西藏米拉山土壤团聚体垂直地带性特征

喻武， 任德智， 杨文姬， 宋珺， 乔锋， 李晶

1. 西藏农牧学院 资源与环境学院， 西藏 林芝 860000； 2. 西藏农牧学院 高寒水土保持研究中心， 西藏 林芝 860000；3. 成都市农林科学院 林业研究所， 成都 611130； 4. 山合林(北京)水土保持技术有限公司， 北京 100038；5. 中国铁路总公司发展和改革部， 北京 100844； 6. 水利部沙棘开发管理中心， 北京100038

土壤团聚体是评价土壤侵蚀潜在发生危险性的重要指标， 其稳定性直接影响土壤表层的水、 土界面行为， 特别是与降雨入渗、 产流过程具有较为紧密的联系[1]． 已有研究表明， 由于地形、 气候、 植被以及外界干扰程度的不同， 土壤理化性质具有一定的空间异质性， 进而使土壤结构稳定性、 抗蚀能力产生差异[2-3]． 为了减弱团聚体直径对土壤理化性质的影响， 并对土壤团聚体的特征进行定量分析， Van Bavel[4]及Gardner[5]提出了平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的概念， 从而提高团聚体含量在土壤物理结构和抗蚀性评价指标体系中的影响权重[6]． 而Hessen等[7]利用质量分布与平均粒径间的关系计算出了土壤团聚体分形维数． 朱丽琴等[8]研究结果表明， 土壤团聚结构受森林恢复的过程影响所需的时间较为漫长． 在森林恢复初期， 可通过加强人工抚育促进团聚体的形成和稳定， 改善土壤结构． 胡阳等[9]对典型岩溶山区植被恢复的土壤团聚体研究表明， >0.25 mm粒级的团聚体含量， 土壤团聚体的MWD和GMD明显与地表植被覆盖类型有明显的关系． 姜敏等[10]对丹江口库区不同土地利用方式土壤团聚体稳定性及分形特征研究表明， 人工林和自然林土壤稳定性和抗蚀性更好． 因此， 关于不同植被群落及地形等因素影响下的土壤理化性质及团聚体结构受到众多学者的关注[11-12]．

米拉山海拔梯度差异极大， 自然环境呈明显的垂直带性规律， 生态环境极其脆弱， 季节性冻土发育， 土壤稳定性受冻融作用、 植被覆盖和侵蚀等方面的影响极为明显． 在每年的雨季， 融水与降水叠加， 形成强烈的地表径流， 极易产生水土流失， 也对局地位置的植被产生了较大的破坏[13]． 近年来， 伴随着全球气候变暖， 社会经济的快速发展， 研究区水土流失因素增多， 强度也有增大的趋势． 这对区域生态环境保护、 开发利用等带来了极大的挑战． 研究区虽然开展了一些土壤、 植物等方面的研究工作， 但多集中在资源的开发利用潜力方面[13-15]， 在揭示研究区环境垂直地带性规律特征及其原因方面的研究还比较欠缺． 因此本研究以米拉山海拔4 200～5 000 m为研究区域， 探讨不同海拔影响下土壤理化性质差异、 团聚体分布特征及稳定性特征， 从而为藏东南类似米拉山的高寒区生态环境建设与保护提供科学理论依据．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于米拉山东坡海拔4 200～5 000 m， 地理坐标为92°19.607′-92°31.479′E， 29°50.131′-29°54.678′N， 海拔高差800 m(表1)， 属高原温带季风气候区． 受印度洋暖湿气流影响， 区域干湿季节分明． 每年5-10月为雨季， 天气温暖、 湿润、 多雨； 11-次年4月为旱季， 天气干燥、 晴朗， 昼夜温差大． 根据工布江达水文站记录， 研究区多年平均气温7.98 ℃， 最低气温-15.15 ℃， 最高气温29.07 ℃． 年气温较差44.22 ℃， 年降水量在550 mm左右[16]． 植被结构较为简单， 主要为草地及灌丛草地， 主要植物有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、 羊茅(Festucaovina)、 高山柳(Salixcupularis)、 圆穗蓼(Polygonummacrophyllum)、 金露梅(Potentillafruticose)等草本及小灌木． 土壤类型多为高寒草甸土和山地黄棕壤．

表1 样地基本状况

1.2 样品采集与处理

2017年9月， 从米拉山口向林芝方向， 在海拔4 200～5 000 m， 以200 m为一个海拔梯度， 选取典型样地． 在每个样地内选取代表性位置(图1)， 设立3个10 m×10 m小样方， 对样地植被、 灌草盖度、 土壤类型、 坡度、 坡向等生境进行调查． 以“S”法采集土壤， 采集 0～20 cm土层原状土壤2 kg左右， 用大铝盒装好带回实验室， 按照其纹路轻轻掰成大约直径为1～2 cm的土块晾晒风干， 并仔细剔除其中枯枝、 树根及砾石． 风干后， 用于土壤团聚体分析， 研磨过0.149 mm筛后用于有机质的测定． 同时采集环刀(100 cm3)土样用于容质量、 孔隙指标分析． 每样方采样重复3次， 原状土样和环刀土样各45个．

图1 样地分布

1.3 物理指标测定方法

土壤有机碳采用浓硫酸—重铬酸钾外加热法测定[17]． 土壤机械稳定性团聚体及水稳性团聚体采用沙维诺夫法测定， 土壤容质量、 孔隙度采用环刀法测定[17]．

1.4 指标计算

团聚体破坏率(%)=(>0.25 mm团聚体分析值(干筛-湿筛)/>0.25 mm团聚体干筛分析值)×100%．

(1)

式中：MWD为平均重量直径；GMD为几何平均直径；Xi为任一粒径范围团聚体平均直径；Wi为任一粒径范围团聚体质量占土壤样品质量的百分数．

分形维数(Fractal Dimension，D)采用杨培岭等[18]推导的公式计算：

(2)

1.5 数据处理

采用Excel 2010，SPSS 17.0及ArcGIS 10.2分别进行数据统计分析及图表制作． 不同数据组间差异显著性比较采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比较(p<0.05)． 相关性分析采用Pearson双变量相关分析(p<0.05)．

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

2.1.1 土壤容质量与孔隙度

土壤容质量是土壤的基本物理性质， 反映了土壤质地、 结构和有机质质量分数等综合物理状况[19]． 孔隙度的大小、 数量及分配是土壤物理性质的基础， 并对土壤水分和通气透水性有直接影响， 是评价土壤结构特征的重要指标[20]． 由图2a可知， 土壤容质量变化范围在0.49～0.75 g/cm3． 海拔4 600 m灌木林土壤容质量最大， 海拔5 000 m草甸地最小． 土壤容质量从大到小对应的海拔依次为： 4 600，4 200，4 400，4 800，5 000 m． 经ANOVA分析， 海拔4 600 m与4 200 m间差异无统计学意义， 但均显著大于其余海拔． 而5 000，4 800，4 400 m海拔间差异无统计学意义． 由图2b可知， 土壤总孔隙度变化范围在60.16%～73.70%． 以海拔4 600 m最小， 海拔5 000 m最大． 土壤总孔隙度从大到小对应的海拔依次为： 5 000，4 800，4 400，4 200，4 600 m． 与容质量呈相反变化规律． ANOVA分析表明， 海拔4 600 m显著小于其余4个海拔．

2.1.2 土壤有机质

由图2c可知， 有机质质量分数随海拔并无统一的变化规律， 总体以海拔4 400 m灌木林地最高(133.96 g/kg)， 其次为海拔5 000 m草地(121.94 g/kg)， 海拔4 600 m灌木林地最小(60.03 g/kg)． 有机质质量分数从大到小对应的海拔依次为： 4 400，5 000，4 200，4 800，4 600 m． ANOVA分析表明， 不同海拔间的灌草地土壤有机质差异具有统计学意义． 其中， 以海拔4 600 m显著小于其余4个海拔， 海拔4 400 m灌木林地及海拔5 000 m草地两者间差异无统计学意义， 但均显著大于海拔4 800 m草灌林地及海拔4 200 m灌木林地， 而海拔4 800 m与海拔4 200 m差异无统计学意义．

不同小写字母表示不同海拔间差异有统计学意义(p<0.05)， 下同．图2 不同海拔土壤基本理化性质分布特征

2.2 团聚体特征

2.2.1 团聚体数量分布特征

土壤团聚体是组成土壤的基本单元， 能反映土壤众多的理化性质， 其粒径分布特征更是反映了土壤对外力(风力、 水力)侵蚀作用的敏感程度[21-22]． 干筛法试验得到的是机械稳定性团聚体， 亦称为非水稳性团聚体． 土壤团粒结构体通常是指>0.25 mm的土壤团聚体， 是维持土壤结构稳定的基础， 通常它在土壤中的比例越高， 土壤结构的稳定性就越大[23-24]． 由表2可知， 研究区土壤团聚体以>0.25 mm为主， 达到90%以上． 可见， 尼洋河上游海拔4 200～5 000 m的草地、 灌丛0～20 cm土层中， 团聚体均具有较强的机械稳定性． 稳定性从高到低对应的海拔依次为： 5 000，4 400，4 200，4 800，4 600 m． ANOVA分析表明， 海拔5 000 m及4 400 m均显著大于海拔4 800，4 600，4 200 m． 对于不同粒径级， 海拔4 400～5 000 m均以>10 mm粒径团聚体为主， 达到50%以上， 其余各粒径级数量较小， 均未达到10%． 而海拔4 200 m处>10 mm粒径团聚体仅占到29.15%， 其余均分散分布于10～0.25 mm间．

表2 土壤机械稳定性团聚体分布特征(干筛法) %

利用湿筛法试验得到的是水稳性团聚体． 已有研究表明， 比起非水稳性团聚体， 水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有更为重要的贡献[24-25]． 由表3可知， 除4 600 m海拔<0.25 mm水稳性团聚体比例较小， 为75.15%外， 其余海拔均达到80%以上， 水稳定性团聚体比例从大到小对应海拔依次为： 4 200，5 000，4 800，4 400，4 600 m． 总体上， 经湿筛后， 研究区土壤均能保持较好的团聚度． ANOVA分析表明， >0.25 mm水稳性团聚体比例仅海拔4 600 m显著小于其余4个海拔， 其余海拔间无明显差异． 对于不同粒径级分布， >5 mm水稳性团聚体比例从大到小对应海拔依次为： 4 400(50.75%)，4 800(49.37%)，5 000(48.05%)，4 600(40.77%)，4 200 m(28.26%)， 4 200 m显著小于其他海拔． 海拔5 000，4 800，4 400 m 的2～1，1～0.5，0.5～0.25 mm 3个粒径级所占比例均较小， 未达到10%． 海拔4 600 m和4 200 m的1～0.5 mm两个粒径级分别占到12.58%和17.22%， 显著大于其他海拔． 总体上研究区土壤水稳性团聚体含量随粒径的减小呈减小趋势．

表3 水稳性团聚体分布特征(湿筛法) %

2.2.2 土壤团聚体稳定性分析

团聚体破坏率(PAD)是破碎的湿筛团聚体比率， 反映了团聚体在以水力为主的外营力影响下保持稳定的能力， 其数值越小， 土壤结构越稳定[26-27]． 由图3a可知， 不同海拔土壤PAD存在一定差异， 从最小10.73%到最大17.41%， 增加了62.26%， 但总体上PAD都维持在较低水平内． 其中， 海拔4 600 mPAD最高， 显著大于海拔4 200 m， 其余海拔间差异无统计学意义．PAD从大到小对应海拔依次为： 4 600(17.41%)，4 400(13.54%)，5 000(13.48%)，4 800(11.42%)，4 200 m(10.73%)． 比较环境概况可知， 植被是土壤团聚体保持稳定的重要原因．

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)这两项指标能综合反映土壤团聚体大小分布． 已有研究表明[28]，MWD及GMD值越大， 表示土壤团聚度越高， 团聚体稳定性就越好． 由图3b，3c可知， 对于机械稳定性团聚体MWD， 5个海拔变化范围在3.38～4.19 mm， 以海拔5 000 m最大， 比最小的海拔4 200 m高出23.96%，MWD从大到小对应海拔依次为： 5 000(4.19 mm)，4 800(4.03 mm)=4 400(4.03 mm)，4 600(3.98 mm)，4 200 m(3.38 mm)． ANOVA分析表明， 海拔5 000，4 800，4 400，4 600 m互相之间差异并无统计学意义， 但均显著大于海拔4 200 m．GMD值从大到小对应海拔依次为： 5 000(3.05 mm)，4 400(2.89 mm)，4 800(2.74 mm)，4 600(2.66 mm)，4 200 m(2.13 mm)． ANOVA分析表明， 海拔5 000，4 800，4 400，4 600 m互相之间差异无统计学意义， 但均显著大于海拔4 200 m． 据上分析， 不同海拔下的植被群落， 机械稳定性团聚体MWD及GMD以高海拔(5 000，4 800 m)的草地最好， 海拔4 600 m和海拔4 400 m灌丛次之， 海拔4 200 m灌丛最小．

图3 土壤团聚体稳定性特征

在湿筛条件下，MWD及GMD均小于干筛条件的数值， 这是因为湿筛法所测得团聚体数量要远小于干筛法所测得团聚体数量[29]．MWD，GMD变化范围分别为1.63～1.90，0.95～1.22 mm． 两种指标均以海拔4 800 m最大， 分别为1.90，1.22 mm． 海拔4 400 m次之， 为1.87，1.20 mm． 海拔4 600 m最小， 仅为1.63，0.95 mm． 两个指标大小规律表现一致， 从大到小对应海拔依次为： 4 800(1.90，1.22 mm)，4 400(1.87，1.20 mm)，5 000(1.85，1.18 mm)，4 200(1.87，1.20 mm)，4 600(1.63，0.95 mm)． ANOVA分析表明，MWD，GMD在海拔5 000，4 800，4 400 m差异无统计学意义， 但均显著大于海拔4 600 m和海拔4 200 m．MWD以海拔4 200 m灌丛显著小于海拔4 800 m草地． 由此可知， 较高海拔(5 000，4 800 m)的草地团聚体水稳性结构要优于中低海拔(4 400，4 200 m)灌丛地．

2.3 团聚体分形维数

团聚体粒径分布的分形维数(D)越小， 则土壤的结构和稳定性越好[6]． 由表4可知， 机械稳定性团聚体D干筛为2.43～2.53， 水稳性团聚体D湿筛为2.54～2.65． 回归分析所得R2均在0.87以上． 其中，D干筛以海拔4 600 m最大， 海拔5 000 m最小．D湿筛以海拔4 600 m最大， 海拔4 200 m最小． 两种不同条件下的D值从大到小对应海拔依次为： 干筛4 600，4 800，4 400，4 200，5 000 m； 湿筛4 600，4 400，4 800=5 000，4 200 m． 两种条件下的D在海拔5 000～4 600 m逐渐增大， 即从草地过渡到灌木林地，D增大． ANOVA分析表明， 对于D干筛， 海拔4 400 m与其余4个海拔差异均无统计学意义． 海拔5 000，4 200 m均显著小于海拔4 800，4 600 m． 对于D湿筛， 除海拔4 600 m与海拔4 200 m差异有统计学意义， 其余差异无统计学意义．

表4 团聚体分形维数D %

2.4 团聚体稳定性影响因素

为探明研究区土壤团聚体稳定性影响因素， 对各指标进行 Pearson相关性分析， 由表5可知， 干筛条件>0.25 mm团聚体与MWD干筛，MWD湿筛，GWD干筛，GMD湿筛和总孔隙度呈显著性正相关(p<0.05)， 与D干筛极显著负相关(p<0.01)， 与有机质呈极显著正相关(p<0.01)， 与容质量呈显著负相关(p<0.05)． 湿筛条件>0.25 mm团聚体与PAD，D湿筛呈极显著负相关(p<0.01)， 与MWD湿筛，GMD湿筛和总孔隙度呈极显著正相关(p<0.01)， 与有机质呈显著正相关(p<0.05)．PAD与MWD湿筛，GMD湿筛和总孔隙度呈显著负相关(p<0.05)， 与D湿筛呈极显著正相关(p<0.01)， 与容质量呈正相关(p>0.05)， 与有机质呈负相关(p>0.05)． 湿筛条件下的MWD，GMD与有机质呈显著正相关(p<0.05)， 与总孔隙度呈极显著正相关， 与土壤容质量显著呈负相关(p<0.05)． 而干筛条件下MWD与容质量相关性有统计学意义(p<0.05)． 分形维数D与有机质、 总孔隙度呈负相关， 与土壤容质量呈正相关． 但仅D干筛与有机质相关性有统计学意义(p<0.05)． 由此可知， 团聚体各项稳定性指标在不同程度上受到土壤基本理化性质的影响． 一方面， 有机质质量分数增加能够增强土壤肥力， 促进团聚体中孔隙度的增加， 为土壤微生物及物质的生存转换提供空间， 进一步促进植被生长， 从而使土壤变得疏松多孔， 土壤容质量减小． 土壤容质量越小， 孔隙度越大， 持水性能越强， 土壤结构越好． 另一方面， 有机质作为土壤团聚体形成的胶结物质， 能够胶结较小的团聚体， 促进大团聚体的形成， 增加大团聚体数量， 改善土壤结构[28]．

表5 指标相关性分析

为进一步探明团聚体稳定性各项指标间的关系， 采用多元逐步回归分析的方法进行论证． 由表6可知，MWD干筛受到海拔影响最大， 即研究区随着海拔增高，MWD干筛增大．GMD干筛主要受到土壤容质量影响最大， 其回归系数为负值， 说明土壤容质量一定程度能够反映土壤团聚体机械稳定性． 分形维数主要受到>0.25 mm机械稳定性团聚体影响．MWD湿筛，GMD湿筛及D湿筛均主要受到>0.25 mm水稳性团聚体与容质量影响． 而PAD则主要受到>0.25 mm团聚体比例影响， 由回归方程可知， 风干团聚体中， 水稳性大团聚体比例越高， 则PAD越小， 土壤结构越稳定．

表6 不同筛分条件下团聚体稳定性指标的回归方程

3 讨论

青藏高原东南部山地海拔垂直变化大， 土壤物理结构地带性差异明显[30]． 通过对不同海拔间土壤基本理化性质分析发现， 海拔对研究区容质量、 总孔隙度、 有机质和团聚体具有显著影响(p<0.05)． 海拔4 800～5 000 m的山顶高山草甸土， 地表植被多为茂密的草本植物， 根系密集， 土壤疏松， 且由于温度低， 有机质分解转换慢， 含量高， 不利于大团聚体形成， 受外力作用， 土壤容易破碎，PAD值较高． 受全球气候变暖的影响， 山顶冰川逐年融化， 形成融水径流． 融水径流运移至海拔4 600 m处附近时， 逐步具备侵蚀能力， 带走坡面细小土壤颗粒． 再加上强烈的冻土垂直分选作用使山体趋于石质化， 坡面景观变得更加破碎． 因此， 4 600 m处地表土层薄， 植被覆盖差， 山体石砾化， 有机质质量分数低， 土体结构变差，PAD值大． 因此， 区域土壤稳定性变差， 山体石质化， 土壤侵蚀加剧将是该区域相当长一段时间面临的生态环境问题． 这与陈山等[29]研究的有机质能够增强土壤颗粒胶结能力， 显著降低PAD值结论有较大差异． 本研究结果表明，PAD与受环境因素影响形成的>0.25 mm团聚体比例关系更为密切． 干、 湿筛两种条件下D值在海拔5 000～4 600 m逐渐增大， 即高海拔土壤理化性质较优， 土壤结构良好，D值较小． 但海拔4 600～4 200 m灌丛分形维数减小， 这主要是因为随着海拔的降低， 平均气温逐渐升高， 气候环境逐渐转好， 物种丰富度逐渐增大， 植被根系逐渐发达， 有机质质量分数增加， 土壤结构逐渐改善． 相关分析表明， 两种不同的海拔梯度条件下D值与海拔相关程度均较弱， 而与>0.25 mm团聚体、 有机质、 孔隙度呈负相关， 与PAD、 容质量呈正相关． 这与大多数研究结果一致[23， 31-33]． 即有机质能够增大土壤孔隙， 促进大团聚体形成， 增强土壤稳定性， 降低PAD， 从而降低D值． 同时也说明， 不同海拔梯度水热条件不同， 进而使植被及土壤产生差异． 对于高原山地地貌而言， 自然环境的地带性特征深刻影响着土壤的理化结构， 导致不同海拔带土壤团聚体稳定性的异同[29]． 可见， 海拔梯度变化是影响土壤团聚体稳定性的主要因素．

4 结论

研究区不同海拔土壤基本理化性质差异有统计学意义， 土壤容质量为0.49～0.75 g/cm3， 总孔隙度为60.16%～73.70%． 土壤有机质质量分数为60.03～133.96 g/kg． 总体上， 海拔5 000，4 800 m草地土壤理化性质优于海拔4 200～4 600 m的灌木林地．

研究区土壤团聚体均以>0.25 mm团聚体为主． 其中>0.25 mm机械稳定性团聚体含量达到90%以上， 水稳性团聚体在75%以上． 较高海拔草地， 灌木林地对土壤结构改良作用弱， 但随海拔降低， 灌木林地土壤结构有所好转．PAD值范围为： 10.73%～17.41%， 总体偏低， 各海拔间差异无统计学意义． 海拔对MWD，GMD两指标影响显著， 总体上机械稳定性团聚体及水稳性团聚体均表现为海拔5 000，4 800 m草地优于灌木林地．D干筛为2.43～2.53， 水稳性团聚体D湿筛为2.54～2.65． 干、 湿筛两种条件下的D值， 随海拔增加呈先大后小变化规律．

通过多元逐步回归分析方法， 建立了团聚体稳定性指标，MWD，GMD和PAD在干、 湿筛条件下与土壤容质量、 团粒结构和海拔等因子的线性方程， 具体为： 干筛，Y1=0.629+0.001X4，Y2=4.171-2.340X1，Y3=4.546-2.225X2； 湿筛，Y1-1=1.035+1.531X3-0.764X1，Y2-1=-0.370+2.317X3-0.594X1，Y3=3.919-1.228X3-0.213X1； 团聚体结构破坏率：Y4=0.161-1.080X3+0.907X2． 分析结果表明， 团聚体稳定性指标最直接的影响因素主要为土壤容质量和大团聚体含量． 海拔通过综合影响其他物理指标影响团聚体稳定性．