葛東媛，張洪江，鄭國(guó)強(qiáng)，2，劉 濤，3，王 偉

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083；2.青海省水土保持局，西寧810001；3.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京100029）

土壤是一種由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀和自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征［1］。由于土壤組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及內(nèi)部諸因素局部的微觀差異，土壤物理性質(zhì)的有關(guān)測(cè)量值出現(xiàn)不規(guī)則性和隨機(jī)性。把分形理論及其方法應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，不僅為土壤值的合理表達(dá)提出了一種新的概念，而且無(wú)疑會(huì)推動(dòng)土壤形態(tài)、過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題的解決，并在一定程度上使其定量化［2－4］。運(yùn)用各種分形模型計(jì)算土壤顆粒、團(tuán)聚體和孔隙度的分形維數(shù)來(lái)表征土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)組成及其均勻程度，成為定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征的新方法［5－10］。

Arya等［5］及 Turcotte［6］研究了土壤顆粒的分形現(xiàn)象及其分形維數(shù)的計(jì)算方法，但這些方法難以直接利用常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。Tyler等［7］、楊培嶺等［8］將粒徑計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)粒徑分布與對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分布相聯(lián)系，用土壤顆粒的重量分布直接計(jì)算粒徑分布的分維數(shù)，來(lái)表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成均勻程度。該方法只需通過(guò)土壤顆粒的機(jī)械組成分析，便可方便地確定相應(yīng)的分形維數(shù)。

重慶四面山位于三峽工程庫(kù)區(qū)尾端，是地球同緯度地區(qū)僅存的原始常綠闊葉林帶［11］。然而，旅游資源的開(kāi)發(fā)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民不合理的采伐和放牧，導(dǎo)致該區(qū)域的森林植被嚴(yán)重破壞。近幾年，隨著水土保持型植被建設(shè)，營(yíng)造了大量人工林［8］。本文運(yùn)用分形理論及相關(guān)模型對(duì)四面山地區(qū)已營(yíng)造的不同人工林地的土壤粒徑分形特征進(jìn)行分析研究，定量化描述不同造林模式和林種配置下的土壤結(jié)構(gòu)狀況，以期為該地區(qū)土壤綜合評(píng)價(jià)提供一個(gè)量化的指標(biāo)，為水土保持型植被建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇在重慶市四面山張家山林區(qū)，位于106°17′－106°31′E，28°31′－28°46′N(xiāo)，屬于中亞熱帶濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，無(wú)霜期為285d。多年平均氣溫13.7℃，8月氣溫最高，達(dá)31.5℃，1月氣溫最低，平均為－5.5℃。多年平均降雨量1 522.3mm，日最大降雨量160.5mm，雨季集中在5－9月，占年平均降雨量的62.17%。降雨量變化較大，海拔每上升100m，降雨量遞增43.3 mm。年平均日照時(shí)數(shù)為1 082.7h，生長(zhǎng)季5－9月的日照時(shí)數(shù)約為全年日照時(shí)數(shù)的64%。全年≥10℃活動(dòng)積溫5 144.7℃。相對(duì)濕度年平均為80%～90%，最高濕度可達(dá)100%。區(qū)內(nèi)林地土壤主要由白堊紀(jì)夾關(guān)組磚紅色長(zhǎng)石、石英砂巖夾磚紅色、紫紅色粉砂巖等風(fēng)化殘積物、沖積物發(fā)育而成，主要土壤類(lèi)型為黃棕壤和黃壤等，土層厚度一般在10－70cm，多呈微酸性至酸性。

研究區(qū)內(nèi)的植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，主要喬木樹(shù)種有杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬 尾 松 （Pinus massoniana）、石 櫟 （Lithocarpus glaber）、木 荷 （Schima superba）、福 建 柏（Fokienia hodginsii）、香樟（Cinnamomum camphora）、楓香（Liquidambar formsana）等；灌木有紫花杜鵑（Rhododendron backii）、白毛新木姜子（Neolitseaauratavar gl auca）、杜莖山（Maesajaponica）、野薔薇（Rosamltiflora thunb）等，竹類(lèi)大約有20余種，以楠竹（Phyllostachys pubescens）為主［11］。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與處理

選擇研究區(qū)已有4種人工林地的土壤作為研究對(duì)象，即杉木純林（S1）、杉木馬尾松混交林（S2）、木荷石櫟混交林（S3）和杉木馬尾松木荷混交林（S4），樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 4種人工林地基本情況

分別在4塊樣地內(nèi)選取典型地塊開(kāi)挖土壤剖面，均按0－20，20－40cm分層采集土樣，將采集的原狀土樣風(fēng)干后，采用簡(jiǎn)易比重計(jì)法［12］進(jìn)行土壤顆粒機(jī)械組成測(cè)定，大致分為分散、篩分和沉降的步驟，得到9個(gè)粒級(jí)范圍土壤顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（表2）。

2.2 分形模型

采用楊培嶺［13］等提出的反映土壤粒徑分布分形維數(shù)的計(jì)算方法，建立土壤粒徑、土壤顆粒重量分布與土壤分形維數(shù)的關(guān)系式。

式中：D——土壤顆粒分形維數(shù)；Wi——粒徑小于ˉdi的顆粒累積重量；Wo——土壤各粒徑顆粒重量之和；ˉdi——兩篩分粒徑di與di＋1間的粒徑平均值；ˉdmax——最大粒徑土粒的平均直徑。

3 結(jié)果與分析

分別以lg（Wi／W0），lg（ˉdi／ˉdmax）為縱橫坐標(biāo)，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)得到4種人工林地土樣lg（Wi／Wo）與）的線(xiàn)性回歸分析結(jié)果（圖1），可以看出土壤作為一種多孔介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性，表現(xiàn)出明顯的分形特征。

表2 4種土樣顆粒累積質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 4種人工林地土樣lg（Wi／W0）和lg（Di／Dmax）的關(guān)系

應(yīng)用土壤粒徑分形維數(shù)計(jì)算方法，得到4種人工林地土壤粒徑分形維數(shù)平均值在2.625～2.693之間，如表3所示。

表3 4種人工林地土壤粒徑分形維數(shù)

表4 方差分析結(jié)果

經(jīng)方差分析，4種人工林地土壤粒徑分形維數(shù)受土層深度的變化差異不顯著，隨著土層深度的增加其變化趨勢(shì)不明顯，表明在土壤層一定深度范圍內(nèi)（0－40 cm）對(duì)土壤粒徑分形維數(shù)的影響不大，在此忽略二者之間的交互作用。而林地類(lèi)型對(duì)于土壤粒徑分形維數(shù)的影響較大，從表4中可以看出，F(xiàn)0.05（3，8）＝4.07＜5.423，且Sig＜0.05，表明土壤粒徑分形維數(shù)隨造林配置模式和林種配置的不同表現(xiàn)出顯著地差異性。

土壤質(zhì)地越粗，越不易形成良好的結(jié)構(gòu)，分形維數(shù)也較小，土壤質(zhì)地越細(xì)，因包含的小土粒越多，形成的微小孔隙也越多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)就越高［14］。理論上［7］，沒(méi)有任何固相填充的孔隙空間的分形維數(shù)為2，沒(méi)有任何孔隙巖石的分形維數(shù)等于3。劉云鵬等［14］研究得到，結(jié)構(gòu)良好的土壤粒徑分布分形維數(shù)應(yīng)在2.750左右，土壤粒徑分布分形維數(shù)可以作為土壤結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的一個(gè)指標(biāo)。從總體上看，4種人工林地中土壤粒徑分形維數(shù)變化由高到低依次為木荷石櫟（2.693）＞杉木馬尾松木荷（2.688）＞杉木馬尾松（2.659）＞杉木純林（2.625），木荷石櫟土壤粒徑分形維數(shù)更接近于2.750，表明其土壤結(jié)構(gòu)狀況最好，既能保證良好的通氣透水性，也具有一定的保水保肥性能，其次為杉木馬尾松木荷混交林，而杉木林地表現(xiàn)出的土壤粒徑分形維數(shù)最低，表明純林的土壤結(jié)構(gòu)狀況最差，表現(xiàn)出的保水保肥能力也較差。

從多重比較的最小顯著差數(shù)比較（LSD）的結(jié)果可以看出（表4），杉木純林與木荷石櫟混交林和杉木馬尾松木荷混交林之間土壤粒徑分形維數(shù)表現(xiàn)出的差異性更顯著（Sig＜0.05），表明純林與闊葉混交林和針闊混交林對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的改良作用存在著明顯的不同。在四面山地區(qū)主要表現(xiàn)出闊葉混交林較針闊混交林、針葉混交林和純林的土壤改良效果較好，其良好的土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)較明顯，此與四面山地區(qū)闊葉林地土壤具有較強(qiáng)土壤抗蝕能力［15］和滲透性能的結(jié)果相一致［16］。

經(jīng)皮爾遜相關(guān)分析得到，土壤粒徑分形維數(shù)與土壤中的黏粒含量在顯著水平0.01上呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.925，且與直徑＜0.001mm黏粒含量的相關(guān)關(guān)系最為顯著，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.969，相關(guān)關(guān)系式為：

式中：D——土壤顆粒分形維數(shù)；x——土壤中的黏粒含量。

表5 多重比較（最小顯著差數(shù)LSD比較）結(jié)果

即隨著黏粒含量的升高其土壤粒徑分形維數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但黏粒含量太高會(huì)導(dǎo)致土壤通氣能力的下降，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)良好的土壤粒徑分形維數(shù)的最佳值為2.750左右，運(yùn)用式（2）計(jì)算得到，當(dāng)土壤中的黏粒含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.38%上下時(shí)，其土壤結(jié)構(gòu)狀況良好。

4 結(jié)論

土壤作為一種多孔介質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的分形特征。其粒徑分布分形維數(shù)反映土粒對(duì)空間的填充能力。重慶四面山地區(qū)4種人工林地土壤粒徑分形維數(shù)變化由高到低依次為木荷石櫟混交林（2.693）＞杉木馬尾松木荷混交林（2.688）＞杉木馬尾松混交林（2.659）＞杉木純林（2.625），在該地區(qū)木荷石櫟混交林土壤結(jié)構(gòu)狀況較杉木馬尾松木荷混交林和杉木馬尾松混交林好，杉木純林的土壤結(jié)構(gòu)狀況最差。土壤粒徑分形維數(shù)與土壤中直徑＜0.001mm黏粒含量的相關(guān)關(guān)系在顯著水平0.01上達(dá)到0.969，當(dāng)土壤中直徑＜0.001mm黏粒含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在11.38%左右時(shí)，其土壤結(jié)構(gòu)狀況良好。

在四面山地區(qū)闊葉混交林不僅對(duì)土壤良好結(jié)構(gòu)的形成具有促進(jìn)作用，而且其土壤的抗蝕能力［15］和滲透性能［16］也存在著明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于水土保持林的營(yíng)造具有重要的指導(dǎo)意義。

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