李禹江，張 榮，王 琴，張瀚文，李 婧，王 芳，涂利華，郝建鋒,3**

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都 611130；2.蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；3.四川省水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性是重要的土壤性質(zhì)，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]，特別是在地貌特征復(fù)雜且易受侵蝕的高山峽谷地區(qū)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是控制坡體穩(wěn)定、水土保持、生產(chǎn)力維持和養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵變量之一，了解土壤穩(wěn)定性是防止高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤退化的第一步[3].土壤團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性與物理、化學(xué)、生物因素息息相關(guān)，其穩(wěn)定性首先必然由土壤本身的質(zhì)地類別、結(jié)構(gòu)特征和物理性質(zhì)所決定[4-5].土壤化學(xué)性質(zhì)的影響也不可忽視，已有較多研究表明土壤養(yǎng)分物質(zhì)的累積可以促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成，土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，其作為“膠結(jié)物質(zhì)”直接參與團(tuán)聚體的形成[3,6]，另外也有研究表明土壤磷素、氮素也與團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)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(jī)質(zhì)的輸入量，也有學(xué)者認(rèn)為物種多樣性對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有積極作用，其作用機(jī)制可能是通過(guò)增加根系類型的多樣性從而間接作用于土壤的穩(wěn)定性[9]，植物根系對(duì)土體進(jìn)行穿插擠壓，根系分泌的代謝物質(zhì)是良好的膠結(jié)劑，在一定程度上利于土壤團(tuán)聚體的形成[8-10].此外，地形因子、生物活動(dòng)以及人為管理措施等也會(huì)產(chǎn)生一定影響[11-12].

一般研究土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的經(jīng)典方法是用干篩法和濕篩法綜合反映土壤團(tuán)聚體性質(zhì)[3,13].近年來(lái)，有關(guān)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究已有較多報(bào)道，多集中于黃土地區(qū)[2]、喀斯特地區(qū)[7]、低山丘陵區(qū)[12]等，對(duì)于川西高山峽谷區(qū)還鮮少涉及，且關(guān)于坡向和坡位等基于環(huán)境因子的研究也較少.坡向和坡位是影響太陽(yáng)輻射和降水分布的重要地形因子，在空間上對(duì)光照熱量、養(yǎng)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(qū)動(dòng)因素，影響植物群落類型及物種分布，也是影響土壤性質(zhì)空間格局的重要因子[14-15]，但坡向和坡位對(duì)團(tuán)聚體的作用機(jī)制還不明朗.基于此，本文以具備典型川西高山峽谷區(qū)特征且為大熊貓國(guó)家公園四川片區(qū)核心保護(hù)區(qū)的夾金山為研究區(qū)，以高山灌叢土壤為研究對(duì)象，研究不同坡向、坡位土壤團(tuán)聚體分布、分形特征以及穩(wěn)定性.在此基礎(chǔ)上，通過(guò)偏最小二乘路徑模型(Partial Least Squares Path Modeling，PLS-PM)對(duì)灌叢植物群落、土壤理化性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行分析，基于模型分析結(jié)果，準(zhǔn)確理解坡向坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用機(jī)制，以期為維持川西高山峽谷區(qū)灌叢土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)，對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)土壤恢復(fù)和植被重建具有一定的參考價(jià)值.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況調(diào)查區(qū)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(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)相鄰，是國(guó)家級(jí)森林公園、大熊貓國(guó)家公園核心保護(hù)區(qū).該區(qū)域大地構(gòu)造單元處于松潘—甘孜褶皺系，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，山體多由變質(zhì)巖、花崗巖構(gòu)成.主峰海拔為4 930 m，受高空西風(fēng)環(huán)流和印度洋西南季風(fēng)的影響，居于亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的濕潤(rùn)季風(fēng)氣候帶，山地氣候類型，年降水量776.5 mm，年日照時(shí)數(shù)1 400 h.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(jù)前序研究[16]，區(qū)域內(nèi)灌叢群落陰坡主要物種有亮葉杜鵑Rhododendron vernicosum、西南花楸Sorbus rehderiana、蹄葉橐吾Ligularia fischeri等，半陽(yáng)坡主要物種是高山櫟Quercus semicarpifolia、高山栒子Cotoneaster subadpressus、蕨Pteridium aquilinum等，陽(yáng)坡主要物種是高山櫟、高山栒子、平車前Plantago depressa等.

1.2 樣地選擇與設(shè)置2019 年7 月，在實(shí)地踏查的同時(shí)考慮到灌叢實(shí)際分布狀況設(shè)置樣地，由于夾金山高山區(qū)的地理環(huán)境要素錯(cuò)綜復(fù)雜，研究中涉及到樣地可達(dá)性，在陽(yáng)坡、陰坡和半陽(yáng)坡的下坡位、中坡位各設(shè)置4 個(gè)20 m×30 m 樣地，共計(jì)24 個(gè).坡向在0～45°和315°～360°為陰坡，45°～135°為半陽(yáng)坡，135°～225°為陽(yáng)坡.記錄經(jīng)度、緯度、海拔，測(cè)定坡度、坡向、坡位等環(huán)境因子特征(表1).物種多樣性、植被生物量和土壤理化性質(zhì)作為本研究樣地的屬性，數(shù)據(jù)來(lái)源于同時(shí)期、同批次及同樣地采樣的研究實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[16]，數(shù)據(jù)可見(jiàn)支撐信息附錄（見(jiàn)網(wǎng)站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn）.

表1 樣地概況Tab.1 General status of the sample plot

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)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(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，以免破壞團(tuán)聚體，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，沿著土壤紋路輕輕掰成10 mm 大小土塊，置于自然陰涼處風(fēng)干備用.樣品室內(nèi)分析測(cè)試于次月完成.土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的組成采用干篩法測(cè)定，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的測(cè)定采用濕篩法[13,17]，套篩尺寸為5、2、1、0.5 mm 和0.25 mm，該實(shí)驗(yàn)使用設(shè)備為日本DaiKi 公司生產(chǎn)的土壤團(tuán)粒分析儀(型號(hào)DIK-2012).

1.3.2 土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 團(tuán)聚體破壞率(Percentage of Aggregate Destruction，PAD)計(jì)算方法如下：

式中，mdry為干篩(>0.25 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量，g)，mwet為濕篩(>0.25 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量，g).

在團(tuán)聚體篩分過(guò)程中，只能是大的團(tuán)聚體分散成小的團(tuán)聚體，小的團(tuán)聚體不可能結(jié)合為大的團(tuán)聚體；大的團(tuán)聚體在篩分變成小的團(tuán)聚體過(guò)程中，每次只能破裂到下一級(jí)篩徑，基于此，采用轉(zhuǎn)移矩陣法評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[13]，各徑級(jí)保存幾率(xi)的和作為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)(Aggregate Stability Index，ASI).轉(zhuǎn)移矩陣如下：

式（2）中，mi為第i個(gè)粒徑風(fēng)干團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ni為濕篩后的第i個(gè)粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.3.3 土壤團(tuán)聚體分形特征模型 土壤是具有分形特征的系統(tǒng)，運(yùn)用分形理論建立土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形模型[18-19].

式中：dmax為最大土粒的粒徑(mm)；mi為粒徑小于的累積土粒質(zhì)量(g)；mT為各粒級(jí)質(zhì)量的總和(g)；用回歸分析方法可較方便地求出土壤顆粒分布的分形維數(shù)D.

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)處理分析在軟件SPSS 25.0、SmartPLS 3.3 中進(jìn)行，繪圖使用軟件Origin 2018.雙因素方差分析(Tow-way ANOVA)檢驗(yàn)不同坡向坡位團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性指標(biāo)的差異，之后多重比較采用邦弗倫尼法(Bonferroni)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，由于本研究樣本規(guī)模較小，且變量間存在一定共線性，故采用偏最小二乘路徑模型(PLS-PM)探索坡向、坡位影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的機(jī)制.

模型包含以下變量：坡向、坡位、群落草本層和灌木層特征(物種豐富度、Simpson 指數(shù)、生物量)、土壤物理性質(zhì)(非毛管孔隙度、含水率、容重)、土壤化學(xué)性質(zhì)(TN、TP、TK、SOM、pH)、ASI 和Ddry.本研究中土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)（ASI）表征的是土壤從干篩到濕篩這個(gè)過(guò)程中的團(tuán)聚體保存機(jī)率，因此模型僅引入未進(jìn)行濕篩的Ddry.其中，坡位用數(shù)字等級(jí)表示，下位坡為1，中坡位為2，對(duì)坡向進(jìn)行三角變換，轉(zhuǎn)化為坡向余弦值cos(aspect)，余弦值越大表示越朝北，其余變量均采用z-score 標(biāo)準(zhǔn)化處理.最終的模型是根據(jù)擬合優(yōu)度(Goodnessof-Fit，GOF)判斷模型整體擬合程度，GOF 值越大說(shuō)明模型擬合程度越高.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向和坡位土壤團(tuán)聚體的分布情況雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，從機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體來(lái)看，坡向?qū)α?1 mm 的土壤團(tuán)聚體占比影響顯著(P<0.05)，坡位以及坡向坡位交互作用對(duì)土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)分布均無(wú)顯著影響(P>0.05)；從水穩(wěn)性團(tuán)聚體來(lái)看，坡向和坡位對(duì)土壤微團(tuán)聚體含量的影響交互作用顯著(P<0.05)，對(duì)粒徑>5 mm 以及粒徑0.5～1 mm 的團(tuán)聚體含量均無(wú)顯著影響(P>0.05).

表2 坡向和坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布影響的方差分析結(jié)果Tab.2 Variance analysis of the influence of slope aspect and slope position on aggregate size distribution

夾金山不同坡向坡位土壤機(jī)械性穩(wěn)定團(tuán)聚體主要以>1 mm 粒徑團(tuán)聚體組成(圖1)，其中陰坡2個(gè)坡位土壤團(tuán)聚體以粒徑>5 mm 為絕對(duì)組成部分，占比達(dá)到60.0%以上，而粒徑0.25～0.5 mm、0.5～1 mm 以及1～2 mm 團(tuán)聚體占比均較少，均不足6.0%；半陽(yáng)坡粒徑>5 mm 的土壤團(tuán)聚體含量在下坡位與中坡位間大致相同，其余2 個(gè)坡向均表現(xiàn)為下坡位>中坡位；除陽(yáng)坡中坡位粒徑>5 mm 團(tuán)聚體占比僅15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他5 個(gè)類型外，半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡團(tuán)聚體分布狀況相似；不同坡向坡位土壤機(jī)械性穩(wěn)定團(tuán)聚體占比都在粒徑0.25～0.5 mm 時(shí)最少.

圖1 土壤團(tuán)聚體粒徑分布Fig.1 Distribution of soil aggregates

與干篩法不同，濕篩法所測(cè)得不同坡向坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布有較大改變，可以看出各類型粒徑>5 mm 團(tuán)聚體占比明顯降低，除半陽(yáng)坡中坡位外，現(xiàn)占比均不足20.0%；粒徑<0.25 mm 的團(tuán)聚體占比則有所上升，且陰坡下坡位占比最高(40.8%).一般以0.25 mm 為界限將團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)，一般認(rèn)為粒徑>0.25 mm 的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，可以看出夾金山不同坡向坡位機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體數(shù)量遠(yuǎn)大于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量.

2.2 不同坡向坡位土壤團(tuán)聚體分形特征及穩(wěn)定性雙因素方差分析結(jié)果(表3)表明，坡向和坡位對(duì)團(tuán)聚體破壞率PAD、干篩條件下分形維數(shù)Ddry、濕篩條件下分形維數(shù)Dwet和團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)ASI 均存在顯著和極顯著影響(P<0.05)，且坡向和坡位對(duì)上述4 個(gè)指標(biāo)的影響均存在交互作用.

表3 坡向和坡位對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)和分形維數(shù)影響的方差分析結(jié)果Tab.3 Variance analysis of the influence of slope aspect and slope position on aggregates stability indicators and fractal dimension

從土壤團(tuán)聚體破壞率（PAD）分析(圖2)，其均值范圍為15.69%～37.16%，下坡位土壤團(tuán)聚體破壞率PAD 值表現(xiàn)為陰坡顯著最高(37.16%，P<0.05)，中坡位PAD 值在各坡向間存在差異，但均不顯著(P>0.05).當(dāng)坡向一致時(shí)，土壤團(tuán)聚體破壞率PAD 值僅在陰坡2 個(gè)坡位間存在顯著差異(P<0.05)，PAD 值越大，表明土壤結(jié)構(gòu)越容易崩解破碎，土壤越容易被侵蝕.從土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)ASI 來(lái)看，陰坡團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)ASI 顯著最低(P<0.05)，從其均值來(lái)看，各坡向的ASI 值均為中坡位>下坡位，其中僅陰坡2 個(gè)坡位間存在顯著差異(P<0.05).

分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)(圖2).可知干篩、濕篩條件下團(tuán)聚體分形維數(shù)(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(shù)Ddry范圍為2.18～2.54，可以看出，當(dāng)坡向相同時(shí)，土壤分形維數(shù)僅在陽(yáng)坡的2個(gè)坡位間存在顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為下坡位Ddry值顯著高于中坡位Ddry值；當(dāng)坡位一致，即下坡位時(shí)，坡向間Ddry值大小表現(xiàn)為陰坡(2.54)顯著高于半陽(yáng)坡(2.32)顯著高于陽(yáng)坡(2.21)(P<0.05)，當(dāng)坡位為中坡位時(shí)，Ddry值表現(xiàn)為陰坡(2.47)顯著高于半陽(yáng)坡(2.27)顯著高于陽(yáng)坡(2.18)(P<0.05)；在濕篩條件下，濕篩分形維數(shù)較干篩分形維數(shù)均有所上升，范圍是2.56～2.76，3 個(gè)坡向土壤分形維數(shù)均表現(xiàn)為下坡位高于中坡位，且陰坡2 個(gè)坡位間、陽(yáng)坡2 個(gè)坡位間存在顯著差異(P<0.05)；當(dāng)坡位在下坡位時(shí)，土壤Dwet值為陰坡(2.76)顯著最高(P<0.05)，半陽(yáng)坡與陽(yáng)坡土壤Dwet值相近(2.62、2.61)；中坡位土壤Dwet值在各坡向間差異均不顯著(P>0.05).整體來(lái)看，陰坡土壤分形維數(shù)D值更高.

圖2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及分形特征Fig.2 Fractal characteristics and stability of soil aggregates

2.3 坡向坡位影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的PLS-PM分析為了進(jìn)一步探討坡向、坡位是如何對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，并研究分形維數(shù)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，我們構(gòu)建了偏最小二乘路徑模型(PLSPM)，結(jié)果見(jiàn)圖3.可以看出，各觀測(cè)變量在隱變量上的荷載系數(shù)均通過(guò)α=0.05 水平上顯著性檢驗(yàn)(坡位除外，此處是將坡向坡位合并展示)，表明選用的觀測(cè)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(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)（ASI）和干篩條件下土壤分形維數(shù)Ddry(R2=0.749，0.851，圖3(a)).模型整體的擬合優(yōu)度(GOF)為0.626，整體表現(xiàn)良好.

圖3 結(jié)果顯示坡向的影響效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于坡位.綜上，坡向坡位對(duì)Ddry和ASI 的總效應(yīng)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(guò)直接影響土壤物理性質(zhì)(?0.731)，土壤物理性質(zhì)直接決定Ddry(?0.749)，Ddry最終決定ASI(該路徑特定的間接效應(yīng)為0.414)；坡向通過(guò)影響群落灌木植被(0.848)，灌叢植被影響土壤化學(xué)性質(zhì)(?0.898)，土壤化學(xué)性質(zhì)影響Ddry(?0.231)進(jìn)而影響ASI，但該路徑的間接效應(yīng)較弱(特定的間接效應(yīng)為?0.111).

圖3 不同因素對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)ASI 和干篩分形維數(shù)Ddry 值的直接和間接影響Fig.3 Direct and indirect effects of different factors on Aggregate Stability Index (ASI) and fractal dimension Ddry of soil

進(jìn)一步計(jì)算各因素的總效應(yīng)(直接和間接效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)之和)發(fā)現(xiàn)(圖3（b），圖3（c）)，坡向和Ddry是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性最主要的因素(?0.706、?0.756)，其次是土壤物理性質(zhì)(0.567)、土壤化學(xué)性質(zhì)(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(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(fā)達(dá)，對(duì)光照和水分的競(jìng)爭(zhēng)能力更強(qiáng)，使得草本層植物的生長(zhǎng)發(fā)育受限于灌木層.Ddry對(duì)ASI有極顯著且負(fù)向的影響(路徑系數(shù)為?0.756，P<0.001)，說(shuō)明在本研究區(qū)域，分形維數(shù)越大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)越小，土壤越不穩(wěn)定.

3 討論

3.1 坡向和坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響坡向和坡位影響光照以及降水分配，進(jìn)而影響水分空間分布，是導(dǎo)致土壤空間異質(zhì)性的重要因素[20].不同研究中，團(tuán)聚體粒徑分布狀況存在差別，Zou 等[21]研究了坡位對(duì)紅壤丘陵區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)坡位越高，小粒徑(<0.25 mm)團(tuán)聚體分布越多，坡位越低，大粒徑(>5 mm)團(tuán)聚體分布越多；De 等[22]的研究表明坡底的大團(tuán)聚體(>2 mm)占比遠(yuǎn)高于坡頂.本研究對(duì)夾金山不同坡向坡位土壤團(tuán)聚體組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除半陽(yáng)坡粒徑>5 mm 的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體占比在下坡位與中坡位間大致相同，其余2 個(gè)坡向均表現(xiàn)為下坡位>中坡位，可能是由于重力因素，導(dǎo)致大團(tuán)聚體發(fā)生遷移并在下坡位沉積聚集，其占比升高[5,22].

一般認(rèn)為≥0.25 mm 團(tuán)聚體是評(píng)價(jià)土壤生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)，也是提升土壤抗侵蝕能力的關(guān)鍵[8]，濕篩之后，粒徑<0.25 mm 的團(tuán)聚體占比有所上升，說(shuō)明在水的崩解作用下，大粒徑團(tuán)聚體有向更小粒徑的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的傾向[4]，土壤生態(tài)功能變差.本研究中，隨粒徑變小，陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡團(tuán)聚體含量的變化趨勢(shì)與謝賢健等[19]的研究結(jié)論相同，均呈現(xiàn)“增加—減少—增加”的變化趨勢(shì)，而陰坡則呈先減小后增大的變化態(tài)勢(shì).坡向是影響土壤團(tuán)聚體粒徑分布的主要因素，坡位及二者的交互作用對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布產(chǎn)生影響，可能是由于地形因子共同作用導(dǎo)致的小氣候差異能夠影響土壤溫度、土壤含水量、土壤有機(jī)碳含量及土壤呼吸速率等因子，進(jìn)而形成特定的小生境，導(dǎo)致了坡位坡向間土壤團(tuán)聚體分布不均勻[23].

3.2 坡向坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及分形特征的影響本研究中坡向、坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(duì)不同地形條件下退耕草地黃綿土土壤理化性質(zhì)展開(kāi)研究，得到了陰坡水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差、抗侵蝕能力較弱的結(jié)論.本研究結(jié)果與之相似，綜合土壤團(tuán)聚體破壞率（PAD）以及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)（ASI）來(lái)看，研究區(qū)半陽(yáng)坡中坡位土壤結(jié)構(gòu)最優(yōu)；整體來(lái)看，同一坡向的中坡土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較優(yōu)于下坡，3 個(gè)坡中陰坡土壤穩(wěn)定性最次.可能是由于研究區(qū)域?qū)儆诟吆０蔚貐^(qū)，地形因子在坡向間千差萬(wàn)別，相較于陰坡，陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡土壤受冷熱交替作用更強(qiáng)，使得土壤可能具有更為疏松的結(jié)構(gòu).

分形幾何學(xué)能夠描述自然物體如土壤的不規(guī)則幾何形狀，能客觀表征土壤粒徑大小組成，與土壤質(zhì)地息息相關(guān)，表現(xiàn)出黏粒占比越高，質(zhì)地越細(xì)，分形維數(shù)越高[18,25-26].本研究中，當(dāng)坡向相同時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體與水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)均表現(xiàn)為下坡位高于中坡位(除半陽(yáng)坡Ddry相反)；當(dāng)坡位相同時(shí)，則表現(xiàn)為陰坡土壤分形維數(shù)大于陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡，這與學(xué)者黃安等[12]的研究結(jié)論相似，這是由于坡向坡位影響土壤粒徑組成，從而對(duì)分形維數(shù)產(chǎn)生影響.

3.3 影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素分析本文結(jié)合PLS-PM 分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)坡向是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性重要的驅(qū)動(dòng)因素，而坡位對(duì)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(tuán)聚體穩(wěn)定性的結(jié)果不同，這可能是由于還有其他影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素并沒(méi)有考慮進(jìn)結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，夾金山灌叢群落土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性還受到群落灌草層特征、土壤理化性質(zhì)的影響.同時(shí)，本研究展示了坡向坡位通過(guò)植物群落以及土壤理化性質(zhì)進(jìn)而作用于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的路徑.

從群落特征來(lái)看，坡向坡位對(duì)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(nèi)，多樣性與生物量呈現(xiàn)相反的關(guān)系，可能是由于競(jìng)爭(zhēng)排斥降低了物種多樣性[28]，具體表現(xiàn)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(duì)應(yīng)了更高的土壤分形維數(shù)和更低的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性.但本研究中草本層影響作用的路徑系數(shù)均不顯著，說(shuō)明草本層物種豐富度對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的促進(jìn)作用是有限的，灌木生物量越高，土壤分形維數(shù)就越低，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越高，這可能是由于生物量越高，植物群落對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)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(jìn)行著頻繁的物質(zhì)交換，通過(guò)其代謝過(guò)程中所形成的物質(zhì)的分解和再合成，有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[9-10,29].

土壤物理性質(zhì)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(zhì)的綜合反映，土壤孔隙度對(duì)土壤持水和通氣狀況具有重要作用，陳春峰等[29]對(duì)西雙版納地區(qū)膠農(nóng)（林）復(fù)合系統(tǒng)的磚紅壤團(tuán)聚體研究中，發(fā)現(xiàn)土壤容重和土壤孔隙度與各團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)呈極顯著相關(guān)，張治偉等[26]對(duì)石灰?guī)r區(qū)土壤的研究表明，分形維數(shù)與土壤容重正相關(guān).本研究得到了類似的結(jié)論，也發(fā)現(xiàn)土壤容重與分形維數(shù)呈正關(guān)聯(lián)，與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性負(fù)相關(guān)，土壤孔隙度正好相反，具體表現(xiàn)為陰坡土壤容重大，土壤孔隙度和土壤含水率均較小，此時(shí)土壤物理結(jié)構(gòu)更差，分形維數(shù)更高，土壤越板結(jié)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越低.這是由于分形維數(shù)是由土壤粒徑的重量分布計(jì)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(xì)粒物質(zhì)占比越高，對(duì)空間的填充能力就越強(qiáng)，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(shù)也能夠表征土壤緊實(shí)程度，分形維數(shù)越大，表征了土壤容重大，通透能力弱的土壤物理結(jié)構(gòu)特性[12].

已有較多研究表明土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤肥力存在一定的關(guān)系[4,6-8,24].本研究發(fā)現(xiàn)土壤整體養(yǎng)分狀況與分形維數(shù)存在具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的負(fù)關(guān)聯(lián)，與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈正相關(guān)，即土壤養(yǎng)分越差，分形維數(shù)越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越低，說(shuō)明養(yǎng)分物質(zhì)的累積可以促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體團(tuán)聚形成水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，這與張先鳳等[6]的研究結(jié)論相同.其中，土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)劑，其含量越高，可能會(huì)減緩?fù)寥缊F(tuán)聚體崩解速度以及加快膠結(jié)速度，有利于團(tuán)聚體穩(wěn)定[4]，由于SOM 是土壤中氮、磷的主要來(lái)源之一，這3 種養(yǎng)分的來(lái)源具有一致性，因此SOM、TN、TP 的荷載相同[7]，這與吳夢(mèng)瑤等[8]對(duì)賀蘭山不同植被的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究得到的結(jié)論一致，即較高含量的有機(jī)質(zhì)、TN、TP 有助于團(tuán)聚體的穩(wěn)定.研究表明，本區(qū)域土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)在一定程度上反映了土壤化學(xué)性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)狀況，表征了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定程度.

4 結(jié)論

(1) 夾金山不同坡向坡位土壤機(jī)械性穩(wěn)定團(tuán)聚體主要以>1 mm 粒徑為組成；水穩(wěn)性微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)較機(jī)械穩(wěn)定性微團(tuán)聚體占比有所上升，陰坡下坡位水穩(wěn)性微團(tuán)聚體占比最高(40.8%).

(2) 綜合ASI 指數(shù)和PAD 指數(shù)分析，中坡位土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較優(yōu)于下坡位，陰坡土壤穩(wěn)定性最次.

(3) 坡向、坡位均對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和分形特征產(chǎn)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(guò)坡向?qū)ν寥牢锢硇再|(zhì)的影響決定的，植物群落特征和土壤化學(xué)性質(zhì)也存在一定作用.

在本研究區(qū)域土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)不僅能反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀特征，還能表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且具有一定的環(huán)境指示作用，可以作為綜合衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo).對(duì)于水土流失嚴(yán)峻的夾金山高山灌叢區(qū)域，應(yīng)該以保護(hù)現(xiàn)有植被為主，并輔以適宜的水保措施，對(duì)改善高山峽谷區(qū)灌叢群落土壤結(jié)構(gòu)，減少水土流失和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有一定意義.