川西高寒山地不同海拔高度土壤團聚體特征

茍?zhí)煨? 劉 韓, 帥 偉, 姜欣華, 李 靜

(四川省甘孜州林業(yè)科學(xué)研究所, 四川 康定 626001)

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元，不僅綜合了土壤中各種不同形狀、大小、孔隙度和水穩(wěn)性的團聚體，而且是土壤中養(yǎng)分的載體和微生物的生存環(huán)境[1]。同時土壤團聚體的粒徑分布不僅反映土壤結(jié)構(gòu)狀況，而且影響著土壤的通氣、抗蝕、滲水性等，與植被類型、氣候條件等外部因子有重大聯(lián)系，是評價土壤肥力和抗蝕性的重要指標(biāo)[2-4]。此外>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)及分形維數(shù)(D)常用來描述團聚體的數(shù)量和分布狀況，并作為土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的評價指標(biāo)[5]。因此，通過研究土壤團聚體的分布特征，對于改善土壤肥力、增強土壤生產(chǎn)力、降低土壤可侵蝕性等具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了關(guān)于土壤團聚體及其分布特征的研究，主要集中在不同森林植被類型、不同植被恢復(fù)年限以及不同林分發(fā)育階段等對土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性的影響。趙友朋等[6]對鳳陽山主要林分類型土壤團聚體及其穩(wěn)定性的研究表明4 種林分土壤水穩(wěn)定性大團聚體(WSA)(≥0.25 mm)含量均在90%以上。土壤水穩(wěn)定性大團聚體含量及平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均以杉木林的最大，竹林的最小。王小紅等[7]研究了格氏栲天然林轉(zhuǎn)化為人工林后的土壤團聚體有機碳的分布，發(fā)現(xiàn)天然林轉(zhuǎn)換成人工林會導(dǎo)致土壤大團聚體數(shù)量減少，團聚體穩(wěn)定性下降。莊正等[8]對不同發(fā)育階段杉木人工林土壤團聚體分布特征及其穩(wěn)定性研究表明各發(fā)育階段杉木人工林土壤團聚體以>0.25 mm大團聚體為主，比例皆達(dá)80%以上，且中齡林和成熟林比例在各土層中均高于幼齡林。江仁濤等研究了川西北高寒草地退化對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響[9]。但對于高海拔山地生態(tài)系統(tǒng)土壤團聚體分布特征及其穩(wěn)定性的研究少見報道。川西高寒山地海拔較高，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，對環(huán)境及氣候變化尤為敏感。近年來隨著人口增長和放牧強度的增加，對植被、土壤和生態(tài)系統(tǒng)過程干擾尤為強烈。尤其是高海拔地區(qū)凍融作用使土壤容重減小、孔隙度增大、團聚體水穩(wěn)性減小[3]，從而使土壤結(jié)構(gòu)改變，穩(wěn)定性降低，進(jìn)而對土壤肥力及生態(tài)環(huán)境的屏障作用產(chǎn)生重大影響。因此，對川西北高寒山地不同海拔土壤團聚體分布特征及其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，探討海拔梯度及植被類型對土壤團聚體的粒徑分布、組成和穩(wěn)定水平，為科學(xué)評價高寒山地生態(tài)系統(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)及應(yīng)對氣候變化提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省甘孜州折多山西部(30°00′—30°08′N，101°44′—101°51′E)，折多山為大雪山一脈，屬于青藏高原東緣，最高海拔4 962 m，埡口海拔4 298 m。研究區(qū)氣候類型為亞寒帶季風(fēng)氣候與高原大陸性氣候交匯，氣候溫和偏寒，年日照2 000～2 500 h以上，年平均降水量1 600 mm，年均溫8℃以下，冬季漫長，無明顯夏季。主要土壤種類為高山暗棕壤和高山灌叢草甸土，植被垂直分布帶由云冷杉針葉林過渡到海拔為3 800 m的高山林線再到4 000～4 200 m的高山灌叢草甸。

1.2 土壤樣品采集與處理

2016年8月在康定縣折多山東坡進(jìn)行土壤樣品的采集，根據(jù)當(dāng)?shù)亓志€海拔約在3 800 m的實際情況，樣地設(shè)置以3 800 m林線上下每隔200 m各設(shè)兩個海拔梯度，即為3 400 m，3 600 m，3 800 m，4 000 m，4 200 m共5個海拔梯度。每個海拔梯度根據(jù)小地型植被的差異各設(shè)置3個20×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地(表1)，并用五點采樣法分剖面深度為0—20 cm，20—40 cm，>40 cm采集樣品，同時用塑料盒采集原狀土做團聚體分析及不同粒徑風(fēng)干團聚體做有機質(zhì)含量分析。

表1 樣地基本情況

1.3 指標(biāo)測定及計算方法

根據(jù)中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T-1999)測定相關(guān)指標(biāo)[10]。土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤團聚體分為水穩(wěn)性團聚體和非水穩(wěn)性團聚體，非水穩(wěn)性團聚體用干篩法，水穩(wěn)性團聚體的分級采用濕篩法測定。土壤有機質(zhì)含量重鉻酸鉀外加熱法測定。

團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)：

(1)

團聚體幾何平均直徑(GMD)：

(2)

土壤分形維數(shù)(D)：

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，采用SPSS 20.0軟件對各處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔土壤非水穩(wěn)性團聚體特征

團聚體作為組成土壤的重要部分，通過穩(wěn)定土壤的結(jié)構(gòu)而降低其水土流失，從而起到水土保持的作用。土壤中不同粒級大小聚體所占百分比，可表明團聚體的機械穩(wěn)定性。由表2可以看出：各海拔土壤非水穩(wěn)性團聚體0—60 cm土層各粒徑含量大小為(>2 mm)>(2～1 mm)>(1～0.5 mm)>(<0.25 mm)>(0.5～0.25 mm)，其中>2 mm 非水穩(wěn)性團聚體含量最多，0.5～0.25 mm含量最小。不同海拔梯度土壤中，0—60 cm土壤>2 mm非水穩(wěn)性團聚體含量均值大小順序為：4 200 m(52.3%)>3 600 m(50.23%)>3 400 m(42.38%)>4 000 m(42.21%)>3 800 m(41.06%)，且隨海拔梯度變化規(guī)律不明顯，呈現(xiàn)出隨海拔升高逐漸減小而又后增大的趨勢。其中海拔4 200 m的土壤>2 mm非水穩(wěn)性團聚體所占比例最高，而海拔3 800 m最低。但>2 mm 非水穩(wěn)性團聚體在0—20 cm土層范圍中，所占比例大小依次為：4 200 m(60.42%)>3 800 m(55.74%)>3 600 m(53.07%)>4 000 m(49.37%)>3 400 m(38.87%，)，除4 000 m外呈現(xiàn)出隨海拔增高而逐漸上升的趨勢，表明0—20 cm土層中所含大粒徑團聚體較多，且隨著土層的加深而降低，但其余粒徑規(guī)律則不明顯。一般將>0.25 mm的團聚體稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體，是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大[7.8]。根據(jù)表2計算得到不同海拔土壤>0.25 mm 粒徑的非水穩(wěn)性團聚體含量組成大小為：4 200 m(87.06%)>3 600 m(86.61%)>3 800 m(86.08%)>3 400 m(81.70%)>4 000 m(80.58%)，其中最大是海拔4 200 m的土壤，最小的為海拔4 000 m的土壤，差異不明顯，總體上呈現(xiàn)隨海拔上升而增加的趨勢，4 000 m處較低可能與該海拔放牧強度較高，植被破壞相對于其他海拔嚴(yán)重有關(guān)。

表2 不同海拔高度土壤非水穩(wěn)性聚體組成

2.2 不同海拔土壤水穩(wěn)性團聚體特征

土壤團聚體穩(wěn)定性尤其是水穩(wěn)性團聚體是反映土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，與土壤的抗侵蝕能力以及環(huán)境質(zhì)量有著密切的關(guān)系[11]。由表3可以看出，不同海拔的土壤>2 mm的水穩(wěn)性團聚體在各粒徑中比例最高，均值大小順序為：3 600 m(35.34%)>3 800 m(34.19%)>4 200 m(33.88%)>4 000 m(31.06%)>3 400 m(30.35%)，呈現(xiàn)出隨海拔升高先降低后增加的趨勢，但差異不顯著。從0—20 cm土層看，>2 mm的水穩(wěn)性團聚除4 000 m外呈現(xiàn)出隨海拔增高而逐漸增加的趨勢，表明0—20 cm土層中所含水穩(wěn)性大粒徑團聚體比例較高，且隨著土層的加深而降低，其余粒徑規(guī)律則不明顯。>0.25 mm 粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量組成大小為：3 800 m(80.18%)>3 600 m(78.67%)>4 200 m(75.01%)>3 400 m(74.14)>4 000 m(72.03%)。>0.25 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體含并隨海拔升高呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，在3 800 m林線處最高，說明海拔3 800 m林線附近土壤的抗水力侵蝕性相對較好，低于和高于林線的土壤水穩(wěn)定性相對較差。不同海拔土壤<0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，均值大小順序為：4 000 m(27.97%)>3 400 m(25.85%)>4 200 m(25.00%)>3 600 m(21.34%)>3 800 m(19.82%)。另外，同一粒徑同一土層不同海拔差異性不顯著。

表3 不同海拔高度土壤水穩(wěn)性團聚體組成

2.3 不同海拔土壤非水穩(wěn)性團聚體有機質(zhì)含量

土壤腐殖質(zhì)是土壤團聚體的主要膠結(jié)劑，同時也是土壤有機質(zhì)保存的重要場所，對土壤的肥力和結(jié)構(gòu)特征尤其在提高土壤團聚體穩(wěn)定性方面具有重要的意義。由表4可以看出，從整體來看，有機質(zhì)含量主要集中在>0.25 mm粒徑的大團聚體中，占比在80%左右，含量大小順序為：3 800 m(361.25 g/kg)>4 200 m(315.01 g/kg)>3 600 m(276.19 g/kg)>4 000 m(269.14 g/kg)>3 400 m(265.05 g/kg)，以3 800 m處最高，隨海拔升高呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，隨著土層深度加深而呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。<0.25 mm粒徑的團聚體則規(guī)律不明顯。在0—20 cm土層中，各粒徑非水穩(wěn)性團聚體中有機質(zhì)含量均表現(xiàn)3 800 m>4 200 m>3 600 m>4 000 m>3 400 m，即呈現(xiàn)出較為明顯的隨海拔升高先增加而后降低的趨勢、20—40，40—60 cm的變化規(guī)律不明顯。>0.25 mm粒徑的團聚體中有機質(zhì)相同海拔土壤同一層中，隨著土壤團聚體粒徑的變化其有機質(zhì)含量變化沒有明顯規(guī)律性且差異不明顯。

2.4 不同海拔土壤團聚體MWD，GMD及D的變化特征

團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)是用于評價團聚體穩(wěn)定性十分重要的指標(biāo)。粒徑大的團聚體組成比例越高，土壤MWD就越大，土壤團聚體越穩(wěn)定[12]。由表5、表6可以看出，0—20 cm土層中，土壤非水穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性團聚體在5種不同海拔土壤MWD最大的是海拔4 000 m的土壤，最小的是海拔3 400 m的土壤；GMD最大的是海拔4 200 m的土壤，海拔3 800 m的土壤次之，最小的是海拔3 400 m的土壤；總體上看，0—20 cm土層各海拔高度土壤非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD都呈現(xiàn)隨海拔高度的升高變化趨勢，20—40，40—60 cm土層規(guī)律不明顯，但有隨海拔高度增加MWD，GMD則都呈現(xiàn)出與0—20 cm相反的變化規(guī)律，即呈現(xiàn)減小的趨勢。不同海拔土壤隨土層深度的增加，非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD均呈現(xiàn)下降的趨勢。

土壤團粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)(D)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的一項指標(biāo)，團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)越小，土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好，抗蝕能力越強。表5、表6可以看出，0—20 cm土層中非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)D值最小值是4 200 m，3 800 m次之，3 400 m值最大，但整體呈現(xiàn)隨海拔升高增大的趨勢，而20—40，40—60 cm土層規(guī)律不明顯。各海拔高度土壤分形維數(shù)D亦表現(xiàn)出隨土層的加深而增大的趨勢，5種不同海拔土壤團聚體穩(wěn)定性在0—20 cm土層團聚度高于下層。在不同海拔梯度0—20 cm土層土壤中，海拔4 200 m和3 800 m土壤的團聚體穩(wěn)定性較高，土壤結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，在雨水沖刷下不容易被分散破碎，抗蝕性較好；而海拔3 400 m土壤的MWD，GMD相對較低，D值較高，穩(wěn)定性和易侵蝕性也相對較弱。

表4 不同海拔高度土壤非水穩(wěn)性團聚體各粒徑有機質(zhì)含量 g/kg

表5 不同海拔高度土壤非水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD及D的變化特征

表6 不同海拔高度土壤水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD及D變化特征

3 討 論

3.1 不同海拔土壤團聚體特征

土壤團聚體組成以及其穩(wěn)定性是評估土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一[12]。一般將>0.25 mm的團聚體稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體，是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大[6]。本研究發(fā)現(xiàn)在川西高寒山地不同海拔>0.25 mm 粒徑的土壤中非水穩(wěn)性團聚體含量和水穩(wěn)性團聚體含量均較高，其中非水穩(wěn)性團聚體含量各海拔均達(dá)到80%以上，最高達(dá)87.06%，水穩(wěn)定性體含量占70%以上，最高達(dá)到80.18%，尤其是在0—20 cm土層中，>2 mm 粒徑團聚體含量在各粒徑中含量也最高，說明研究區(qū)川西高寒山地土壤團聚體穩(wěn)定性高。這與大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為土壤中>0.25 mm 粒徑的土壤中團聚體含量占比大，團聚體穩(wěn)定性也就好的結(jié)論相符[11-19]。從分布規(guī)律來看，0—60 cm土層>0.25 mm 粒徑的土壤非水穩(wěn)定性團聚體均值總體上呈現(xiàn)隨海拔上升而增加的趨勢，而水穩(wěn)定性團聚體則呈現(xiàn)出隨海拔升高先逐漸減小后增大的趨勢。說明海拔3 800 m林線附近土壤的抗水力侵蝕性相對較好，低于和高于林線的土壤水穩(wěn)定性相對較差。表明土壤團聚體穩(wěn)定性與植被類型密切相關(guān)，3 800 m林線是一個轉(zhuǎn)折，林線以上海拔較高的灌叢草甸植被雖然風(fēng)干團聚體較高，但其水穩(wěn)性團聚體則相對較低，說明其更容易被破壞。因此，保護(hù)高山林線植被對高寒山地生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定及防止水土流失具有重要意義。

3.2 不同海拔土壤團聚體有機質(zhì)含量

團聚體和有機碳的關(guān)系密切，土壤有機碳是團聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤有機碳的分解轉(zhuǎn)化受團聚體影響，從而影響到土壤肥力的發(fā)揮[7]。本研究發(fā)現(xiàn)不同海拔土壤團聚體有機質(zhì)主要分布在>0.25 mm粒級中，這與江仁濤[17]、李柏橋[18]、苑亞茹等[20]學(xué)者的研究結(jié)果相同。從海拔梯度分布情況看，土壤團聚體有機質(zhì)呈現(xiàn)隨海拔升高呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，其中以3 800 m處最高，與>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體分布規(guī)律類似，<0.25 mm粒徑的團聚體則規(guī)律不明顯。不同海拔、不同粒徑的土壤有機質(zhì)含量均隨著土層深度加深而呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。本研究中，不同海拔各土層中土壤各粒徑團聚體有機質(zhì)含量表現(xiàn)為隨著土層加深而減少的趨勢。這與黃曉強等[19]北京山區(qū)典型人工林土壤團聚體研究和苑亞茹等[20]對東北黑土區(qū)的研究也表明隨著土壤層次的加深,土壤有機碳含量均呈現(xiàn)了逐漸降低趨勢的結(jié)果相同。從整體來看，各海拔高度的土壤中大團聚體有機質(zhì)含量相對較高，據(jù)王淑平等[21]研究表明隨著海拔高度增加水分適宜但溫度較低，土壤微生物的活動受到抑制，有利于有機質(zhì)的積累，所以海拔高度的變化影響土壤溫度和土壤水分的變化，在這兩種因素共同作用下，土壤中有機物含量隨著海拔高度升高呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，這與本研究結(jié)果相似。

3.3 不同海拔土壤團聚體MWD，GMD及D的變化特征

土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)，是用于評價團聚體穩(wěn)定性十分重要的指標(biāo)，常用來反映團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以表示團聚體顆粒大小和粒級分布情況[17]。MWD和GMD值越大，表明土壤大團聚體含量越高，土壤團聚程度越高，土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[9,22]。本研究中，0—20 cm土層各海拔高度土壤非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD都呈現(xiàn)隨海拔高度的升高變化趨勢，20—40，40—60 cm土層規(guī)律不明顯。隨土層深度的增加，非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD均呈現(xiàn)下降的趨勢。趙友朋[6]、劉艷等[22]研究表明，同一林分中，隨土層的加深，土壤水穩(wěn)性大團聚體含量和穩(wěn)定性均呈下降趨勢，與本研究結(jié)果類似，不同海拔高度非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)(D)則與MWD，GMD呈現(xiàn)相反的規(guī)律性。本研究發(fā)現(xiàn)>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與非水穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關(guān)，與團聚結(jié)構(gòu)破壞率呈負(fù)相關(guān)，說明不同海拔高度土壤大團聚體含量越多，土壤團粒大小分布越均勻，團聚結(jié)構(gòu)被破壞的程度就越低，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強。

4 結(jié) 論

(1) 不同海拔>0.25 mm 粒徑的土壤中非水穩(wěn)性團聚體含量占80%以上；水穩(wěn)定性體含量占70%以上，尤其是在0—20 cm土層中，>2 mm 粒徑團聚體含量在各粒徑中含量也最高，說明研究區(qū)川西高寒山地土壤團聚體穩(wěn)定性高。從分布規(guī)律看，0—60 cm土層>0.25 mm 粒徑的土壤非水穩(wěn)定性團聚體總體上呈現(xiàn)隨海拔上升而增加的趨勢，而水穩(wěn)定性團聚體則呈現(xiàn)出隨海拔升高先逐漸減小后增大的趨勢。

(2) 從整體來看，有機質(zhì)含量主要集中在>0.25 mm粒徑的大團聚體中，占比在80%左右。以3 800 m處最高，隨海拔升高呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，隨著土層深度加深而呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。<0.25 mm粒徑的團聚體則規(guī)律不明顯。不同海拔、不同粒徑的土壤有機質(zhì)含量均隨著土層深度加深而呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

(3) 0—20 cm土層各海拔高度土壤非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD都呈現(xiàn)隨海拔高度的升高變化趨勢，0—20 cm土層土壤不同海拔土壤隨土層深度的增加，非水穩(wěn)性團聚體與水穩(wěn)性團聚體MWD，GMD均呈現(xiàn)出隨海拔降低而逐漸減小的趨勢，分形維數(shù)D則呈現(xiàn)增大的趨勢。>20 cm土層規(guī)律不明顯。研究發(fā)現(xiàn)在高寒山地土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與非水穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關(guān)，與團聚結(jié)構(gòu)破壞率呈負(fù)相關(guān)，表明表層土壤團粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，一旦破壞將對高寒山地生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果，防止土壤退化應(yīng)是該區(qū)生態(tài)保護(hù)的重點。