土壤团聚体由无机和有机物质胶结而成，是土壤的基本结构单位，其数量和质量决定土壤的性质和肥力，并左右着土壤中水、气、根系穿插及养分活化等状况(杨玉盛等，1993)。不同粒级团聚体在养分保持和供应中的作用不同(陈恩凤等，1994)，其水稳性团聚体的数量和分布状况更与土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力密切相关(Yoder，1936)。开展土壤团聚体结构和稳定性研究，对土壤表层水、土界面行为，特别是降雨入渗和土壤抗侵蚀能力具有重要意义(王景燕等，2010)。由于土壤的不同团聚结构是具有不规则形状和自相似结构的多孔介质，具有一定的分形特征(梁士楚等，2003)，故利用分形维数对其结构和分布状态进行描述，更能在深层次上对土壤结构进行研究和分析(Zhao et al.，2006；缪驰远等，2007)。杨培岭等(1993)在前人研究的基础上提出用粒径的质量分布取代粒径的数量分布描述土壤分形特征的模型，使计算结果更为简便、精确；张昌顺等(2008)对闽北6种不同林分土壤微团聚体分形特征进行研究，表明土壤微团聚体分形维数能很好地表征试验林分的土壤理化性质和土壤生物活性，可作为评价土壤肥力的一项综合性定量指标。总体而言，分形理论的提出和发展为土壤等复杂体系的定量化研究提供了一种有效工具(廖咏梅等，2005)，业已成为描述土壤结构特征的重要手段(文海燕等，2006；贾晓红等，2007)。

川南地处长江上游，雨量充沛。多年来对陡坡地不合理的开垦和种植，使该地区的土壤退化和水土流失现象十分严重(廖咏梅等，2005)，实施退耕还林工程以来，硬头黄竹(Bambusa rigida)和撑绿竹(Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis daii)作为当地的常用竹种，因其具有较好的经济价值和生态功能，在退耕还林工程实施中得到广泛的应用和推广；然而，有关川南竹林土壤团聚特征的研究极少，仅在不同退耕模式方面有零星报道(王景燕等，2010)，而针对退耕竹林土壤团聚特征动态变化规律的研究更是未见报道。本文以川南常用退耕竹种撑绿竹和硬头黄竹为研究对象，对其不同退耕年限竹林的土壤团聚特征进行研究，旨在为川南地区退耕还林地水土保持功能的发挥提供科学依据和理论指导。

研究区选择在四川省长宁县，该县属四川盆地中亚热带湿润性季风气候，是四川省热量最丰富的地区之一。县内年均气温18.3 ℃，年最高极端气温40.7 ℃，最低气温-4.2 ℃，年均降雨量1 108.3 mm，雨量集中在6—9月，以8月最多，12月最少。平均日照时间1 148 h，年均空气湿度83%，全年无霜期多达360天。该县森林面积4.71万hm2，其中竹林面积3.14万hm²，森林覆盖率达50.2%。常见的竹种有毛竹(Phyllostachys edulis )、苦竹(Pleibolastus amarus)、梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)、硬头黄竹以及撑绿竹等，此外，还有夹杂有极少量的杉木(Cunninghamia lanceolata)、麻栎(Quercus acutissima)和润楠(Machilus pingii)等。

以川南地区退耕还林工程常用的撑绿竹和硬头黄竹为研究对象，采用空间代时间法，于2011年3月在研究区域内分别选择立地条件和经营方式相近的5年和10年生退耕还竹林(撑绿竹: C_T5，C_T10；硬头黄竹: Y_T5，Y_T10)，同时以非退耕竹林(撑绿竹: C_FT；硬头黄竹: Y_FT)和农耕地(N)为对照，设置20 m×20 m的标准样地各3块(表 1)。所选样地为2000年和2005年退耕并栽植竹种，次年补植；样地土壤为石灰性紫色砂岩、页岩母质土壤在频繁的风化作用和侵蚀作用下形成的紫色土。退耕前，土地主要采用小麦(_{Triticicm aestivum})-玉米(_{Zea mays})一年两熟的传统种植方式，退耕后选取的退耕模式为硬头黄竹和撑绿竹纯林。试验开始于2011年4月，首先对设置的各标准样地进行本底调查，之后在标准样地内沿对角线“S”形布设3个点，挖土壤剖面后用环刀分层(0～20，20～40和40～60 cm)取样，最后用布袋和塑料袋对各层分别取土样，运至实验室进行风干处理，在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。

表 1 不同退耕还竹林立地条件基本信息^① Tab.1 Basic characteristics of different returing farmland to bamboo forests

表 1 不同退耕还竹林立地条件基本信息① Tab.1 Basic characteristics of different returing farmland to bamboo forests 样地 Plot 林分类型 Plot types 起源 Origin 坡度 Slope/ （°） 坡向 Aspect 海拔 Elevation / m 林龄 Age /a 林分密度 Stand density / (clump • hm -2 ) 郁闭度 Canopy density N 农耕地Farm land Ⅰ 7.0 南 South 458 — — 0.75 CT5 撑绿竹 B. pervariabilis ×D. daii Ⅱ 21. 0 西南 Southwest 461 5 852 0.68 CT10 撑绿竹 B. pervariabilis ×D. daii Ⅱ 19.0 西南 Southwest 482 10 794 0. 73 cFT 撑绿竹 B. pervariabilis ×D. daii Ⅲ 18. 7 南 South 473 9 831 0. 82 YT5 硬头黄竹B. rigida Ⅱ 17.0 南 South 446 5 844 0. 80 Y T10 硬头黄竹B. rigida Ⅱ 20. 2 西北 Nouthwest 489 10 813 0. 77 Y 1 ft 硬头黄竹B. rigida Ⅲ 22. 0 东南 Southeast 434 10 806 0.75 ① Ⅰ :耕地；Ⅱ :退耕还竹林地；Ⅲ：非退耕竹林。Ⅰ : Farm land: Ⅱ : returning farmland to bamboo forest:Ⅲ：Bamboo forest.

土壤密度采用环刀法，土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，土壤大团聚体的测定采用干筛法和湿筛法，土壤微团聚体测定采用吸管法(国家林业局，1999)。

平均质量直径(mean weight diameter，MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，其值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强(周虎等，1997)，其计算公式为: $\text{MWD}=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{{\bar{x}}}_{i}}{{w}_{i}}}$，$\text{GMD=Exp}\left(\sum\limits_{i=1}^{n}{{{w}_{i}}\ln {{{\bar{x}}}_{i}}} \right)$。式中: MWD为平均质量直径(mm)；x_i为各粒径水稳性团粒的平均直径(mm)；w_i为各粒径水稳性团粒的质量百分比(%)；GMD为几何平均直径(mm)。

采用杨培岭等(1993)提出的土壤分形模型:(x_i/x_max)^3-D=w(δ ＜ x_i)/w₀来计算土壤分形维数D，两边同时取对数，可得:(3-D)lg(x_i/x_max)=lg［w(δ ＜ x_i)/w₀ ］。分别以lg［w(δ ＜ x_i)/w₀ ］、lg(x_i/x_max)为纵、横坐标，可以看出(3-D)为其直线回归方程的斜率。因此，可通过回归分析的方法来测定D。式中: D为分形维数；x_i为各粒径微团聚体的平均直径(mm)；x_max为最大粒级平均直径(mm)；w( δ ＜ x_i)为小于某一粒径土粒质量(g)；w₀为土粒总质量(g)。

数据记录与运算采用Microsoft公司出品的Excel 2010软件，统计和分析采用IBM公司出品的SPSS 16.0进行。

随着土层深度增加，土壤密度呈现出逐渐增大的趋势，除退耕5年硬头黄竹林和农耕地外，不同土层间土壤密度差异均不显著(表 2)。相同土层中，0～20 cm土层变化幅度最大，为1.01～1.52 g·cm^-3，以硬头黄竹林上层土壤差异最为明显，该土层3种林地(Y_T5，Y_T10和Y_FT)均达到显著水平(P ＜ 0.05)，与之相反，撑绿竹林土壤密度差异不显著(P ＞ 0.05)；20～40 cm土层的土壤密度变化规律与0～20 cm相近，40～60 cm土层的土壤密度与这2个土层间差异较大，这主要与丛生竹地下鞭根主要分布在0～40 cm土层(周本智，2004)，其根系对深层土的改良能力下降有关。硬头黄竹土壤平均密度表现为Y_T10 ＞ Y_FT ＞ N ＞ Y_T5，撑绿竹表现为C_T10 ＞ C_T5 ＞ C_FT ＞ N，均以退耕10年竹林土壤密度最高。

表 2 不同土地利用下的土壤密度、有机质含量和黏粒含量^① Tab.2 Soil density，organic matter content and clay content under different land use types

表 2 不同土地利用下的土壤密度、有机质含量和黏粒含量① Tab.2 Soil density，organic matter content and clay content under different land use types 样地 Plot 土壤密度 Soil density/(g.cm-3) 有机质含量 Organic matter content/ (g.kg 1) 黏粒含量 Clay content/ (g.kg-1) 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm N 1. 22aAB 1. 24abA 1. 36bAB 8. 89aA 5.57bAC 5. 10 A 81. 2aA 83.2aA 85. 2aA CT5 1. 23aAB 1. 28aA 1. 36aAB 15.09aB 10. 70bB 10. 27bB 45. 2aB 64.8bB 28. 0cB CT10 1. 29aBD 1. 39aA 1.48aA 7. 87aA 6. 55bA 5.41cA 21.6aC 24. 0 bCD 31. 4bB CFT 1. 25aAB 1. 30aA 1. 30aB 7. 86aA 5. 31bAC 4. 43cC 37.2aB 33. 2abCE 24. 4bB YT5 1. 01aC 1. 20bA 1. 35cAB 16.76aB 12. 27bB 11. 64bD 100.8aD 85.6aA 87. 6aA YT10 1. 52aD 1. 61aB 1. 61aC 5.09aC 4. 66bC 3. 85cC 43. 2 B 43.6aE 29. 6bB YFT 1. 21aA 1. 34aC 1. 38aAB 19. 90aD 14. 92bD 12. 92cE 22.0aC 20.8aD 21. 6aB ① 同行相同指标后不同小写字母和同列不同大写字母表示差异达显著水平( P ＜ 0. 05 ) ( LSD) 。下同。Different lowercase letters in the same row and different capital letters in the same column mean significantly different at 5% level of probability ( LSD).The same below．

相同竹林土壤有机质含量自上而下呈下降趋势，且绝大多数达到显著水平。含量最高的为非退耕硬头黄竹林，平均含量达到了15.91 g·kg^-1，为最低含量退耕10年硬头黄竹(4.53 g·kg^-1)的3.51倍。从表 2还可以看出，2个竹种退耕10年竹林土壤有机质含量均显著低于退耕5年竹林，主要是由于竹林掠夺式经营带走大量有机碳和养分，且以无机肥为主，造成有机质含量降低。不同土地利用类型的黏粒含量为20.8～100.8 g·kg^-1；退耕5年竹林(0～40 cm)土壤黏粒含量显著高于退耕10年竹林，表明竹林可在其主要根系分布区内显著提高土壤颗粒大小，进而改善土体结构；40～60 cm土层中，硬头黄竹土壤黏粒含量差异达到显著水平而撑绿竹几乎不受影响，表明硬头黄竹对土体结构的影响更大。

与农耕地相比，退耕还竹林土壤水稳性大团聚体含量均呈现不同程度的增加(表 3)。退耕10年的撑绿竹和硬头黄竹林水稳性团聚体含量最高，均值分别为74.42%和72.18%，是农耕地的163.27%和158.36%，且其他退耕竹林的含量也高于农耕地，说明随着退耕年限的增加，2种竹林均可促进土壤水稳性团聚体的形成，进而改善林地土壤结构稳定性。从表 3中还可以看出，退耕10年硬头黄竹林3个土层的水稳性团聚体含量与退耕5年竹林差异达到显著水平，而撑绿竹则表现为不显著，这也说明硬头黄竹对土壤的改善效果要优于撑绿竹。

表 3 不同土地利用下的土壤水稳性大团聚体的含量、平均质量直径和几何平均直径 Tab.3 Water-stable macro-aggregate content，MWD and GMD under different land use types

表 3 不同土地利用下的土壤水稳性大团聚体的含量、平均质量直径和几何平均直径 Tab.3 Water-stable macro-aggregate content，MWD and GMD under different land use types 样地 Plot 大团聚含量 macro-aggragate content(%) MWD /mm GMD/mm 0 ~20 cm 20 ~40 cm 40 ~ 60 cm 0~20 cm 20~ 40 cm 40 ~ 60 cm 0 ~ 20 cm 20 ~ 40 cm 40 ~ 60 cm N 43. 74aA 49. 36aA 43. 63aA 1. 02abA 1. 07bA 0. 93aA 1. 06aA 1. 08aA 1. 11aA CT5 73.69aB 72.09aB 70.28aB 2.38aB 2. 40aB 2. 28bB 1. 82aB 1. 91bB 1. 81aB CT10 76. 60aB 75.58aB 71.07aB 2.27aB 1. 68bC 1. 74bC 1. 75aB 1. 33bC 1. 46cC CFT 73. 30abB 72.45aB 68. 13bB 2.24aB 2. 10bD 1.72cC 1. 82aB 1. 62bD 1. 39cC Y T5 52. 76aC 47. 82aA 51. 02aC 0.92aA 0. 86aE 0. 91aAD 1. 05aA 1. 06aA 1. 10aA Y T10 76. 34aB 74.15aB 66. 06bB 2. 50aB 2. 28bBD 2. 13cB 1. 98aC 1. 80bE 1. 74bB Y FT 50.45aAC 46. 57aA 49. 79aAC 0. 84aC 0. 80aE 0. 84aD 1. 04aA 1. 05aA 1. 09aA

不同土地利用类型MWD和GMD变化规律大体相同(表 3)，MWD和GMD分别为0.84～2.50和1.04～1.98 mm，不同土层间以表层土最高，中层土次之，下层土最低。以不同土层均值代表其土地利用类型的MWD和GMD得出，MWD表现为: Y_T10 ＞ C_T5 ＞ C_T10 ＞ C_FT ＞ N ＞ Y_T5 ＞ Y_FT；而GMD表现为C_T5 ＞ Y_T10 ＞ C_FT ＞ C_T10 ＞ N ＞ Y_T5 ＞ Y_FT，但从统计结果来看，多数处理差异不显著。

不同土地利用类型土壤微团聚体各粒级含量的分析结果见表 4，除退耕10年撑绿竹外，土壤中0.25～0.05 mm的微团聚体含量最高，其次为2～0.25 mm的粒级含量，最低的为＜ 0.002 mm含量。同一粒级下的不同土层含量差异不显著，但不同土地利用类型间差异较大，尤其是2～0.25 mm粒级，其含量大多数都达到差异显著性水平。另外，各层土壤的微团聚体分形维数为2.308～2.526，相关系数均在0.934以上，线性相关达到显著和极显著(P ＜ 0.01)水平。

表 4 不同土地类型下土壤微团聚体组成^① Tab.4 Composition of soil micro-aggregates under different land use types

表 4 不同土地类型下土壤微团聚体组成① Tab.4 Composition of soil micro-aggregates under different land use types 样地 Plot 层次 Depth /cm 微团聚体粒径 Micro~aggregate size D r F 20.25 mm 0. 25 ~ 0. 05 mm 0.05 ~0.02 mm 0.02 ~0. 002 mm < 0. 002 mm N 0 ~ 20 7.41 56.31 18.56 9.60 8.12 2.518 0. 983** 58. 81 20 ~ 40 7.01 53.63 20.44 10.60 8.32 2.519 0. 988** 81.87 40 ~ 60 8.43 50.53 22.36 10.16 8.52 2.524 0. 987** 74. 08 CT5 0 ~ 20 34.62 42.86 11.92 6.08 4.52 2.473 0. 982** 54. 45 20 ~ 40 31.56 42.28 17.28 2.40 6.48 2.526 0. 934* 17. 74 40 ~ 60 36.83 42.93 12.00 5.44 2.80 2.382 0. 989** 85. 81 CT10 0 ~ 20 45.92 39.04 11.72 1.16 2.16 2.35 0. 935* 13. 81 20 ~ 40 41.55 45.41 8.56 2.08 2.40 2.374 0. 948* 17. 60 40 ~ 60 42.32 38.79 13.87 1.89 3.14 2.412 0. 944* 16. 38 CFT 0 ~ 20 22.86 54.03 13.88 5.52 3.72 2.401 0. 979** 45. 91 20 ~ 40 22.84 59.00 7.92 6.92 3.32 2.395 0. 979** 46. 26 40 ~ 60 18.08 59.24 12.68 7.56 2.44 2.308 0. 995** 183. 04 YT5 0 ~ 20 11.28 57.12 16.52 10.08 5.00 2.431 0. 993** 151. 16 20 ~ 40 16.63 52.33 17.00 8.56 5.48 2.459 0. 989** 85. 73 40 ~ 60 24.73 46.23 14.56 8.76 5.72 2.49 0. 99** 100. 69 YT10 0 ~ 20 14.21 58.11 18.56 4. 80 4.32 2.402 0. 969** 30. 82 20 ~ 40 17.94 60.82 12.20 4.68 4.36 2.427 0. 962** 24. 63 40 ~ 60 22.85 56.47 13.76 3.96 2.96 2.354 0. 97** 32. 10 YFT 0 ~ 20 36.98 46.30 7.84 6.68 2.20 2.346 0. 993** 133. 85 20 ~ 40 41.24 44.64 7.16 4.88 2.08 2.351 0. 985** 63. 99 40 ~ 60 32.83 50.49 8.16 6.36 2.16 2.331 0. 991** 104. 71

表层土壤的分形维数为2.346～2.518，其中，农耕地最高，退耕5年撑绿竹林次之(2.473)，非退耕硬头黄竹林最低，说明农耕地常年翻耕，容易对土壤中微团聚体造成破坏，使其分形维数增加，而退耕则在一定程度上有利于土壤微团聚体形成，提高土壤质量。由于土壤微团聚体在形成过程中受到的影响不同，各竹林土壤分形维数大小也各有差异。中层土分形维数为2.351～2.526，高于表层土，说明林地对表层土壤结构的改善作用要强于中层土。从表层土到中层土，土壤分形维数呈现出增加的趋势，但中层土和下层土间规律不明显，导致这一现象的原因可能与竹林根鞭系统的分布、地表枯落物分解及土壤养分等在不同土层所表现的差异程度有关。撑绿竹0～60 cm土层土壤分形维数的大小顺序为C_FT ＞ C_T10 ＞ C_T5 ＞ N；硬头黄竹为Y_FT ＞ Y_T10 ＞ Y_T5 ＞ N，表明退耕年限的增加也会对降低土壤分形维数产生有利的影响。

为进一步分析土壤分形维数与其他指标的关系，分别对不同土地利用类型的土壤微团聚体各粒级含量、土壤密度及有机质含量(X)与土壤分形维数(D)进行回归分析。从表 5可以看出，分形维数与＜ 0.002 mm粒级含量呈极显著正相关，而与其他粒级含量相关不显著。为进一步说明分形维数与＞ 0.002 mm粒级含量的关系，对其整体含量进行回归分析，结果发现＞ 0.002 mm粒级含量(X)与分形维数(D)显著负相关，其回归方程为: D=5.349-0.031 X(r=-0.937**)，即微团聚体中＞ 0.002 mm粒级含量越高，其分形维数越低。分形维数与土壤密度、有机质含量回归分析结果表明:分形维数与二者均无显著相关关系，这就说明在该研究区域，无法用土壤分形维数来表征土壤密度和有机质含量。

表 5 土壤分形维数与各粒级含量、土壤密度及有机质含量的关系^① Tab.5 Correlation relationships between fractal dimensions and content of different soil particle-size,soil density and organic matter content

表 5 土壤分形维数与各粒级含量、土壤密度及有机质含量的关系① Tab.5 Correlation relationships between fractal dimensions and content of different soil particle-size,soil density and organic matter content 类别 Type 回归方程 Regression equation r 类别 Type 回归方程 Regression equation r 0.25~0. 05 mm D =2.425 + 0.000 1X 0.014 <0. 002 mm D =2.286 + 0.031X 0.937** 0.05~0. 02 mm D =2.256 + 0.012X 0. 748 BD D =2.583 -0.124 1X -0.254 0.02~0. 002 mm D =2.353 + 0.011X 0.438 OM D =2.423 -0.000 5X -0.036 ①SD: 土壤密度Soil density; OM: 有机质含量Organic matter content．

竹林退耕年限对土壤密度、土壤有机质及土壤黏粒(＜ 0.002 mm)含量有重要影响。与其他树种不同，竹林集约经营强度较高，而退耕10年竹林人为干扰频繁，且在伐竹和搬运过程中对土壤结构的影响远高于退耕5年竹林，故土壤密度呈现出增加的趋势(表 2)。由于受施肥、枯落物分解等因素的影响，有机质含量随着土层深度的增加而降低，这与大多数学者得出的结论相近，但有机质含量与土壤分形维数差异不显著，这与前人的研究结果不尽相同(袁颖红等，2004)，且退耕10年竹林土壤有机质含量显著低于退耕5年竹林，其原因可能是频繁的竹林经营对地表植被、枯落物等产生干扰，影响土壤有机质的含量、质量和周转(Glaser et al.，2000；徐艳梅等，2007)，致使有机质含量偏低，无法在土壤团聚体形成过程中起到的关键作用(董慧霞等，2008)，表现为机质含量与土壤分形维数相关不显著，并体现在林分有机质含量总体水平不高。有机质含量降低也导致土壤黏粒有向下淋溶和悬移的趋势(孙波等，1999)，所以下层土壤的黏粒含量一般高于上层，黏粒的增加意味着土壤更紧实，密度自然越高。

土壤黏粒对土壤质地、紧实度、通透性以及分形维数都有着重要影响(廖尔华等，2002)。退耕10年的撑绿竹和硬头黄竹林土壤黏粒含量分别较退耕5年的林地下降79.22%和135.40%，较农耕地下降更为显著；与此同时，土壤水稳性大团聚体数量亦随着退耕年限的增加而增加，说明退耕还竹有助于避免土壤板结，提高土壤大团聚体数量(王景燕等，2010)，进而提高土壤的抗侵蚀能力，使竹林充分发挥退耕区的水土保持作用(袁秉政等，2005)。用MWD和GMD等定量化的结构参数比仅用密度、孔隙度等指标能更好地反映土壤结构的变化(陈恩凤等，1994)，通过MWD和GMD与大团聚体含量对比分析发现，在变化趋势上，MWD和GMD表现基本相同，均为表层土最高，中层土次之，下层土最低，且相关系数达到0.985，但不同竹林间差异多表现为不显著。

土壤分形维数越高，表明土壤越紧实，当分形维数＞ 2.88时，土壤的质地黏重且通透性差，反之则质地松散、通透性好(廖尔华等，2002)，而川南不同样地类型土壤微团聚体分形维数为2.308～2.526，均小于2.88，且相关系数均在0.934以上，线性相关达到显著和极显著水平。此外，退耕竹林土壤分形维数要小于农耕地，这表明撑绿竹和硬头黄竹可以有效降低土壤分形维数，改善通透性，提高土壤结构稳定性，进而增加土壤的抗侵蚀能力，属于较为优良的水土保持竹种。相关分析表明:土壤分形维数与土壤黏粒含量呈极显著正相关，与＞ 0.002 mm的整体团聚体含量呈显著负相关；土壤分形维数、土壤密度和有机质含量无显著相关关系，故无法用分形维数来表征该地区土壤密度的大小和有机质含量的高低。

本文仅对竹林退耕5年和10年的结果进行研究，若深入探寻不同退耕竹林对土壤结构的影响，还需进行长期观测和分析；此外，本研究仅针对不同退耕年限竹林土壤结构进行对比分析，而未对土壤理化性质、土壤酶活性及土壤环境等对土壤结构的影响进行深入研究，只有综合分析不同因素对土壤结构的影响，才能对不同竹种及退耕年限进行全面评价。