贝壳堤岛3种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征

夏江宝，张淑勇，王荣荣，赵艳云，孙景宽，刘京涛，刘 庆

(1. 滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 滨州 256603；2. 山东省黄河三角洲野生植物资源开发利用工程技术研究中心， 滨州 256603； 3. 山东农业大学林学院， 泰安 271018)

贝壳堤岛3种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征

夏江宝1,2，张淑勇1,3，*，王荣荣1,3，赵艳云1，孙景宽1，刘京涛1，刘 庆1

(1. 滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 滨州 256603；2. 山东省黄河三角洲野生植物资源开发利用工程技术研究中心， 滨州 256603； 3. 山东农业大学林学院， 泰安 271018)

运用土壤粒径质量分布原理与分形学理论，以黄河三角洲贝壳堤岛的3种植被类型为研究对象，以裸地为对照，测定分析土壤颗粒分形维数、粒径组成和水分物理参数，探讨不同植被类型的土壤颗粒分形特征及其影响因素。结果表明：贝壳砂土壤中粗砂粒含量最高；其次是细砂粒，而石砾和粉粘粒含量较低。灌木林地和草地具有降低石砾、粗砂粒，增加细砂粒和粉粘粒含量的作用。不同植被类型土壤颗粒分形维数均值在1.5845—1.9157之间，大小依次为酸枣林、杠柳林和草地，表层高于20—40cm土层。酸枣林、杠柳林及草地0—40cm土壤容重均值分别比裸地低23.87%，14.51%和10.47%；总孔隙度均值分别比裸地增加16.96%，16.71%和1.31%。植被恢复措施对贝壳砂表层的孔隙结构、疏松程度改善较好，草地及灌木林地的蓄水性能均表现为0—20cm高于20—40cm。土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量、毛管孔隙度、总孔隙度、饱和蓄水量、吸持蓄水量等呈极显著正相关，与细砂粒含量呈显著正相关，与粗砂粒含量和容重呈极显著负相关，与石砾含量、非毛管孔隙度、滞留蓄水量的相关性不大。从土壤分形维数及其水分生态特征来看，贝壳堤岛3种植被类型的改良土壤物理性质及蓄水保土功能表现为灌木林好于草地，其中酸枣林好于杠柳林，0—20cm好于20—40cm土层。

分形维数；土壤粒径分布；土壤水分；植被类型；贝壳堤岛

土壤颗粒分形特征不但表征土壤粒径的大小组成及孔隙分布[1- 2]，还能反映土壤水力学特征[3]、土壤质地均匀程度及通气透水性[4- 5]及土壤肥力[6]等特性。利用粒径的重量分布描述土壤颗粒组成的分形维数具有求解精确、简便的特点[7- 9]，因此，这一方法得到广泛应用。目前对土壤颗粒分形特征的研究已有传统的分形维数与不同土壤质地关系的分析[8- 9]集中到某一具体立地类型、同种土壤质地下的不同土地利用方式或植被恢复措施效益分析及土壤质量评价等方面，如用土壤颗粒分形特征反映科尔沁沙地农田沙漠化演变过程[10]、库布齐沙漠沙柳沙障构建方式优劣[11]、沂蒙山区的植被恢复效果[12]、土石山区林地土壤质量评价[5,13]、黄河三角洲滩地[6]及黄土丘陵沟壑区[14]土地利用类型比较、退耕还湖安庆沿江湿地土壤演变状况[15]等，同时也从单一的土壤颗粒分形向不同土壤类型的多重分形维数转变[14,16- 19]。

贝壳堤是淤泥质或粉砂质海岸所特有的一种滩脊类型，黄河三角洲的滨州市无棣、沾化县境内分布着两道贝壳堤，与天津、河北的贝壳堤相连，组成规模宏大、国内独有的贝壳滩脊海岸，与美国圣路易斯安娜州和南美苏里南的贝壳堤并称为世界三大古贝壳堤，在世界第四纪地质和海岸地貌研究中占有极其重要的位置[20]。贝壳堤岛这一独特的生态系统，引起了众多学者的关注，目前对黄河三角洲贝壳堤岛的研究主要集中在贝壳堤岛脆弱生态系统特征及其保护管理对策[20- 21]、植被及微生物分布特征[22]、典型灌草生理生态特征[23- 24]及贝壳沙中微量元素含量和形态特征[25]等方面，而对该区域主要灌草植被恢复措施下的贝壳砂土壤颗粒分形特征及其影响因素的分析尚未见报道。鉴于此，本文以黄河三角洲贝壳堤岛的杠柳(PeriplocasepiumBunge)林、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosaHu)林及砂引草(MesserschmidiasibiricaLinn.)草地3种植被类型为研究对象，并以裸地为对照，运用土壤单重分形学原理与方法，测定分析贝壳堤岛不同植被类型的土壤颗粒分形维数、颗粒组成、容重、孔隙度及蓄水性能等指标，探讨不同植被类型对土壤物理结构的改良作用，阐明贝壳砂植被恢复措施下的土壤颗粒分形特征及其影响因素，以其为贝壳砂生境下的土壤颗粒分形学机制奠定基础，为黄河三角洲贝壳堤岛灌草种类选择及模式构建提供理论依据和技术参考。

1 研究地概况

图1 贝壳堤岛不同植被类型的土壤采样点示意图Fig.1 Schematic map of sampling sites of soil under different vegetation types in Shell Island

本研究选择在山东滨州市无棣县中东部滨海低地的汪子岛(38°02′51″—38°21′06″N，117°46′58″—118°05′43″E)，总面积约435.4km2，位于滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区的缓冲区内(图1)。该保护区属于暖温带东亚季风大陆性半湿润气候区，多年平均降水量为550mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的71%以上；多年平均蒸发量为2430.6 mm，蒸降比为4.4。多年平均气温为12.36℃，极端最低气温为-25.3℃，极端最高气温为37.5℃；多年平均日照2849 h/a，平均无霜期205d。贝壳堤岛地势平坦，海拔一般在5m以下，潜水水位浅，矿化度高。贝壳砂平均厚度达1.0—2.5m，局部达3—4m，土壤类别主要是贝壳砂土类和滨海盐土类，向海侧和向陆侧以滨海盐渍土为主，成土母质由风积物和钙质贝壳土壤化组成。植被类型以草本、灌木为主，现有树种较少，受自然因素和平岛挖砂等人类活动的影响，贝壳堤岛植被主要种如杠柳、酸枣、柽柳(TamarixchinensisLour)等形成的天然次生灌木林在逐步减少，草本以砂引草、獐毛(Aeluropussinessis(Debeaux)Tzvel)、二色补血草(Limoniumbicolor(Bunge) O.Ktunze)等为主。

2 研究材料与方法

2.1 研究样地

在贝壳堤岛灌草植被集中分布的滩脊地带，选择生境条件一致的酸枣、杠柳天然次生灌木林，及以砂引草为主的草地为试验样地，并以相同地段的贝壳砂裸地作为对照。酸枣林平均树高1.65m，平均基茎1.38cm，林分郁闭度0.85，覆盖度90%，树龄平均为8a生，林下草本以青蒿(ArtemisiacarvifoliaBuch.)、地肤 (Kochiascoparia(Linn.)Schrad) 、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)为主。杠柳林平均树高1.36m，平均基茎1.21cm，林分郁闭度0.75，覆盖度85%，树龄平均为6a生，林下草本以狗尾草(Setariaviridis(Linn.)Beauv.)、鹅绒藤(Cynanchumchinense(Thunb.)Mak.)为主。砂引草为多年生草本，主要借根状茎的延伸进行无性繁殖，水分适宜时，也能用正常的种子繁殖，株高平均为0.38m，覆盖度65%，伴生种有青蒿和地肤。

2.2 土壤样品的采集与测定

在每种植被类型内设置3个面积为10m×10m的样地，在每个样地内按S形选取5个测点，取0—20cm以及20—40cm土层的土壤样品，把同一样地5个土壤样品分层混匀后，进行风干处理。烘干法测定土壤含水量，环刀浸水法测定土壤容重和孔隙度等参数[26]，并由公式计算一定土层深度内的吸持蓄水量、滞留蓄水量和饱和蓄水量[27]，本研究按0.2 m深度计算。样品风干处理后，采用机械筛分法与比重计法测定土壤粒径质量分布，粒径分级标准依据中国制和参照文献[12]。基于Turcotte[28]和Sperry[29]等土壤颗粒分形维数计算公式，利用Tyler等[3]和杨培岭等[7]推导出的新模型公式，土壤颗粒分形维数计算公式可表示如下：

(1)

式中,D为土壤颗粒分形维数；di为两相邻粒级di与di+1间土粒平均直径(mm)；dmax为最大粒级土粒平均直径(mm)；Wi为直径小于di的累积质量(g)；W0为土壤样品总质量(g)。具体应用时，首先求出土壤样品不同粒径di的lg(di/dmax)和lg(Wi/W0)值，并将两者进行线性拟合分析求得斜率K，则土壤分形维数为D=3-K。具体的土壤粒径计算原理及推导过程详见文献[8,11]。采用SPSS13.0统计软件中的one-way ANOVA、LSD(α=0.05， 0.01和0.001)和Peareson相关分析方法分别进行方差分析、多重比较和相关性分析。

3 结果与分析

3.1 土壤颗粒组成与分形维数

3.1.1 不同植被类型的土壤颗粒组成

由表1可知，贝壳砂土壤中，粗砂粒含量最高，在50.15%—72.30%之间，平均为61.31%；其次为细砂粒，含量在8.65%—32.65%之间，平均为19.97%；而石砾和粉粘粒含量相对较低，石砾含量在12.65%—20.13%之间，平均为17.33%；粉粘粒含量在0.25%—4.92%之间，平均仅为1.39%。表明贝壳砂生境内粗砂粒、细砂粒含量显著高于石砾、粉粘粒，具有壤质砂土特点，属于多砾质粗砂土的范畴[8]。不同植被类型土壤粒径的质量分布差异极显著(F=380.449，Sig.=0.000，Plt;0.001)，3种植被类型0—40cm贝壳砂土壤剖面中石砾含量差异极显著(F=12.234，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次为草地lt;杠柳林lt;酸枣林lt;裸地，分别比裸地低20.43%、16.87%和3.98%。粗砂粒含量差异极显著(F=11.205，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次为酸枣林lt;杠柳林lt;草地lt;裸地，分别比裸地低15.85%、11.78%和2.76%。细砂粒含量差异极显著(F=8.740，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次为杠柳林gt;酸枣林gt;草地gt;裸地，分别比裸地高71.37%、62.10%和38.33%。粉粘粒含量差异极显著(F=14.727，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小依次为酸枣林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地，分别是裸地的8.26、4.08和2.18倍。表明灌木林地和草地具有减小石砾和粗砂粒含量，增加细砂粒和粉粘粒含量的作用，即植被恢复措施，具有使贝壳砂由粗粒径向细粒径转变的效能。在垂直结构上，不同植被类型不同颗粒分布表现出一定的差异，占主要成分的粗砂粒均表层低于20—40cm，细砂粒除草地差异不显著外(Pgt;0.05)，其他均表现为表层高于20—40cm。占百分比最少的粉粘粒含量均表现为表层高于20—40cm，石砾含量除杠柳林外，其他均表现为表层高于20—40cm。

表1 各植被类型土壤中不同粒径范围土壤颗粒质量与总质量百分比

3.1.2 土壤颗粒分形维数与土壤粒级分布的关系

3种植被类型及裸地0—40cm土壤颗粒分形维数差异极显著(F=24.70，Sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小表现为酸枣林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地(图2)，与裸地相比，分别增加36.52%，23.67%，12.92%。在垂直结构上，土壤颗粒分形维数均表现为表层高于20—40cm土层，差异均极显著(Plt;0.001)。不同土壤层次颗粒分形维数大小均表现为酸枣林gt;杠柳林gt;草地gt;裸地，0—20cm分形维数分别比裸地高48.39%、32.75%和15.69%；20—40cm分形维数分别比裸地高23.96%、14.07%和9.98%。表明不同的植被恢复措施对贝壳砂土壤分形维数影响较大，并且随着贝壳砂深度的不同，其分形维数也表现出较大差异。

土壤颗粒分形维数对各个粒级土粒含量的反映程度不同，为确定分形维数与各粒级含量的关系，对分形维数与石砾、粗砂粒、细砂粒和粉粘粒的含量进行相关性分析(图3)。土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量呈极显著正相关(相关系数r=0.940，Plt;0.01)，与细砂粒呈显著正相关(r=0.771，Plt;0.05)，与粗砂粒含量呈极显著负相关(r=-0.947，Plt;0.01)，与石砾含量的相关性不显著(r=0.417，Pgt;0.05)。可见，贝壳砂生境下，土壤颗粒分形维数随粉粘粒以及细砂粒含量的增加而增加，随粗砂粒含量的增加而减少，其中，对土壤颗粒分形维数影响程度较大的是粗砂粒和粉粘粒含量，其次是细砂粒含量，石砾含量较小。

图2 不同植被类型下的土壤颗粒分形维数Fig.2 Soil particle fractal dimension in different vegetation types

图3 土壤颗粒分形维数与粒径组成的相关性Fig.3 Relationships between soil fractal dimension and soil particle content

3.2 土壤颗粒分形维数与土壤容重和孔隙度

各植被类型下的土壤容重均低于裸地(表2)，差异显著(F=17.212，sig.=0.001，Plt;0.05)，其中0—40cm土壤容重均值酸枣林、杠柳林、草地，分别比裸地低23.87%，14.51%和10.47%。总孔隙度差异显著(F=9.607，sig.=0.005，Plt;0.05)，均值大小为酸枣林gt;杠柳林gt;草地，分别比裸地高16.96%，16.71%和1.31%，表明酸枣林的通气透水性能较好，其次为杠柳林，草地较差。酸枣林和杠柳林的毛管孔隙度均值较高，差异不显著(Pgt;0.05)，草地的毛管孔隙度与裸地接近，表明酸枣林和杠柳林土壤中有效水的贮存容量较大，利于植被根系对水分的有效利用，而草地在维持自身生长发育所贮存水分的潜能相对较低。非毛管孔隙度均值最大的为杠柳林，比裸地增加74.17%，涵养水源潜能相对较好；而酸枣林和草地差异不显著(Pgt;0.05)，仅比裸地增加22.50%，12.71%。在垂直结构上，土壤容重表现为表层低于20—40cm土层，总孔隙度和毛管孔隙度则与之相反。

表2 不同植被类型的土壤容重和孔隙度特征

图4 土壤颗粒分形维数与土壤容重和孔隙度的相关性Fig.4 Relationships between soil fractal dimension and soil density and porosity

图5 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水量的相关性Fig.5 Relationships between soil fractal dimension and soil water-storage capacity

由图4可知，土壤颗粒分形维数与土壤容重呈极显著负相关(r=-0.928，Plt;0.01)，与毛管孔隙度、总孔隙度均呈极显著正相关(Plt;0.01)，相关系数分别为0.883，0.857，与非毛管孔隙度的相关性不显著(r=0.350，Pgt;0.05)。可见，土壤颗粒分形维数对土壤容重和孔隙度状况的反映程度不一样，其中反映程度最大的是土壤容重，其次是毛管孔隙度，总孔隙度次之。表明贝壳砂生境下土壤容重越小，总孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤颗粒分形维数越大，但土壤颗粒分形维数难以反映非毛管孔隙度的大小。

3.3 土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能

不同植被类型下土壤饱和蓄水量(F=9.628，sig.=0.006，Plt;0.05)、吸持蓄水量(F=7.606，sig.=0.010，Plt;0.05)差异均显著，均值大小均表现为酸枣林gt;杠柳林gt;草地(表3)，其中饱和蓄水量分别比裸地高16.94%、16.70%和1.30%，吸持蓄水量分别比裸地高16.63%，13.49%和0.66%。滞留蓄水量差异极显著(F=25.011，sig.=0.000，Plt;0.001)，均值大小表现为杠柳林gt;酸枣林gt;草地，分别是裸地的1.74、1.23和1.13倍，表明酸枣林供给植物有效水利用较好，杠柳林涵养水源潜能较好，草地贮存水分的能力较差。在垂直结构上，饱和蓄水量及吸持蓄水量均表现为土壤表层大于20—40cm。

表3 不同植被类型的土壤蓄水性能

土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量(r=0.855，Plt;0.01)、吸持蓄水量(r=0.881，Plt;0.01)均呈极显著正相关，与滞留蓄水量的相关性不明显(r=0.340，Pgt;0.05)(图5)。表明土壤颗粒分形维数对土壤蓄水指标的反映程度不一样，其中反映程度最大的是饱和蓄水量，其次是吸持蓄水量。即饱和蓄水量和吸持蓄水量越大，土壤颗粒分形维数越大，但土壤颗粒分形维数对滞留蓄水量的反映程度不高。

4 讨论与结论

4.1 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤颗粒组成的关系

土壤颗粒组成与分形维数，除了与成土母质、土壤质地、物理化学风化过程有关外[8- 9,30]，还与土地利用方式[6,14]、不同植被类型[5- 6,12]有一定关系。在相同地段、相同生境内，植被可通过地表覆盖、枯枝落叶层的拦截降雨、减弱风蚀、水蚀等过程，保存了地表层的细沙粒及粉粘粒含量；同时枯落物形成的腐殖质层及植物根系本身穿插、残体及分泌物均可有效改变土壤物理结构和化学性能，从而影响土壤的颗粒组成及分形维数[5- 6,12,16]。黄河三角洲贝壳堤岛滩脊地带的粗砂粒含量最高，其次为细砂粒，石砾和粉粘粒含量较低。研究表明，属于潮土类型的黄河三角洲滩地有林地粉粒含量最高，但棉花地和荒草地砂粒含量最高[6]；属于棕壤类型的冀北山地森林土壤中粗粉粒和沙粒含量显著高于细黏粒、细粉粒，混交林的细粒含量均高于纯林[13]。可见，贝壳砂生境内土壤主要来源于风化的贝壳，颗粒组成相对较粗，但灌木林地及草地具有降低贝壳砂石砾、粗砂砾，增加细砂粒和粉粘粒的作用，并且0—20cm土层表现明显，即植被措施具有较好的增加贝壳砂细颗粒含量的作用，并且灌木林地好于草地，这与其植被覆盖度高、生物量大，根系发达有一定关系。

土壤粒径大小及含量对土壤颗粒间的组合、孔隙大小、数量及几何形态都起着决定作用[3,9,19]。我国不同质地类型内土壤分形维数按砂土类-壤土类-粘壤土类-粘土类四大类质地顺序，依次增大，测量范围值在1.834—2.904之间，其中壤质砂土最低，范围值在1.834—2.641之间[8]。黄河三角洲滩地荒草地及有林地土壤颗粒分形维数在2.4657—2.6798之间[6]，山地森林土壤颗粒分形维数在2.0570—2.3739之间[13]，而贝壳砂土壤颗粒分形维数为1.3632—2.1416，明显低于壤土、粘壤土及粘土类，表层高于20—40cm土层，3种植被类型的分形维数大小依次为酸枣林、杠柳林、草地，均值为1.7452，接近壤质砂土的测量最低值1.834[8]，可见与山地森林或黄河滩地土壤相比，贝壳堤岛的土壤粗颗粒较多，分形维数偏低。但贝壳堤岛的灌木林及荒草地仍提高了相同生境下的分形维数，由裸地的1.4032增至酸枣林下的1.9157，增幅为36.52%，表明灌木林下贝壳砂变细，易形成良好的土壤结构，分形维数有增大趋势，0—20cm土层这种改善作用较为明显，酸枣林分形维数表层最高，这与其覆盖度最大，分解层枯枝落叶丰厚易增加表层土壤养分含量和粉粘粒含量有一定关系。同时树木根系的生长影响土壤的物理化学以及生物学性质，加快了土壤风化的速度及腐殖质的形成，有利于细砂粒物质的固定[5,12,16]。而草地覆盖度较低，枯落物储量低，细小颗粒易被风蚀掉，草本植物根系较浅且不发达，土壤易粗粒化，分形维数较低。在无植被覆盖的地方，因风蚀而引起细颗粒和营养物质被吹蚀，土壤有粗粒化变重趋势，粗砂粒含量最多，保水性能差，植被生长困难，易恶变为严重的退化沙化质地[10- 11]。

科尔沁沙地农田沙漠化演变过程中[10]，黄河三角洲滩地不同土地利用方式下[6]，山地典型森林植被下[5,13]的土壤颗粒分形维数与土壤中砂粒、粗粉粒含量呈显著负相关，而与粘粒、粉粒含量呈显著的正相关，这与本研究结果基本一致。贝壳砂土壤颗粒分形维数与粉粘粒含量呈极显著正相关，与细砂粒呈显著正相关，与粗砂粒含量呈显著负相关，但与大粒径石砾含量相关性不显著，与相关研究表明土壤质地由粗到细，分形维数由小到大的结论一致[3- 4,8- 9]，可见土壤颗粒分形维数在描述贝壳砂这一特殊土壤质地是可行的。土壤颗粒分形维数对各个粒级土粒含量的反映程度有一定差异，总体表现为土壤颗粒组成或团粒组成的分形维数是随着土壤质地变细而增大，随粗粒径砂粒含量的增加而变小，这一规律随土壤质地、土地利用方式或植被类型的不同略有差异，如冀北山地森林与黏粒含量相关性不显著[13]，重庆四面山林地土壤分形维数与粉粒含量的相关性不显著[5]，这可能与成土母质、土壤粒径分布范围、含量及质地均匀程度有关。

4.2 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤物理参数的关系

结构良好的土壤容重为1.25—1.35 g/cm3，水气关系协调的土壤总孔隙度为40%—50%。贝壳堤岛灌木林地及草地土壤容重在1.04—1.44 g/cm3，均低于裸地，总孔隙度为44.53%—56.66%，表明植被覆盖对贝壳砂土壤物理结构改善较好，灌木林地0—20cm总孔隙度达54.20%以上，土壤容重表层低于20—40cm土层，这与表层枯落物回归土壤及腐殖质层的形成有一定关系，较高的覆盖度，在一定程度上减弱了风蚀及降雨对土壤的冲刷淋蚀，且较多的残次根系使毛管孔隙度增大，在一定程度上改善了土壤通气状况[5,12]。裸地总孔隙度偏低，容重偏大，可能与泥质海岸上潮时携带的淤泥堆积有一定关系，而有植被覆盖的地方，除了植被本身的改良土壤效应外，向海侧的酸枣、杠柳及柽柳等冲浪林带能有效抵挡潮滩淤泥。

山地森林土壤分形维数与土壤容重呈正相关，与总孔隙度呈负相关关系[13]。一般而言，土壤分形维数越高，土壤质地越粘重，通透性越差；分形维数越低，土壤结构越松散[9]。但来源于风化未全的贝壳砂，土壤颗粒较粗，孔隙度较大，不利于贮存水分，因此，植被恢复措施下的贝壳砂生境则呈现与之相反的变化规律，土壤颗粒分形维数与土壤容重呈极显著负相关，与毛管孔隙度、总孔隙度呈极显著正相关，与非毛管孔隙度相关性不显著。即贝壳砂生境下，土壤孔隙度大、通气透水性能好，则分形维数也越高；而土壤变得密实，容重增大，则分形维数也越低；与山地森林表现规律不一致[13]，这主要与贝壳砂土壤中粗粒径含量相对较高、分形维数相对较低有一定关系，这也表明随着土壤颗粒组成、粒径大小及含量的不同，土壤颗粒分形维数与土壤的疏松程度、通气性能表现出一定的阈值效应。

4.3 贝壳砂土壤颗粒分形维数与土壤蓄水性能的关系

吸持蓄水量为毛管持水，主要用来贮存植物生理用水，滞留蓄水量为非毛管持水，多反映植被的涵养水源功能，饱和蓄水量为吸持贮存与滞留贮存的总和，可反映植被减少地表径流和防止土壤侵蚀的功能[26,31]。黄河三角洲滩地有林地0—40cm饱和蓄水量在82.69—102.85mm，吸持蓄水量在79.07—93.34mm，滞留蓄水量在2.02—9.51mm[31]；贝壳堤岛灌木林及草地0—40cm饱和蓄水量在89.06—113.32mm，吸持蓄水量在82.80—104.36mm，滞留蓄水量在4.56—8.96mm。可见，从保持水土、植物有效水利用及水源涵养的角度来看，贝壳堤岛滩脊地带好于黄河滩地，贝壳砂具有一定涵蓄水分的潜力，并且灌木林的蓄水性能好于草地。植被恢复措施对贝壳砂表层的孔隙结构、疏松程度改善较好，通气、透水性能比较协调，因此灌木林地及草地的蓄水性能均表现为0—20cm高于20—40cm，这与黄河滩地的白蜡林、刺槐林结果类似[31]。

土壤孔隙大小分布决定着土壤持水性能，土壤颗粒分形维数在一定程度上能够反映土壤的蓄水特性[5,13]。冀北山地森林土壤颗粒分形维数与最大持水量呈负相关，与田间持水量相关性不显著[13]；但重庆四面山林地下的土壤颗粒分形维数与饱和含水量、毛管持水量和田间持水量均呈正相关，与非毛管孔隙度呈负相关[5]，这与本研究结果类似，贝壳砂生境下土壤颗粒分形维数与饱和蓄水量、吸持蓄水量呈极显著正相关，而与滞留蓄水量相关性不大，表明土壤颗粒分形维数随着成土母质、植被类型的不同，对土壤蓄水性能的反映表现出一定的差异。分形维数高的土壤中细沙粒或粘粒含量相对较高，而粘粒含量高的土壤利于土壤团聚体的形成，可改善土壤通气、透水性能，增强土壤毛管孔隙度；同时单位土粒表面积越大，土壤对水分子的吸附力越大，土壤的持水性能易增强[5]。从土壤颗粒分形及其水分生态特征来看，贝壳堤岛3种植被类型的改良土壤物理性质及蓄水保土功能表现为灌木林好于草地，其中酸枣林好于杠柳林。

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WaterecologyandfractalcharacteristicsofsoilparticlesizedistributionofthreetypicalvegetationsinShellIsland

XIA Jiangbao1,2, ZHANG Shuyong1,3,*, WANG Rongrong1,3, ZHAO Yanyun1, SUN Jingkuan1，LIU Jingtao1, LIU Qing1

1BinzhouUniversity,ShandongProvincialKeyLaboratoryofEco-EnvironmentalScienceforYellowRiverDelta,Binzhou256603,China2ShandongProvincialEngineeringandTechnologyResearchCenterforWildPlantResourcesDevelopmentandApplicationofYellowRiverDelta,Binzhou256603,China3CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China

Little information is available about soil particle-size distribution in shell ridge ecosystems. Based on the principle of quality distribution of soil particle size and fractal theory,PeriplocasepiumBunge,Ziziphusjujubavar.spinosaHu andMesserschmidiasibiricaLinn. growing on Shell Island, located on the Yellow River Delta, were analyzed in contrast with bare soil to determine the fractal dimensions of soil particles, soil particle-size distribution and soil water physical characteristics, in order to explore the effects of different vegetation types on soil pore structure and hydrological physical characteristics, and the effect of fractal mechanisms of different vegetation types on soil particle composition in shell sand habitats. The results showed that: 1) In shell sand soil, the distribution of soil particles among three typical vegetations was as follows: coarse sand, fine sand, gravel and silt-clay. And the mean value of coarse, fine sand, gravel and silt-clay was 61.31%, 19.97%, 17.33%, 1.39%, respectively, indicating that grassland and shrub could decrease the particle content of gravel and coarse sand, and improve the content of soil fine sand and silt-clay, which performed well in 0—20cm soil layer. With the vegetation restoration measures, the mean value of fractal dimension of shell sand varied from 1.5845 to 1.9157. The sequence of fractal dimension was as follows:Z.jujubavar.spinosaHu,P.sepiumBunge and Grassland, and the surface soil layer was larger than that in 20—40cm soil layer. Fractal dimension had a very significant positive correlation with silt-clay (r=0.940，Plt;0.01), a significant positive correlation with fine sand (r=0.771，Plt;0.05), and a very significant negative correlation with coarse sand (r=-0.947，Plt;0.01), but the correlation with gravel was not obvious. 2) The mean value of soil density in 0—40cm ofZ.jujubavar.spinosaHu,P.sepiumBunge and Grassland were lower by 23.87%，14.51% and 10.47%, respectively, compared with bare land (1.48 g/cm3); the mean value of total porosity of soil increased by 16.96%,16.71%, 1.31%, respectively, compared with bare land (45.39%), and the degree of porosity in the surface soil layer was higher than that in 20—40cm soil layer. Fractal dimension had a very significant negative correlation with soil density, and a very significant positive correlation with capillary porosity and total porosity, but there was no significant correlation with non-capillary porosity. In shell sand habitats, the ventilation permeability was better with soil porosity decreasing, fractal dimension as well; but the higher soil-compacting degree, the bigger soil density, fractal dimension was lower. 3) Vegetation restoration measures could well improve pore structure of shell sand surface and the degree of porosity, as well as ventilation, pervious performance. Soil water storage capacity of grasslands and shrub land all performed better in 0—20cm than that in 20—40cm. Under shell sand habitats, fractal dimension had a very significant positive correlation with total water-storage capacity and capillary water-storage capacity, but the correlation with non-capillary water-storage capacity was not obvious. Judging from the fractal characteristics and soil hydrological physical characteristics, we concluded that the sequence of improving the capacity of soil physical properties and soil and water conservation of three typical vegetations in Shell Island was that shrub,was better than grassland, among which,Z.jujubavar.spinosaHu was better thanP.sepiumBunge, and soil layer in 0—20cm than that in 20—40cm.

fractal dimension; soil particle-size distribution; soil water; vegetation type; Shell Island

国家自然科学基金资助项目(31100468); 山东省高校科研发展计划资助项目(J13LC03); 国家科技支撑资助项目(2009BADB2B05); 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室开放基金资助项目(2012KFJJ04)

2012- 07- 14;

2012- 11- 19

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhsyong@126.com

10.5846/stxb201207140994

夏江宝,张淑勇,王荣荣,赵艳云,孙景宽,刘京涛,刘庆.贝壳堤岛3种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征.生态学报,2013,33(21):7013- 7022.

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