景观异质性是景观的重要属性，是形成不同景观结构和功能的基础(Forman et al., 1986)。它直接影响着景观的生物多样性和生产力，以及资源、物种在景观中的分配与传播。对景观整体功能及生态过程有重要的控制作用(Turner et al., 1987；1991)，因此它是景观生态学的研究核心之一。景观异质性不仅与干扰(自然的和人为的)、生物群落定居和内源演替等方面有关，亦受景观内空间单元的自然地理特征和地质地貌过程的影响(Forman，1990；伍业钢等，1992)。土壤异质性是景观异质性的具体体现，也是造成景观异质性的重要原因之一。土壤异质性的研究有助于揭示景观形成机制，对于阐明景观功能与过程具有重要的作用(徐化成，1996)。土壤资源是景观可持续经营与环境持续发展的重要物质基础，因此，土壤异质性的研究一直是林学与生态学关注的焦点(张万儒，1994；杨承栋等，1996；林开敏等，2001；梁士楚等，2003)，但前人的研究多集中在某一种景观类型，而针对不同景观类型土壤异质性的研究较少(邱扬等，2002)。

作为世界自然与文化遗产的武夷山历来倍受学者的重视，并涌现了大量的研究成果(林鹏，1998；何建源，1998)。笔者等曾对武夷山自然保护区毛竹(Phyllostachys heterocycla var. pubescens)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、米槠(Castanopsis carlessi)林等群落的能量、凋落物动态、种群结构、生命表等方面开展了较为系统的研究(何东进等，2003a；吴承祯等，2002；毕晓丽等，2001；闫淑君等，2002)，并运用景观生态学理论与方法对武夷山风景名胜区的景观生态特征、斑块分布规律、空间格局等开展系列的研究(何东进等，2003b；2003c；2004a；2004b)，因此，本文试图在前面研究基础上进一步对不同森林景观的土壤物理性质异质性进行分析，并运用分形理论探讨其分形特征，为阐明研究区的景观形成机制和景观功能变化过程提供依据。

1 研究方法 1.1 研究区概况

武夷山位于我国福建省西北部(117°24′12″—118°02′50″E，27°32′36″ —27°55′15″N)，总面积9.997 5万hm²，包括东部自然与文化景观保护区(即风景名胜区)、中部九曲溪生态保护区、西部生物多样性保护区以及城村闽越王城遗址保护区等4个保护区，平均海拔1 200 m，中山地貌，属典型的亚热带季风气候，年均气温8.5~18? ℃，年降雨量1 486~2 150 mm，局部地区高达3 000 mm以上，年蒸发量1 000 mm左右，相对湿度78%~84%，无霜期253~272 d。它是全球同纬度带最完整、最典型、面积最大的中亚热带原生性森林生态系统，是世界生物多样性保护的关键地区。其中武夷山风景名胜区面积约7 000 hm²，属低山丘陵地域，是典型的中亚热带湿润季风气候。冬季温暖，夏季日温偏高，水质达到国家优良标准。依据景观生态分类原则与群落生态学原则(王仰麟，1996；肖笃宁等，1998)，将武夷山风景名胜区划分为10类景观类型，包括马尾松(Pinus massoniana)林、杉木林、经济林、竹林、阔叶林、茶园、农田、河流、居住地和裸地，其中森林景观包括马尾松林、杉木林、经济林、竹林、阔叶林、茶(Camellia sinensis )园等6种森林类型，面积约占整个风景区面积的80%。本文就武夷山风景名胜区的森林景观土壤物理性质异质性开展研究。

1.2 土壤调查与分析方法

对构成武夷山风景名胜区森林景观的6类森林类型，根据各类型所占的面积大小分别设置3~5块标准地，标准地面积为20 m×30 m，在每个标准地内按对角线随机布点(3点)挖取土壤剖面，分别取土样，混均，带回室内分析。土壤团粒结构采用机械筛分法；土壤水分、物理性质采用环刀法。

1.3 土壤团粒结构分形模型

分形几何学以不规则的或者支离破碎的物体为研究对象，能够从看似混沌的物体结构中找出规律，即分形体的自相似性特征(Mandelbrot，1977；1982)。对这一特征描述的主要工具是分形维数(fractal dimension)。求算分形维数通常采用在双对数坐标下进行回归，所得拟合直线的斜率(或其转换结果)为分形维数值。土壤是具有分形特征的系统(Turcotte，1986；Rieu et al., 1991；Falconer，1989)。笔者将分形理论进一步拓展到群落生态学领域，提出了测定多样性的新Shannon-Weiner指数(洪伟等，1999)。土壤团粒结构的分形模型建立方法如下(何东进等，2001；2002；吴承祯等，1998a；1998b；1999)。

具有自相似结构的多孔介质——土壤，由大于某一粒径d_i(d_i>d_i+1，i=1，2，…)的土粒构成的体积V(δ>d_i)可由类似Katz的公式表示：

(1)

式中：δ是码尺，A，k为描述形状、尺度的常数，D为分形维数。

通常粒径分析资料是由一定粒径间隔的颗粒重量分布表示的，以d_i表示两筛分粒级d_i与d_i+1间粒径的平均值，忽略各粒级间土粒比重ρ的差异，即ρ_i=ρ(i=1，2，…)，则：

(2)

式中：W(δ>d_i)为大于d_i的累积土粒重量。以W₀表示土壤各粒级重量的总和，由定义有，则由(2)式得：

(3)

由(2)、(3)式可以导出：

(4)

d_max设为最大粒级土粒的平均直径，W(δ>d_max)=0, 代入(4)式有k=d_max，由此得出土粒颗粒的重量分布与平均粒径之间的分形关系式：

(5)

或

(6)

分别以lg(W_i/W₀)，lg(d_i/dmax)为纵、横坐标，则3-D是lg(d_i/dmax)和lg(W_i/W₀)的实验直线的斜率，故可用回归分析方法对D进行测定。

2 结果与分析 2.1 不同森林景观土壤物理性质异质性

表 1表明，武夷山风景名胜区不同森林景观类型的土壤物理性质具有明显的异质性。土壤密度表征了土壤的疏松程度与通气性，土壤密度小，土壤疏松、通气度大，从而涵蓄水分以及供应林木生长所需水分的能力较强，即具较高的水源涵养和水土保持功能；相反，土壤密度大，土壤紧实、通气度小，土壤涵蓄水分与供应林木所需水分的能力就较差。土壤孔隙状况直接影响着土壤的通气透水性及根系穿插的难易程度，对土壤中水、肥、气、热和生物活性等发挥着不同的调节功能。土壤非毛管孔隙数量的多少，关系到林地土壤对降水的贮存能力，土壤非毛管孔隙的数量越多，质量越好，贮存降水的能力就越大。从表 1可以看出，6种森林类型的土壤密度大小次序依次为：E < A < B < F < D < C，而非毛管孔隙数量的次序为：E>A>B>F>D>C，表明在构成武夷山风景名胜区森林景观的6种森林类型中，不同森林景观土壤在渗透性、疏松程度、通气度、自动调节能力及抗逆性等物理性质方面存在明显差异，大小顺序为：阔叶林>马尾松林>杉木林>茶园>竹林>经济林。6种森林类型中，阔叶林、马尾松林和杉木林为天然林，而茶园、经济林和竹林为人工林或半人工林，3种人工林平均土壤密度(1.30 Mg·m^-3)是天然林(1.12 Mg·m^-3)的1.2倍，而天然林平均非毛管孔隙度(12.97%)是人工林(8.26%)的1.6倍，说明天然林的土壤物理性质较人工林理想。这是因为天然林的林分具有多层次结构，林分生物量组成及分布较合理，林分地上部分持水量大，土壤腐殖质积累较多，且不同种类植物根系在不同土层中穿插、挤压，因此，土壤疏松多孔，非毛管孔隙发达，渗透性好。阔叶林的这些特征尤其明显，因而其土壤性质各方面指标值要优于其它类型的森林。除土壤密度与非毛管孔隙度外，天然林在田间持水量与毛管持水量等指标上也表现出类似结果。

2.2 不同森林景观土壤团粒结构分形维数

研究区不同森林景观土壤团聚体组成见表 2。由表 2可知，不同森林景观土壤团粒结构粒径分布存在差异。6种森林类型>0.25 mm和>5 mm的团粒含量大小顺序皆为：B>E>A>F>D>C，而结构体破坏率大小顺序恰相反，为E < B < A < F < D < C，其中人工林的平均结构体破坏率(44.50%)是天然林(18.85%)的2.4倍，而天然林>0.25 mm和>5 mm的团粒平均含量(91.57%、44.48%)分别是人工林(78.14%、29.99%)的1.2和1.5倍，从而表明天然林土壤有机胶结水稳定性团聚体及水稳定性大团聚体含量大于人工林，而结构体破坏率低于人工林，加上天然林群落结构复杂、呈多层分布、林下有大量灌木和草本、乔木根系发达、凋落物积累于表层等原因，使天然林土壤结构稳定性好于人工林。

进一步运用分形理论计算得到不同森林景观土壤团粒结构的分形维数，结果亦列于表 2。从表 2可知，6种森林景观土壤团粒结构粒径分布的分形维数在2.332 1~2.903 0之间。其中在湿筛条件下，土壤团粒结构粒径分布的分形维数在2.645 0~2.903 0之间；在干筛条件下，土壤团粒结构粒径分布的分形维数在2.332 1~2.749 0之间，大小顺序皆为B < E < A < F < D < C，两者皆表现为>0.25 mm的团粒含量越低，其结构的粒径分布的分形维数越高。土壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参数，在维数上表现出粘粒含量越高、质地越细、分形维数越高。土壤团粒结构粒径分布的分形维数反映了土壤水稳定性团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势，即团粒结构粒径分布的分形维数愈小，则土壤愈具有良好的结构与稳定性。6种森林景观土壤粒径>0.25 mm含量最大的是杉木林，为16.21%，其分形维数最小，为2.233 1；土壤粒径>0.25 mm含量最小的是经济林，为32.42%，其分形维数最大，为2.903 0。因此，在6种森林景观中，以杉木林、阔叶林的土壤结构与稳定性较好，而经济林、竹林最差，这与前面土壤物理性质分析结果相吻合。

2.3 土壤团粒结构分形维数与土壤团聚体含量、土壤结构体破坏率间的关系

土壤团聚体和水稳定团聚体状况是影响土壤肥力的重要因素，很大程度上影响着土壤通气性，而结构体破坏率亦是反映土壤性质的重要指标，为此，分别建立了土壤团粒结构分形维数(D)与>0.25 mm土壤水稳定性团聚体含量(x₁)、>5 mm土壤水稳定性大团聚体含量(x₂)之间及不同筛分条件下土壤结构体破坏率(y)与分形维数之间的关系(表 3)。

表 3表明土壤团粒结构分形维数与>0.25 mm水稳定性团聚体含量、>5 mm水稳定性大团聚体含量之间以及结构体破坏率与分形维数之间均存在着显著或极显著回归关系，从而，再一次验证了土壤团粒结构分形维数可以作为表征土壤通透性、抗蚀性、稳定性等土壤物理性状的理想指标(何东进等，2001；2002)。

3 小结

土壤异质性是造成景观异质性的根本原因之一，也是景观异质性的重要物理基础。森林景观土壤异质性研究对于阐明武夷山风景区景观功能形成过程及有效保护世界自然和文化遗产具有重要作用。

武夷山风景名胜区不同森林景观土壤物理性质存在明显的异质性和规律性，表现为天然林的土壤容重、结构体破坏率小于人工林或半人工林，而>0.25 mm水稳定性团聚体含量、非毛管孔隙数量、田间持水量等指标却大于人工林或半人工林，因此，天然林的土壤水稳定性能比人工林好，土壤的渗透性、自动调节及抗逆性能也较人工林强。

运用分形理论进一步对不同森林景观的土壤团粒结构进行分析，结果表明土壤团粒结构的分形维数在表征土壤稳定性、能透性和抗侵蚀能力等方面具有理想的效果。林分结构越复杂、层次越多、>0.25 mm水稳定性团聚体含量越大，土壤就越稳定，渗透性就越强，土壤团粒结构的分形维数就越小；相反，林分结构简单、层次单一、>0.25 mm水稳定性团聚体含量越少，土壤团粒结构的分形维数就越大。从总的趋势来看，天然林的土壤团粒结构的分形维数小于人工林，在土壤通透性、稳定性、抗蚀性等方面优于人工林。

此外，土壤团粒结构的分形维数与土壤结构体破坏率、>0.25 mm水稳定性团聚体含量以及>5 mm水稳定性大团聚体含量之间均存在显著或极为显著的回归关系，从而说明土壤团粒结构分形维数在揭示土壤物理性状方面是一个理想的、值得信赖的表征指标。