喬 鋒 王明剛 李 晶 楊文姬 喻 武 聶曉剛

(1.水利部水沙棘開發(fā)管理中心，北京 100038；2.山合林 (北京) 水土保持技術有限公司，北京 100038；3.西藏農(nóng)牧學院資源與環(huán)境學院，西藏 林芝 860000)

土壤侵蝕是指土壤或者成土母質(zhì)在水力、風力作用下，遭到破壞和剝蝕，并發(fā)生搬運和沉積的過程[1]。土壤侵蝕不僅引起土地資源的流失與破壞，還會使大量肥沃表土流失，造成土壤質(zhì)量及肥力下降，同時還會引起水體環(huán)境惡化，河道淤積甚至泥石流、洪澇災害等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-4]。導致土壤侵蝕的因素除降雨、土壤、地形地貌、植被等因子外，其中土壤自身的抗侵蝕能力也是重要的因子之一，國際上通常用土壤可蝕性K值來衡量[5]。土壤可蝕性K值是指土壤是否易受侵蝕破壞的可能性，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應[6-8]。

色季拉山作為藏東南最為典型的山脈體系，由于地勢高亢，垂直高差近3 000 m，氣候多樣，雨量充足，不僅地面物理風化作用強烈，同時受季節(jié)性氣候影響，厚層積雪融化正值降雨集中期，高頻次且較為集中的降水在一個落差近幾千米的坡面上，隨著匯水面積和強度的增加，土壤侵蝕能力也逐漸增強。區(qū)域的獨特性使得該區(qū)土壤侵蝕除了具有我國其他地區(qū)的一些一般特征外，更具有一些其他區(qū)域所不具備的特征[9]。長期以來，研究人員對不同海拔下的植被、土壤屬性進行了大量的研究，取得了豐富的研究成果[10-12]，而針對高寒區(qū)不同氣候帶土壤可蝕性方面的研究卻鮮有報道。因此本研究以色季拉山不同氣候帶土壤為研究對象，通過侵蝕-生產(chǎn)力影響模型 (EPIC) 對該區(qū)域土壤可蝕性進行分析，探討影響可蝕性的關鍵因素，并分析不同氣候帶土壤可蝕性的差異，以期為青藏高原山地區(qū)域的土壤可蝕性差異研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

色季拉山位于西藏東南部巴宜區(qū)境內(nèi)，地處東經(jīng)94°28′～94°51′，北緯29°21′～29°50′，是念青唐古拉山余脈與喜馬拉雅山東部向北發(fā)展的山系結合部，整個山脈呈東北-西南走向，地勢西高東低[13-14]。受印度洋暖濕季風氣候影響，處于半濕潤區(qū)與濕潤區(qū)的過度地帶，海拔2 200～5 300 m，面積約230 km2。年平均日照時數(shù)1 150 h[15]，年均氣溫-0.7 ℃，極端最低溫-31.6 ℃，極端最高溫24 ℃。年降水總量在600～1 000 mm，且集中在5—10月，占全年降水的75%左右[16]。溫涼而潮濕的氣候條件，導致色季拉山垂直梯度上形成明顯的氣候帶，并且從山頂?shù)缴侥_區(qū)域內(nèi)的土壤可劃分為海拔4 800 m以上的高山寒漠土、林線以上的高山草甸土、高山灌叢下的亞高山灌叢草甸土、高海拔冷杉 (Abiesfabri) 林下的山地漂灰土和針闊混交林下的山地暗棕壤5種類型，土層平均厚度60 cm，母巖以花崗巖為主[17]。

2 研究方法

2.1 樣品的采集與處理

2018年5月中旬，在典型林地內(nèi)選取具有代表性的位置，設立10 m × 10 m小樣方，按照5點采樣法，取0～20 cm土層原狀土壤5個，同時對樣地植被、土壤、坡度、坡向等生境進行調(diào)查，樣地基本狀況見表1。帶回土樣在實驗室按其紋理掰開，剔除枯枝、石礫等，自然風干備用。

土壤風干團聚體采用沙維諾夫干篩法；水穩(wěn)性團聚體含量采用Yoder濕篩法測定[18]；采用Bettersize 2000激光粒度分布儀分析土壤機械組成，按照美國制設置顆粒分布；采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量[19]。

2.2 土壤可蝕性K值計算方法

本研究采用Williams等[20]提出的EPIC模型計算土壤可蝕性K值，其計算方法見式 (1)。

(1)

式中：SAN、SIL、CLA分別為砂粒、粉粒、黏粒含量，C則為土壤有機碳含量。

2.3 分析方法

采用Excel 2010及SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過單因素方差分析檢驗其結果差異性，運用Pearson相關系數(shù)法檢驗指標之間的相關性。

3 結果分析

3.1 土壤團聚體含量空間分布特征

不同氣候類型下土壤團聚體含量分布見表2。

土壤團聚體包括水穩(wěn)性團聚體和非水穩(wěn)性團聚體，是反映土壤物理結構的重要組成部分[21]，而土壤團聚體結構破壞率是指水穩(wěn)性團聚體在土壤非水穩(wěn)性團聚體中的比例。由表2可知，不同氣候區(qū)土壤大于0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量表現(xiàn)為山地溫帶-亞高山寒溫帶過渡帶 > 亞高山寒溫帶 > 高山寒溫帶 > 山地溫帶 > 亞高山寒溫帶-高山寒溫帶過渡帶。另外，由土壤團聚體結構破壞率可以看出，不同氣候條件下，土壤水穩(wěn)性團聚體結構破壞率范圍在4.97%～21.28%，且隨海拔升高表現(xiàn)為先減小后增大再減小的變化趨勢，通過方差分析發(fā)現(xiàn)彼此間差異顯著 (P< 0.05)。而在濕篩過程中，隨著土壤團粒結構破碎，除山地溫帶-亞高山寒溫帶過渡氣候帶、山地溫帶外，其他氣候區(qū)的土壤團粒均表現(xiàn)為大于1 mm、0.25～0.5 mm粒徑范圍非水穩(wěn)性團粒含量減少，而0.5～1 mm、小于0.25 mm粒徑范圍內(nèi)水穩(wěn)性團粒含量增多，其中以大于5 mm、小于0.25 mm團粒結構變化最為明顯。

表1 樣地基本狀況Table 1 Basic status of plots

表2不同氣候類型下土壤團聚體含量分布
Table 2 Distribution of soil aggregates under different climatic types

氣候類型團聚體類型不同粒徑土壤顆粒含量分布/(g?kg-1)>5mm2～5mm1～2mm0.5～1mm0.25～0.5mm<0.25mm團聚體結構破壞率/%團聚體平均質(zhì)量直徑/mm土壤水穩(wěn)性指數(shù)/%山地溫帶非水穩(wěn)性團聚體水穩(wěn)性團聚體615.08588.53110.52126.7365.6539.8746.4850.3328.2915.07133.98179.475.24d4.39c26.48a山地溫帶-亞高山寒溫帶非水穩(wěn)性團聚體水穩(wěn)性團聚體682.43544.10123.10234.8056.5558.2059.5458.7033.0711.4045.3192.804.97e4.51a34.56a亞高山寒溫帶非水穩(wěn)性團聚體水穩(wěn)性團聚體628.23595.80131.19116.2074.0063.1064.3384.6042.3227.6059.93112.705.61c4.46b35.43a亞高山寒溫帶-高山寒溫帶非水穩(wěn)性團聚體水穩(wěn)性團聚體389.77201.07121.2854.00106.5894.60128.15231.2094.3380.47159.89338.6621.28a1.88e16.43c高山寒溫帶非水穩(wěn)性團聚體水穩(wěn)性團聚體412.64324.80149.33115.93118.7895.00132.51197.5384.1463.67102.60203.0711.20b2.86d13.89d

注：同列不同小寫字母表示差異顯著。

土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑作為反映土壤團聚體大小分布狀況的綜合指標[22]，研究區(qū)不同海拔土壤水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑隨著海拔升高，表現(xiàn)為先增大后減小再增大的變化規(guī)律，其順序為亞高山寒溫帶 > 山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶 > 山地溫帶 > 亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶 > 高山寒溫帶，且彼此間差異顯著 (P< 0.05)。

水穩(wěn)性指數(shù)是通過測定土壤團聚體在靜水中的分散速度來比較土壤抗蝕性能的大小，隨著海拔升高，土壤水穩(wěn)性指數(shù)在亞高山寒溫帶出現(xiàn)最大值，為35.43%，其后依次為山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶、山地溫帶、亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶、高山寒溫帶，且除山地溫帶-亞高山寒溫帶過渡帶與亞高山寒溫帶之間差異不顯著外，其余氣候區(qū)彼此間差異均顯著 (P< 0.05)。

3.2 土壤顆粒組成含量空間分布特征

不同氣候類型下土壤顆粒組成含量分布見表3。

表3 不同氣候類型下土壤顆粒組成含量分布Table 3 Distribution of soil mechanical composition under different climate types

由表3可知，4種典型林地土壤主要以粉粒、砂粒含量為主，黏粒含量僅占到2.66%～4.38%，土壤質(zhì)地以粉壤土為主，這符合西藏高原地質(zhì)歷史年輕的特點。多重比較分析表明，不同氣候帶間土壤黏粒含量差異顯著 (P< 0.05)，粉粒含量除亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶與高山寒溫帶之間差異不顯著外，其余氣候帶間差異均顯著 (P< 0.05)，砂粒含量則表現(xiàn)為亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶與高山寒溫帶、山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶與亞高山寒溫帶彼此間差異不顯著，但均與山地溫帶氣候區(qū)差異顯著 (P< 0.05)。

土壤有機碳作為土壤團粒主要膠結物質(zhì)，對于提高土壤的抗蝕能力具有重要作用。研究區(qū)土壤有機碳含量隨海拔上升氣候變化具體表現(xiàn)為先增加后減小再增加后減小的M型變化規(guī)律。由土壤可蝕性K值計算結果可知，研究區(qū)土壤可蝕性K值分布范圍在0.322 9～0.345 2。其中以山地溫帶-亞高山寒溫帶過渡帶土壤可蝕性K值最高，亞高山寒溫帶-高山寒帶過渡帶土壤可蝕性K值最小。依據(jù)劉斌濤等[23]對青藏高原的土壤可蝕性強弱的分級標準，藏東南典型氣候帶土壤可蝕性K值均大于0.3，屬于高可蝕性，且變異系數(shù)在0.03%～0.65%，可蝕性K值的空間變異性較弱；方差分析表明，不同氣候區(qū)土壤可蝕性K值除亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶與高山寒溫帶彼此間差異不顯著外，其余氣候區(qū)間的差異性顯著 (P< 0.05)，這說明受到成土條件影響，不同氣候區(qū)土壤抗侵蝕能力差異顯著。

3.3 土壤可蝕性K值與影響因子相關性分析

由于土壤可蝕性不僅受其自身理化性質(zhì)的影響，而且隨外界影響因子變化可蝕性也會發(fā)生相應變化[22]，但EPIC模型僅反應了土壤可蝕性K值與土壤機械組成、有機碳含量的相關性。為了進一步深入揭示土壤可蝕性的垂直分異特征及其受其自身物理指標的影響規(guī)律，利用SPSS 17.0對土壤可蝕性K值與海拔、土壤機械組成、有機碳含量、土壤團粒結構進行Pearson相關性分析，其結果見表4。由表4可知，土壤可蝕性K值與土壤大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤大于0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量、土壤平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù)、粉粒含量呈極顯著正相關關系 (P< 0.01)；但與海拔、砂粒含量呈負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.572 (P< 0.05) 和-0.988 (P< 0.01)，與土壤有機碳百分比、黏粒含量無顯著相關關系。相關性分析說明土壤粉粒含量越高、砂粒含量越小、土壤水穩(wěn)性指數(shù)越強，研究區(qū)土壤可蝕性K值越大；與海拔之間呈顯著負相關 (P< 0.05)，說明在一定范圍內(nèi)海拔及氣候變化能對土壤可蝕性K值產(chǎn)生一定的影響。

表4 土壤可蝕性與影響因子相關性分析Table 4 Correlation analysis of soil erodibility and influencing factors

注：X0表示海拔，X1表示土壤有機碳百分含量，X2表示大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，X3表示大于0.25 mm非水穩(wěn)性團聚體含量，X4表示土壤團聚體破壞率，X5表示土壤平均質(zhì)量直徑，X6表示土壤水穩(wěn)性指數(shù)，X7表示黏粒含量，X8表示粉粒含量，X9表示砂粒含量，X10表示土壤可蝕性K值。*表示顯著相關 (P< 0.05)；**表示極顯著相關 (P< 0.01)。

4 結論與討論

色季拉山屬高山地形，由于不同海拔氣候因素的空間差異，導致生態(tài)環(huán)境及植被類型在不同氣候區(qū)表現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性，并最終影響土壤可蝕性。研究結果表明，色季拉山不同氣候區(qū)土壤大于0.25 mm團聚體含量在山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶最高，其次為亞高山寒溫帶，而在山地溫帶卻相對較低。同時，通過比較不同氣候區(qū)土壤團粒結構干濕篩含量變化，發(fā)現(xiàn)大于5 mm、0.5～1 mm、小于0.25 mm土壤團粒結構在亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡區(qū)土壤干篩團粒含量與濕篩團粒含量之間變幅出現(xiàn)最大值，而2～5 mm、0.25～0.5 mm粒徑最大變幅出現(xiàn)在山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡區(qū)，1～2 mm土壤團粒結構在濕篩過程中在山地溫帶出現(xiàn)最大值。這主要與山地溫帶人為活動影響較大有關。由于區(qū)間氣候溫暖，人為活動頻繁，周邊居民生產(chǎn)生活燃料主要來源于對周邊樹木的砍伐，再加上特殊的牲畜放養(yǎng)模式等導致土壤大于0.25 mm團聚體含量相對較低。而隨著海拔增加，人為擾動逐漸減小，溫涼而濕潤的氣候條件和表層苔蘚及植被植被凋落物為植物生長提供充足水分及有機質(zhì)來源，使得山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶及亞高山寒溫帶土壤平均重量直徑及水穩(wěn)性指數(shù)相對較高，而團聚體破壞率相對較小，而亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡區(qū)位于4 300 m左右海拔范圍，屬暗濕針葉林與灌叢過渡地帶，區(qū)間氣候由亞高山寒溫帶向高山寒帶轉變，受凍融作用影響逐漸增強，大土壤團粒結構破碎嚴重，而0.5～1 mm、小于0.25 mm等中小粒級團粒比例增加。

土壤有機碳含量呈M型變化的原因，可能是由于山地溫帶及山地溫帶-亞高山寒溫帶氣候過渡帶氣候區(qū)植被類型主要以針闊混交林為主，水熱條件充足，植被根系及枯落物與微生物交互作用明顯，隨著海拔升高，人為擾動逐漸減少，有機碳比重也逐漸增加。而隨著區(qū)間溫度降低，氣候從山地溫帶向亞高山寒溫帶過渡，冷濕暗針葉樹種增多，郁閉度達65%，土壤微生物活動逐漸受到限制，低溫潮濕的條件下隨著表層枯落物分解緩慢，在較大的坡度上腐殖質(zhì)、鐵鋁氧化物淋溶作用增加，土壤有機碳含量相對較低，而隨著海拔升高坡度降低，亞高山寒溫帶-高山寒溫帶氣候過渡帶土壤有機碳含量又逐漸增加。在干冷的氣候條件下，表層土壤有機碳分解緩慢致使較易積累；高山寒溫帶氣候區(qū)由于受特殊氣候影響植被生長緩慢且蓋度相對較小，再加上微生物數(shù)量及活性較低，土壤有機碳含量也相對較低。

通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤可蝕性與砂粒含量為極顯著負相關，與粉粒呈極顯著正相關，這與前人研究結果一致，即土壤可蝕性K值隨粉粒含量的增加而增大，隨砂粒含量的增加而減小[24]。已有研究表明[25]，土壤可蝕性K值與土壤粒徑和有機碳含量有很強的相關性，K值在很大程度上取決于顆粒和有機碳的共同耦合作用，從而增強土壤抗侵蝕能力。但本研究發(fā)現(xiàn)不同氣候區(qū)土壤可蝕性與有機碳含量相關性不顯著，這主要可能與研究區(qū)高寒的特殊氣候環(huán)境有關。一方面隨著研究區(qū)海拔升高，凍融作用逐漸增強，改變土壤團粒結構顆粒的組成，將大團粒結構崩解破碎成小團粒結構，顯著降低了較大粒徑團粒結構 (大于1 mm) 的比例，提高了其他中小粒級團粒結構的比例；而另一方面，在干冷的氣候條件下，土壤微生物活動受限，低溫對土壤有機質(zhì)的積累產(chǎn)生負效應[26]，而頻繁的凍融循環(huán)作用使土壤團粒結構穩(wěn)定性破壞，使得被土壤包裹吸附著的有機質(zhì)提前解聚出來，引起有機碳含量增加[27]，但對土壤可蝕性能卻并未增強。