青藏高原高寒草原與草甸土壤可蝕性的關(guān)鍵因子

魏 寧, 于文竹, 安克儉, 魏 霞, 趙恒策

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 楊陵 712100; 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、重力和凍融等外營力作用下被破壞、搬離和沉積的過程，它會破壞土壤環(huán)境，降低土壤肥力和質(zhì)量，造成生態(tài)環(huán)境惡化等一系列危害，如今土壤侵蝕儼然已成為影響生態(tài)環(huán)境的世界性災(zāi)害問題。土壤可蝕性是定義土壤是否容易遭受侵蝕影響的關(guān)鍵指標(biāo)[1]，也可以直接判斷土壤抵抗侵蝕能力的高低，反映了土壤對外營力剝蝕和搬運的敏感性與易損性[2]，是引起土壤流失的關(guān)鍵所在，也是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)[3]。由于土壤可蝕性不是結(jié)構(gòu)簡單的定向指標(biāo)而是復(fù)雜的綜合性因子[4]，因此受到多種影響因素的共同作用，只針對個別指標(biāo)展開的土壤可蝕性評價往往較為片面[5]，因而評估土壤可蝕性的影響因素需涵蓋全面。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者們對土壤侵蝕做了大量研究。有研究表明，土壤侵蝕受土壤理化性質(zhì)的顯著影響[6-8]，如土壤容重、機(jī)械組成、孔隙度和含水率等變化[9]，會引起土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤可蝕性強(qiáng)度[10-13]。還有研究表明土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種物質(zhì)的膠結(jié)劑[13]，可以顯著降低土壤可蝕性[14]，并表明相關(guān)的生物措施可以有效提高土壤抗沖和抗蝕能力[15-16]。陳佩巖[17]、Levy G J等[18]、Six J等[19]在研究中表明，土壤團(tuán)聚體的數(shù)量、特征可以反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可侵蝕能力[18]，土壤團(tuán)聚體的粒徑分布及穩(wěn)定性也可作為量化土壤可蝕性能力的間接指標(biāo)，因此土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性大小和土壤侵蝕關(guān)系密切，可作為侵蝕的有效指示因子[19]。

青藏高原位于中國西南部高寒地帶，是三江源國家級自然保護(hù)區(qū)的主體部分，也是生態(tài)系統(tǒng)最敏感的地區(qū)之一，其任何變化對中國乃至亞洲、全球的氣候都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前，開展土壤可蝕性的研究區(qū)域主要分布于黃土高原地區(qū)[20]及華中水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，在青藏高原開展的相關(guān)研究并不常見，用于評價土壤可蝕性的因子也相對較少，所以導(dǎo)致在青藏高原開展的相關(guān)研究存在一定的區(qū)域性與局限性。近年來，隨氣候環(huán)境變化，青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題逐漸凸顯，因水土流失導(dǎo)致草地退化的面積逐年增加，高寒草原與高寒草甸作為青藏高原草地的主要植被類型，研究其土壤侵蝕的關(guān)鍵因子對青藏高原草地保護(hù)具有重要意義[21-22]。因此，本文以青藏高原高寒草原與草甸土壤為研究對象，結(jié)合野外調(diào)查與室內(nèi)分析，運用主成分分析法從青藏高原高寒土壤可蝕性影響因子中確定土壤侵蝕的主要影響因素，在此基礎(chǔ)上對各主成分進(jìn)行逐步回歸分析，剔除不顯著與共線性影響因子，篩選通過顯著性檢驗的影響因子，然后經(jīng)過通徑分析計算來得出各因子與主成分的直接與間接影響，最終明確影響青藏高原草原與草甸表層土壤可蝕性的關(guān)鍵因子[23]，此研究將為青藏高原高寒土壤可蝕性研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處青藏高原中西部腹地，海拔4 200～5 300 m，地勢綿延起伏，四周由唐古拉山、昆侖山、巴顏格拉山和阿尼瑪卿山脈構(gòu)成新地形框架，被稱為“世界第三極”。屬于典型高寒半干旱氣候，常年氣溫低于0 ℃，空氣稀薄，太陽輻射強(qiáng)且水熱同期。受水熱條件的影響，青藏高原主要植被類型為高寒草原和草甸，其中高寒草原的植被覆蓋度較小、植物多樣性也相對較少，主要為高寒干草原，草原占草地面積約23.22%；高寒草甸面積分布廣，物種豐富度較高，主要的草地亞類有高寒典型草甸草地、高寒沼澤草甸、高寒草原化草甸，草甸占草地面積約76.77%[21]。研究區(qū)土壤厚度不大且質(zhì)地較粗，土粒松散黏度較低，養(yǎng)分貧瘠肥力不高，土地沙化嚴(yán)重，是水土流失的重災(zāi)區(qū)。

1.2 樣品采集

于2017年6月和9月進(jìn)行野外樣品采集，在青藏高原中部沿海拔梯度選取具有植被代表性的采樣點，分別選取典型高寒草原樣點20個、典型高寒草甸樣點11個，共計31個。表1介紹了各樣點的情況。在每個樣地使用環(huán)刀采集深度在0—10 cm的原狀表層土壤，每個采樣點設(shè)置3組重復(fù)，并使用土樣袋收集土壤1 kg左右，用于容重、孔隙度、含水量等土壤孔隙特征的測定及土壤團(tuán)聚體、土壤粒徑分布等其他土壤理化性質(zhì)的測定。

表1 采樣點分布概況

1.3 試驗方法

采用環(huán)刀法測定土壤容重[24]，土壤含水量、土壤孔隙度及土壤飽和導(dǎo)水率的測定方法見趙恒策[23]的研究。采用濕篩法[25]分別測得各粒級團(tuán)聚體含量，并由此計算得出各團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)[26-27]。采用激光粒度分析儀(型號為Mastersizer 2000)測定土壤不同等級粒徑含量并將土壤粒徑等級劃分為黏粒(< 2 μm)、粉粒(2～50 μm)和砂粒(50～2 000 μm)。而土壤有機(jī)質(zhì)含量則由濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗得到數(shù)據(jù)，分別選取了如下指標(biāo)：容重(X1)、孔隙度(X2)、含水量(X3)、飽和導(dǎo)水率(X4)、砂粒(X5)、粉粒(X6)、黏粒(X7)、膠粒(X8)、單重維數(shù)Dv(X9)、信息維數(shù)D1(X10)、WSA百分含量(X11)、平均質(zhì)量直徑MWD(X12)、幾何平均直徑GMD(X13)、團(tuán)聚體分形維數(shù)D(X14)、結(jié)構(gòu)體破壞率PAD>2(X15)、結(jié)構(gòu)體破壞率PAD>1(X16)、結(jié)構(gòu)體破壞率PAD>0.25(X17)、有機(jī)質(zhì)含量(X18)這18個可蝕性因子，其中X9—X17計算過程見文獻(xiàn)[12,13,25,26,28]。

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而主成分分析、逐步回歸分析及通徑分析等統(tǒng)計處理由SPSS 19.0軟件來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草原與草甸表層土壤性質(zhì)分析

如表2所示，草原和草甸土壤WSA含量，MWD，GMD大小關(guān)系依次分別為：草原(86.58%)>草甸(85.6%)，草原(1.01 mm)<草甸(1.31 mm)，草原(0.72 mm)<草甸(0.89 mm)；草原與草甸土壤分形維數(shù)D差異不大，其值分別為2.40，2.39。草原土壤PAD>2，PAD>1，PAD>0.25含量為64.13%，51.38%，40.94%，草甸土壤三者含量分別為：61.18%，58.69%，85.6%，草原土壤DV，D1分別為2.46，0.88，草甸土壤DV，D1分別為2.62，0.67，故草甸土壤質(zhì)地更為緊實，但土壤粒徑均勻性低于草原土壤。草原土壤砂粒、粉粒、黏粒、膠粒含量分別為81.97%，15.02%，3.01%，1.4%，與草原土壤相比，草甸土壤砂粒含量降低了39.5%，粉粒、黏粒、膠粒含量分別提高了65.20%，144.21%，156.41%。

表2 高寒草原與草甸土壤基本性質(zhì)分析

草原土壤容重為1.53 g/cm3，草甸土壤容重較草原低0.52 g/cm3；草原土壤孔隙度低于草甸土壤；草原與草甸土壤含水量存在較大差異，以草甸大于草原；土壤飽和導(dǎo)水率以草甸大于草原。草甸與草原土壤有機(jī)質(zhì)含量存在較大差異，草甸大于草原。草原與草甸可蝕性影響因子除WSA，D為空間弱變異性、草甸土壤飽和導(dǎo)水率為高度變異性之外，其余因子Cv均處于10%～100%，為中等變異性。

2.2 高寒草原表層土壤可蝕性分析

本文所選取的可蝕性因子存在一定的信息重疊即具有相關(guān)性，因此采用主成分分析法提取主要成分進(jìn)行降維。由表3可知，高寒草原表層土壤經(jīng)降維后得到4個主成分，其累計貢獻(xiàn)值為86.08%。各主成分主要影響因子見表3加粗顯示部分的數(shù)據(jù)。根據(jù)表3中不同主成分加粗的高信息荷載因子特征，將草原主成分分別命名為：F1土壤顆粒機(jī)械組成與孔隙特征因子，F(xiàn)2大團(tuán)聚體特征因子，F(xiàn)3團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)因子。其中第一主成分的貢獻(xiàn)值最大，為46.54%，因此將土壤粒徑孔隙特征作為草原土壤可蝕性主要影響因素；而第二主成分和第三主成分的貢獻(xiàn)值分別為19.75%，12.19%，且二者均屬于團(tuán)聚體特征，因此將團(tuán)聚體特征作為草原土壤可蝕性的次要影響因素；第四主成分無高信息荷載因子且貢獻(xiàn)值及特征值最小，因此后續(xù)忽略不計。

表3 草原土壤可蝕性影響因子主成分荷載矩陣

通過主成分分析將可蝕性因子由原來的18維降到4維，對所有可蝕性影響因子進(jìn)行逐步回歸分析，以完成統(tǒng)計學(xué)檢驗，進(jìn)而分析評價各個因子對主成分的影響。由表4逐步分析結(jié)果可知，第一主成分中粉粒(X6)和GMD(X13)通過檢驗，二者均增強(qiáng)了該主成分的影響，粉粒對粒徑孔隙特征影響作用最大；在第二主成分中，膠粒含量(X8)，D(X14)和PAD>2(X15)此3個因子通過檢驗，并對該主成分起正向作用，其中PAD>2對大團(tuán)聚體特征影響作用最大；而在第三主成分中，孔隙度(X2)，砂粒(X5)，Dv(X9)，MWD(X12)和PAD>0.25(X17)通過檢驗，其中MWD和PAD>0.25對該主成分起正向作用，其余指標(biāo)起負(fù)向作用，MWD對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響作用最大；第四主成分中各影響因子均未通過顯著性檢驗。

表4 草原土壤可蝕性影響因子主成分逐步回歸矩陣

由主成分分析可得3個主成分，由逐步回歸分析篩選出各主成分通過顯著性檢驗的關(guān)鍵因子，通過通徑分析計算這些關(guān)鍵因子的相互影響及與主成分的相關(guān)作用。分析可知，在第一主成分，即粒徑孔隙特征因子中，粉粒含量和GMD主要起正向直接影響(表5)。其中粉粒含量總決定系數(shù)為最大值，且荷載系數(shù)最高，因此粉?？勺鳛榱娇紫短卣鞯闹饕绊懸蜃印Ｔ诘诙鞒煞执髨F(tuán)聚體特征因子中，D，膠粒含量與PAD>2對影響作用較大，且均起正向直接影響，其中D通過PAD>2對該主成分有較大的間接正效應(yīng)，且破壞率PAD>2總決定系數(shù)與荷載系數(shù)均為最大值，因此PAD>2可作為大團(tuán)聚體特征因素的主要影響因子。在第三主成分團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)因子中，通過顯著性檢驗的因子均對該成分影響較大，其中Dv，MWD起正向直接影響，其余為負(fù)向，孔隙度、砂粒、Dv和MWD具有雙重效應(yīng)作用，其中MWD與PAD>0.25總決定系數(shù)最大且荷載系數(shù)較高，因此可作為團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)因素的主要影響因子。

表5 草原土壤關(guān)鍵可蝕性因子通徑分析

2.3 高寒草甸表層土壤可蝕性分析

主成分分析結(jié)果可知(表6)，高寒草甸表層土壤同樣得到4個主成分因子，累積貢獻(xiàn)值達(dá)88.15%，表中各主成分中的荷載較高的主要影響因子以加粗字體格式標(biāo)識。根據(jù)表中各主成分加粗的高信息荷載因子特征將草甸主成分分別命名為：F1粒徑孔隙特征因子、F2土壤穩(wěn)定因子、F3破壞率因子、F4滲透性能因子。根據(jù)各主成分的特征值及貢獻(xiàn)值可以確定，草甸表層土壤可蝕性主要是受到粒徑孔隙特征的影響，其次為土壤結(jié)構(gòu)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性，最末為滲透性能相關(guān)因素。

表6 草甸土壤可蝕性影響因子主成分荷載矩陣

由表7高寒草甸逐步分析可知，在第一主成分粒徑孔隙特征因子中，有容重(X1)，粉粒(X6)，GMD(X13)和有機(jī)質(zhì)含量(X18)這4個因子通過檢驗，除容重對該主成分起負(fù)向作用外，其余均起正向作用，且粉粒這一因子對其影響作用最大；在第二主成分土壤穩(wěn)定因子中，黏粒含量(X7)與D(X14)通過檢驗，二者均對該主成分起正向作用，且黏粒對土壤穩(wěn)定特征影響作用最大；在第三主成分破壞率因子中Dv(X9)與PAD>1(X16)通過檢驗， PAD>1起正向作用，Dv起負(fù)向作用，PAD>1對破壞率影響作用最大；而在第四主成分滲透性能因子中，分別有飽和導(dǎo)水率(X4)，信息維數(shù)D1(X10)和有機(jī)質(zhì)含量(X18)此3個因子通過檢驗，且三者均對該主成分起正向作用，這其中，對滲透性能因子影響作用最大的因子為飽和導(dǎo)水率。

表7 草甸土壤可蝕性影響因子主成分逐步回歸矩陣

由高寒草甸關(guān)鍵可蝕性因子的通徑分析可得(表8)，第一主成分中，容重對該主成分起負(fù)向直接影響，粉粒、有機(jī)質(zhì)與GMD則起正向直接影響。其中粉粒直接影響最大、總決定系數(shù)最高，且對其余三項均有較大的間接效應(yīng)，粉?？勺鳛榱娇紫短卣饕蛩氐闹饕绊懸蜃印５诙鞒煞种?，黏粒和分形維數(shù)D直接作用最大，均起正向直接影響，且二者相互作用并無顯著效應(yīng)，其中黏粒總決定系數(shù)及荷載系數(shù)最大，因此黏粒因子可作為土壤穩(wěn)定性特征的主要影響因子。在第三主成分中， PAD>1和單重維數(shù)Dv對該主成分具有較大直接影響，其中PAD>1起正向作用，Dv起負(fù)向影響。Dv通過PAD>1對該主成分有一定的間接正效應(yīng)，且PAD>1總決定系數(shù)及荷載系數(shù)均最大，因此PAD>1因子可作為破壞率特征的主要影響因子。而在第四主成分中，飽和導(dǎo)水率、有機(jī)質(zhì)和信息維數(shù)D1對該主成分起較大的正向直接影響。其中D1，有機(jī)質(zhì)均通過導(dǎo)水率對該主成分有較大的間接效應(yīng)，且飽和導(dǎo)水率總決定系數(shù)以及荷載系數(shù)均為最大，因此導(dǎo)水率因子可作為滲透性能因子的主要影響因子。

表8 草甸關(guān)鍵土壤可蝕性因子通徑分析

3 討 論

由分析可知，在不同植被類型覆蓋下，土壤可蝕性的主要影響因素及主要表征因子存在差異。由主成分分析可知，高寒草原與草甸土壤可蝕性影響因子首要均為粒徑孔隙特征因子，這是由于土壤侵蝕直接反映于土壤顆粒組成的變化，影響土壤質(zhì)地的粗細(xì)程度[11-12]。

本研究表明高寒草原土壤可蝕性主要影響因子分別是：粉粒，PAD>2，MWD和PAD>0.25；高寒草甸土壤可蝕性主要影響因子為粉粒、黏粒、PAD>1和飽和導(dǎo)水率。二者主要影響因子不同，這可能是由于草原、草甸植被狀態(tài)不同，導(dǎo)致兩種草地土壤理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)存在差異[26]，在對于抵抗風(fēng)蝕、水蝕時的抵抗能力也不盡相同。這些基礎(chǔ)土壤指標(biāo)影響因子可大體代表不同土壤面對外營力及內(nèi)部作用時的抗沖性及抗蝕性。高寒草甸植被因植被覆蓋較多，植被根系的緩沖、固土作用減少土壤侵蝕，枯枝落葉增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，相應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)黏性等均大于高寒草原，因此可知，草甸土壤可蝕性受到有機(jī)質(zhì)的顯著影響，而草原土壤則受其影響較小，這與徐燕等[12]、吳媛媛等[20]、彭新華等[26]在研究中的結(jié)論一致，土壤有機(jī)質(zhì)含量多少會不同程度地影響土壤可蝕性大小。劉目興等[29]在研究中表明土壤入滲受到土壤質(zhì)地、地表植被的深刻影響，草甸土壤根須及腐殖質(zhì)較多、有機(jī)質(zhì)含量豐富，而草原土壤腐殖質(zhì)含量較少，因此造成導(dǎo)水效應(yīng)不同[10,21]，其土壤滲透性能對土壤侵蝕的響應(yīng)作用也存在差異，草甸土壤侵蝕受到滲透性能的輔助影響，而草原土壤侵蝕幾乎不受滲透性能影響；受海拔影響，草原與草甸氣候存在差異。草原平均海拔4 609 m，草甸平均海拔高出草原225 m，高寒草原、草甸地區(qū)年均降水量分別為356.46，389.31 mm，年均氣溫分別為-5.11，-6.16 ℃，降水較多，氣溫較低可以使得草甸土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性能強(qiáng)于草原土壤。相關(guān)研究表明[27,30]，土壤團(tuán)聚體作為基本結(jié)構(gòu)單元在一定程度上影響著土壤顆粒的數(shù)量及分布，而土壤顆粒又是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，因此土壤侵蝕受到土壤顆粒的影響最大、團(tuán)聚體影響次之，故草原及草甸土壤均受到土壤顆粒及團(tuán)聚體的影響作用。

4 結(jié) 論

本文通過對青藏高原草地的兩種主要下墊面土壤的性質(zhì)的分析，草原與草甸土壤主要在顆粒機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、含水量等方面表現(xiàn)出較大差異，草甸土壤狀態(tài)更適合于植被發(fā)育。通過對草原、草甸土壤可蝕性因子的主成分分析、逐步回歸分析、通徑分析得出兩種下墊面4種關(guān)鍵影響因子。①草原：粉粒、PAD>2，MWD和PAD>0.25； ②草甸：粉粒、黏粒、PAD>1和飽和導(dǎo)水率。青藏高原草地地區(qū)可介于此籌劃展開水土保持工作。

致謝：感謝中科院寒旱所何曉波老師和吳曉東老師在野外取樣過程中給予的大力幫助，感謝賀燕同學(xué)在室內(nèi)土壤理化性質(zhì)分析過程中給予的大力幫助！