閩北山地不同模式福建含笑—杉木混交林土壤結構的分形特征

林武星　鄭郁善　朱煒

摘 要 運用分形理論研究了閩北山地不同模式福建含笑-杉木混交林包括福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林、1 ∶ 1株間混交林、福建含笑純林和杉木純林的土壤結構和理化性質，闡明不同模式福建含笑-杉木混交林土壤結構的分形特征，建立福建含笑-杉木混交林土壤水穩性團聚體、團聚體含量和結構體破壞率與分形維數回歸模型，以及土壤水穩性團聚體、團聚體含量的分形維數與土壤各項具體的理化性質指標的關系式。結果顯示：福建含笑-杉木混交林土壤水穩性團聚體和團聚體含量與其分形維數呈負相關，而結構體破壞率與分形維數之間正相關；土壤水穩性團聚體和團聚體含量的分形維數與其對應的土壤理化性質指標存在顯著回歸關系。福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林土壤水穩性團聚體和團聚體含量的分形維數均最小，土壤水穩性團聚體和團聚體含量最高，土壤結構和穩定性最好。運用分形理論研究林地土壤肥力狀況為林地質量評價提供了一種新思路。

關鍵詞 福建含笑；杉木；混交林；分形維數；土壤結構；土壤肥力

中圖分類號 S152.4；S725.2 文獻標識碼 A

Fractal Character on Soil Structure in Different Forest Patterns

of Mixed Forest of Michelia fujianensis and Cunninghamia

lanceolata in North Fujian Mountain

LIN Wuxing1， ZHENG Yushan2， ZHU Wei1

1 Fujian Academy of Forestry， Fuzhou， Fujian 350012， China

2 College of Forestry， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract The soil structure， physical and chemical properties in different forest patterns of mixed forest of Michelia fujianensis and Cunninghamia lanceolata including 1 ∶ 1 line mixed， 1 ∶ 1 strain mixed， Michelia fujianensis pure stands and Cunninghamia lanceolata pure stands in north Fujian mountains were studied using the fractal theory. The fractal character in different forest patterns of mixed forest of M. fujianensis and C. lanceolata was clarified. The regression modes were built between the content of ≥ 0.25 mm soil water-stable aggregate constitution， aggregate constitution， percentage of construction damage and the soil fractal dimension，as well as between the fractal dimension of soil water-stable aggregate constitution， aggregate constitution and the index of soil physical and chemical properties. The results indicated that the soil fractal dimension showed negative correlation with the content of ≥ 0.25 mm soil water-stable aggregate constitution and aggregate constitution but positive correlation with percent of construction damage. The soil fractal dimension showed significant regression relationships with physicochemical properties. The soil fractal dimension of the content of water-stable aggregate constitution and aggregate constitution in line mixed of 1 ∶ 1 of M. fujianensis and C. lanceolata was the least，which showed the best in structural stability and fertility status. The application of the fractal theory on the forest soil fertility provides a new idea for forest assessment.

Key words Michelia fujianensis； Cunninghamia lanceolata； Mixed forest； Fractal dimension； Soil structure； Soil fertilize

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.022

杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.） Hook.]是閩北山地主要的造林樹種，杉木林經營中多采取純林且連栽，大量試驗和實踐結果都表明這種營林模式容易引起林分生產力下降和地力衰退，生態環境漸趨惡化[1-2]。福建含笑（Michelia fujianensis Q.F.Zheng）為木蘭科含笑屬常綠珍貴用材和觀賞闊葉樹種，具有速生、適應性強的特性[3]。目前國內有關杉木與不同闊葉樹混交造林試驗的相關報道較多，許多學者研究發現杉木與火力楠[4]、木荷[5]、厚樸[6]、樂東擬單性木蘭[7]以及光皮樺[8]等樹種混交可以發揮闊葉樹凋落物量大、易分解、培肥土壤效果好的特點，能防止杉木林林分質量降低及地力退化，有效提高人工林生態系統穩定性，認為杉闊混交是杉木林經營的理想模式。但有關福建含笑-杉木混交林研究的文獻屈指可數，僅見鄭郁善等研究了福建含笑-杉木混交林水源涵養能力[3]，張任好、蘇秀城及張興正先后報道了福建含笑-杉木混交林生長和生態效益[9-11]，黃興亮對福建含笑-杉木混交林的生物量進行了探索[12]。

土壤顆粒是一個不規則的幾何形體，由形狀和大小不一的顆粒組成的土壤具有分形特征的系統[13-15]。研究表明分形維數可以較好地定量描述土壤結構[16]。吳承禎[17]、劉金福[18]、封磊[19]、何東進[20]、林武星[21-23]等運用分形模型研究了不同林分類型土壤團粒結構取得了較好的效果。不同模式福建含笑-杉木混交林土壤肥力研究方面以往是通過土壤物理和化學性質指標對比分析，以此確定杉木與福建含笑合適的混交模式，這需要進行較為費時費工的土壤各項理化指標測定。本文運用分形理論對閩北山地不同模式的福建含笑-杉木混交林即福建含笑純林、福建含笑與杉木行間混交林、株間混交林和杉木純林土壤結構的分形特征開展研究，建立了4種人工林土壤結構分形維數與表征土壤肥力狀況的各項理化指標關系式，旨在篩選出杉木林合適的造林模式，為杉木林可持續經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省建甌市房道鎮采育場（27°15′N、118°37′E），年均溫度16.8 ℃，年均降水量1 900 mm，年蒸發量1 460 mm，年均相對濕度81%，山地紅壤，海拔高250～350 m，坡度18°～25°，坡向東南，土層深度﹥1 m。試驗地造林前測得0～20 cm層土壤容重含量為0.925 g/cm3、有機質含量為39.362 g/kg、水解性氮含量為72.54 mg/kg、速效磷含量為4.07 mg/kg、速效鉀含量為72.33 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗設計按照隨機區組法進行，造林模式包括：福建含笑純林、福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林、1 ∶ 1株間混交林和杉木純林等4個處理，每處理5個重復，共20塊樣地，每樣地面積0.066 7 hm2，樣地間種2行福建柏作隔離帶，造林密度3 000株/ hm2，株行距1.82 m×1.83 m。

1.2.2 調查測定和數據分析方法 造林后第5年對試驗地采集土壤進行測定，每個樣地采用“之”字形路線隨機布設4個土壤剖面點并每個點分層取0～20 cm、20～40 cm土層土樣，帶回室內分別混合進行土樣分析。土壤水穩性團聚體采用機械篩分法[24]，土壤物理性質采用環刀法[25]，土壤化學性質采用常規法[24]，土壤酶活性分析[26]：過氧化物酶采用A.III.bIJITeH法（1974）；轉化酶活性采用E.Hoffmann與A.Seegrer法（1951）；脲酶活性采用標準擴散法。不同模式福建含笑杉木混交林土壤水穩性團聚體含量、物理性質、化學性質和酶活性測定結果見表1、3、4。研究結果采用Excel和SPSS17.0軟件進行數據統計分析。

1.2.3 土壤結構分形維數模型 具有自相似結構的多孔介質-土壤，由大于某一粒徑di（di>di+1，i=1，2，…）的土粒構成的體積V（δ>di）可由類似Katz[27]的公式表示：

V（δ>di）=A[1-（di/k）3-D] （1）

式中δ是碼尺，A，K是描述形狀、尺度的常數，D為土壤的分形維數。

通常粒徑分析資料是由一定粒徑間隔的顆粒重量分布表示的，以表示粒級di與di+1間粒徑的平均值，忽略各粒級間土粒比重p的差異，即pi=p（i=1，2，…），則：

W（δ>）=V（δ>）p=pA[1-（/k）3-D] （2）

式中W（δ>di）為大于di的累積土粒重量。以W0表示土壤各粒級重量的總和，由定義lim di，則由（2）式得： i→∞

W0=lim W（δ>）=pA （3）

i→∞

由（2）、（3）式導出：

W（δ>di）/W0=1-（di/k）3-D （4）

設 max為最大粒級土粒的平均直徑，W（δ> max）=0，帶入（4）式有K= max。由此得出土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關系式：

W（δ>）/W0=1-（/ max）3-D （5）

或

（/ max）3-D=W（δ<）/W0 （6）

1.2.4 土壤性質與分形維數相關模型 采用一元線性回歸方程建立土壤理化性質（Y）與分形維數（D）相關模型：

Y=a+bDs+cDg （7）

式中，Y為林地土壤理化性質指標含量；Ds、Dg分別為不同類型林分濕篩和干篩下土壤結構分形維數；a、b、c為參數。

1.3 數據處理

試驗結果采用Excel和spss17.0軟件進行數據統計分析。采用單因素方差分析（One-Way ANONA），利用多重比較的方法（S-N-K），對不同模式福建含笑-杉木混交林土壤理化性質差異進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤團粒結構的分形維數與土壤水穩性團聚體、團聚體含量及結構體破壞率關系

土壤是具有分形特征的分散多孔介質材料。采取回歸分析方法，從土壤團粒結構分形模型回歸關系式（6）計算得到4種模式福建含笑-杉木混交林土壤團粒結構粒徑分布的分形維數（表1），從中可知，不同模式林分濕篩土壤團粒結構分形維數為2.553 3～2.792 4，干篩土壤團粒結構分形維數為2.502 5～2.752 3，而且不論濕篩還是干篩均表現出>0.25 mm團聚體含量越大，土壤結構分形維數越小，即土壤中<0.25 mm的土壤顆粒含量越多，分形維數越大，土壤結構體破壞率越高。說明林分土壤小徑級顆粒越多，質地越細，土壤粘性越強，土壤結構分形維數就越大。土壤水穩性團聚體、團聚體含量對土壤的機械組成性質、抗蝕性及水、肥、氣、熱等造成影響，是表征土壤肥力的重要因素，>0.25 mm的土壤水穩性團聚體和團聚體含量高，說明土壤通氣透水，有利于植物根系伸展和生長以及土壤中動物、微生物活動，可以提高土壤自肥能力和植物生產力[18]。因此，土壤結構粒徑分布的分形維數大小體現了>0.25 mm的土壤水穩性團聚體及團聚體含量對土壤結構與穩定性的影響高低，土壤結構的分形維數越小，土壤結構和穩定性就越好。不同模式福建含笑-杉木混交林土壤水穩性團聚體、團聚體含量和結構體破壞率與土壤分形維數之間關系見表2，從建立的回歸模型可知，>0.25 mm土壤水穩性團聚體、團聚體含量及結構破壞率與土壤分形維數之間呈顯著直線相關關系（p<0.01）。隨分形維數增加，>0.25 mm土壤顆粒水穩性團聚體和團聚體含量減少，而土壤結構體受破壞程度愈加嚴重。

2.2 不同模式福建含笑-杉木混交林土壤團粒結構的分形特征

不同模式福建含笑-杉木混交林無論是濕篩還是干篩條件下其土壤結構分形維數大小順序均表現為杉木純林〔Ds=2.792 4（2.792 4±0.453 7）、Dg=2.752 3（2.752 3±0.413 0）〕>福建含笑與杉木1 ∶ 1株間混交林〔Ds=2.740 2（2.740 2±0.392 8）、Dg=2.700 1（2.700 1±0.355 3）〕>福建含笑純林〔Ds=2.686 2（2.686 2±0.317 7）、Dg=2.636 5（2.636 5±0.281 6）〕>福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林〔Ds=2.553 3（2.553 3±0.246 4）、Dg=2.502 5（2.502 5±0.217 4）〕。說明福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林土壤團粒結構的分形維數最小〔Ds=2.553 3（2.553 3±0.246 4）、Dg=2.502 5（2.502 5±0.217 4）〕，而土壤水穩性團聚體、團聚體含量在4種模式中最大，分別達到73.89%和78.31%，但土壤結構體破壞率最低，僅為5.64%；福建含笑純林土壤水穩性團聚體和團聚體含量僅次于福建含笑與杉木1 ∶ 1行間混交林，土壤結構體破壞率也較小?？梢娚寄九c福建含笑采取1 ∶ 1行間混交或營造福建含笑純林均可使土壤更加疏松透氣，有利于提高土壤的抗蝕性和持水力，從而減少地表徑流，促進水源涵養和水土保持。這可能是因為福建含笑-杉木1 ∶ 1行間混交林和福建含笑純林冠層結構較為合理，可以有效阻擋或緩沖降雨特別是暴雨對土壤的沖刷，同時這種上層空間結構使林內光照和溫濕度適合于林分中喬灌草植物生長和微生物活動，覆蓋地表的枯落物量較多且易于及時分解，有機質等養分回歸土壤快；并且福建含笑-杉木行間混交林和福建含笑純林具有良好的地下根系空間，根系在不同層次的生長、穿插對土壤團聚體結構的形成起到很好的作用。而杉木純林土壤結構分形維數最大，土壤水穩性團聚體和團聚體含量最低，土壤結構體破壞率最高。這是因為杉木純林冠層結構簡單，枝葉量和濃密程度較福建含笑純林和福建含笑-杉木混交林少，其對雨水的截流和減輕降水對地表的沖擊作用較小，易產生地表徑流。另一方面由于杉木針葉中含有大量的木素、樹脂、單寧等，分解速度緩慢，枯落物聚積地表，導致杉木純林養分歸還土壤慢，地下根系對土壤團聚體結構形成的作用較弱。因而杉木純林表層土壤水穩性團聚體、團聚體含量少，土壤結構差。

2.3 土壤團粒結構的分形維數與土壤肥力表征指標關系

從土壤團粒結構分形維數與土壤水穩性團聚體和團聚體含量建立的回歸模型（表2）可知，土壤水穩性團聚體和團聚體含量可以通過土壤團粒結構分形維數體現，而土壤水穩性團聚體和團聚體含量的高低往往對土壤肥力產生重要影響，可見，土壤肥力狀況可由土壤團粒結構分形維數的大小表達。通常情況下，土壤肥力通過土壤物理-化學性質各種具體指標表征。由不同類型林分中測定出的土壤各項物理-化學性質指標值（表3、4）與對應的土壤團粒結構分形維數（表1中Ds、Dg）進行計算，建立了福建含笑-杉木混交林土壤各項物理-化學性質具體指標與土壤團粒結構分形維數關系式（表5），看出土壤理化性質各項指標（全氮除外）與土壤水穩性團聚體、團聚體的分形維數密切相關，根據土壤團粒結構分形維數，運用這些模型就可計算出相應的土壤理化性質指標，從而預測土壤肥力狀況。

3 討論與結論

研究表明，福建含笑-杉木混交林土壤分形維數與>0.25 mm的土壤顆粒含量呈線性負相關（p<0.01），分形維數增加，>0.25 mm的土壤水穩性團聚體、團聚體含量減少，而土壤結構體破壞率與分形維數之間呈直線正相關關系，這一結果與許多類型林分的土壤分形維數和>0.25 mm的土壤水穩性團聚體、團聚體含量及土壤結構體破壞率關系[17-20，22-23]相一致，說明分形維數可客觀表征土壤的結構性狀，這就為土壤肥力狀況研究增添了新指標。

在參試的閩北山地不同模式福建含笑-杉木混交林中，福建含笑與杉木采取1 ∶ 1行間混交土壤團粒結構的分形維數最小，土壤水穩性團聚體、團聚體含量最高。說明這種模式的林分土壤結構最穩定、抗蝕性也最強。從改善或維持地力角度考慮，閩北山區福建含笑與杉木混交最佳模式是兩種樹種按照1 ∶ 1的比例采取行間混交，可為杉木林可持續發展和林地持續利用提供依據。

本文在建立土壤結構分形維數與土壤理化性質指標預測模型時，只考慮了一元線性回歸方程，因缺乏與其它方程包括二元以上線性和非線性回歸方程的對比，所得出的模型有可能并不是最優，這將影響分形維數反映土壤肥力狀況的準確度，所有這些問題亟需下一步深入研究加以完善。

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