坡度及旅游干擾對土壤粒度特征的影響

楊異婷

(上海師范大學 環(huán)境與地理科學學院，上海 200234)

1 引言

坡度是影響土壤環(huán)境重要的地形因子之一，其變化直接影響到土壤及植被的形成和發(fā)育過程，對人類活動的限制性和對不同地類空間分布的自然選擇性，使不同土壤性質(zhì)在地形梯度上的分布呈現(xiàn)出規(guī)律變化特征[1]。土壤粒度組成是土壤環(huán)境最重要的物理特性之一，許文強等[2]通過干旱區(qū)綠洲不同土地利用系統(tǒng)對土壤粒度分布的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)無論上層還是下層土壤，不同土地利用系統(tǒng)土壤的砂、粉砂和粘土含量差異明顯；張超和陳學剛等[3]對烏魯木齊城市土壤粒度的研究表明，土壤粒度頻率分布曲線由近似正態(tài)分布的單峰和非正態(tài)分布的多峰組成，其中農(nóng)用地樣品呈單峰曲線，而建設(shè)用地和未利用地為多峰形態(tài)，即存在多成因組分。

綜合來看，當前國內(nèi)關(guān)于土壤粒度特征的研究大多集中在不同土地利用類型[5，6]、不同植被類型[7，8]、城市土壤環(huán)境(張超，2015；王永紅、孫靜等，2012)、室內(nèi)模擬實驗(張怡，2015)或沉積環(huán)境(張衛(wèi)國，2002)等的研究中，也從不同角度分析了土壤粒度特征變化的因素，但對于旅游干擾引起的粒度特征變化研究較少提及。

天馬山園作為上海最大的國家森林公園中的園區(qū)之一，具有開放時間早、森林資源豐富的特點，對于林地坡度的研究具有典型性和特殊性，但旅游干擾和旅游開發(fā)使天馬山脆弱的土壤環(huán)境出現(xiàn)退化態(tài)勢。依據(jù)天馬山土壤環(huán)境對旅游干擾和坡度具有較為敏感性的特點，進行不同坡度對土壤粒度特征的影響及旅游干擾后土壤粒度特征的變化趨勢分析，并探討土壤粒度特征及其影響因素變化，以期為土壤環(huán)境生態(tài)修復(fù)、環(huán)境規(guī)劃和管理的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

天馬山公園位于上海市松江區(qū)佘山國家旅游度假區(qū)內(nèi)。其地理位置為31°04′～08′N、121°08～16′E，園區(qū)制高點為海拔99.8 m，研究區(qū)所在松江區(qū)年均氣溫15.4 ℃，年均降水量1103.2 mm[12]。園內(nèi)土壤主要為黃棕壤，原生植被屬北亞熱帶常綠闊葉、落葉闊葉混合林，次生林為針闊混交林和針葉林，主要有毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Pubescens)、柳杉(Cryptomeria)、黑松(PinusthunbergiiParlatore)、白榆(UlmuspumilaL.)、青楓(AcerpalmatumThunb)、女貞(LigustrumlucidumAit.)等[13，14]。

3 研究方法

在研究區(qū)范圍內(nèi)選擇17處坡地，使用羅盤進行測量，最小坡度4°，最大48°，并對坡度進行分級[15，16]，劃分為五級類型如表1所示。于五級坡度樣方處各設(shè)計3個4 m×4 m樣地，用GPS定位讀取采樣點坐標，并記錄各樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡面位置。

樣品采回風干后，去除殘留物過1 mm篩。①稱量0.2 g土樣加水浸泡，加入10 mL濃度為6%的H2O2去除樣品中的有機質(zhì)并在電熱板上加熱。加熱過程中需用蒸餾水沖洗杯壁，以防泡沫溢出；②再加入5～10 mL濃度為10%的HCl去除碳酸鹽，當液體沸騰趨于靜止，表明碳酸鹽完全消除。③在待測樣品中加入蒸餾水反復(fù)洗滌、離心，直至傾出溶液近似呈中性，靜置24 h待完全沉淀后，運用虹吸法抽取上層液體(抽取時避免底部樣品被擾動)；④最后加入5 mL濃度0.05 mol/L六偏磷酸鈉作為分散劑，以促進粘粒分散，采用超聲振蕩即可供儀器測量。粒度測定采用Beckman Coulter LS13320型激光衍射粒度分析儀，其粒度范圍為0.04～2000 μm。粒度參數(shù)分級如表2所示。

表1 采樣點信息

(S為南，SE為南東)

表2 粒度參數(shù)分級表

4 結(jié)果與分析

4.1 研究區(qū)土壤粒度組成

研究區(qū)不同粒級百分含量統(tǒng)計如表3所示，可以看出黏粒含量最高(均值為82.8%，變幅是76.2%～92.8%)，粉粒次之(均值為17.1%，變幅是8.9%～23.8%)，砂粒最少(均值為4.6%，變幅是1.3%～6.3%)。實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)毛竹林中枯枝落葉層較厚，其分解后可產(chǎn)生豐富的腐殖質(zhì)層，土壤中的細顆粒是形成腐殖質(zhì)的重要有機膠結(jié)劑，因此該區(qū)黏粒含量較多。

表3 不同坡度土壤粒度特征值

不同坡度土壤粒度組成為：Ⅰ級0°～5°的平坡中土壤黏粒平均含量是79.7%、粉粒為20.3%、砂粒為1.3%；Ⅱ級6°～15°的緩坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分別是85.3%、14.3%、6.3%；Ⅲ級16°～25°的斜坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分別是80.3%、19.7%、4.0%；Ⅳ級26°～35°的陡坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分別是83.4%、16.6%、5.8%；Ⅴ級36°～45°的急坡則是83.6%、16.4%、5.9%。由此可以看出研究區(qū)土壤主要由黏粒(<2 μm)，其次是粉粒(2～50 μm)，含量最少的砂粒(50～2000 μm)組成，研究區(qū)地形起伏，不同坡度林下土壤粒度組成的區(qū)別主要因為風力侵蝕作用的搬運和堆積，隨著坡度升高，土壤的細粒物質(zhì)黏粒、粉粒發(fā)生變化，砂粒平均含量增加，說明土壤的細粒物質(zhì)較容易在風力作用下被搬運，使得土壤中砂粒物質(zhì)含量相對升高。

不同時間土壤粒度含量變化為：無人為干擾時的研究區(qū)土壤粒級百分含量中的黏粒平均含量為82.7%，粉粒為16.82%，砂粒為0.48%；受到旅游干擾后土壤粒級百分含量中黏粒、粉粒為平均含量下降至77.3%、13.9%，砂粒上升至8.8%。由此可看出隨著旅游干擾的增強，黏粒、粉粒平均含量均表現(xiàn)下降趨勢，砂粒含量上升。

4.2 坡度對土壤粒度特征的影響

4.2.1 不同坡度的粒度參數(shù)空間變化

(1)平均粒徑Mz是反映粒度分布的集中趨勢，平均粒徑越大，表示細粒物質(zhì)所占比重越大。圖1可見樣品的Mz值均大于9 μm，在Ⅰ級0°～5°的平坡中Mz最大值位于Ⅰ01點，其次是Ⅰ02和Ⅰ03，最小為Ⅰ04。Ⅱ級6°～15°的緩坡中Mz粒徑最大值位于點Ⅱ04，最小值位于Ⅱ01。Ⅲ級坡度中，平均粒徑最大值位于Ⅲ05，最小值位于Ⅲ06。Ⅳ級坡度中最大值位于Ⅳ03，最小值位于Ⅳ01。Ⅴ級坡度中最大值位于Ⅴ06，最小值位于Ⅴ04。結(jié)合采樣點位置發(fā)現(xiàn)平均粒徑的最大平均值位于Ⅰ級坡度中，最小平均值位于Ⅳ級坡度上，說明0°～5°平坡的土壤顆粒較陡坡、急坡細粒物質(zhì)組成更多。

圖1 不同坡度粒度參數(shù)空間變化

(2)通過觀察發(fā)現(xiàn)So值均大于3，與Sk值變化趨勢相類似，猜測存在一定相關(guān)性。其中Ⅰ級坡度的變幅是4.95～6.50，屬于分選極差；Ⅱ級坡度的So范圍是3.30～4.00，屬于分選差；Ⅲ級坡度的So范圍是5.15～6.08；Ⅳ級坡度的So范圍是4.66～5.83；Ⅴ級坡度的So范圍是4.98～5.80。Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級均屬于極差范圍。

(3)研究區(qū)內(nèi)樣地偏度Sk多為負偏，范圍在-0.56～-0.05之間，Ⅰ級坡度中多為近對稱負偏。Ⅱ級、Ⅳ級為極負偏，Ⅲ級和Ⅴ級少數(shù)土樣為極負偏，多以細組分為主。

(4)由圖1可知，按照土壤粒度分布峰度等級，研究區(qū)樣地峰態(tài)值普遍偏高，屬窄峰態(tài)，Kg變化范圍為1.86～2.65，表明頻率曲線分布呈很尖銳狀態(tài)。

4.2.2 不同坡度粒度特征的差異性變化。

研究不同坡度等級的土壤粒度參數(shù)是否存在差異，本文采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗，當差異顯著時，采用LSD法進行多重比較。結(jié)果如表4所示。

表4 不同坡度土壤粒度參數(shù)方差分析(M±SD)

注：*p<0.05 **p<0.01

通過單因素方差分析表明，不同坡度平均粒徑的F值為0.991，P值為0.436，大于顯著性水平0.05，說明不同坡度等級的平均粒徑?jīng)]有顯著差異。

不同坡度等級分選系數(shù)的方差分析中F值為3.445，P值為0.028(P<0.05)，說明不同坡度的分選存在顯著差異，且Ⅰ級坡度的分選明顯高于Ⅱ級坡度，Ⅲ級坡度的分選明顯高于Ⅱ級坡度，Ⅴ級坡度的分選明顯高于Ⅱ級坡度。由此可知Ⅱ級坡度的分選系數(shù)低于其他坡度，分選性比其他坡度相對較好，顆粒也較為均勻。

偏度方差分析中F值為4.176，P值為0.014(P<0.05)，說明不同坡度等級的偏度存在顯著差異，且Ⅰ級坡度的偏度明顯高于Ⅱ級坡度，Ⅰ級坡度的偏度明顯高于Ⅳ級坡度，Ⅲ級坡度的偏度明顯高于Ⅱ級坡度，Ⅴ級坡度的偏度明顯高于Ⅱ級坡度。由此可知Ⅰ級坡度呈近對稱的負偏態(tài)，Ⅲ級和Ⅴ級為負偏態(tài)，其他坡度則為極負偏，即當峰偏向細粒物質(zhì)一側(cè)，粗粒一側(cè)有低的尾部，說明呈極負偏的Ⅱ級、Ⅳ級坡度的細組分物質(zhì)多于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ級。

不同坡度的峰度中F值為6.445，P值為0.002(P<0.05)，說明不同坡度等級的峰度存在顯著差異，且Ⅱ級坡度的峰度明顯高于Ⅰ級坡度，Ⅱ級坡度的峰度明顯高于Ⅲ級坡度，Ⅱ級坡度的峰度明顯高于Ⅳ級坡度，Ⅱ級坡度的峰度明顯高于Ⅴ級坡度。由此可知研究區(qū)中所有坡度的峰度值均比較高，其中Ⅱ級坡度的峰度高于其他所有坡度，呈很尖銳狀態(tài)。

4.2.3 不同坡度粒度特征的相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)分析計算相關(guān)系數(shù)(表5)。可以看出，平均粒徑與分選系數(shù)、偏度、峰度均不存在相關(guān)性。分選系數(shù)與偏度呈顯著正相關(guān)，與上述粒度參數(shù)空間變化中的猜測吻合，而與峰度呈極顯著的負相關(guān)。偏度與峰度呈顯著負相關(guān)性。上述結(jié)果說明，分選性越好，偏度值越大。反之，分選性越差，偏度值越小，峰度值越趨向窄峰態(tài)。

表5 粒度參數(shù)的相關(guān)性分析

注：*.在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**.在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

4.3 旅游干擾對土壤粒度特征的影響

粒度頻率分布曲線在很大程度上反映了的顆粒物質(zhì)作用形式及其來源。圖2可知，無旅游干擾時土壤粒度峰值在20～40 μm之間，峰值偏向均值，呈現(xiàn)對稱的單峰形態(tài)，曲線形狀相似，土壤顆粒組成相對較單一。圖3中節(jié)后粒度頻率分布曲線的形態(tài)相對復(fù)雜，表現(xiàn)為多峰曲線，樣品主峰值在30～50 μm之間，次峰由粒徑6～10 μm的粉粒和80～120 μm的細砂粒為主。

從上述結(jié)果看，節(jié)前粒度頻率分布曲線表明土壤存在單成因組分，物質(zhì)來源單一，節(jié)后粒度頻率曲線為多峰的分布特征，說明存在多成因組分，推測土壤粒度可能是游客遠距離攜帶的粗顆粒混合了近距離搬運的細顆粒，以及自然源混合作用的結(jié)果。其中Ⅰ級坡度中節(jié)后出現(xiàn)了500～800 μm粒徑的粗砂粒單峰形態(tài)，實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)Ⅰ級0°～5°的平坡中地形較為平坦，游客多聚集在此坡度范圍活動，游人踩踏行為增多，導致土壤結(jié)構(gòu)受到破壞，土壤微小孔隙變少、水分含量降低、容重增加，因此造成細顆粒物質(zhì)流失，粗顆粒物質(zhì)增多現(xiàn)象。

圖2 節(jié)前粒度頻率分布曲線

圖3 節(jié)后粒度頻率分布曲線

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤粒度組成以黏粒為主，粉粒次之，砂粒最低。隨著坡度升高，土壤的細粒物質(zhì)黏粒、粉粒發(fā)生變化，砂粒平均含量增加。黏粒、粉粒平均含量隨著旅游干擾的影響表現(xiàn)出下降趨勢，而砂粒含量有增加趨勢。受旅游干擾影響后的坡度分選性會變差，顆粒粗細分布不均；偏度多為極負偏，以細組分為主；峰態(tài)值普遍偏高，屬窄峰態(tài)。

(2)粒度參數(shù)的分布規(guī)律為：Ⅰ級坡度中的平均粒徑高于其他坡度等級；分選系數(shù)與偏度變化趨勢相似，Ⅱ級坡度的分選優(yōu)于其他坡度；研究區(qū)內(nèi)樣地多為負偏，多數(shù)樣地峰態(tài)值偏尖銳。不同坡度等級的平均粒徑不存在顯著差異；不同坡度等級的分選系數(shù)、偏度、峰度之間均存在顯著性差異。相關(guān)分析也可證明分選系數(shù)與偏度呈顯著正相關(guān)，與峰度呈極顯著的負相關(guān)。結(jié)果表明土壤粒度分選性越差，偏度值越小，峰度值越趨向窄峰態(tài)。

(3)受旅游干擾影響下各粒度特征均發(fā)生明顯變化，其中平均粒徑較無旅游干擾時向粒徑較大的粉粒集中分布；峰值由較對稱的單峰形態(tài)向復(fù)雜的多峰形態(tài)轉(zhuǎn)移。說明在旅游干擾下粒度特征存在多成因組分，推測是由游客遠距離攜帶的粗顆粒混合了近距離搬運的細顆粒，以及自然源混合作用的結(jié)果，且平坡較陡坡更易受到旅游干擾的影響。