亚热带4种森林类型土壤粒径分布的分形特征与养分含量

摘要

中亚热带次生林是常绿阔叶林遭破坏后自然恢复的一种天然林，也是亚热带主要森林类型，在保护生物多样性，维护区域生态平衡、生态安全和可持续发展等方面起着重要的作用。而为了满足社会经济快速发展对木材生产的需求，人工林也成为了亚热带主要森林类型，在社会经济发展中做出了重大的贡献。目前有关亚热带地区不同森林类型土壤的理化性质、生物量、养分含量等的研究报道不断涌现，但有关天然次生林保护和森林树种组成的差异对土壤肥力演变影响的研究报道尚不多见。此外，次生林与人工林在林龄、抚育方式等方面有较大差异，有关亚热带次生林和人工林土壤理化性质的比较研究更为少见。本研究选取亚热带3种次生林（马尾松（Pinus massonana）+石栎（Lithocarpus glaber）针阔混交林、南酸枣（Choerospondia axillaris）落叶阔叶林、石栎+青冈（Cyclobalanopsisglauca）常绿阔叶林）和杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林为对象，比较研究4种森林类型土壤粒径的分形维数特征、养分含量变化趋势以及两者之间的关系，揭示亚热带森林植被恢复对土壤肥力及其演变过程的影响机制，为该地区退化森林生态系统恢复与管理提供科学依据，对该地区的森林生态系统更新、恢复和重建具有重大意义。主要研究结果如下:
　　(1)4种森林土壤粘粒(＜0.005mm)含量最高，为35.75％～56.19％，平均达44.38％，其次是粉粒(0.05-0.005mm)含量，为28.05％～39.48％，平均为32.67％，而砂粒(1-0.05mm)含量最低，为12.88％～30.49％，平均为22.39％，4种森林土壤具有南方红壤丘陵区典型质地粘重特征，均属于粘壤土。4种森林土壤颗粒分形维数介于2.737-2.835之间，属于我国壤土类土壤颗粒分形维数值的范围(2.359-2.852)，其排序大小依次为:杉木人工林＞南酸枣落叶阔叶林＞石栎+青冈常绿阔叶林＞马尾松+石栎针阔混交林。杉木人工林各土层粒径分形维数与3种次生林差异显著(P＜0.05)，而3种次生林两两之间差异均不显著(P＞0.05)，土壤粒径分形维数与森林树种多样性呈极显著线性负相关，土壤粒径分形维数对各个粒级土粒含量的反映程度不同，反映最大的是粘粒含量，其次是砂粒、粗粘粒含量，土壤粒径分形维数与土壤容重呈极显著的线性正相关，与土壤含水率不相关。4种森林0-15cm土层容重的变化范围为1.02～1.48g·cm-3之间，15-30cm土层为1.14～1.53g·cm-3之间，杉木人工林各土层容重均分别高于3种次生林。4种森林土壤两个土层含水率的变化趋势一致表现为:杉木人工林土壤平均含水率最高(26.62％～26.44％)，其次是南酸枣落叶阔叶林(22.26％～25.53％)和石栎+青冈常绿阔叶林(21.61％～22.53％)，而马尾松+石栎针阔混交林(18.33％～20.27％)为最低。
　　(2)4种森林土壤全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K平均含量均表现为0～15 cm土层高于15～30 cm土层。4种森林0-15cm土层全N平均含量在1.12～1.65g·kg-1之间，15-30cm土层在0.96～1.33g·kg-1之间，除杉木人工林外，3种次生林0-15cm土层与15-30cm土层间差异显著(P＜0.05)，0-15cm土层全P平均含量在0.20～0.29g·kg-1之间，15-30cm土层在0.19～0.27g·kg-1之间，但各土层间的差异不显著（P＞0.05），0-15cm土层全K平均含量在4.91～5.82g·kg-1之间，15-30cm土层在4.66～5.76g·kg-1之间，但土层之间的差异均不显著（P＞0.05）。0-15 cm土层水解N平均含量在54.39～77.93mg·kg-1之间，15-30cm土层在37.95～64.36mg·kg-1之间，且土层之间差异均达到显著水平(P＜0.05)，0-15cm土层有效P平均含量在1.96～2.73mg·kg-1之间，15-30cm土层在1.35～2.15mg·kg-1之间，0-15cm土层速效K平均含量在52.55～69.30mg·kg-1之间，15-30cm土层在42.13～57.75mg·kg-1之间，土层之间的差异均达到显著水平(P＜0.05)。4种森林0-15cm土层供N、P、K强度均高于15-30cm土层，但差异均不显著(P＞0.05)。不同森林类型土壤养分含量及其供N、P、K强度均有明显的差异，杉木人工林土壤养分含量普遍低于3种次生林，但供N、P、K强度高于3种次生林，表明不同森林在土壤养分的积累、贮存和转化等方面差异显著。4种森林两土层的水解N、有效P、速效K含量均呈现出明显的季节变化特征。4种森林土壤pH值在4.55～4.69之间，呈酸性，均随土壤深度增加而增高，且季节变化格局一致表现为:春季最低，夏、秋季逐渐升高，冬季最高，季节间差异极微小。研究区森林土壤养分库综合指数介于2.51-3.57之间，其排序大小依次为:南酸枣落叶阔叶林(3.57)＞石栎+青冈常绿阔叶林(3.35)＞马尾松+石栎针阔混交林(3.03)＞杉木人工林(2.51)，且杉木人工林与3种次生林差异显著(P＜0.05)，但3种次生林差异不显著(P＞0.05)。4种森林土壤养分含量随林分的树种多样性增加呈上升趋势，但与林分密度不存在显著(P＞0.05)相关性。
　　(3)不同森林土壤粒径分形维数与土壤pH值均不存在显著相关性，但与土壤有机质含量呈极显著负相关。4种森林土壤粒径分形维数与全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量有一定的相关性，表现在:在杉木人工林中，土壤粒径分形维数与全N、全P含量呈极显著和显著正相关;在马尾松+石栎针阔混交林中，土壤粒径分形维数与全K含量呈显著负相关;在南酸枣落叶阔叶林中，土壤粒径分形维数与全P、水解N含量呈极显著正相关，与速效K含量呈极显著负相关;在石栎+青冈常绿阔叶林中，土壤粒径分形维数与全P含量呈极显著负相关，与有效P、速效K呈显著负相关。不同森林土壤养分含量之间有一定的相关性，表现在:土壤pH值与全P含量均呈显著或极显著正相关，但与全K含量呈显著或极显著负相关。全N含量与水解N均呈极显著正相关，全P含量与全K含量呈显著或极显著负相关，在整个研究区中，土壤全K含量与速效K含量呈极显著正相关，除马尾松+石栎针阔混交林外，在整个研究区和其它3种森林土壤中，水解N含量与有效P含量均呈现出显著或极显著正相关，这表明4种森林土壤水解N、有效P取决于土壤全N含量，而速效K含量取决于全K含量。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 选题背景

1．2 土壤质地研究现状

1．3 土壤分形维数研究现状

1．3．1 分形理论的产生

1．3．2 分形理论的概念

1．3．3 分形的特性

1．4 森林土壤物理性状的研究现状

1．5 森林土壤养分的研究现状

1．6 土壤质地、分形维数与土壤养分之间的关系研究现状

1．6．1 分形维数与土壤养分关系研究

1．6．2 分形维数与土壤质地关系研究

1．7 研究目的及意义

2 研究地概况

3 材料与研究方法

3．1 土壤样品采集及处理

3．2 土壤理化性质分析

3．3 数据分析

4 结果与分析

4．1 4种森林类型土壤粒径分布的分形特征

4．1．1 4种森林土壤的颗粒组成

4．1．2 4种森林土壤粒径分布的分形维数

4．1．3 土壤粒径分形维数与土壤各粒级质量的关系

4．1．4 土壤容重及其与土壤粒径分形维数的关系

4．1．5 土壤含水率及其与土壤粒径分形维数的关系

4．1．6 小结与讨论

4．2 4种森林类型土壤养分特征

4．2．1 土壤pH值及其季节变化

4．2．2 土壤有机质含量

4．2．3 土壤全N、全P、全K含量

4．2．4 土壤水解N、有效P、速效K含量

4．2．5 土壤N、P、K的供应强度

4．2．6 土壤水解N、有效P、速效K含量的季节动态

4．2．7 不同森林土壤养分库综合指数的差异

4．2．8 不同森林土壤pH、养分含量之间的相关性

4．2．9 小结与讨论

4．3 森林土壤分形维数与土壤化学性质的相关性分析

4．3．1 森林土壤分形维数与土壤pH、有机质含量的相关性

4．3．2 森林土壤分形维数与土壤养分含量的相关性

5 结论

5．1 不同森林土壤的物理性质

5．2 不同森林土壤的养分含量

6 创新点

7 研究展望

参考文献

附录 (攻读学位期间主要学术成果)

致谢