晋西北黄土丘陵区小流域土壤团聚体稳定性及其分异特征

胡 磊, 佘冬立, 杨 震

(1.河海大学 农业科学与工程学院, 南京 210098; 2.中国科学院 教育部水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

土壤团聚体是土壤结构的基本组成部分[1]，由细小土壤颗粒经过绊缠、胶结和重排列作用形成[2]。土壤团聚结构在影响水分入渗和运移、碳氮物质循环和养分有效性等方面起到重要作用。土壤团聚体稳定性受大团聚体含量(R0.25)、水稳性团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)等影响，R0.25，MWD和GMD越大，D越小，土壤团聚体稳定性和抗蚀性越好[3]。土壤团聚体在形成过程中受到各种因素的共同作用，使其形态、组合和功能各有不同，具有一定的自相似性和分形特征，故可以用分形理论研究土壤团聚体结构问题[4]。

黄土高原是世界上土壤侵蚀最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一。流域年均降水较少，土地沙化与土壤侵蚀问题制约着当地经济发展。土壤团聚体稳定性影响着土壤肥力和抵抗外界侵蚀的能力，因此，改善土壤团聚体稳定性，提高土壤抗蚀能力是黄土丘陵区土壤改良亟待解决的问题。目前很多学者致力于土壤团聚体稳定性的研究，如李娟等[5]研究认为黄土高原林地和水稻田利用方式有利于提高团聚体的含量和质量，安韶山等[6]认为有机质在大粒径土壤团聚体内含量更高，对土壤团聚体稳定性贡献较大，这些研究多集中于单个因子对团聚体稳定性的影响，而多因子影响下团聚体稳定性的探究却鲜有报道。基于此，本文以黄土高原晋西北朱家川流域为研究对象，借助通径分析法[7]分析土壤团聚体稳定性影响因子，并探究朱家川流域不同土地利用方式、不同小流域间土壤团聚体稳定性分异特征，为黄土高原生态恢复和土地合理利用提供理论支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土样来自山西省忻州市朱家川流域(111°04′—112°12′E，38°39′—39°24′N)，地处山西省西北部、黄土高原北部，发源于朔县利民沟，属黄河干流水系。流域范围大致北抵楼山，东至黑驼山及吕梁山，南达岢岚山地。境内地表黄土覆盖厚度较大，流水冲刷侵蚀作用导致其属于典型黄土丘陵沟壑区，总流域面积2 922 km2。朱家川流域受温带大陆性季风气候影响，四季分明。年平均降水量为486.6 mm，年平均气温6℃，年无霜期137 d，年均日照时数2 844.4 h。流域主要土壤类型为栗褐土和风沙土。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与分析 于2019年7—9月在朱家川流域进行实地调查和土样采集。沿流域从上游到下游分别选取细岭沟、华家沟、郜家峪沟、柳树咀沟、高家沟、丛岭沟、后会沟7条典型淤地坝控制小流域进行采样研究。分别在各小流域内按土地利用类型面积比例选取林地、草地、农地3种利用方式下10个样点(林地3个、草地3个、农地4个)，共计70个样点，利用GPS标记样点经纬度，利用ArcGIS提取坝控小流域面积(表1)。采用直径5 cm的环刀采集各样点100 cm3原状土样，同时采用五点法采集0—20 cm土层约750 g扰动土样带回实验室。利用无人机航拍结合RTK设备测量技术获取各小流域高清航拍影像，经软件处理后得到高精度DEM及正射影像图。利用校正后的DEM数字高程模型，在GIS平台空间分析模块下提取各样点的相关地形数据，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 试验方法 采用烘干法测定原状土土壤容重。扰动土样待自然风干后，沿土壤天然裂隙结构掰成小土块并除去植物残根和石块等，再过5 mm筛。采用湿筛法[8]按5～2 mm，2～1 mm，1～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm等5个粒级测定土壤团聚体组成。分别将土样碾碎后过2 mm和0.149 mm筛，采用激光粒度仪(Bettersize 2000)测定土壤机械组成(砂粒、粉粒、黏粒)，采用重铬酸钾容量法—外加热法[9]测定土壤有机质含量。

1.3 数据处理与分析

(1)土样中大于0.25 mm团聚体含量R0.25，计算公式为：

(1)

平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)计算公式为：

(2)

(3)

土壤团聚体分形维数D采用杨培岭等[10]提出的土壤颗粒分形模型计算：

(4)

(2)通径分析理论中当许多自变量共同影响一个因变量时，自变量xi与因变量y间的通径关系：

riy=Piy+∑Pij

(5)

Pij=rij×Pjy

(6)

(7)

采用Excel 2016软件对数据进行整理和分形维数的线性回归拟合；利用SPSS 23.0软件进行数据间Pearson相关性分析和通径分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤团聚体组成和分形特征

借助土壤团聚体组成(表2)可以分析土壤结构的稳定性[11]。大团聚体(>0.25 mm)含量越大，土壤团聚体稳定性和分布情况较好。农地、草地、林地的R0.25分别为33.55%，35.56%和41.67%，林地土壤团聚体稳定性优于农地和草地。

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表2 土壤水稳性团聚体组成及分形维数

土壤团粒结构分形维数D能反映土壤水稳性大团聚体含量对土壤稳定性及结构的影响[12]，表现为团聚体分形维数越小，土壤结构和稳定性越好，而MWD和GMD则相反。

本研究土壤团聚体分形维数用线性方程拟合度高，R2均在0.9以上。分形维数D表现出林地<草地<农地，而对于MWD，GMD，则均表现出林地>草地>农地(图1)，表明林地土壤结构稳定性较好，树木种植降低了土壤结构分形维数，土壤团粒结构得到改善。

图1 不同土地利用方式特征直径

2.2 不同土地利用方式下土壤团聚体各参数间相关性分析

平均重量直径MWD、几何平均直径GMD和分形维数D均可反映土壤团聚体的团聚程度，各参数间存在显著或极显著的相关性(表3)。朱家川流域土壤MWD和GMD均与D呈极显著负相关，而流域内3种土地利用方式MWD和GMD之间均呈极显著正相关(p<0.01)。农地土壤MWD和GMD均与2～1 mm和1～0.25 mm团聚体含量呈极显著正相关，与<0.25 mm的小粒径团聚体含量呈极显著负相关，两者与各粒径团聚体含量的正负相关性均以0.25 mm为界。草地土壤MWD和GMD均与5～2 mm和2～1 mm团聚体含量呈极显著正相关，与0.25～0.053 mm团聚体含量呈极显著负相关，两者与各粒径团聚体含量的正负相关性界线为1 mm。林地土壤MWD和GMD均与5～2 mm和2～1 mm团聚体含量呈极显著或显著正相关(p<0.05), GMD与<0.053 mm小粒径团聚体含量呈极显著负相关，两者与各粒径团聚体含量的正负相关性界线为1 mm。因此，大粒径团聚体含量对提高土壤MWD和GMD有显著效果。

表3 团聚体各参数间相关性分析

朱家川流域3种土地利用方式下土壤分形维数D均与1～0.25 mm团聚体含量呈显著或极显著负相关，与<0.25 mm小粒径团聚体含量均呈显著或极显著正相关，其正负相关性的团聚体粒径界线均为0.25 mm。小粒径团聚体含量对于分形维数提高贡献较大，大粒径团聚体含量增加可以显著降低土壤分形维数。

2.3 不同坝控小流域土壤团聚体稳定性差异分析

水稳性团聚体粒径分析显示，7个坝控小流域0—20 cm土层中土壤R0.25平均在36%左右(图2)。其中，中游柳树咀沟流域土壤R0.25达到42.4%，为所有小流域中最高值，下游后会沟流域土壤R0.25最低，仅为32.2%，其余各小流域土壤R0.25差异不显著。

图2 各坝控小流域土壤水稳性团聚体粒级分布及稳定性指标

下游后会沟流域土壤MWD和GMD均最低，分别为0.44 mm和0.17 mm，而中游柳树咀沟流域土壤MWD和GMD最大，分别为0.57 mm和0.23 mm，其余各坝控小流域土壤MWD和GMD值差异不显著。下游后会沟流域土壤团聚体分形维数D最大，达到2.85，其余各小流域土壤分形维数差异不明显。土壤团聚体分形维数最小的流域为中游的柳树咀沟流域，其值为2.82，柳树咀沟流域土壤团聚体稳定性优于后会沟流域，这与上述MWD和GMD分析结果一致。下游后会沟流域土壤团粒结构最不稳定，土壤抗蚀性较差，而中游柳树咀沟流域相反。

2.4 土壤团聚体分形维数影响因子的通径分析

表4 各指标间相关性分析

表5 分形维数影响因子的通径分析

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

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

0.013x8+0.029x9+0.334x10

3 讨 论

朱家川流域土壤水稳性团聚体稳定性受土地利用方式影响显著。3种土地利用类型对土壤团聚体稳定性影响强度为林地>草地>农地，表明退耕还林使土壤团聚结构得到改善。其主要机制是林地受人为扰动较少，残枝败叶等凋落物进入土壤分解出的有机质等养分对土壤的抚育，导致此种类型土壤团聚程度比其他土地利用类型更好[15]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤养分的富集库。所有坝控小流域中，下游后会沟流域R0.25最低，仅为32.2%，中游柳树咀沟流域R0.25达到最高值42.4%。除此之外，MWD和GMD的最小值以及D的最大值都出现在下游后会沟流域，MWD和GMD的最大值、D的最小值均出现在中游柳树咀沟流域，表明后会沟流域土壤抵抗侵蚀保持结构稳定、维持肥力性能最弱，柳树咀沟流域土壤质量最高。柳树咀沟流域所处的中游地区植被群落多样性高且稳定，植被枝叶繁密，减少了降雨雨滴机械打击和消散作用对大团聚体结构的破坏[16]，此外植物根系可以分泌高分子胶结物质，把土壤的微团聚体绊缠为稳定的大团聚体[17]。

通径分析通过对自变量和因变量间相关性分解，研究自变量对因变量的直接影响和间接影响，准确反映其影响程度。利用通径分析统计和相关性分析发现，有机质含量(x2)与海拔高度(x5)与D呈极显著(p<0.01)或显著(p<0.05)负相关，说明土壤有机质含量越大、土壤所处海拔高度越高，土壤分形维数越小，土壤团粒结构稳定性越强。研究发现在各因子对分形维数的直接作用程度上，有机质含量(x2)的直接通径系数最大且为负值，对分形维数的提高起制约作用，其次是海拔高度(x5)，其影响也为负效应，其余因子对分形维数直接影响并不显著。有机质含量(x2)对分形维数的综合决定能力(决策系数)也更大，对降低分形维数作用更显著。导致以上结果的主要原因是有机质在土壤团聚体的形成中起重要胶结作用，微团聚体中富集的活性矿物(铝/氧化铁)容易吸附有机质[18]，在有机质的胶结作用下形成稳定的大团聚体，使分形维数降低。海拔高度的增加对分形维数有负效应主要是流域海拔较高处受人为影响少，土壤结构受破坏少，团聚体稳定性好。误差项e对于土壤团聚体分形维数D的直接通径系数为0.263，表明回归方程中仍有部分对分形维数影响较大的指标未被考虑，需进一步深入研究。

4 结 论

(1)晋西北朱家川流域不同土地利用方式下，土壤团聚体稳定性存在显著差异，团聚体稳定性从高到低顺序为：林地>草地>农地。土壤团聚体分形维数和小粒径团聚体含量呈显著正相关，与大粒径团聚体含量呈显著负相关。下游后会沟流域土壤团聚体稳定性最低，土壤易受到侵蚀破坏，而中游柳树咀沟流域土壤团聚体结构稳定性最优。

(2)通过选取土壤容重、有机质含量、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，对土壤团聚体分形维数进行通径分析发现，土壤有机质对土壤团聚体分形维数影响最大，其次是海拔高度。