坡向和坡位對夾金山灌叢土壤團聚體穩定性的影響

　　摘要：研究坡向和坡位如何影響土壤團聚體的穩定性對于理解地貌復雜的高山峽谷地區土壤穩定性的維持具有重要意義，然而目前對高山灌叢土壤特征特點研究還相對薄弱。文章以四川夾金山高山灌叢土壤為研究對象，分析了不同坡向和坡位對土壤團聚體粒徑分布、穩定性及分形特征的影響，構建偏最小二乘路徑模型(PLSPM)，分析坡向和坡位對土壤團聚體穩定性的作用機制。結果表明：①土壤機械穩定性團聚體粒徑分布僅受坡向影響，土壤水穩性團聚體粒徑分布受坡向、坡位影響且二者存在交互作用;②中坡位土壤團聚體穩定性較優于下坡位，3個坡向中陰坡土壤穩定性最次;③坡向是影響土壤團聚體的主要因素，其作用主要是通過影響土壤物理性質(容重、含水率、孔隙度)而間接決定的，同時坡向通過影響群落灌木層特征(多度、豐度和生物量)作用于土壤化學性質(TN、TP、TK、SOM、pH)，最終對土壤團聚體穩定性存在一定影響，坡向作用下的群落草本層特征并未顯示出對土壤理化性質和團聚體穩定性的作用;④使用土壤分形維數表征團聚體穩定性具有可行性。

　　關鍵詞：地形因子;土壤團聚體;分形維數;偏最小二乘路徑模型;夾金山

　　土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其穩定性是重要的土壤性質，是衡量土壤質量的重要指標[12]，特別是在地貌特征復雜且易受侵蝕的高山峽谷地區，土壤團聚體穩定性是控制坡體穩定、水土保持、生產力維持和養分循環的關鍵變量之一，了解土壤穩定性是防止高寒生態系統土壤退化的第一步[3]。土壤團聚體的形成及其穩定性與物理、化學、生物因素息息相關，其穩定性首先必然由土壤本身的質地類別、結構特征和物理性質所決定[45]。

　　土壤化學性質的影響也不可忽視，已有較多研究表明土壤養分物質的累積可以促進土壤大團聚體形成，土壤有機質含量是影響土壤團聚體數量及穩定性的關鍵因素，其作為“膠結物質”直接參與團聚體的形成[3,6]，另外也有研究表明土壤磷素、氮素也與團聚體穩定性存在較強的相關關系[7]。

　　土壤的演化受植物群落影響[8]，例如植物生物量的大小影響土壤有機質的輸入量，也有學者認為物種多樣性對團聚體穩定性有積極作用，其作用機制可能是通過增加根系類型的多樣性從而間接作用于土壤的穩定性[9]，植物根系對土體進行穿插擠壓，根系分泌的代謝物質是良好的膠結劑，在一定程度上利于土壤團聚體的形成[810]。

　　此外，地形因子、生物活動以及人為管理措施等也會產生一定影響[1112]。一般研究土壤團聚體穩定性的經典方法是用干篩法和濕篩法綜合反映土壤團聚體性質[3,13]。近年來，有關團聚體穩定性的研究已有較多報道，多集中于黃土地區[2]、喀斯特地區[7]、低山丘陵區[12]等，對于川西高山峽谷區還鮮少涉及，且關于坡向和坡位等基于環境因子的研究也較少。

　　坡向和坡位是影響太陽輻射和降水分布的重要地形因子，在空間上對光照熱量、養分、水分等再分配[14]。在局域尺度下，坡位和坡向是生境小氣候差異的重要驅動因素，影響植物群落類型及物種分布，也是影響土壤性質空間格局的重要因子[1415]，但坡向和坡位對團聚體的作用機制還不明朗。

　　基于此，本文以具備典型川西高山峽谷區特征且為大熊貓國家公園四川片區核心保護區的夾金山為研究區，以高山灌叢土壤為研究對象，研究不同坡向、坡位土壤團聚體分布、分形特征以及穩定性，在此基礎上通過偏最小二乘路徑模型(PartialLeastSquaresPathModeling,PLSPM)對灌叢植物群落、土壤理化性質與土壤團聚體穩定性之間的關系進行分析，基于模型分析結果，準確理解坡向坡位對土壤團聚體穩定性的作用機制，以期為維持川西高山峽谷區灌叢土壤結構穩定提供理論基礎，對生態脆弱區土壤恢復和植被重建具有一定的參考價值。

　　1研究區域與研究方法

　　1.1研究區概況

　　調查區域位于夾金山山脈，夾金山(102°24′56″~102°38′38″E，30°38′14″~30°54′22″N)地處四川省盆地西北部，青藏高原東部邊緣，與臥龍國家級自然保護區相鄰，是國家級森林公園、大熊貓國家公園核心保護區。該區域大地構造單元處于松潘—甘孜褶皺系，地質構造較為復雜，山體多由變質巖、花崗巖構成。

　　主峰海拔為4930m，受高空西風環流和印度洋西南季風的影響，居于亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤季風氣候帶，山地氣候類型，年均降水量776.5mm，年日照時數1400h。夾金山屬岷江水系青衣江流域，土壤山地暗棕壤，呈微酸性。據前序研究[16]，區域內灌叢群落陰坡主要物種有亮葉杜鵑Rhododendronvernicosum、西南花楸Sorbusrehderiana、蹄葉橐吾Ligulariafischeri等，半陽坡主要物種是高山櫟Quercussemicarpifolia、高山栒子Cotoneastersubadpressus、蕨Pteridiumaquilinum等，陽坡主要物種是高山櫟、高山栒子、平車前Plantagodepressa等。

　　1.2樣地選擇與設置

　　2019年7月，在實地踏查的同時考慮到灌叢實際分布狀況設置樣地，由于夾金山高山區的地理環境要素錯綜復雜，研究中涉及到樣地可達性，在陽坡、陰坡和半陽坡的下坡位、中坡位各設置4個20m×30m樣地，共計24個。坡向在0°～45°和315°～360°為陰坡，45°～135°為半陽坡，135°～225°為陽坡。記錄經度、緯度、海拔，測定坡度、坡向、坡位等環境因子特征。物種多樣性、植被生物量和土壤理化性質作為本研究樣地的屬性，數據來源于同時期、同批次及同樣地采樣的研究實測數據[16]。

　　1.3實驗方法及數據分析

　　1.3.1土壤樣品的采集與處理

　　2019年7月取混合原狀土壤樣，在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體，運回實驗室后，沿著土壤紋路輕輕掰成10mm大小土塊，置于自然陰涼處風干備用。樣品室內分析測試于次月完成。土壤機械穩定性團聚體的組成采用干篩法測定，水穩性團聚體含量的測定采用濕篩法[13,17]，套篩尺寸為5、2、1、0.5mm和0.25mm，該實驗使用設備為土壤團粒分析儀(型號DIK2012)。

　　2結果與分析

　　2.1不同坡向和坡位土壤團聚體的分布情況

　　雙因素方差分析結果表明，從機械穩定性團聚體來看，坡向對粒徑>1mm的土壤團聚體占比影響顯著(P<0.05p>0.05);從水穩性團聚體來看，坡向和坡位對土壤微團聚體含量的影響交互作用顯著(P<0.05>5mm以及粒徑0.5~1mm的團聚體含量均無顯著影響(P>0.05)。

　　夾金山不同坡向坡位土壤機械性穩定團聚體主要以>1mm粒徑團聚體組成，其中陰坡兩個坡位土壤團聚體以粒徑>5mm為絕對組成部分，占比達到60.0%以上，而粒徑0.25~0.5mm、0.5~1mm以及1~2mm團聚體占比均較少，均不足6.0%;半陽坡粒徑>5mm的土壤團聚體含量在下坡位與中坡位間大致相同，其余兩個坡向均表現為下坡位>中坡位;除陽坡中坡位粒徑>5mm團聚體占比僅15%，遠遠小于其他5個類型外，半陽坡和陽坡團聚體分布狀況相似;不同坡向坡位土壤機械性穩定團聚體占比都在粒徑0.25~0.5mm時最少。

　　與干篩法不同，濕篩法所測得不同坡向坡位土壤水穩性團聚體分布有較大改變，可以看出各類型粒徑>5mm團聚體占比明顯降低，除半陽坡中坡位外，現占比均不足20.0%;粒徑<0.25mm40.80.25mm>0.25 mm)和微團聚體(<0.25mm>0.25mm的團聚體是土壤中最好的結構體，可以看出夾金山不同坡向坡位機械穩定性大團聚體數量遠大于水穩性大團聚體數量。

　　2.2不同坡向坡位土壤團聚體分形特征及穩定性

　　雙因素方差分析結果表明，坡向和坡位對團聚體破壞率PAD、干篩條件下分形維數Ddry、濕篩條件下分形維數Dwet和團聚體穩定指數ASI均存在顯著和極顯著影響(P<0.05)，且坡向和坡位對上述4個指標的影響均存在交互作用。

　　從土壤團聚體破壞率(PAD)分析，其均值范圍為15.69%~37.16%，下坡位土壤團聚體破壞率PAD值表現為陰坡顯著最高(37.16%,P<0.05padp>0.05)。當坡向一致時，土壤團聚體破壞率PAD值僅在陰坡兩個坡位間存在顯著差異(P<0.05)，PAD值越大，表明土壤結構越容易崩解破碎，土壤越容易被侵蝕。從土壤團聚體穩定指數ASI來看，陰坡團聚體穩定指數ASI顯著最低(P<0.05asi>下坡位，其中僅陰坡兩個坡位間存在顯著差異(P<0.05)。分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數。

　　可知干篩、濕篩條件下團聚體分形維數(D)隨坡向坡位的變化并不一致。在干篩條件下，各坡向坡位土壤分形維數Ddry范圍為2.18~2.54，可以看出，當坡向相同時，土壤分形維數僅在陽坡的兩個坡位間存在顯著差異(P<0.05)，表現為下坡位Ddry值顯著高于中坡位Ddry值。

　　當坡位一致，即下坡位時，坡向間Ddry值大小表現為陰坡(2.54)顯著高于半陽坡(2.32)顯著高于陽坡(2.21)(P<0.05)，當坡位為中坡位時，Ddry值表現為陰坡(2.47)顯著高于半陽坡(2.27)顯著高于陽坡(2.18)(P<0.05);在濕篩條件下，濕篩分形維數較干篩分形維數均有所上升，范圍是2.56~2.76，3個坡向土壤分形維數均表現為下坡位高于中坡位，且陰坡兩個坡位間、陽坡兩個坡位間存在顯著差異(P<0.05);當坡位在下坡位時，土壤Dwet值為陰坡(2.76)顯著最高(P<0.05dwet2.622.61dwetp>0.05)。整體來看，陰坡土壤分形維數D值更高。

　　2.3坡向坡位影響土壤團聚體穩定性的PLSPM分析

　　為了進一步探討坡向、坡位是如何對團聚體穩定性產生影響，并研究分形維數與團聚體穩定性的關系，我們構建了偏最小二乘路徑模型(PLSPM)。可以看出，各觀測變量在隱變量上的荷載系數均通過α=0.05水平上顯著性檢驗(坡位除外，此處是將坡向坡位合并展示)，表明選用的觀測變量能很好地表征其隱變量意義。各變量能夠較好地解釋土壤團聚體穩定性指數(ASI)和干篩條件下土壤分形維數Ddry。模型整體的擬合優度(GOF)為0.626，整體表現良好。

　　結果顯示坡向的影響效應遠遠高于坡位。綜上，坡向坡位對Ddry和ASI的總效應分別為0.803、0.709，其作用于ASI的主要路徑有2條，可以分解為坡向通過直接影響土壤物理性質(0.731)，土壤物理性質直接決定Ddry(0.749)，Ddry最終決定ASI(該路徑特定的間接效應為0.414);坡向通過影響群落灌木植被(0.848)，灌叢植被影響土壤化學性質(0.898)，土壤化學性質影響Ddry(0.231)進而影響ASI，但該路徑的間接效應較弱(特定的間接效應為0.111)。

　　進一步計算各因素的總效應(直接和間接效應標準化系數之和)發現，坡向和Ddry是影響團聚體穩定性最主要的因素(0.706、0.756)，其次是土壤物理性質(0.567)、土壤化學性質(0.419)、灌木層植物特征(0.239)和草本層植物特征(0.146)，灌木層對土壤團聚體穩定性的影響大于草本層，可能是由于灌木層植物高度更高，根系更發達，對光照和水分的競爭能力更強，使得草本層植物的生長發育受限于灌木層。Ddry對ASI有極顯著且負向的影響(路徑系數為0.756,P<0.001)，說明在本研究區域，分形維數越大，土壤團聚體穩定性指數越小，土壤越不穩定。

　　3討論

　　3.1坡向和坡位對土壤團聚體分布的影響

　　坡向和坡位影響光照以及降水分配，進而影響水分空間分布，是導致土壤空間異質性的重要因素[20]。不同研究中，團聚體粒徑分布狀況存在差別，Zou等[21]研究了坡位對紅壤丘陵區土壤團聚體穩定性的影響，發現坡位越高，小粒徑(<0.25mm>5mm)團聚體分布越多;De等[22]的研究表明坡底的大團聚體(>2mm)占比遠高于坡頂。

　　本研究對夾金山不同坡向坡位土壤團聚體組成進行分析，發現除半陽坡粒徑>5mm的土壤機械穩定性團聚體占比在下坡位與中坡位間大致相同，其余兩個坡向均表現為下坡位>中坡位，可能是由于重力因素，導致大團聚體發生遷移并在下坡位沉積聚集，其占比升高[5,22]。一般認為≥0.25mm團聚體是評價土壤生態效應的重要指標，也是提升土壤抗侵蝕能力的關鍵[8]，濕篩之后，粒徑<0.25mm的團聚體占比有所上升，說明在水的崩解作用下，大粒徑團聚體有向更小粒徑的團聚體轉化的傾向[4]，土壤生態功能變差。

　　本研究中，隨粒徑變小，陽坡和半陽坡團聚體含量的變化趨勢與謝賢健等[19]的研究結論相同，均呈現“增加減少增加”的變化趨勢，而陰坡則呈先減小后增大的變化態勢。坡向是影響土壤團聚體粒徑分布的主要因素，坡位及二者的交互作用對土壤水穩性團聚體粒徑分布產生影響，可能是由于地形因子共同作用導致的小氣候差異能夠影響土壤溫度、土壤含水量、土壤有機碳含量及土壤呼吸速率等因子，進而形成特定的小生境，導致了坡位坡向間土壤團聚體分布不均勻[23]。

　　3.2坡向坡位對土壤團聚體穩定性及分形特征的影響

　　本研究中坡向、坡位對土壤團聚體穩定性及分形特征均有顯著影響，且二者存在交互作用。雷斯越[24]對不同地形條件下退耕草地黃綿土土壤理化性質展開研究得到了陰坡水穩性團聚體穩定性較差，抗侵蝕能力較弱的結論。本研究結果與之相似，綜合土壤團聚體破壞率(PAD)以及土壤團聚體穩定指數(ASI)來看，研究區半陽坡中坡位土壤結構最優，整體來看，同一坡向的中坡土壤結構穩定性較優于下坡，3個坡中陰坡土壤穩定性最次�？赡苁怯捎谘芯繀^域屬于高海拔地區，地形因子在坡向間千差萬別，相較于陰坡，陽坡、半陽坡土壤受冷熱交替作用更強，使得土壤可能具有更為疏松的結構。

　　分形幾何學能夠描述自然物體如土壤的不規則幾何形狀，能客觀表征土壤粒徑大小組成，與土壤質地息息相關，表現出黏粒占比越高，質地越細，分形維數越高[18,2526]。本研究中，當坡向相同時，機械穩定性土壤團聚體與水穩性土壤團聚體分形維數均表現為下坡位高于中坡位(除半陽坡Ddry相反);當坡位相同時，則表現為陰坡土壤分形維數大于陽坡、半陽坡，這與學者黃安等[12]的研究結論相似，這是由于坡向坡位影響土壤粒徑組成，從而對分形維數產生影響。

　　3.3影響土壤團聚體穩定性的因素分析

　　本文結合PLSPM分析結果，發現坡向是土壤團聚體穩定性重要的驅動因素，而坡位對其影響卻不顯著，這與雙因素方差分析得到的坡位顯著影響土壤團聚體穩定性的結果不同，這可能是由于還有其他影響土壤團聚體穩定性的因素并沒有考慮進結構方程模型中，如土壤微生物、鐵鋁等氧化物等的影響[6]。本研究還發現，夾金山灌叢群落土壤團聚體穩定性還受到群落灌草層特征、土壤理化性質的影響。同時，本研究展示了坡向坡位通過植物群落以及土壤理化性質進而作用于土壤團聚體穩定性的路徑。

　　從群落特征來看，坡向坡位對草本層和灌木層物種豐富度和生物量的影響正好相反，即一層的物種多樣性增加意味著另一層次物種多樣性的降低[27]，且各層次內，多樣性與生物量呈現相反的關系，可能是由于競爭排斥降低了物種多樣性[28]，具體表現為坡向越朝北，意味著更低的灌木生物量和更低的草本物種豐富度，對應了更高的土壤分形維數和更低的土壤團聚體穩定性，但本研究中草本層影響作用的路徑系數均不顯著。

　　說明草本層物種豐富度對土壤團聚體穩定性的促進作用是有限的，灌木生物量越高，土壤分形維數就越低，土壤團聚體穩定性就越高，這可能是由于生物量越高，植物群落對土壤有機質的輸入就越大，并且植物地下部分與土壤直接接觸，在植物和土壤之間進行著頻繁的物質交換，通過其代謝過程中所形成的物質的分解和再合成，有利于土壤團粒結構形成[910,29]。

　　土壤物理性質主要是受坡向坡位因素的直接作用，土壤容重是土壤物理性質的綜合反映，土壤孔隙度對土壤持水和通氣狀況具有重要作用，陳春峰等[29]對西雙版納地區膠農(林)復合系統的磚紅壤團聚體研究中，發現土壤容重和土壤孔隙度與各團聚體穩定性指標呈極顯著相關，張治偉等[26]對石灰巖區土壤的研究表明，分形維數與土壤容重正相關。

　　本研究得到了類似的結論，也發現土壤容重與分形維數呈正關聯，與土壤團聚體穩定性負相關，土壤孔隙度正好相反，具體表現為陰坡土壤容重大，土壤孔隙度和土壤含水率均較小，此時土壤物理結構更差，分形維數更高，土壤越板結，土壤團聚體穩定性就越低。這是由于分形維數是由土壤粒徑的重量分布計算得到，受土壤黏粒占比影響很大[18]，且土壤顆粒直徑越小，細粒物質占比越高，對空間的填充能力就越強，土壤孔隙度被黏粒填充越多，土壤容重就越大，因此在某種程度上，分形維數也能夠表征土壤緊實程度，分形維數越大，表征了土壤容重大，通透能力弱的土壤物理結構特性[12]。

　　已有較多研究表明土壤團聚體分形維數、土壤團聚體穩定性與土壤肥力存在一定的關系[4,68,24]，本研究發現土壤整體養分狀況與分形維數存在具有統計學意義的負關聯，與團聚體穩定性呈正相關，即土壤養分越差，分形維數越高，土壤團聚體穩定性越低，說明養分物質的累積可以促進土壤微團聚體團聚形成水穩性大團聚體，這與張先鳳等[6]的研究結論相同。

　　其中，土壤有機質作為土壤團聚體的膠結劑，其含量越高，可能會減緩土壤團聚體崩解速度以及加快膠結速度，有利于團聚體穩定[4]，由于SOM是土壤中氮、磷的主要來源之一，這三種養分的來源具有一致性，因此SOM、TN、TP的荷載相同[7]，這與吳夢瑤等[8]對賀蘭山不同植被的土壤團聚體穩定性的研究得到的結論一致，即較高含量的有機質、TN、TP有助于團聚體的穩定。研究表明，本區域土壤團聚體分形維數在一定程度上反映了土壤化學性質和物理結構狀況，表征了土壤團聚體的穩定程度。

　　4結論

　　(1)夾金山不同坡向坡位土壤機械性穩定團聚體主要以>1mm粒徑為組成;水穩性微團聚體(粒徑<0.25mm)較機械穩定性微團聚體占比有所上升，陰坡下坡位水穩性微團聚體占比最高(40.8%)。(2)綜合ASI指數和PAD指數來看，中坡位土壤結構穩定性較優于下坡位，陰坡土壤穩定性最次。(3)坡向、坡位均對土壤團聚體穩定性和分形特征產生影響，且二者存在交互作用，其中坡向是主要影響因素，這種影響主要是通過坡向對土壤物理性質的影響決定的，植物群落特征和土壤化學性質也存在一定作用。

　　在本研究區域土壤團聚體分形維數不僅能反映土壤結構幾何形狀特征，還能表征土壤結構穩定性，而且具有一定的環境指示作用，可以作為綜合衡量團聚體穩定性的指標。對于水土流失嚴峻的夾金山高山灌叢區域，應該以保護現有植被為主，并輔以適宜的水保措施，對改善高山峽谷區灌叢群落土壤結構，減少水土流失和促進區域生態環境可持續發展具有一定意義。

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　　作者：李禹江1，張榮2，王琴1，張瀚文1，李婧1，王芳1，涂利華1，郝建鋒1,3**

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