晉西北黃土丘陵區小流域土壤團聚體穩定性及其分異特征

胡 磊, 佘冬立, 楊 震

(1.河海大學 農業科學與工程學院, 南京 210098; 2.中國科學院 教育部水土保持與生態環境研究中心黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤團聚體是土壤結構的基本組成部分[1]，由細小土壤顆粒經過絆纏、膠結和重排列作用形成[2]。土壤團聚結構在影響水分入滲和運移、碳氮物質循環和養分有效性等方面起到重要作用。土壤團聚體穩定性受大團聚體含量(R0.25)、水穩性團聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(D)等影響，R0.25，MWD和GMD越大，D越小，土壤團聚體穩定性和抗蝕性越好[3]。土壤團聚體在形成過程中受到各種因素的共同作用，使其形態、組合和功能各有不同，具有一定的自相似性和分形特征，故可以用分形理論研究土壤團聚體結構問題[4]。

黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴重、生態環境最為脆弱的地區之一。流域年均降水較少，土地沙化與土壤侵蝕問題制約著當地經濟發展。土壤團聚體穩定性影響著土壤肥力和抵抗外界侵蝕的能力，因此，改善土壤團聚體穩定性，提高土壤抗蝕能力是黃土丘陵區土壤改良亟待解決的問題。目前很多學者致力于土壤團聚體穩定性的研究，如李娟等[5]研究認為黃土高原林地和水稻田利用方式有利于提高團聚體的含量和質量，安韶山等[6]認為有機質在大粒徑土壤團聚體內含量更高，對土壤團聚體穩定性貢獻較大，這些研究多集中于單個因子對團聚體穩定性的影響，而多因子影響下團聚體穩定性的探究卻鮮有報道。基于此，本文以黃土高原晉西北朱家川流域為研究對象，借助通徑分析法[7]分析土壤團聚體穩定性影響因子，并探究朱家川流域不同土地利用方式、不同小流域間土壤團聚體穩定性分異特征，為黃土高原生態恢復和土地合理利用提供理論支持和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

供試土樣來自山西省忻州市朱家川流域(111°04′—112°12′E，38°39′—39°24′N)，地處山西省西北部、黃土高原北部，發源于朔縣利民溝，屬黃河干流水系。流域范圍大致北抵樓山，東至黑駝山及呂梁山，南達岢嵐山地。境內地表黃土覆蓋厚度較大，流水沖刷侵蝕作用導致其屬于典型黃土丘陵溝壑區，總流域面積2 922 km2。朱家川流域受溫帶大陸性季風氣候影響，四季分明。年平均降水量為486.6 mm，年平均氣溫6℃，年無霜期137 d，年均日照時數2 844.4 h。流域主要土壤類型為栗褐土和風沙土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 于2019年7—9月在朱家川流域進行實地調查和土樣采集。沿流域從上游到下游分別選取細嶺溝、華家溝、郜家峪溝、柳樹咀溝、高家溝、叢嶺溝、后會溝7條典型淤地壩控制小流域進行采樣研究。分別在各小流域內按土地利用類型面積比例選取林地、草地、農地3種利用方式下10個樣點(林地3個、草地3個、農地4個)，共計70個樣點，利用GPS標記樣點經緯度，利用ArcGIS提取壩控小流域面積(表1)。采用直徑5 cm的環刀采集各樣點100 cm3原狀土樣，同時采用五點法采集0—20 cm土層約750 g擾動土樣帶回實驗室。利用無人機航拍結合RTK設備測量技術獲取各小流域高清航拍影像，經軟件處理后得到高精度DEM及正射影像圖。利用校正后的DEM數字高程模型，在GIS平臺空間分析模塊下提取各樣點的相關地形數據，包括海拔(Elevation)、坡度(Slope)、坡向(Aspect)、剖面曲率(Profile curvature)、平面曲率(Plan curvature)、粗糙度(Roughness)等。

表1 小流域地理位置及海拔信息

1.2.2 試驗方法 采用烘干法測定原狀土土壤容重。擾動土樣待自然風干后，沿土壤天然裂隙結構掰成小土塊并除去植物殘根和石塊等，再過5 mm篩。采用濕篩法[8]按5～2 mm，2～1 mm，1～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm等5個粒級測定土壤團聚體組成。分別將土樣碾碎后過2 mm和0.149 mm篩，采用激光粒度儀(Bettersize 2000)測定土壤機械組成(砂粒、粉粒、黏粒)，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[9]測定土壤有機質含量。

1.3 數據處理與分析

(1)土樣中大于0.25 mm團聚體含量R0.25，計算公式為：

(1)

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)計算公式為：

(2)

(3)

土壤團聚體分形維數D采用楊培嶺等[10]提出的土壤顆粒分形模型計算：

(4)

(2)通徑分析理論中當許多自變量共同影響一個因變量時，自變量xi與因變量y間的通徑關系：

riy=Piy+∑Pij

(5)

Pij=rij×Pjy

(6)

(7)

采用Excel 2016軟件對數據進行整理和分形維數的線性回歸擬合；利用SPSS 23.0軟件進行數據間Pearson相關性分析和通徑分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤團聚體組成和分形特征

借助土壤團聚體組成(表2)可以分析土壤結構的穩定性[11]。大團聚體(>0.25 mm)含量越大，土壤團聚體穩定性和分布情況較好。農地、草地、林地的R0.25分別為33.55%，35.56%和41.67%，林地土壤團聚體穩定性優于農地和草地。

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表2 土壤水穩性團聚體組成及分形維數

土壤團粒結構分形維數D能反映土壤水穩性大團聚體含量對土壤穩定性及結構的影響[12]，表現為團聚體分形維數越小，土壤結構和穩定性越好，而MWD和GMD則相反。

本研究土壤團聚體分形維數用線性方程擬合度高，R2均在0.9以上。分形維數D表現出林地<草地<農地，而對于MWD，GMD，則均表現出林地>草地>農地(圖1)，表明林地土壤結構穩定性較好，樹木種植降低了土壤結構分形維數，土壤團粒結構得到改善。

圖1 不同土地利用方式特征直徑

2.2 不同土地利用方式下土壤團聚體各參數間相關性分析

平均重量直徑MWD、幾何平均直徑GMD和分形維數D均可反映土壤團聚體的團聚程度，各參數間存在顯著或極顯著的相關性(表3)。朱家川流域土壤MWD和GMD均與D呈極顯著負相關，而流域內3種土地利用方式MWD和GMD之間均呈極顯著正相關(p<0.01)。農地土壤MWD和GMD均與2～1 mm和1～0.25 mm團聚體含量呈極顯著正相關，與<0.25 mm的小粒徑團聚體含量呈極顯著負相關，兩者與各粒徑團聚體含量的正負相關性均以0.25 mm為界。草地土壤MWD和GMD均與5～2 mm和2～1 mm團聚體含量呈極顯著正相關，與0.25～0.053 mm團聚體含量呈極顯著負相關，兩者與各粒徑團聚體含量的正負相關性界線為1 mm。林地土壤MWD和GMD均與5～2 mm和2～1 mm團聚體含量呈極顯著或顯著正相關(p<0.05), GMD與<0.053 mm小粒徑團聚體含量呈極顯著負相關，兩者與各粒徑團聚體含量的正負相關性界線為1 mm。因此，大粒徑團聚體含量對提高土壤MWD和GMD有顯著效果。

表3 團聚體各參數間相關性分析

朱家川流域3種土地利用方式下土壤分形維數D均與1～0.25 mm團聚體含量呈顯著或極顯著負相關，與<0.25 mm小粒徑團聚體含量均呈顯著或極顯著正相關，其正負相關性的團聚體粒徑界線均為0.25 mm。小粒徑團聚體含量對于分形維數提高貢獻較大，大粒徑團聚體含量增加可以顯著降低土壤分形維數。

2.3 不同壩控小流域土壤團聚體穩定性差異分析

水穩性團聚體粒徑分析顯示，7個壩控小流域0—20 cm土層中土壤R0.25平均在36%左右(圖2)。其中，中游柳樹咀溝流域土壤R0.25達到42.4%，為所有小流域中最高值，下游后會溝流域土壤R0.25最低，僅為32.2%，其余各小流域土壤R0.25差異不顯著。

圖2 各壩控小流域土壤水穩性團聚體粒級分布及穩定性指標

下游后會溝流域土壤MWD和GMD均最低，分別為0.44 mm和0.17 mm，而中游柳樹咀溝流域土壤MWD和GMD最大，分別為0.57 mm和0.23 mm，其余各壩控小流域土壤MWD和GMD值差異不顯著。下游后會溝流域土壤團聚體分形維數D最大，達到2.85，其余各小流域土壤分形維數差異不明顯。土壤團聚體分形維數最小的流域為中游的柳樹咀溝流域，其值為2.82，柳樹咀溝流域土壤團聚體穩定性優于后會溝流域，這與上述MWD和GMD分析結果一致。下游后會溝流域土壤團粒結構最不穩定，土壤抗蝕性較差，而中游柳樹咀溝流域相反。

2.4 土壤團聚體分形維數影響因子的通徑分析

表4 各指標間相關性分析

表5 分形維數影響因子的通徑分析

y=27.23-0.21x1-0.042x2+0.014x3+

0.043x4-4.751x5+0.036x6-1.834x7+

0.013x8+0.029x9+0.334x10

3 討 論

朱家川流域土壤水穩性團聚體穩定性受土地利用方式影響顯著。3種土地利用類型對土壤團聚體穩定性影響強度為林地>草地>農地，表明退耕還林使土壤團聚結構得到改善。其主要機制是林地受人為擾動較少，殘枝敗葉等凋落物進入土壤分解出的有機質等養分對土壤的撫育，導致此種類型土壤團聚程度比其他土地利用類型更好[15]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤養分的富集庫。所有壩控小流域中，下游后會溝流域R0.25最低，僅為32.2%，中游柳樹咀溝流域R0.25達到最高值42.4%。除此之外，MWD和GMD的最小值以及D的最大值都出現在下游后會溝流域，MWD和GMD的最大值、D的最小值均出現在中游柳樹咀溝流域，表明后會溝流域土壤抵抗侵蝕保持結構穩定、維持肥力性能最弱，柳樹咀溝流域土壤質量最高。柳樹咀溝流域所處的中游地區植被群落多樣性高且穩定，植被枝葉繁密，減少了降雨雨滴機械打擊和消散作用對大團聚體結構的破壞[16]，此外植物根系可以分泌高分子膠結物質，把土壤的微團聚體絆纏為穩定的大團聚體[17]。

通徑分析通過對自變量和因變量間相關性分解，研究自變量對因變量的直接影響和間接影響，準確反映其影響程度。利用通徑分析統計和相關性分析發現，有機質含量(x2)與海拔高度(x5)與D呈極顯著(p<0.01)或顯著(p<0.05)負相關，說明土壤有機質含量越大、土壤所處海拔高度越高，土壤分形維數越小，土壤團粒結構穩定性越強。研究發現在各因子對分形維數的直接作用程度上，有機質含量(x2)的直接通徑系數最大且為負值，對分形維數的提高起制約作用，其次是海拔高度(x5)，其影響也為負效應，其余因子對分形維數直接影響并不顯著。有機質含量(x2)對分形維數的綜合決定能力(決策系數)也更大，對降低分形維數作用更顯著。導致以上結果的主要原因是有機質在土壤團聚體的形成中起重要膠結作用，微團聚體中富集的活性礦物(鋁/氧化鐵)容易吸附有機質[18]，在有機質的膠結作用下形成穩定的大團聚體，使分形維數降低。海拔高度的增加對分形維數有負效應主要是流域海拔較高處受人為影響少，土壤結構受破壞少，團聚體穩定性好。誤差項e對于土壤團聚體分形維數D的直接通徑系數為0.263，表明回歸方程中仍有部分對分形維數影響較大的指標未被考慮，需進一步深入研究。

4 結 論

(1)晉西北朱家川流域不同土地利用方式下，土壤團聚體穩定性存在顯著差異，團聚體穩定性從高到低順序為：林地>草地>農地。土壤團聚體分形維數和小粒徑團聚體含量呈顯著正相關，與大粒徑團聚體含量呈顯著負相關。下游后會溝流域土壤團聚體穩定性最低，土壤易受到侵蝕破壞，而中游柳樹咀溝流域土壤團聚體結構穩定性最優。

(2)通過選取土壤容重、有機質含量、粉粒含量、黏粒含量、海拔、坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率、粗糙度等因子，對土壤團聚體分形維數進行通徑分析發現，土壤有機質對土壤團聚體分形維數影響最大，其次是海拔高度。