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土壤大孔隙是能优先传导土壤水和溶质的半径较大的孔隙[1],其空间有较高的自相似性和异质性,孔隙大量富集形成联通的孔隙通道,使土壤水和溶质避开基质土壤,快速运移到深层土壤补给地下水,产生大孔隙流[2-3]。大孔隙有重要的生态水文意义,其数量占孔隙度比例虽小,却传导90%土壤水分和溶质,同时在水循环和蓄水持水中起重要作用[4]。研究显示,用分形值表示土壤孔隙大小、颗粒含量占土壤空间的有效性[5],因而引入分形理论以描述土壤非均匀结构特征[6]。
连通性强的孔隙可调控壤中流过程,是森林涵养水源和调节水文功能的重要方式[7],Soto-Gómez D[8]研究表明,土地有机管理模式下土壤大孔隙连通性较好,而李荣磊等[9]研究发现,土壤中由细小孔隙构成的复杂孔径会阻止Cl-的运移,Yu F[10]、Meng C[11]等使用CT扫描技术结合原位染色方法,获取土柱孔隙三维结构,定量描述土壤孔隙数量和形态特征表明,不同绿洲农地和不同森林群落土壤孔隙特性有显著差异,相较于单一林分,群落结构越复杂,土壤结构对水、溶质和空气的运输越高效。对大孔隙的研究还集中于其入渗性能,王金悦[12]等通过土壤水分特征研究孔隙特征和入渗性能,Zhang Y[13]等森林群落内植物根系对优先路径的影响。土壤分形特征反映了孔隙状况[14]和结构的稳定性[15-16],Fei Qi[17]等研究表明相比土壤颗粒细化,土壤质量提高,促进土壤形成良好的结构。对土壤颗粒和团聚体分形研究可知,土壤中的细颗粒结构对维持土壤良好结构和有机无机胶结过程起主要作用[18],土壤分形特征与土壤颗粒大小和含量密切相关。
土壤理化特性和有效养分是群落演替的前提[19],土壤水分[20]和微生物群落[21-22]是群落演替的重要因素,由水热条件和微生物群落引起的区域内不同地带群落结构呈现出:演替顶级的群落生物量明显高于演替初期。土壤的通气性、透水性和保水性与孔隙状况有直接的关系,进而会影响土壤结构和群落的演替,森林群落演替进程中也伴随着土壤孔隙结构的改善[23],提高了土壤孔隙通透性和入渗性能,增强土壤持水性[24],但关于我国中亚热带区不同演替阶段森林群落土壤分形结构对大孔隙特征的影响方面的研究鲜有报道[25],相关研究亟待开展。鉴于此,以云南中部典型的中亚热带山地覆盖度较高的演替初期云南松林(Pinus yunnanensis Franch. PF)、演替中期云南松阔叶树混交林(Pinus yunnanensis-broadleaved mixed forest PMF)和演替顶级的常绿阔叶林(Evergreen-broadleaved forest EF)为对象,研究不同演替森林群落的土壤大孔隙特征及对土壤分形结构的响应关系,以期为揭示森林生态系统调节水文过程和涵养水源生态服务功能等提供科学依据。
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研究地设于云南省玉溪市新平县磨盘山的国家林业和草原局云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站(23°46′18″~23°54′34″ N,101°16′06″~101°16′13″ E)内,地处云贵高原、横断山脉和青藏高原交接处的低纬度地区,具有典型的山地气候特征,海拔1260.0~1 614.4 m,是云南亚热带北部气候与亚热带南部气候过度区。干湿季分明,降雨集中在5—10月,年降水量为1 050 mm,年均气温为15.0 ℃,5月会出现极高温33.0 ℃,12月有极端低温为−2.2 ℃。土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主,高海拔地区有黄棕壤分布。区域内的植被类型随海拔的变化有较为明显的垂直分布特征,植被覆盖率达86%。本研究以区域内演替初期的云南松林、演替中期的云南松阔叶树混交林和演替顶级的常绿阔叶林 为对象,样地基本概况见表1。
森林群落
Forest community立地因子
Site factor林分特征
Stand characteristics枯落物
Litter土壤特征
Soil characteristics优势树种
Dominant tree
species海拔
Elevation/m坡向
Aspect坡度Slope/° 起源
Origin林下覆
盖度
Understory
coverage/%地被物
覆盖度
Coverage of
ground cover/%厚度
Depth/
cm类型
Type密度
Volumetric
weight/
(g·cm−3)pH 有机质
organic matter/
(g·kg−1)云南松林
Pinus yunnanensis forest2054.6 西北 8 天然林 50 70 3 棕黄壤 1.296 5.72 26.72 云南松
(Pinus yunnanensis Franch)
金星蕨
(Thelypteridaceae)云南松阔叶树混交林
Pinus yunnanensis-broadleaved mixed forest2157.72 西南 11 天然林 90 85 8 棕黄壤 1.301 5.46 45.53 云南松
(Pinus yunnanensis Franch)、
元江栲
(Castanopsis orthacantha Franch)等常绿阔叶林
Evergreen-broadleaved forest2430 西南 12 天然林 80 95 6 棕黄壤 1.284 5.44 53.66 高山栲
(Castanopsis delavayi Franch)、
滇青冈
(Cyclobalanopsis glaucoides Schotky)等Table 1. Overview of sample areas
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据图像获取的土壤孔隙数量特征(表2)。土层越深,孔隙数量越少;同一水平剖面,孔隙半径越大,孔隙数量减少,但局部土层和孔径范围内有所差异。云南松林10~20 cm孔隙半径为2.5 < r ≤ 5 mm的孔隙数量最多,常绿阔叶林30~40 cm土层5 < r ≤ 10 mm孔隙数量高于2.5 < r ≤ 5 mm。3种不同演替的森林群落,土壤总孔隙度随土层加深减小,0~30 cm土壤总孔隙大小变化:云南松阔叶树混交林>常绿阔叶林>云南松林,在30~50 cm总孔隙度的变化规律:常绿阔叶林>云南松阔叶树混交林>云南松林。
森林类型
Forest type土层深度
Soil depth/cm孔隙半径
Pore width/mm总孔隙度
Total porosity/%r ≤ 1 1 < r ≤ 2.5 2.5 < r ≤ 5 5 < r ≤ 10 r > 10 云南松林
Pinus yunnanensis forest
(PF)0~10 2722 ± 35.36 Ba 1454 ± 36.06 Ca 309 ± 34.65 Cd 159 ± 26.16 Bc 105 ± 6.36 Bc 61.75 Ca 10~20 1092 ± 36.77 Bb 961 ± 42.43 Bb 2564 ± 48.08 Aa 420 ± 15.56 Aa 267 ± 14.14 Aa 54.19 Cb 20~30 928 ± 48.08 Bc 64 ± 30.41 Ce 960 ± 47.38 Ab 196 ± 16.97 Ab 202 ± 13.44 Ab 52.55 Bc 30~40 634 ± 29.70 Bd 101 ± 4.24 Cd 623 ± 43.13 Ac 191 ± 21.92 Ab 124 ± 12.02 Ac 50.93 Bd 40~50 248 ± 15.56 Be 246 ± 9.90 Bc 269 ± 40.31 Ae 145 ± 33.23 Ad 44 ± 28.99 Ad 48.80 Be 云南松阔叶树混交林
Pinus yunnanensis-broadleaved mixed forest
(PMF)0~10 1363 ± 26.87 Cb 1137 ± 49.50 Ba 331 ± 21.92 Ba 316 ± 11.31 Aa 259 ± 25.46 Aa 71.63 Aa 10~20 1633 ± 61.52 Aa 962 ± 80.61 Ab 322 ± 81.32 Ca 138 ± 37.48 Cc 130 ± 47.38 Bc 64.04 Ab 20~30 1064 ± 7.07 Ac 779 ± 36.06 Ac 259 ± 66.47 Bb 207 ± 70.71 Ab 171 ± 50.20 Bb 53.46 Ac 30~40 748 ± 50.91 Cd 594 ± 44.55 Ad 155 ± 26.16 Bc 215 ± 4.24 Bc 166 ± 28.28 Ad 48.52 Cd 40~50 450 ± 12.73 Ae 350 ± 41.01 Ae 111 ± 12.73 Bd 74 ± 6.36 Bd 60 ± 19.09 Be 43.77 Ce 常绿阔叶林
Evergreen-broadleaved forest (EF)0~10 2223 ± 36.77 Aa 1092 ± 26.87 Aa 465 ± 23.33 Aa 241 ± 28.99 Ca 199 ± 19.80 Ca 68.18 Ba 10~20 1898 ± 48.08 Cb 730 ± 45.96 Cb 339 ± 42.43 Bb 203 ± 8.49 Bb 146 ± 13.44 Bb 59.78 Bb 20~30 792 ± 43.13 Cc 593 ± 31.11 Bc 272 ± 13.44 Cc 182 ± 17.68 Ac 143 ± 40.31 Cb 60.04 Bc 30~40 267 ± 32.53 Ad 371 ± 17.68 Bd 160 ± 17.68 Bd 91 ± 14.85 Cd 63 ± 23.33 Bc 56.31 Ad 40~50 219 ± 34.65 Ce 217 ± 38.18 Ce 115 ± 24.75 Be 68 ± 18.38 Be 38 ± 13.44 Ad 53.79 Ae 表中:PF:云南松林;PMF:云南松阔叶树混交林;EF:常绿阔叶林,下同;数值为:均值 ± 标准差;大写字母表示相同土层不同森林群落孔隙数量差异显著(P < 0.05);小写字母表示不同土层间孔隙数量差异显著(P < 0.05),下同。
Note:PF: Pinus yunnanensis forest. PMF: Pinus yunnanensis -broadleaved mixed forest. EF: evergreen-broadleaved forest “Mean ± standard deviation”; The uppercase letters indicated that the pore numbers of different forest communities in the same soil layer were significantly different (P < 0.05). The lowercase letters showed significant differences in the number of pores between different soil layers (P < 0.05).The following is the same.Table 2. Macropore number and porosity characteristics of soil with different pore size in different forest lands
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孔隙分形维数可表征大孔隙的分布特征,图1为3种林分土壤孔隙分形特征,由图知,土壤孔隙面密度(MZ)随土壤发生层加深而降低,不同林分变化规律有差异;土壤孔隙复杂度(Dz)随土层加深单调增大,云南松林(1.595)<云南松阔叶树混交林(2.003)<常绿阔叶林(2.006)。
0~20 cm土层深度内,不同演替阶段森林群落土壤面密度变化:PMF > PF > EF;20~30 cm孔隙面密度大小变化:PF > PMF > EF;而深层土壤中,3种林地中云南松林土壤孔隙面密度最小,表明3种林地内不同土层间孔隙变异程度不同。土壤孔隙复杂度变化规律与孔隙面密度相反,随土层深度增加递增。常绿阔叶林和云南松阔叶树混交林的Dz较云南松林大,表明常绿阔叶林和云南松阔叶树混交林土壤大孔隙扭曲度较大,孔隙形态更复杂,而云南松林Dz最小,大孔隙扭曲度小,孔隙结构单一。各土层之间孔隙复杂度变化有较大差异,0~20 cm和40~50 cm土层土壤孔隙复杂度为常绿阔叶林最大,云南松林最小;而20~40 cm土层,云南松林最低。
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3种林地土壤各径级团聚体含量分布如图2,> 2 mm粒径的团聚体占有较大比重。0~50 cm内云南松林地其含量分别为:71.82%、66.20%、36.95%、21.09%和20.22%;云南松阔叶树混交林0~50 cm含量依次为:55.23%、50.47%、47.14 %、40.29%和34.94%;常绿阔叶林含量则为:53.24%、45.79%、31.67%、21.08%和14.11%。大粒径团聚体含量随土层中增加而减少,小粒径团聚体含量随土层变化正相反,> 2 mm、2.0~1.0 mm团聚体含量减小,而1.0~0.5 mm、0.5~0.25 mm和< 0.25 mm等小粒径的团聚体含量呈增加趋势;土层加深,各粒径团聚含量在局部上有显著差异(P < 0.05)。
Figure 2. Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in different soil layers of different woodlands
森林土壤长期处于自然状态,人为扰动小,土壤以大团聚体(> 0.25 mm)为主,云南松林地0~50 cm含量依次为92.38%、90.47%、84.87%、82.17%和77.74%,云南松阔叶树混交林地0~50 cm含量分别为:95.87%、92.17%、88.02%、85.47%和79.28%,常绿阔叶林0~50 cm含量分别为:96.07%、93.44%、88.07%、85.12%和82.59%,且部分土层各粒径团聚体含量有显著性变化(P < 0.05)。除常绿阔叶林30~40 cm外,其余土层大团聚体含量变化为常绿阔叶林>云南松阔叶树混交林>云南松林,30~40 cm其含量为云南松阔叶树混交林>常绿阔叶林>云南松林。
3种林地土壤团聚体分形维数及土壤结构稳定性特征见表3,团聚体分维值(D团)随土层增加而减小,且各不同土层间团聚体分形维数差异性显著(P < 0.05);土壤团聚体结构破坏率随土层深度增加单调递增,各土壤发生层PAD显著增加(P < 0.05),表明随土层增加,其结构稳定性减弱。据表3知,常绿阔叶林除30~40 cm外其余土层土壤团聚体分形维数值较另外两种林地小,表明其土壤团聚体结构稳定性最佳,且云南松林D团最大,其团聚体稳定性最差。
土层深度 Soil depth/cm PF-D团 PMF-D团 EF-D团 PF-PAD PMF-PAD EF-PAD 0~10 2.611 ± 0.003 a 2.609 ± 0.004 e 2.541 ± 0.002 a 1.436 ± 0.031 e 1.097 ± 0.003 e 1.199 ± 0.041 e 10~20 2.564 ± 0.011 b 2.570 ± 0.013 d 2.457 ± 0.006 b 1.950 ± 0.047 d 1.791 ± 0.003 d 1.960 ± 0.004 d 20~30 2.340 ± 0.018 c 2.338 ± 0.040 c 2.332 ± 0.014 c 6.835 ± 0.235 c 5.494 ± 0.145 c 2.647 ± 0.004 c 30~40 2.324 ± 0.023 d 2.218 ± 0.010 b 2.261 ± 0.003 d 9.756 ± 0.372 b 5.505 ± 0.581 b 4.933 ± 0.003 b 40~50 2.218 ± 0.004 d 2.368 ± 0.005 a 2.150 ± 0.012 e 11.077 ± .0291 a 9.372 ± 0.219 a 8.414 ± 0.007 a 注:表中数据表示为:“平均值 ± 标准差”;PF:云南松林;PMF:云南松阔叶树混交林;EF:常绿阔叶林;小写字母表示不同土层之间差异显著(P < 0.05);D团:土壤团聚体分形维数;PAD:土壤团聚体破坏率。
Note: The datein the table is expressed: “mean ± standard deviation”. PF:Pinus yunnanensis forest. PMF: Pinus yunnanensis-broadleaved mixed forest. EF: evergreen-broadleaved forest, the same below. The lowercase letters indicated significant differences among different soil layers (P < 0.05). Dgroup: fractal dimension of soil aggregates. PAD: Soil aggregate destruction rate.Table 3. Fractal dimension and structural stability of soil aggregates in three forest lands
土壤PAD在不同群落结构表现出较大差异,不同土层深度,云南松林其PAD值最大,常绿阔叶林20~50 cm土层,土壤团聚体结构PAD最小,0~20 cm云南松阔叶树混交林结构稳定性较好,其原因是林下灌丛植被和表层枯落物覆盖度较高,致使于0~20 cm其结构稳定性稍好。
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由表4知,3种林地各个土壤发生层,粘粒和粉粒含量随土层加深而增加,砂粒含量减少;同一发生层,土壤质地以粉粒为主。据图3得,土壤机械组成分形维数与粘粒含量有显著正相关关系(P < 0.05),相关系数达0.646,与粉粒含量之间有正相关关系(P > 0.05),与砂粒含量之间呈显著负相关(P < 0.05),相关系数为−0.676。此外,由表4可得,随土层加深,土壤机械组成分形维数增加,表明其结构越不稳定;3种林地内,云南松林机械组成分形维数最大,0~50 cm内其分维值分别是云南松阔叶树混交林的1.032、1.025、1.008、1.012、0.999倍,常绿阔叶林的1.016、1.031、1.013、1.048、1.022倍,表明云南松混交林和常绿阔叶林地内各土层结构较云南松林好。
森林类型
Forest type土层深度 Soil depth 粘粒 Clay 粉粒 Silt 砂粒 Sand 土壤机械分形维数 Fractal dimension cm < 0.002 mm/% 0.002 mm~0.05 mm /% 0.05 mm~2 mm /% D机 PF 0~10 11.2 ± 0.52 Ae 65.98 ± 0.55 Ac 22.81 ± 0.08 Ca 2.731 ± 0.027 Ac 10~20 15.89 ± 0.30 Ad 76.63 ± 0.52 Aa 7.48 ± 0.82 Bb 2.740 ± 0.001 Ac 20~30 18.94 ± 0.13 Ac 76.70 ± 0.63 Aa 4.36 ± 0.76 Cc 2.748 ± 0.011 Ab 30~40 21.03 ± 0.37 Ab 74.97 ± 0.30 Ab 4.00 ± 0.67 Cc 2.754 ± 0.012 Ab 40~50 21.45 ± 0.27 Aa 74.13 ± 0.86 Ab 4.42 ± 0.13 Cc 2.760 ± 0.028 Aa PMF 0~10 6.42 ± 0.074 Cc 58.74 ± 0.453 Be 34.85 ± 0.53 Ba 2.645 ± 0.045 Cb 10~20 7.61 ± 0.091 Cc 69.37 ± 0.563 Bd 23.01 ± 0.47 Bb 2.672 ± 0.008 Bb 20~30 16.17 ± 0.375 Bb 64.74 ± 0.145 Cc 19.09 ± 0.23 Bc 2.725 ± 0.012 Aa 30~40 17.02 ± 0.572 Bbc 74.18 ± 0.184 Bb 8.8 ± 0.76 Bd 2.721 ± 0.047 Cb 40~50 18.4 ± 0.014 Ba 76.65 ± 0.202 Ba 6.95 ± 0.19 Be 2.761 ± 0.006 Cab EF 0~10 6.72 ± 0.071 Be 54.20 ± 0.036 Ce 39.08 ± 0.044 Aa 2.681 ± 0.015 Bc 10~20 8.62 ± 0.067 Bd 68.59 ± 0.075 Bb 22.78 ± 0.074 Ac 2.656 ± 0.013 Bd 20~30 12.63 ± 0.047 Cc 73.37 ± 0.015 Ba 14.01 ± 0.026 Ae 2.712 ± 0.041 Ab 30~40 11.45 ± 0.105 Cb 65.54 ± 0.038 Cc 23.01 ± 0.029 Ab 2.628 ± 0.015 Bb 40~50 19.16 ± 0.060 Ca 61.87 ± 0.095 Cd 18.97 ± 0.061 Ad 2.701 ± 0.061 Ba 注:表中数据表示为“平均值 ± 标准差”;大写字母表示不同样地间差异显著(P < 0.05);小写字母则表示不同土层间各组分含量显著性差异(P < 0.05)。
Note: The date “ ± ” in the table is expressed as “mean ± standard deviation”. Capital letters showed significant differences (P < 0.05). The lowercase letters indicate the significant difference of each component content in different soil layers(P < 0.05).Table 4. Soil texture and particle fractal characteristics of forest land
Figure 3. Correlation analysis between fractal dimension of macropores and soil fractal structure clustering
本研究选取土壤孔隙特征和土壤分形结构相关分析见图3,由图知,土壤孔隙面密度与土壤非毛管孔隙度、总孔隙度、> 2 mm团聚体含量和团聚体分形维数等之间具有极显著的正相关关系(P < 0.01),相关系数分别为0.807、0.696、0.813、0.846,其与粘粒含量、1.0~0.5 mm、< 0.25 mm和0.5~0.25 mm团聚体含量之间则呈极显著的负相关关系(P < 0.01),相关系数分别为−0.818、−0.760、−0.833、−0.782,与土壤毛管孔隙度和砂粒间呈显著的正相关关系(P < 0.05);土壤孔隙复杂度与土壤机械组成分形维数则有显著负相关关系(P < 0.05)。
土壤孔隙面密度与土壤中不同径级团聚体含量、机械组成和D团有显著的相关性(图3),本实验采用通径分析法进一步明确各因子对孔隙面密度的影响差异,结果显示(表5),1.0~0.5 mm团聚体含量对Mz的直接作用最大,其次是> 2 mm团聚体含量,直接效应系数分别为1.219和0.645,而粘粒含量0.5~0.25 mm径级团聚体含量则呈现负效应;分析影响因子的间接系数表明,< 0.25 mm团聚体的间接影响作用最大,其次为D团,间接作用系数为1.1727、0.6138,说明土壤结构中,细颗粒结构对孔隙结构影响较大,随着孔隙被细小颗粒填充,土壤结构孔隙通透性和渗透性减弱,孔隙面密度减少。
自变量
Independent variable与Y的相关系数
Correlation coefficient with Y直接作用系数
Direct acting coefficient间接作用系数/Indirect coefficient X1 X2 X3 X4 X5 X6 合计
TotalX1 −0.754 −0.597 — 0.1282 −0.3035 −0.0018 −0.0188 0.0394 −0.1565 X2 0.028 0.6045 −0.019 — −1.1593 0.8538 −0.2018 −0.0019 −0.5282 X3 0.121 1.219 0.1486 −0.3335 — −0.7994 0.1703 0.0052 −0.8088 X4 −0.252 −0.921 −0.0012 −0.6063 0.8362 — 0.2032 0.0151 0.447 X5 −0.198 0.232 0.0484 −0.5687 0.8947 0.7955 — 0.0028 1.1727 X6 0.354 0.074 0.3167 0.0161 0.0853 0.1869 0.0088 — 0.6138 注:表中Y:大孔隙面密度;X1:粘粒含量;X2、X3、X4、X5分别表示:> 2 mm、1.0~0.5 mm、0.5~0.25 mm和< 0.25 mm团聚体含量,X6:团聚体分形维数。
Note: Y: Macropore surface density; X1: Clay content. X2, X3, X4, X5 represent aggregate content of > 2 mm,1.0~0.5 mm, 0.5~0.25 mm and < 0.25 mm, X6 respectively: represent fractal dimension of aggregate.Table 5. Relationship between soil pore density and soil factors
Effect of Fractal Characteristics of Soil Structure on Macropores in Different Succession Forest Communities in Mid-subtropical Region
- Received Date: 2021-08-05
- Accepted Date: 2021-12-05
- Available Online: 2022-04-20
Abstract: