不同刨花楠種植模式對土壤理化性質(zhì)及分形維數(shù)的影響

彭家順，雷開敏，郭曉敏，牛德奎，劉曉君，蘭龍焱

（江西農(nóng)業(yè)大學 a.林學院；b.森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045）

南方紅壤丘陵區(qū)地勢起伏大，降雨較為集中，導致地表沖刷明顯，形成了獨特的生態(tài)環(huán)境，加之人口密度大，土地開發(fā)程度高，導致土壤侵蝕現(xiàn)象十分嚴重[1]。土壤侵蝕往往導致土壤中的養(yǎng)分流失[2]，這不僅限制了植物的生長發(fā)育，還會造成土地退化，進一步影響人類生存[3]。植被覆蓋可以有效地遏制水土流失，能避免土壤中的養(yǎng)分流失，防止地力衰退，因此植樹造林不僅具有緩解土地退化的現(xiàn)實意義，森林本身改善自然環(huán)境的能力也體現(xiàn)了其生態(tài)系統(tǒng)服務功能[4]。地上植被與土壤養(yǎng)分狀況息息相關(guān)，植物生長需要從土壤中汲取養(yǎng)分，養(yǎng)分又會通過凋落物分解的方式回歸到土壤中[5]，地上植物在養(yǎng)分循環(huán)的過程中起著重要作用，因此不同的種植模式會影響土壤的養(yǎng)分狀況以及土壤質(zhì)地[6]。

自Tyler 和Wheatcraft[7]將分形理論引入土壤學之后，分形理論在土壤學中便得到了廣泛的應用。楊培嶺等[8]用粒徑的質(zhì)量分布取代數(shù)量分布，建立了更精確和簡便地描述土壤分形特征的模型。伍家輝等[9]對核桃幼林林下的土壤進行了研究，發(fā)現(xiàn)復合經(jīng)營能夠有效改良土壤，使分形維數(shù)增大。孫傳龍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，相同地區(qū)不同利用狀況下土壤分形維數(shù)具有顯著差異，人為擾動越大，分形維數(shù)越小。分形維數(shù)受到地被植物[11]、土地利用方式[12]、植被恢復年限[13]和受侵蝕狀況[10,14]等因素的影響，且和土壤中的有機質(zhì)等養(yǎng)分含量相關(guān)性顯著[15]，因此土壤分形維數(shù)具有較強的時間以及空間異質(zhì)性。土壤侵蝕具有普遍性，而且土壤侵蝕是土壤退化的主要原因之一[16]。饒良懿等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，同一坡面的土壤可蝕性具有明顯的空間異質(zhì)性，從坡頂?shù)狡履_可蝕性呈先增大后減小的趨勢。何周窈等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤可蝕性受到土壤含水率的顯著影響，隨著土壤含水率的增加，土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，導致土壤可蝕性增大。土壤可蝕性受到土壤團聚體、氣候、水分以及坡度等因素的影響，是判斷土壤可侵蝕程度的重要指標之一[19]。但關(guān)于土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分狀況的相關(guān)性研究還相對較少，因此本研究除了探究不同種植模式下土壤分形維數(shù)的差異外，還試圖進一步研究土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分狀況之間的關(guān)系。

刨花楠Machilus pauhoi是樟科潤楠屬的闊葉高大喬木，干形通直，材性優(yōu)良，木材適用范圍廣，具有極強的經(jīng)濟價值，廣泛分布于我國中亞熱帶和南亞熱帶[20-21]。Yu 等[22]和鄒宇星[23]探究了氮磷添加等條件對刨花楠生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)的氮磷添加對刨花楠葉片各性狀無顯著差異，但不同季節(jié)間的刨花楠葉片差異顯著。由于刨花楠普遍作為經(jīng)濟樹種，我國學者對刨花楠的研究主要集中于氮磷添加等措施后刨花楠的響應，用于更好地指導刨花楠的栽培與種植，隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，林業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為了人們關(guān)注的熱點問題[24-25]，但關(guān)于刨花楠在水土保持以及土壤改良方面的研究相對較少。因此，本研究選擇了不同的刨花楠種植模式，探究不同刨花楠種植模式下土壤理化性質(zhì)以及土壤分形維數(shù)和可蝕性的變化規(guī)律，進一步了解土壤分形維數(shù)以及土壤可蝕性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，揭示不同刨花楠種植模式對林下土壤的影響，為刨花楠復合種植提供更加科學的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地設(shè)置在江西省婺源縣生態(tài)林場（29°21′N、117°15′E），地處江西東北部低山丘陵區(qū)，該地區(qū)屬于中亞熱帶季風區(qū)。全年無霜期較短，平均氣溫為16.8℃，總降水量平均為1 962.3 mm。4—6月為明顯雨季，降水量占全年的47.9%。土壤類型以紅壤和黃壤為主。

1.2 樣地設(shè)置及土壤樣品采集

2019年8月在研究區(qū)進行樣地調(diào)查，在林場內(nèi)設(shè)置了5 種處理模式，分別為近自然恢復條件下2年生刨花楠純林（A）、2年生刨花楠-8年生杉木Cunninghamia lanceolata混交林（B）、8年生刨花楠-8年生杉木混交林（C）、8年生刨花楠-8年生濕地松Pinus elliottii混交林（D）、8年生刨花楠純林（E），樣地樹種組成等基本情況如表1所示。每種處理方式各3 個重復，共15 個樣地，并在各個樣地內(nèi)設(shè)置一個20 m×20 m 的樣方，在各個樣方按五點采樣法進行土樣的采集，裝入自封袋并做好標記帶回。

表1 樣地基本情況Table 1 The basic information of sample plots

1.3 土壤理化性質(zhì)的測定

將采集回來的土樣自然風干，去根，過2 mm篩。參考《GB 7844-47 森林土壤比重的測定》，用比重瓶法測定土壤密度，用比重計法測定土壤機械組成，作土壤級配曲線圖后，曲線上小于該粒徑的沙質(zhì)量占總沙樣的50%的粒徑為中值粒徑（d50）。將風干土過0.149 mm 篩后，參考《土壤農(nóng)化分析》，用濃硫酸外加熱法測定土壤的有機質(zhì)含量，用消煮法測定土壤全氮、全磷和全鉀的含量。

1.4 土壤分形維數(shù)的測定

本研究分形維數(shù)的計算公式[26]為：

將兩邊同時取對數(shù)后得：

式中：為最大粒徑土壤微團聚體的平均粒徑；W(δ＜)為粒徑小于平均粒徑（）的土壤微團聚體含量；W0為土壤微團聚體總含量；D為土壤分形維數(shù)值。

1.5 土壤可蝕性K 的測定

土壤可蝕性K值采用EPIC 模型中的公式，利用土壤砂粒、粉粒和黏粒粒徑組成含量與有機碳含量計算[27]，為：

式中：SAN、SIL、CLA 分別為土壤中的砂粒、粉粒和黏粒含量；C為土壤中的有機碳含量；SN1=1-SAN/100；土壤可蝕因子K換算成國際制需要再乘以0.131 7[28]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0 和Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用OriginPro 9.0 軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤分形維數(shù)與可蝕性

近自然恢復條件下2年生刨花楠純林（A）、2年生刨花楠-8年生杉木混交林（B）、8年生刨花楠-8年生杉木混交林（C）、8年生刨花楠-8年生濕地松混交林（D）和8年生刨花楠純林（E）5 種種植模式的分形維數(shù)與可蝕性結(jié)果如表2所示。A、B 模式上層土壤的分形維數(shù)顯著小于其他模式上層土壤（P＜0.05），B 模式與C 模式均混交了8年生的杉木，但B 模式上層土壤的分形維數(shù)仍顯著小于C 模式，說明土壤分形維數(shù)隨著刨花楠生長年限的增加而增加。但各模式之間下層土壤的分形維數(shù)并無顯著差異（P＞0.05）。5種模式上、下層土壤的可蝕性均值在0.055～0.060范圍內(nèi)變化，不同模式以及不同土層之間的可蝕性均未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05），因此土壤可蝕性并不受種植模式的影響。綜上所述，不同的刨花楠種植模式僅對上層土壤產(chǎn)生了較為顯著的影響，并不能使下層土壤之間產(chǎn)生明顯的差異性。

表2 刨花楠不同種植模式土壤分形維數(shù)與可蝕性?Table 2 Soil fractal dimension and erodibility under different planting patterns of Machilus pauhoi

2.2 土壤理化性質(zhì)

各種植模式的上層土壤理化性質(zhì)如表3所示。A、D 模式大顆粒（0.25～2.00 mm）土壤含量顯著小于其他模式（P＜0.05），其余粒徑的土壤在各模式之間無顯著差異（P＞0.05）。B 模式的土壤密度在5 種模式之中最小，為2.41 g·cm-3，C 模式的土壤密度最大，為2.56 g·cm-3，但各模式的土壤密度之間并未表現(xiàn)出差異性（P＞0.05）。各模式下的土壤中值粒徑也均未表現(xiàn)出差異性（P＞0.05），最大值為0.013 mm，最小值為0.008 mm，分別是B 模式和E 模式。各模式下土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量之間差異顯著。E 模式的土壤有機質(zhì)顯著大于D 模式（P＜0.05），而A、B模式的土壤全氮含量顯著大于其他模式（P＜0.05），土壤全磷含量則表現(xiàn)為A 模式顯著大于其他模式（P＜0.05），B 和E 模式的土壤全鉀含量大于其他模式，且差異顯著（P＜0.05）。5 種不同的種植模式林下土壤的機械組成之間差異并不顯著（P＞0.05），B 模式林下土壤的全氮和全鉀含量均顯著高于其它模式，且有機質(zhì)和全磷含量在5 種模式中也為較高水平。因此綜合來看，B 模式林下土壤的養(yǎng)分狀況表現(xiàn)最好，即2年生刨花楠混交8年生杉木的種植模式能更好地改善土壤養(yǎng)分狀況。

表3 刨花楠不同種植模式上層土壤理化性質(zhì)?Table 3 Physicochemical properties of topsoil under different planting patterns

2.3 土壤分形維數(shù)和可蝕性與理化性質(zhì)的關(guān)系

各種植模式上層土壤的分形維數(shù)和可蝕性與理化性質(zhì)之間的相關(guān)性見表4。土壤分形維數(shù)與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與砂粒、全氮、全磷含量以及中值粒徑顯著負相關(guān)（P＜0.05）。土壤可蝕性大小與粉粒及全鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與砂粒含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。土壤分形維數(shù)和可蝕性大小均受到機械組成的影響，分形維數(shù)主要受到土壤砂粒和黏粒含量的影響，而可蝕性主要由土壤砂粒和粉粒含量決定。當土壤大顆粒（砂粒）含量越少、小顆粒（粉粒和黏粒）越多時，土壤的分形維數(shù)和可蝕性逐漸增大。因此，分形維數(shù)和可蝕性均能反映出土壤顆粒級配的狀況。分形維數(shù)與土壤的全氮和全磷含量均有顯著的相關(guān)性，而可蝕性與土壤全鉀含量極顯著相關(guān)，說明分形維數(shù)和可蝕性不僅能作為判斷土壤顆粒粗細的指標，同時還能反映土壤的養(yǎng)分狀況。

表4 相關(guān)性分析?Table 4 Correlation analysis

3 討論與結(jié)論

3.1 不同種植模式下的土壤養(yǎng)分狀況

種植模式會影響土壤養(yǎng)分狀況，已經(jīng)得到了學者的廣泛認可[29-30]。A、B 模式分別為2年生刨花楠純林和混交林，兩模式土壤的有機質(zhì)和全氮含量之間并無顯著差異，但前者土壤全磷含量更高，而后者土壤全鉀含量更高。磷元素能有效地促進植物的光合作用[31]，B 模式中8年生杉木已經(jīng)發(fā)育成熟，光合作用較2年生刨花楠幼苗更強，因此對土壤中磷元素的吸收作用更強，2年生刨花楠-8年生杉木混交林土壤中的磷元素顯著小于2年生刨花楠純林。植物在生長初期，由于根莖的發(fā)育，對鉀元素的吸收更加強烈[32]，因此2年生刨花楠純林土壤中的全鉀含量較低。刨花楠為速生樹種，但前5 a 的生長速度較慢[33]，2年生刨花楠可能對土壤養(yǎng)分的吸收并不強，所以2年生刨花楠純林和2年生刨花楠-8年生杉木混交林林下土壤的全氮、全磷和全鉀含量在5 種種植模式中均處于一個較高水平。

Dollinger 等[34]的研究結(jié)果表明，混交林相較于純林能更好地改善土壤養(yǎng)分。但本文的研究結(jié)果與其并不完全一致，8年生刨花楠純林的土壤養(yǎng)分狀況并不比8年生刨花楠混交林的養(yǎng)分狀況差。土壤中有機質(zhì)含量不僅受到林分類型的影響，還受到地被植物、枯落物分解速率等各方面的綜合影響，且相同條件下闊葉樹種的枯落物分解速率比針葉樹種的枯落物分解速率快[35-36]，8年生刨花楠純林枯落物中的有機質(zhì)能更快地回歸到土壤中，所以8年生刨花楠純林土壤的有機質(zhì)含量較其余種植模式大。C 和D 模式都為8年生刨花楠和杉木以及濕地松的混交林，但養(yǎng)分狀況并不優(yōu)良，表明刨花楠和杉木以及濕地松的混交林并不能改良土壤的養(yǎng)分狀況。康希睿等[37]對杉木混交林進行了研究，比較了不同混交模式下杉木林的土壤肥力，結(jié)果表明混交林有較高的物種豐富度，對土壤養(yǎng)分的需求量更大，因此造成了混交林土壤肥力低于純林的現(xiàn)象。

3.2 土壤分形維數(shù)及可蝕性對養(yǎng)分狀況的響應

土壤分形維數(shù)的大小會影響土壤中有機質(zhì)等營養(yǎng)元素的含量，學者普遍認為土壤分形維數(shù)是可以作為評價土壤養(yǎng)分狀況的一個重要指標。本研究結(jié)果表明，土壤分形維數(shù)與土壤中的全氮和全磷含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系，但與土壤中其他營養(yǎng)元素含量均未達到顯著相關(guān)性。杜仙雅等[38]、羅清虎等[39]和馬俊杰等[40]探究了不同環(huán)境下土壤分形維數(shù)的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，隨著土壤中有機質(zhì)等含量的增加，土壤的分形維數(shù)逐漸減小。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤分形維數(shù)與有機質(zhì)或者全氮等營養(yǎng)元素含量呈負相關(guān)關(guān)系。因為土壤分形維數(shù)越大，則土壤越緊實，土壤孔隙度越低，不利于營養(yǎng)元素在土壤中的運移以及分解。但是賈國梅等[41]、曲聰聰?shù)萚42]的研究結(jié)果與本文相反，土壤分形維數(shù)的大小與有機質(zhì)或者全氮等營養(yǎng)元素含量之間呈正相關(guān)關(guān)系。部分學者認為，土壤分形維數(shù)越大，土壤的細顆粒物越多，比表面積就越大，所以能夠吸附更多的營養(yǎng)元素在顆粒表面。根據(jù)毛旭芮等[43]的研究，土壤可蝕性與有機碳含量之間有著顯著的負相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)果并不一致。本文中，土壤的可蝕性整體較低，且各種植模式下土壤的可蝕性差異并不明顯，可能由于研究區(qū)內(nèi)翻耕等人為活動，土壤的自然結(jié)構(gòu)受到了影響，因此土壤的可蝕性與有機質(zhì)之間關(guān)系不顯著。土壤機械組成在一定程度上決定了土壤的養(yǎng)分狀況[44]，土壤可蝕性大小同樣受到機械組成的影響，通過對土壤可蝕性和養(yǎng)分狀況進行相關(guān)性分析得出，土壤可蝕性與土壤的全鉀含量之間存在顯著相關(guān)性。因此判斷土壤養(yǎng)分狀況時，不僅可以將土壤分形維數(shù)作為一個重要指標，土壤可蝕性也可以作為一個參考依據(jù)，用來判斷土壤的養(yǎng)分狀況。

3.3 不同種植模式下的土壤分形維數(shù)與可蝕性

土壤顆粒大小是影響土壤分形維數(shù)的主要因素之一[45-46]。以前眾多學者的研究結(jié)果表明，土壤分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈負相關(guān)關(guān)系，與土壤粉粒和黏粒含量則呈正相關(guān)關(guān)系[47-49]，進一步得出土壤分形維數(shù)與中值粒徑之間的關(guān)系為負相關(guān)。通過比較不同刨花楠種植模式下土壤的分形維數(shù)，發(fā)現(xiàn)土壤分形維數(shù)主要受到砂粒和黏粒含量的影響，分形維數(shù)越大，砂粒含量越少，黏粒含量越多，且中值粒徑越小。本文的研究結(jié)果表明，2年生刨花楠純林與混交林之間土壤的分形維數(shù)與可蝕性并無顯著的關(guān)系，而8年生刨花楠純林與混交林之間土壤的分形維數(shù)與可蝕性同樣差異不顯著。2年生刨花楠純林和2年生刨花楠-8年生杉木混交林林下土壤的分形維數(shù)顯著小于其它3 種模式，說明了隨著林齡的增長，土壤的砂粒含量減少，黏粒含量增多，從而土壤的分形維數(shù)會增大。

黃冠華等[26]的研究結(jié)果與本文的基本一致，土壤的機械組成決定了土壤可蝕性大小。在本試驗中，土壤可蝕性大小主要由粉粒和黏粒含量決定，隨著土壤粉粒含量的增加以及黏粒含量的減少，可蝕性逐漸增大。但在不同種植模式下的土壤可蝕性之間并無顯著的差異，所以種植模式對土壤可蝕性大小并無顯著的影響。

隨著林齡的不斷增大，植物地下根系會逐漸發(fā)達，土壤的顆粒組成和孔隙狀況隨之會受到影響，從而改變土壤的結(jié)構(gòu)特性[13]。因此，隨著植物的生長，土壤的分形維數(shù)和可蝕性會發(fā)生改變。應該對婺源生態(tài)林場土壤的分形維數(shù)和可蝕性進行常年追蹤，通過對多年生植被林下土壤的分形維數(shù)和可蝕性進行比較，研究不同種植模式下土壤的變化規(guī)律。

本研究對該林場的觀察研究時間較短，今后應對該林場所布置的樣地進行長期觀測，進一步探究種植年限對刨花楠不同種植模式下土壤的影響，以期為華東地區(qū)人工林栽培提供更加科學的參考。