胡 磊, 佘冬立, 楊 震

(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210098; 2.中國(guó)科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成部分[1]，由細(xì)小土壤顆粒經(jīng)過絆纏、膠結(jié)和重排列作用形成[2]。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)在影響水分入滲和運(yùn)移、碳氮物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分有效性等方面起到重要作用。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受大團(tuán)聚體含量(R0.25)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)等影響，R0.25，MWD和GMD越大，D越小，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕性越好[3]。土壤團(tuán)聚體在形成過程中受到各種因素的共同作用，使其形態(tài)、組合和功能各有不同，具有一定的自相似性和分形特征，故可以用分形理論研究土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)問題[4]。

黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。流域年均降水較少，土地沙化與土壤侵蝕問題制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響著土壤肥力和抵抗外界侵蝕的能力，因此，改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高土壤抗蝕能力是黃土丘陵區(qū)土壤改良亟待解決的問題。目前很多學(xué)者致力于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究，如李娟等[5]研究認(rèn)為黃土高原林地和水稻田利用方式有利于提高團(tuán)聚體的含量和質(zhì)量，安韶山等[6]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)在大粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)含量更高，對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較大，這些研究多集中于單個(gè)因子對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，而多因子影響下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的探究卻鮮有報(bào)道?；诖?，本文以黃土高原晉西北朱家川流域?yàn)檠芯繉?duì)象，借助通徑分析法[7]分析土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響因子，并探究朱家川流域不同土地利用方式、不同小流域間土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分異特征，為黃土高原生態(tài)恢復(fù)和土地合理利用提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

供試土樣來自山西省忻州市朱家川流域(111°04′—112°12′E，38°39′—39°24′N)，地處山西省西北部、黃土高原北部，發(fā)源于朔縣利民溝，屬黃河干流水系。流域范圍大致北抵樓山，東至黑駝山及呂梁山，南達(dá)岢嵐山地。境內(nèi)地表黃土覆蓋厚度較大，流水沖刷侵蝕作用導(dǎo)致其屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，總流域面積2 922 km2。朱家川流域受溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，四季分明。年平均降水量為486.6 mm，年平均氣溫6℃，年無霜期137 d，年均日照時(shí)數(shù)2 844.4 h。流域主要土壤類型為栗褐土和風(fēng)沙土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 于2019年7—9月在朱家川流域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和土樣采集。沿流域從上游到下游分別選取細(xì)嶺溝、華家溝、郜家峪溝、柳樹咀溝、高家溝、叢嶺溝、后會(huì)溝7條典型淤地壩控制小流域進(jìn)行采樣研究。分別在各小流域內(nèi)按土地利用類型面積比例選取林地、草地、農(nóng)地3種利用方式下10個(gè)樣點(diǎn)(林地3個(gè)、草地3個(gè)、農(nóng)地4個(gè))，共計(jì)70個(gè)樣點(diǎn)，利用GPS標(biāo)記樣點(diǎn)經(jīng)緯度，利用ArcGIS提取壩控小流域面積(表1)。采用直徑5 cm的環(huán)刀采集各樣點(diǎn)100 cm3原狀土樣，同時(shí)采用五點(diǎn)法采集0—20 cm土層約750 g擾動(dòng)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。利用無人機(jī)航拍結(jié)合RTK設(shè)備測(cè)量技術(shù)獲取各小流域高清航拍影像，經(jīng)軟件處理后得到高精度DEM及正射影像圖。利用校正后的DEM數(shù)字高程模型，在GIS平臺(tái)空間分析模塊下提取各樣點(diǎn)的相關(guān)地形數(shù)據(jù)，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 試驗(yàn)方法 采用烘干法測(cè)定原狀土土壤容重。擾動(dòng)土樣待自然風(fēng)干后，沿土壤天然裂隙結(jié)構(gòu)掰成小土塊并除去植物殘根和石塊等，再過5 mm篩。采用濕篩法[8]按5～2 mm，2～1 mm，1～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm等5個(gè)粒級(jí)測(cè)定土壤團(tuán)聚體組成。分別將土樣碾碎后過2 mm和0.149 mm篩，采用激光粒度儀(Bettersize 2000)測(cè)定土壤機(jī)械組成(砂粒、粉粒、黏粒)，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[9]測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)土樣中大于0.25 mm團(tuán)聚體含量R0.25，計(jì)算公式為：

(1)

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)計(jì)算公式為：

(2)

(3)

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D采用楊培嶺等[10]提出的土壤顆粒分形模型計(jì)算：

(4)

(2)通徑分析理論中當(dāng)許多自變量共同影響一個(gè)因變量時(shí)，自變量xi與因變量y間的通徑關(guān)系：

riy=Piy+∑Pij

(5)

Pij=rij×Pjy

(6)

(7)

采用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分形維數(shù)的線性回歸擬合；利用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間Pearson相關(guān)性分析和通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤團(tuán)聚體組成和分形特征

借助土壤團(tuán)聚體組成(表2)可以分析土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]。大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量越大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和分布情況較好。農(nóng)地、草地、林地的R0.25分別為33.55%，35.56%和41.67%，林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性優(yōu)于農(nóng)地和草地。

得益于本土豐富的紅色資源，白石小學(xué)特創(chuàng)建了國(guó)防教育校本課程，通過國(guó)防常識(shí)、國(guó)防地理、國(guó)防科技等各方面的教學(xué)使學(xué)生掌握部分淺易的國(guó)防知識(shí)，從中受到愛國(guó)主義教育，學(xué)會(huì)從小熱愛祖國(guó)，立志獻(xiàn)身國(guó)防。將國(guó)防教育的內(nèi)容滲透到各科教學(xué)和少先隊(duì)活動(dòng)及各個(gè)有紀(jì)念意義的主題實(shí)踐之中，融知識(shí)、思想、科學(xué)、技能、趣味為一體，進(jìn)行潛移默化的教育，使學(xué)生在國(guó)防教育中得到鍛煉和提高。

表2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D能反映土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量對(duì)土壤穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的影響[12]，表現(xiàn)為團(tuán)聚體分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好，而MWD和GMD則相反。

本研究土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)用線性方程擬合度高，R2均在0.9以上。分形維數(shù)D表現(xiàn)出林地<草地<農(nóng)地，而對(duì)于MWD，GMD，則均表現(xiàn)出林地>草地>農(nóng)地(圖1)，表明林地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，樹木種植降低了土壤結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到改善。

圖1 不同土地利用方式特征直徑

2.2 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

平均重量直徑MWD、幾何平均直徑GMD和分形維數(shù)D均可反映土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚程度，各參數(shù)間存在顯著或極顯著的相關(guān)性(表3)。朱家川流域土壤MWD和GMD均與D呈極顯著負(fù)相關(guān)，而流域內(nèi)3種土地利用方式MWD和GMD之間均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。農(nóng)地土壤MWD和GMD均與2～1 mm和1～0.25 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，與<0.25 mm的小粒徑團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，兩者與各粒徑團(tuán)聚體含量的正負(fù)相關(guān)性均以0.25 mm為界。草地土壤MWD和GMD均與5～2 mm和2～1 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，與0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，兩者與各粒徑團(tuán)聚體含量的正負(fù)相關(guān)性界線為1 mm。林地土壤MWD和GMD均與5～2 mm和2～1 mm團(tuán)聚體含量呈極顯著或顯著正相關(guān)(p<0.05), GMD與<0.053 mm小粒徑團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，兩者與各粒徑團(tuán)聚體含量的正負(fù)相關(guān)性界線為1 mm。因此，大粒徑團(tuán)聚體含量對(duì)提高土壤MWD和GMD有顯著效果。

表3 團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

朱家川流域3種土地利用方式下土壤分形維數(shù)D均與1～0.25 mm團(tuán)聚體含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與<0.25 mm小粒徑團(tuán)聚體含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，其正負(fù)相關(guān)性的團(tuán)聚體粒徑界線均為0.25 mm。小粒徑團(tuán)聚體含量對(duì)于分形維數(shù)提高貢獻(xiàn)較大，大粒徑團(tuán)聚體含量增加可以顯著降低土壤分形維數(shù)。

2.3 不同壩控小流域土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異分析

水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分析顯示，7個(gè)壩控小流域0—20 cm土層中土壤R0.25平均在36%左右(圖2)。其中，中游柳樹咀溝流域土壤R0.25達(dá)到42.4%，為所有小流域中最高值，下游后會(huì)溝流域土壤R0.25最低，僅為32.2%，其余各小流域土壤R0.25差異不顯著。

圖2 各壩控小流域土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布及穩(wěn)定性指標(biāo)

下游后會(huì)溝流域土壤MWD和GMD均最低，分別為0.44 mm和0.17 mm，而中游柳樹咀溝流域土壤MWD和GMD最大，分別為0.57 mm和0.23 mm，其余各壩控小流域土壤MWD和GMD值差異不顯著。下游后會(huì)溝流域土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D最大，達(dá)到2.85，其余各小流域土壤分形維數(shù)差異不明顯。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)最小的流域?yàn)橹杏蔚牧鴺渚诇狭饔?，其值?.82，柳樹咀溝流域土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性優(yōu)于后會(huì)溝流域，這與上述MWD和GMD分析結(jié)果一致。下游后會(huì)溝流域土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，土壤抗蝕性較差，而中游柳樹咀溝流域相反。

2.4 土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)影響因子的通徑分析

表4 各指標(biāo)間相關(guān)性分析

表5 分形維數(shù)影響因子的通徑分析

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

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

0.013x8+0.029x9+0.334x10

3 討 論

朱家川流域土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性受土地利用方式影響顯著。3種土地利用類型對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響強(qiáng)度為林地>草地>農(nóng)地，表明退耕還林使土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)得到改善。其主要機(jī)制是林地受人為擾動(dòng)較少，殘枝敗葉等凋落物進(jìn)入土壤分解出的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分對(duì)土壤的撫育，導(dǎo)致此種類型土壤團(tuán)聚程度比其他土地利用類型更好[15]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤養(yǎng)分的富集庫(kù)。所有壩控小流域中，下游后會(huì)溝流域R0.25最低，僅為32.2%，中游柳樹咀溝流域R0.25達(dá)到最高值42.4%。除此之外，MWD和GMD的最小值以及D的最大值都出現(xiàn)在下游后會(huì)溝流域，MWD和GMD的最大值、D的最小值均出現(xiàn)在中游柳樹咀溝流域，表明后會(huì)溝流域土壤抵抗侵蝕保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、維持肥力性能最弱，柳樹咀溝流域土壤質(zhì)量最高。柳樹咀溝流域所處的中游地區(qū)植被群落多樣性高且穩(wěn)定，植被枝葉繁密，減少了降雨雨滴機(jī)械打擊和消散作用對(duì)大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞[16]，此外植物根系可以分泌高分子膠結(jié)物質(zhì)，把土壤的微團(tuán)聚體絆纏為穩(wěn)定的大團(tuán)聚體[17]。

通徑分析通過對(duì)自變量和因變量間相關(guān)性分解，研究自變量對(duì)因變量的直接影響和間接影響，準(zhǔn)確反映其影響程度。利用通徑分析統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量(x2)與海拔高度(x5)與D呈極顯著(p<0.01)或顯著(p<0.05)負(fù)相關(guān)，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量越大、土壤所處海拔高度越高，土壤分形維數(shù)越小，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)在各因子對(duì)分形維數(shù)的直接作用程度上，有機(jī)質(zhì)含量(x2)的直接通徑系數(shù)最大且為負(fù)值，對(duì)分形維數(shù)的提高起制約作用，其次是海拔高度(x5)，其影響也為負(fù)效應(yīng)，其余因子對(duì)分形維數(shù)直接影響并不顯著。有機(jī)質(zhì)含量(x2)對(duì)分形維數(shù)的綜合決定能力(決策系數(shù))也更大，對(duì)降低分形維數(shù)作用更顯著。導(dǎo)致以上結(jié)果的主要原因是有機(jī)質(zhì)在土壤團(tuán)聚體的形成中起重要膠結(jié)作用，微團(tuán)聚體中富集的活性礦物(鋁/氧化鐵)容易吸附有機(jī)質(zhì)[18]，在有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用下形成穩(wěn)定的大團(tuán)聚體，使分形維數(shù)降低。海拔高度的增加對(duì)分形維數(shù)有負(fù)效應(yīng)主要是流域海拔較高處受人為影響少，土壤結(jié)構(gòu)受破壞少，團(tuán)聚體穩(wěn)定性好。誤差項(xiàng)e對(duì)于土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D的直接通徑系數(shù)為0.263，表明回歸方程中仍有部分對(duì)分形維數(shù)影響較大的指標(biāo)未被考慮，需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

(1)晉西北朱家川流域不同土地利用方式下，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在顯著差異，團(tuán)聚體穩(wěn)定性從高到低順序?yàn)椋毫值?草地>農(nóng)地。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)和小粒徑團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)，與大粒徑團(tuán)聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)。下游后會(huì)溝流域土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最低，土壤易受到侵蝕破壞，而中游柳樹咀溝流域土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最優(yōu)。

(2)通過選取土壤容重、有機(jī)質(zhì)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，對(duì)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)進(jìn)行通徑分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)影響最大，其次是海拔高度。