賀蘭山低山區土壤抗蝕性的空間差異性

王雅芳, 李國旗, 劉秉儒, 倪細爐, 顧清敏

(1.寧夏大學 西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 寧夏 銀川 750021; 3.北方民族大學生物科學與工程學院, 寧夏 銀川 750021; 4.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司 羊場灣煤礦, 寧夏 靈武 751400)

土壤侵蝕是指土壤受到水蝕、風蝕和人類活動等外界因素以及土壤內在因素影響，其自身被破壞、搬離和沉積的過程。在土壤侵蝕過程中，土壤自身對侵蝕產生變異性，稱為土壤可蝕性。土壤可蝕性是衡量土壤內在屬性對侵蝕敏感程度的重要指標[1]，廣泛應用于國內外土壤侵蝕研究[2-4]。土壤可蝕性常用于定量評價土壤侵蝕和水土流失[1,5-6]，通過土壤流失量或侵蝕量和土壤侵蝕預報模型中必要參數等的計算[7-9]，評價土壤抵抗侵蝕能力和水土保持功能。土壤可蝕性既受土壤內在性狀(物理、化學性狀等)影響，也受外在因子(地形因素、土壤覆被類型、土壤利用類型等)的影響。在山地生態系統中，土壤可蝕性主要受海拔和坡向影響[10]。坡向和海拔可以體現山地環境因子變化的主要內容，不同海拔和坡向間土壤水熱狀況以及植被狀況的差異性影響土壤的形成，影響山地土壤的性質，從而造成土壤抗侵蝕能力的差異[11]。

國內外學者通過大量研究分析，提出一系列可以作為土壤抗侵蝕指標的因子。張愛國等[12]發現容重、粉/黏、有機質含量是全國范圍內水蝕過程中反映土壤可蝕性的重要因子，并且這些因子具有較明顯的空間分異規律。單奇華等[13]分析得到南京城市林業土壤可蝕性與土壤體積質量和機械組成最為密切。楊帆等[14]通過分析得出北京市延慶縣不同土地利用方式下的土壤侵蝕的主導因素是土壤中黏粒含量、有機質和水穩性團聚體。朱德雯[15]研究發現川西高寒山地不同海拔梯度土壤養分含量與砂粒百分含量有負相關關系，土壤抗蝕性與黏粒百分含量為正相關關系。歸納可知，基于土壤內在屬性的土壤可蝕性因子(孔隙、粒徑分布、有機質含量等)對土壤可蝕性起決定性作用。然而，由于學者們對于土壤可蝕性的研究的著重點各有不同，因此至今尚未形成完整的土壤可蝕性因子評價體系。

賀蘭山是中國西北干旱區最后一道生態屏障，其生態安全直接影響著西北、華北乃至全國的生態安全[16-17]。賀蘭山位于草原與荒漠的交錯區，低山區植被稀疏，植株矮小，蓋度低，母質為洪積物，生態環境較為脆弱[18-20]。賀蘭山低山區地表剝蝕較嚴重，多為干燥剝蝕山地，物理分化強烈，年平均風速為7.5 m/s，大風日數達157.7 d，最大風速為38.7 m/s，易風蝕沙化。目前對于賀蘭山的研究主要集中在生物多樣性、群落特征、植被景觀生態等方面，而對低山區土壤質地與結構及抗蝕性的研究幾乎沒有[21-23]。由于不同海拔的氣候、植被類型、土壤理化性質等的不同，土壤侵蝕程度不同。本研究以賀蘭山低山區2個植被垂直帶，6個海拔的表層土壤為研究對象，以孔隙特征類因子(容重、孔隙度、含水量)和粒徑類因子(砂粒、粉粒、黏粒、分形維數)2類土壤因子為指標，探求：①賀蘭山低山區土壤因子的空間分布與變異特征；②賀蘭山低山區土壤可蝕性影響因子間的相關性；③選取賀蘭山低山區土壤可蝕性關鍵因子及建立評價模型。通過構建土壤抗蝕性綜合評價模型，定量評價賀蘭山低山區土壤侵蝕和水土流失，為賀蘭山的環境保護、生態建設及生態治理提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區賀蘭山國家自然保護區，地理位置105°49′—106°41′E；38°19′—39°22′N，東接銀川平原，西側和北側與阿拉善戈壁荒漠相接，位于溫帶草原與荒漠的交錯帶。賀蘭山地處中國西北中溫帶氣候區，為典型溫帶大陸性氣候并具有山地氣候特征。無霜期229 d，春季風大、沙多，氣候變化大，年均溫-0.8 ℃。年均降水量420 mm，年均蒸發量2 000 mm，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%～80%。低山區氣溫變化劇烈，干旱少雨，為顯著大陸性氣候。山地植被和土壤具有明顯的空間分異規律，海拔由低到高，植被可劃分為山前荒漠與荒漠草原帶(海拔1 600 m以下)、山麓與低山草原帶(海拔1 600 m～1 800 m)、中山和亞高針葉林帶(海拔1 800 m～3 100 m)和高山與亞高山灌叢、草甸帶(海拔3 100 m以上)4個垂直帶[19]，土壤劃分為棕鈣土一灰褐土一高山、亞高山灌叢、草甸土3個帶。

1.2 樣地設計與樣品采集

經過對研究區前期調查研究，于2019年9月，從海拔1 300到1 800 m，每隔100 m設置1個取樣點，在陽坡選取群落生境相對均勻的地方，設置3個5 m×5 m的大樣方，在每個大樣方內沿對角線布置3個1 m×1 m的小樣方，在每個小樣方中用20 cm×20 cm×10 cm的取樣器采用五點取樣法取樣。采集的土樣一部分裝入進行土壤含水量和容重測定，另一部分置于塑封袋內，帶回實驗室自然風干后用于土壤粒度測定分析。在該海拔區間內主要土壤類型為粗骨土和山地灰鈣土[17]。

1.3 測定方法

(1) 土壤含水率采用烘干法測定，采樣后立即記錄土樣鮮重，帶回實驗室烘箱烘干至恒重；土壤總孔隙度、容重采用環刀法測定。

(2) 土壤粒度分析。將土樣自然風干，過2 mm篩，并去除樹根等雜物，使用激光衍射粒度分析儀進行土壤粒徑分布(PSD)的測定。土壤粒徑分布采用美國標準：黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2000 μm)和石礫(2 000～3 000 μm)。

1.4 數據統計與分析

土壤物理性質計算公式為：

土壤含水量=(原土質量-烘干質量)/

烘干土質量×100%

(1)

(2)

式中：g表示環刀內濕樣重;V表示環刀內容積;W表示樣品內含水百分數。單位為g/cm3。

(3)

土壤粒徑分形維數的計算：

(4)

式中：D表示土壤顆粒分形維數;r表示土壤粒徑(μm);Ri表示粒徑等級i的土壤粒徑(μm);VT表示土壤顆粒總體積(%);Rmax表示土壤粒徑的極大值(μm);V表示土壤粒徑小于Ri的土壤體積百分量。其中粒級<2 μm時；Ri取值為1 μm。

變異系數的劃分標準為：Cv≤10%表示呈弱變異性，10%100%表示呈高度變異性[24]。

試驗數據在Excel表格中進行初步處理、數據整理及圖表制作，用SPSS 17.0進行統計分析、相關分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土壤因子的空間分布與變異特征

2.1.1 土壤孔隙特征類因子的空間分布與變異特征 由表1可知，在兩個植被帶中，土壤含水率均呈中度程度變異，容重和總孔隙度同屬于弱度變異性。由圖1可知，土壤含水率與海拔具有正相關性，即土壤水分含量隨著海拔高度的增加而增加，表現為海拔1 800 m處最高，海拔1 300 m處最低。山前荒漠與荒漠草原帶含水率變化范圍1.14%～1.49%，平均值為1.31%；山麓與低山草原帶含水率變化范圍2.25%～5.14%，平均值為4.04%。隨著海拔高度的增加，土壤容重降低，表現為海拔1 300 m處最高，海拔1 800 m處最低。山前荒漠與荒漠草原帶容重變化范圍1.56～1.69 g/cm3，平均值為1.61 g/cm3；山麓與低山草原帶容重變化范圍1.50～1.53 g/cm3，平均值為1.52 g/cm3隨著海拔高度降低土壤總孔隙度也降低，表現為海拔1 300 m處最低，海拔1 800 m處最高。山前荒漠與荒漠草原帶總孔隙度變化范圍36.35%～41.04%，平均值為39.41%；山麓與低山草原帶總孔隙度變化范圍42.39%～43.25%，平均值為42.72%。土壤孔隙特征類因子的空間分布表現為：含水率：山前荒漠與荒漠草原帶<山麓與低山草原帶；容重：山前荒漠與荒漠草原帶>山麓與低山草原帶；總孔隙度：山前荒漠與荒漠草原帶<山麓與低山草原帶。

圖1 賀蘭山低山區土壤孔隙特征類因子的空間分布特征

表1 賀蘭山低山區土壤因子變異系數

2.1.2 土壤粒徑類因子的空間分布與變異特征 由表1可知，在兩個植被帶中，土壤黏粒、粉粒和砂粒百分含量均呈中度程度變異。根據表層土壤粒徑分布的測定結果計算分形維數。結果發現，賀蘭山低山區不同海拔的土壤顆粒的分形維數為2.471 4～2.543 3。由圖2可知，黏粒百分含量與海拔具有正相關性，即黏粒百分含量隨著海拔高度的增加而增加。山前荒漠與荒漠草原帶黏粒百分含量變化范圍1.81%～3.16%，平均值為2.38%；山麓與低山草原帶黏粒百分含量變化范圍2.00%～3.72%，平均值為2.98%。

圖2 賀蘭山低山區土壤粒徑類因子的空間分布

隨著海拔高度的增加，粉粒百分含量呈現出增長趨勢。山前荒漠與荒漠草原帶粉粒百分含量變化范圍為30.94%～51.35%，平均值為39.48%；山麓與低山草原帶粉粒百分含量變化范圍為34.79%～53.31%，平均值為46.34%。

隨著海拔高度降低土壤總孔隙度也降低。山前荒漠與荒漠草原帶砂粒百分含量變化范圍為45.50%～66.90%，平均值為58.15%；山麓與低山草原帶砂粒百分含量變化范圍為43.47%～63.22%，平均值為50.68%。

土壤粒徑類因子的空間分布表現為如下。黏粒百分含量：山前荒漠與荒漠草原帶<山麓與低山草原帶；砂粒百分含量：山前荒漠與荒漠草原帶>山麓與低山草原帶；粉粒百分含量：山前荒漠與荒漠草原帶<山麓與低山草原帶。含水率、容重和總孔隙度等3個土壤孔隙特征類因子與黏粒、粉粒、膠粒、砂粒和分形維數等4個粒徑類因子均為中度、弱度變異性，可初選為土壤可蝕性影響因子。

2.2 土壤可蝕性影響因子間的相關性

通過對山前荒漠與荒漠草原帶土壤因子之間的相關性分析(表2)，可以看出含水率與容重呈顯著負相關、與黏粒百分含量呈顯著正相關(p<0.05)；容重與總孔隙度呈顯著負相關(p<0.05)；黏粒百分含量與粉粒百分含量和分形維數呈顯著正相關、與砂粒百分含量呈顯著負相關(p<0.05)；粉粒百分含量與分形維數呈極顯著正相關、與砂粒百分含量呈極顯著負相關(p<0.01)；砂粒百分含量與分形維數呈極顯著負相關(p<0.01)。

而山麓與低山草原帶土壤因子之間的相關性分析(表2)，可以看出含水率與黏粒百分含量、分形維數呈極顯著正相關(p<0.05)，與粉粒百分含量呈顯著正相關、與砂粒百分含量呈顯著負相關(p<0.05)；容重與總孔隙度、黏粒百分含量呈顯著負相關(p<0.05)；黏粒百分含量與粉粒百分含量和分形維數呈顯著正相關、與砂粒百分含量呈顯著負相關(p<0.05)；粉粒百分含量與分形維數呈極顯著正相關、與砂粒百分含量呈極顯著負相關(p<0.01)；砂粒百分含量與分形維數呈極顯著負相關(p<0.01)。

表2 賀蘭山低山區表層土壤可蝕性影響因子間相關分析

在2個植被帶中，均呈現含水率與黏粒百分含量之間、容重與總孔隙度之間以及粒徑類因子(黏粒、粉粒、砂粒百分含量和分形維數)之間具有顯著相關性(p<0.05)。土壤孔隙特征類與土壤粒徑類影響因子之間存在明顯顯著相關、相互影響。這7個土壤可蝕性影響因子之間存在一定共性，因子之間存在明顯的信息疊加現象，需要進一步對土壤可蝕性影響因子篩選，從中選取信息承載力較高的作為土壤可蝕性關鍵因子。

2.3 土壤可蝕性關鍵因子篩選

如表3—4所示，含水率(X1)，容重(X2)，總孔隙度(X3)，黏粒(X4)，粉粒(X5)砂粒(X6)和分形維數(X7)等7個影響因子之間存在明顯的信息重疊。對其進行主成分分析，提煉出2個主成分，其累積方差貢獻率分別為77.295%和17.468%，信息損失量為5.237%，滿足主成分分析的要求。第一主成分中(F1)具有高信息荷載的因子有：黏粒、粉粒、砂粒和分形維數，說明第一主成分因子主要表達了土壤粒徑類影響因子的基本信息；主成分分析得出的第二主成分中(F2)具有高信息荷載的因子有：含水率、容重和總孔隙度，說明第二主成分因子主要表達了土壤孔隙特征類影響因子的基本信息。

表3 主成分貢獻值

表4 旋轉后的主成分載荷矩陣及主成分標準化系數矩陣

由此得到土壤抗蝕性綜合主成分評價模型：

Y1=0.37X1-0.33X2+0.32X3+

0.41X4+0.39X5-0.4X6+0.41X7

(5)

Y2=-0.15X1+0.56X2-0.58X3+

0.1X4+0.35X5-0.33X6+0.29X7

(6)

Y=(77.295Y1+17.468Y2)/94.763

(7)

通過綜合主成分評價模型，可以得出賀蘭山低山區不同海拔土壤綜合抗蝕性強弱順序為：1 800 m(土壤抗蝕性能的綜合主成分值為2.14，下同)>1 700 m(1.91)>1 600 m(1.00)>1 500 m(-1.16)>1 400 m(-1.81)>1 300 m(-2.07)，且抗蝕性與海拔呈顯著正相關(p<0.05)。

3 討論與結論

土壤含水率、容重和總孔隙度是土壤基礎的物理性質之一，與植物生長、退化生態系統植被恢復及土壤侵蝕等過程密切相關[25-27]。研究發現，土壤水分含量和總孔隙度與海拔具有正相關關系，而土壤容重與海拔具有負相關性，與前人研究結果一致[28]。土壤粒徑分布可以反映土壤結構、退化程度、侵蝕程度和肥力狀況[29-31]。隨著海拔升高，黏粒、粉粒質量分數增加，砂粒質量分數降低，分型維數呈上升趨勢。山前荒漠與荒漠草原帶較山麓與低山草原帶黏粒含量低而砂粒含量高，可能是因為放牧和人類活動較為頻繁，受到干擾較大，土壤結構不穩定，蓄水保水能力較差。變異系數表征影響因子對外界敏感程度的強弱，系數越大相應影響因子對外界越敏感[32]。為定量分析賀蘭山低山區土壤可蝕性，采用中、弱度變異性因子作為土壤可蝕性影響因子，減小由于影響因子過于敏感而造成的估算誤差，使選取的土壤可蝕性影響因子具有科學性、全面性和客觀性[33]。這7個土壤因子均為中度、弱度變異性，可初選為土壤可蝕性影響因子。

土壤孔隙特征類與土壤粒徑類影響因子之間存在明顯顯著相關、相互影響。在2個植被帶中，均呈現含水率與黏粒百分含量之間、容重與總孔隙度之間以及粒徑類因子(黏粒、粉粒、砂粒百分含量和分形維數)之間具有顯著相關性(p<0.05)。黏粒和粉粒百分含量具有顯著正相關性，與砂粒含量呈顯著負相關關系。說明土壤顆粒的粒徑越大，細粒含量越小，土壤粒徑分形維數越小；反之，土壤顆粒的粒徑越小，細粒含量越大，土壤粒徑分形維數越大，這與已有研究結果一致[34-35]。土壤中黏粒和粉粒含量越大，則分形維數越大，土壤水分含量越高，土壤結構越好；砂粒百分含量越大，則分形維數越小，土壤水分含量越低，土壤結構越不穩定。低海拔地區黏粒含量低、砂粒含量高，其分形維數小、土壤含水率低，表明該地土壤質地松散，結構不穩定，蓄水保水能力較差[36]。這7個土壤可蝕性影響因子之間存在一定共性，因子之間存在明顯的信息疊加現象，需要進一步對土壤可蝕性影響因子篩選，從中選取信息承載力較高的作為土壤可蝕性關鍵因子。

對土壤可蝕性影響因子進行主成分分析，提煉出2個主成分，第一主成分因子主要表達了土壤粒徑類影響因子的基本信息，研究區黏粒、粉粒和分形維數指標值越大，砂粒指標值越小，抗蝕性越強；第二主成分因子主要表達了土壤孔隙特征類影響因子的基本信息，研究區含水率和總孔隙度指標值越大，容重指標值越小，抗蝕性越強。

有研究表明，土壤顆粒分形維數在2.75左右土壤結構最為理想，在此狀態下土壤既有優良的通氣透水性又有一定的保水保肥機能[37]。賀蘭山低山區土壤顆粒分形維數均值在2.471 4～2.543 3之間。因此，從目前來看，賀蘭山低山區土壤的結構與質量并不理想，后期仍需加大賀蘭山低山區的生態保護力度，特別是對于低海拔區域土壤，應制定專門的保護措施與土壤修復方案。由于不同海拔高度的氣候條件、植被及土壤類型具有差異性，造成土壤理化性質的差異，從而使其土壤抗蝕性能也具有明顯的空間分異規律。在賀蘭山低山區不同海拔梯度，土壤孔隙特征類因子(含水率、容重、總孔隙度)和土壤粒徑類因子(黏粒、粉粒、砂粒、分形維數)這7個指標均可作為描述土壤抗蝕性的有效指標，但土壤粒徑類因子(黏粒、粉粒、砂粒、分形維數)這4個指標較土壤孔隙特征類因子(含水率、容重、總孔隙度)這3個指標表現出更好的評價性能。構建了土壤抗蝕性綜合評價模型，由其可得不同海拔高度下土壤抗蝕性由強到弱依次表現為：1 800 m>1 700 m>1 600 m>1 500 m>1 400 m>1 300 m。在該海拔區域內土壤抗蝕性隨海拔升高而增加，這主要與隨海拔上升人類活動減少，水熱條件和土壤性質與結構改善有關。賀蘭山低山區土壤抗蝕性與海拔呈顯著正相關關系，與朱德雯[15]和聶曉剛等[11]研究結果一致，但與羅蘭花等[38]的結果相異，可能是由于氣候、土壤類型、干擾強度等差別所致。初步結論證實賀蘭山低山區土壤性質和土壤抗蝕性與海拔顯著相關，建議可通過制定專門的保護措施與土壤修復方案改善土壤的結構與質量、加強土壤抗蝕性，促進該區域生態建設和增強水土保持功能。