青花椒種植對土壤顆粒組成及分形維數(shù)的影響

周于波，龔 偉，王景燕，唐海龍，趙昌平，黃 帥，林 梅

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/四川省林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室，成都 611130）

土壤是一種由形狀和大小各異的顆粒組成的多孔介質(zhì)，具有自相似性和分型特征[1]。分形理論作為研究不規(guī)則幾何形體的工具早已應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，L.M.Arya等[2]及D.L.Turcotte[3]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，但這些方法難以直接進行分形維數(shù)的計算?；诖?，楊培嶺等[4]將A.J.Katz等[5]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)，提出了土壤顆粒分形維數(shù)的計算模型。此后，土壤分形理論被廣泛應(yīng)用于評價土壤理化性質(zhì)的研究。近年來，分形理論在土壤學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在研究不同生境土壤理化性質(zhì)的變化過程等[6-9]及土壤顆粒[10-12]和團聚體[9，13]分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物特性的關(guān)系。

退耕還林工程自1999年開展以來，在水土流失治理等方面取得了巨大成功，但大量的坡耕地轉(zhuǎn)化為林地，嚴(yán)重限制了退耕區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展[14]。花椒是集香料、油料、食用調(diào)料及醫(yī)藥原料等用途于一身，且耐干旱，耐貧瘠，根系發(fā)達，固土能力強，是重要的水土保持經(jīng)濟樹種[15]。因此，花椒種植與坡地退耕結(jié)合起來，既能促進經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民增收致富，又能起到較好的水土保持作用。迄今為止，有關(guān)農(nóng)耕地退耕成花椒林后對土壤顆粒組成和分形維數(shù)影響變化方面的研究尚未見報道，這難以滿足當(dāng)前花椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要?；诖?，本文采用楊培嶺法對四川省廣安區(qū)恒升鎮(zhèn)退耕還林示范區(qū)的農(nóng)耕地、棄耕地和不同種植年限青花椒地的土壤顆粒組成及分形維數(shù)進行研究，同時探討土壤顆粒分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量的關(guān)系，以期為青花椒林土壤管理及退耕還林過程中經(jīng)濟林樹種選擇提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于四川省廣安區(qū)恒升鎮(zhèn)退耕還林示范區(qū)（106°47′E、30°42′N），海拔 600～800 m，坡度 12°～22°，地處四川東部，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年日均氣溫為17.5℃，最熱月均氣溫為27.1℃，最冷月均氣溫為3.7℃，極端低溫為-3.8℃，極端高溫為40.5℃，年均降水總量為1 200 mm。試驗地土壤為紫色土，退耕前農(nóng)耕地種植作物為玉米（Zeamays）和紅薯（Ipomoea batatas）。2～14a青花椒林分是2002、2007、2011和2014年春季坡地退耕后形成的，株行距為2 m×3 m，青花椒植株年施尿素330 g N/株、過磷酸鈣45 g P2O5/株、硫酸鉀180 g K2O/株；農(nóng)耕地年施尿素510 kg N/hm2、過磷酸鈣75 kg P2O5/hm2、硫酸鉀300 kg K2O/hm2。從3 a齡開始，每年采用“以采代剪”管理和采收后枝葉還地措施，除草和病蟲害防治按常規(guī)管理措施進行；棄耕地是2002年春季坡地退耕后形成的。退耕前（2002年春季）耕層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)（平均值）為：有機質(zhì) 12.0 g/kg、全氮 0.79 g/kg、全磷0.35 g/kg、全鉀 20.0 g/kg、堿解氮 53.4 mg/kg、有效磷33.7 mg/kg、速效鉀 74.0 mg/kg和 pH 7.14。

1.2 研究方法

本研究采用時空互代法[16-17]，在長期定點觀測研究的基礎(chǔ)上，選擇成土母質(zhì)相同、立地條件相似、地理位置相對集中且施肥情況相似的不同栽植年限的代表性青花椒林（2、5、9 和 14 a，分別以 QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9和QHJ-14表示）、棄耕地（QGD）和農(nóng)耕地（CK）中建立10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地各3個。于2016年10月上旬在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)采用蛇形5點取樣法采集0～20 cm土層混合樣品，帶回實驗室后，將每個樣品分為2份：一份于室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干后供土壤pH、土壤養(yǎng)分（有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀）測定；另一份新鮮土樣用于土壤自然含水量和微生物數(shù)量（細菌、真菌和放線菌）測定。同時，用環(huán)刀采集各土層原狀土壤樣品測定土壤水分物理性質(zhì)。

各指標(biāo)測定方法如下：土壤顆粒組成采用吸管法測定[18]；土壤水分物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測定[19]；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[20]；全氮采用半微量凱氏定氮法[21]；堿解氮采用堿解-擴散法[22]；有效磷采用HCl-H2SO4雙酸浸提法[23]；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[24]；微生物數(shù)量采用稀釋平板法[25]。土壤顆粒分形維數(shù)采用楊培嶺等[4]的模型計算。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，各變量間顯著性檢驗采用單因子方差分析（ANOVA）和鄧肯氏新復(fù)極差法（Duncan）進行分析，采用皮爾遜（Pearson）法進行各變量的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒組成

由表1可知，各處理 2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm、0.02～0.002 mm、＜0.002 mm 粒級百分含量分別為11.495%～13.072%，28.094%～30.231%，13.319%～16.245%，21.909%～25.644%，18.544%～21.447%。與CK相比，青花椒林和棄耕地降低了砂粒（2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm）顆粒含量，增加了粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）顆粒含量，且隨青花椒種植年限的增加，砂粒（2～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.02 mm）的含量逐漸減少，而粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）含量則逐漸增加。當(dāng)青花椒的種植年限達到14 a（QHJ14）時，除0.25～0.05 mm外各粒級含量均與CK差異顯著。與QGD相比，砂粒含量QGD高于QHJ-14，而粉粒和黏粒含量QGD低于QHJ-14。說明坡耕地退耕成青花椒和棄耕均可降低土壤中砂粒含量、增加粉粒和黏粒含量，且青花椒林的影響作用大于棄耕地。

2.2 土壤顆粒分形維數(shù)

各處理＜0.02 mm與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)均呈現(xiàn)出 CK＜QHJ-2＜QHJ-5＜QHJ-9＜QHJ-14（表 1）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14 和QGD與CK相比，分形維數(shù)分別增加1.4%、4.7%、6.9%、8.7%和5.1%，除QHJ-2外其他處理均與CK差異顯著；＜0.02 mm與＞0.02 mm粒級含量的比值分別增加了4.1%、17.2%、25.0%、31.0%和18.3%，除QHJ-2外其他處理均與CK差異顯著。QHJ-14土壤中＜0.02 mm與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)都高于QGD，但僅兩者間的土壤中＜0.02 mm與＞0.02 mm粒級含量比值差異顯著，而兩者間的分形維數(shù)差異不顯著。說明坡耕地青花椒種植和棄耕均可改善土壤顆粒組成和增加分形維數(shù)。

2.3 土壤物理性質(zhì)

農(nóng)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗷ń妨趾蜅壐睾?，土壤容重降低，而孔隙度、通氣度和持水量增加（?）。青花椒林和棄耕地與CK相比，土壤容重降低0.8%～4.7%，非毛管孔隙增加0.3%～1.0%，毛管孔隙增加1.4%～6.1%，總孔隙增加1.6%～7.1%，通氣度增加0.6%～2.3%，自然含水量增加0.78%～3.4%，最大持水量增加1.4%～6.4%，毛管持水量增加1.1%～5.5%，最小持水量增加1.0%～5.8%。其中土壤容重各處理與CK差異不顯著；非毛管孔隙、毛管孔隙、總孔隙、通氣度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量除QHJ-2、QHJ-5外，QHJ-9、QHJ-14、QGD 均與 CK 差異顯著；最小持水量除 QHJ-2 外，QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD與CK差異顯著。相同年限的青花椒林和棄耕地土壤物理性質(zhì)差異不顯著。說明坡耕地青花椒種植和棄耕對土壤物理性質(zhì)均具有較好的改善作用。

表1 不同處理土壤顆粒組成及分形維數(shù)Table1 Composition and fractal dimension of soil particles in different treatments

表2 不同處理土壤物理性質(zhì)Table2 Soil physical properties in different treatments

2.4 土壤養(yǎng)分含量

農(nóng)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗷ń妨趾蜅壐睾螅寥鲤B(yǎng)分含量增加（表 3）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD與CK相比，土壤有機質(zhì)含量分別增加6.7%、16.8%、27.0%、48.0%、32.0%，除 QHJ-2外其他處理與CK均差異顯著；全氮含量分別增加4.5%、12.9%、21.4%、39.4%、25.4%，除QHJ-2外其他處理與CK均差異顯著；堿解氮含量分別增加21.7%、62.3%、114.4%、194.9%、126.4%，各處理均與CK差異顯著；有效磷含量除了QGD減少了18.4%外，其他處理 QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14 分別增加了9%、24.7%、51.5%、88.6%；速效鉀含量除了QGD減少了 9.2%外，其他處理QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14分別增加了7.1%、24.8%、56.7%、97.6%。QHJ-14土壤中有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均顯著高于QGD。說明坡耕地種植青花椒和棄耕均可提高土壤中養(yǎng)分含量（棄耕地有效磷和速效鉀除外），且土壤養(yǎng)分含量隨青花椒種植年限的延長而增加。

2.5 土壤微生物數(shù)量

農(nóng)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗷ń妨趾蜅壐睾螅寥牢⑸飻?shù)量增加（表 3）。QHJ-2、QHJ-5、QHJ-9、QHJ-14、QGD與CK相比，細菌數(shù)量分別增加30.4%、95.3%、188.9%、260.4%和213.7%，各處理與CK間均差異顯著；真菌數(shù)量分別增加26.7%、73.3%、146.7%、193.3%、173.3%，各處理與CK間均差異顯著；放線菌數(shù)量分別增加 14.5%、43.7%、77.8%、102.1%、59.4%，各處理間除QHJ-2外均與CK差異顯著；總微生物數(shù)分別增加32.5%、95.7%、186%、254.8%、207.3%，各處理與CK間均差異顯著。QHJ-14土壤中微生物數(shù)量均顯著高于QGD。說明坡耕地種植青花椒和棄耕均可增加土壤中微生物數(shù)量，且土壤微生物數(shù)量隨青花椒種植年限的延長而增加。

表3 不同處理土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量Table3 Soil nutrient contents and microbe number in different treatments

2.6 相關(guān)性分析

由表4可知，土壤顆粒分形維數(shù)和＜0.02 mm粒級含量與＞0.02 mm粒級含量和比值（＜0.02 mm/＞0.02 mm）均與非毛管孔隙、毛管孔隙、總孔隙、通氣度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、細菌、真菌、放線菌和總微生物量呈顯著或極顯著正相關(guān)，而與土壤容重呈顯著或極顯著負相關(guān)。說明土壤顆粒分形維數(shù)和＜0.02 mm粒級含量與＞0.02 mm粒級含量比值（＜0.02 mm/＞0.02 mm）對土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量具有較好的相關(guān)性，能較好地表征土壤肥力變化。

3 討論

土壤顆粒是土壤結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)單元，不同粒級的土壤顆粒含量組合構(gòu)成不同的土壤質(zhì)地類型，進而影響土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)過程[26]。前人的研究表明[27-28]，土壤質(zhì)地越粗，越難形成良好的土壤結(jié)構(gòu)；而質(zhì)地越細，土壤中的微小孔隙度越多，形成的土壤結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，分形維數(shù)也就越高。影響土壤質(zhì)地的因素有很多，如成土母質(zhì)、土地利用方式、耕作及管理方式、氣候條件、植被覆蓋情況以及人為因素等[29]。退耕還林等植被恢復(fù)措施有助于土壤黏粒含量的增加，如華瑞等[10]通過對不同退耕年限林草地土壤顆粒分形特征研究表明，由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸睾?，砂粒的含量減少，黏粒的含量增加，且黏粒含量和分形維數(shù)隨退耕年限的延長逐漸增加；王景燕等[28]通過對川南坡地退耕形成的慈竹林、雜交竹林、棄耕地等的土壤顆粒分形特征研究表明，退耕后土壤黏粒含量、顆粒分形維數(shù)都較農(nóng)耕地有所增加。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，不同種植年限的青花椒種植地和棄耕地與坡耕地對照相比，減少了砂粒含量，提高了土壤顆粒組成中粉粒和黏粒含量、＜0.02 mm粒級含量與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)，且粉粒和黏粒含量及＜0.02 mm粒級含量與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)隨青花椒種植年限的延長而增加，進一步說明了坡地退耕有利于土壤黏化、土壤顆粒組成的改善和分形維數(shù)的增加。

表4 分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量的相關(guān)關(guān)系Table4 The correlation of fractal dimension with soil physical properties，nutrient contents and microbe number

土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量等都是影響土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤物理性質(zhì)可以調(diào)節(jié)土壤中水分和熱量容量[30]；土壤養(yǎng)分含量則可以直接表征土壤的肥力狀況[31]；土壤微生物是土壤肥力中最活躍的影響因子，幾乎與所有的土壤過程都有直接或間接的關(guān)系[32]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量均呈顯著或極顯著相關(guān)，這與多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相同[33-36]，即分形維數(shù)可表征土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量變化，可用于土壤肥力狀況評價。董莉麗等[37]對陜西省吳起縣和禮泉縣退耕還林區(qū)土壤顆粒分形特征進行研究，結(jié)果表明顆粒分形維數(shù)荒地＞人工林地＞農(nóng)地。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，14 a青花椒種植地的土壤黏粒含量和分形維數(shù)高于相同退耕年限的棄耕地。這可能與本研究中青花椒冠幅較大、枝葉密集、根系發(fā)達，以及每年夏季采摘果實時通過修枝整形使大量枝葉回歸林地覆蓋地表，其避免降雨直接對土壤表面的擊濺和沖刷、減少土壤顆粒特別是黏粒的流失和促進土壤黏化的效果應(yīng)該比棄耕地更好，進而表現(xiàn)出相同年限的青花椒林土壤顆粒分形維數(shù)比棄耕地高的情況。本研究中，雖然14 a青花椒林與棄耕地相比土壤物理性質(zhì)改善作用不顯著，但前者的土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量均顯著高于后者，這可能也與青花椒林果實采后大量枝葉還地為微生物提供大量的碳源物質(zhì)促進微生物生長及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有關(guān)；棄耕地土壤中有效磷和速效鉀含量低于農(nóng)耕地，而14 a青花椒地土壤中有效磷和速效鉀含量顯著高于農(nóng)耕地，這主要與青花椒林長期施氮磷鉀肥料而坡耕地棄耕地后處于自然狀態(tài)沒有施用化學(xué)肥料有關(guān)。

4 結(jié)論

農(nóng)耕地退耕為青花椒林和棄耕地后，土壤容重降低，黏粒和養(yǎng)分（棄耕地有效磷、速效鉀除外）含量、孔隙度、持水量、微生物數(shù)量、＜0.02 mm粒級與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)增加；隨著青花椒種植年限的延長，土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量、＜0.02 mm粒級與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)均逐漸增加，土壤物理性質(zhì)逐漸改善。土壤＜0.02 mm粒級與＞0.02 mm粒級含量的比值和分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量均顯著相關(guān)，兩者可作為土壤肥力變化的評價指標(biāo)。因此，坡耕地退耕為青花椒林對改善土壤顆粒組成和培肥改土具有重要作用。