泥石流流域气候与区段对坡面土壤pH值的影响<br/>——以云南蒋家沟流域为例

泥石流流域气候与区段对坡面土壤pH值的影响
——以云南蒋家沟流域为例

2022-12-27杨柳生林静远木力迪尔艾尔肯高若允林勇明王道杰

水土保持研究 2022年1期

杨柳生, 林静远, 木力迪尔·艾尔肯, 高若允,余杭, 林勇明, 王道杰, 李键,3

(1.福建农林大学林学院, 福州 350002; 2.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室, 成都 610041;3.福建省高校森林生态系统过程与经营重点实验室, 福州 350002;4.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041)

土壤pH值表示土壤的酸碱程度，作为土壤最重要的化学指标之一，它与土壤有机质含量、土壤微生物群落以及土壤重金属离子等密切相关[1-2]。土壤pH值在生态系统演替过程中具有良好的指示作用，在生态修复和环境治理方面也具有十分重要的意义[3]。当前，在自然因素和人为因素的共同影响下，气候变化、生态系统退化等导致土壤pH值发生了改变[1]，土壤pH值变化又影响着土壤元素的生物地球化学循环，制约植物的正常生长，进而影响陆地生态系统的结构和功能[4]。因此，准确掌握土壤pH值的分布及变化趋势，成为生态系统可持续发展的重要依据，受到各国学者的高度关注。

近年来，国内外学者开展了大量土壤pH值变化及其影响因子的研究。在全球大尺度研究发现，许多国家和地区的土壤pH值有明显的下降趋势[5]：1982—1988年，英国约有19%的耕地土壤发生了酸化现象[6]；近年来，我国多个省份的土壤酸化程度加大[7]。其中，人工施氮、大气氮沉降和酸雨等是土壤pH值降低的主要影响因子[1,8-9]。在区域尺度研究中，学者们发现土壤含水量及降水雨的多寡影响土壤pH值的大小，如干旱地区的土壤pH值通常大于湿润地区[10-11]；丰沛的降雨可带走土壤中各种盐基离子，同时刺激土壤微生物的硝化反应导致土壤pH值减小[10]。灾害干扰同样也影响pH值，如汶川地震后滑坡区土壤呈碱性而未受损区为弱酸性[12]，一般情况下，土壤pH值随土层深度增加而升高[12-13]，由于灾害滑坡迹地的底层土壤结构翻转变为表层，导致其土壤pH值显著高于未受损区段。在各地区不同气候和土壤条件下，植物种类的不同也会导致土壤pH值的差异性：如云杉林和冷杉林同为针叶林，冷杉可使土壤pH值变小，云杉则相反[6]；板栗、柑橘、花生等作物能维持或提升红壤表层土壤pH值，杨梅、茶树则导致红壤表层土壤酸化[14-15]。植被在生长过程中向土壤中释放H+，导致土壤酸化[3]，虽然其凋落物分解过程中会产生阳离子，可对土壤中酸性物质起到一定的缓冲作用，但该过程也产生腐殖质酸等酸性物质[16]；植被还通过与固氮菌等的共生作用影响土壤中活性N的浓度，同时截留大气沉降过程中SO，NHx，NOx等酸性物质从而改变土壤酸碱度[17-18]。当土壤pH发生改变，反过来又会影响植被的生长，研究表明土壤pH值下降到3.8～4.2以下时，土壤中大量的固定的铝会被溶解并释放为游离态从而危害树木根系的正常生长[19]。此外，不同的施肥方式、化肥的长期使用或过量使用、有机肥的使用不足等都会加剧土壤酸化[20]。总体而言，土壤pH值受到多种自然和人为因素，如气候条件、土壤母质、植被、人工施氮等因素共同影响的[21]。然而，在灾害频发区，滑坡等灾害严重扰动土壤结构，不同海拔气候带造成的长期降雨量差异及多年灾害干扰对土壤酸碱性的影响特征尚不明，无法确定失稳性坡面的土壤改良措施并选择适宜的植物种类，亟待深入研究。

蒋家沟流域作为典型的泥石流多发区[22]，其生态系统退化、生境破碎化严重、植被覆盖率低，除了温带湿润山岭区、亚热带和暖温带半湿润区失稳坡面稳定区外，其他区段植被群落均以草本植物占优势[23]。该流域每年都会发生不同程度的山体滑坡、泥石流等自然灾害，给当地造成巨大损失。因此，科研人员、当地政府以该流域作为典型区，开展了一系列生态修复和环境治理工作[24]。目前，蒋家沟流域土壤的研究主要集中在土壤化学计量特征、土壤养分以及土壤入渗等理化性质方面的研究[23,25-27]，而土壤酸碱性方面的研究少有报道，无法准确掌握灾害干扰后植被恢复对土壤盐基状况变化(即土壤pH值)的响应机制。因此，本研究拟以蒋家沟流域各气候区的典型失稳性坡面为研究对象，分析气候、失稳性坡面区段以及两者的交互作用对土壤pH值的影响特征，并探究土壤含水量、植被盖度与pH值的关系，以期为泥石流频发流域及灾害体的生态修复提供参考依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蒋家沟流域是著名的泥石流多发地区，位于云南省昆明市东川区北端，距离东川约23.7 km，地处26°13′—26°17′N，103°06′—103°13′E。该流域发源于会泽县大海乡，查菁沟、老蒋家沟、多照沟、大凹子沟、门前沟为其主要支沟，下游流经东川区铜都镇绿茂村最终汇入小江，流域面积约48.52 km2。蒋家沟流域地处世界深大断裂带，地质侵蚀强烈，山高谷深且地势陡峭，平均坡度为43°，流域内最低海拔为1 041 m，最高海拔为3 269 m。蒋家沟流域属于典型的亚热带干热气候区，干湿季节分明，降雨集中于夏季，超过半年多的时间(当年11月到第二年4月)为旱期，年均降水量与年蒸发量之比为691 mm/3 752 mm，年均温度为20.2℃，极端高温为40.9℃，极端低温为-6.2℃。由于独特的地理位置和复杂的地形，其气候类型产生了多样化，从河谷到分水岭可分为植被稀疏的亚热带干热河谷区、泥石流固体物质主要源区的亚热带和暖温带半湿润区、植被覆盖率较高的温带湿润山岭区。3个气候区具体样地概况见表1和表2所示[23,27]。

表1 研究区样地基本概况

表2 各失稳性坡面区段土壤类型和植被类型

1.2 样品采集、处理与分析

1.2.1 样地设置蒋家沟流域内地形复杂，海拔变化较大，降水和温度的差异使得该区域形成了不同的小气候区。为保证在各气候区选取的样地尽可能的具有代表性，应尽量避免选取的样地受过人类活动或其他动物的干扰，同时，参考了宋永昌[28]、McRoberts[29]等的样地选择标准，依据坡面整体是否处于失稳状态、失稳的坡面上沿是否受过滑坡影响、下沿是否有明显的堆积区、以及坡面不同区段的面积是否达到森林群落调查的最小面积标准(500 m2)等指标，在蒋家沟不同气候区内，选取形成历史在40 a左右、由侵蚀引起沟道两侧坡面下滑的典型失稳性坡面。温带湿润山岭区内选取大地阴坡和小尖风阳坡、亚热带和暖温带半湿润区内选取多照沟阳坡、亚热带干热河谷气候区内选取大凹子沟阴坡和查菁沟阳坡共计5个50 m × 400 m标准样地。因为亚热带和暖温带半湿润区村落聚集，人类活动频繁，未发现合适的样地，故只选择了受干扰程度较少的多照沟阳坡。

综合考虑每个样地内坡面稳定程度、地形地貌、植被类型等将失稳性坡面从上部到下部分别划分为稳定区、失稳区和堆积区，每个区段之间的相对高程大于50 m，实际面积均大于500 m2。

3个区段中，稳定区稳定程度高，坡度小，地势较为平坦，植被覆盖度高但多以草本植物为主，具有一定的水土保持作用；失稳区稳定程度低，侵蚀作用强烈，土壤结构疏松，植被较少，为滑坡启动区域；堆积区位于谷底，由松散堆积物构成，坡度大，稳定程度低，植被稀疏。

1.2.2 样品采集与处理与分析笔者于2017年7—9月在云南省昆明市东川区蒋家沟流域的5个样地中，在不同失稳性坡面的3个区段内进行土壤样品的采集工作。将各区段进行5 m×5 m的方格分割，随后在签条上对各个方格进行编号置于纸盒内摇匀，连抽3次，获得各区段的随机采样点。根据已布置好的采样点，在确保自身安全的情况下，采取土壤样品，同时用手持GPS仪和罗盘仪等仪器做好每个样地的地理坐标及坡度、坡向等信息，共收集135个土壤样本。采样时，首先去除土壤表层的腐殖质层和杂物，然后用体积为100 cm3的环刀进行0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm不同深度的土壤采集，每个深度取3个样品并均匀混合后装入自封袋中，然后做好记录，采集完成后回填土坑，防止因挖掘土壤造成的水土流失。

完成外业后，将采集到的新鲜土壤样本带回实验室进行处理，土壤含水量测定采用烘干法[30]，即在105 ℃烘箱中烘干至恒重(约48 h)。将剩余土壤摆在干净的牛皮纸上自然风干后，用镊子去除其中的动植物碎屑以及较大的石块，研磨、过0.25 mm筛后进行土壤pH值的测定。

采用纯水浸提pH计法[31](型号Starter 3100C)对土壤pH值进行测定。首先，将处理好的土壤称取3 g放入干净的烧杯中，然后加入适量的去离子水，水土混合比例为2.5∶1，温度25 ℃，用干净的玻璃棒搅拌，静置30 min。调试好设备后测量土壤pH值，每个样品重复测量三次，取平均值。

1.3 气候数据

气候数据由中国科学院东川泥石流观测研究站提供。蒋家沟流域各气候区设有多个气象观测点，但研究区内部分站点的气象资料从2003年才开始收集，由于各气候区在气候条件、地理因素等方面存在差异，随着海拔的升高从亚热带干热河谷区到温带湿润山岭区，气候条件表现为气温逐渐降低、降水量不断增加的趋势，而蒋家沟流域的降水主要集中于夏季(7—9月)，此时各气候区的气候差异最明显，所以选择在该时段进行野外采样，以地理空间差异来替代时间差异，因此未进行季节性采样。为保证数据具有合理的比较性，亚热带干热河谷区采用蒋家沟观测站、上凹子站的气象资料，亚热带和暖温带半湿润区采用陈家梁子站、弯房子站、背阴山站的气象资料，温带湿润山岭区采用蚂蚁坪站、阴家凹站、李家垭口站的气象资料，各气候区的气象观测站点与样地位于同一雨区，具有一定的代表性。利用各个站点2003—2015年共13 a的气象资料来分析土壤pH值与多年平均气温和降水之间的相关性，气候数据的详细分析见同课题组另文报道内容[23]。

1.4 数据处理

采用Excel 2019对数据进行基本处理和制图，ArcGIS 10.2进行地图绘制，采用R-studio软件对不同气候区失稳性坡面的气温、降水、土壤含水量、植被盖度以及不同区段的土壤pH值进行单因素方差分析、Pearson相关性分析、回归分析，运用 SPSS 25.0软件分析气候和区段对失稳性坡面 pH的影响及其交互作用，差异水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同气候区失稳性坡面的土壤pH值和土壤含水量

蒋家沟流域不同气候区土壤pH值见图1。温带湿润山岭区、亚热带和暖温带半湿润区样地土壤pH值总体偏酸性(pH<6.5)，亚热带干热河谷区样地土壤pH值总体偏碱性(pH>7.5)。土壤pH值总体表现为亚热带干热河谷区显著高于亚热带和暖温带半湿润区和温带湿润山岭区(p<0.05)。就不同失稳性坡面区段而言，大地阴坡的堆积区和失稳区显著大于稳定区的土壤pH值(p<0.05)；小尖风阳坡的堆积区、失稳区与稳定区土壤pH值差异显著(p<0.05)；多照沟阳坡各个区段的土壤pH值两两之间差异显著(p<0.05)；查菁沟阳坡的堆积区与失稳区土壤pH值差异显著(p<0.05)。从不同气候区相同区段来看，温带湿润山岭区、亚热带和暖温带半湿润区3个样地稳定区的土壤pH值与亚热带干热河谷区的稳定区土壤pH值差异显著(p<0.05)；从失稳区来看，除样地大地阴坡和多照沟阳坡外，其余气候区的失稳区土壤pH值之间差异显著(p<0.05)；从堆积区来看，温带湿润山岭区与亚热带和暖温带半湿润区土壤pH值与亚热带干热河谷区土壤pH值差异显著(p<0.05)。

注：不同大写字母表示不同样地相同区段之间差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一样地不同区段之间差异显著(p<0.05)，下同。

不同气候区失稳性坡面各区段土壤含水量存在显著差异(图2)，从同一失稳坡面不同区段来看，土壤含水量在大地阴坡和小尖风阳坡表现为稳定区和失稳区均显著高于堆积区(p<0.05)，在亚热带和暖温带半湿润区的多照沟阳坡表现为稳定区和失稳区均显著高于堆积区(p<0.05)，在亚热带干热河谷区的大凹子沟阴坡和查菁沟阳坡表现为稳定区>失稳区>堆积区，各区段间差异显著(p<0.05)。不同气候区失稳性坡面土壤含水量变化趋势与土壤pH相反，总体表现为温带湿润山岭区>亚热带和暖温带半湿润区>亚热带干热河谷区。从相同区段的稳定区来看，大地阴坡和小尖风阳坡土壤含水量显著高于多照沟阳坡、大凹子阴沟坡和查菁沟阳坡且后三者间差异显著(p<0.05)；大地阴坡失稳区土壤含水量最高(29.23%)，查菁沟阳坡失稳区最低(9.58%)，各失稳坡面间差异显著(p<0.05)；土壤含水量在堆积区同样表现为大地阴坡最高(22.06%)，查菁沟最低(7.01%)，除大凹子沟阴坡和查菁沟阳坡外，各失稳性坡面堆积区间土壤含水量均存在显著差异(p<0.05)。

图2 不同气候区失稳性坡面不同区段土壤含水量

2.2 气候、土壤含水量、植被盖度和失稳性坡面区段对土壤pH值的影响

对各样地失稳性坡面土壤pH值与季节、年均气温及降水量进行回归分析(表3)，土壤pH值与春季平均气温具有显著的正相关关系(p<0.05)，与夏季、秋季、年平均气温具有极显著正相关关系(p<0.01)，与夏季、秋季、冬季和年降水量都具有显著负相关关系(p<0.01)，与土壤含水量存在极显著的负相关关系(p<0.01)，与植被盖度无显著相关关系。方差分析表明，气候、失稳性坡面区段以及两者的交互作用对失稳性坡面土壤pH值有极显著影响(p<0.001)。

表3 各指标与土壤pH值的函数拟合以及气候、区段对土壤pH的影响

3 讨论

前人研究发现，气候条件和地理环境差异会对土壤pH值产生影响，导致其分布具有一定的复杂性和空间变异性[32]。回归分析表明土壤pH值与春季、夏季、秋季平均气温存在显著正相关关系(p<0.05)，这是因为春、夏、秋季节气温较高，适宜范围内温度的升高能明显提高土壤微生物活性，导致土壤有机质矿化强度的增大和土壤有机质积累速率的下降，从而提高土壤pH值[32-33]。土壤pH值与夏季、秋季、冬季平均降水量均呈显著负相关关系(p<0.01)，其与夏季降水量的函数拟合(R2=0.745)优于秋季(R2=0.433)和冬季(R2=0.418)。当降水量增加时，土壤硝化作用、淋溶作用增强，土壤中Na+，K+，Ca2+，Mg2+等各类盐基离子随地表径流迁移，导致土壤发生碱度流失，从而引起土壤pH值的降低[34-36]。此外，温带湿润山岭区、亚热带和暖温带半湿润区虽然植被盖度低于亚热带干热河谷区，但其具有多层次的冠层结构及一定厚度的枯枝落叶层，可有效减少土壤的淋溶损失从而抑制酸化作用[37]，这也造成植被盖度与土壤pH值间不存在显著相关性；另一方面亚热带干热河谷区平均温度高，土壤水分蒸发快，导致土壤盐分随毛管水的移动大量聚集在地表，造成土壤pH值升高[38]。因此，亚热带干热河谷区土壤pH值显著高于亚热带和暖温带半湿润区以及温带湿润山岭区(p<0.05)，这与该区温度高于但降水量低于另两个区有关。

本研究区温带湿润山岭区与亚热带和暖温带半湿润区堆积区的土壤pH值显著高于稳定区，这主要是因为：(1)稳定区坡度较小且具有较为完善的乔灌草群落结构，植被覆盖度高且土壤结构良好，导致区内凋落物增多，其腐化后产生大量有机质和腐殖酸，同时植物中有机氮加入土壤后发生矿化和硝化作用从而降低了土壤pH值[37]；(2)堆积区坡度大、距离长且植被覆盖率低，坡面土壤径流侵蚀作用强，土壤中有机质、腐殖酸组分流失严重[39-40]，由于两气候区堆积区形成时间长，长期的冲刷作用使堆积物细颗粒随坡面径流迁移，原有堆积体中的有机质、腐殖酸等物质消失殆尽，而新的凋落物少且易被坡面径流带走，表层仅残留粗粒堆积物，导致其土壤pH值高于稳定区。此外，人类活动对土壤pH值的影响也不可忽略。多照沟阳坡稳定区村落聚集，当地居民从事农业活动过程中由于不合理的耕作方式如秸秆还田、化肥特别是氮肥的过量使用等加剧了土壤酸化[13,32]，导致稳定区土壤pH值显著低于失稳区和堆积区。土壤pH值在大凹子阴沟坡的各区段以及查菁沟阳坡稳定区与堆积区和失稳区之间均未表现出显著差异，这主要是因为两个失稳性坡面均位于亚热带干热河谷区，该区生态系统脆弱，植被群落长期处于草本植物群落阶段且分布稀疏，固土能力较弱，加之区内崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，对坡面区段土壤的扰动频繁，导致失稳区以及堆积区表层土壤还未及时被植被固定而深层土壤翻至土表或上坡位土壤滑落又将其覆盖，土壤层序紊乱且长期处于这种更新状态，从而导致各区段土壤pH值差异不显著。

本研究发现气候和区段以及二者的交互作用均对失稳性坡面土壤pH值造成显著影响(p<0.001)。一方面，不同的气候区内降水、蒸发量和温度的差异影响着土壤硝化作用、淋溶作用导致盐基离子的迁移，从而导致不同气候区土壤pH值产生较大差异。但植被类型对土壤pH值的影响也不能忽略[40]，例如，亚热带和暖温带半湿润区多照沟阳坡的春、夏、冬季温度显著高于温带湿润山岭区大地阴坡，但多照沟阳坡各区段的土壤pH值与大地阴坡无显著差异，这主要是因为这两个气候区内均植有大量云南松人工林，其凋落物及植物残体被微生物分解后产生了酸性物质[31]，导致其土壤pH值下降，这说明植被类型对亚热带和暖温带半湿润区土壤pH值的影响程度可能高于气候。另一方面，各失稳性坡面区段土壤紧实度、坡面稳定程度、植被覆盖度等具有较大差异，加上滑坡、崩塌等地质灾害对土壤的扰动作用，使得各区段土壤pH值分布复杂化。此外，气候条件和微地貌会影响土壤含水量，进一步影响土壤酸碱度[37]，本研究发现，土壤含水量从亚热带干热河谷区到温带湿润山岭区随着降雨量增加呈逐渐增加的趋势，与土壤pH值变化规律相反，与高海峰等[41]提出的土壤pH值与土壤含水量呈显著负相关关系的结果保持一致。通常土壤具有一定的调节其酸碱度的能力，所以土壤pH值不会发生太大的变化[42]，但在干旱或半干旱地区，降水量、区段微地貌因素以及灾害对土壤扰动的影响，使土壤含水量发生了改变，导致土壤中缓冲溶液浓度发生变化，从而对土壤pH值产生影响[41]，最终导致各气候区失稳坡面及区段土壤pH值产生分异。

本研究着重分析了气候和区段因素对失稳性坡面土壤pH值的影响，但观测时间较短，难以准确认识植被类型、凋落物分解特征、土壤养分含量等因子与气候、区段间的交互作用对pH值的影响效应，还需后续开展更全面的研究。