聶曉剛，梁 博，楊東升，喻 武，萬 丹，方江平

(西藏農(nóng)牧學(xué)院 a資源與環(huán)境學(xué)院,b高寒水土保持研究中心,c高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000)

土壤抗蝕性是結(jié)合土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物酶等多重因素于一體，用以體現(xiàn)土壤抵抗水的分散和懸浮能力的綜合性因素指標(biāo)體系，是評定土壤抗蝕力的重要參數(shù)之一[1]。土壤抗蝕性的大小除了與土壤理化性質(zhì)等內(nèi)在因素有關(guān)外，還受植被類型等外部因素的影響[2]。氣候、地形、植被等的不同，形成了各種類型的土壤及環(huán)境條件，導(dǎo)致土壤性質(zhì)存在明顯的差異，稱之為土壤空間差異，而研究不同尺度上土壤的空間差異，不但對了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義[3]，而且對了解土壤抗蝕性的空間格局等也具有重要的參考價值。海拔作為高山地區(qū)主要的自然環(huán)境特征指標(biāo)，是影響區(qū)域光、熱、水、氣的環(huán)境因子之一，并直接影響著生境的氣候生態(tài)學(xué)特征，通過氣候環(huán)境的改變使土壤物理、化學(xué)和生物等性質(zhì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為不同的垂直地帶土壤的有機質(zhì)礦化程度、土壤機械組成以及微生物數(shù)量[4]等的不同，從而進一步影響植物群落結(jié)構(gòu)和類型的演變[5-6]，最終引起生態(tài)系統(tǒng)功能的改變[7]。

青藏高原是世界上中低緯度面積最大的高海拔凍土區(qū)[8-9]，其能量和水分循環(huán)對亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的形成和演化具有十分重要的作用[10]。近年來，隨全球氣候變化和人類活動的影響，青藏高原土壤物理過程、水文循環(huán)、熱量循環(huán)等過程變化劇烈[11]，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，如何加強青藏高原國家生態(tài)安全屏障建設(shè)，減少水土流失，已成為該地區(qū)重要的生態(tài)環(huán)境熱點問題之一[12]。色季拉山作為青藏高原東南部典型的山脈體系，其植被、土壤類型沿海拔高度的升高有明顯的分布規(guī)律，是研究高寒區(qū)土壤物質(zhì)分布特征與植被、土壤、氣候響應(yīng)的的天然實驗室[13]。目前關(guān)于土壤抗蝕性的研究主要集中在中低海拔地區(qū)，而針對高海拔寒區(qū)土壤抗蝕性的研究相對較少。為此，本試驗以色季拉山西坡3 200～4 600 m海拔土壤為研究對象，借鑒國內(nèi)外常用的土壤抗蝕性評價指標(biāo)，分析不同海拔土壤抗蝕性的空間差異特征，以期為以色季拉山為代表的藏東南高原山地水土流失的預(yù)防治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

色季拉山位于青藏高原東南部的林芝地區(qū)(94°28′～94°51′E，29°21′～29°50′N)，海拔2 200～5 300 m[13]，年平均日照時數(shù)1 150 h[14]，年均氣溫-0.7 ℃，極端最低溫-31.6 ℃(1991年1月)，極端最高溫24 ℃(2000年7月)；整個山脈呈東北-西南走向，地勢西高東低。年降水總量600～1 000 mm，且約75%的降水量集中在5-10月份[15]。隨著海拔升高，色季拉山垂直氣候帶明顯，從山腳到山頂分別為山地溫帶-亞高山寒溫帶-高山寒帶。在氣候帶影響下，山體植被生長茂盛，類型豐富多樣且垂直譜帶明顯，從山頂?shù)缴侥_分別為山頂凍原稀疏植被-亞高山寒帶灌叢、草甸-亞高山寒溫帶暗針葉林-山地溫帶暗針葉林-山地暖溫帶針闊混交林、松林。山體土壤類型多種多樣，垂直分布譜帶明顯而完整[16]。

1.2 土壤樣品的采集與處理

2016年9月中旬，沿318國道采集色季拉山西坡海拔3 200～4 600 m土壤土樣。按照典型選樣方法，每2 00 m一個梯度，沿不同海拔梯度分別選取樣點，每個樣點按照五點法設(shè)置，分別采集0～10，10～20，20～30 cm土層環(huán)刀土和原狀土，帶回實驗室用于土壤理化性質(zhì)測定。各采樣點周邊基本特征詳見表1 。

1.3 土壤抗蝕性指標(biāo)體系

為揭示不同空間土壤抗蝕性的差異及土壤各因子對抗蝕性的影響，本研究采用指標(biāo)體系法，從土壤的內(nèi)涵出發(fā)，堅持指標(biāo)靈敏性、獨立性和協(xié)調(diào)性準(zhǔn)則[19-20]，對色季拉山土壤抗蝕性進行定量評價。本研究共選擇3類11個土壤理化指標(biāo)作為土壤抗蝕性評價指標(biāo)。

1)土壤團粒類指標(biāo)。包括粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(X1)、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量(X2)、粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量(X3)、土壤水穩(wěn)性指數(shù)(X4)、團聚體平均質(zhì)量直徑(X5)、團聚體破壞率(X6)。

2)土壤基本物理類指標(biāo)。包括非毛管孔隙度(X7)、毛管孔隙度(X8)、土壤體積質(zhì)量(X9)、吸濕水含量(X10)。

3)有機膠體類指標(biāo)。有機質(zhì)含量(X11)。

表1 西藏色季拉山西坡土壤采樣點的基本特征Table 1 Basic characteristics of sampling points in west slope of the Sejila Mountain

注：研究區(qū)根據(jù)海拔可分為山地溫帶(3 200～3 600 m)、亞高山寒溫帶(3 800～4 200 m)、高山寒帶(4 400～4 600 m)[16-18]。

Note:According to elevation, the Sejila Mountain can be divided into mountain temperate zone (3 200-3 600 m), subalpine cold temperate zone (3 800-4 200 m) and alpine frigid zone (4 400-4 600 m)[16-18].

1.4 指標(biāo)測定及計算方法

采用文獻[21-22]的方法測定粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(X1)、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量(X2)、粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量(X3)。采用環(huán)刀法[23]測定非毛管孔隙度(X7)、毛管孔隙度(X8)、土壤體積質(zhì)量(X9)、吸濕水含量(X10)。采用文獻[24]的方法測定有機質(zhì)含量。

土壤水穩(wěn)性指數(shù)(X4)采用靜水崩解法測定，其計算公式[25]為：

X4=(∑PiKi+Pj)/A。

式中：Pi為第i分鐘內(nèi)分散的土壤顆粒數(shù);Ki為第i分鐘的校正系數(shù);Pj為10 min內(nèi)未分散的土壤顆粒數(shù)；A為供試土壤顆?？倲?shù)；i為時間，i=1,2,…,10 min。

團聚體平均質(zhì)量直徑(X5)采用邱麗萍等[26]方法的測定，其計算公式為：

團聚體破壞率(X6)采用土壤團粒分析法測定，其計算公式[27]為：

X6=(粒徑>0.25 mm團聚體干篩分析值-粒徑>0.25 mm團聚體濕篩分析值)/粒徑>0.25 mm團聚體干篩分析值×100%。

1.5 數(shù)據(jù)的處理

以不同土層各抗蝕性指標(biāo)的平均值和變異系數(shù)描述色季拉山不同海拔區(qū)域土壤抗蝕性的空間變異性。利用SPSS 17.0、Origin 9.0軟件和單因素方差(ANOVA)分析進行圖形制作和數(shù)據(jù)處理，利用主成分分析法選取抗蝕性最優(yōu)指標(biāo)，最后通過構(gòu)建評價模型分析比較色季拉山不同海拔區(qū)域土壤抗蝕性的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 色季拉山不同海拔區(qū)域土壤抗蝕性指標(biāo)的空間分異特征

2.1.1 海拔3 200～3 600 m山地溫帶土壤 由表2可以看出，在6個土壤團粒類指標(biāo)中，除團聚體破壞率(X6)外，其余指標(biāo)均隨著海拔上升總體表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其中在海拔為3 200～34 00 m時增幅最大；團聚體破壞率(X6)表現(xiàn)為3 200 m海拔最大，3 600 m海拔次之，3 400 m海拔最小，這可能與研究區(qū)人為干擾強度相關(guān)。土壤基本物理指標(biāo)隨海拔變化表現(xiàn)復(fù)雜，其中非毛管孔隙度(X7)和毛管孔隙度(X8)隨海拔的增加呈先增后減的趨勢；土壤體積質(zhì)量(X9)則隨海拔增加而逐漸減小，吸濕水含量(X10)隨海拔升高逐漸增加。有機膠體類指標(biāo)有機質(zhì)含量(X11)則隨海拔的升高而逐漸增大。

表2 西藏色季拉山海拔3 200～3 600 m山地溫帶土壤的抗蝕性Table 2 Soil-erodibility indexes at 3 200-3 600 m altitude of the Sejila Mountain

2.1.2 海拔3 800～4 200 m亞高山寒溫帶土壤 由表3可知，當(dāng)海拔為3 800～4 200 m時，在研究區(qū)土壤團粒類指標(biāo)中，除團聚體破壞率(X6)隨海拔上升呈增加趨勢之外，其余指標(biāo)總體均呈降低趨勢。在海拔為3 800～4 200 m時，土壤基本物理類指標(biāo)變化較為復(fù)雜，隨海拔高度增加，非毛管孔隙度(X7)先降后升，毛管孔隙度(X8)先增后降，二者變化規(guī)律相反，這主要與土壤表層植被根系的穿插、切割作用有關(guān)；土壤體積質(zhì)量(X9)逐漸增加， 吸濕水含量(X10)逐漸減小。對有機膠體類指標(biāo)而言，有機質(zhì)含量則隨海拔上升總體呈減小趨勢。

表3 西藏色季拉山海拔3 800～4 200 m亞高山寒溫帶土壤的抗蝕性Table 3 Soil-erodibility index at 3 800-4 200 m altitude of the Sejila Mountain

2.1.3 海拔4 400～4 600 m高山寒帶土壤 由表4可知，當(dāng)海拔為4 400～4 600 m時，在土壤團粒類指標(biāo)中，隨海拔上升，除粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性土壤團聚體含量(X3)、土壤水穩(wěn)性指數(shù)(X4)和土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(X5)呈降低趨勢外，其余指標(biāo)均呈增加趨勢，這主要與凍融作用有關(guān)。土壤基本物理類指標(biāo)中除土壤體積質(zhì)量(X9)隨海拔上升呈增加趨勢外，其余指標(biāo)均呈減小趨勢。有機質(zhì)含量隨海拔的升高呈遞減趨勢。

表4 西藏色季拉山海拔4 400～4 600 m高山寒帶土壤的抗蝕性Table 4 Soil-erodibility index at 4 400-4 600 m altitude of the Sejila Mountain

2.2 色季拉山不同土層土壤抗蝕性指標(biāo)的空間分異特征

不同土層由于生物、淋溶作用及土壤本身性質(zhì)的影響，土壤抗蝕性能也存在明顯的空間差異。由表2～4可以看出， 在0～30 cm土層，土壤抗蝕性指標(biāo)隨土層深度增加變化規(guī)律不明顯，且變異系數(shù)差異較大，其中土壤團粒類指標(biāo)粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量、水穩(wěn)性指數(shù)、團聚體平均質(zhì)量直徑、團聚體破壞率的變異系數(shù)分別為0.85%～67.46%,1.53%～98.63%,0.48%～23.02%,19.58%～82.09%,9.53%～120.2%和11.65%～123.54%；土壤物理類指標(biāo)非毛管孔隙度、毛管孔隙度、土壤體積質(zhì)量、吸濕水含量的變異系數(shù)分別為7.50%～26.06%，5.08%～50.79%，4.15%～45.69%和2.16%～44.48%；土壤有機膠體類指標(biāo)有機質(zhì)含量的變異系數(shù)為17.86%～93.63%。

2.3 色季拉山土壤抗蝕性最優(yōu)指標(biāo)選取及評價模型的建立

2.3.1 最優(yōu)指標(biāo)的選取 由于各抗蝕性指標(biāo)間信息重疊，相互間又有關(guān)聯(lián)，因此采用主成分分析法，在不損失較多信息的基礎(chǔ)上以較少主成分來代替原有指標(biāo)，通過構(gòu)建土壤抗蝕性評價模型，并計算綜合主成分值[28]，以評價色季拉山西坡不同海拔高度土壤的抗蝕性能。本研究選取11個土壤抗蝕性指標(biāo)，分別對0～10,10～20,20～30 cm土層進行主成分分析,結(jié)果見表5。

表5 西藏色季拉山不同土層土壤抗蝕性指標(biāo)因子旋轉(zhuǎn)后的荷載和累計方差貢獻率Table 5 Load and cumulative variance contribution rate after factor rotating of soil anti-erodibility index at different soil layers

由表5可知，不同土層各提煉出3個主成分，其累積方差貢獻率分別為88.41%，90.61%和86.47%，信息損失量為9.39%～13.53%，滿足主成分分析的要求。但由于不同土層各指標(biāo)對主成分貢獻大小不同，造成指標(biāo)評價體系的垂直空間差異。由表5可以看出，在0～10 cm土層，第1主成分中粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤團聚體平均質(zhì)量直徑、團聚體破壞率的荷載值較大，說明研究區(qū)0～10 cm土層粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤團聚體平均質(zhì)量直徑指標(biāo)值越大，團聚體破壞率越小，抗蝕性越強；第2主成分主要解釋了粒徑>0.25 mm土壤非水穩(wěn)性團聚體含量、土壤體積質(zhì)量、吸濕水含量等信息;第3主成分主要解釋了非毛管孔隙度、毛管孔隙度信息。在10～20 cm土層，第1主成分中粒徑>0.25 mm土壤非水穩(wěn)性團聚體含量、團聚體破壞率、土壤體積質(zhì)量、吸濕水含量的荷載絕對值較高，說明10～20 cm土層粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量、吸濕水含量越高，團聚體破壞率、土壤體積質(zhì)量越小，土壤抗蝕性越強；第2主成分中，粒徑>0.5mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤團聚體平均質(zhì)量直徑等指標(biāo)的荷載值較大；第3主成分主要解釋了非毛管孔隙度、毛管孔隙度等信息。在20～30 cm土層，第1主成分主要解釋了粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤團聚體平均質(zhì)量直徑等信息，表明20～30 cm土層中粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤團聚體平均質(zhì)量直徑越大，土壤抗蝕性越強；第2主成分主要解釋了土壤體積質(zhì)量、吸濕水含量、有機質(zhì)含量等信息;第3主成分主要解釋了土壤水穩(wěn)性指數(shù)的信息。

2.3.2 土壤抗蝕性綜合評價模型的構(gòu)建 以每個主成分對應(yīng)特征值占所提取主成分總特征值的比重作為權(quán)重，得到綜合主成分模型為：

式中：Wi、Fi分別為第i個因子的權(quán)重和隸屬度，n為參評因子數(shù)[29]。

由上述模型最終得到0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層土壤抗蝕性能的評價模型分別為：

Y0～10=0.589Y1+0.280Y2+0.131Y3,Y10～20=0.631Y1+0.265Y2+0.104Y3,Y20～30=0.664Y1+0.186Y2+0.150Y3。

式中：Y1、Y2和Y3分別表示不同土層第1，2，3主成分值。

據(jù)此計算色季拉山不同海拔土壤抗蝕性能的綜合主成分值為：

Y=Y0～10+Y10～20+Y20～30。

通過綜合主成分評價模型,可以得出色季拉山不同海拔土壤綜合抗蝕性強弱順序為:3 600 m(土壤抗蝕性能的綜合主成分值為1.94，下同)>3 800 m(1.79)>3 400 m(1.59)>4 400 m(-0.24)>4 000 m(-0.50)>4 600 m(-1.01)>3 200 m(-1.33)>4 200 m(-2.23)。

3 討論與結(jié)論

不同海拔高度由于氣候條件、植被及土壤類型的差異，造成土壤理化性質(zhì)的不同，從而使其土壤抗蝕性能也具有明顯的空間差異。本研究結(jié)果表明，在色季拉山西坡海拔3 200～4 600 m區(qū)域，用于土壤抗蝕性能評價的土壤理化指標(biāo)中，除土壤體積質(zhì)量、團聚體破壞率及毛管孔隙度、非毛管孔隙度外，其余土壤抗蝕性指標(biāo)值總體隨海拔上升表現(xiàn)出先增大后減小再緩慢增大的空間分異特征。具體可分為3個變化區(qū)間，即當(dāng)海拔為3 200～3 600 m時，隨海拔升高而增加；當(dāng)海拔為3 600～4 200 m時，隨海拔升高而減??；當(dāng)海拔為4 200～4 600 m時，隨海拔升高而緩慢增加。

本研究結(jié)果表明，在色季拉山西坡海拔3 200～3 600 m區(qū)域，土壤抗蝕性隨海拔的升高而增加，這與廖超林等[30]的研究結(jié)果相一致，主要由于該海拔區(qū)間水熱條件充足，植被類型豐富，隨海拔上升人為擾動減少，植被根系的纏繞、固結(jié)對土壤的改良作用明顯。而在海拔3 600～4 200 m區(qū)域，隨海拔的升高土壤抗蝕性能逐漸減弱，這主要與不同研究區(qū)間氣候、土壤及植被類型等的差異較大有關(guān)。研究區(qū)地處青藏高原東南部，區(qū)內(nèi)隨著海拔增高，氣候從亞高山寒溫帶向高山寒帶過渡，急尖長苞冷杉、林芝云杉等針葉物種所占比例增多，在低溫潮濕條件下，隨著表層枯落物分解，有機酸增多，腐殖質(zhì)、鐵鋁氧化物淋溶作用增強，形成氧化硅相對富集的灰化層，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，抗蝕性能減弱。當(dāng)海拔為4 200～4 600 m時，隨海拔增加土壤抗蝕性總體增大，而這與干冷氣候條件下土壤微生物活動受到限制及表層土壤有機質(zhì)分解緩慢而積累較易有關(guān)。茍小林等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融會促進土壤可溶性有機碳的淋溶，在非生長季節(jié)最高淋溶輸入量可達7.30 kg/hm2，從而對深層土壤理化性質(zhì)有明顯改良，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗蝕性能增強。

本研究中，比較色季拉山土壤抗蝕性指標(biāo)的空間變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在海拔3 400～3 800 m區(qū)域，土壤團粒類指標(biāo)的變異系數(shù)相對較低，而在海拔3 600 m區(qū)域土壤基本物理類指標(biāo)的變異系數(shù)相對較高；在海拔4 200～4 600 m區(qū)域，土層間土壤團粒類指標(biāo)變異系數(shù)較高，而土壤基本物理類指標(biāo)的變異系數(shù)卻相對較小；有機膠體類指標(biāo)有機質(zhì)含量的變異系數(shù)則分別在海拔4 600和4 200 m處出現(xiàn)最小值和最大值。

主成分分析發(fā)現(xiàn)，色季拉山不同土層間描述土壤抗蝕性的最優(yōu)指標(biāo)存在較大差異，在0～10 cm土層，以土壤團聚體平均質(zhì)量直徑、團聚體破壞率和粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量3個指標(biāo)表現(xiàn)最好；在10～20 cm土層，土壤吸濕水含量、體積質(zhì)量和粒徑>0.25 mm非水穩(wěn)性土壤團聚體含量3個指標(biāo)具有較強的代表性；在20～30 cm土層，粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、粒徑>0.5 mm水穩(wěn)性土壤團聚體含量、團聚體平均質(zhì)量直徑3個指標(biāo)表現(xiàn)出較好的評價性能。

本研究構(gòu)建了色季拉山不同海拔區(qū)域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(xiàn)為3 600 m>3 800 m>3 400 m>4 400 m>4 000 m>4 600 m>3 200 m>4 200 m。

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