坡向和坡位对夹金山灌丛土壤团聚体稳定性的影响

　　摘要：研究坡向和坡位如何影响土壤团聚体的稳定性对于理解地貌复杂的高山峡谷地区土壤稳定性的维持具有重要意义，然而目前对高山灌丛土壤特征特点研究还相对薄弱。文章以四川夹金山高山灌丛土壤为研究对象，分析了不同坡向和坡位对土壤团聚体粒径分布、稳定性及分形特征的影响，构建偏最小二乘路径模型(PLSPM)，分析坡向和坡位对土壤团聚体稳定性的作用机制。结果表明：①土壤机械稳定性团聚体粒径分布仅受坡向影响，土壤水稳性团聚体粒径分布受坡向、坡位影响且二者存在交互作用;②中坡位土壤团聚体稳定性较优于下坡位，3个坡向中阴坡土壤稳定性最次;③坡向是影响土壤团聚体的主要因素，其作用主要是通过影响土壤物理性质(容重、含水率、孔隙度)而间接决定的，同时坡向通过影响群落灌木层特征(多度、丰度和生物量)作用于土壤化学性质(TN、TP、TK、SOM、pH)，最终对土壤团聚体稳定性存在一定影响，坡向作用下的群落草本层特征并未显示出对土壤理化性质和团聚体稳定性的作用;④使用土壤分形维数表征团聚体稳定性具有可行性。

　　关键词：地形因子;土壤团聚体;分形维数;偏最小二乘路径模型;夹金山

　　土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性是重要的土壤性质，是衡量土壤质量的重要指标[12]，特别是在地貌特征复杂且易受侵蚀的高山峡谷地区，土壤团聚体稳定性是控制坡体稳定、水土保持、生产力维持和养分循环的关键变量之一，了解土壤稳定性是防止高寒生态系统土壤退化的第一步[3]。土壤团聚体的形成及其稳定性与物理、化学、生物因素息息相关，其稳定性首先必然由土壤本身的质地类别、结构特征和物理性质所决定[45]。

　　土壤化学性质的影响也不可忽视，已有较多研究表明土壤养分物质的累积可以促进土壤大团聚体形成，土壤有机质含量是影响土壤团聚体数量及稳定性的关键因素，其作为“胶结物质”直接参与团聚体的形成[3,6]，另外也有研究表明土壤磷素、氮素也与团聚体稳定性存在较强的相关关系[7]。

　　土壤的演化受植物群落影响[8]，例如植物生物量的大小影响土壤有机质的输入量，也有学者认为物种多样性对团聚体稳定性有积极作用，其作用机制可能是通过增加根系类型的多样性从而间接作用于土壤的稳定性[9]，植物根系对土体进行穿插挤压，根系分泌的代谢物质是良好的胶结剂，在一定程度上利于土壤团聚体的形成[810]。

　　此外，地形因子、生物活动以及人为管理措施等也会产生一定影响[1112]。一般研究土壤团聚体稳定性的经典方法是用干筛法和湿筛法综合反映土壤团聚体性质[3,13]。近年来，有关团聚体稳定性的研究已有较多报道，多集中于黄土地区[2]、喀斯特地区[7]、低山丘陵区[12]等，对于川西高山峡谷区还鲜少涉及，且关于坡向和坡位等基于环境因子的研究也较少。

　　坡向和坡位是影响太阳辐射和降水分布的重要地形因子，在空间上对光照热量、养分、水分等再分配[14]。在局域尺度下，坡位和坡向是生境小气候差异的重要驱动因素，影响植物群落类型及物种分布，也是影响土壤性质空间格局的重要因子[1415]，但坡向和坡位对团聚体的作用机制还不明朗。

　　基于此，本文以具备典型川西高山峡谷区特征且为大熊猫国家公园四川片区核心保护区的夹金山为研究区，以高山灌丛土壤为研究对象，研究不同坡向、坡位土壤团聚体分布、分形特征以及稳定性，在此基础上通过偏最小二乘路径模型(PartialLeastSquaresPathModeling,PLSPM)对灌丛植物群落、土壤理化性质与土壤团聚体稳定性之间的关系进行分析，基于模型分析结果，准确理解坡向坡位对土壤团聚体稳定性的作用机制，以期为维持川西高山峡谷区灌丛土壤结构稳定提供理论基础，对生态脆弱区土壤恢复和植被重建具有一定的参考价值。

　　1研究区域与研究方法

　　1.1研究区概况

　　调查区域位于夹金山山脉，夹金山(102°24′56″~102°38′38″E，30°38′14″~30°54′22″N)地处四川省盆地西北部，青藏高原东部边缘，与卧龙国家级自然保护区相邻，是国家级森林公园、大熊猫国家公园核心保护区。该区域大地构造单元处于松潘—甘孜褶皱系，地质构造较为复杂，山体多由变质岩、花岗岩构成。

　　主峰海拔为4930m，受高空西风环流和印度洋西南季风的影响，居于亚热带向暖温带过渡的湿润季风气候带，山地气候类型，年均降水量776.5mm，年日照时数1400h。夹金山属岷江水系青衣江流域，土壤山地暗棕壤，呈微酸性。据前序研究[16]，区域内灌丛群落阴坡主要物种有亮叶杜鹃Rhododendronvernicosum、西南花楸Sorbusrehderiana、蹄叶橐吾Ligulariafischeri等，半阳坡主要物种是高山栎Quercussemicarpifolia、高山栒子Cotoneastersubadpressus、蕨Pteridiumaquilinum等，阳坡主要物种是高山栎、高山栒子、平车前Plantagodepressa等。

　　1.2样地选择与设置

　　2019年7月，在实地踏查的同时考虑到灌丛实际分布状况设置样地，由于夹金山高山区的地理环境要素错综复杂，研究中涉及到样地可达性，在阳坡、阴坡和半阳坡的下坡位、中坡位各设置4个20m×30m样地，共计24个。坡向在0°～45°和315°～360°为阴坡，45°～135°为半阳坡，135°～225°为阳坡。记录经度、纬度、海拔，测定坡度、坡向、坡位等环境因子特征。物种多样性、植被生物量和土壤理化性质作为本研究样地的属性，数据来源于同时期、同批次及同样地采样的研究实测数据[16]。

　　1.3实验方法及数据分析

　　1.3.1土壤样品的采集与处理

　　2019年7月取混合原状土壤样，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，运回实验室后，沿着土壤纹路轻轻掰成10mm大小土块，置于自然阴凉处风干备用。样品室内分析测试于次月完成。土壤机械稳定性团聚体的组成采用干筛法测定，水稳性团聚体含量的测定采用湿筛法[13,17]，套筛尺寸为5、2、1、0.5mm和0.25mm，该实验使用设备为土壤团粒分析仪(型号DIK2012)。

　　2结果与分析

　　2.1不同坡向和坡位土壤团聚体的分布情况

　　双因素方差分析结果表明，从机械稳定性团聚体来看，坡向对粒径>1mm的土壤团聚体占比影响显著(P<0.05p>0.05);从水稳性团聚体来看，坡向和坡位对土壤微团聚体含量的影响交互作用显著(P<0.05>5mm以及粒径0.5~1mm的团聚体含量均无显著影响(P>0.05)。

　　夹金山不同坡向坡位土壤机械性稳定团聚体主要以>1mm粒径团聚体组成，其中阴坡两个坡位土壤团聚体以粒径>5mm为绝对组成部分，占比达到60.0%以上，而粒径0.25~0.5mm、0.5~1mm以及1~2mm团聚体占比均较少，均不足6.0%;半阳坡粒径>5mm的土壤团聚体含量在下坡位与中坡位间大致相同，其余两个坡向均表现为下坡位>中坡位;除阳坡中坡位粒径>5mm团聚体占比仅15%，远远小于其他5个类型外，半阳坡和阳坡团聚体分布状况相似;不同坡向坡位土壤机械性稳定团聚体占比都在粒径0.25~0.5mm时最少。

　　与干筛法不同，湿筛法所测得不同坡向坡位土壤水稳性团聚体分布有较大改变，可以看出各类型粒径>5mm团聚体占比明显降低，除半阳坡中坡位外，现占比均不足20.0%;粒径<0.25mm40.80.25mm>0.25 mm)和微团聚体(<0.25mm>0.25mm的团聚体是土壤中最好的结构体，可以看出夹金山不同坡向坡位机械稳定性大团聚体数量远大于水稳性大团聚体数量。

　　2.2不同坡向坡位土壤团聚体分形特征及稳定性

　　双因素方差分析结果表明，坡向和坡位对团聚体破坏率PAD、干筛条件下分形维数Ddry、湿筛条件下分形维数Dwet和团聚体稳定指数ASI均存在显著和极显著影响(P<0.05)，且坡向和坡位对上述4个指标的影响均存在交互作用。

　　从土壤团聚体破坏率(PAD)分析，其均值范围为15.69%~37.16%，下坡位土壤团聚体破坏率PAD值表现为阴坡显著最高(37.16%,P<0.05padp>0.05)。当坡向一致时，土壤团聚体破坏率PAD值仅在阴坡两个坡位间存在显著差异(P<0.05)，PAD值越大，表明土壤结构越容易崩解破碎，土壤越容易被侵蚀。从土壤团聚体稳定指数ASI来看，阴坡团聚体稳定指数ASI显著最低(P<0.05asi>下坡位，其中仅阴坡两个坡位间存在显著差异(P<0.05)。分形维数是反映土壤结构几何形状的参数。

　　可知干筛、湿筛条件下团聚体分形维数(D)随坡向坡位的变化并不一致。在干筛条件下，各坡向坡位土壤分形维数Ddry范围为2.18~2.54，可以看出，当坡向相同时，土壤分形维数仅在阳坡的两个坡位间存在显著差异(P<0.05)，表现为下坡位Ddry值显著高于中坡位Ddry值。

　　当坡位一致，即下坡位时，坡向间Ddry值大小表现为阴坡(2.54)显著高于半阳坡(2.32)显著高于阳坡(2.21)(P<0.05)，当坡位为中坡位时，Ddry值表现为阴坡(2.47)显著高于半阳坡(2.27)显著高于阳坡(2.18)(P<0.05);在湿筛条件下，湿筛分形维数较干筛分形维数均有所上升，范围是2.56~2.76，3个坡向土壤分形维数均表现为下坡位高于中坡位，且阴坡两个坡位间、阳坡两个坡位间存在显著差异(P<0.05);当坡位在下坡位时，土壤Dwet值为阴坡(2.76)显著最高(P<0.05dwet2.622.61dwetp>0.05)。整体来看，阴坡土壤分形维数D值更高。

　　2.3坡向坡位影响土壤团聚体稳定性的PLSPM分析

　　为了进一步探讨坡向、坡位是如何对团聚体稳定性产生影响，并研究分形维数与团聚体稳定性的关系，我们构建了偏最小二乘路径模型(PLSPM)。可以看出，各观测变量在隐变量上的荷载系数均通过α=0.05水平上显著性检验(坡位除外，此处是将坡向坡位合并展示)，表明选用的观测变量能很好地表征其隐变量意义。各变量能够较好地解释土壤团聚体稳定性指数(ASI)和干筛条件下土壤分形维数Ddry。模型整体的拟合优度(GOF)为0.626，整体表现良好。

　　结果显示坡向的影响效应远远高于坡位。综上，坡向坡位对Ddry和ASI的总效应分别为0.803、0.709，其作用于ASI的主要路径有2条，可以分解为坡向通过直接影响土壤物理性质(0.731)，土壤物理性质直接决定Ddry(0.749)，Ddry最终决定ASI(该路径特定的间接效应为0.414);坡向通过影响群落灌木植被(0.848)，灌丛植被影响土壤化学性质(0.898)，土壤化学性质影响Ddry(0.231)进而影响ASI，但该路径的间接效应较弱(特定的间接效应为0.111)。

　　进一步计算各因素的总效应(直接和间接效应标准化系数之和)发现，坡向和Ddry是影响团聚体稳定性最主要的因素(0.706、0.756)，其次是土壤物理性质(0.567)、土壤化学性质(0.419)、灌木层植物特征(0.239)和草本层植物特征(0.146)，灌木层对土壤团聚体稳定性的影响大于草本层，可能是由于灌木层植物高度更高，根系更发达，对光照和水分的竞争能力更强，使得草本层植物的生长发育受限于灌木层。Ddry对ASI有极显著且负向的影响(路径系数为0.756,P<0.001)，说明在本研究区域，分形维数越大，土壤团聚体稳定性指数越小，土壤越不稳定。

　　3讨论

　　3.1坡向和坡位对土壤团聚体分布的影响

　　坡向和坡位影响光照以及降水分配，进而影响水分空间分布，是导致土壤空间异质性的重要因素[20]。不同研究中，团聚体粒径分布状况存在差别，Zou等[21]研究了坡位对红壤丘陵区土壤团聚体稳定性的影响，发现坡位越高，小粒径(<0.25mm>5mm)团聚体分布越多;De等[22]的研究表明坡底的大团聚体(>2mm)占比远高于坡顶。

　　本研究对夹金山不同坡向坡位土壤团聚体组成进行分析，发现除半阳坡粒径>5mm的土壤机械稳定性团聚体占比在下坡位与中坡位间大致相同，其余两个坡向均表现为下坡位>中坡位，可能是由于重力因素，导致大团聚体发生迁移并在下坡位沉积聚集，其占比升高[5,22]。一般认为≥0.25mm团聚体是评价土壤生态效应的重要指标，也是提升土壤抗侵蚀能力的关键[8]，湿筛之后，粒径<0.25mm的团聚体占比有所上升，说明在水的崩解作用下，大粒径团聚体有向更小粒径的团聚体转化的倾向[4]，土壤生态功能变差。

　　本研究中，随粒径变小，阳坡和半阳坡团聚体含量的变化趋势与谢贤健等[19]的研究结论相同，均呈现“增加减少增加”的变化趋势，而阴坡则呈先减小后增大的变化态势。坡向是影响土壤团聚体粒径分布的主要因素，坡位及二者的交互作用对土壤水稳性团聚体粒径分布产生影响，可能是由于地形因子共同作用导致的小气候差异能够影响土壤温度、土壤含水量、土壤有机碳含量及土壤呼吸速率等因子，进而形成特定的小生境，导致了坡位坡向间土壤团聚体分布不均匀[23]。

　　3.2坡向坡位对土壤团聚体稳定性及分形特征的影响

　　本研究中坡向、坡位对土壤团聚体稳定性及分形特征均有显著影响，且二者存在交互作用。雷斯越[24]对不同地形条件下退耕草地黄绵土土壤理化性质展开研究得到了阴坡水稳性团聚体稳定性较差，抗侵蚀能力较弱的结论。本研究结果与之相似，综合土壤团聚体破坏率(PAD)以及土壤团聚体稳定指数(ASI)来看，研究区半阳坡中坡位土壤结构最优，整体来看，同一坡向的中坡土壤结构稳定性较优于下坡，3个坡中阴坡土壤稳定性最次。可能是由于研究区域属于高海拔地区，地形因子在坡向间千差万别，相较于阴坡，阳坡、半阳坡土壤受冷热交替作用更强，使得土壤可能具有更为疏松的结构。

　　分形几何学能够描述自然物体如土壤的不规则几何形状，能客观表征土壤粒径大小组成，与土壤质地息息相关，表现出黏粒占比越高，质地越细，分形维数越高[18,2526]。本研究中，当坡向相同时，机械稳定性土壤团聚体与水稳性土壤团聚体分形维数均表现为下坡位高于中坡位(除半阳坡Ddry相反);当坡位相同时，则表现为阴坡土壤分形维数大于阳坡、半阳坡，这与学者黄安等[12]的研究结论相似，这是由于坡向坡位影响土壤粒径组成，从而对分形维数产生影响。

　　3.3影响土壤团聚体稳定性的因素分析

　　本文结合PLSPM分析结果，发现坡向是土壤团聚体稳定性重要的驱动因素，而坡位对其影响却不显著，这与双因素方差分析得到的坡位显著影响土壤团聚体稳定性的结果不同，这可能是由于还有其他影响土壤团聚体稳定性的因素并没有考虑进结构方程模型中，如土壤微生物、铁铝等氧化物等的影响[6]。本研究还发现，夹金山灌丛群落土壤团聚体稳定性还受到群落灌草层特征、土壤理化性质的影响。同时，本研究展示了坡向坡位通过植物群落以及土壤理化性质进而作用于土壤团聚体稳定性的路径。

　　从群落特征来看，坡向坡位对草本层和灌木层物种丰富度和生物量的影响正好相反，即一层的物种多样性增加意味着另一层次物种多样性的降低[27]，且各层次内，多样性与生物量呈现相反的关系，可能是由于竞争排斥降低了物种多样性[28]，具体表现为坡向越朝北，意味着更低的灌木生物量和更低的草本物种丰富度，对应了更高的土壤分形维数和更低的土壤团聚体稳定性，但本研究中草本层影响作用的路径系数均不显著。

　　说明草本层物种丰富度对土壤团聚体稳定性的促进作用是有限的，灌木生物量越高，土壤分形维数就越低，土壤团聚体稳定性就越高，这可能是由于生物量越高，植物群落对土壤有机质的输入就越大，并且植物地下部分与土壤直接接触，在植物和土壤之间进行着频繁的物质交换，通过其代谢过程中所形成的物质的分解和再合成，有利于土壤团粒结构形成[910,29]。

　　土壤物理性质主要是受坡向坡位因素的直接作用，土壤容重是土壤物理性质的综合反映，土壤孔隙度对土壤持水和通气状况具有重要作用，陈春峰等[29]对西双版纳地区胶农(林)复合系统的砖红壤团聚体研究中，发现土壤容重和土壤孔隙度与各团聚体稳定性指标呈极显著相关，张治伟等[26]对石灰岩区土壤的研究表明，分形维数与土壤容重正相关。

　　本研究得到了类似的结论，也发现土壤容重与分形维数呈正关联，与土壤团聚体稳定性负相关，土壤孔隙度正好相反，具体表现为阴坡土壤容重大，土壤孔隙度和土壤含水率均较小，此时土壤物理结构更差，分形维数更高，土壤越板结，土壤团聚体稳定性就越低。这是由于分形维数是由土壤粒径的重量分布计算得到，受土壤黏粒占比影响很大[18]，且土壤颗粒直径越小，细粒物质占比越高，对空间的填充能力就越强，土壤孔隙度被黏粒填充越多，土壤容重就越大，因此在某种程度上，分形维数也能够表征土壤紧实程度，分形维数越大，表征了土壤容重大，通透能力弱的土壤物理结构特性[12]。

　　已有较多研究表明土壤团聚体分形维数、土壤团聚体稳定性与土壤肥力存在一定的关系[4,68,24]，本研究发现土壤整体养分状况与分形维数存在具有统计学意义的负关联，与团聚体稳定性呈正相关，即土壤养分越差，分形维数越高，土壤团聚体稳定性越低，说明养分物质的累积可以促进土壤微团聚体团聚形成水稳性大团聚体，这与张先凤等[6]的研究结论相同。

　　其中，土壤有机质作为土壤团聚体的胶结剂，其含量越高，可能会减缓土壤团聚体崩解速度以及加快胶结速度，有利于团聚体稳定[4]，由于SOM是土壤中氮、磷的主要来源之一，这三种养分的来源具有一致性，因此SOM、TN、TP的荷载相同[7]，这与吴梦瑶等[8]对贺兰山不同植被的土壤团聚体稳定性的研究得到的结论一致，即较高含量的有机质、TN、TP有助于团聚体的稳定。研究表明，本区域土壤团聚体分形维数在一定程度上反映了土壤化学性质和物理结构状况，表征了土壤团聚体的稳定程度。

　　4结论

　　(1)夹金山不同坡向坡位土壤机械性稳定团聚体主要以>1mm粒径为组成;水稳性微团聚体(粒径<0.25mm)较机械稳定性微团聚体占比有所上升，阴坡下坡位水稳性微团聚体占比最高(40.8%)。(2)综合ASI指数和PAD指数来看，中坡位土壤结构稳定性较优于下坡位，阴坡土壤稳定性最次。(3)坡向、坡位均对土壤团聚体稳定性和分形特征产生影响，且二者存在交互作用，其中坡向是主要影响因素，这种影响主要是通过坡向对土壤物理性质的影响决定的，植物群落特征和土壤化学性质也存在一定作用。

　　在本研究区域土壤团聚体分形维数不仅能反映土壤结构几何形状特征，还能表征土壤结构稳定性，而且具有一定的环境指示作用，可以作为综合衡量团聚体稳定性的指标。对于水土流失严峻的夹金山高山灌丛区域，应该以保护现有植被为主，并辅以适宜的水保措施，对改善高山峡谷区灌丛群落土壤结构，减少水土流失和促进区域生态环境可持续发展具有一定意义。

　　参考文献：

　　[1]ArshadMA,CoenGM.Characterizationofsoilquality:Physicalandchemicalcriteria[J].AmericanJournalofAlternativeAgriculture,1992,7(1/2):2532.DOI:10.1017/S0889189300004410.

　　[2]AnSS,MentlerA,MayerH,etal.Soilaggregation,aggregatestability,organiccarbonandnitrogenindifferentsoilaggregatefractionsunderforestandshrubvegetationontheLoessPlateau,China[J].Catena,2010,81(3),226–233.DOI:10.1016/j.catena.2010.04.002.

　　[3]GuanS,AnN,ZongN,etal.ClimatewarmingimpactsonsoilorganiccarbonfractionsandaggregatestabilityinaTibetanalpinemeadow[J].SoilBiologyandBiochemistry,2018,116:224236.DOI:10.1016/j.catena.2010.04.002.

　　[4]张世祺,王沛裴,王昌全,等.不同植烟年限对土壤团聚体稳定性的影响及其相关因素分析[J].土壤,2017,49(6):12291236.DOI:10.13758/j.cnki.tr.2017.06.024.ZhangSQ,WangPP,WangCQ,etal.Effectsofdifferenttobaccocroppingyearsonsoilaggregatestabilityanditsinfluentialfactors[J].Soils,2017,49(6):12291236.

　　[5]YanL,JiangX,JiX,etal.DistributionofwaterstableaggregatesundersoiltillagepracticesinablacksoilhillslopecroplandinNortheastChina[J].JournalofSoilsandSediments,2020,20(5):2431.DOI:10.1007/s1136801902361z.

　　[6]张先凤,朱安宁,张佳宝,等.集约化种植下潮土养分肥力与团聚体特征相互关系研究[J].土壤,2017,49(1):3339.DOI:10.13758/j.cnki.tr.2017.01.006.

　　作者：李禹江1，张荣2，王琴1，张瀚文1，李婧1，王芳1，涂利华1，郝建锋1,3**

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/nylw/29238.html