全 文 ：第 16 卷 第 4 期
Vo l. 16 No. 4
草 地 学 报
ACT A AGREST IA SIN ICA
2008年 7 月
Jul. 2008
黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒分形特征
周 萍1, 2 , 刘国彬1* , 侯喜禄1
( 1.中国科学院水利部水土保持研究所, 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;
2.中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘 要: 运用分形理论研究黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒的粒径组成、分形维数特征及与土壤理化性
质关系, 使分形学在土壤微团粒性状与土壤肥力特征研究中得到进一步应用, 并为评价草地生态系统土壤特征及
生态恢复提供新方法。结果表明 :表土层分形维数随植被恢复年限的增加而减少; 剖面土壤沙粒含量越高 , 微团
粒分形维数越低 ,粘粒规律相反 ,而粉粒与分形维数相关性不显著; 土壤质地由粗到细使得分形维数由小到大变
化; 分形维数也可有效地表征不同植被恢复年限的草地土壤结构和养分的变化趋势; 分形维数与土壤容重、非活
性孔度、全磷、速效钾及氨态氮之间存在正相关性 ,与土壤活性孔度、孔隙比、有机质、全氮、碱解氮及硝态氮表现
出负相关。
关键词: 黄土丘陵区; 恢复年限; 土壤微团粒; 分形特征
中图分类号: S154. 4 文献标识码: A 文章编号 : 1007-0435( 2008) 04-0396-07
Study on Fractal Features of Soil Microaggregates during Different
Restoration Stages in the Loess Hilly Region
ZHOU Ping
1, 2
, L IU Guo-bin
1*
, HOU X-i lu
1
( 1. In st itute of Soil an d Water Conservat ion , Ch ines e Academy of Sciences and M inist ry of Water Resources,
Northw est A& F U nivers ity, Yan gling, Shaanx i 712100, China;
2. Graduate School, Chin ese Academy of Sciences, Beijing 100049, C hina)
Abstract: The composit ion of so il m icroaggregate and condit ion of so il st ructure are impor tant factor s to af-
fect so il character and fert il ity and soil microagg regate in different restorat ion year have dif ferent f ractal d-i
mension featur e. T he par ticle size component and fractal dimension of so il m icroaggregats as w ell as the re-
lat ionship betw een fractal dimension and soil physical and chemical characters were studied using f ractal d-i
mension theor y under dif ferent restor at ion stages of grasslands in the H illy Loess Reg ion. The object iv e o f
this study w as to apply the f ractal dimension theory to soil microagg regate and soil nut rient invest igat ion
and supply a new too l fo r grassland eco system evaluat ion. The results show that the longer the restorat ion
t ime, the less the fractal dimension of so il m icroaggragates in the upper layer; the higher the sand content ,
the higher the fractal dimension; how ever, the clay content had an opposite t rend and the silt content had
no significant correlation w ith the f ractal dimension. The f ractal dimension could effect ively represent the
t rends of soil texture and soil nut rients under dif ferent restorat ion stag es. Positive co rrelat ion ex isted be-
tw een fractal dimension and bulk density, non-capillary porosity , porosity rat io, to tal phosphorus, ava-i
lable potassium, and ammoniac nitrogen, while fractal dimension had negative correlat ion with capillary porosity,
soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, and nit rate nitrogen. The research suggests that the fractal
dimension of soil microaggregats could be a comprehension index of soil quantity evaluat ion.
Key words: Hilly Loess Region; Restorat ion stages; Soil micro aggregates; Fr actal dimension
收稿日期: 2007-08-20; 修回日期: 2007-11- 20
基金项目: 中科院科学院西部行动计划( KZCX2-XB2-05) ; 国家重点基础研究发展计划;国家自然科学基金重点项目( 90502007 ) ;中国主
要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究( 2007CB407205)
作者简介:周萍( 1981-) ,女,陕西汉中人,博士生,研究方向为植被恢复和生态系统服务功能, E-mail: zh ou ping04@ mail s. gu cas. ac. cn;
* 通讯作者 Author for cor resp on dence, E-m ail: gbliu@ ms. isw c. ac. cn
第 3期 周萍等:黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒分形特征
1967年 B. B. M andelbo rt 首次提出了分形的
概念[ 1] 并于 1975年创立了分形几何学( fr actal g e-
ometry) ,在此基础上形成了研究分形性质及其应用
的科学, 称为分形理论 ( fr actal theory ) [ 2] , 为研究
不规则事物提供了有效方法, 使分形理论成为当代
新兴的学术思想。土壤是由水、空气和粒径不同的
各类物质组成的具有不规则形状和自相似性的多孔
介质,具有分形特性[ 3]。Ar ya 和 Paris [ 4] 将分形理
论应用到土壤学领域研究了土壤颗粒的分形现象及
其分形维数的计算; T ur cot te[ 5] 提出了多孔介质材
料的粒径分布与分形维数关系公式; 杨培岭等[ 6] 提
出用粒径的重量分布取代粒径的数量分布直接计算
粒径分布的分形维数, 表征土粒直径的大小和质地
组成的均匀程度。近年来,分形理论已经被用来解
释土壤科学中许多复杂的现象和过程, 计算土壤团
粒、微团粒和孔隙度的分形维数以表征土壤粒径的
大小组成、土壤质地、形态、结构、均匀程度、水分特
征、溶质转移和侵蚀度等,并在一定程度上使其定量
化,是描述土壤结构特征的新方法[ 3, 7, 8 ]。并将多重
分形等理论应用于多重分形介质中的扩散运动研
究[ 9] 及土壤结构和性质的研究[ 10]。
植被恢复是黄土高原水土流失区生态恢复的重
要而有效的措施, 植被的恢复同时对土壤物理、化学
性状产生深刻影响。但目前对黄土丘陵区植被恢复
演替过程中草地土壤微团粒分形特征及其变化规律
的研究报道不多。本文运用分形理论结合已有分形
模型研究该区不同演替阶段草地土壤微团粒的分形
特征,同时探讨土壤微团粒分形维数与土壤容重、孔
隙度、养分之间的关系,有助于了解不同植被演替阶
段土壤微团粒的分布和特征, 为植被恢复的土壤质
量定量化评价和肥力重建提供新方法, 并为进一步
了解草地生态系统土壤特征及生态恢复提供科学
依据。
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
研究区位于陕西省安塞县纸坊沟小流域,地理
位置在 109b13c46d~ 109b16c03dE, 36b42c42d~ 36b
46c28d N, 海拔 1100~ 1400 m,流域面积8. 27 km2 ,
属黄土丘陵沟壑区第 2副区, 气候区划上属暖温带
半湿润气候向半干旱气候过渡区。流域内大部分土
壤是在黄土母质上发育而成的黄土幼年土-黄绵土,
占总土地面积的 77. 1%。年日照总时数2415. 6 h,
年辐射量 552. 7 kJ/ cm2 , 年均气温 8. 8 e , \0 e 积
温为 3733. 5 e , \10e 积温 3 113. 9 e ,无霜期 157-
194 d。年均降水量 542. 5 mm, 分布不均, 7、8、9月
降水量占年降水量的 61. 1% , 且多暴雨, 是该流
域水土流失的主要原因。现已成为黄土高原地区
生态建设的样板流域, 是国家级退耕还林还草示
范区 [ 11] 。
纸坊沟流域植被可划分为 3个植被型, 5 个植
被亚型, 20个群丛组, 草本主要有铁杆蒿( Ar temisia
sacr or um)、茭蒿( Ar temisia g ir aldi i )、白羊草( Bo-
thriochloa i schaemum )、长芒草( S tipa bungeana )、
茵陈蒿( A r tem isia cap i llar ies )、披针苔草 ( Car ex
lanceolata) 群丛等, 灌木主要有狼牙刺 ( S op hor a
dav id ii )、虎榛子 ( Ostr yop sis david iana )、黄蔷薇
( Rosa hugonis )、沙棘( H ippop hae rhamnoides)、柠
条( Caragana korshinski i )群丛等;乔木分布相对较
少,主要是刺槐( Robinia p seudoacacia)、油松 ( Pinus
tabulaef ormis)和山杨( Populus tremuloides)群丛。植
物类型具有森林和草原成分大量并存的特点[ 12]。
1. 2 研究方法
1. 2. 1 样地选择和样品采集 在坡向、坡度、坡位
和海拔基本一致的不同恢复年限天然草地上分别设
置 3个 5 m @ 5 m 样方(表 1)。于 2006年 9 月中旬
在所设定的标准地内采用蛇形 5点取样法按 0 ~
20、20~ 40和 40~ 60 cm 土层用环刀取原状土后在
室内测定容重和孔隙度并分层取土壤混合样(去除
枯落物层)测定土壤微团粒结构和养分含量。
1. 2. 2 测定方法 土壤微团粒结构用英国马尔文
公司生产的 MS2000型激光粒度仪测定。有机质采
用重铬酸钾氧化-外加热法( GB7857-87) , 全氮采用
半微量凯氏法( GB7848-87) ,碱解氮采用碱解-扩散
法( GB7849-87) , 硝态氮和铵态氮采用 KCl浸提,
AutoAnalyzer3流动元素分析仪测定, 全磷采用碱
熔-钼锑抗比色法( GB7852-87) , 速效钾采用乙酸铵
浸提-火焰光度法( GB7856-87)。
1. 2. 3 土壤颗粒分形维数的计算模型 运用分形
理论建立土壤颗粒的分形模型 [ 7, 13] : 粒径 d i 小于某
一特定测量尺度的累积土粒质量W i 与d i 之间的分
形关系式为: ( d i / dmax ) 3- D = W i / W o 式中: dmax为最
大土粒的粒径, mm; W i 为粒径大于 d i 的累积土粒
质量, kg;W o 为各粒级质量的总和; D 为分形维数。
分别以 lg (W i / W o )、lg ( d i / dmax )为纵、横坐标, 则 3-
D是 lg (W i / W o ) , 和 lg ( d i / dmax )的实验直线的斜
率,故可用回归分析方法对土壤颗团粒的分形维数
( D )进行测定。
397
草 地 学 报 第 16卷
表 1 样地基本情况
Table 1 General informat ion of the sampling sites
样地号 主要物种 恢复年限 海拔( m) 坡向 地形 坡位 坡度 土壤类型
Plot no. Main species Restoration year Altitude( m) Slope aspect Relief Slope situation Grad ient Soil ty pe
1#
香青兰 Dracocep ha lum mol davica L.、阿尔泰狗哇花 H et-
er opap p us altaicus ( Willd. ) Novopokr. 、猪毛蒿 Ar temisia
scop ar ia Waldst. et Kitag.
4 1168 SW28b 沟坡 Gully 中部 Middle 29b
黄绵土
Cultivated
loessial soils
2#
铁杆蒿 A . sacror um、早熟禾 Poa sp hondylodes Tr in. ex
Bunge、蛇葡萄 A mp elop sis brevip eduncula ta ( Max im. )
T raut v.
12 1157 SW20b 沟坡 Gully 上部 Upper 24b
黄绵土
Cultivated
loessial soils
3#
铁杆蒿 A . sacror um、胡枝子 Lesp edeza f ormosa ( Vog. )
Koehne、马豆 Vi cia sativa L.、草木樨状黄芪 As tr agalus
melilotoides Pall.
20 1125 SW42b 沟坡 Gully 中部 Middle 26b
黄绵土
Cultivated
Loessial so ils
4#
铁杆蒿 A. sacr or um、茭蒿 A. gir ald ii、长芒草 S . bun-
geana、黄花列当 Orobanchep y cnos tachy a H ance 28 1176 SW10b 沟坡 Gully 上部 upper 28b
黄绵土
Cultivated
loessial soils
5#
长芒草 S. bungeana、铁杆蒿 A . sacr or um、茭蒿 A. gir al-
dii、狼牙刺 Sop hora david ii ( Franch. ) Skeels、杠柳
Perip loca sep ium Bunge
40 1090 SW20b 沟坡 Gully 中部 Middle 25b
黄绵土
Cultivated
loessial soils
1. 2. 4 数据统计分析 用单因素方差分析( ANO-
VA) 检验不同恢复年限及不同土层土壤微团粒含
量及土壤分形维数之间的差异。若存在显著性差异
进一步采用 LSD 进行多重比较。统计分析应用
SPSS 软件。
2 结果与分析
2. 1 土壤微团粒组成及其分形特征
土壤微团粒数量和质量可用于评价土壤结构性
能、抗分散强度和保水保肥能力[ 14] 。不同恢复年限
的天然草地表层( 0~ 20 cm)土壤 1~ 0. 05 mm粒级
(砂粒)含量变化为 5# > 4# > 3# > 1# > 2# , 随
着恢复年限的增加而逐渐变大, 下层土壤的砂粒含
量与恢复年限也表现出相同的变化规律(表 2)。在
0~ 60 cm 土壤剖面上, 不同恢复年限的天然草地
0. 05~ 0. 001 mm 粒级(粉粒)土壤微团粒含量随着
土层加深而增大, 而< 0. 001 mm 粒级 (粘粒)含量
除了 1# 样地外,在剖面上也随着土层加深而增大。
随着植被恢复演替的进行, 0. 05~ 0. 001 mm 粒级
含量先增后减, 而< 0. 001 mm 粒级表现为逐渐减
小趋势。说明植被恢复早期,粘粒含量高, 这意味着
土壤更紧实, 必然占用通气孔隙,孔隙过小则土壤持
水多以低效或无效的非活性水为主, 加剧了土壤的
水肥矛盾[ 15] , 随着植被恢复年限的延长, 地表枯落
物增多使土壤有机质含量增加和胶体质量提高, 粘
粒含量减少, 土壤通气性变好,土壤结构得到改善有
利于植被恢复。
现有研究已揭示出分形维数在定量描述土壤质
地、均一程度、物理性状及肥力特征等方面具有潜
力[ 16、17]。运用回归分析计算出不同恢复年限草地
0~ 60 cm 剖面土壤微团粒分形维数在 2. 360~ 2. 494
之间, 其相关系数均在 0. 900以上且达到显著性水
平。不同恢复年限表层( 0~ 20 cm )和 20~ 40 cm 土
层土壤的微团粒分形维数大小顺序为: 1# > 2# > 3
# > 4# > 5# 。由于草地根系都较浅且主要分布在
上层,因此上层土壤微团粒受到的影响大且明显, 而
40~ 60 cm 土层微团粒的分形维数与恢复年限相关
性不大。这主要是由于随着植被演替的进行, 草地
由一年生演变为多年生植被, 地表年枯落物增加了
地表土壤有机物来源, 使土壤颗粒间有机质胶结作
用加强,且多年生植物的地下根系较多,根在土壤中
的穿透和扎伸能力增强, 使土壤结构相对松散、通透
性好[ 18] ,土壤结构得到改善。0~ 60 cm 土壤剖面
的沙粒含量变化是 4# > 5# > 3# > 2# > 1# , 随
着恢复年限的增加, 沙粒含量越高,土壤颗粒粗粒化
越明显且颗粒直径增大,分形维数减小。此结果与
土壤质地由粗到细变化其分形维数由小到大的结论
相一致[ 12]。粉粒含量为 2# > 3# > 1# > 4# > 5
# ,粉粒与土壤微团粒分形维数与草地恢复年限的
相关性不显著。粘粒含量为 1# > 2# > 3# > 5#
> 4# ,表现为恢复年限时间越短, 粘粒含量越高、质
地越细、分形维数越高。此外,单一粒级的集中程度
对分形维数也会产生重要影响 [ 19]。因此,对土壤微
团粒的各粒级含量与分形维数进行了回归分析(表
3) ,表层土壤微团粒的分形维数与< 0. 001 mm 粒
级含量之间呈极显著正相关( P< 0. 01) ,而与 0. 05~
0. 01、0. 01~ 0. 005和 0. 005~ 0. 001 mm 之间呈显
著正相关( P < 0. 05) , 与 1~ 0. 25 和 0. 25 ~ 0. 05
mm 粒级含量相关性不显著。鉴于此, 以 0. 05 mm
398
第 3期 周萍等:黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒分形特征
为界对> 0. 05 mm 和< 0. 05 mm 粒级含量与分形
维数进行回归分析发现,它们与分形维数分别呈负
相关和正相关,即> 0. 05 mm 粒级含量越高分形维
数越小, < 0. 05 mm 粒级含量越高分形维数越大,
但相关性均未达到显著性水平。这也进一步验证了
土壤微团粒分形维数作为反映土壤结构几何形体的
参数,实质上反映了土壤颗粒对空间填充的能力, 并
与颗粒大小、数量及其分布均匀程度密切相关。
表 2 不同退耕年限草地土壤微团粒组成及其分形维数特征
Table 2 Component and fractal dimension of so il microagg regates dur ing differ ent r estorat ion stages
土深( cm)
Soil depth ( cm )
粒径
Part icle size (mm)
样地号(均值 ? 标准差) Plot n o. (m ean ? stand deviat ion)
1# 2# 3# 4# 5#
0~ 20 1~ 0. 25 0. 810 ? 0. 09Ca 4. 420 ? 0. 44 Ba 1. 840 ? 0. 72Ca 4. 010 ? 0. 41Ba 11. 910 ? 0. 77Aa
0. 25~ 0. 05 31. 640 ? 10. 26Aa 27. 060 ? 9. 24Aa 29. 500 ? 7. 26Aa 36. 580 ? 12. 16Aa 44. 080 ? 16. 11Aa
0. 05~ 0. 01 49. 230 ? 9. 32Aa 48. 010 ? 10. 16Aa 50. 580 ? 15. 23Aa 46. 210 ? 11. 04Aa 33. 240 ? 10. 25Ba
0. 01~ 0. 005 6. 790 ? 1. 02Aa 7. 840 ? 0. 99Aa 6. 910 ? 1. 22Aa 4. 900 ? 1. 24Ba 4. 460 ? 1. 09Ba
0. 005~ 0. 001 8. 230 ? 0. 78Aa 9. 860 ? 1. 08Aa 8. 490 ? 1. 98Aa 6. 080 ? 1. 03Ba 5. 070 ? 0. 78Ba
< 0. 001 3. 300 ? 0. 41Aa 2. 820 ? 0. 69ABa 2. 680 ? 0. 99BCa 2. 220 ? 0. 53Ca 1. 230 ? 0. 24Da
分形维数
Fractal dimen sion
2. 494 ? 0. 015Aa 2. 488 ? 0. 013Aa 2. 471 ? 0. 010ABa 2. 431 ? 0. 014Ba 2. 360 ? 0. 008Ca
相关系数
C orrelat ion coef fi cient
0. 915 ? 0. 005 0. 902 ? 0. 004 0. 907 ? 0. 001 0. 926 ? 0. 004 0. 942 ? 0. 004
20~ 40 1~ 0. 25 0. 820 ? 0. 02Ba 0. 000 ? 0. 02Cb 0. 540 ? 0. 04BCb 0. 910 ? 0. 25Bb 5. 510 ? 1. 07Ab
0. 25~ 0. 05 29. 160 ? 9. 14Aa 26. 660 ? 10. 19Aa 28. 260 ? 7. 65Aa 37. 270 ? 10. 24Aa 40. 240 ? 13. 18Aa
0. 05~ 0. 01 52. 360 ? 10. 98Aa 53. 500 ? 13. 87Aa 52. 830 ? 12. 96Aa 48. 170 ? 11. 07Aa 40. 420 ? 11. 04Aa
0. 01~ 0. 005 6. 690 ? 2. 13ABa 7. 610 ? 0. 96Aa 6. 920 ? 2. 31ABa 4. 940 ? 1. 08Ba 5. 270 ? 0. 28ABa
0. 005~ 0. 001 7. 730 ? 3. 14ABa 9. 270 ? 1. 13Aa 8. 600 ? 1. 07Aa 6. 290 ? 1. 11Ba 6. 240 ? 0. 56Ba
< 0. 001 3. 240 ? 1. 08Aa 2. 970 ? 0. 48ABa 2. 850 ? 0. 77ABCa 2. 410 ? 0. 65BCa 2. 330 ? 0. 23Cb
分形维数
Fractal dimen sion
2. 488 ? 0. 016Aa 2. 486 ? 0. 014ABa 2. 477 ? 0. 011ABa 2. 441 ? 0. 011Ba 2. 441 ? 0. 009Ba
相关系数
C orrelat ion coef fi cient
0. 912 ? 0. 003 0. 899 ? 0. 005 0. 905 ? 0. 003 0. 922 ? 0. 004 0. 936 ? 0. 002
40~ 60 1~ 0. 25 0. 070 ? 0. 07Cb 0. 650 ? 0. 26 Bc 0. 000 ? 0. 06Cc 0. 000 ? 0. 05Cc 1. 870 ? 0. 27Ac
0. 25~ 0. 05 29. 010 ? 11. 97Aa 24. 840 ? 9. 11Aa 27. 530 ? 7. 52Aa 34. 550 ? 10. 12Aa 35. 190 ? 14. 25Aa
0. 05~ 0. 01 52. 000 ? 15. 03Aa 53. 300 ? 17. 14Aa 54. 350 ? 13. 45Aa 51. 180 ? 15. 24Aa 44. 410 ? 11. 18Ab
0. 01~ 0. 005 7. 580 ? 1. 23ABa 8. 290 ? 0. 88Aa 6. 930 ? 1. 05BCa 5. 270 ? 1. 23Ca 6. 880 ? 1. 26BCa
0. 005~ 0. 001 8. 200 ? 2. 01ABa 9. 900 ? 1. 07Aa 8. 270 ? 2. 01ABa 6. 480 ? 1. 05Ba 8. 850 ? 1. 04Ab
< 0. 001 3. 130 ? 0. 78Aa 3. 010 ? 0. 98Aa 2. 920 ? 0. 54Aa 2. 520 ? 0. 67Aa 2. 800 ? 0. 11Ac
分形维数
Fractal dimen sion
2. 480 ? 0. 020Aa 2. 492 ? 0. 027Aa 2. 478 ? 0. 028Aa 2. 447 ? 0. 011Aa 2. 479 ? 0. 019Bb
相关系数
C orrelat ion coef fi cient
0. 915 ? 0. 004 0. 894 ? 0. 006 0. 904 ? 0. 005 0. 917 ? 0. 006 0. 917 ? 0. 003
注:同一行不同大写字母间差异显著( P < 0. 05) ,同一列不同小写字母间差异显著( P < 0. 05)
Note: Means w ith dif f erent capital letters in the same row are signif icant ly dif f eren t at th e 0. 05 level; m eans w ith diff erent smal l let ters in
the same column are signif icant ly diff erent at the 0. 05 level
2. 2 土壤的物理和化学性质特征
植被恢复后期的草地土壤物理性质较恢复早期
的好(表 4) ,当植被演替到后阶段, 土壤腐殖质积累
较多,且不同种类植物根系在不同土层中穿插、挤
压,使土壤疏松多孔,非毛管孔隙发达,渗透性好,土
壤性质各方面指标值要优于演替早期的草地[ 20]。
非毛管孔隙表征土壤滞留和下渗水分、发挥水源涵
养作用的能力,决定着土壤通(气)透(水)功能的强
弱[ 21] 。已有研究表明: 结构性良好、水-气关系协调
的土壤总孔隙度在 40%~ 50%之间,非毛管孔隙度
超过 10%, 非毛管孔隙度与毛管孔隙度比例在
1B2~ 1B 4[ 22]。与这些结果相比, 本研究土壤的总
孔隙度( > 50%) 并不低,但非毛管孔隙度与毛管孔
隙度比例演替前期小于后期,说明毛管孔隙数量和土
壤保蓄能力偏低。因此, 提高毛管孔隙度能更有效
地改善大小孔隙比例和孔隙结构并促进植被恢复演
替。不同植被恢复阶段的草地土壤养分变化表现出
表层土壤养分含量高于下层土壤(表5) ,土壤有机质,
全氮和碱解氮随植被恢复年限的增加而增加 [23, 24]。
而全磷,速效钾和氨态氮随恢复年限的增加而减小。
399
草 地 学 报 第 16卷
表 3 不同退耕年限草地土壤微团粒分形维数与土壤容重和养分的关系
Table 3 Co rr elation analysis between soil micro agg regates fractal dimension and so il character s
指标
Ind ex
回归方程相关系数
Regres sion fun ct ion and correlat ion coeff icient
指标
Index
回归方程相关系数
Regres sion fun ct ion and correlat ion coeff icient
1~ 0. 25 mm
y = - 0. 0116x+ 2. 5019
R 2= 0. 8301*
非活性孔度
Non-capillary porosity
y= 0. 115x + 1. 8835
R2 = 0. 7766
0. 25~ 0. 05 mm
y = - 0. 0078x+ 2. 7109
R 2= 0. 9001*
活性孔度
Capil lary porosity
y= - 0. 0112x + 3. 0272
R2 = 0. 8215*
0. 05~ 0. 01 mm
y = 0. 0074x+ 2. 1136
R 2= 0. 8769*
土壤孔隙度
S oil poros ity
y= - 0. 0137x + 3. 2555
R2 = 0. 7766
0. 01~ 0. 005 mm
y = 0. 0342x+ 2. 2373
R 2= 0. 7955*
有机质
Soil organic mat ter
y= - 0. 0694x + 2. 5197
R2 = 0. 7961*
0. 005~ 0. 001 mm
y = 0. 0258x+ 2. 2542
R 2= 0. 817*
全氮
T otal nit rogen
y= - 1. 3388x+ 2. 5302
R 2= 0. 7585
< 0. 001 mm
y= 0. 0692x+ 2. 2794
R 2= 0. 9645**
全磷
Total p hosph oru s
y= 4. 6185x+ 2. 2023
R 2= 0. 8201*
> 0. 05 mm
y= - 0. 003x+ 2. 697
R 2= 0. 0135
碱解氮
A vailable ni tr ogen
y= - 0. 0019x+ 2. 5214
R 2= 0. 6583
< 0. 05 mm
y= 0. 0164x+ 2. 1758
R 2= 0. 6835
速效钾
A vai lable p ota ssium
y= 0. 001x+ 2. 4071
R 2= 0. 7851
容重
B ulk d ensi ty
y= 0. 4727x+ 1. 908
R 2= 0. 8215*
氨态氮
A mmonia ni tr og en
y= 0. 0243x+ 2. 178
R 2= 0. 6846
土壤空隙比
P or osi ty rat io
y= - 0. 2317x+ 2. 7845
R 2= 0. 8231*
硝态氮
Nitr ate nit rogen
y= - 0. 0241x+ 2. 5783
R 2= 0. 8100
表 4 不同退耕年限草地土壤容重及孔隙度特征
Table 4 Soil bulk density and so il por osit y cha racters of g rasslands during different restor ation stag es
样地号
Plot no.
土层/ cm
Soil layer( cm)
容重/ g # cm- 3
Bulk density
( g # cm- 3)
土壤空隙比
Porosity rat io
非活性孔度/ %
Non- capillary
porosity( % )
活性孔度/ %
Capillary porosity
( % )
土壤孔隙度/ %
Soil porosity
( % )
1# 0~ 20 1. 22 ? 0. 10 1. 18 ? 0. 08 5. 47 ? 3. 69 48. 64 ? 4. 71 54. 11 ? 7. 07
20~ 40 1. 32 ? 0. 09 1. 01 ? 0. 05 5. 95 ? 2. 66 44. 16 ? 4. 75 50. 11 ? 6. 21
40~ 60 1. 33 ? 0. 09 0. 99 ? 0. 07 5. 99 ? 1. 18 43. 77 ? 3. 08 49. 77 ? 7. 26
2# 0~ 20 1. 08 ? 0. 09 1. 45 ? 0. 05 4. 88 ? 1. 05 54. 18 ? 5. 06 59. 06 ? 9. 06
20~ 40 1. 09 ? 0. 07 1. 44 ? 0. 07 4. 91 ? 1. 19 53. 95 ? 2. 37 58. 86 ? 5. 29
40~ 60 0. 98 ? 0. 09 1. 87 ? 0. 08 4. 42 ? 1. 02 58. 51 ? 5. 25 62. 93 ? 5. 06
3# 0~ 20 1. 14 ? 0. 05 1. 33 ? 0. 04 5. 12 ? 1. 64 51. 94 ? 3. 12 57. 06 ? 9. 73
20~ 40 1. 07 ? 0. 06 1. 47 ? 0. 06 4. 83 ? 0. 83 54. 64 ? 2. 36 59. 47 ? 8. 95
40~ 60 1. 18 ? 0. 07 1. 26 ? 0. 08 5. 28 ? 1. 75 50. 37 ? 9. 06 55. 66 ? 9. 06
4# 0~ 20 1. 18 ? 0. 10 1. 25 ? 0. 02 5. 30 ? 1. 25 50. 27 ? 7. 19 55. 57 ? 4. 09
20~ 40 1. 16 ? 0. 11 1. 29 ? 0. 01 5. 24 ? 0. 85 50. 82 ? 9. 62 56. 06 ? 6. 42
40~ 60 1. 31 ? 0. 13 1. 02 ? 0. 04 5. 89 ? 1. 15 44. 68 ? 3. 26 50. 57 ? 7. 35
5# 0~ 20 0. 96 ? 0. 08 1. 76 ? 0. 04 4. 33 ? 1. 41 59. 37 ? 3. 79 63. 70 ? 8. 92
20~ 40 1. 05 ? 0. 07 1. 03 ? 0. 05 5. 87 ? 2. 25 44. 93 ? 4. 72 50. 80 ? 7. 02
40~ 60 1. 07 ? 0. 05 1. 47 ? 0. 06 4. 83 ? 0. 95 54. 63 ? 8. 91 59. 47 ? 8. 49
2. 3 土壤分形特征与其物理和化学性质的关系
不同恢复年限草地的回归结果间的差异未达到
显著水平,且由表 2多重比较可看出, 3个土层间的
差异不显著, 因此将草地的恢复年限及 3 个土层数
据合并后,在各项指标间作回归分析。土壤微团粒
的分形维数与土壤容重、非活性孔度之间存在一定
的正相关,而与土壤活性孔度,土壤孔隙比表现出一
定的负相关(表 3)。因此土壤微团粒分形维数可作
为定量描述土壤质地、紧实度和孔隙结构等方面的
综合指标。土壤微团粒分形维数与土壤养分的相关
分析表明,其与有机质、全氮、碱解氮、和硝态氮呈负
相关,且只与有机质的相关性达到显著水平( P<
0. 05) , 这是由于植被恢复可以在较短的时间内提
高土壤表层养分的含量, 但却不能迅速改变土壤的
微团粒组成性状。与全磷, 速效钾和氨态氮正相关
且与全磷达到显著水平( P< 0. 05)。再次验证了土
壤微团粒结构分形维数可作为表征土壤通透性、抗
蚀性、稳定性及土壤肥力的理想指标[ 25]。
400
第 3期 周萍等:黄土丘陵区不同恢复年限草地土壤微团粒分形特征
表 5 不同退耕年限草地土壤养分特征
Table 5 Soil nutr ient char acters of g rasslands during differ ent restor ation stag es
样地号
Plot no.
土层/ cm
Soil layer cm
有机质( g# kg- 1 )
SOC ( g# kg- 1)
全氮( g# kg- 1 )
( TN, g# kg- 1 )
全磷( g# kg- 1)
TP( g# kg- 1 )
碱解氮( mg# kg- 1 )
AN( mg# kg- 1 )
速效钾( mg# kg- 1)
AK( mg# kg- 1 )
氨态氮( mg# kg- 1 )
NH4-N( mg# kg
- 1 )
硝态氮( mg# kg- 1)
NO3-N( mg# kg
- 1)
1# 0~ 20 4. 50? 0. 23 0. 31? 0. 02 0. 41? 0. 02 20. 95 ? 2. 25 83. 49? 10 . 78 12. 13? 0. 79 4. 27 ? 0. 46
20~ 40 2. 41? 0. 47 0. 18? 0. 02 0. 38? 0. 01 4. 41 ? 0. 89 62. 79? 7. 42 11. 44? 0. 78 3. 52 ? 0. 46
40~ 60 2. 16? 0. 12 0. 18? 0. 01 0. 39? 0. 03 8. 82 ? 0. 97 63. 69? 9. 47 9. 97? 1. 13 3. 38 ? 0. 15
2# 0~ 20 16. 15? 0. 86 0. 97? 1. 01 0. 67? 0. 04 63. 94 ? 10. 43 150. 62? 19 . 54 13. 21? 0. 71 11. 47 ? 1. 10
20~ 40 10. 05? 0. 86 0. 64? 0. 07 0. 62? 0. 05 37. 48 ? 5. 11 78. 68? 5. 46 12. 50? 0. 87 8. 98 ? 1. 12
40~ 60 7. 49? 0. 71 0. 50? 0. 04 0. 64? 0. 03 28. 67 ? 3. 14 80. 79? 4. 56 12. 58? 0. 89 7. 15 ? 0. 41
3# 0~ 20 10. 62? 0. 98 0. 67? 0. 06 0. 51? 0. 03 44. 10 ? 8. 12 117. 10? 11 . 23 12. 18? 0. 64 5. 70 ? 0. 62
20~ 40 10. 11? 0. 63 0. 52? 0. 04 0. 58? 0. 05 34. 18 ? 73. 23 81. 54? 6. 15 11. 66? 0. 78 5. 04 ? 0. 52
40~ 60 4. 94? 0. 14 0. 36? 0. 02 0. 58? 0. 07 22. 05 ? 3. 46 71. 98? 7. 15 11. 87? 0. 75 4. 55 ? 0. 23
4# 0~ 20 8. 28? 0. 49 0. 54? 0. 04 0. 54? 0. 04 31. 61 ? 2. 14 35. 29? 3. 24 16. 15? 0. 99 5. 51 ? 0. 41
20~ 40 4. 46? 0. 46 0. 34? 0. 02 0. 53? 0. 04 20. 21 ? 1. 79 36. 36? 8. 56 16. 70? 1. 15 4. 93 ? 0. 32
40~ 60 2. 53? 0. 23 0. 23? 0. 03 0. 52? 0. 05 8. 01 ? 0. 85 35. 12? 5. 23 12. 76? 1. 04 4. 76 ? 0. 42
5# 0~ 20 20. 06? 0. 73 1. 10? 0. 09 0. 38? 0. 02 65. 41 ? 5. 63 105. 15? 11 . 24 11. 76? 0. 56 9. 42 ? 0. 69
20~ 40 6. 00? 0. 63 0. 39? 0. 06 0. 42? 0. 01 24. 25 ? 3. 25 51. 20? 2. 46 9. 13? 0. 79 6. 60 ? 0. 41
40~ 60 15. 70? 1. 14 0. 89? 0. 09 0. 54? 0. 01 55. 13 ? 5. 24 74. 02? 3. 29 12. 19? 1. 42 9. 98 ? 1. 03
Note: SOC: soil organic matter ; TN: total nitr ogen; T P: t otal phosphorus; AN: available nitrogen; AK: available potassium; NH4- N: ammonia nitr ogen; NO3- N: n itrate nitrogen
3 讨论与结论
通过对黄土丘陵区纸坊沟流域内不同恢复年
限草地土壤的微团粒研究, 表明分形维数的变化
能很好地表征植被恢复演替过程中土壤的粗粒化
和理化性质变化的趋势。因此, 分形维数可以作
为植被恢复演替过程中土壤质量定量评价的指标
之一。
土壤粒径分布的分形维数不仅能表征土壤颗粒
粒径大小的影响, 而且能反映质地均一的程度, 土壤
颗粒分形维数越高,表征土壤结构越紧实, 土壤质地
粘重、通透性较差,而分形维数越小, 则土壤质地相
对松散、通透性较好[ 6] 。不同恢复年限的天然草地
土壤 1~ 0. 05 mm 粒级含量低于下层土壤的,随植
被恢复年限的增长,土壤砂粒含量增加,分形维数变
小, 0. 05~ 0. 001 mm 粒级含量随土层加深而增大,
且随恢复年限先增大后减小, 而< 0. 001 mm 粒级
表现为随恢复年限的增长逐渐减小, < 0. 001 mm粒
级含量越多意味着土壤越紧实, 通透性差。因此用
土壤颗粒组成的分形维数来描述土壤质地是可行
的。运用回归分析方法得出不同恢复年限草地 0~
60 cm剖面土壤微团粒分形维数均在2. 360~ 2. 494
之间。随着草地恢复年限的增加表层分形维数减
小,且土壤质地由粗到细变化使得颗粒大小分形维
数由小到大变化。此外单一粒级的集中程度对分形
维数的数值也会产生重要的影响, 表明表层土壤分
形维数与< 0. 001 mm 粒级土壤微团粒含量之间呈
极显著正相关( P< 0. 01) ,而与 0. 05~ 0. 01、0. 01~
0. 005 和 0. 005~ 0. 001 mm 之间呈显著正相关
( P< 0. 05) ,与 1~ 0. 25和 0. 25~ 0. 05 mm 粒级含
量相关性未达到显著水平。这为土壤微团粒分形维
数作为反映土壤结构几何形体和分布均匀程度提供
了依据。不同恢复年限土壤微团粒分形维数在土壤
剖面上差异显著。
分形维数也可有效地表征不同植被恢复年限的
草地土壤结构和养分的变化趋势。土壤微团粒的分
形维数与土壤容重、非活性孔度、全磷、速效钾和氨
态氮间存在正相关性,与土壤活性孔度、土壤孔隙比
有机质、全氮、碱解氮和硝态氮表现出负相关。土壤
分形特征能很好反映土壤理化性质特征及其演变过
程,对深入探讨分形学在土壤结构性状与土壤肥力
特征中的应用以及土壤综合评价具有重要意义, 并
有助于植被恢复研究中土壤形态、过程等复杂问题
的解决,建立了草地土壤微团粒的分形维数与土壤
物理和化学特征间的定量关系模型,可作为黄土丘
陵区植被恢复过程中土壤性质描述的一项综合性定
量指标,为评价该区不同植被恢复阶段草地生态系
统提供新方法, 对黄土丘陵生态环境的恢复与重建
具有重要指导意义。
参考文献
[ 1] Mandelb rot B B. Th e f ractal geomet ry of natur e [ M ] . San
Fran cisco: Freeman, 1979. 236-237
[ 2 ] Mand elbr ot B B. Form, chance, and Dimension [ M ] . San
Fran cisco: Freeman, 1977. 1- 234
401
草 地 学 报 第 16卷
[ 3] 李德成,张桃林.中国土壤颗粒组成的分形特征研究[ J] .土壤
与环境, 2000, 9( 4) : 263-265
[ 4] Arya L M , Paris J F. A phy sical empirical m odel to predict the
s oil m oisture characterist ic from part icle size dist ribu tion an d
bu lk den sity data [ J ] . Soil Science Society of America Jour-
nal, 1981, 45: 1023-1031
[ 5] Tu rcot te D L. Fractal f ragmentat ion [ J] . Geography Res . ,
1986, 91( 12) : 1921-1926
[ 6] 杨培岭,罗远培,石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特
征[ J] .科学通报, 1993, 38( 20) : 1896-1899
[ 7] Perfect E, Rasiah V, Kay B D. Fractal dimensions of soil ag-
gregate siz e dist rib ut ion calculated by number and mass [ J ] .
S oil S cien ce Society of Am erica Journal, 1992, 56: 1407- 1409
[ 8] 苏永中.科尔沁沙地农田沙漠化演变中土壤颗粒分形特征[ J ] .
生态学报, 2004, 24( 1) : 71-74
[ 9] Lovejoy S, Sch ert zer D, Silas P. Diffus ion in one2dim ens ional
mu lt ifractal p orou s m edia[ J ] . Water Resou rse Res. , 1998,
34 ( 12) : 3283-3291
[ 10] 徐永福, 田美存.土壤的分形微结构[ J] .水利水电科技进展,
1996, 16( 1) : 25-29
[ 11] 卢宗凡,梁一民,刘国彬.黄土高原生态农业[ M ] .西安:陕西科
学技术出版社, 1997. 15-18
[ 12] 王国梁,刘国彬,刘芳; 黄土丘陵区纸坊沟流域植被特点与生
态交错带效应[ J] . 西北植物学报, 2002, 22( 5) : 1102- 1108
[ 13] 梁士楚,董鸣,王伯荪,等.英罗港红树林土壤粒径分布分形特
征[ J ] .应用生态学报, 2003. 14( 1) : 11- 14
[ 14] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[ M ] .上海科技出
版社, 1983. 23
[ 15] 宫阿都,何毓蓉.金沙江干热河谷区退化土壤结构的分形特征
研究[ J ] . 水土保持学报, 2001, 15( 3) : 112-115
[ 16] T yler S W, Wheatcrafu S W. Fractal scaling of soil part icle
s ize dist ribut ions : analysis and lim itat ions [ J ] . Soil Science
S ociety of America J ou rnal , 1992, 56: 362-366
[ 17] 张季如,朱瑞庚,祝文华. 用粒径的数量分布表征的土壤分形
特征[ J ] .水利学报, 2004, ( 4) : 67-71
[ 18] 刘金福,洪伟.不同起源格氏栲林地的土壤分形特征 [ J] . 山地
学报, 2001, 19( 6) : 565-569
[ 19] 吴承祯, 洪伟.不同经营模式土壤团粒结构的分形特征研究
[ J ] .土壤学报, 1999, 36( 2) : 162-167
[ 20] 张蕴薇,韩建国,韩永伟,等.农牧交错带退耕还草对土壤物理
性状的影响[ J] .草地学报, 2002, 10( 2) : 100-105
[ 21] 于志民,余新晓.水源涵养林效益研究[ M ] . 北京:中国林业出
版社, 1999. 45-55
[ 22] 林大仪.土壤学[ M ] .北京:中国林业出版社, 2002. 57-67
[ 23] 王堃,吕进英,邵新庆.沙漠化草地的恢复与重建途径[ J ] .草地
学报, 2004, 12( 4) : 240-245
[ 24] 程杰, 高亚军.云雾山封育草地土壤养分变化特征[ J ] .草地学
报, 2007, 15( 3) : 273-277
[ 25] 何东进,洪伟,吴承祯,等.毛竹杉木混交林土壤团粒结构的分
形特征研究[ J] .热带亚热带植物学报, 2002, 10( 3) : 215-221
(责任编辑 梁艳萍)
(上接第 395页)
[ 7] Saile-M ark M, Tevini M . Ef fect s of solar U V-B radiat ion on
grow th, fl ow ering and yield of cen tral and southern European
bu sh bean cult ivars [ J] . Plant ecology, 1997, 128: 115-125
[ 8] Li Y, Wan g X. Effect of th e enhanced UV-B irradiation on the
spring w h eat phys iology, yield and quality [ J] . Academic of
En vir onment Science, 1998, 18( 5) : 12-18
[ 9] Wang H, Yan P. E ffect s of enhanced UV- B radiation on seed
germinat ion and seedlin g grow th of maize [ J ] . Academic of
Chines e Agricultu re, 2004, 20( 3) : 80-83
[ 10] Yan B, Dai Q. Effect of th e en han ced UV-B irradiat ion on
b oth the act ive ox ygen m etab ol ism and the membrane system
of th e rice t is sue [ J] . Academic of Plant Physiology, 1996, 22
( 4) : 30- 38
[ 11] Giannopolit is C N, Ries S K. Superoxide dismutase purifi ca-
t ion an d quant iti ve relation ship with w ater s oluble pr otein in
seedlings [ J] . Plan t Physiol . , 1997, 59: 315-318
[ 12] Zhao S, Li H , Sun Q, e t al . T he fun damental prin ciple of the
t rial technique of bio-chemist ry [ M ] . Beijing Publish ing Com-
pany of H igh E ducation , 2000. 248- 250
[ 13] Zhang S, Liu Z. T he biology of an t-i press in plant [ M ] . Be-i
jin g Pulis hing Company of Ag riculture, 1994. 369- 382
[ 14] C hen Z, Gu o S. In flu ence of enhanced U V-B radiat ion on crop
morph ology and physiological fun ct ion Chin ese [ J] . Journal of
Agrometeorolgy, 2006, 27( 2) : 102-106
[ 15] Zhao P, Zeng X, S ong G. A review r esponse of terr est rial
plants to enhanced UV- B radiat ion [ J] . Ch in J. Appl . Env-i
ron Biol . , 2004, 10( 1) : 122- 127
[ 16] Li H , Zhuang Q, S hen W . Ef fect s of oz on e deplet ion induced
UV-B in crease on terrest rial plants [ J ] . Forum of 21 century
youth sch olars 2002, 21世纪青年学者论坛. 23( 4)
[ 17] Yao J, Yu X, Qiu S, et al . Review of the Pr ospects for Mech-
an ism of plant drough t tolerance [ J ] . Acta Agriculturae Bor e-
al-i s inica, 2007, 22 (增刊) : 51-56
[ 18] S un C, Ch eng X, Liu Z. Status and advances in studies on th e
phys iology and bioch emis t ry mechanism of cr op drought resist-
an ce [ J] . Rain Fed Crops, 2002, 22 ( 5) : 285-288
[ 19] McCord J M . Su peroxide dismu tase: an enzymic funct ion for
eryth rocuprein [ J] . Biol. Chem. , 1969, 224: 6049-6055
[ 20] Li Y, H e Y, Zu Y. Ef fect of enhanced UV- B radiat ion on
phys iological m etabolism, DNA and protein of crops: a review
[ J] . Chinese J . of Appl ied Ecology, 2006, 17( 1) : 25-32
(责任编辑 孟昭仪)
402