进行方差分析、多重比较和相关性分析。
3摇 结果与分析
3.1摇 土壤颗粒组成与分形维数
3.1.1摇 不同植被类型的土壤颗粒组成
由表 1可知,贝壳砂土壤中,粗砂粒含量最高,在 50.15%—72.30%之间,平均为 61.31%;其次为细砂粒,
含量在 8.65%—32.65%之间,平均为 19.97%;而石砾和粉粘粒含量相对较低,石砾含量在 12.65%—20郾 13%之
间,平均为 17.33%;粉粘粒含量在 0.25%—4.92%之间,平均仅为 1.39%。 表明贝壳砂生境内粗砂粒、细砂粒
含量显著高于石砾、粉粘粒,具有壤质砂土特点,属于多砾质粗砂土的范畴[8]。 不同植被类型土壤粒径的质
量分布差异极显著(F= 380.449,Sig. = 0.000,P<0.001),3种植被类型 0—40cm贝壳砂土壤剖面中石砾含量差
异极显著(F= 12.234,Sig. = 0.000,P<0.001),均值大小依次为草地<杠柳林<酸枣林<裸地,分别比裸地低
20郾 43%、16.87%和 3.98%。 粗砂粒含量差异极显著(F= 11.205,Sig. = 0.000,P<0.001),均值大小依次为酸枣
林<杠柳林<草地<裸地,分别比裸地低 15.85%、11.78%和 2.76%。 细砂粒含量差异极显著(F = 8.740,Sig. =
0郾 000,P<0.001),均值大小依次为杠柳林>酸枣林>草地>裸地,分别比裸地高 71.37%、62.10%和 38.33%。 粉
粘粒含量差异极显著(F= 14.727,Sig. = 0.000,P<0郾 001),均值大小依次为酸枣林>杠柳林>草地>裸地,分别
是裸地的 8.26、4.08和 2.18倍。 表明灌木林地和草地具有减小石砾和粗砂粒含量,增加细砂粒和粉粘粒含量
的作用,即植被恢复措施,具有使贝壳砂由粗粒径向细粒径转变的效能。 在垂直结构上,不同植被类型不同颗
粒分布表现出一定的差异,占主要成分的粗砂粒均表层低于 20—40cm,细砂粒除草地差异不显著外(P>
0郾 05),其他均表现为表层高于 20—40cm。 占百分比最少的粉粘粒含量均表现为表层高于 20—40cm,石砾含
量除杠柳林外,其他均表现为表层高于 20—40cm。
表 1摇 各植被类型土壤中不同粒径范围土壤颗粒质量与总质量百分比
Table 1摇 Ration of soil particle mass of different size to total mass in different vegetation types
植被类型
Vegetation type
土层深度
Soil depth
/ cm
土壤粒级 Soil particle size distribution / %
石砾
Gravel / mm
2.0—1.0
粗砂粒
Coarse sand / mm
1.0—0.5 0.5—0.25
细砂粒
Fine sand / mm
0.25—0.2 0.2—0.1 0.1—0.05
粉粘粒
Silt鄄clay / mm
<0.05
杠柳林 0—20 12.69 35.98 16.43 23.49 9.01 0.10 2.29
P. sepium Bunge 20—40 19.43 50.67 13.98 11.50 3.76 0.02 0.64
酸枣林 0—20 19.90 37.30 12.89 17.66 7.29 0.06 4.92
Z. jujuba var. spinosa Hu 20—40 17.18 38.92 22.56 16.41 3.63 0.24 1.05
草地 Grassland 0—20 16.31 27.45 36.44 12.04 6.42 0.44 0.90
20—40 14.50 28.44 36.73 14.73 4.96 0.06 0.56
裸地 Bare land 0—20 19.94 39.35 21.08 12.42 6.71 0.09 0.41
20—40 18.67 39.96 32.32 5.11 3.44 0.17 0.32
3.1.2摇 土壤颗粒分形维数与土壤粒级分布的关系
3种植被类型及裸地 0—40cm土壤颗粒分形维数差异极显著(F= 24.70,Sig. = 0.000,P<0.001),均值大小
表现为酸枣林>杠柳林>草地>裸地(图 2),与裸地相比,分别增加 36.52%,23.67%,12.92%。 在垂直结构上,
土壤颗粒分形维数均表现为表层高于 20—40cm土层,差异均极显著(P<0.001)。 不同土壤层次颗粒分形维
数大小均表现为酸枣林>杠柳林>草地>裸地,0—20cm 分形维数分别比裸地高 48.39%、32.75%和 15郾 69%;
20—40cm分形维数分别比裸地高 23.96%、14.07%和 9.98%。 表明不同的植被恢复措施对贝壳砂土壤分形维
数影响较大,并且随着贝壳砂深度的不同,其分形维数也表现出较大差异。
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土壤颗粒分形维数对各个粒级土粒含量的反映程度不同,为确定分形维数与各粒级含量的关系,对分形
维数与石砾、粗砂粒、细砂粒和粉粘粒的含量进行相关性分析(图 3)。 土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量呈极
显著正相关(相关系数 r= 0.940,P<0.01),与细砂粒呈显著正相关( r = 0.771,P <0.05),与粗砂粒含量呈极显
著负相关( r= -0.947,P<0.01),与石砾含量的相关性不显著( r= 0.417,P>0.05)。 可见,贝壳砂生境下,土壤颗
粒分形维数随粉粘粒以及细砂粒含量的增加而增加,随粗砂粒含量的增加而减少,其中,对土壤颗粒分形维数
影响程度较大的是粗砂粒和粉粘粒含量,其次是细砂粒含量,石砾含量较小。
图 2摇 不同植被类型下的土壤颗粒分形维数
Fig.2摇 Soil particle fractal dimension in different vegetation types
图 3摇 土壤颗粒分形维数与粒径组成的相关性
Fig.3摇 Relationships between soil fractal dimension and soil particle
content
3.2摇 土壤颗粒分形维数与土壤容重和孔隙度
各植被类型下的土壤容重均低于裸地(表 2),差异显著(F = 17.212,sig. = 0.001,P<0.05),其中 0—40cm
土壤容重均值酸枣林、杠柳林、草地,分别比裸地低 23. 87%,14. 51%和 10. 47%。 总孔隙度差异显著(F =
9郾 607,sig. = 0.005,P<0.05),均值大小为酸枣林>杠柳林>草地,分别比裸地高 16.96%,16.71%和 1.31%,表明
酸枣林的通气透水性能较好,其次为杠柳林,草地较差。 酸枣林和杠柳林的毛管孔隙度均值较高,差异不显著
(P>0.05),草地的毛管孔隙度与裸地接近,表明酸枣林和杠柳林土壤中有效水的贮存容量较大,利于植被根
系对水分的有效利用,而草地在维持自身生长发育所贮存水分的潜能相对较低。 非毛管孔隙度均值最大的为
杠柳林,比裸地增加 74.17%,涵养水源潜能相对较好;而酸枣林和草地差异不显著(P>0.05),仅比裸地增加
22.50%,12.71%。 在垂直结构上,土壤容重表现为表层低于 20—40cm 土层,总孔隙度和毛管孔隙度则与之
相反。
表 2摇 不同植被类型的土壤容重和孔隙度特征
Table 2摇 Character of soil density and porosity in different vegetation types
植被类型
Vegetation type
土层深度
Soil depth / cm
土壤容重
Soil density
/ (g / cm3)
总孔隙度
Total porosity
/ %
毛管孔隙度
Capillary porosity
/ %
非毛管孔隙度
Non鄄capillary porosity
/ %
杠柳林 P. sepium Bunge 0—20 1.24 56.66 52.18 4.48
20—40 1.29 49.27 45.39 3.88
酸枣林 Z. jujuba var. spinosa Hu 0—20 1.04 54.20 51.37 2.83
20—40 1.21 51.95 48.90 3.05
草地 Grassland 0—20 1.25 47.42 45.14 2.28
20—40 1.40 44.53 41.40 3.13
裸地 Bare land 0—20 1.44 47.73 45.23 2.50
20—40 1.52 43.04 40.74 2.30
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图 4摇 土壤颗粒分形维数与土壤容重和孔隙度的相关性
Fig.4摇 Relationships between soil fractal dimension and soil density
and porosity
图 5摇 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水量的相关性
Fig.5摇 Relationships between soil fractal dimension and soil water-
storage capacity
由图 4可知,土壤颗粒分形维数与土壤容重呈极显著负相关( r= -0.928,P<0.01),与毛管孔隙度、总孔隙
度均呈极显著正相关(P<0.01),相关系数分别为 0.883,0.857,与非毛管孔隙度的相关性不显著( r= 0郾 350,P>
0.05)。 可见,土壤颗粒分形维数对土壤容重和孔隙度状况的反映程度不一样,其中反映程度最大的是土壤容
重,其次是毛管孔隙度,总孔隙度次之。 表明贝壳砂生境下土壤容重越小,总孔隙度和毛管孔隙度越大,土壤
颗粒分形维数越大,但土壤颗粒分形维数难以反映非毛管孔隙度的大小。
3.3摇 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能
不同植被类型下土壤饱和蓄水量(F= 9.628,sig. = 0.006,P<0.05)、吸持蓄水量(F = 7.606,sig. = 0.010,P<
0.05)差异均显著,均值大小均表现为酸枣林>杠柳林>草地(表 3),其中饱和蓄水量分别比裸地高 16.94%、
16.70%和 1.30%,吸持蓄水量分别比裸地高 16.63%,13.49%和 0.66%。 滞留蓄水量差异极显著(F = 25.011,
sig. = 0.000,P<0.001),均值大小表现为杠柳林>酸枣林>草地,分别是裸地的 1.74、1.23 和 1.13 倍,表明酸枣
林供给植物有效水利用较好,杠柳林涵养水源潜能较好,草地贮存水分的能力较差。 在垂直结构上,饱和蓄水
量及吸持蓄水量均表现为土壤表层大于 20—40cm。
表 3摇 不同植被类型的土壤蓄水性能
Table 3摇 Soil water鄄storage capacity in different vegetation types
植被类型
Vegetation type
土层深度
Soil depth / cm
饱和蓄水量
Total water鄄storage
capacity / mm
吸持蓄水量
Capillary water鄄storage
capacity / mm
滞留蓄水量
Non鄄capillary water鄄
storage capacity / mm
杠柳林 0—20 113.32 104.36 8.96
P. sepium Bunge 20—40 98.54 90.78 7.7
酸枣林 0—20 105.93 97.57 8.36
Z. jujuba var. spinosa Hu 20—40 108.4 102.74 5.66
草地 Grassland 0—20 103.9 97.8 6.1
20—40 106.15 100.27 5.88
裸地 Bare land 0—20 94.84 90.28 4.56
20—40 89.06 82.8 6.26
土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量( r= 0.855,P<0.01)、吸持蓄水量( r= 0.881,P<0.01)均呈极显著正相关,
与滞留蓄水量的相关性不明显( r= 0.340,P>0.05)(图 5)。 表明土壤颗粒分形维数对土壤蓄水指标的反映程
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度不一样,其中反映程度最大的是饱和蓄水量,其次是吸持蓄水量。 即饱和蓄水量和吸持蓄水量越大,土壤颗
粒分形维数越大,但土壤颗粒分形维数对滞留蓄水量的反映程度不高。
4摇 讨论与结论
4.1摇 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤颗粒组成的关系
土壤颗粒组成与分形维数,除了与成土母质、土壤质地、物理化学风化过程有关外[8鄄9,30],还与土地利用方
式[6,14]、不同植被类型[5鄄6,12]有一定关系。 在相同地段、相同生境内,植被可通过地表覆盖、枯枝落叶层的拦截
降雨、减弱风蚀、水蚀等过程,保存了地表层的细沙粒及粉粘粒含量;同时枯落物形成的腐殖质层及植物根系
本身穿插、残体及分泌物均可有效改变土壤物理结构和化学性能,从而影响土壤的颗粒组成及分形维
数[5鄄6,12,16]。 黄河三角洲贝壳堤岛滩脊地带的粗砂粒含量最高,其次为细砂粒,石砾和粉粘粒含量较低。 研究
表明,属于潮土类型的黄河三角洲滩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];属于棕壤
类型的冀北山地森林土壤中粗粉粒和沙粒含量显著高于细黏粒、细粉粒,混交林的细粒含量均高于纯林[13]。
可见,贝壳砂生境内土壤主要来源于风化的贝壳,颗粒组成相对较粗,但灌木林地及草地具有降低贝壳砂石
砾、粗砂砾,增加细砂粒和粉粘粒的作用,并且 0—20cm土层表现明显,即植被措施具有较好的增加贝壳砂细
颗粒含量的作用,并且灌木林地好于草地,这与其植被覆盖度高、生物量大,根系发达有一定关系。
土壤粒径大小及含量对土壤颗粒间的组合、孔隙大小、数量及几何形态都起着决定作用[3,9,19]。 我国不同
质地类型内土壤分形维数按砂土类鄄壤土类鄄粘壤土类鄄粘土类四大类质地顺序,依次增大,测量范围值在
1郾 834—2.904之间,其中壤质砂土最低,范围值在 1.834—2.641 之间[8]。 黄河三角洲滩地荒草地及有林地土
壤颗粒分形维数在 2.4657—2.6798之间[6],山地森林土壤颗粒分形维数在 2.0570—2.3739之间[13],而贝壳砂
土壤颗粒分形维数为 1.3632—2.1416,明显低于壤土、粘壤土及粘土类,表层高于 20—40cm土层,3 种植被类
型的分形维数大小依次为酸枣林、杠柳林、草地,均值为 1.7452,接近壤质砂土的测量最低值 1.834[8],可见与
山地森林或黄河滩地土壤相比,贝壳堤岛的土壤粗颗粒较多,分形维数偏低。 但贝壳堤岛的灌木林及荒草地
仍提高了相同生境下的分形维数,由裸地的 1.4032增至酸枣林下的 1.9157,增幅为 36.52%,表明灌木林下贝
壳砂变细,易形成良好的土壤结构,分形维数有增大趋势,0—20cm 土层这种改善作用较为明显,酸枣林分形
维数表层最高,这与其覆盖度最大,分解层枯枝落叶丰厚易增加表层土壤养分含量和粉粘粒含量有一定关系。
同时树木根系的生长影响土壤的物理化学以及生物学性质,加快了土壤风化的速度及腐殖质的形成,有利于
细砂粒物质的固定[5,12,16]。 而草地覆盖度较低,枯落物储量低,细小颗粒易被风蚀掉,草本植物根系较浅且不
发达,土壤易粗粒化,分形维数较低。 在无植被覆盖的地方,因风蚀而引起细颗粒和营养物质被吹蚀,土壤有
粗粒化变重趋势,粗砂粒含量最多,保水性能差,植被生长困难,易恶变为严重的退化沙化质地[10鄄11]。
科尔沁沙地农田沙漠化演变过程中[10],黄河三角洲滩地不同土地利用方式下[6],山地典型森林植被
下[5,13]的土壤颗粒分形维数与土壤中砂粒、粗粉粒含量呈显著负相关,而与粘粒、粉粒含量呈显著的正相关,
这与本研究结果基本一致。 贝壳砂土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量呈极显著正相关,与细砂粒呈显著正相
关,与粗砂粒含量呈显著负相关,但与大粒径石砾含量相关性不显著,与相关研究表明土壤质地由粗到细,分
形维数由小到大的结论一致[3鄄4,8鄄9],可见土壤颗粒分形维数在描述贝壳砂这一特殊土壤质地是可行的。 土壤
颗粒分形维数对各个粒级土粒含量的反映程度有一定差异,总体表现为土壤颗粒组成或团粒组成的分形维数
是随着土壤质地变细而增大,随粗粒径砂粒含量的增加而变小,这一规律随土壤质地、土地利用方式或植被类
型的不同略有差异,如冀北山地森林与黏粒含量相关性不显著[13],重庆四面山林地土壤分形维数与粉粒含量
的相关性不显著[5],这可能与成土母质、土壤粒径分布范围、含量及质地均匀程度有关。
4.2摇 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤物理参数的关系
结构良好的土壤容重为 1.25—1.35 g / cm3,水气关系协调的土壤总孔隙度为 40%—50%。 贝壳堤岛灌木
林地及草地土壤容重在 1.04—1.44 g / cm3,均低于裸地,总孔隙度为 44.53%—56.66%,表明植被覆盖对贝壳
砂土壤物理结构改善较好,灌木林地 0—20cm总孔隙度达 54.20%以上,土壤容重表层低于 20—40cm土层,这
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与表层枯落物回归土壤及腐殖质层的形成有一定关系,较高的覆盖度,在一定程度上减弱了风蚀及降雨对土
壤的冲刷淋蚀,且较多的残次根系使毛管孔隙度增大,在一定程度上改善了土壤通气状况[5,12]。 裸地总孔隙
度偏低,容重偏大,可能与泥质海岸上潮时携带的淤泥堆积有一定关系,而有植被覆盖的地方,除了植被本身
的改良土壤效应外,向海侧的酸枣、杠柳及柽柳等冲浪林带能有效抵挡潮滩淤泥。
山地森林土壤分形维数与土壤容重呈正相关,与总孔隙度呈负相关关系[13]。 一般而言,土壤分形维数越
高,土壤质地越粘重,通透性越差;分形维数越低,土壤结构越松散[9]。 但来源于风化未全的贝壳砂,土壤颗
粒较粗,孔隙度较大,不利于贮存水分,因此,植被恢复措施下的贝壳砂生境则呈现与之相反的变化规律,土壤
颗粒分形维数与土壤容重呈极显著负相关,与毛管孔隙度、总孔隙度呈极显著正相关,与非毛管孔隙度相关性
不显著。 即贝壳砂生境下,土壤孔隙度大、通气透水性能好,则分形维数也越高;而土壤变得密实,容重增大,
则分形维数也越低;与山地森林表现规律不一致[13],这主要与贝壳砂土壤中粗粒径含量相对较高、分形维数
相对较低有一定关系,这也表明随着土壤颗粒组成、粒径大小及含量的不同,土壤颗粒分形维数与土壤的疏松
程度、通气性能表现出一定的阈值效应。
4.3摇 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能的关系
吸持蓄水量为毛管持水,主要用来贮存植物生理用水,滞留蓄水量为非毛管持水,多反映植被的涵养水源
功能,饱和蓄水量为吸持贮存与滞留贮存的总和,可反映植被减少地表径流和防止土壤侵蚀的功能[26,31]。 黄
河三角洲滩地有林地 0—40cm饱和蓄水量在 82郾 69—102.85mm,吸持蓄水量在 79.07—93.34mm,滞留蓄水量
在 2.02—9. 51mm[31];贝壳堤岛灌木林及草地 0—40cm 饱和蓄水量在 89. 06—113. 32mm,吸持蓄水量在
82郾 80—104.36mm,滞留蓄水量在 4.56—8.96mm。 可见,从保持水土、植物有效水利用及水源涵养的角度来
看,贝壳堤岛滩脊地带好于黄河滩地,贝壳砂具有一定涵蓄水分的潜力,并且灌木林的蓄水性能好于草地。 植
被恢复措施对贝壳砂表层的孔隙结构、疏松程度改善较好,通气、透水性能比较协调,因此灌木林地及草地的
蓄水性能均表现为 0—20cm高于 20—40cm,这与黄河滩地的白蜡林、刺槐林结果类似[31]。
土壤孔隙大小分布决定着土壤持水性能,土壤颗粒分形维数在一定程度上能够反映土壤的蓄水特
性[5,13]。 冀北山地森林土壤颗粒分形维数与最大持水量呈负相关,与田间持水量相关性不显著[13];但重庆四
面山林地下的土壤颗粒分形维数与饱和含水量、毛管持水量和田间持水量均呈正相关,与非毛管孔隙度呈负
相关[5],这与本研究结果类似,贝壳砂生境下土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量、吸持蓄水量呈极显著正相关,
而与滞留蓄水量相关性不大,表明土壤颗粒分形维数随着成土母质、植被类型的不同,对土壤蓄水性能的反映
表现出一定的差异。 分形维数高的土壤中细沙粒或粘粒含量相对较高,而粘粒含量高的土壤利于土壤团聚体
的形成,可改善土壤通气、透水性能,增强土壤毛管孔隙度;同时单位土粒表面积越大,土壤对水分子的吸附力
越大,土壤的持水性能易增强[5]。 从土壤颗粒分形及其水分生态特征来看,贝壳堤岛 3 种植被类型的改良土
壤物理性质及蓄水保土功能表现为灌木林好于草地,其中酸枣林好于杠柳林。
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2207 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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