亚高山草甸不同发育段沟蚀中土壤抗剪强度的特征及影响因素

《Land Degradation & Development》：Characteristics and Influencing Factors of Soil Shear Strength in Gully Erosion at Different Developmental Segments of Subalpine Meadows

　　

亚高山草甸在生物多样性保护和土壤碳封存中扮演重要角色，但沟蚀严重威胁其生态稳定性。土壤抗剪强度（τ）是评估沟谷稳定性和土壤抗破坏能力的关键力学参数。然而，亚高山草甸沟谷中土壤抗剪强度的空间变化及其控制因素仍知之甚少。本研究选取中国云南省高本山三个典型亚高山草甸沟谷，将其分为头部、中部和出口段。从每个段的沟缘、沟壁和沟底采集土壤样品。测量了土壤抗剪强度、理化性质和矿物学性质。然后分析了它们之间的关系。结果表明，在该亚高山草甸沟谷系统中，沟头段的土壤抗剪强度最低。与沟头段相比，中部段沟壁和沟底的土壤抗剪强度显著增加，分别增加10%–50%和4%–47%。在出口段，沟缘和沟底的土壤抗剪强度达到最大值，而沟壁的土壤抗剪强度与中部段相比下降了4%–37%。相关分析表明，土壤理化性质和矿物组成与土壤抗剪强度显著相关（p<0.05）。结构方程模型（SEM）进一步表明，在研究地点，增加的土壤含水量降低了内聚力（c），而改善的团聚体稳定性、增加的土壤有机质（SOM）和降低的土壤容重（BD）增加了内摩擦角（φ），揭示了土壤理化性质影响土壤抗剪强度的潜在途径。这可能表明，土壤理化性质共同作用驱动的土壤结构改善增强了土壤抗剪强度。本研究初步揭示了所调查的亚高山草甸沟谷中沟谷发育与土壤力学性质之间的联系，并确定了与沟谷土壤抗剪强度相关的主要因素。监测这些因素的变化可能有助于评估沟谷稳定性，并为亚高山草甸生态系统中沟蚀控制提供科学依据。

**论文解读：亚高山草甸不同发育段沟蚀中土壤抗剪强度的特征及影响因素**

**研究背景与问题**
亚高山草甸是高山荒漠与低山森林之间的重要过渡生态系统，在生物多样性保护、土壤碳封存、水源涵养及坡面稳定中发挥关键作用。然而，沟蚀的快速发展严重削弱了这些生态功能，威胁生态系统稳定性。土壤抗剪强度（τ）作为抵抗剪切破坏的力学指标，广泛用于评估沟谷结构稳定性和土壤抗侵蚀能力。尽管沟蚀发育与土壤抗剪强度已被广泛研究，但在亚高山草甸这一特殊生态系统中，沟谷不同发育段土壤抗剪强度的空间变异及其控制因素尚不明确。特别是，亚高山草甸具有厚腐殖质层和密集根系形成的根-土复合体，可能改变沟蚀启动阈值和力学性质演化规律，但相关研究匮乏。因此，本研究旨在系统调查亚高山草甸沟谷不同发育段土壤抗剪强度的空间特征，揭示土壤理化性质对其的影响机制，为沟蚀防治提供科学依据。

**研究内容与结论**
研究人员选取中国云南省高本山三个典型亚高山草甸沟谷，将其分为头部、中部和出口段，并在每个段的沟缘、沟壁和沟底采集土壤样品。通过测定土壤抗剪强度（τ）、理化性质（容重BD、含水量SWC、水稳性团聚体平均重量直径MWD、渗透参数、有机质SOM、全氮TN、有效磷AP、速效钾AK、pH等）及矿物组成（XRD分析），结合微观结构观察（SEM），分析了各变量间的相互关系。结果表明：沟头段土壤抗剪强度最低，中部段沟壁和沟底显著增加（10%–50%和4%–47%），出口段沟缘和沟底达到最大值，但沟壁强度下降（4%–37%）。相关分析显示，土壤BD、SWC、MWD、SOM、饱和导水率（K_s）及矿物组成（石英Qtz、白云母Ms）与τ显著相关（p<0.05）。结构方程模型（SEM）进一步揭示：SWC增加降低内聚力（c），而MWD增加、SOM增加及BD降低增强内摩擦角（φ），表明土壤结构改善是提升抗剪强度的关键途径。该研究初步揭示了亚高山草甸沟谷发育与土壤力学性质之间的双向反馈关系，并指出监测这些因素变化有助于评估沟谷稳定性，为区域生态安全与可持续发展提供依据。论文发表在《Land Degradation》。

**主要技术方法**
研究区位于云南省寻甸回族彝族自治县与东川区交界处（25°47′50″–25°54′26″N，103°09′20″–103°11′59″E），海拔3040–3294 m。选择三个形态相似的沟谷，分为头、中、出口三段，每段设沟缘、沟壁、沟底三个采样位置，共27个采样点（3沟×3段×3位置）。关键技术方法包括：①固结排水直剪试验（ZJ-1应变控制式直剪仪），测定不同正应力（50–200 kPa）下的剪切应力，计算c和φ；②土壤理化性质测定：环刀法测BD和SWC，湿筛法测水稳性团聚体分布并计算MWD，马氏瓶法测渗透参数（初始渗透率、稳定渗透率及K_s），重铬酸钾容量法测SOM，凯氏法测TN，Olsen法测AP，火焰光度法测AK；③X射线衍射（XRD，MiniFlex 600）鉴定矿物组成（白云母Ms、石英Qtz、高岭石Kln）；④扫描电镜（SEM，Carl Zeiss Sigma 500）观察微观结构。数据分析采用双因素方差分析（ANOVA）、Duncan多重比较、Pearson相关分析和结构方程模型（SEM）。

**研究结果**
3.1 不同发育段沟蚀发育特征：沟头段呈V形横截面，沟底深切，侧坡陡峭，植被稀疏；中部段渐变为窄U形，沟宽和沟深分别增至沟头段的3.5–3.9倍和1.6–2.5倍，出现局部壁塌；出口段呈宽U形，沟深较中部段下降26%–41%，壁塌加剧。

3.2 土壤理化特征：
3.2.1 容重与含水量：沟壁和沟底BD在头部段显著高于中部和出口段；SWC从沟头到出口在沟缘下降2%–19%，在沟壁和沟底增加3%–15%和7%–24%。
3.2.2 水稳性团聚体分布：从沟头到出口，大团聚体（0.25–10 mm）比例逐渐增加，MWD在沟缘和沟壁增大，在沟底先增后减。
3.2.3 渗透特性：沟缘初始渗透率、稳定渗透率和K_s显著高于沟壁和沟底；沟壁和沟底渗透率从中部至出口显著增加（86%–227%和26%–219%），但出口段沟底渗透率较中部段下降。
3.2.4 有机质与养分：沟头段沟壁呈现贫瘠状态，SOM和TN总体为中部段>出口段>头部段；沟缘SOM在各段均较高，表明碳储存潜力大。

3.3 土壤微观结构与矿物组成：SEM显示土壤呈团聚体微结构，点-点接触和边-边接触为主，孔隙率8%–19%，中部和出口段孔隙数量和平均孔径显著高于头部段。XRD表明矿物以白云母（Ms，58%–66%）、石英（Qtz，7%–13%）和高岭石（Kln，25%–34%）为主，从沟头到出口Qtz和Kln含量增加，Ms含量降低。

3.4 抗剪强度特征：
3.4.1 剪切应力与正应力：各段τ随正应力增加而增大，总体为出口段>中部段>头部段。沟底τ从沟头到出口逐渐增加1%–62%；沟壁τ先增后减；沟缘τ先减后增（变化范围-20%至50%和-30%至51%）。
3.4.2 剪切强度参数：c和φ在各段间差异显著。沟缘c在中部段和出口段较头部段分别增加82%和151%；沟壁c在中部段显著高于头部和出口段；φ从沟头到出口持续增加，沟底增幅最大（57%）。头部段沟底呈高c低φ；中部段沟壁c和φ均较高；出口段沟底c较沟缘和沟壁低77%和61%，φ无显著差异。

3.5 影响因素：相关分析表明τ与MWD、K_s、Qtz含量、SOM呈显著正相关（p<0.05），与BD、SWC、Ms含量呈显著负相关（相关系数-0.46至0.78）。SEM显示BD降低和MWD增加可增强τ，SOM间接通过促进MWD增加τ，SWC增加降低τ，矿物组成直接效应不显著。

**讨论与结论**
讨论部分指出，土壤抗剪强度受颗粒间摩擦、胶结和理化相互作用共同调控。SEM模型揭示了土壤结构改善（MWD增加、BD降低）是增强τ的关键途径，而高SWC降低c，这一现象在采样前一日降雨背景下更接近实际。与以往研究不同，BD与τ呈负相关，归因于亚高山草甸土壤高有机质含量促进团聚体形成和根系生长，导致低BD但高结构稳定性。微观结构观测支持了孔隙和团聚体变化，但未对剪切后断面进行SEM分析，剪切破坏机制仍为合理推断。在沟谷发育反馈方面，沟头段低τ难抵抗径流侵蚀，促进溯源侵蚀；中部和出口段高τ增加抗侵蚀能力，但沟壁易受重力作用坍塌，导致横断面从V形向U形演化。研究建议在面蚀阶段通过覆盖、增施有机质和植被恢复提高τ；对已形成沟谷，头部段采用木桩、生态袋等工程措施结合养分输入；中部和出口段进行削坡、石笼护岸和谷坊建设，辅以灌木种植，协同提升土壤结构稳定性。

结论部分翻译：本研究分析了滇中亚高山草甸沟谷土壤抗剪强度与理化性质。结果表明，在所调查的沟谷系统中，沟头段土壤抗剪强度最低，表明该段对沟谷发育更敏感。中部段沟壁和沟底抗剪强度显著高于头部段，分别增加10%–50%和4%–47%。出口段沟缘和沟底抗剪强度达到最大值，而沟壁强度较中部段下降，可能因出口壁更频繁受到径流冲刷。相关分析和结构方程模型（SEM）显示，土壤容重（BD）、土壤有机质（SOM）、土壤含水量（SWC）和团聚体稳定性（MWD）与土壤抗剪强度（τ）显著相关（p<0.05）。增加的SWC降低了内聚力（c），而改善的团聚体稳定性、增加的SOM和降低的BD增加了内摩擦角（φ），揭示了该亚高山草甸沟谷土壤中影响τ的潜在途径。这些结果表明，所研究地点τ的变化可能受多种土壤理化和结构因素共同影响。与沟头段相比，中部和出口段BD更低，但团聚体稳定性、渗透能力、SOM和养分含量显著更高，同时τ增强。这可能表明土壤结构改善增强了颗粒间机械互锁和土壤力学阻力，增加了降雨入渗能力，并为植被根系生长提供基础。在研究区亚高山草甸沟蚀防治中，监测这些因素变化有助于评估沟谷稳定性并指导相应措施。这些发现为改善该区域生态安全和促进可持续发展提供了科学依据。