亚热带山区土壤类型随海拔变化而分化过程中影响土壤团聚体稳定性的因素

《CATENA》：Influencing factors of soil aggregate stability under altitude-driven soil type differentiation in subtropical mountainous areas

土壤团聚体稳定性在亚热带山区呈现海拔梯度变化，有机碳（SOC）和大孔隙结构通过“有机-孔隙-基质”三元系统协同驱动稳定性。研究表明SOC含量、大孔隙参数（如半径、数量、孔隙比）与基质性质（密度、质地）共同影响团聚体稳定性，且稳定性在海拔968-1163米区间达到峰值，与温度、湿度及微生物活动相关。所有指标均随土壤深度增加显著降低，表层土壤指标较亚表层高23%-87%。PLS-SSEM模型证实SOC是核心胶结物质，而海拔和深度通过调节基质-孔隙-有机质耦合关系间接影响稳定性。该研究深化了对亚热带山地土壤结构形成机制的理解。

　　

苏秋霞|李玉云|罗彩蕾|杨金辉|梁文聪|卢峰|罗伟生|唐秋月|秦志伟|刘雄辉|邓玉松

中国广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁530004

摘要

土壤团聚体的稳定性对于山区土壤保护和生态系统功能的维持至关重要。然而，目前对于亚热带山区连续海拔梯度上土壤结构稳定性变化模式和机制的理解仍然有限。本研究通过在不同海拔梯度上设置样地，系统分析了土壤团聚体稳定性的分布模式及其驱动因素。结果表明，团聚体稳定性（以平均湿筛径MWD_wet表征）和土壤有机碳（SOC）含量随海拔高度的变化显著（p < 0.05），整体呈现出单峰分布。土壤大孔特性通常随海拔升高而增加。所有指标均表现出随土壤深度增加而显著下降的趋势。表土的MWD_wet、SOC含量和大孔指数显著高于底土（p < 0.05）。从表土到底土，MWD_wet下降了23%–42%，SOC含量下降了57%–85%，而孔隙参数（包括平均半径（r）、孔隙数（n）、面积比（S/S₀）和体积比（V/V₀）分别下降了52%–68%、53%–73%、74%–82%和71%–87%。偏最小二乘结构方程模型分析显示，作为核心胶结物质的SOC与由基本土壤性质形成的基质环境中的大孔结构所提供的物理空间协同作用，直接决定了团聚体稳定性。海拔和土壤深度通过系统调节这一“有机质-孔隙-基质”三相系统而产生间接影响。因此，亚热带山区土壤团聚体稳定性的核心驱动因素是SOC、大孔结构和基本土壤性质，而海拔和土壤深度则通过调节这些核心因素产生间接影响。这些指标的协同变化模式从根本上反映了土壤形成顺序如何受海拔影响，进而塑造了土壤结构。这一发现加深了我们对亚热带山区土壤结构与功能形成机制的理解。

引言

土壤是陆地生态系统的核心组成部分，不仅是植物生长的介质，也是地球上关键生物地球化学循环的重要载体和反应界面（Rabot等，2018）。在土壤结构的多尺度组成中，土壤团聚体被视为最基本的构建单元，其形成、稳定性和周转过程代表了土壤结构形成和演变的中心环节。土壤团聚体是由不同大小的矿物颗粒（如粉砂、粘土和沙粒）与包括有机物、微生物及其分泌物在内的胶结物质结合而成的（Yang等，2023）。它们的稳定性反映了土壤团聚体在外部干扰下保持结构完整性的能力（Rieke等，2022）。团聚体稳定性是土壤结构、功能和抗侵蚀性的关键指标（Amézketa，1999；Li等，2020）。团聚体稳定性受到多种因素的协同调节，这些因素具有密切相关的机制。首先，基本土壤性质（如容重、质地和矿物组成）为团聚体的形成提供了初始基质。这些特性决定了初始颗粒排列、电荷环境和反应界面，为后续过程奠定了基础（Wu等，2017）。在此基础上，土壤孔隙结构——特别是大孔——作为水、气体、溶质和微生物迁移的关键通道而发展起来。这种结构调节了土壤基质内的物质和能量空间分布和流动，从而创造了有利于有机物传输、分布和微生物活动的异质微环境（Ding等，2025；Yudina和Kuzyakov，2023）。最终，在基本土壤性质和孔隙结构共同影响的环境中，土壤有机碳（SOC）作为最活跃的胶结剂，通过化学键合和物理包裹直接连接矿物颗粒，促进团聚体的组装和巩固（Chaplot和Cooper，2015；Yu等，2017；Yu等，2020）。 海拔梯度为研究这些因素如何协同影响团聚体稳定性提供了独特的“自然实验室”。在海拔变化过程中，温度、降水、植被和微生物群落等环境因素表现出连续且显著的分带性。这些因素驱动了基本的土壤物理化学性质（Han等，2023）、SOC（Garcia-Franco等，2024；Hou等，2019）、微生物活动（Cao等，2021；Zhang等，2024）等，从而影响团聚体稳定性。尽管大多数研究表明，随着海拔升高有机物积累增加会促进团聚体稳定性（Zhang等，2024；Tsozué等，2019），但在特定海拔范围内，强烈的淋溶、严重的冻融循环或干湿交替条件可能会加剧这些过程，可能抵消有机物的稳定作用甚至破坏土壤团聚体（Garcia-Franco等，2024）。同时，土壤形成过程的变化深刻影响了土壤孔隙结构（Xu等，2025a；Xu等，2025b；Wu等，2023），并影响了SOC与微生物群落之间的相互作用模式（Wang等，2024）。此外，植被类型的改变可能导致有机物输入的数量和质量的异步变化（Li等，2023a；Li等，2023b），从而影响团聚体稳定性。显然，在这一相对复杂的研究背景下，沿海拔梯度的团聚体稳定性响应模式存在不一致的结果，包括单峰、线性或波动趋势。虽然这些发现对具有相似气候和成土背景的山区系统具有参考价值，但在岩石类型、土地利用历史或人为干扰强烈的地区，可能会出现显著差异。其普遍性需要在更广泛的地理和生态背景下进行验证。因此，在亚热带山区进行系统研究以彻底分析其驱动因素具有重要的理论和实践意义。 亚热带地区拥有多样化的土壤类型，主要包括红壤、红土和黄土。这些土壤的形成受到强烈风化和淋溶过程的影响，导致酸性条件、低碱饱和度和高铁铝氧化物含量。此外，该地区还表现出明显的垂直植被分带性。凋落物量的差异可能通过调节微生物群落和有机物转化途径来不同地驱动团聚体的形成（Li等，2007；Pérès等，2013）。显然，在亚热带地区，沿海拔梯度的团聚体稳定性模式可能表现出更复杂的特征。然而，关于独特土壤形成环境（如高温和高湿度、强烈淋溶以及亚热带山区铁铝富集）如何影响团聚体形成和稳定机制的系统研究仍然较少。深入探讨这一问题对于理解海拔对土壤团聚体稳定性的影响及其影响因素具有重要的理论和实践意义。因此，本研究选择了位于中国南亚热带和中亚热带过渡带的广西大瑶山进行调查：（1）揭示沿海拔梯度和土壤层次的土壤团聚体稳定性及其相关指标的空间分布模式；（2）分析有机碳和大孔分布与团聚体稳定性模式之间的内在关系；（3）阐明上述模式与土壤类型垂直分带性之间的耦合关系，并揭示影响团聚体稳定性的关键驱动途径。本研究旨在为亚热带地区土壤团聚体稳定性研究提供理论支持，并为其独特环境条件下的土壤侵蚀管理提供理论参考。

研究区域

研究区域位于广西壮族自治区来宾市金秀瑶族自治县的大瑶山区（东经109°50′–110°27′，北纬23°40′–24°28′）（图1），总面积为25,594.7公顷，其中森林面积为24,596.3公顷，森林覆盖率为96.1%。研究区域的山地地形起伏较大且陡峭，海拔范围为110–1979米。坡度较陡，坡度超过25°的比例占67.4%。

基本土壤性质和有机碳的海拔及垂直梯度变化模式

在垂直剖面中，D、K、BD和SWC存在显著差异（p < 0.05）。表层土壤（O、A）通常表现出较低的D、K和BD值，但这些参数随土壤深度增加而显著增加，而SWC则表现出相反的趋势（图2）。低海拔处的BD、SWC和K与高海拔处的相应指标相比存在显著差异（p < 0.05）。随着海拔升高，BD和K总体上呈下降趋势，而SWC...

团聚体稳定性的空间分布特征

本研究中测得的MWD_wet值在968至1163米的海拔范围内较高（图5）。这一发现与Six等人（2004）在阿尔卑斯山亚高山带的结论一致，表明中等海拔处的相对较低温度和较高湿度有效减缓了有机物的分解，促进了有机胶结物质的积累，从而增强了团聚体稳定性（Jozedaemi和Golchin，2024）。在1269米处，MWD_wet...

结论

本研究揭示了亚热带山区沿海拔梯度的土壤团聚体稳定性的变化模式及其潜在机制。研究结果表明，MWD_wet和SOC分布随海拔高度存在显著差异（p < 0.05），整体呈现出单峰变化；土壤大孔特性随海拔升高而增加。此外，所有指标均随土壤深度显著下降，表层土壤的MWD_wet...

作者贡献声明

苏秋霞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，调查，正式分析，数据管理，概念化。 李玉云：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据管理。 罗彩蕾：撰写 – 审稿与编辑，调查。 杨金辉：撰写 – 审稿与编辑，调查。 梁文聪：撰写 – 审稿与编辑，调查。 卢峰：撰写 – 审稿与编辑，调查。 罗伟生：撰写 – 审稿与编辑，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢以下机构为研究提供的财政支持：国家自然科学基金（32460424）、广西科技基地和人才专项项目—亚热带国家重点实验室项目（Guike AD25069107）以及国家大学生创新创业训练计划（202510593041）。