全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
’()*+,)- ’)./-* ’)+)(-*
/012!"!+02#
-345!$ % & &
沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒
分形与孔隙结构特征&
刘6霞&6姚孝友$6张光灿&6胡续礼$6eFDSK8D< :(7
"&2山东农业大学林学院6山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室6泰安 $"&%&##
$2水利部淮河水利委员会水土保持处6蚌埠 $77%%&#
72美国农业部农业研究局国家土壤侵蚀研究实验室6美国西拉法叶 !"B%"$
摘6要!6为探索人为活动干扰下植物群落变化对土壤物理结构特征的影响!运用土壤分形学和水文学原理与方
法研究沂蒙山林区 " 种植物群落下的土壤颗粒组成%分形维数%土壤孔隙度及其相关性& 结果表明’ 在长期农业耕
作等人为干扰下!玉米作物%板栗经济林和灌草丛群落下的土壤颗粒呈粗粒化特征!分形维数显著降低!土壤总孔
隙度和毛管孔隙度下降!非毛管孔隙度增加!土壤物理结构呈现退化状态# 而处于长期封禁保护下的森林群落!土
壤颗粒分形维数较大!粉黏粒等细粒物质的含量较高!孔隙结构状况较好& 研究区土壤颗粒组成具有石质山地典
型的粗骨土结构特征!森林群落能显著增加土壤中粉黏粒等细粒物质的含量和对土壤空隙的填充能力!是其改善
土壤物理结构的分形学机制& 土壤颗粒分形维数与土壤粉黏粒含量%总孔隙度和毛管孔隙度之间存在明显的线性
正相关!而与土壤砂粒含量和非毛管孔隙度具有线性负相关关系!它能较好表征植物群落变化对土壤颗粒组成和
孔隙状况的影响!因而可作为评价土壤物理结构质量的一项综合性指标&
关键词’6土壤物理结构# 土壤颗粒组成# 分形维数# 土壤孔隙# 沂蒙山
中图分类号! ’"&!2$666文献标识码!-666文章编号!&%%& @"!##"$%&&#%# @%%7& @%"
收稿日期’ $%%B @%? @$?# 修回日期’ $%&& @%? @&?&
基金项目’ 国家自然科学基金项目.沂蒙山区退耕坡地土壤结构与入渗动态及其分形学机理"7&%"%A$"$ / !国家林业行业专项课题.干旱
瘠薄山地植被恢复与重建技术研究/ "$%&&%!%%$ @A $和淮河水利委员会水土保持专项基金 .淮河流域水土保持分区及其治理模式研究/
" ’ k^$%%#%%$$ &
&张光灿为通讯作者&
Q/$1%$#Q"$%0/")’5.’&#F$/%&1#".&W"J&)%/&,0%&’($(26*$/$1%"/&)%&1)’5.’&#F’/".+$1"
0(2"/J&55"/"(%F#$(%6’440(&%&")&(Q’/")%)’5%*"X&4"(I :’0(%$&(
.=3 H=D&6CD0H=D0M03$6NKD<4:3D<4TD<&6e3 H31=$6eFDSK8D< :(7
"&29$+-2.+;A$%-6-$&!#/(0$(6 76+*"3%.3+/%:(*)-+2*.;6?-;$2V+/("# $&!$*%/(0 Y/.-+A$(2-+)/.*$(! O3/*#-1*)-+A$,,*22*$(! E*(*2.+;$&Y/.-+1-2$3+"-26V-(6@3 $77%%&#
72:!T7\71! C/.*$(/%!$*%’+$2*$( 1-2-/+"# ;,)%/$1%’6)< 0;RF;S0FQG10;FSKFFPFTS0PTKD<4FO=< G1DR=OS3;JDO=\FR=OS;=J3S=0< "Z’L$ D$% T8O0=11DMF;=< R=PF;F(K=FT0<08=TP0;FOS1D3G;DTS=TFO! VK=1FP=TDG=1D;MG0;0O=SM5[0;G;0SFTSFR P0;FOSO! O0=1GKMO=TD1G;0GF;S=FOVF;F=8G;0WFR R3FS01=SF;RFT08G0O=S=0< DRFWF10G8F8DFQD8="1$ g%2#7 DT0林 业 科 学 !" 卷6
V=SK 1$ WD13FO;D<4=<4P;08%2"! S0%2B&5,K=OOS3RMRF80l3DT0883<=SMF<"= -’/2)’6O0=1GKMO=TD1G;0GF;S=FO# O0=1GD;S=T1FO=\FR=OS;=J3S=0<# P;DTSD1R=8F66在美国 2科学3杂志上题为 .英国海岸线有多
长1/论文的发表 "ED[0;8! (KD:F08FS;M0P+DS3;F3专著的出版"ED&B#$$!标志着分形理论作为一种学术思想和理论
工具!逐步应用于自然界大量的无尺度特征但有自
相似的体系研究中& 土壤作为一种由不同颗粒组
成%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",3;T0SF! &B#A# ,M1F;-./%F! &BB$#
-;MD-./%F! &B#&# (04,3;T0SF"&B#A$提出多孔介质材料的粒径分布公式
为 C"#]0*$ ’ 0
T^
* ! 式中’ C是粒径大于 0*的总
数!T是粒径分布的分形维数& 由于 C值不能直接
通过试验得到!其值受到假设与实际符合程度的影
响!也影响 T值的准确计算& j;DWTKF<]0等"&BB#$
采用积分法推导出土壤颗粒粒级质量%粒径与土粒
表面分形维数的关系式!能较好定量化表征土壤质
地的分异性!但计算的是土壤颗粒表面的分形维数&
,M1F;"&BB$$和杨培岭等"&BB7$提出!用土壤粒径的
质量分布取代数量分布来描述土壤分形特征的模型
建立在常规土壤颗粒组成测定结果的基础上!采用
极限法推导出土壤粒径分布的分形维数公式!使土
壤分形特征的研究和测定走向实用化& 近年来!运
用分形模型计算土壤颗粒%团聚体和孔隙度的分形
维数来表征土壤质地%结构组成及其均匀程度!成为
定量描述土壤结构特征的新方法"缪驰远等! $%%"#
王丽等! $%%"# 龚伟等! $%%"# 张世熔等! $%%$$&
迄今为止!国内在不同地区有关不同土地利用
方式或植被类型下土壤分形特征的研究 "杨培岭
等! &BB7# 文海燕等! $%%A# 刘梦云等! $%%A# 何东
进等! $%%?$!以及土壤分形维数与土壤类型%水分
与养分状况等关系 "李德成等! $%%%# 张保华等#
$%%$$的报道较多& 在沂蒙山区!长期以来由于人
口数量的不断增加以及以资源消耗为主的生产生活
和经济增长方式!导致林区森林植被遭到破坏!生态
服务功能严重退化& 例如!一些防护林地转变为经
济林%农耕地和灌草坡地!植物群落结构和土壤物理
结构发生明显退化!但对其退化特征的研究还较少&
尤其在不同植物群落下的土壤颗粒分形特征!及其
与土壤孔隙结构相关性方面还缺乏研究报道& 本文
运用杨培岭等"&BB7$提出的土壤分形模型!对林区
几种植物群落下土壤颗粒分形维数和土壤孔隙度以
及两者的相关关系进行研究!探索不同人为干扰方
式与植物群落类型对土壤颗粒组成和孔隙结构的影
响特征与分形学机制!可为沂蒙山区水土保持植被
类型的合理选择与配置提供参考&
&6研究区概况
研究区位于临沂市费县的塔山林场& 地处沂蒙
山区的蒙山腹地!地理坐标为 &&"_7A‘(&&#_&#‘*!
7?_%&‘(7?_77‘+!属暖温带季风区大陆性气候& 年
平均气温 &72A c "年变率 %2! c$!日照时数
$ ?7$2& K!无霜期 &B" 天!蒸发量 #?# 88"?(A 月
较高!占全年的 A?d$!降水量 #&B 88"多集中在
A(B 月!占全年的 "?d$& 地貌以低山丘陵为主!海
拔多在 $%% b#%% 8!土壤以棕壤土和褐土为主!母
岩多为花岗片麻岩和石灰岩& 该区地带性植被类型
为暖温带落叶阔叶林& 乔木植物主要有赤松">*(32
0-(2*&%$+/$%麻栎"_3-+"32/"3.*22*,/$%刺槐 "1$@*(*/
G2-30$/"/"*/$% 侧 柏 ">%/.;"%/032$+*-(./%*2$% 板 栗
"A/2./(-/ ,$%*22*,/$%山楂 "A+/./-632G*((/.*&*0/$
等# 灌木及草 本植 物 主要有 胡 枝子 " <-2G-0-U/
@*"$%$+$%荆条"R*.-P(-63(0$WD;5#-.-+$G#;%/$%早熟
禾">$/ /((3/$%鹅观草 "1$-6(-+*/ S/,$5*$%艾蒿
"7+.-,*2*/ /+6;*$%茅莓"13@32G/+)*&$%*32$等&
$6材料与方法
>?@A研究样地选取
在研究区范围内!根据人为活动干扰结果!按
不同土地利用类型 "防护林地%经济林地%农耕地
和灌草荒坡$选取 " 种典型植物群落!分别是赤
松 @麻栎混交林%赤松纯林%麻栎纯林%刺槐纯林%
灌草丛%板栗经济林和玉米 "4-/ ,/;2$作物& 各
种植物群落主要分布在阳坡中部!其结构特征见
表 && 其中!防护林群落营造于 $% 世纪 A% 年代末
期!部分区域的防护林在 B% 年代初期由于遭受砍
伐或开发破坏!演变为目前的灌草丛%板栗经济林
和玉米作物&
$7
6第 # 期 刘6霞等’ 沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分形与孔隙结构特征
表 @A不同植物群落结构基本特征
9$,E@A.%/01%0/$#)0/K"= ’5)"K"(+#$(%1’440(&%&")&(%*")%02&"2$/"$
土地利用
类型
.DSMGFO
植物群落
Z1DT0883<=SM=FO
地面
坡度
’10GFh
"_$
林木胸径
L=D8FSF;0<
J;FDOSKF=4KSh
T8
林木高度
,;FF
KF=4KSh
8
林木冠幅
(;0V<
R=D8FSF;h
8
林分
郁闭度
(D<0GM
RF主要灌草种类
ED=< OGFT=FO0P
OK;3J D管理措施
ED8FDO3;FO
防护林地
Z;0SFTS=0<
P0;FOS1D赤松纯林
>F0-(2*&%$+/
G3;FP0;FOS
&? &$2$ B2" 727 9$2# %2B?
艾蒿 7F/+6;*!
虱子草 D+/632@-+.-+$(*/(32!
茅莓 1FG/+)*&$%*32!
岩蕨 Y$$02*/ $@%$(6/
麻栎纯林
_F/"3.*22*,/
G3;FP0;FOS
&? B2% "2A 72& 9$2$ %2#% 穿龙薯蓣
T*$2"$+-/ (*GG$(*"/!
羊胡子草 ’+*$G#$+3,"$,$23,
刺槐纯林
1FG2-30$/"/"*/
G3;FP0;FOS
&! B2" #2$ 72& 9$2$ %2B%
荩草 7+.#+/P$( #*2G*032!
早熟禾 >F/((3/!
透骨草 >#+;,/"-/-%-G.$2./"#;/!
蛇莓 T3"#-2(-/ *(0*"/
赤松 @麻栎
混交林
>F0-(2*&%$+/ D_F/"3.*22*,/
8=QFR P0;FOS
&A B2# #2& 72$ 9$2% %2B%
卷柏 !-%/6*(-%/ ./,/+*2"*(/!
胡枝子 沙参 70-($G#$+/ .-.+/G#;%/!
鹅观草 1FS/,$5*!
紫花地丁 R*$%/ G#*%*GG*"/
封禁保护
(10OFR
G;0SFTS=0<
经济林地
*T0<08=TD1
P0;FOS1D板粟经济林
AF,$%*22*,/
FT0<08=TP0;FOS
&$ &A2A "27 ?2" 9A2% %2"%
苎麻 V$-#,-+*/ (*)-/!
酸模叶蓼 >$%;6$(3,%/G/.#*&$%*3,!
葎草 O3,3%322"/(0-(2
农耕梯田
(;0G1D玉米作物
4-/ ,/;2T;0G
&% ( ( ( ( (
灌草坡地
’K;3JU
4;DOO1D灌草丛
’K;3J DKF;J
&? ( ( ( %2#%
荆条 RF(-63(0$WD;5#-.-+$G#;%/!
绵枣儿 !"*%/ 2"*%$*0-2!
香石竹 T*/(.#32"/+;$G#;%32!
白莲蒿 7+.-,*2*/ 2/"+$+3,!
鹅观草 1FS/,$5*
农业耕作
-4;=T31S3;D1
T31S=WDS=0<
>?>A土壤取样与测定
在每种植物群落内设置 7 个面积为 $% 89
$% 8的样地!在每个样地内按 ’ 形选取 ? 个测点!取
% b$% T8土层土壤样品!测定土壤颗粒组成和土壤
孔隙度& 将同一标准地"? 个样点%% b$% T8土层$
土壤样品混合均匀后!进行风干处理!采用筛分法测
定不同粒径范围土壤颗粒的相对含量!即土壤颗粒
组成& 用环刀取 % b$% T8土层内的原状土!同时用
已知质量的小铝盒取 &% b$% 4土壤"每样点 7 次重
复$!带回室内测定土壤含水量%土壤密度%土壤毛
管孔隙度和总孔隙度!并计算土壤非毛管孔隙度&
>?BA土壤分形模型
土壤中由某一粒径 0*" 0*>0*p&!*g&!$!4$土
粒构成的体积 R"#>0*$可由类似 jDS\的公式表示
"jDS\! &B#?$’
R"#]0*$ J75& ^"0*KS$
7 T^6! "&$
式中’ #是码尺!7! S是描述形状%尺度的常数!T为
分形维数&
由于土壤分析中粒径分析资料是通过筛分法用
一定粒径间隔的颗粒质量分布来表示的!因此!杨培
岭等"&BB7$提出用粒径的质量分布描述土壤分形
特征!这里以 (0*表示 $ 筛分粒级 0*与 0*M& 间粒径的
平均值!忽略各粒级土粒密度 $的差异!即 $* J$"*
J&!$!4$!则按土粒质量与密度的关系和式 "&$
得出"杨培岭等! &BB7$’
Y"$](0*$ JR"#](0*$$J
$7)& ^"(0*KS$*
7 T^! "$$
式中’Y"#>(0*$为大于(0*的累积土粒质量!以 Y% 表
示土壤各粒级质量的总和!由定义有 1=8
*)u
(0*g%!则
由"$$式得出’
Y% J1=8
*)u
Y"#](0*$ J$7! "7$
由"$$!"7$式导出’
Y"#](0*$
Y%
J& ^
(0*( )S 7 T^& "!$
66设 08DQ为最大粒级土粒的平均直径!Y"#]
08DQ$!代入"!$ 式可得 SJ08DQ&由此得出土壤颗粒
的质量分布与平均粒径间的分形关系式’
77
林 业 科 学 !" 卷6
Y"#](0*$
Y%
J& ^ 0*
0( )8DQ
7 T^
! "?$
或
0*
0


8DQ
7 T^
J
Y"#‘0*$
Y%
& "A$
式中’Y"#‘(0*$ 为粒径小于 0=的颗粒累积质量&将
Y"#‘(0*$ 简化为 Y*表示!对式"A$ 取对数得’
"7 ^T$14
0*
0


8DQ
J14
Y*
Y%
& ""$
66由式""$得出分形维数的表达式为’
TJ7 ^
14Y*
Y( )%
14"0*K08DQ$
& "#$
66利用式"#$求出土壤样品不同粒径 0*的 14" 0*K
08DQ$和 14"Y*KY%$值!然后以前者为横坐标!后者为
纵坐标做散点图!经直线回归后求得斜率 ?& 用公
式 Tg7 @?求出土壤样品的分形维数&
76结果与分析
B?@A土壤颗粒组成及其与分形维数的相关性
72&2&6不同植物群落下土壤颗粒组成6土壤颗
粒是形成土壤结构的基础!其组成状况对土壤质
地和孔隙结构等物理性状有很大影响& 由表 $ 可
以看出! 各种植物群落的土壤以粗砂粒含量最高!
为 7"2!d b!#2&d "平均 !!2!d$ # 其次是细砂
粒含量!为 $$2$d b7A2&d"平均 $"2%d$ # 而石
砾含量和粉黏粒含量相对较低!分别为 B2?d b
&B2Ad "平均 &?2!d$ 和 A2!d b$72"d "平均
&72&d$ & 土壤中砂粒含量显著高于粉粒和黏粒
等细粒物质的含量!表明研究区土壤颗粒组成具
有北方石质山地典型粗骨性特征!按中国土壤质
地分类标准!均属于多砾质粗沙土的范畴 "熊毅
等! &B#?# 林大仪! $%%$$ &
表 >A不同植物群落下土壤中不同粒径土粒质量与总质量百分比
9$,E>AF"/1"(%$I")’52&55"/"(%+$/%&1#")&W"2&)%/&,0%&’(’5+#$(%1’440(&%&")&(%*")%02&"2$/"$ d
土地利用
类型
.D植物群落
Z1D土壤粒级 ’0=1GD;S=D1P;DTS=0石砾 :;DWF1 粗砂粒 (0D;OFOD$2% b&2% &2% b%2? %2? b%2$? %2$? b%2& %2& b%2%? f%2%?
防护林地
*T0<08=TD1
P0;FOS1D赤松纯林
>F0-(2*&%$+/ G3;FP0;FOS
&"2$ $A27 $&2" &B2? 72$ &$2&
麻栎纯林
_F/"3.*22*,/ G3;FP0;FOS
&?2& $72A &72# &"2? A27 $72"
刺槐纯林
1FG2-30$/"/"*/ G3;FP0;FOS
&B2A $B2$ &?2$ &"2% ?2$ &72#
赤松 @麻栎混交林林
>F0-(2*&%$+/ D_F/"3.*22*,/ 8=QFR P0;FOS
B2? &"2A 7%2? &72% &$2$ &"2$
经济林地
*T0<08=TD1
P0;FOS1D板栗经济林
AF,$%*2*,/ FT0<08=TP0;FOS
&"2# $"2$ $%2A $!2! 72A A2!
农耕梯田
(;0G1D玉米作物
4F,/;2T;0G
&%2& $72A &B2? $"2? #2A &%2#
灌草坡地
’K;3JU4;DOO1D灌草丛
’K;3J D# $A2% &A2! $A2$ ?2& "2?
66从表 $ 还可以看出!植物群落间各级粒径土壤
颗粒含量明显不同& 以土壤粉黏粒含量的差别最大
"差值为 &"27d$!其中板栗经济林%灌草丛和玉米
作物群落的土壤粉黏粒含量"分别为 A2!d!"2?d
和 &%2#d$明显低于防护林地 ! 种群落的平均值
"&A2"d$& 土壤细砂粒含量的差别也较大"差值为
&72Bd$!表现为板栗经济林%灌草丛和玉米作物群
落的土壤细砂粒含量 "分别为 $%2#d! 7&27d和
7A2&d$明显高于防护林地 ! 种植物群落的平均值
"$72!"d$!表明在人为活动干扰下的植物群落土
壤中粉黏粒含量会明显下降!而细砂粒含量会明显
增加&
72&2$6不同植物群落下土壤颗粒分形维数6不同
植物群落下土壤颗粒分形维数变动范围在 $2&!& b
$2?$A"图 &$& 不同植物群落下土壤颗粒分形维数
差异极显著 "9%2%& g$$2#$7!>g%2%%%$& 其中!玉
米作物",C$%板栗经济林" .^$和灌草丛":($群落
下的土壤颗粒分形维数的差异不显著!但都显著低
于防护林地赤松 @麻栎混交林 "(E$%刺槐纯林
"(e$%麻栎纯林"E.$和赤松纯林"(’$等 ! 种植物
!7
6第 # 期 刘6霞等’ 沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分形与孔隙结构特征
群落土壤分形维数的平均值 "$27B?$!也显著低于
赤松 @麻栎混交林%刺槐纯林的和麻栎纯林的土壤
分形维数& 表明在人为活动干扰下!防护林群落演
变为玉米作物%经济林和灌草丛群落后!其土壤颗粒
的分形维数会显著降低& 在防护林地中!! 种群落
类型间的土壤颗粒分形维数差异也极显著"9%2%& g
&%2?!"!>g%2%%!$!其中!除了赤松 @麻栎混交林
与刺槐纯林的土壤分形维数差异不显著外! 其他森
图 &6不同植物群落下土壤颗粒分布的分形维数
[=45&6[;DTSD1R=8F3林群落的土壤分形维数之间均存在显著差异!即针
叶纯林"赤松林$地的土壤分形维数"$2$$!$显著低
于阔叶林"刺槐纯林的 $2!!?%麻栎纯林的 $27#!$和
针阔叶 "赤松 @麻栎 $混交林地的土壤分形维数
"$2?$A$& 表明在封禁状态下的森林群落!其树种
组成结构也会对土壤颗粒分形维数产生显著影响&
72&276土壤颗粒分形维数与颗粒组成相关性6由
图 $ 可以看出!分形维数与不同粒级土壤颗粒含量
的相关性不一致& 其中!分形维数与粉黏粒 "粉粒
及黏粒 $ 含量呈极显著正相关 "1g%2B&$!>g
%2%%%$# 与细沙粒和粗砂粒含量呈极显著负相关
"分别为 1g@%2"B#!>g%2%%%# 1g@%2A&A!>g
%2%%&$# 但与石砾含量的相关性不显著 "1g@
%2&%?!>g%2A?&$& 表明分形维数对各个粒级土粒
含量的反映程度不同!其中反映程度最大的是粉黏
粒含量!其次是细沙粒和粗砂粒含量!即分形维数越
大!土壤中粉黏粒含量越高!细沙粒和粗砂粒含量越
低!但分形维数的大小难以反映土壤中石砾含量的
高低&
图 $6土壤颗粒分形维数与颗粒组成的关系
[=45$6YF1DS=0B?>A土壤孔隙度及其与分形维数的相关性
72$2&6不同植物群落下土壤孔隙度6不同植物群
落下的土壤孔隙度具有显著差别"图 7$& 土壤总孔
隙度和毛管孔隙度均表现为’ 玉米作物"7#2?d和
$&2!d$ f板栗经济林"7B2%d和 $!2$d$ f灌草丛
" !$2Ad 和 $A2%d$ f赤 松 纯 林 " !72"d 和
$#2Ad$ f麻栎纯林"?%2"d和 7"2#d$ f刺槐纯林
"?72!d和 7B2!d$ f赤松 @麻栎混交林"?$2?d和
!&2&d$& 方差分析结果为’ 总孔隙度除了板栗经
济林与玉米作物之间差异不显著">g%2!!%$%刺槐
纯林与赤松 @麻栎混交林之间差异不显著 ">g
%2$%&$之外!其他植物群落之间存在显著差异"9%2%?
?7
林 业 科 学 !" 卷6
g&"B2!$#!>g%2%%%$& 毛管孔隙度在各种植物群
落之间均具有显 著差 异 "9%2%? g$?&27%#! >g
%2%%%$& 而不同植物群落下的土壤非毛管孔隙度
表现为’ 玉米作物 "&"2%[$ >灌草丛 "&A2A[$ >
赤松纯林"&?2&[$ >板栗经济林"&!2#[$ >刺槐
纯林"&!2&[$ >麻栎纯林"&$2B[$ >赤松 @麻栎
混交林"&&2?[$# 其中!除了板栗经济林与刺槐林%
赤松林之间差异不显著 ">值分别为 %2&&" 和
%2??&$%灌草丛与玉米田之间的差异不显著 ">g
%27!"$之外!其他植物群落之间均存在显著差异
"9%2%? g7A2&!7!>g%2%%%$&
图 76不同植物群落下的土壤孔隙度
[=4576’0=1G0;0O=SM3上述结果表明’ 在人为活动干扰下!防护林群
落演变为玉米作物%经济林和灌草丛群落后!其土壤
总孔隙度和毛管孔隙度均有一定程度的下降!但非
毛管孔隙度呈现增加趋势& 例如!玉米作物%板栗经
济林%灌草丛群落下的土壤毛管孔隙度!与 ! 种防护
林群落下的平均值"7A2"d$相比!分别低 !&2Ad!
7!2&d和 $B2&d& 在防护林地不同植物群落中!其
土壤总孔隙度和毛管孔隙度!针阔叶混交林"(E$
显著高于阔叶林 "(e!E.$和针叶林 "(’$!即在封
禁状态下的森林群落!其组成结构会对土壤孔隙状
况产生显著影响&
72$2$6土壤分形维数与孔隙度相关性6由图 ! 可
以看出!土壤分形维数与总孔隙度和毛管孔隙度呈极
显著正相关!而与非毛管孔隙度为极显著负相关& 从
相关系数看!土壤分形维数与毛管孔隙度的相关程度
依次高于总孔隙度和非毛管孔隙度!表明土壤颗粒分
形维数可以在一定程度上较好表征土壤孔隙度状况&
!6结论与讨论
防护林群落在人为活动干扰下转变为经济林%
农作物和灌草丛后!其土壤颗粒组成和孔隙结构呈
图 !6土壤颗粒分形维数与土壤孔隙度的相关性
[=45!6YF1DS=0现明显的粗化特征!粉黏粒等细粒物质含量减少!总
孔隙和毛管"持水$孔隙数量减少!非毛管"透水$孔
隙数量增加!土壤分形维数降低& 处于长期封禁状
态下的防护林群落!明显具有保护与改善土壤颗粒
和孔隙结构的功能!而且功能高低与林分组成结构
有关!其中针阔混交林 "(E$显著优于阔叶林 "(e
和 E.$和针叶林"(’$& 研究区土壤颗粒分形维数
与土壤的粉黏粒含量%总孔隙度和毛管孔隙度之间
存在显著正相关!而与砂粒含量和非毛管孔隙度呈
显著负相关& 这种土壤分形维数在不同植物群落之
间的变化!及其与土壤中不同粒级颗粒含量和不同
类型孔隙数量的相关特征!可能与研究区土壤的粗
骨性特点及土壤分形维数的物理本质有关&
研究区土壤具有石质山地典型粗骨性特征"表
$$!不同群落下的土壤均属于多砾质粗砂土的范畴
"熊毅等! &B#?# 林大仪! $%%$ $& 其分形维数在
$2&!& b$2?$A"平均值 $2$B!图 &$!都低于具有良好
结构和肥力状况的土壤在 $2A% b$2#% 的分形维数
"李德成等! $%%%# 张季如等! $%%!$!属于砂土类分
A7
6第 # 期 刘6霞等’ 沂蒙山林区不同植物群落下土壤颗粒分形与孔隙结构特征
形维数"&2#7 b$2A!$的范围"黄冠华等! $%%$# 李
德成等! $%%%$& 这类土壤通常存在质地粗劣%结构
松散%通透性强但保蓄性差的突出问题!土壤中缺乏
粉粒及黏粒等细粒物质是重要原因"王丽等! $%%"#
战海霞等! $%%B# 张洪江! $%%%$& 很显然!处于封
禁保护下的防护林群落"(E!(e!(’ 和 E.等$!其
良好的土壤保护与改良作用!可以在防止土壤侵蚀
的基础上!增加粉黏粒等细粒物质的含量"表 $$!进
而改善土壤颗粒组成和提高土壤分形维数# 而防护
林遭受破坏后形成的植物群落" .^!,C和 :($!由
于其防护功能降低!加上农业耕作等人为活动干扰!
导致土壤细粒物质流失加剧和分形维数降低&
土壤颗粒分形维数作为描述土壤结构几何形体
的参数!本质上反映土壤颗粒对空间填充能力 "黄
冠华等! $%%!# 战海霞等! $%%B# 刘云鹏等! $%%7$!
即土壤颗粒越小%细粒物质"黏粒%粉粒%有机质等$
含量越高!对空间的填充能力越强!土壤颗粒分形维
数就越大!同时也有利于形成较多的团粒结构!存在
于团粒内部的毛管孔隙数量越多!孔隙度越高!反之
亦然& 而团粒对土壤大孔隙 "如石砾之间的缝隙
等$的填充则会导致非毛管孔隙度降低"周蓓蓓等!
$%%"$!这种关系在质地结构较粗的土壤 "如砂质
土$中尤其明显"王丽等! $%%"# 战海霞等! $%%B$&
因此!研究区呈现土壤颗粒分形维数与粉黏粒含量
正相关%与砂粒含量负相关"图 $$!以及与毛管孔隙
度和总孔隙度呈正相关%与非毛管孔隙度呈负相关
"图 !$的关系& 由此认为!土壤颗粒分形维数能客
观地反映土壤颗粒"尤其是细颗粒$组成状况和孔
隙结构状况!可作为描述土壤物理结构特征的一个
定量指标& 对退化沙质草地土壤颗粒分形特征的研
究也得出相同的结论"赵文智等! $%%$$& 而森林群
落能增加土壤中粉黏粒等细粒物质的含量及其对土
壤空隙的填充能力!是其改善石质山地粗骨性土壤
颗粒组成和孔隙结构的分形学机制&
参 考 文 献
龚6伟! 胡庭兴!王景燕!等5$%%"5川南天然常绿阔叶林人工更新
后土壤团粒结构分形特征5植物生态学报! 7&"&$ ’ ?A @A?5
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性质异质性及其分形特征5林业科学! !&"?$ ’ &"? @&"B5
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西北农林科技大学学报! 7&"$$ ’ B$ @B!5
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应用生态学报! &#"B$ ’ &B#" @&BB75
王6丽!刘6霞!张光灿5$%%"5鲁中山区采取不同生态修复措施时
的土 壤 粒 径 分 形 与 孔 隙 结 构5中 国 水 土 保 持 科 学! ?
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文海燕!傅6华!赵哈林5$%%A5退化沙质草地开垦和围封过程中的
土壤颗粒分性特征5应用生态学报! &""&$ ’ ?? @?B5
熊6毅!李庆逵5&BB%5中国土壤5$ 版5北京’ 科学出版社! &$ @&A5
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粒分形与水分入渗特征5中国水土保持科学! ""&$ ’ !B @?A5
张保华!何毓蓉!周红艺5$%%$5长江上游典型区亚高山不同林型土
壤的结构性与水分效应5水土保持学报! &A"!$ ’ &$" @&$B5
张洪江5$%%%5土壤侵蚀原理5北京’ 中国林业出版社! ?$ @?75
张季如!朱瑞赓!祝文化5$%%!5用粒径的数量分布表征的土壤分形
特征5水利学报! "!$ ’ AA @"&!"B5
张世熔!邓良基!周6倩!等5$%%$5耕层土壤颗粒表面的分形维数
及其与主要土壤特性的关系5土壤学报! 7B"$$ ’ $$& @$$A5
赵文智!刘志民!程国栋5$%%$5土地沙质荒漠化过程的土壤分形特
征5土壤学报! 7B"?$ ’ #"" @##&5
周蓓蓓!邵明安5$%%"5不同碎石含量及直径对土壤水分入渗过程
的影响5土壤学报! !!"?$ ’ #%& @#%"5
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R=OS;=J3S=0-8F;=TDk03;!责任编辑6郭广荣"
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