川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形特征

1、川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形特征龔偉胡庭興王景燕宮淵波冉華廖爾華(, 摘要(tzumu 林、柳杉(Cryptomeria for 2tunei 林和水杉(Metasequoia glyptostroboides , 、肥力特征和微生物數(shù)量之間的關(guān)系。大、,3種人工林中, 檫木林較好、水杉林次之、柳杉林最差; 土壤團聚體、; 在濕篩條件下, 土壤結(jié)構(gòu)體破壞率隨分形維數(shù)的降低而減小; 、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量之間存在顯著的回歸關(guān)系。這表明天然常綠闊葉林人工更新后由于不同林分對林地土壤組成結(jié)構(gòu)的維護效果不同, 導(dǎo)致更新后林地土壤物理、化學和生物性質(zhì)變化, 林地土壤團粒結(jié)構(gòu)的變化, 進

2、而影響其分形維數(shù)的大小。因此, 分形維數(shù)可作為天然常綠闊葉林及其人工更新后林地土壤水源涵養(yǎng)功能、肥力特征和微生物活動情況的一項綜合性定量化評價指標。同時, 為保護天然常綠闊葉林、選擇適宜的更新樹種和天然常綠闊葉林人工更新后林地土壤的科學管理提供依據(jù), 也為退耕還林中樹種的選擇提供參考。關(guān)鍵詞天然常綠闊葉林人工更新分形維數(shù)團粒結(jié)構(gòu)STU DY ON FRACTAL FEATURES OF SOI L AGGREGATE STRUCTURE UN DER NATURAL EVERGREEN BR OADLEAVE D FOREST AN D ARTIFICIAL REGENERA 2TION IN

3、 SOUTHERN SICHUAN PR OVINCEG ONG Wei , H U T ing -X ing , W ANG Jing -Y an , G ONG Y uan-Bo , RAN Hua , ZH ANG Shi-R ong , and LI AO Er-HuaSichuan Provincial K ey Laboratory o f Ecological Forestry Engineering , Sichuan Agricultural University , Ya an , Sichuan 625014, ChinaAbstract Aims Fractal the

4、ory , a study tool popular in recent years , offers a new means to quantitatively investigate s oil structure. S oil structure is the basis of s oil fertility , which is the basic property of s oil. It can be com prehensively reflected by s oil physical , chemical and organism properties , and chang

5、e of s oil structure will result in changes in other s oil properties. Fractal features of s oil aggregate structure under natural ever 2green broadleaved forest and regeneration of artificial systems is rarely studied. We chose to study natural ever 2green broadleaved forest and three artificial pl

6、antations of Sassafras tzumu , Cryptomeria fortunei and Metase 2quoia glyptostroboides in s outhern Sichuan Province. Our objective was to determine a effects of artificial re 2generation on fractal features of s oil aggregate structure , b effects of different plantations on fractal dimension of s

7、oil aggregate structure , c relationships between fractal dimension and s oil physical properties , nutrient content and microbe number , and d use of fractal dimension of s oil aggregate structure for evaluating the water conservation , fertility and microbe activity of s oil. Methods S oils were c

8、ollected from each forest to determine a fractal dimension of s oil aggregate structure using Y ang Peiling s approach and b s oil physical and chemical properties and s oil microbe number. The re 2lationship between fractal dimension and s oil physical properties , nutrient content and microbe numb

9、er was an 2alyzed with regression analysis. Important findings Natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration resulted in increased frac 2tal dimension of s oil aggregate structure and percent of construction damage , poorer s oil physical properties and reduced nutrient content an

10、d number of microbes. The higher the content of aggregates , water-stable aggregates收稿日期:2005212212接受日期:2006203228基金項目:國家“十五”科技攻關(guān)項目(2001BA510B02-03和2001BA606A -06 和四川省森林培育重點學科建設(shè)項目E -mail :g ongwei . cn植物生態(tài)學報2007, 31(1 5665J ournal of Plant Ecology (Chinese Version and water-stable big aggre

11、gates in s oil , the smaller the fractal dimension of s oil aggregate structure. With wetsieving condition and decreased fractal dimension , the percent of construction damage decreased. There were close relationships between fractal dimension of s oil aggregate structure and s oil natural water con

12、tent , bulk density , capillary porosity , non-capillary porosity , original in filtration coefficient , stable in filtration coeffi 2cient , content of organic matter , total-N , hydrolysis-N , total-P , available-P , total-K, available-K and the number of bacteria , fungi and actinomyces. Differen

13、t stands had different effects for of s oil struc 2ture , which resulted in changes of s oil physical , chemical and organism natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration , and changes of on the value of fractal dimension. This indicates that fractal dimension can a quantitative

14、index to evaluate water conservation function , fertility of s oil for natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration. It a s for protecting natural evergreen broadleaved forest , choosing for regeneration , managing s oil after artificial regen 2eration and choosing to forest. K e

15、y w ords forest , artificial regeneration , fractal dimension , aggregate struc 2ture分形幾何(Fractal geometry 是由法國數(shù)學家曼德爾勃羅特(Mandelbort 開創(chuàng)出的一門新的數(shù)學分支, 與傳統(tǒng)的幾何(如Euclid 幾何、微分幾何 不同, 分形幾何能夠在更深層次上更加深刻地描述、研究和分析自然界中普遍存在的雜亂無章的、不規(guī)則的和隨機的現(xiàn)象。土壤作為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(Turcotte , 1986; Rieu &S pos

16、ito , 1991a , 1991b ; 李保國, 1994 。Arya 和Paris (1981 及Tur 2cotte (1986 首先研究了土壤顆粒的分形現(xiàn)象及其分形維數(shù)的計算方法, 但這些方法難于直接利用常規(guī)實驗數(shù)據(jù)進行計算, 故計算精度受到影響。目前土壤粒徑分形維數(shù)常用的計算方法為楊培嶺法和AR 法, 楊培嶺法是基于在通常的土壤分析中, 得到的均為不同土壤粒徑的重量分布值, 據(jù)此楊培嶺等(1993 將K atz 和Thom ps on (1985 的粒徑計算方法進行改進, 用土壤粒徑的重量分布取代數(shù)量分布直接計算粒徑分布的分形維數(shù), 表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成的均勻程度;AR 法

17、是Alexandra 和Renduo (1998 綜合Friesen 和Mikula (1988 、Pachepsky 等(1995 、Bird 等(1996 等學者的研究成果, 采用積分法推導(dǎo)出土壤顆粒粒級質(zhì)量、粒徑與土粒表面分形維數(shù)的關(guān)系, 據(jù)此張世熔等(2002 做了進一步推導(dǎo), 改進成土粒粒級重量百分含量、粒徑與土粒表面分形維數(shù)的關(guān)系, 仍可根據(jù)常規(guī)土壤顆粒組成測定結(jié)果計算土粒的分形維數(shù)。楊培嶺法和AR 法各有自己的優(yōu)點, 前者可以利用常規(guī)實驗數(shù)據(jù)直接求得分形維數(shù), 比較精確、簡便(宮阿都和何毓蓉, 2001 , 后者得到的分形維數(shù)明確表征土粒表面的分形維數(shù)(拓撲維數(shù)為2 , 介于23

18、之間(董連科, 1991 , 楊培嶺法求出的分形維數(shù)是指粒徑分布的分形維數(shù), 而AR 法求出的分形維數(shù)是指顆粒表面的分形維數(shù), 用于定量化表征土壤質(zhì)地的分異更好(廖爾華等, 2002 。土壤的粒徑分布資料常被用來分析和預(yù)測土壤的物理性質(zhì)如持水量、容積密度、滲透率和孔隙度等(Scott &Stephen , 1989, 1992 。近幾年來, 運用各種分形模型計算土壤顆粒(楊培嶺等, 1993; 張世熔等, 2002 、團聚體(吳承禎和洪偉, 1999; 劉金福等, 2002 和孔隙度(Brakensiek et al . , 1992; Rawlset al . , 1993; Z e

19、ng et al . , 1996 的分形維數(shù)來表征土壤質(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。土壤結(jié)構(gòu)是土壤肥力的基礎(chǔ), 土壤結(jié)構(gòu)體的空間排列特性, 影響著土壤的孔性和機械物理性質(zhì), 以及土壤中水、氣、熱和養(yǎng)分等行為(沈慧等, 2000 。在吳承禎和洪偉(1999 提出分形學應(yīng)該能夠用來描述土壤肥力等特征之后, 不同學者對土壤團?；蝾w粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與土壤容重、孔隙度、通氣度、自然含水率、持水量、排水量、養(yǎng)分含量、土壤酶活性等的關(guān)系研究報道較多(張世熔等, 2002; 劉金福等, 2002; 梁士楚和王伯蓀, 2003; 程先富等, 2003; 蘇永中和趙哈林, 200

20、4; 封磊等, 2004 , 而對分形維數(shù)與土壤滲透性和微生物數(shù)量之間的關(guān)系研究報道較少。目前, 有關(guān)川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)分形特征方面的研究尚未見報道。因此, 本文采用楊培嶺法對川南林區(qū)天然常綠闊葉林及其人工更新成檫木(Sassafrastzumu 林、柳杉(Cryptomeria fortunei 林和水杉(Metasequoia glyptostroboides 林后土壤團粒結(jié)構(gòu)分形特征進行研究, 同時探討土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與1期龔偉等:川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形特征57土壤自然含水率、容重、孔隙度、滲透速率、養(yǎng)分含量和土壤微生物數(shù)量的關(guān)系, 以期

21、為保護天然常綠闊葉林, 科學合理地經(jīng)營和利用林地資源和選擇適宜的造林樹種或更新樹種提供科學資料, 為退耕還林中因地制宜地選擇適宜的造林樹種提供參考。1材料和方法1. 1試驗區(qū)自然概況研究區(qū)位于四川省沐川縣國有林場, 城19. 5km 。地理位置為103°474928°2928°54N 之間, , 起伏大, 南北走向, 、斷巖, 海拔在11001550m 坡度25°35°左右。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候, 根據(jù)沐川縣森林經(jīng)營所氣象站(海拔1097m 歷年氣象觀測資料統(tǒng)計, 全年日平均氣溫12. 8, 絕對最高氣溫30, 絕對最低氣溫-10, 全年降

22、水量1780mm , 降雨天數(shù)254d 左右,78月為雨季, 月平均331. 6mm 。土壤以黃壤為主, 部分地區(qū)有黃棕壤和紫色土。試驗地林分為天然常綠闊葉林、檫木林、柳杉林和水杉林, 天然常綠闊葉林郁閉度在0. 9以上, 檫木林、柳杉林和水杉林分別是1988、1990和1992年天然常綠闊葉林皆伐后于1989、1991和1993年人工植苗形成的純林, 林分郁閉度分別為0. 9、0. 8和0. 8。1. 2研究方法在調(diào)查試驗地的基礎(chǔ)上, 根據(jù)典型性和代表性的原則分別在坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的天然常綠闊葉林及其人工更新后形成的檫木林、柳杉林和水杉林中建立20m ×20m 的

23、標準地3個。在每個標準地內(nèi)采用蛇形5點取樣法按020、2040cm 土層用環(huán)刀采樣測定土壤物理性質(zhì), 同時分層取土壤混合樣測定土壤團粒結(jié)構(gòu)(吳承禎和洪偉, 1999; 劉金福等, 2002 、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分含量。測定方法:土壤團粒結(jié)構(gòu)采用機械篩分法(G B7847-87 , 微生物數(shù)量采用稀釋平板法(許光輝和鄭洪元, 1986 , 有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(G B7857-87 , 全氮采用半微量凱氏法(G B7848-87 , 堿解氮采用堿解-擴散法(G B7849-87 , 全磷采用NaOH 堿熔-鉬銻抗比色法(G B7852-87 , 速效磷采用0. 03m ol L -1

24、NH 4F +0. 025m ol L -1鹽酸浸提法(G B7853-87 , 全鉀采用NaOH 堿熔-火焰光度法(G B7854-87 , 速效鉀采用1m ol L -1乙酸銨浸提-火焰光度法(G B7856-87 。在2004年7月中旬和2005年7月中旬共進行兩次采樣分析。1. 3分形維數(shù)模型(楊培嶺等, 1993; 吳承禎和洪偉, 1999具有自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)的土壤, 由大于某一粒徑d i (d i >d i +1, i =1, 2, 的土粒構(gòu)成的體積V (>d i 可由類似K :(i 1i -D(1, 、尺度的常數(shù)。, 以 d i 表示兩篩分粒級d i 與d i +

25、1間粒徑的平均值, 忽略各粒級間土粒比重的差異, 即i =(i =1, 2, , 則:W (> d i =V (> d i =A 1-(d i /k 3-D(2式中W (> d i 為大于 d i 的累積土粒重量。以W 0表示土壤各粒級重量的總和, 由定義有l(wèi)im i d i =0, 則由(2 式得:W 0=lim i (> d i =A(3由(2 、(3 式導(dǎo)出:W (> d i /W 0=1-( d i /k 3-D(4 設(shè) d max 為最大粒級土粒的平均直徑, W (> d max , 代入(4 式有k = d max 。由此得出土壤顆粒的重量分布與

26、平均粒徑間的分形關(guān)系式:W (> d i /W 0=1-( d i / d max 3-D(4或( d i / d max 3-D=W (> d i /W 0(6對上式兩邊取對數(shù), 即得:(3-D lg d i / d max =lg W (< d i /W 0(7 分別以lg (W i /W 0 ,lg ( d i / d max 為縱、橫坐標, 不難看出3-D 是lg ( d i / d max 和lg (W i /W 0 的實驗直線的斜率, D 為土壤分形維數(shù)。因此, 要測定D 即可用回歸分析方法。2結(jié)果與分析2. 1土壤團粒結(jié)構(gòu)分形特征由表1可知, 天然常綠闊葉林及其

27、人工更新成檫木林、柳杉林和水杉林后020和2040cm 土層土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)在2. 1202. 764之間。在分形維數(shù)上表現(xiàn)為>0. 25mm 的團粒含量高, <0. 25mm 的粘粒含量低的土壤其分形維數(shù)低, 反之, >0. 25mm 的團粒含量低, <0. 25mm 的粘粒含量高、質(zhì)地細的土壤其分形維數(shù)高。在濕篩條件下測得的>0. 25mm 團聚體稱為水58植物生態(tài)學報31卷表1天然常綠闊葉林人工更新后土壤團聚體組成(%T able 1C om position of s oil aggregates under natural evergreen br

28、oadleaved forest and artificial regeneration林分類型F orest type土層S oil layer(cm 團聚體大小Cluster com position size (mm >5522110. 50. 50. 25>0. 25結(jié)構(gòu)體破壞率5 (%分形維數(shù)6相關(guān)系數(shù)7天然常綠闊葉林102062. 59318. 7456. 5876. 8772. 60297. 4046. 2. 1200. 994204068. 10614. 5475. 4415. 2. 1830. 987檫木林2 02070. 70716. 4. 2691. 6979

29、6. 7827. 2212. 1840. 9712018. 5. 4335. 4032. 61395. 2057. 5562. 2740. 980柳杉林3 02063. 01716. 6385. 5046. 5233. 34395. 02514. 1472. 2930. 984204067. 51016. 1834. 5334. 2812. 43594. 94234. 6042. 3010. 967水杉林4 02060. 15817. 5876. 6378. 0403. 56395. 9858. 6932. 2350. 993204070. 39714. 2094. 2064. 5162. 4

30、5195. 77912. 1382. 2650. 969分子為濕篩條件、分母為干篩條件Numerator and denominator of the data in table were measured under the wet sieving and dry sieving , respectively 1 Natural evergreen broadleaved forest 2 Sassafras tzumu forest 3 Cryptomeria fortunei forest 4 Metasequoia glyptostroboides forest 5 Percentag

31、e of construction damage 6 Fractal dimension 7 C orrelation coefficient穩(wěn)性團聚體, >5mm 團聚體稱為水穩(wěn)性大團聚體(吳承禎和洪偉, 1999 。對水穩(wěn)性團聚體(X 1 、水穩(wěn)性大團聚體(X 2 和結(jié)構(gòu)體破壞率(X 3 與土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D (濕篩條件 進行回歸分析發(fā)現(xiàn)存在顯著的直線關(guān)系, 其關(guān)系式分別為:D =3. 4643-0. 0111X 1(R =-0. 982633 、D =2. 7347-0. 0046X 2(R =-0. 918633 、D =0. 0110X 3+2. 3948(R =0. 97

32、0733 。對干篩條件下測得的>0. 25mm 團聚體(X 4 與土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D (干篩條件 進行回歸分析發(fā)現(xiàn)也存在顯著的直線關(guān)系, 其關(guān)系式為:D =8. 6316-0. 0667X 4(R =-0. 982233 。以上的分析結(jié)果說明土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)能夠反映土壤水穩(wěn)性團聚體含量、水穩(wěn)性大團聚體含量和土壤結(jié)構(gòu)體破壞率對土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢, 土壤水穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性大團聚體含量高其分形維數(shù)小, 則土壤結(jié)構(gòu)體破壞率小, 反之土壤水穩(wěn)性團聚體和大團聚體含量低其分形維數(shù)大, 則土壤結(jié)構(gòu)體破壞率高, 團聚體含量越高團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)越小, 則土壤越具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性。2

33、. 2土壤團粒結(jié)構(gòu)分維特征比較由表1可知, 土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)在濕篩條件下,020cm 土層天然常綠闊葉林<檫木林<水杉林<柳杉林,2040cm 土層天然常綠闊葉林<檫木林<水杉林<柳杉林; 在干篩條件下,020cm 土層天然常綠闊葉林<檫木林<水杉林<柳杉林, 2040cm 土層天然常綠闊葉林<水杉林<檫木林<柳杉林。在干篩和濕篩條件下020cm 土層土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)都低于2040cm 土層。從以上結(jié)果可以看出, 無論在濕篩條件下還是在干篩條件下,020和2040cm 土層天然常綠闊葉林土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)最

34、小, 其土壤團聚體、水穩(wěn)性團聚體含量020cm 土層分別為97. 404%、90. 962%, 2040cm 土層分別為96. 935%、89. 695%, 在各林分中最高, 組成狀況最好, 且土壤結(jié)構(gòu)破壞率最低,020cm 土層為6. 614%,2040cm 土層為7. 469%, 均低于3種人工林相對應(yīng)的土層, 所以天然常綠闊葉林土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。這與天然常綠闊葉林林分具有多層次結(jié)構(gòu)、林分生物量組成及分布較為合理、林分地上部分持水量大且土壤腐殖質(zhì)積累多, 每年有大量的凋落物歸還土壤, 枯落物層蓄積量高(天然常綠闊葉林枯落物層蓄積1期龔偉等:川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形特

35、征59量分別是檫木林、柳杉林和水杉林的2. 58、22. 73和1. 42倍 、土層有機質(zhì)高, 速效性養(yǎng)分供應(yīng)林木生長發(fā)育的能力強, 植物根系在土層中穿插、擠壓過程中使得土體構(gòu)型空虛有關(guān)。3種人工林均處于幼林階段, 天然常綠闊葉林土壤腐殖質(zhì)含量相對較多, 有機物分解和腐殖質(zhì)再合成的強度較高, 因此由腐殖質(zhì)膠結(jié)形成的團聚體、水穩(wěn)性團聚體均高于人工林。3種人工林土壤團聚體、水穩(wěn)性團聚體含量在020cm 土層, 檫木林分別為96. 782%和89. 793水杉林分別為95. 985%和87. 641%, 95. 025%和81. 582%;20為95. 205%和88. 95. 779%和84. 1

36、53%, 942%和62. 088%。土壤結(jié)構(gòu)體破壞率在020、2040cm 土層, 檫木林分別為7. 221%和7. 556%, 水杉林分別為8. 693%和12. 138%, 柳杉林分別為14. 147%和34. 604%。相比之下, 檫木林和水杉林土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)較小、土壤團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量較高、土壤結(jié)構(gòu)體破壞率較低, 土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好, 而柳杉林土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)較大、土壤團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量較低、土壤結(jié)構(gòu)體破壞率較高, 土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能與3種林分地表枯落物的形成和分解有關(guān), 由于檫木屬于闊葉落葉樹種, 每年有大量的落葉歸還土壤, 且林下枯落

37、物豐富, 枯枝落葉分解快(陳卓梅等, 2002 , 水杉也屬于落葉樹種, 每年也有大量的枯落物歸還土壤, 而柳杉屬于常綠樹種, 歸還土壤的枯落物量較少。柳杉與前兩者相比, 其幼樹生長緩慢, 郁閉時間較長(中國樹木志編委會, 1977 , 而且地表枯落物層蓄積量較少, 雨滴直接沖擊地表, 造成土壤板結(jié)。2. 3分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系由表2可知,020、2040cm 土層土壤自然含水率、毛管孔隙、非毛管孔隙、初滲系數(shù)和穩(wěn)滲系數(shù)天然常綠闊葉林高于人工林, 而土壤容重天然常綠闊葉林低于人工林。3,020、2040cm 、非毛管孔隙、初>水杉林>柳杉林;020<檫木林<柳杉

38、林,2040<水杉林<柳杉林; 同時, 各林分020cm 土層土壤容重均小于2040cm 土層, 而020cm 土層土壤自然含水率、毛管孔隙、非毛管孔隙、初滲系數(shù)和穩(wěn)滲系數(shù)均大于2040cm 土層。這說明天然常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾? 土壤容重升高, 土壤自然含水率、毛管孔隙、非毛管孔隙、初滲系數(shù)和穩(wěn)滲系數(shù)降低。對土壤物理性質(zhì)和土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)回歸分析結(jié)果表明(表3 , 不論是干篩還是濕篩得到的土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)均存在顯著的相關(guān)性, 說明土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)高, 則土壤自然含水率、毛管孔隙、非毛管孔隙、初滲系數(shù)和穩(wěn)滲系數(shù)低, 反之則高; 分形維數(shù)高, 則土壤容重

39、高, 反之則低。因此, 這一結(jié)果表明土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)值的高低能夠反映土壤物理性質(zhì)的優(yōu)劣。2. 4分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系由表4可知,020、2040cm 土層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀含量, 天然常綠闊葉林>檫木林>水杉林>柳杉林, 且020cm 土層土壤養(yǎng)分含量高于2040cm 土層。這表2天然常綠闊葉林人工更新后土壤物理性質(zhì)T able 2S oil physical properties under natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration林分類型F o

40、rest type土層(cm S oil layer 自然含水率5 (%容重6(g cm -3毛管孔隙7(% 非毛管孔隙8 (%初滲系數(shù)9 k 10(mm min -1 穩(wěn)滲系數(shù)10k 10(mm min -1天然常綠闊葉林1020132. 9±8. 40. 48±0. 0564. 3±4. 99. 5±1. 45. 76±2. 291. 39±0. 952040112. 0±5. 70. 59±0. 0262. 0±3. 27. 8±3. 14. 76±3. 071. 19±

41、;0. 37檫木林2 020100. 8±6. 90. 75±0. 0858. 8±6. 08. 5±4. 24. 97±2. 630. 98±0. 45204081. 9±5. 10. 78±0. 0357. 4±3. 57. 4±4. 63. 55±1. 030. 85±0. 47柳杉林3 02048. 5±3. 50. 92±0. 1350. 6±3. 27. 6±5. 72. 51±1. 740. 58±0.

42、 31204038. 1±4. 41. 27±0. 1041. 2±3. 44. 6±1. 92. 10±1. 160. 26±0. 17水杉林4 02087. 5±5. 20. 71±0. 1557. 6±10. 68. 0±5. 03. 15±2. 520. 94±0. 32204069. 4±4. 10. 84±0. 0156. 6±3. 37. 4±1. 52. 72±1. 160. 79±0. 541 4

43、:見表1See T able 15 Natural water content 6 Bulk density 7 Capillary porosity 8 N on-capillary porosity 9 Original in filtration coef 2ficient 10 S table in filtration coefficient60植物生態(tài)學報31卷說明天然常綠闊葉林人工更新后土壤養(yǎng)分含量下降。3種人工林由于樹種不同和對林地土壤養(yǎng)分的改善和維護作用不同導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量的差異。對土壤養(yǎng)分含量和土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)回歸分析結(jié)果表明(表5 , 不論是干篩還是濕篩得到的土壤團粒

44、結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分含量呈顯著負相關(guān), 說明了土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)高, 則土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀含量低, 反之則高。以上結(jié)果表明土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維。表3T able 3Relationship between fractal dimension 項目Item擬合回歸方程Linear 濕篩W et sieving Dry 相關(guān)系數(shù)C orrelation coefficient濕篩W et sieving 干篩Dry sieving自然含水率1 D =2. 7808D 00. 0019X -0. 884933-0. 953933容重2 =4D =2. 0539+0

45、. 2246X 0. 9660330. 833733毛管孔隙3 =339-0. 0144X D =2. 6342-0. 0072X -0. 975633-0. 81173非毛管孔隙4 D =3. 0813-0. 0724X D =2. 5018-0. 0355X -0. 947733-0. 77753初滲系數(shù)5 D =2. 7745-0. 0661X D =2. 4028-0. 0463X -0. 81693-0. 958233穩(wěn)滲系數(shù)6D =2. 7807-0. 2864XD =2. 3774-0. 1668X-0. 934933-0. 9110331 Natural water conte

46、nt 2 Bulk density 3 Capillary porosity 4 N on-capillary porosity 5 Original in filtration coefficient 6 S table in filtration co 2efficient 3:p <0. 0533:p <0. 01表4天然常綠闊葉林人工更新后土壤養(yǎng)分含量T able 4S oil nutrient content under natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration林分類型F orest

47、type土層S oil layer(cm 有機質(zhì)Organic matter (g kg -1 全氮T otal-N(g kg -1 堿解氮Hydrolysis -N(mg kg -1 全磷T otal-P(mg kg -1 速效磷Available-P(mg kg -1 全鉀T otal-K(g kg -1 速效鉀Available-K(mg kg -1 天然常綠020115. 8±6. 71. 40±0. 15236. 9±20. 4243. 5±16. 42. 07±0. 1931. 4±2. 247. 3±5. 9闊

48、葉林1 204064. 3±4. 90. 84±0. 07157. 9±16. 8214. 8±15. 51. 16±0. 0831. 1±1. 931. 9±3. 2檫木林202089. 2±6. 01. 22±0. 05178. 7±12. 9236. 6±12. 11. 62±0. 1030. 6±1. 145. 6±6. 3204052. 0±5. 20. 76±0. 11145. 4±7. 7188. 9±

49、9. 00. 98±0. 1528. 3±2. 526. 4±2. 3柳杉林3 02030. 9±3. 00. 59±0. 0292. 7±4. 3195. 6±12. 10. 83±0. 0822. 5±1. 730. 8±3. 9204017. 8±4. 40. 30±0. 0152. 4±5. 0139. 4±6. 80. 67±0. 1320. 8±2. 520. 6±1. 8水杉林4 02075. 1±7.

50、 31. 13±0. 14163. 6±10. 7223. 9±12. 21. 29±0. 0729. 9±1. 841. 3±4. 6204038. 2±5. 90. 57±0. 0690. 3±7. 9179. 3±18. 20. 79±0. 0524. 3±1. 424. 7±1. 71 4 :見表1See T able 1表5分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系T able 5Relationship between fractal dimension and s oi

51、l nutrient content項目Item擬合回歸方程Linear regression equation濕篩W et sieving 干篩Dry sieving相關(guān)系數(shù)C orrelation coefficient濕篩W et sieving 干篩Dry sieving有機質(zhì)Organic matter D =2. 6965-0. 0027X D =2. 3429-0. 0018X -0. 83283-0. 933533全氮T otal-N D =2. 7366-0. 2418X D =2. 3584-0. 1487X -0. 843633-0. 867833堿解氮Hydrolysi

52、s -N D =2. 7572-0. 0016X D =2. 3698-0. 0010X -0. 890433-0. 907533全磷T otal-P D =3. 1002-0. 0028X D =2. 5501-0. 0016X -0. 896933-0. 840833速效磷Available-P D =2. 7305-0. 1699X D =2. 3794-0. 1254X -0. 75293-0. 930433全鉀T otal-K D =3. 1506-0. 0227X D =2. 5832-0. 0128X -0. 892133-0. 846133速效鉀Available-KD =2.

53、 7923-0. 0078XD =2. 4074-0. 0052X-0. 72933-0. 818833:p <0. 0533:p <0. 011期龔偉等:川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形特征612. 5分形維數(shù)與微生物數(shù)量的關(guān)系由表6可知, 各土層土壤微生物數(shù)量, 細菌數(shù)量占絕對優(yōu)勢, 真菌和放線菌數(shù)量在整個微生物數(shù)量組成中占有比例較小, 且真菌數(shù)量小于放線菌。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為細菌喜歡濕潤并能耐受低氧, 真菌耐干且對土壤中氧氣含量較敏感, 而放線菌具有喜熱耐旱的特性, 在雨季土壤含水量高, 氧氣的擴散作用降低, 真菌是首先的受害者(張萍和馮志立, 199

54、7 。由于本研究是在雨季進行, 季平均月降雨量較大, (表2。各林分020、2040cm 、真菌和放線菌數(shù)量天然常綠闊葉林>檫木林>水杉林>柳杉林, 且020cm 土層土壤微生物數(shù)量均高于2040cm 土層, 這與表層土壤有機物質(zhì)含量高、通氣性好、溫度和濕度較適合微生物生長有關(guān)(張萍和馮志立, 1997 。3種人工林, 。( , 、真菌和放線菌數(shù), 說明土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)高, 則土壤微生物數(shù)量少, 反之則多。以上結(jié)果表明土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)值的高低也能夠反應(yīng)土壤微生物數(shù)量的多寡, 從而反應(yīng)出微生物的活動情況。表6天然常綠闊葉林人工更新后土壤微生物數(shù)量T able 6S oi

55、l microbe number under natural evergreen broadleaved forest and artificial regeneration林分類型F orest type土層(cm S oil layer 細菌Bacteria(106g -1干土真菌Fungi(103g -1干土放線菌5(103g -1干土微生物總數(shù)6(106g -1干土天然常綠闊葉林10209. 25±1. 134. 89±0. 6311. 91±1. 439. 2620407. 45±0. 821. 55±0. 214. 64±

56、0. 487. 45檫木林2 0206. 10±1. 023. 48±0. 758. 12±1. 166. 1120405. 98±0. 480. 96±0. 113. 82±0. 425. 98柳杉林3 0203. 96±0. 441. 63±0. 295. 69±0. 883. 9720403. 88±0. 280. 14±0. 021. 71±0. 153. 88水杉林4 0205. 96±1. 012. 81±0. 457. 76±1.

57、345. 9720405. 05±0. 540. 72±0. 093. 53±0. 315. 051 4 :見表1See T able 15 Actinomyces 6 T otal microbes表7分形維數(shù)與微生物數(shù)量的關(guān)系T able 7Relationship between fractal dimension and s oil microbe number項目Item擬合回歸方程Linear regression equation 濕篩W et sieving 干篩Dry sieving相關(guān)系數(shù)C orrelation coefficient濕篩W

58、et sieving 干篩Dry sieving細菌Bacteria D =2. 8192-0. 0484X D =2. 4310-0. 0334X -0. 80723-0. 932133真菌Fungi D =2. 6283-0. 0482X D =2. 3012-0. 0343X -0. 71743-0. 853033放線菌ActinomycesD =2. 6713-0. 0238XD =2. 3264-0. 0160X-0. 72273-0. 813133:p <0. 0533:p <0. 013結(jié)論與討論土壤團聚體狀況是影響土壤肥力的一個重要因素, 它是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器,

59、 在很大程度上影響土壤通氣性和抗蝕性, 任何土壤的退化首先將表現(xiàn)出土壤團粒結(jié)構(gòu)的消失, 團聚體百分比是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程速度和幅度的關(guān)鍵指標之一(Rattan , 2000 。影響團聚體的形成及其穩(wěn)定性的因素很多, 如成土母質(zhì)、土地利用方式、耕作及管理制度、氣候條件、植被覆蓋情況、土壤本身的物理化學性狀以及人為因素等(章明奎和何振立, 1997; Barral et al . , 1998; Salako et al . , 1999 。天然常綠闊葉林人工更新成檫木林、柳杉林和水杉林后土壤團聚體含量減少分形維數(shù)升高, 由于天然常綠闊葉林轉(zhuǎn)變成人工林后成土母質(zhì)、氣候條件沒有發(fā)生根

60、本性的改變, 因此導(dǎo)致天然常綠闊葉林人工62植物生態(tài)學報31卷更新后土壤團聚體含量減少分形維數(shù)升高的原因是天然常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾笸恋乩梅绞?、管理制度和植被覆蓋狀況的變化引起林地土壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的變化, 從而影響團聚體的形成和穩(wěn)定性。所以天然常綠闊葉林土壤團聚體含量高、團聚體分形維數(shù)低、結(jié)構(gòu)體破壞率低。土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣最終決定于土壤的團粒結(jié)構(gòu)好壞, 好的土壤粒徑分布均勻, 粘粒含量適中, 土壤大團聚體含量高, 粘粒有向下淋溶和懸移的趨勢( , , 孔隙過小, 土壤的水容量和熱容量降低, 加劇了土壤的水肥矛盾。團粒結(jié)構(gòu)的粘粒含量對土壤粒徑分布的分形特征影響很大, 在分形維數(shù)上表現(xiàn)出粘粒含量越高、質(zhì)地越細, 分形維數(shù)越高