祁連山區(qū)主要植被類(lèi)型下土壤團(tuán)聚體變化特征

魏 霞，賀 燕，魏 寧，于文竹，崔 霞，趙恒策

祁連山區(qū)主要植被類(lèi)型下土壤團(tuán)聚體變化特征

魏 霞1，賀 燕1，魏 寧2，于文竹1，崔 霞1，趙恒策1

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

土壤團(tuán)聚體是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、肥力和質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)，與侵蝕過(guò)程、水土流失、環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，研究土壤的理化性質(zhì)，對(duì)保護(hù)土壤資源、提高生產(chǎn)率、維護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義。以青藏高原北緣的祁連山區(qū)為研究對(duì)象，采集該區(qū)4種主要植被類(lèi)型——荒漠、草原、草甸及灌叢的土壤，分析了不同植被類(lèi)型的土壤團(tuán)聚體指標(biāo)，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（percentage of water-stable aggregates，WSA）、平均質(zhì)量直徑（mean weightdiameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、結(jié)構(gòu)體破壞率（aggregate destruction rate，PAD）、平均重量比表面積（mean weight soil specific area，MWSSA）和分形維數(shù)隨海拔高度和土壤深度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：0～30 cm土層WSA、MWD、GMD、MWSSA 依次：荒漠<草原<草甸<灌叢，>30～40 cm土層植被類(lèi)型對(duì)團(tuán)聚體無(wú)顯著影響（>0.05）；隨土壤深度的增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚度逐漸降低，土壤結(jié)構(gòu)趨于惡化，草甸帶表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于深層土壤（0.05）；隨海拔高度增大，在海拔1 692～2 800 m土壤團(tuán)聚體逐漸穩(wěn)定，土壤結(jié)構(gòu)改善，在海拔2 800～3 639 m土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸降低，土壤結(jié)構(gòu)趨于惡化。WSA、MWD和GMD受1～4 mm粒級(jí)主導(dǎo)作用，分形維數(shù)主要受0.038～0.25 mm粒級(jí)的影響，MWSSA不能準(zhǔn)確分析該地區(qū)的團(tuán)聚體水穩(wěn)性。

土壤；團(tuán)聚體；植被；海拔；祁連山

0 引 言

土壤團(tuán)聚體是細(xì)小土粒經(jīng)過(guò)有機(jī)和礦物質(zhì)的膠結(jié)、離子凝聚及團(tuán)聚作用而形成的，是直徑<10 mm的土壤結(jié)構(gòu)單位[1]。它不僅對(duì)土壤水分運(yùn)移和儲(chǔ)存、土壤孔隙狀況、固碳、生物活動(dòng)、土壤抗蝕能力、根系生長(zhǎng)等方面至關(guān)重要[2-4]，而且能夠通過(guò)抵抗雨滴打擊和地表徑流侵蝕作用，防止土壤養(yǎng)分流失[5]，有效改善土壤功能和環(huán)境[6]，是評(píng)價(jià)土體安全、土壤質(zhì)量和抗蝕性能的關(guān)鍵指標(biāo)[7]。

許多學(xué)者以水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（percentage of water-stable aggregates，WSA）、平均質(zhì)量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）作為土壤團(tuán)聚體評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-10]。WSA直接表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但不足以反映其他粒級(jí)對(duì)團(tuán)聚體的影響；MWD、GMD表征土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度和大小分布狀況，其值越大，土壤平均粒徑的團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越好[10]。平均重量比表面積（mean weight soil specific area，MWSSA）和結(jié)構(gòu)體破壞率（percentage of aggregate destruction，PAD）也是研究團(tuán)聚體特征的有效工具，分別反映土壤團(tuán)聚體的分散性和其受到侵蝕后崩解、破壞的程度[11]，但MWSSA在反映土壤團(tuán)聚體質(zhì)量的準(zhǔn)確性和靈敏性仍不清楚。蘇靜等[12]通過(guò)比較黃土高原土壤分形維數(shù)（fractal dimension，）、WSA和MWD 等團(tuán)聚體評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)較好，還能反映土壤理化性質(zhì)和肥力狀況。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要在黃土高原、紫色丘陵及南方紅壤等易侵蝕區(qū)，從土地利用模式、施肥方式、植被恢復(fù)、植被群落類(lèi)型等對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響等方面進(jìn)行了大量的研究，在土壤團(tuán)聚體分布規(guī)律、土壤穩(wěn)定性、土壤結(jié)構(gòu)改善方面取得了豐富的研究成果[5-9]。劉雷等[5, 9-10]研究了黃土高原土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化特征及其影響因素，指出MWD空間變化受有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、根系質(zhì)量密度、氣候和植被類(lèi)型等因素的綜合影響。于海艷等[8]探討了不同林分類(lèi)型團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土壤深度的變化特征，研究表明團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土壤深度增加而逐漸降低。謝錦升等[6-7, 11]研究了植被恢復(fù)、植物籬等對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響，提出植物籬有利于增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，團(tuán)聚體是反映土壤質(zhì)量、抗蝕性能的重要指標(biāo)。

作為生態(tài)安全屏障，祁連山區(qū)受氣候變暖和人為破壞的雙重影響，土壤侵蝕加劇，水土流失嚴(yán)重，土壤理化性質(zhì)改變[13]，是中國(guó)極強(qiáng)度生態(tài)脆弱區(qū)之一[14]。祁連山區(qū)地貌特征復(fù)雜，水熱條件差異顯著，表現(xiàn)為從東到西土壤質(zhì)地粗化，植被帶從溫性草原帶過(guò)渡到高寒荒漠帶，年降雨量從東到西遞減并隨海拔升高而增大[15]。土壤理化性質(zhì)、植被分布和降雨量等空間變化可能引起土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此研究祁連山區(qū)不同植被類(lèi)型下土壤團(tuán)聚體空間變異，具有生產(chǎn)價(jià)值和理論意義。但由于祁連山區(qū)獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件和氣候條件，有關(guān)祁連山區(qū)的團(tuán)聚體研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本文以“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重點(diǎn)保護(hù)區(qū)——祁連山區(qū)為對(duì)象，通過(guò)分析土壤團(tuán)聚體WSA、MWD、GMD、MWSSA、PAD和等指標(biāo)的變化趨勢(shì)，研究祁連山區(qū)不同植被類(lèi)型、不同海拔、不同土壤深度下土壤團(tuán)聚體變化特征，以期為該區(qū)土壤質(zhì)量改良提供理論依據(jù)，為水土保持、生態(tài)恢復(fù)治理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山地處于青藏高原東北緣（35°48′～40°05′ N，93°18′～103°54′ E），地勢(shì)西高東低，海拔為1 623～5 767 m，大部分在3 500～5 000 m[15]，總面積1.84×105km2，草原和草甸占總土地面積的60%以上[16]。祁連山區(qū)是西北地區(qū)主要水源地，也是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重點(diǎn)保護(hù)區(qū)[14]。該區(qū)屬大陸性高寒半干旱山地氣候區(qū)，年平均氣溫為0.6 ℃，年降雨量為400～700 mm。祁連山區(qū)植被分布具有明顯的水平地帶性，自東向西依次為溫性草原、溫帶針葉林、寒溫性針葉林、高寒灌叢、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠[15]。與植被分布相對(duì)應(yīng)，該區(qū)主要土壤類(lèi)型有黑氈土、黑鈣土、高寒草甸土、棕漠土、冷鈣土和栗鈣土等。

1.2 樣品采集與分析

在2018年6－8月對(duì)祁連山區(qū)野外考察的基礎(chǔ)上選取典型樣地，樣地主要選擇地勢(shì)平坦且能代表荒漠、草原、草甸和灌叢4種植被分布的區(qū)域，共設(shè)置了56個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），每個(gè)采樣點(diǎn)采用土鉆（直徑為10 cm）取0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm深度的土壤樣品。每個(gè)樣地按“十字型”布設(shè)3個(gè)樣方，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，將土壤剖面相同土層的重復(fù)樣品混合均勻裝袋。

將已編號(hào)的原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前期處理，放置通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，并除去動(dòng)植物殘?bào)w、石礫等。土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的測(cè)定綜合參考Kemper等[17-18]所采用的濕篩法和分離方法，稱取過(guò)6 mm篩孔的風(fēng)干土樣25 g，放入TTF-100型團(tuán)聚體分析儀（浙江省上虞市舜戈實(shí)驗(yàn)儀器廠）的套篩（自上而下為4、2、1、0.25和0.038 mm孔徑）中，將套篩置于清水中快速浸潤(rùn)10 min，再以30次/min的頻率振動(dòng)10 min，套篩里的土樣用布氏漏斗抽濾，于105 ℃下烘干稱質(zhì)量。將各烘干土樣掃入裝有5 g/L六偏磷酸鈉的鋁盒中，再放進(jìn)恒溫?fù)u床內(nèi)以150 rpm震蕩12～16 h，然后用對(duì)應(yīng)孔徑的篩子和布氏漏斗抽濾，于105 ℃下烘干稱質(zhì)量，則測(cè)得各級(jí)孔徑團(tuán)聚體質(zhì)量。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)WSA、MWD、GMD計(jì)算公式如下：

平均重量比表面積（MWSSA，cm2/g）表征土壤團(tuán)聚體的分散性，計(jì)算公式如（4）：

式中為2.65 g/cm3。

根據(jù)楊培嶺等[19]的推導(dǎo)公式計(jì)算分形維數(shù)為

土壤結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD，%）計(jì)算公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（least-significant difference，LSD）比較相同土壤深度不同植被類(lèi)型間的差異；采用雙因素方差分析比較不同土壤深度間的差異（=0.05）；采用Pearson相關(guān)分析對(duì)土壤團(tuán)聚指標(biāo)、有機(jī)碳和各粒級(jí)團(tuán)聚體百分含量進(jìn)行相關(guān)性評(píng)價(jià)。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同植被類(lèi)型土壤團(tuán)聚體變化差異

土壤WSA、MWD、GMD、MWSSA、PAD和的最大值與最小值之比分別為3.57、5.89、8.24、44.12、28.23和2.40倍（表1），研究區(qū)土壤團(tuán)聚體空間變化大，分布不均。變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）可以表征空間變異程度的大小。根據(jù)Nielsen等[20]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，CV≤10%表示弱變異性，10%＜CV＜100%表示中等變異性，CV≥100%表示強(qiáng)變異性。土壤WSA、MWD、GMD、MWSSA、PAD和的變異系數(shù)分別為17.86%、36.66%、38.23%、62.50%、45.38%和10.91%，表明祁連山區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的空間變異性為中等變異性。

由圖2可知，同土層不同植被類(lèi)型下團(tuán)聚體指標(biāo)存在差異。0～10 cm土層各植被類(lèi)型間WSA平均值依次：荒漠<草原（或草甸）<灌叢，>10～20 cm土層草甸的WSA顯著高于荒漠（<0.05），>20～40 cm土層各植被類(lèi)型間WSA無(wú)顯著差異。0～30 cm土層各植被類(lèi)型間MWD平均值和GMD平均值都體現(xiàn)：荒漠<草原<草甸<灌叢，>30～40 cm土層各植被類(lèi)型間MWD、GMD無(wú)顯著差異。0～40 cm各土層荒漠土壤MWSSA顯著低于草甸、灌叢（<0.05），而草甸與灌叢同土層MWSSA無(wú)顯著差異。0～10 cm土層土壤PAD平均值荒漠顯著高于草原、灌叢、草甸，>10～30 cm土層草甸PAD顯著低于荒漠、草原和灌叢（<0.05），>30～40 cm土層各植被類(lèi)型間PAD無(wú)顯著差異。圖2f可知，0～10 cm土層平均值荒漠和草原顯著高于灌叢和草甸，>10～20 cm土層草甸顯著低于荒漠（<0.05），>20～40 cm土層各植被類(lèi)型間無(wú)顯著差異。

表1 祁連山區(qū)土壤團(tuán)聚體指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：小寫(xiě)字母表示同土層不同植被類(lèi)型間顯著差異（P<0.05），大寫(xiě)字母表示同植被類(lèi)型下不同土層間顯著差異（P<0.05）。

2.2　不同植被類(lèi)型團(tuán)聚體隨土壤深度變化特征

雙因素方差分析表明（表2），土壤深度對(duì)WSA有顯著影響（<0.05），對(duì)土壤MWD、GMD、PAD和存在極顯著影響（<0.01），但對(duì)土壤MWSSA無(wú)顯著影響（>0.05）。植被類(lèi)型與土壤深度的交互效應(yīng)對(duì)土壤MWD和GMD有極顯著影響（<0.01），而對(duì)其他團(tuán)聚體指標(biāo)無(wú)顯著影響（>0.05）。

表2 不同植被類(lèi)型及土壤深度下土壤團(tuán)聚體指標(biāo)雙因素方差分析

注：*，<0.05；**，<0.01；***，<0.001。

Note: *,<0.05; **,<0.01; ***,<0.001.

由圖2可知，同一植被類(lèi)型不同土壤深度下團(tuán)聚體變化規(guī)律不統(tǒng)一。隨土壤深度的增加，WSA逐漸減小，僅草甸帶>30～40與0～10、>10～20、>20～30 cm土層間WSA存在顯著差異（<0.05）；隨土壤深度的增加，MWD、GMD均逐漸減小，草甸、灌叢帶>30～40和0～10、>10～20 cm土層間MWD、GMD差異顯著（<0.05）；各土層間MWSSA無(wú)顯著差異；隨土壤深度的增加，PAD逐漸增大，在草原和草甸帶0～10 cm土層PAD顯著低于>20～30、>30～40 cm土層（<0.05）；隨土壤深度的增加，逐漸增大，草甸帶0～10、>10～20和>20～30、>30～40 cm土層間差異顯著（<0.05）。

2.3 不同植被類(lèi)型團(tuán)聚體隨海拔變化特征

因表層采集土壤樣品較下層多，本文選用不同植被類(lèi)型表層（0~10 cm）土壤研究團(tuán)聚體隨海拔變化特征。采集土樣的海拔為1 692～3 639 m（圖3），1 692～3 200 m低海拔上發(fā)育高寒荒漠和草原，在3 000～3 639 m高海拔上發(fā)育著草甸和灌叢。

圖3 祁連山區(qū)不同植被類(lèi)型不同指標(biāo)沿海拔變化趨勢(shì)

由圖3a可知，在海拔1 692~3 639 m，WSA隨海拔升高明顯的先逐漸增大后減小，在海拔2 800 m處最大，荒漠土壤WSA隨海拔（）變化的擬合方程為WSA=?4×10-5x+0.225?218.73（2=0.76，<0.01）。MWD、GMD隨海拔梯度變化趨勢(shì)基本一致（圖3b和圖 3c），在海拔1 692～2 800 m，MWD、GMD均隨海拔的升高逐漸增大，在海拔2 800～3 639 m，MWD、GMD隨海拔的升高而逐漸減小，在草甸和灌叢帶，MWD和GMD隨海拔增大而顯著降低（2=0.44，0.01；2=0.51，<0.01）。MWSSA變化有所不同（圖3d），與海拔梯度不相關(guān)。PAD變化趨勢(shì)與MWD、GMD相反（圖3e），在海拔1 692～2 800 m，PAD隨海拔的升高而減小，在海拔2 800～3 639 m，PAD隨海拔的升高逐漸增大，草原帶土壤PAD隨海拔升高而顯著降低（2=0.71，<0.01），回歸方程為PAD=?2×10-5x?0.131+233.46。由圖3f可知，在海拔1 692～2 800 m，隨海拔的升高而減小，在海拔2 800～3 639 m，隨海拔的升高逐漸增大，荒漠土壤與海拔顯著相關(guān)（R=0.57，<0.01）。

2.4 土壤團(tuán)聚體指標(biāo)與各粒級(jí)的相關(guān)分析

土壤是由細(xì)顆粒組成的，具有自相似性結(jié)構(gòu)和分形特征，土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體指標(biāo)受各粒級(jí)直接影響。由表3可知，各粒級(jí)團(tuán)聚體含量（>4、>2～4、>1～2、>0.25～1 mm）、有機(jī)碳與WSA、MWD、GMD和MWSSA極顯著正相關(guān)（<0.01），與PAD、極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），用相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)對(duì)土壤團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)，>2～4、>1～2 mm團(tuán)聚體含量對(duì)土壤團(tuán)聚體指標(biāo)貢獻(xiàn)較大，0.038～0.25 mm與極顯著正相關(guān)（<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.501。說(shuō)明，土壤大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中1～4 mm粒級(jí)團(tuán)聚體是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚度的主導(dǎo)因素，小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中0.038～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的主要影響因素。MWD與GMD極顯著正相關(guān)（2=0.95），MWSSA與WSA、MWD、GMD、相關(guān)關(guān)系不顯著，說(shuō)明MWSSA不適用于研究水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征。

表3 土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)與團(tuán)聚體粒級(jí)、有機(jī)質(zhì)的Pearson相關(guān)分析

注（Note）：=161。

3 討 論

研究區(qū)土壤團(tuán)聚體指標(biāo)均屬于中等變異，變異系數(shù)最小，為10.91%。0~10 cm土層各植被類(lèi)型WSA、MWD、GMD平均值依次：荒漠<草原（或草甸）<灌叢，PAD、平均值荒漠顯著高于草原、灌叢、草甸，說(shuō)明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及團(tuán)聚度依次：荒漠<草原（或草甸）<灌叢，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性荒漠小于草原、灌叢、草甸，自東向西團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，草甸相比于荒漠、草原有助于增加土壤團(tuán)聚體，提高土壤穩(wěn)定性和團(tuán)聚度，改善土壤結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閃SA、MWD、GMD與植被覆蓋度、有機(jī)質(zhì)正相關(guān)[8-9]，與有機(jī)碳負(fù)相關(guān)（表3），0～20 cm土層荒漠土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著低于草甸、灌叢的（<0.05），而0~20 cm荒漠土壤PAD和顯著高于草甸、灌叢的（<0.05），原因是草甸、灌叢土壤在植被保護(hù)和有機(jī)質(zhì)膠結(jié)作用下，利于土壤團(tuán)聚體形成，降低了雨滴打擊作用引起的土壤團(tuán)聚體崩解，改善土壤質(zhì)量，而西南荒漠帶土壤受風(fēng)蝕作用，1~4 mm 粒級(jí)大團(tuán)聚體破碎，含碳量少的0.038～0.25 mm 粒級(jí)小團(tuán)聚體增多，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

土壤深度變化對(duì)土壤團(tuán)聚體指標(biāo)存在顯著影響（MWSSA除外）。隨土壤深度增加，WSA、MWD和GMD均逐漸減小，而PAD和逐漸增大，且0~30 cm土層內(nèi)荒漠和草甸、灌叢團(tuán)聚體指標(biāo)差異顯著（>20~30 cm土層WSA和除外），>30~40 cm土層各植被類(lèi)型間團(tuán)聚體指標(biāo)無(wú)顯著差異。說(shuō)明隨土壤深度的增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚度逐漸減小，土壤結(jié)構(gòu)趨于惡化，植被類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響比土層更大，但在>30~40 cm土層內(nèi)對(duì)土壤團(tuán)聚體無(wú)顯著作用。這與于海艷等[8, 21]研究結(jié)果一致，WSA、MWD隨土壤剖面逐漸降低，PAD、變化趨勢(shì)與此相反。主要因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體穩(wěn)定性（MWD）和有機(jī)碳（表3）、根系質(zhì)量密度顯著正相關(guān)[9]，祁連山草甸、灌叢地下植物量及根系主要分布在0~20 cm處[22-23]，土壤有機(jī)碳富集在土壤表面，隨土壤深度的增加而降低，30 cm土層以下趨于穩(wěn)定[24-25]。而MWSSA變化趨勢(shì)不顯著，是因?yàn)樗焕趫F(tuán)聚體水穩(wěn)定性表達(dá)，與王潤(rùn)澤等[11]研究結(jié)果一致。

隨海拔的升高，在海拔1 692~2 800 m，WSA、MWD、GMD逐漸增大，PAD和逐漸減小，海拔2 800～3 639 m，WSA、MWD、GMD逐漸減小，PAD和逐漸增大。說(shuō)明低于海拔2 800 m土壤團(tuán)聚體隨海拔的升高逐漸穩(wěn)定，土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地得到改善，高于2 800 m海拔土壤團(tuán)聚體隨海拔的升高逐漸被破壞，土壤結(jié)構(gòu)趨于惡化。這一變化趨勢(shì)是受微生物、有機(jī)質(zhì)和植被覆蓋度等共同影響，祁連山生物量、碳密度均隨海拔的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在海拔2 800～2 950 m達(dá)到最大值，2 800～3 300 m海拔梯度內(nèi)生物量波動(dòng)降低，有機(jī)碳密度在海拔3 300 m急劇降低[26-27]。此外，該區(qū)在3 000～3 639 m高海拔處，土壤有機(jī)質(zhì)和植被覆蓋度較高，土壤條件較好，但有機(jī)質(zhì)只有在微生物的吸附粘結(jié)作用下具有團(tuán)聚能力[2]，并不是高海拔寒區(qū)團(tuán)聚體形成的制約因素，該海拔梯度內(nèi)生物量逐漸降低是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低和結(jié)構(gòu)惡化的原因。

4 結(jié) 論

1）祁連山區(qū)土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)變化范圍大，且土壤團(tuán)聚體空間變異性屬于中等變異，這主要受植被類(lèi)型、土壤深度、海拔與有機(jī)碳的影響。植被類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體有顯著影響（<0.01），0~10 cm土層水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（percentage of water-stable aggregates，WSA）、平均質(zhì)量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、平均重量比表面積（mean weight soil specific area，MWSSA）的平均值依次：荒漠<草原或草甸<灌叢，結(jié)構(gòu)體破壞率（percentage of aggregate destruction，PAD）和分形維數(shù)（fractal dimension，）平均值荒漠顯著高于草原、灌叢、草甸，草甸顯著提高（<0.05）土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，>30～40 cm土層植被類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體無(wú)顯著影響。

2）土壤深度變化對(duì)團(tuán)聚體有顯著影響，隨著土壤深度增大，WSA、MWD和GMD均逐漸減小，而PAD和值逐漸增大，草甸、灌叢帶0～10 cm土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于>30～40 cm，說(shuō)明土壤團(tuán)聚度、團(tuán)聚體及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨土壤深度的增加逐漸減小，表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于深層。

3）隨海拔升高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚度呈先增大后降低趨勢(shì)，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性先降低后增大，海拔2 800 m為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的分界點(diǎn)。針對(duì)不同海拔土壤性質(zhì)，調(diào)整植被模式，改良土壤。

4）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受1～4 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體的主導(dǎo)作用，與有機(jī)碳顯著正相關(guān)；土壤結(jié)構(gòu)主要受0.038～0.25 mm粒級(jí)小團(tuán)聚體的影響。MWSSA不適用于研究水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征，研究結(jié)果對(duì)于祁連山區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理和環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要意義。

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Variation characteristics of soil aggregates under main vegetation types in Qilian Mountainous areas

Wei Xia1, He Yan1, Wei Ning2, Yu Wenzhu1, Cui Xia1, Zhao Hengce1

(1.,,730000,; 2.,712100,)

Soil aggregates reflect the stability of soil structure, soil fertility and quality, and they are closely related to the environmental quality, soil and water loss, and soil erosion. Although vegetation types, soil depths, and altitude likely have important effects on soil properties and soil aggregates, few studies have concentrated on the relationships between their interactive effects and soil aggregate stability on the regional scale. In order to study the variation characteristics of soil aggregates in the Qilian Mountains. In this study, 4 vegetation type zones (desert, steppe, meadow, and shrub) were selected in the Qilian Mountains (northwest China) as the subjects. The stability and size distribution of soil aggregates was measured by the method of wet-sieving. The characteristics of soil aggregate index were analyzed at different soil depths and different altitudes, including the percentage of water-stable aggregate (WSA), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), mean weight soil specific area (MWSSA), aggregate processing damage rate ( PAD) and fractal dimension (). The results showed that the coefficients of variation of soil aggregate index under the 4 vegetation types were high (ranging from 10.91% to 62.50%), which indicated a moderate spatial variability. Among the 4 grassland types, WSA, MWD, GMD and MWSSA all showed the same increased in order: desert < steppe or meadow 30-40 cm depth, no significant differences in aggregate stability index were found among different vegetation types (>0.05). The reason why the aggregate stability of desert was lowest could be explained by the fact that the lower soil organic carbon (SOC) and biomass of desert, and the small aggregates couldn’t be formed. Along the vertical direction of the soil profiles from aboveground to underground, with the increase of soil depth (0-40 cm), WSA, MWD, GMD, and MWSSA gradually all decreased. Whereas PAD andbehaved opposite to them, and with the increase in soil depth, they gradually increased, which indicated that the stability and aggregation degree of soil aggregates decreased with soil depth. This could be explained as that the SOC appeared enrichment phenomenon in the 0-20 cm layer and decreased with soil depth. The soil aggregate index all tended to be significantly higher in surface layer than in lower layers only at the meadow (<0.05), but no significant difference in MWSSA (>0.05) were found among all soil depths. With increasing altitude, the aggregate stability (WSA, MWD, and GMD) increased gradually from 1 692 m, reached a peak at 2 800 m, and then decreased quickly. But the trends were reverse for the PAD and, and there was no significant correlation between MWSSA and altitude under different vegetation types (>0.05), which suggested that their distribution clearly showed unimodal patterns across all the altitude. This indicated that the stability and aggregation degree of soil aggregates first increased and then decreased with increasing altitude, and the maximum point appeared at elevation of 2 800 m. In addition, correlation analysis showed that WSA, MWD, and GMD were mainly affected by 1-4 mm,was mainly affected by 0.038-0.25 mm, and MWSSA couldn't accurately express the characteristics of water-stable aggregates. This research will guide the practice of reducing soil erosion for the different conditions and different vegetation types, and results have great significance for controlling grassland degradation, promoting soil structure stability and the sustainable development of grassland animal husbandry.

soils; aggregates; vegetations; altitude; Qilian Mountains

魏 霞，賀 燕，魏 寧，于文竹，崔 霞，趙恒策. 祁連山區(qū)主要植被類(lèi)型下土壤團(tuán)聚體變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：148－155.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.018 http://www.tcsae.org

Wei Xia, He Yan, Wei Ning, Yu Wenzhu, Cui Xia, Zhao Hengce. Variation characteristics of soil aggregates under main vegetation types in Qilian Mountainous areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 148－155. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.018 http://www.tcsae.org

2019-05-07

2019-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51679115）；蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金及蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金（lzujbky-2018-kb01）

魏 霞，博士后，副教授，主要從事土壤侵蝕與水土保持、水文學(xué)及水資源學(xué)等方面的研究。Email：weix@lzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.018

S157

A

1002-6819(2020)-02-0148-08