不同修复模式边坡土壤水文效应及团聚体特征

苏宇, 刘邵谋, 张炜, 吴世磊, 贺维

四川省林业科学研究院，森林和湿地生态恢复与保育四川省重点实验室，四川 成都，610000

土壤层所发挥的水文效应是生态系统发挥水文调节作用、水源涵养功能的重要部分[1,2]，其蓄水能力和入渗特性[3]，主要受土壤孔隙特征的影响[4]。从土壤孔隙特征的角度，毛管孔隙度较大时，土壤中有效水的贮存量越大，用于植被自身生长发育的有效水分的比例越大；非毛管孔隙度越大时，土壤通透性越好，能够增加降水的下渗，从而减少地表径流，可充分发挥涵养水源功能[5]。同时，土壤表层的土壤团聚体团聚体是土壤结构的基本单元，影响着土壤众多的物理、化学、生物性质，由此其组成与稳定性成为衡量土壤质量、土壤肥力高低的重要指标而受到广泛关注。作为土壤物质和能量的转化及代谢场所，其含量和分布状况必然影响土壤质量和肥力状况，而土壤颗粒组成将决定土壤的通气透水、调节水肥和温度等功能，进而影响土壤的理化性质和生物学过程[6,7]。

目前，地震诱发的崩塌、滑坡等次生山地灾害，大量表层土壤流失和植被破坏，导致受损后的坡面土壤质量严重下降、植被资源衰退等生态环境问题[8-10]。因此，基于工程措施及生物措施，边坡土壤物理性质的影响情况成为灾后水土保持和生态重建的必要环节和前提。本文针对不同的修复模式，以“8.8”九寨沟地震衍生的边坡受损坡面为研究对象，运用经典统计学方法分析其土壤水文特征、颗粒组成及团聚体的空间变异特征，分析不同修复模式土壤团聚体粒径分布特征，采用粒径＞0.25 mm 团聚体、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和团聚体粒径分形维数（APD）分析团聚体稳定性对不同修复模式的响应特征，探讨干筛和湿筛条件下土壤团聚体粒径组成及稳定性特征的差异，揭示不同修复模式对土壤团聚体的粒径分布特征及其稳定性的影响。旨在揭示震后工程修复中对土壤物理结构性质的影响及空间变异特征，为维系区域生态安全、构筑区域生态屏障提供有效途径。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研 究 区 位 于 九 寨 沟 县（103°33′—103°44′E，30°2′—30°21′N），海拔1 458～3 478 m，属于青藏高原向四川盆地过渡的高山峡谷区。该区域属气候变化的敏感区，受西风急流和东南季风控制，年均温6 ℃～12 ℃，极端高温32 ℃，极端低温-16 ℃。年均降雨量718 mm，多集中在5 到10 月份，夏季温凉多雨，冬季寒冷干燥。土壤以半湿润、半干旱暖温带基带山地淋溶褐土为代表性土类，此外随海拔增加还分布着山地棕壤和山地暗棕壤等。主要植被包括云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies fabri）、油松（Pinus tabuliformis）、红桦（Betula albosinensis）、光皮桦（Betula luminifera）等（见表1）。

表 1 样地基本情况Tab. 1 Basic information of the sampled plots

1.2 样地设置与样品采集

对于九寨沟地震受损山体坡面的立地类型进行分类，选择坡面类型一致，坡度一致，进行土石袋阶梯工程修复小班。在不同坡向处建立实验小区，每个典型区域旁建立未受损生境作为对照，在每个小班设置试验样地布设3 个取样点，共计取样点12 个。

每个取样点，去除地表覆盖物，用环刀5 点采样，运回室内测定土壤水分物理性质。用原状土取样器采集表层（0～10 cm）、亚表层（10～20 cm）的原状土0.5 kg，保持土壤原有结构，带回实验室，按其自然结构剥成小土块，除去树根和石块，自然风干，测定土壤团聚体。

1.3 指标测定及计算方法

土壤含水量、土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用环刀法测定[19]：

式中：P为土壤容重（g/cm3），M为环刀和土质量（g），M0为环刀质量（g），V为环刀体积（cm3），Q为水的比重（g/cm3），K为土壤非毛管孔隙度（%），K1为土壤毛管孔隙度（%），K2为土壤总孔隙度（%），C为毛管持水量（%），C1为最大持水量（%），C2为土壤非毛管孔隙度（%），C3为毛管持水量（%），C4为有效土壤持水量（mm），C5为土壤最大持水量（mm），H为土层。

1.4 数据处理

采用Excel 软件对试验数据进行整理归纳，采用SPSS20.0 软件对数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤质地

根据国际标准，将研究区不同模式的土壤质地分类得出，不同修复模式的土壤颗粒特征，可以看出，不同修复模式不同土层颗粒之间存在差异，主要表现在0.05～0.25 mm 及0.01～0.05 mm，土壤颗粒组成以0.001～0.05 mm 粒径为主，0.25～1 mm 与＜0.001 mm粒径含量最低（见表2）。粒径＞0.01 mm 的略具吸水性、黏结性、黏着性和保肥性，少见可塑性；而粒径＜0.01 mm 的，土粒越细，吸水性、黏结性、黏着性、保肥性和可塑性越强，而通气性、透水性越弱。样地1 上下土壤层都表达为以0.001～0.01 mm颗粒含量最高，0−10 cm 土层＜0.001 mm 颗粒含量最低，而10～20 cm 土层0.25−1 mm 颗粒含量最低。样地2，上下土壤层都表达为以0.001～0.01 mm 颗粒含量最高，＜0.001 mm 颗粒含量最低。样地3，上下土壤层都表达为以0.001～0.01 mm 颗粒含量最高，0～10 cm 的表层土壤0.05～0.25 mm 颗粒含量最低仅有8.83%，10～20 cm 的亚表层土壤0.25～1 mm 的粒径含量最低为13.08%。样地4 上下土壤层都表达为以0.01～0.05 mm 颗粒含量最高，0.25～1 mm 颗粒含量最低。

表 2 不同修复模式土壤颗粒特征Tab. 2 Soil particles characteristics in different restoration models

2.2 土壤水文特征

0～10 cm，10～20 cm 土层在4 种不同的边坡修复模式下的土壤孔隙特征表达出差异性。不同修复模式土壤容重为S1＞S2＞S4＞S3。样地1 在上、下土层均表现出最高的土壤容重，显著大于样地3 和样地4 的0～10 cm 表层土壤。不同修复模式非毛管空隙度为S3＞S1＞S2＞S4，样 地3 的0～10 cm 表 层 土 最 高（29.67ψ/%），样地4 的10～20 cm 亚表层土最低（12.80ψ/%）。不同修复模式土壤毛管空隙度为S1＞S2＞S3＞S4，但差异并不显著。不同修复模式土壤总孔隙度为1＞3＞2＞4，样地3 的0～10 cm 表层土最高（56.97ψ/%），样地4 的10～20 cm 亚表层土最低（31.70ψ/%），与非毛管孔隙度表现一致（见表3）。

0～10 cm，10～20 cm 土层在4 种不同的边坡修复模式下的土壤持水量表达出差异性。不同修复模式土壤贮水量为S1＞S2＞S3＞S4。样地1 在上、下土层均表现出最高的土壤贮水量，在2，3，4 样地土壤贮水量均表现为0～10 cm 表层土壤高于10～20 cm 亚表层土壤。样地3 的0～10 cm 的表层和10～20 cm 的亚表层，在最大持水量、毛管持水量、最小持水量都表达出最大的变化差值，这种土层间的变化显著的大于不同的修复模式。不同修复模式合理灌溉定额都表现为0～10 cm 表层土壤高于10～20 cm 亚表层土壤（见表4）。

2.3 土壤团聚体稳定性特征

2.3.1 不同震后受损条件下土壤非水稳性团聚体特征

土壤团聚体作为土壤物质和能量的转化及代谢场所，其含量和分布状况必然影响着土壤质量。在4 个样地中，各粒径非水稳性团聚体存在显著性差异。4 个样地中2～5 mm 团聚体含量最高，达38.95%～54.68%；＞5 mm 团聚体含量最低，达2.07%～5.52%，差异并不显著（见表5）。

表 3 不同修复模式土壤孔隙特征Tab. 3 Soil pore characteristics in different restoration models

表 5 不同震后受损条件下土壤非水稳性团聚体组成Tab. 5 Composition of soil non-stable aggregates in different damage degrees after earthquake

表 6 不同震后受损条件下土壤水稳性团聚体组成Tab. 6 Composition of soil water-stable aggregates in different damage degrees after earthquake

2.3.2 不同震后受损条件下土壤水稳性团聚体特征

土壤水稳性团聚体是保持土壤结构稳定的重要物质，是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一（见表6）。2～5 mm 土壤水稳性团聚体含量在3 样地中的比例最高，含量显著大于其他各粒级含量，其中表层土（28.17%）、亚表层土（42.00%）。＜0.25 mm 土壤水稳性团聚体含量在1、2、4 样地中的比例最高，含量显著大于其他各粒级含量，其中样地4 的表层土（39.53%）、亚表层土（39.63%）皆为最高。土壤中＞0.25 mm 的土壤水稳性团聚体是土壤中最好的结构体，通常被称作土壤团粒结构体，其数量往往决定土壤稳定性状况。综合来看，本研究中＞0.25 mm的土壤团聚体含量顺序为下层土高于上层土壤，样地S3＞S2＞S1＞S4。

2.3.3 土壤团聚体稳定性特征

不同粒级的土壤团聚体对土壤的保持与供应、水力性质、孔隙组成和生物运动等均具有不同的作用，所以在团聚体总量的基础上，土壤团聚体的大小分布情况和土壤的质量之间存在更加紧密的关系。通常用土壤团聚体的 MWD 和 GMD 这两个指标来反映团聚体大小分布状况，其值越大，表示土壤团聚体的团聚度越高，稳定性越好。从表7 可知，干筛处理下，4 个样地的 MWD 值变化顺序为S1＞S3＞S4＞S2，GMD 值的变化顺序为S1＞S3＞S2＞S4。

表 7 土壤水稳性/非水稳性团聚体稳定性的变化特征Tab. 7 Variation characteristics of soil water-stable/non-water-stable aggregates stability

湿筛处理下，样地的水稳性团聚体 MWD 值、GMD 值都表现为亚表层土壤高于表层土壤，10～20 cm 亚表层土壤稳定性优于表层。4 个样地干筛法测得的MWD 值均比湿筛法 MWD 值高。这是风干性团聚体在水的浸泡作用下，大量非水稳性团聚体发生分解而造成的，所以用风干性团聚体的MWD和GMD 来反映土壤团聚体质量差异不够精确，而用水稳性团聚体的 MWD 和GMD 评价土壤团聚体实际情况更具说服力。

土壤团聚体粒径分布的分形维数表征土壤水稳性团聚体对土壤结构与稳定性的影响，也就是其分形维数越小，土壤结构和稳定性越强，抗蚀能力越好。风干团聚体分形维数D 值变化顺序为S4＞S2＞S3＞S1，水稳性团聚体分形维数D 值变化顺序为S4＞S1＞S2＞S3。水稳性团聚体分形维数在各个样地都表现为表层高于亚表层，但差异不显著（见表7）。

2.4 分形维数与土壤机械组成和土壤水文特征的关系

2.4.1 不同修复模式土壤孔隙特征与持水量相关性

由相关性分析可知，土壤容重与土壤贮水量呈显著正相关，与最大持水量呈显著的负相关；非毛管孔隙与最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力皆呈现显著正相关；毛管孔隙、总孔隙度与土壤贮水量、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力、合理灌溉定额皆呈现显著正相关（见表8）。

2.4.2 土壤团聚特征与土壤水文性质的关系

由相关性分析可知，风干团聚体分形维数D 与土壤容重与水稳性团聚体分形维数D 与土壤水文性质并不存在显著相关关系，微团聚体分形维数与土壤容重呈显著正相关关系（见表9）。土壤分散系、结构系数与土壤容重呈显著负相关关系。团聚状况、团聚度与土壤容重呈显著的负相关，与非毛管孔隙、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、排水能力、合理灌溉定额皆呈现显著正相关。团聚度与毛管孔隙度呈现显著正相关。

表 8 土壤孔隙特征与持水量相关性Tab. 8 Correlation between soil pore characteristics and water holding capacity

3 结论与讨论

3.1 不同修复模式土壤水文特征

土壤物理性质的差异影响土壤中水分移动、土壤表层径流、土壤渗透性能、养分储存及循环等过程[11]，从而影响生态系统水文过程。土壤孔隙度及容重能够反映通气状况和紧实程度，非毛管孔隙是土壤水分快速运动通道，其下渗速率远高于毛管孔隙，非毛管孔隙度越大越有利于土壤水分下渗运动，土壤透气性和透水性较好，能够有效减少地表径流，促进土壤的水源涵养[22,23]。不同修复模式非毛管 空 隙 度 为S3＞S1＞S2＞S4，土 壤 容 重 为S1＞S2＞S4＞S3，在本研究的4 种修复模式中以补植披碱草、早熟禾等草本的3 号模式为最优。人工修复补植可以有效的改善土壤水文特征，特别是草本的引入可以显著的改良表层土壤水源涵养能力。

土壤水分是生态系统物质循环过程的重要载体，能够调节土壤养分和能量分配格局，对地表径流产生、生态系统蒸散过程、水分循环及平衡具有重要意义[12,13]。土壤最大持水量可反映土壤在雨季时最大的持水能力，而毛管持水量可近似认为土壤在枯水季节的贮水量[14,15]，土壤的贮水量越小，不利于水源涵养，当降雨量达到一定程度就会产生地表径流，造成水土流失。不同修复模式土壤贮水量为S1＞S2＞S3＞S4，样地1 在上、下土层均表现出最高的土壤贮水量。云杉与红桦等乔木的人工补植有效的改善了土壤贮水能力，且西南坡向的表现优于东北坡向，即阳坡优于阴坡。本研究的结果与鲁中山区、冀北山地、土壤不同生态修复措施下水文特征表现出一致性[16,1]。

表 9 （干湿筛）分形维数与土壤水文性质的关系Tab. 9 Relationship between fractal dimension and soil hydrological properties

3.2 土壤团聚体分布特征及稳定性特征

土壤颗粒组成可表征土壤质地、结构组成和土壤通透性等结构组成特征。边坡表层土壤受地震滑坡扰动影响大，大量土壤细颗粒物质随滑坡而流失，植被破坏严重，地表处于裸露状态，造成表层土壤细颗粒被降雨冲刷和风蚀，不利于成土作用，所以该位置土壤颗粒组成以粒径较大的砂粒为主[17,18]。震后受损坡面山体裸露率大，坡度较陡，水土流失现象将会持续发生，而目前以土石袋阶梯、秸秆覆盖和栽植云杉、红桦以及草本等治理措施为主进行治理，有效促进植被恢复，增加土壤养分含量、增强土壤微生物和植被根系活性，逐渐提高土壤养分含量[20]。

受损边坡受到外营力扰动，地表土体松散，加上实施了大量水土保持工程，人为干扰严重，大粒径的土壤团聚体被破碎分散，土壤团聚体的稳定性下降，土壤水稳性团聚体和风干性团聚体的变化特征基本一致，风干性团聚体的 MWD 和 GMD 值均比水稳性团聚体大，这与谭秋锦等[17]的研究结果一致。大量土壤黏粒、有机质等土壤团聚体的胶结剂损失，进而导致土壤团聚体稳定性降低，土壤抗蚀能力下降[21]。4 个样地的 MWD 值变化顺序为S1＞S3＞S4＞S2，GMD 值的变化顺序为S1＞S3＞S2＞S4，皆为杉与红桦等乔木的人工补植模式表现最优。