色季拉山垂直气候带土壤可蚀性研究

乔 锋 王明刚 李 晶 杨文姬 喻 武 聂晓刚

(1.水利部水沙棘开发管理中心，北京 100038；2.山合林 (北京) 水土保持技术有限公司，北京 100038；3.西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000)

土壤侵蚀是指土壤或者成土母质在水力、风力作用下，遭到破坏和剥蚀，并发生搬运和沉积的过程[1]。土壤侵蚀不仅引起土地资源的流失与破坏，还会使大量肥沃表土流失，造成土壤质量及肥力下降，同时还会引起水体环境恶化，河道淤积甚至泥石流、洪涝灾害等一系列生态环境问题[2-4]。导致土壤侵蚀的因素除降雨、土壤、地形地貌、植被等因子外，其中土壤自身的抗侵蚀能力也是重要的因子之一，国际上通常用土壤可蚀性K值来衡量[5]。土壤可蚀性K值是指土壤是否易受侵蚀破坏的可能性，是控制土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应[6-8]。

色季拉山作为藏东南最为典型的山脉体系，由于地势高亢，垂直高差近3 000 m，气候多样，雨量充足，不仅地面物理风化作用强烈，同时受季节性气候影响，厚层积雪融化正值降雨集中期，高频次且较为集中的降水在一个落差近几千米的坡面上，随着汇水面积和强度的增加，土壤侵蚀能力也逐渐增强。区域的独特性使得该区土壤侵蚀除了具有我国其他地区的一些一般特征外，更具有一些其他区域所不具备的特征[9]。长期以来，研究人员对不同海拔下的植被、土壤属性进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果[10-12]，而针对高寒区不同气候带土壤可蚀性方面的研究却鲜有报道。因此本研究以色季拉山不同气候带土壤为研究对象，通过侵蚀-生产力影响模型 (EPIC) 对该区域土壤可蚀性进行分析，探讨影响可蚀性的关键因素，并分析不同气候带土壤可蚀性的差异，以期为青藏高原山地区域的土壤可蚀性差异研究提供参考。

1 研究区概况

色季拉山位于西藏东南部巴宜区境内，地处东经94°28′～94°51′，北纬29°21′～29°50′，是念青唐古拉山余脉与喜马拉雅山东部向北发展的山系结合部，整个山脉呈东北-西南走向，地势西高东低[13-14]。受印度洋暖湿季风气候影响，处于半湿润区与湿润区的过度地带，海拔2 200～5 300 m，面积约230 km2。年平均日照时数1 150 h[15]，年均气温-0.7 ℃，极端最低温-31.6 ℃，极端最高温24 ℃。年降水总量在600～1 000 mm，且集中在5—10月，占全年降水的75%左右[16]。温凉而潮湿的气候条件，导致色季拉山垂直梯度上形成明显的气候带，并且从山顶到山脚区域内的土壤可划分为海拔4 800 m以上的高山寒漠土、林线以上的高山草甸土、高山灌丛下的亚高山灌丛草甸土、高海拔冷杉 (Abiesfabri) 林下的山地漂灰土和针阔混交林下的山地暗棕壤5种类型，土层平均厚度60 cm，母岩以花岗岩为主[17]。

2 研究方法

2.1 样品的采集与处理

2018年5月中旬，在典型林地内选取具有代表性的位置，设立10 m × 10 m小样方，按照5点采样法，取0～20 cm土层原状土壤5个，同时对样地植被、土壤、坡度、坡向等生境进行调查，样地基本状况见表1。带回土样在实验室按其纹理掰开，剔除枯枝、石砾等，自然风干备用。

土壤风干团聚体采用沙维诺夫干筛法；水稳性团聚体含量采用Yoder湿筛法测定[18]；采用Bettersize 2000激光粒度分布仪分析土壤机械组成，按照美国制设置颗粒分布；采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量[19]。

2.2 土壤可蚀性K值计算方法

本研究采用Williams等[20]提出的EPIC模型计算土壤可蚀性K值，其计算方法见式 (1)。

(1)

式中：SAN、SIL、CLA分别为砂粒、粉粒、黏粒含量，C则为土壤有机碳含量。

2.3 分析方法

采用Excel 2010及SPSS 17.0进行数据统计分析，通过单因素方差分析检验其结果差异性，运用Pearson相关系数法检验指标之间的相关性。

3 结果分析

3.1 土壤团聚体含量空间分布特征

不同气候类型下土壤团聚体含量分布见表2。

土壤团聚体包括水稳性团聚体和非水稳性团聚体，是反映土壤物理结构的重要组成部分[21]，而土壤团聚体结构破坏率是指水稳性团聚体在土壤非水稳性团聚体中的比例。由表2可知，不同气候区土壤大于0.25 mm非水稳性团聚体含量表现为山地温带-亚高山寒温带过渡带 > 亚高山寒温带 > 高山寒温带 > 山地温带 > 亚高山寒温带-高山寒温带过渡带。另外，由土壤团聚体结构破坏率可以看出，不同气候条件下，土壤水稳性团聚体结构破坏率范围在4.97%～21.28%，且随海拔升高表现为先减小后增大再减小的变化趋势，通过方差分析发现彼此间差异显著 (P< 0.05)。而在湿筛过程中，随着土壤团粒结构破碎，除山地温带-亚高山寒温带过渡气候带、山地温带外，其他气候区的土壤团粒均表现为大于1 mm、0.25～0.5 mm粒径范围非水稳性团粒含量减少，而0.5～1 mm、小于0.25 mm粒径范围内水稳性团粒含量增多，其中以大于5 mm、小于0.25 mm团粒结构变化最为明显。

表1 样地基本状况Table 1 Basic status of plots

表2不同气候类型下土壤团聚体含量分布
Table 2 Distribution of soil aggregates under different climatic types

气候类型团聚体类型不同粒径土壤颗粒含量分布/(g∙kg-1)>5mm2～5mm1～2mm0.5～1mm0.25～0.5mm<0.25mm团聚体结构破坏率/%团聚体平均质量直径/mm土壤水稳性指数/%山地温带非水稳性团聚体水稳性团聚体615.08588.53110.52126.7365.6539.8746.4850.3328.2915.07133.98179.475.24d4.39c26.48a山地温带-亚高山寒温带非水稳性团聚体水稳性团聚体682.43544.10123.10234.8056.5558.2059.5458.7033.0711.4045.3192.804.97e4.51a34.56a亚高山寒温带非水稳性团聚体水稳性团聚体628.23595.80131.19116.2074.0063.1064.3384.6042.3227.6059.93112.705.61c4.46b35.43a亚高山寒温带-高山寒温带非水稳性团聚体水稳性团聚体389.77201.07121.2854.00106.5894.60128.15231.2094.3380.47159.89338.6621.28a1.88e16.43c高山寒温带非水稳性团聚体水稳性团聚体412.64324.80149.33115.93118.7895.00132.51197.5384.1463.67102.60203.0711.20b2.86d13.89d

注：同列不同小写字母表示差异显著。

土壤水稳性团聚体平均重量直径作为反映土壤团聚体大小分布状况的综合指标[22]，研究区不同海拔土壤水稳性团聚体平均质量直径随着海拔升高，表现为先增大后减小再增大的变化规律，其顺序为亚高山寒温带 > 山地温带-亚高山寒温带气候过渡带 > 山地温带 > 亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带 > 高山寒温带，且彼此间差异显著 (P< 0.05)。

水稳性指数是通过测定土壤团聚体在静水中的分散速度来比较土壤抗蚀性能的大小，随着海拔升高，土壤水稳性指数在亚高山寒温带出现最大值，为35.43%，其后依次为山地温带-亚高山寒温带气候过渡带、山地温带、亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带、高山寒温带，且除山地温带-亚高山寒温带过渡带与亚高山寒温带之间差异不显著外，其余气候区彼此间差异均显著 (P< 0.05)。

3.2 土壤颗粒组成含量空间分布特征

不同气候类型下土壤颗粒组成含量分布见表3。

表3 不同气候类型下土壤颗粒组成含量分布Table 3 Distribution of soil mechanical composition under different climate types

由表3可知，4种典型林地土壤主要以粉粒、砂粒含量为主，黏粒含量仅占到2.66%～4.38%，土壤质地以粉壤土为主，这符合西藏高原地质历史年轻的特点。多重比较分析表明，不同气候带间土壤黏粒含量差异显著 (P< 0.05)，粉粒含量除亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带与高山寒温带之间差异不显著外，其余气候带间差异均显著 (P< 0.05)，砂粒含量则表现为亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带与高山寒温带、山地温带-亚高山寒温带气候过渡带与亚高山寒温带彼此间差异不显著，但均与山地温带气候区差异显著 (P< 0.05)。

土壤有机碳作为土壤团粒主要胶结物质，对于提高土壤的抗蚀能力具有重要作用。研究区土壤有机碳含量随海拔上升气候变化具体表现为先增加后减小再增加后减小的M型变化规律。由土壤可蚀性K值计算结果可知，研究区土壤可蚀性K值分布范围在0.322 9～0.345 2。其中以山地温带-亚高山寒温带过渡带土壤可蚀性K值最高，亚高山寒温带-高山寒带过渡带土壤可蚀性K值最小。依据刘斌涛等[23]对青藏高原的土壤可蚀性强弱的分级标准，藏东南典型气候带土壤可蚀性K值均大于0.3，属于高可蚀性，且变异系数在0.03%～0.65%，可蚀性K值的空间变异性较弱；方差分析表明，不同气候区土壤可蚀性K值除亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带与高山寒温带彼此间差异不显著外，其余气候区间的差异性显著 (P< 0.05)，这说明受到成土条件影响，不同气候区土壤抗侵蚀能力差异显著。

3.3 土壤可蚀性K值与影响因子相关性分析

由于土壤可蚀性不仅受其自身理化性质的影响，而且随外界影响因子变化可蚀性也会发生相应变化[22]，但EPIC模型仅反应了土壤可蚀性K值与土壤机械组成、有机碳含量的相关性。为了进一步深入揭示土壤可蚀性的垂直分异特征及其受其自身物理指标的影响规律，利用SPSS 17.0对土壤可蚀性K值与海拔、土壤机械组成、有机碳含量、土壤团粒结构进行Pearson相关性分析，其结果见表4。由表4可知，土壤可蚀性K值与土壤大于0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤大于0.25 mm非水稳性团聚体含量、土壤平均质量直径、水稳性指数、粉粒含量呈极显著正相关关系 (P< 0.01)；但与海拔、砂粒含量呈负相关关系，相关系数分别为-0.572 (P< 0.05) 和-0.988 (P< 0.01)，与土壤有机碳百分比、黏粒含量无显著相关关系。相关性分析说明土壤粉粒含量越高、砂粒含量越小、土壤水稳性指数越强，研究区土壤可蚀性K值越大；与海拔之间呈显著负相关 (P< 0.05)，说明在一定范围内海拔及气候变化能对土壤可蚀性K值产生一定的影响。

表4 土壤可蚀性与影响因子相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil erodibility and influencing factors

注：X0表示海拔，X1表示土壤有机碳百分含量，X2表示大于0.25 mm水稳性团聚体含量，X3表示大于0.25 mm非水稳性团聚体含量，X4表示土壤团聚体破坏率，X5表示土壤平均质量直径，X6表示土壤水稳性指数，X7表示黏粒含量，X8表示粉粒含量，X9表示砂粒含量，X10表示土壤可蚀性K值。*表示显著相关 (P< 0.05)；**表示极显著相关 (P< 0.01)。

4 结论与讨论

色季拉山属高山地形，由于不同海拔气候因素的空间差异，导致生态环境及植被类型在不同气候区表现出较大的空间异质性，并最终影响土壤可蚀性。研究结果表明，色季拉山不同气候区土壤大于0.25 mm团聚体含量在山地温带-亚高山寒温带气候过渡带最高，其次为亚高山寒温带，而在山地温带却相对较低。同时，通过比较不同气候区土壤团粒结构干湿筛含量变化，发现大于5 mm、0.5～1 mm、小于0.25 mm土壤团粒结构在亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡区土壤干筛团粒含量与湿筛团粒含量之间变幅出现最大值，而2～5 mm、0.25～0.5 mm粒径最大变幅出现在山地温带-亚高山寒温带气候过渡区，1～2 mm土壤团粒结构在湿筛过程中在山地温带出现最大值。这主要与山地温带人为活动影响较大有关。由于区间气候温暖，人为活动频繁，周边居民生产生活燃料主要来源于对周边树木的砍伐，再加上特殊的牲畜放养模式等导致土壤大于0.25 mm团聚体含量相对较低。而随着海拔增加，人为扰动逐渐减小，温凉而湿润的气候条件和表层苔藓及植被植被凋落物为植物生长提供充足水分及有机质来源，使得山地温带-亚高山寒温带气候过渡带及亚高山寒温带土壤平均重量直径及水稳性指数相对较高，而团聚体破坏率相对较小，而亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡区位于4 300 m左右海拔范围，属暗湿针叶林与灌丛过渡地带，区间气候由亚高山寒温带向高山寒带转变，受冻融作用影响逐渐增强，大土壤团粒结构破碎严重，而0.5～1 mm、小于0.25 mm等中小粒级团粒比例增加。

土壤有机碳含量呈M型变化的原因，可能是由于山地温带及山地温带-亚高山寒温带气候过渡带气候区植被类型主要以针阔混交林为主，水热条件充足，植被根系及枯落物与微生物交互作用明显，随着海拔升高，人为扰动逐渐减少，有机碳比重也逐渐增加。而随着区间温度降低，气候从山地温带向亚高山寒温带过渡，冷湿暗针叶树种增多，郁闭度达65%，土壤微生物活动逐渐受到限制，低温潮湿的条件下随着表层枯落物分解缓慢，在较大的坡度上腐殖质、铁铝氧化物淋溶作用增加，土壤有机碳含量相对较低，而随着海拔升高坡度降低，亚高山寒温带-高山寒温带气候过渡带土壤有机碳含量又逐渐增加。在干冷的气候条件下，表层土壤有机碳分解缓慢致使较易积累；高山寒温带气候区由于受特殊气候影响植被生长缓慢且盖度相对较小，再加上微生物数量及活性较低，土壤有机碳含量也相对较低。

通过相关性分析发现，研究区土壤可蚀性与砂粒含量为极显著负相关，与粉粒呈极显著正相关，这与前人研究结果一致，即土壤可蚀性K值随粉粒含量的增加而增大，随砂粒含量的增加而减小[24]。已有研究表明[25]，土壤可蚀性K值与土壤粒径和有机碳含量有很强的相关性，K值在很大程度上取决于颗粒和有机碳的共同耦合作用，从而增强土壤抗侵蚀能力。但本研究发现不同气候区土壤可蚀性与有机碳含量相关性不显著，这主要可能与研究区高寒的特殊气候环境有关。一方面随着研究区海拔升高，冻融作用逐渐增强，改变土壤团粒结构颗粒的组成，将大团粒结构崩解破碎成小团粒结构，显著降低了较大粒径团粒结构 (大于1 mm) 的比例，提高了其他中小粒级团粒结构的比例；而另一方面，在干冷的气候条件下，土壤微生物活动受限，低温对土壤有机质的积累产生负效应[26]，而频繁的冻融循环作用使土壤团粒结构稳定性破坏，使得被土壤包裹吸附着的有机质提前解聚出来，引起有机碳含量增加[27]，但对土壤可蚀性能却并未增强。