研究区位于四川省甘孜州折多山西部(30°00'—30°08'N,101°44'—101°51'E),折多山为大雪山一脉,属于青藏高原东缘,最高海拔4 962 m,垭口海拔4 298 m。研究区气候类型为亚寒带季风气候与高原大陆性气候交汇,气候温和偏寒,年日照2 000～2 500 h以上,年平均降水量1 600 mm,年均温8℃以下,冬季漫长,无明显夏季。主要土壤种类为高山暗棕壤和高山灌丛草甸土,植被垂直分布带由云冷杉针叶林过渡到海拔为3 800 m的高山林线再到4 000～4 200 m的高山灌丛草甸。

2016年8月在康定县折多山东坡进行土壤样品的采集,根据当地林线海拔约在3 800 m的实际情况,样地设置以3 800 m林线上下每隔200 m各设两个海拔梯度,即为3 400 m,3 600 m,3 800 m,4 000 m,4 200 m共5个海拔梯度。每个海拔梯度根据小地型植被的差异各设置3个20*20 m的标准样地(表1),并用五点采样法分剖面深度为0—20 cm,20—40 cm,>40 cm采集样品,同时用塑料盒采集原状土做团聚体分析及不同粒径风干团聚体做有机质含量分析。

表1 样地基本情况

根据中华人民共和国林业行业标准(LY/T-1999)测定相关指标^[10]。土壤容重采用环刀法测定; 土壤团聚体分为水稳性团聚体和非水稳性团聚体,非水稳性团聚体用干筛法,水稳性团聚体的分级采用湿筛法测定。土壤有机质含量重铬酸钾外加热法测定。

团聚体平均质量直径(MWD):

MWD=(∑ⁿ_i=1X^-_i*W_i)/(∑ⁿ_r=1W_r)(1)

团聚体几何平均直径(GMD):

GWD=exp[(∑ⁿ_i=1W_i*lgX^-_i)/(∑ⁿ_r=1W_r)](2)

土壤分形维数(D):

式中:X^-_i为任一粒级范围内团聚体的平均直径(mm); W_r为供试土壤总质量; W_i为对应于X^-_i的团聚体质量;

为小于X^-_i的积累土粒质量; X_max为最大粒级平均直径(mm),用线性回归的方法将

设置为纵坐标、lg[(X^-_i)/(X_max)]为横坐标作图,所求得该线性方程的斜率就是3-D,再通过计算就求得土壤分形维数(D)。

采用Excel软件对试验数据进行整理归纳,采用SPSS 20.0软件对各处理的数据进行方差分析和显著性检验。

团聚体作为组成土壤的重要部分,通过稳定土壤的结构而降低其水土流失,从而起到水土保持的作用。土壤中不同粒级大小聚体所占百分比,可表明团聚体的机械稳定性。由表2可以看出:各海拔土壤非水稳性团聚体0—60 cm土层各粒径含量大小为(>2 mm)>(2～1 mm)>(1～0.5 mm)>(<0.25 mm)>(0.5～0.25 mm),其中>2 mm 非水稳性团聚体含量最多,0.5～0.25 mm含量最小。不同海拔梯度土壤中,0—60 cm土壤>2 mm非水稳性团聚体含量均值大小顺序为:4 200 m(52.3%)>3 600 m(50.23%)>3 400 m(42.38%)>4 000 m(42.21%)>3 800 m(41.06%),且随海拔梯度变化规律不明显,呈现出随海拔升高逐渐减小而又后增大的趋势。其中海拔4 200 m的土壤>2 mm非水稳性团聚体所占比例最高,而海拔3 800 m最低。但>2 mm 非水稳性团聚体在0—20 cm土层范围中,所占比例大小依次为:4 200 m(60.42%)>3 800 m(55.74%)>3 600 m(53.07%)>4 000 m(49.37%)>3 400 m(38.87%,),除4 000 m外呈现出随海拔增高而逐渐上升的趋势,表明0—20 cm土层中所含大粒径团聚体较多,且随着土层的加深而降低,但其余粒径规律则不明显。一般将>0.25 mm的团聚体称为土壤团粒结构体,是维持土壤结构稳定的基础,其含量越高,土壤结构的稳定性越大^[7.8]。根据表2计算得到不同海拔土壤>0.25 mm 粒径的非水稳性团聚体含量组成大小为:4 200 m(87.06%)>3 600 m(86.61%)>3 800 m(86.08%)>3 400 m(81.70%)>4 000 m(80.58%),其中最大是海拔4 200 m的土壤,最小的为海拔4 000 m的土壤,差异不明显,总体上呈现随海拔上升而增加的趋势,4 000 m处较低可能与该海拔放牧强度较高,植被破坏相对于其他海拔严重有关。

表2 不同海拔高度土壤非水稳性聚体组成

土壤团聚体稳定性尤其是水稳性团聚体是反映土壤结构的重要指标,与土壤的抗侵蚀能力以及环境质量有着密切的关系^[11]。由表3可以看出,不同海拔的土壤>2 mm的水稳性团聚体在各粒径中比例最高,均值大小顺序为:3 600 m(35.34%)>3 800 m(34.19%)>4 200 m(33.88%)>4 000 m(31.06%)>3 400 m(30.35%),呈现出随海拔升高先降低后增加的趋势,但差异不显著。从0—20 cm土层看,>2 mm的水稳性团聚除4 000 m外呈现出随海拔增高而逐渐增加的趋势,表明0—20 cm土层中所含水稳性大粒径团聚体比例较高,且随着土层的加深而降低,其余粒径规律则不明显。>0.25 mm 粒径的水稳性团聚体含量组成大小为:3 800 m(80.18%)>3 600 m(78.67%)>4 200 m(75.01%)>3 400 m(74.14)>4 000 m(72.03%)。>0.25 mm 粒径的土壤水稳性团聚体含并随海拔升高呈现先升高后降低趋势,在3 800 m林线处最高,说明海拔3 800 m林线附近土壤的抗水力侵蚀性相对较好,低于和高于林线的土壤水稳定性相对较差。不同海拔土壤<0.25 mm的水稳性团聚体含量则呈现相反的规律,均值大小顺序为:4 000 m(27.97%)>3 400 m(25.85%)>4 200 m(25.00%)>3 600 m(21.34%)>3 800 m(19.82%)。另外,同一粒径同一土层不同海拔差异性不显著。

表3 不同海拔高度土壤水稳性团聚体组成

土壤腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂,同时也是土壤有机质保存的重要场所,对土壤的肥力和结构特征尤其在提高土壤团聚体稳定性方面具有重要的意义。由表4可以看出,从整体来看,有机质含量主要集中在>0.25 mm粒径的大团聚体中,占比在80%左右,含量大小顺序为:3 800 m(361.25 g/kg)>4 200 m(315.01 g/kg)>3 600 m(276.19 g/kg)>4 000 m(269.14 g/kg)>3 400 m(265.05 g/kg),以3 800 m处最高,随海拔升高呈现先增加而后降低的趋势,随着土层深度加深而呈现出逐渐降低的趋势。<0.25 mm粒径的团聚体则规律不明显。在0—20 cm土层中,各粒径非水稳性团聚体中有机质含量均表现3 800 m>4 200 m>3 600 m>4 000 m>3 400 m,即呈现出较为明显的随海拔升高先增加而后降低的趋势、20—40,40—60 cm的变化规律不明显。>0.25 mm粒径的团聚体中有机质相同海拔土壤同一层中,随着土壤团聚体粒径的变化其有机质含量变化没有明显规律性且差异不明显。

团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)是用于评价团聚体稳定性十分重要的指标。粒径大的团聚体组成比例越高,土壤MWD就越大,土壤团聚体越稳定^[12]。由表5、表6可以看出,0—20 cm土层中,土壤非水稳性团聚体和水稳性团聚体在5种不同海拔土壤MWD最大的是海拔4 000 m的土壤,最小的是海拔3 400 m的土壤; GMD最大的是海拔4 200 m的土壤,海拔3 800 m的土壤次之,最小的是海拔3 400 m的土壤; 总体上看,0—20 cm土层各海拔高度土壤非水稳性团聚体与水稳性团聚体MWD,GMD都呈现随海拔高度的升高变化趋势,20—40,40—60 cm土层规律不明显,但有随海拔高度增加MWD,GMD则都呈现出与0—20 cm相反的变化规律,即呈现减小的趋势。不同海拔土壤随土层深度的增加,非水稳性团聚体与水稳性团聚体MWD,GMD均呈现下降的趋势。

土壤团粒结构的分形维数(D)是评价土壤团聚体稳定性的一项指标,团粒结构分形维数越小,土壤的结构和稳定性越好,抗蚀能力越强。表5、表6可以看出,0—20 cm土层中非水稳性团聚体与水稳性团聚体分形维数D值最小值是4 200 m,3 800 m次之,3 400 m值最大,但整体呈现随海拔升高增大的趋势,而20—40,40—60 cm土层规律不明显。各海拔高度土壤分形维数D亦表现出随土层的加深而增大的趋势,5种不同海拔土壤团聚体稳定性在0—20 cm土层团聚度高于下层。在不同海拔梯度0—20 cm土层土壤中,海拔4 200 m和3 800 m土壤的团聚体稳定性较高,土壤结构较稳定,在雨水冲刷下不容易被分散破碎,抗蚀性较好; 而海拔3 400 m土壤的MWD,GMD相对较低,D值较高,稳定性和易侵蚀性也相对较弱。

表4 不同海拔高度土壤非水稳性团聚体各粒径有机质含量g/kg

表5 不同海拔高度土壤非水稳性团聚体MWD,GMD及D的变化特征

表6 不同海拔高度土壤水稳性团聚体MWD,GMD及D变化特征

土壤团聚体组成以及其稳定性是评估土壤结构稳定性的重要指标之一^[12]。一般将>0.25 mm的团聚体称为土壤团粒结构体,是维持土壤结构稳定的基础,其含量越高,土壤结构的稳定性越大^[6]。本研究发现在川西高寒山地不同海拔>0.25 mm 粒径的土壤中非水稳性团聚体含量和水稳性团聚体含量均较高,其中非水稳性团聚体含量各海拔均达到80%以上,最高达87.06%,水稳定性体含量占70%以上,最高达到80.18%,尤其是在0—20 cm土层中,>2 mm 粒径团聚体含量在各粒径中含量也最高,说明研究区川西高寒山地土壤团聚体稳定性高。这与大多数学者认为土壤中>0.25 mm 粒径的土壤中团聚体含量占比大,团聚体稳定性也就好的结论相符^[11-19]。从分布规律来看,0—60 cm土层>0.25 mm 粒径的土壤非水稳定性团聚体均值总体上呈现随海拔上升而增加的趋势,而水稳定性团聚体则呈现出随海拔升高先逐渐减小后增大的趋势。说明海拔3 800 m林线附近土壤的抗水力侵蚀性相对较好,低于和高于林线的土壤水稳定性相对较差。表明土壤团聚体稳定性与植被类型密切相关,3 800 m林线是一个转折,林线以上海拔较高的灌丛草甸植被虽然风干团聚体较高,但其水稳性团聚体则相对较低,说明其更容易被破坏。因此,保护高山林线植被对高寒山地生态环境稳定及防止水土流失具有重要意义。

团聚体和有机碳的关系密切,土壤有机碳是团聚体形成的物质基础,土壤有机碳的分解转化受团聚体影响,从而影响到土壤肥力的发挥^[7]。本研究发现不同海拔土壤团聚体有机质主要分布在>0.25 mm粒级中,这与江仁涛^[17]、李柏桥^[18]、苑亚茹等^[20]学者的研究结果相同。从海拔梯度分布情况看,土壤团聚体有机质呈现随海拔升高呈现先增加而后降低的趋势,其中以3 800 m处最高,与>0.25 mm水稳定性团聚体分布规律类似,<0.25 mm粒径的团聚体则规律不明显。不同海拔、不同粒径的土壤有机质含量均随着土层深度加深而呈现出逐渐降低的趋势。本研究中,不同海拔各土层中土壤各粒径团聚体有机质含量表现为随着土层加深而减少的趋势。这与黄晓强等^[19]北京山区典型人工林土壤团聚体研究和苑亚茹等^[20]对东北黑土区的研究也表明随着土壤层次的加深,土壤有机碳含量均呈现了逐渐降低趋势的结果相同。从整体来看,各海拔高度的土壤中大团聚体有机质含量相对较高,据王淑平等^[21]研究表明随着海拔高度增加水分适宜但温度较低,土壤微生物的活动受到抑制,有利于有机质的积累,所以海拔高度的变化影响土壤温度和土壤水分的变化,在这两种因素共同作用下,土壤中有机物含量随着海拔高度升高呈现先升高后降低趋势,这与本研究结果相似。

土壤团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D),是用于评价团聚体稳定性十分重要的指标,常用来反映团粒结构的稳定性,可以表示团聚体颗粒大小和粒级分布情况^[17]。MWD和GMD值越大,表明土壤大团聚体含量越高,土壤团聚程度越高,土壤结构更加稳定^[9,22]。本研究中,0—20 cm土层各海拔高度土壤非水稳性团聚体与水稳性团聚体MWD,GMD都呈现随海拔高度的升高变化趋势,20—40,40—60 cm土层规律不明显。随土层深度的增加,非水稳性团聚体与水稳性团聚体MWD,GMD均呈现下降的趋势。赵友朋^[6]、刘艳等^[22]研究表明,同一林分中,随土层的加深,土壤水稳性大团聚体含量和稳定性均呈下降趋势,与本研究结果类似,不同海拔高度非水稳性团聚体与水稳性团聚体分形维数(D)则与MWD,GMD呈现相反的规律性。本研究发现>0.25 mm水稳性团聚体含量与非水稳定性团聚体呈显著正相关,与团聚结构破坏率呈负相关,说明不同海拔高度土壤大团聚体含量越多,土壤团粒大小分布越均匀,团聚结构被破坏的程度就越低,土壤结构稳定性越强。