坡度及旅游干扰对土壤粒度特征的影响

杨异婷

(上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234)

1 引言

坡度是影响土壤环境重要的地形因子之一，其变化直接影响到土壤及植被的形成和发育过程，对人类活动的限制性和对不同地类空间分布的自然选择性，使不同土壤性质在地形梯度上的分布呈现出规律变化特征[1]。土壤粒度组成是土壤环境最重要的物理特性之一，许文强等[2]通过干旱区绿洲不同土地利用系统对土壤粒度分布的影响进行研究，发现无论上层还是下层土壤，不同土地利用系统土壤的砂、粉砂和粘土含量差异明显；张超和陈学刚等[3]对乌鲁木齐城市土壤粒度的研究表明，土壤粒度频率分布曲线由近似正态分布的单峰和非正态分布的多峰组成，其中农用地样品呈单峰曲线，而建设用地和未利用地为多峰形态，即存在多成因组分。

综合来看，当前国内关于土壤粒度特征的研究大多集中在不同土地利用类型[5，6]、不同植被类型[7，8]、城市土壤环境(张超，2015；王永红、孙静等，2012)、室内模拟实验(张怡，2015)或沉积环境(张卫国，2002)等的研究中，也从不同角度分析了土壤粒度特征变化的因素，但对于旅游干扰引起的粒度特征变化研究较少提及。

天马山园作为上海最大的国家森林公园中的园区之一，具有开放时间早、森林资源丰富的特点，对于林地坡度的研究具有典型性和特殊性，但旅游干扰和旅游开发使天马山脆弱的土壤环境出现退化态势。依据天马山土壤环境对旅游干扰和坡度具有较为敏感性的特点，进行不同坡度对土壤粒度特征的影响及旅游干扰后土壤粒度特征的变化趋势分析，并探讨土壤粒度特征及其影响因素变化，以期为土壤环境生态修复、环境规划和管理的可持续发展提供理论依据。

2 研究区概况

天马山公园位于上海市松江区佘山国家旅游度假区内。其地理位置为31°04′～08′N、121°08～16′E，园区制高点为海拔99.8 m，研究区所在松江区年均气温15.4 ℃，年均降水量1103.2 mm[12]。园内土壤主要为黄棕壤，原生植被属北亚热带常绿阔叶、落叶阔叶混合林，次生林为针阔混交林和针叶林，主要有毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Pubescens)、柳杉(Cryptomeria)、黑松(PinusthunbergiiParlatore)、白榆(UlmuspumilaL.)、青枫(AcerpalmatumThunb)、女贞(LigustrumlucidumAit.)等[13，14]。

3 研究方法

在研究区范围内选择17处坡地，使用罗盘进行测量，最小坡度4°，最大48°，并对坡度进行分级[15，16]，划分为五级类型如表1所示。于五级坡度样方处各设计3个4 m×4 m样地，用GPS定位读取采样点坐标，并记录各样地的经纬度、海拔、坡度、坡向、坡面位置。

样品采回风干后，去除残留物过1 mm筛。①称量0.2 g土样加水浸泡，加入10 mL浓度为6%的H2O2去除样品中的有机质并在电热板上加热。加热过程中需用蒸馏水冲洗杯壁，以防泡沫溢出；②再加入5～10 mL浓度为10%的HCl去除碳酸盐，当液体沸腾趋于静止，表明碳酸盐完全消除。③在待测样品中加入蒸馏水反复洗涤、离心，直至倾出溶液近似呈中性，静置24 h待完全沉淀后，运用虹吸法抽取上层液体(抽取时避免底部样品被扰动)；④最后加入5 mL浓度0.05 mol/L六偏磷酸钠作为分散剂，以促进粘粒分散，采用超声振荡即可供仪器测量。粒度测定采用Beckman Coulter LS13320型激光衍射粒度分析仪，其粒度范围为0.04～2000 μm。粒度参数分级如表2所示。

表1 采样点信息

(S为南，SE为南东)

表2 粒度参数分级表

4 结果与分析

4.1 研究区土壤粒度组成

研究区不同粒级百分含量统计如表3所示，可以看出黏粒含量最高(均值为82.8%，变幅是76.2%～92.8%)，粉粒次之(均值为17.1%，变幅是8.9%～23.8%)，砂粒最少(均值为4.6%，变幅是1.3%～6.3%)。实地调查中发现毛竹林中枯枝落叶层较厚，其分解后可产生丰富的腐殖质层，土壤中的细颗粒是形成腐殖质的重要有机胶结剂，因此该区黏粒含量较多。

表3 不同坡度土壤粒度特征值

不同坡度土壤粒度组成为：Ⅰ级0°～5°的平坡中土壤黏粒平均含量是79.7%、粉粒为20.3%、砂粒为1.3%；Ⅱ级6°～15°的缓坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分别是85.3%、14.3%、6.3%；Ⅲ级16°～25°的斜坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分别是80.3%、19.7%、4.0%；Ⅳ级26°～35°的陡坡中黏粒、粉粒、砂粒平均含量分别是83.4%、16.6%、5.8%；Ⅴ级36°～45°的急坡则是83.6%、16.4%、5.9%。由此可以看出研究区土壤主要由黏粒(<2 μm)，其次是粉粒(2～50 μm)，含量最少的砂粒(50～2000 μm)组成，研究区地形起伏，不同坡度林下土壤粒度组成的区别主要因为风力侵蚀作用的搬运和堆积，随着坡度升高，土壤的细粒物质黏粒、粉粒发生变化，砂粒平均含量增加，说明土壤的细粒物质较容易在风力作用下被搬运，使得土壤中砂粒物质含量相对升高。

不同时间土壤粒度含量变化为：无人为干扰时的研究区土壤粒级百分含量中的黏粒平均含量为82.7%，粉粒为16.82%，砂粒为0.48%；受到旅游干扰后土壤粒级百分含量中黏粒、粉粒为平均含量下降至77.3%、13.9%，砂粒上升至8.8%。由此可看出随着旅游干扰的增强，黏粒、粉粒平均含量均表现下降趋势，砂粒含量上升。

4.2 坡度对土壤粒度特征的影响

4.2.1 不同坡度的粒度参数空间变化

(1)平均粒径Mz是反映粒度分布的集中趋势，平均粒径越大，表示细粒物质所占比重越大。图1可见样品的Mz值均大于9 μm，在Ⅰ级0°～5°的平坡中Mz最大值位于Ⅰ01点，其次是Ⅰ02和Ⅰ03，最小为Ⅰ04。Ⅱ级6°～15°的缓坡中Mz粒径最大值位于点Ⅱ04，最小值位于Ⅱ01。Ⅲ级坡度中，平均粒径最大值位于Ⅲ05，最小值位于Ⅲ06。Ⅳ级坡度中最大值位于Ⅳ03，最小值位于Ⅳ01。Ⅴ级坡度中最大值位于Ⅴ06，最小值位于Ⅴ04。结合采样点位置发现平均粒径的最大平均值位于Ⅰ级坡度中，最小平均值位于Ⅳ级坡度上，说明0°～5°平坡的土壤颗粒较陡坡、急坡细粒物质组成更多。

图1 不同坡度粒度参数空间变化

(2)通过观察发现So值均大于3，与Sk值变化趋势相类似，猜测存在一定相关性。其中Ⅰ级坡度的变幅是4.95～6.50，属于分选极差；Ⅱ级坡度的So范围是3.30～4.00，属于分选差；Ⅲ级坡度的So范围是5.15～6.08；Ⅳ级坡度的So范围是4.66～5.83；Ⅴ级坡度的So范围是4.98～5.80。Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级均属于极差范围。

(3)研究区内样地偏度Sk多为负偏，范围在-0.56～-0.05之间，Ⅰ级坡度中多为近对称负偏。Ⅱ级、Ⅳ级为极负偏，Ⅲ级和Ⅴ级少数土样为极负偏，多以细组分为主。

(4)由图1可知，按照土壤粒度分布峰度等级，研究区样地峰态值普遍偏高，属窄峰态，Kg变化范围为1.86～2.65，表明频率曲线分布呈很尖锐状态。

4.2.2 不同坡度粒度特征的差异性变化。

研究不同坡度等级的土壤粒度参数是否存在差异，本文采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验，当差异显著时，采用LSD法进行多重比较。结果如表4所示。

表4 不同坡度土壤粒度参数方差分析(M±SD)

注：*p<0.05 **p<0.01

通过单因素方差分析表明，不同坡度平均粒径的F值为0.991，P值为0.436，大于显著性水平0.05，说明不同坡度等级的平均粒径没有显著差异。

不同坡度等级分选系数的方差分析中F值为3.445，P值为0.028(P<0.05)，说明不同坡度的分选存在显著差异，且Ⅰ级坡度的分选明显高于Ⅱ级坡度，Ⅲ级坡度的分选明显高于Ⅱ级坡度，Ⅴ级坡度的分选明显高于Ⅱ级坡度。由此可知Ⅱ级坡度的分选系数低于其他坡度，分选性比其他坡度相对较好，颗粒也较为均匀。

偏度方差分析中F值为4.176，P值为0.014(P<0.05)，说明不同坡度等级的偏度存在显著差异，且Ⅰ级坡度的偏度明显高于Ⅱ级坡度，Ⅰ级坡度的偏度明显高于Ⅳ级坡度，Ⅲ级坡度的偏度明显高于Ⅱ级坡度，Ⅴ级坡度的偏度明显高于Ⅱ级坡度。由此可知Ⅰ级坡度呈近对称的负偏态，Ⅲ级和Ⅴ级为负偏态，其他坡度则为极负偏，即当峰偏向细粒物质一侧，粗粒一侧有低的尾部，说明呈极负偏的Ⅱ级、Ⅳ级坡度的细组分物质多于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ级。

不同坡度的峰度中F值为6.445，P值为0.002(P<0.05)，说明不同坡度等级的峰度存在显著差异，且Ⅱ级坡度的峰度明显高于Ⅰ级坡度，Ⅱ级坡度的峰度明显高于Ⅲ级坡度，Ⅱ级坡度的峰度明显高于Ⅳ级坡度，Ⅱ级坡度的峰度明显高于Ⅴ级坡度。由此可知研究区中所有坡度的峰度值均比较高，其中Ⅱ级坡度的峰度高于其他所有坡度，呈很尖锐状态。

4.2.3 不同坡度粒度特征的相关性分析

采用Pearson相关分析计算相关系数(表5)。可以看出，平均粒径与分选系数、偏度、峰度均不存在相关性。分选系数与偏度呈显著正相关，与上述粒度参数空间变化中的猜测吻合，而与峰度呈极显著的负相关。偏度与峰度呈显著负相关性。上述结果说明，分选性越好，偏度值越大。反之，分选性越差，偏度值越小，峰度值越趋向窄峰态。

表5 粒度参数的相关性分析

注：*.在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**.在 0.01 水平(双侧)上显著相关

4.3 旅游干扰对土壤粒度特征的影响

粒度频率分布曲线在很大程度上反映了的颗粒物质作用形式及其来源。图2可知，无旅游干扰时土壤粒度峰值在20～40 μm之间，峰值偏向均值，呈现对称的单峰形态，曲线形状相似，土壤颗粒组成相对较单一。图3中节后粒度频率分布曲线的形态相对复杂，表现为多峰曲线，样品主峰值在30～50 μm之间，次峰由粒径6～10 μm的粉粒和80～120 μm的细砂粒为主。

从上述结果看，节前粒度频率分布曲线表明土壤存在单成因组分，物质来源单一，节后粒度频率曲线为多峰的分布特征，说明存在多成因组分，推测土壤粒度可能是游客远距离携带的粗颗粒混合了近距离搬运的细颗粒，以及自然源混合作用的结果。其中Ⅰ级坡度中节后出现了500～800 μm粒径的粗砂粒单峰形态，实地调研发现Ⅰ级0°～5°的平坡中地形较为平坦，游客多聚集在此坡度范围活动，游人踩踏行为增多，导致土壤结构受到破坏，土壤微小孔隙变少、水分含量降低、容重增加，因此造成细颗粒物质流失，粗颗粒物质增多现象。

图2 节前粒度频率分布曲线

图3 节后粒度频率分布曲线

5 结论

(1)研究区土壤粒度组成以黏粒为主，粉粒次之，砂粒最低。随着坡度升高，土壤的细粒物质黏粒、粉粒发生变化，砂粒平均含量增加。黏粒、粉粒平均含量随着旅游干扰的影响表现出下降趋势，而砂粒含量有增加趋势。受旅游干扰影响后的坡度分选性会变差，颗粒粗细分布不均；偏度多为极负偏，以细组分为主；峰态值普遍偏高，属窄峰态。

(2)粒度参数的分布规律为：Ⅰ级坡度中的平均粒径高于其他坡度等级；分选系数与偏度变化趋势相似，Ⅱ级坡度的分选优于其他坡度；研究区内样地多为负偏，多数样地峰态值偏尖锐。不同坡度等级的平均粒径不存在显著差异；不同坡度等级的分选系数、偏度、峰度之间均存在显著性差异。相关分析也可证明分选系数与偏度呈显著正相关，与峰度呈极显著的负相关。结果表明土壤粒度分选性越差，偏度值越小，峰度值越趋向窄峰态。

(3)受旅游干扰影响下各粒度特征均发生明显变化，其中平均粒径较无旅游干扰时向粒径较大的粉粒集中分布；峰值由较对称的单峰形态向复杂的多峰形态转移。说明在旅游干扰下粒度特征存在多成因组分，推测是由游客远距离携带的粗颗粒混合了近距离搬运的细颗粒，以及自然源混合作用的结果，且平坡较陡坡更易受到旅游干扰的影响。