泥石流流域氣候與區段對坡面土壤pH值的影響
——以云南蔣家溝流域為例

楊柳生, 林靜遠, 木力迪爾·艾爾肯, 高若允,余 杭, 林勇明, 王道杰, 李 鍵,3

(1.福建農林大學 林學院, 福州 350002; 2.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 成都 610041;3.福建省高校森林生態系統過程與經營重點實驗室, 福州 350002;4.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所, 成都 610041)

土壤pH值表示土壤的酸堿程度，作為土壤最重要的化學指標之一，它與土壤有機質含量、土壤微生物群落以及土壤重金屬離子等密切相關[1-2]。土壤pH值在生態系統演替過程中具有良好的指示作用，在生態修復和環境治理方面也具有十分重要的意義[3]。當前，在自然因素和人為因素的共同影響下，氣候變化、生態系統退化等導致土壤pH值發生了改變[1]，土壤pH值變化又影響著土壤元素的生物地球化學循環，制約植物的正常生長，進而影響陸地生態系統的結構和功能[4]。因此，準確掌握土壤pH值的分布及變化趨勢，成為生態系統可持續發展的重要依據，受到各國學者的高度關注。

近年來，國內外學者開展了大量土壤pH值變化及其影響因子的研究。在全球大尺度研究發現，許多國家和地區的土壤pH值有明顯的下降趨勢[5]：1982—1988年，英國約有19%的耕地土壤發生了酸化現象[6]；近年來，我國多個省份的土壤酸化程度加大[7]。其中，人工施氮、大氣氮沉降和酸雨等是土壤pH值降低的主要影響因子[1,8-9]。在區域尺度研究中，學者們發現土壤含水量及降水雨的多寡影響土壤pH值的大小，如干旱地區的土壤pH值通常大于濕潤地區[10-11]；豐沛的降雨可帶走土壤中各種鹽基離子，同時刺激土壤微生物的硝化反應導致土壤pH值減小[10]。災害干擾同樣也影響pH值，如汶川地震后滑坡區土壤呈堿性而未受損區為弱酸性[12]，一般情況下，土壤pH值隨土層深度增加而升高[12-13]，由于災害滑坡跡地的底層土壤結構翻轉變為表層，導致其土壤pH值顯著高于未受損區段。在各地區不同氣候和土壤條件下，植物種類的不同也會導致土壤pH值的差異性：如云杉林和冷杉林同為針葉林，冷杉可使土壤pH值變小，云杉則相反[6]；板栗、柑橘、花生等作物能維持或提升紅壤表層土壤pH值，楊梅、茶樹則導致紅壤表層土壤酸化[14-15]。植被在生長過程中向土壤中釋放H+，導致土壤酸化[3]，雖然其凋落物分解過程中會產生陽離子，可對土壤中酸性物質起到一定的緩沖作用，但該過程也產生腐殖質酸等酸性物質[16]；植被還通過與固氮菌等的共生作用影響土壤中活性N的濃度，同時截留大氣沉降過程中SO，NHx，NOx等酸性物質從而改變土壤酸堿度[17-18]。當土壤pH發生改變，反過來又會影響植被的生長，研究表明土壤pH值下降到3.8～4.2以下時，土壤中大量的固定的鋁會被溶解并釋放為游離態從而危害樹木根系的正常生長[19]。此外，不同的施肥方式、化肥的長期使用或過量使用、有機肥的使用不足等都會加劇土壤酸化[20]。總體而言，土壤pH值受到多種自然和人為因素，如氣候條件、土壤母質、植被、人工施氮等因素共同影響的[21]。然而，在災害頻發區，滑坡等災害嚴重擾動土壤結構，不同海拔氣候帶造成的長期降雨量差異及多年災害干擾對土壤酸堿性的影響特征尚不明，無法確定失穩性坡面的土壤改良措施并選擇適宜的植物種類，亟待深入研究。

蔣家溝流域作為典型的泥石流多發區[22]，其生態系統退化、生境破碎化嚴重、植被覆蓋率低，除了溫帶濕潤山嶺區、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區失穩坡面穩定區外，其他區段植被群落均以草本植物占優勢[23]。該流域每年都會發生不同程度的山體滑坡、泥石流等自然災害，給當地造成巨大損失。因此，科研人員、當地政府以該流域作為典型區，開展了一系列生態修復和環境治理工作[24]。目前，蔣家溝流域土壤的研究主要集中在土壤化學計量特征、土壤養分以及土壤入滲等理化性質方面的研究[23,25-27]，而土壤酸堿性方面的研究少有報道，無法準確掌握災害干擾后植被恢復對土壤鹽基狀況變化(即土壤pH值)的響應機制。因此，本研究擬以蔣家溝流域各氣候區的典型失穩性坡面為研究對象，分析氣候、失穩性坡面區段以及兩者的交互作用對土壤pH值的影響特征，并探究土壤含水量、植被蓋度與pH值的關系，以期為泥石流頻發流域及災害體的生態修復提供參考依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蔣家溝流域是著名的泥石流多發地區，位于云南省昆明市東川區北端，距離東川約23.7 km，地處26°13′—26°17′N，103°06′—103°13′E。該流域發源于會澤縣大海鄉，查菁溝、老蔣家溝、多照溝、大凹子溝、門前溝為其主要支溝，下游流經東川區銅都鎮綠茂村最終匯入小江，流域面積約48.52 km2。蔣家溝流域地處世界深大斷裂帶，地質侵蝕強烈，山高谷深且地勢陡峭，平均坡度為43°，流域內最低海拔為1 041 m，最高海拔為3 269 m。蔣家溝流域屬于典型的亞熱帶干熱氣候區，干濕季節分明，降雨集中于夏季，超過半年多的時間(當年11月到第二年4月)為旱期，年均降水量與年蒸發量之比為691 mm/3 752 mm，年均溫度為20.2℃，極端高溫為40.9℃，極端低溫為-6.2℃。由于獨特的地理位置和復雜的地形，其氣候類型產生了多樣化，從河谷到分水嶺可分為植被稀疏的亞熱帶干熱河谷區、泥石流固體物質主要源區的亞熱帶和暖溫帶半濕潤區、植被覆蓋率較高的溫帶濕潤山嶺區。3個氣候區具體樣地概況見表1和表2所示[23,27]。

表1 研究區樣地基本概況

表2 各失穩性坡面區段土壤類型和植被類型

1.2 樣品采集、處理與分析

1.2.1 樣地設置 蔣家溝流域內地形復雜，海拔變化較大，降水和溫度的差異使得該區域形成了不同的小氣候區。為保證在各氣候區選取的樣地盡可能的具有代表性，應盡量避免選取的樣地受過人類活動或其他動物的干擾，同時，參考了宋永昌[28]、McRoberts[29]等的樣地選擇標準，依據坡面整體是否處于失穩狀態、失穩的坡面上沿是否受過滑坡影響、下沿是否有明顯的堆積區、以及坡面不同區段的面積是否達到森林群落調查的最小面積標準(500 m2)等指標，在蔣家溝不同氣候區內，選取形成歷史在40 a左右、由侵蝕引起溝道兩側坡面下滑的典型失穩性坡面。溫帶濕潤山嶺區內選取大地陰坡和小尖風陽坡、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區內選取多照溝陽坡、亞熱帶干熱河谷氣候區內選取大凹子溝陰坡和查菁溝陽坡共計5個50 m × 400 m標準樣地。因為亞熱帶和暖溫帶半濕潤區村落聚集，人類活動頻繁，未發現合適的樣地，故只選擇了受干擾程度較少的多照溝陽坡。

綜合考慮每個樣地內坡面穩定程度、地形地貌、植被類型等將失穩性坡面從上部到下部分別劃分為穩定區、失穩區和堆積區，每個區段之間的相對高程大于50 m，實際面積均大于500 m2。

3個區段中，穩定區穩定程度高，坡度小，地勢較為平坦，植被覆蓋度高但多以草本植物為主，具有一定的水土保持作用；失穩區穩定程度低，侵蝕作用強烈，土壤結構疏松，植被較少，為滑坡啟動區域；堆積區位于谷底，由松散堆積物構成，坡度大，穩定程度低，植被稀疏。

1.2.2 樣品采集與處理與分析 筆者于2017年7—9月在云南省昆明市東川區蔣家溝流域的5個樣地中，在不同失穩性坡面的3個區段內進行土壤樣品的采集工作。將各區段進行5 m×5 m的方格分割，隨后在簽條上對各個方格進行編號置于紙盒內搖勻，連抽3次，獲得各區段的隨機采樣點。根據已布置好的采樣點，在確保自身安全的情況下，采取土壤樣品，同時用手持GPS儀和羅盤儀等儀器做好每個樣地的地理坐標及坡度、坡向等信息，共收集135個土壤樣本。采樣時，首先去除土壤表層的腐殖質層和雜物，然后用體積為100 cm3的環刀進行0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm不同深度的土壤采集，每個深度取3個樣品并均勻混合后裝入自封袋中，然后做好記錄，采集完成后回填土坑，防止因挖掘土壤造成的水土流失。

完成外業后，將采集到的新鮮土壤樣本帶回實驗室進行處理，土壤含水量測定采用烘干法[30]，即在105 ℃烘箱中烘干至恒重(約48 h)。將剩余土壤擺在干凈的牛皮紙上自然風干后，用鑷子去除其中的動植物碎屑以及較大的石塊，研磨、過0.25 mm篩后進行土壤pH值的測定。

采用純水浸提pH計法[31](型號Starter 3100C)對土壤pH值進行測定。首先，將處理好的土壤稱取3 g放入干凈的燒杯中，然后加入適量的去離子水，水土混合比例為2.5∶1，溫度25 ℃，用干凈的玻璃棒攪拌，靜置30 min。調試好設備后測量土壤pH值，每個樣品重復測量三次，取平均值。

1.3 氣候數據

氣候數據由中國科學院東川泥石流觀測研究站提供。蔣家溝流域各氣候區設有多個氣象觀測點，但研究區內部分站點的氣象資料從2003年才開始收集，由于各氣候區在氣候條件、地理因素等方面存在差異，隨著海拔的升高從亞熱帶干熱河谷區到溫帶濕潤山嶺區，氣候條件表現為氣溫逐漸降低、降水量不斷增加的趨勢，而蔣家溝流域的降水主要集中于夏季(7—9月)，此時各氣候區的氣候差異最明顯，所以選擇在該時段進行野外采樣，以地理空間差異來替代時間差異，因此未進行季節性采樣。為保證數據具有合理的比較性，亞熱帶干熱河谷區采用蔣家溝觀測站、上凹子站的氣象資料，亞熱帶和暖溫帶半濕潤區采用陳家梁子站、彎房子站、背陰山站的氣象資料，溫帶濕潤山嶺區采用螞蟻坪站、陰家凹站、李家埡口站的氣象資料，各氣候區的氣象觀測站點與樣地位于同一雨區，具有一定的代表性。利用各個站點2003—2015年共13 a的氣象資料來分析土壤pH值與多年平均氣溫和降水之間的相關性，氣候數據的詳細分析見同課題組另文報道內容[23]。

1.4 數據處理

采用Excel 2019對數據進行基本處理和制圖，ArcGIS 10.2進行地圖繪制，采用R-studio軟件對不同氣候區失穩性坡面的氣溫、降水、土壤含水量、植被蓋度以及不同區段的土壤pH值進行單因素方差分析、Pearson相關性分析、回歸分析，運用 SPSS 25.0軟件分析氣候和區段對失穩性坡面 pH的影響及其交互作用，差異水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同氣候區失穩性坡面的土壤pH值和土壤含水量

蔣家溝流域不同氣候區土壤pH值見圖1。溫帶濕潤山嶺區、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區樣地土壤pH值總體偏酸性(pH<6.5)，亞熱帶干熱河谷區樣地土壤pH值總體偏堿性(pH>7.5)。土壤pH值總體表現為亞熱帶干熱河谷區顯著高于亞熱帶和暖溫帶半濕潤區和溫帶濕潤山嶺區(p<0.05)。就不同失穩性坡面區段而言，大地陰坡的堆積區和失穩區顯著大于穩定區的土壤pH值(p<0.05)；小尖風陽坡的堆積區、失穩區與穩定區土壤pH值差異顯著(p<0.05)；多照溝陽坡各個區段的土壤pH值兩兩之間差異顯著(p<0.05)；查菁溝陽坡的堆積區與失穩區土壤pH值差異顯著(p<0.05)。從不同氣候區相同區段來看，溫帶濕潤山嶺區、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區3個樣地穩定區的土壤pH值與亞熱帶干熱河谷區的穩定區土壤pH值差異顯著(p<0.05)；從失穩區來看，除樣地大地陰坡和多照溝陽坡外，其余氣候區的失穩區土壤pH值之間差異顯著(p<0.05)；從堆積區來看，溫帶濕潤山嶺區與亞熱帶和暖溫帶半濕潤區土壤pH值與亞熱帶干熱河谷區土壤pH值差異顯著(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示不同樣地相同區段之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一樣地不同區段之間差異顯著(p<0.05)，下同。

不同氣候區失穩性坡面各區段土壤含水量存在顯著差異(圖2)，從同一失穩坡面不同區段來看，土壤含水量在大地陰坡和小尖風陽坡表現為穩定區和失穩區均顯著高于堆積區(p<0.05)，在亞熱帶和暖溫帶半濕潤區的多照溝陽坡表現為穩定區和失穩區均顯著高于堆積區(p<0.05)，在亞熱帶干熱河谷區的大凹子溝陰坡和查菁溝陽坡表現為穩定區>失穩區>堆積區，各區段間差異顯著(p<0.05)。不同氣候區失穩性坡面土壤含水量變化趨勢與土壤pH相反，總體表現為溫帶濕潤山嶺區>亞熱帶和暖溫帶半濕潤區>亞熱帶干熱河谷區。從相同區段的穩定區來看，大地陰坡和小尖風陽坡土壤含水量顯著高于多照溝陽坡、大凹子陰溝坡和查菁溝陽坡且后三者間差異顯著(p<0.05)；大地陰坡失穩區土壤含水量最高(29.23%)，查菁溝陽坡失穩區最低(9.58%)，各失穩坡面間差異顯著(p<0.05)；土壤含水量在堆積區同樣表現為大地陰坡最高(22.06%)，查菁溝最低(7.01%)，除大凹子溝陰坡和查菁溝陽坡外，各失穩性坡面堆積區間土壤含水量均存在顯著差異(p<0.05)。

圖2 不同氣候區失穩性坡面不同區段土壤含水量

2.2 氣候、土壤含水量、植被蓋度和失穩性坡面區段對土壤pH值的影響

對各樣地失穩性坡面土壤pH值與季節、年均氣溫及降水量進行回歸分析(表3)，土壤pH值與春季平均氣溫具有顯著的正相關關系(p<0.05)，與夏季、秋季、年平均氣溫具有極顯著正相關關系(p<0.01)，與夏季、秋季、冬季和年降水量都具有顯著負相關關系(p<0.01)，與土壤含水量存在極顯著的負相關關系(p<0.01)，與植被蓋度無顯著相關關系。方差分析表明，氣候、失穩性坡面區段以及兩者的交互作用對失穩性坡面土壤pH值有極顯著影響(p<0.001)。

表3 各指標與土壤pH值的函數擬合以及氣候、區段對土壤pH的影響

3 討 論

前人研究發現，氣候條件和地理環境差異會對土壤pH值產生影響，導致其分布具有一定的復雜性和空間變異性[32]。回歸分析表明土壤pH值與春季、夏季、秋季平均氣溫存在顯著正相關關系(p<0.05)，這是因為春、夏、秋季節氣溫較高，適宜范圍內溫度的升高能明顯提高土壤微生物活性，導致土壤有機質礦化強度的增大和土壤有機質積累速率的下降，從而提高土壤pH值[32-33]。土壤pH值與夏季、秋季、冬季平均降水量均呈顯著負相關關系(p<0.01)，其與夏季降水量的函數擬合(R2=0.745)優于秋季(R2=0.433)和冬季(R2=0.418)。當降水量增加時，土壤硝化作用、淋溶作用增強，土壤中Na+，K+，Ca2+，Mg2+等各類鹽基離子隨地表徑流遷移，導致土壤發生堿度流失，從而引起土壤pH值的降低[34-36]。此外，溫帶濕潤山嶺區、亞熱帶和暖溫帶半濕潤區雖然植被蓋度低于亞熱帶干熱河谷區，但其具有多層次的冠層結構及一定厚度的枯枝落葉層，可有效減少土壤的淋溶損失從而抑制酸化作用[37]，這也造成植被蓋度與土壤pH值間不存在顯著相關性；另一方面亞熱帶干熱河谷區平均溫度高，土壤水分蒸發快，導致土壤鹽分隨毛管水的移動大量聚集在地表，造成土壤pH值升高[38]。因此，亞熱帶干熱河谷區土壤pH值顯著高于亞熱帶和暖溫帶半濕潤區以及溫帶濕潤山嶺區(p<0.05)，這與該區溫度高于但降水量低于另兩個區有關。

本研究區溫帶濕潤山嶺區與亞熱帶和暖溫帶半濕潤區堆積區的土壤pH值顯著高于穩定區，這主要是因為：(1)穩定區坡度較小且具有較為完善的喬灌草群落結構，植被覆蓋度高且土壤結構良好，導致區內凋落物增多，其腐化后產生大量有機質和腐殖酸，同時植物中有機氮加入土壤后發生礦化和硝化作用從而降低了土壤pH值[37]；(2)堆積區坡度大、距離長且植被覆蓋率低，坡面土壤徑流侵蝕作用強，土壤中有機質、腐殖酸組分流失嚴重[39-40]，由于兩氣候區堆積區形成時間長，長期的沖刷作用使堆積物細顆粒隨坡面徑流遷移，原有堆積體中的有機質、腐殖酸等物質消失殆盡，而新的凋落物少且易被坡面徑流帶走，表層僅殘留粗粒堆積物，導致其土壤pH值高于穩定區。此外，人類活動對土壤pH值的影響也不可忽略。多照溝陽坡穩定區村落聚集，當地居民從事農業活動過程中由于不合理的耕作方式如秸稈還田、化肥特別是氮肥的過量使用等加劇了土壤酸化[13,32]，導致穩定區土壤pH值顯著低于失穩區和堆積區。土壤pH值在大凹子陰溝坡的各區段以及查菁溝陽坡穩定區與堆積區和失穩區之間均未表現出顯著差異，這主要是因為兩個失穩性坡面均位于亞熱帶干熱河谷區，該區生態系統脆弱，植被群落長期處于草本植物群落階段且分布稀疏，固土能力較弱，加之區內崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發，對坡面區段土壤的擾動頻繁，導致失穩區以及堆積區表層土壤還未及時被植被固定而深層土壤翻至土表或上坡位土壤滑落又將其覆蓋，土壤層序紊亂且長期處于這種更新狀態，從而導致各區段土壤pH值差異不顯著。

本研究發現氣候和區段以及二者的交互作用均對失穩性坡面土壤pH值造成顯著影響(p<0.001)。一方面，不同的氣候區內降水、蒸發量和溫度的差異影響著土壤硝化作用、淋溶作用導致鹽基離子的遷移，從而導致不同氣候區土壤pH值產生較大差異。但植被類型對土壤pH值的影響也不能忽略[40]，例如，亞熱帶和暖溫帶半濕潤區多照溝陽坡的春、夏、冬季溫度顯著高于溫帶濕潤山嶺區大地陰坡，但多照溝陽坡各區段的土壤pH值與大地陰坡無顯著差異，這主要是因為這兩個氣候區內均植有大量云南松人工林，其凋落物及植物殘體被微生物分解后產生了酸性物質[31]，導致其土壤pH值下降，這說明植被類型對亞熱帶和暖溫帶半濕潤區土壤pH值的影響程度可能高于氣候。另一方面，各失穩性坡面區段土壤緊實度、坡面穩定程度、植被覆蓋度等具有較大差異，加上滑坡、崩塌等地質災害對土壤的擾動作用，使得各區段土壤pH值分布復雜化。此外，氣候條件和微地貌會影響土壤含水量，進一步影響土壤酸堿度[37]，本研究發現，土壤含水量從亞熱帶干熱河谷區到溫帶濕潤山嶺區隨著降雨量增加呈逐漸增加的趨勢，與土壤pH值變化規律相反，與高海峰等[41]提出的土壤pH值與土壤含水量呈顯著負相關關系的結果保持一致。通常土壤具有一定的調節其酸堿度的能力，所以土壤pH值不會發生太大的變化[42]，但在干旱或半干旱地區，降水量、區段微地貌因素以及災害對土壤擾動的影響，使土壤含水量發生了改變，導致土壤中緩沖溶液濃度發生變化，從而對土壤pH值產生影響[41]，最終導致各氣候區失穩坡面及區段土壤pH值產生分異。

本研究著重分析了氣候和區段因素對失穩性坡面土壤pH值的影響，但觀測時間較短，難以準確認識植被類型、凋落物分解特征、土壤養分含量等因子與氣候、區段間的交互作用對pH值的影響效應，還需后續開展更全面的研究。

4 結 論

(1)蔣家溝流域不同氣候區失穩性坡面土壤pH受氣溫和降水條件的交互影響，表現為土壤pH值隨平均氣溫上升而增加(p<0.05)，隨降水量的增大而減少(p<0.001)。

(2)土壤pH值與土壤含水量存在極顯著的負相關關系(p<0.001)，表現為從亞熱帶干熱河谷區到溫帶濕潤山嶺區，土壤pH值隨著土壤含水量增加呈逐漸下降的趨勢。

(3)大地陰坡、小尖風陽坡和多照溝陽坡的失穩性坡面區段pH值均表現為在植被覆蓋度高、喬灌草群落結構較為完善、土壤結構良好的穩定區土壤pH值顯著低于植被覆蓋率低、穩定程度差且易受侵蝕作用影響的堆積區(p<0.05)。

(4)大凹子溝陰坡和查菁溝陽坡兩個失穩性坡面各區段受滑坡、泥石流等地質災害影響，對土壤的擾動頻繁，土壤層序紊亂且長期處于更新狀態，導致各區段土壤pH值差異不顯著。

以上結果為泥石流頻發流域失穩坡面及災害體的土壤改良以及生態修復提供參考依據和數據支撐。