溝坡侵蝕匯水區黑土水分和養分的空間異質性

祁 志, 丁 超, 韓 興, 張興義

(1.吉林農業大學 資源與環境學院, 吉林, 長春 130118; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081)

作為中國糧食主產區和最大的商品糧基地，東北黑土區同時也是中國水土流失最為嚴重的區域[1]，坡面和溝道侵蝕均較為嚴重，水土流失主要發生于已墾坡耕地上，成為當前危害東北黑土糧食可持續生產的主要因素[2]。東北黑土侵蝕研究近年來得以重視，研究主要集中于黑土侵蝕特征、過程及其驅動機制上[3-4]，黑土水土流失危害領域主要側重于坡面侵蝕速率，即黑土層變薄速率[5]，黑土坡耕地土壤質量演變、水分脅迫、養分流失等，及其對作物產量的影響[6]。研究方法多采取典型坡面、小流域土壤性狀的空間異質性及其變化，比較土壤性狀改變與作物產量的空間關系解析土壤侵蝕對糧食生產的影響[7]。

黑土區土流失嚴重的坡耕地，坡面侵蝕多伴隨著溝道侵蝕，以黑龍江省為例，95%的侵蝕溝形成發育于坡耕地上[8]，研究發現，黑土溝道侵蝕具有顯著增加侵蝕強度的作用[8]。溝坡耦合侵蝕對坡耕地土壤質量和作物產量的影響鮮有報道。本研究在典型漫川漫崗黑土區選取溝坡侵蝕匯水區為研究對象，系統測定土壤水分及其季節性變化，測定土壤養分及作物產量，通過空間異質性分析，解析水土流失導致的土壤水分和養分空間變化對全坡面作物產量的影響，旨在為黑土水土流失危害評估和水土保持生態建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于黑龍江省海倫市光榮村，東北典型黑土區中部，商品糧核心產區，地理坐標為47°21′22.52″N，126°49′56.71″E。屬于中溫帶大陸性氣侯，四季分明，降水集中，近90%集中在5—9月份。多年平均降雨530 mm，年均氣溫1.5 ℃。光榮村屬漫川漫崗典型水土流失區，墾殖率80%，坡耕地占90%以上，平均坡度為2.55°，主要作物為大豆和玉米，一年一季，旋耕壟作，大豆的施肥量為250 kg/hm2，玉米的施肥量為400 kg/hm2，追肥量為250 kg/hm2，土壤為典型黑土[9]。

試驗區為中部沿坡向發育侵蝕溝所在坡面的匯水區，面積8.06 hm2，平均坡度3.84°，橫坡壟作，橫向條帶種植大豆和玉米。侵蝕溝屬發育于橫坡壟作的耕地中的小型切溝，長180 m，平均寬3 m，深1.5 m，切溝上端與兩條分叉的淺溝相連，淺溝長各約100 m，延伸到分水嶺處，溝尾與橫向交叉的一條中型溝連接，2017年秋收后利用秸稈填埋對切溝進行復墾[10]。

1.2 測定指標及方法

地形圖繪制與匯水區劃定。匯水區內布設5個控制點，用RTK測定控制點三維地理坐標信息后，利用無人機50 m高度低空攝影，圖片重疊率70%，由Pix 4D軟件處理圖像，使用ArcGIS軟件對生成的DEM等值線處理，獲得研究區域匯水區的1∶2 000等高線，手動圈出匯水區，并計算匯水區面積[11]。

匯水區測定樣點的確定。2019年春季播種前，坡面匯水區橫向間隔設置6行測定點，每行原溝道處設置2個測點，作為性狀比較的對照，原溝道線匯水區內左右最高點各設置1個測點，原溝道線和最高點間設置一個測定點，匯水區共布設33個測定點，利用RTK(中海達)測定每個測定點空間坐標，并計算樣點間的空間距離(見圖1)。

土壤性狀的測定。分別于2019年5月11日，6月15日，8月15日，9月11日使用環刀法分別測定樣點壟溝0—20 cm土層的土壤體積含水量、飽和含水量、田間持水量[12]；同步采集壟溝0—20 cm的混合土樣，用于測定土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。有機質含量使用德國產的Multi N/C 2100 S分析儀測定，全氮使用采用半微量開氏法測定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，堿解氮采用氫氧化鈉—硼酸擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提法測定。

作物產量測定。匯水區涉及多個農戶，條帶種植大豆和玉米。分別在溝頭、溝中、溝尾橫向條帶所對應的坡上、坡中、坡下位，收獲前測定玉米和大豆籽實產量。

圖1 匯水區采樣點分布

1.3 數據處理及分析

通過RTK提供地理坐標結合無人機攝影，使用ArcGIS軟件獲得匯水區的等高線和匯水區二維平面圖，使用GS+5.3 b對測定數據進行半方差函數分析并進行Kriging差值繪圖，利用Excel軟件進行經典統計學分析。

2 結果與分析

2.1 匯水區土壤水分性狀空間異質性

(1) 經典統計學變化分析。溝坡匯水區不同時期壟溝的土壤體積含水量的變異性均屬于中等變異(10%

溝坡匯水區土壤持水保水性能也具有顯著的空間差異。春季土壤田間持水量的范圍在26.3%～40.1%，雨季變為24.4%～40.0%，土壤田間持水量由8月15日之前的弱變異(CV<10%)變為之后的中等變異，是由于春季耕作整地及中耕使得表層土壤疏松，田間持水量變化趨小，降雨促使土壤回實加之徑流沖刷，導致變化增大。

土壤飽和含水量表明土壤最大儲水能力，匯水區也存在著較大的變異。春季匯水區壟溝土壤飽和含水量的范圍為28.8%～46.3%，雨季變為26.1%～43.1%，除6月15日之外匯水區土壤飽和含水量均屬于中等變異，6月15日壟溝土壤飽和含水量由中等變異轉為弱變異，可能的原因是連續3次的中耕均是在壟溝實施，疏松土壤所致；此后由進入雨季，降雨次數、雨量和雨強等增加，發生水土流失，導致土壤回實，容重增加，導致坡耕地匯水區各個位置土壤孔隙差異變大，壟溝土壤飽和含水量差異變大。

表1 2019年研究區溝坡侵蝕匯水區壟溝土壤水分

(2) 地統計學空間異質性分析。地統計學分析可很好地揭示了匯水區土壤水分的空間異質性及其時空演變特征。匯水區壟溝土壤體積含水量的半變異函數最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺值的范圍為0.001～0.198，均小于0.25，說明土壤體積含水量受到人為活動干擾較小，具有強烈的空間自相關性。

全生育期塊金值/基臺值先降低再升高，雨季后期8月15日比值接近為0，空間相關性最強，說明壟溝土壤含水量只是受地形地貌等結構性因子導致的水土流失影響，有效空間自相關距離變程最小，為52.2 m，雨季結束作物接近成熟的9月11日，塊金值/基臺值恢復到春季水平，受結構性因子影響降低，有效空間自相關距離增大到468.6 m(見表2)。

圖2 2019年研究區降雨量

匯水區壟溝土壤田間持水量的半變異函數最佳理論模型主要是指數模型，苗期5月11日塊金值/基臺值為0.497，表明變量具有中等的空間相關性，受人類活動引起的隨機因子和自然因素決定的結構因子影響各占50%，空間有效相關距離最大，為510.9 m，主要是收秋整地、播種等農耕作業對表層土壤頻繁擾動，降低了壟溝土壤田間持水量的空間異質性。其他時期塊金值/基臺值均為0.001，變量具有強烈的空間相關性，幾乎完全受自然因素決定的結構因子影響，空間有效相關距離在18.7～45.8 m，主要是降雨導致土壤自然回實以及水土流失共同作用，加大了壟溝土壤田間持水量的空間異質性。

表2 匯水區壟溝土壤性狀半變異函數理論模型及相應參數

匯水區壟溝土壤飽和含水量的半變異函數最佳理論模型各時期均為指數模型，塊金值/基臺值的變化與土壤田間持水量相反，除成熟期9月11日為0.202外，其余時期均小于0.003，塊金值/基臺值小于0.25，說明壟溝土壤飽和含水量受到人為干擾較小，變量具有強烈的空間相關性，主要受結構性因子影響，水土流失加劇了其空間相關性，空間相關距離較小，為22.1～55.8 m。

利用地統計學對土壤水分性狀進行了空間插值，繪制了4個觀測期性狀的空間分布(見圖3)。匯水區壟溝土壤體積含水量、田間持水量、飽和含水量均表現為5月和6月份坡上與坡下匯水線處含量較高，8月和9月坡下匯水線處含量較高。主要是受水土流失長期作用導致土壤和水分遷移再分配所致，東北黑土區坡耕地水土流失總體表現為坡中土壤侵蝕最重，坡上相對坡度較緩，土壤侵蝕較輕，坡下多為土壤沉積[12]。8月和9月雨季降水抵達地表后，形成地表徑流并向坡下和溝道中匯集，導致坡下匯水線處水分含量較高。

2.2 匯水區土壤養分空間異質性

(1) 經典統計學變化分析。溝坡匯水區不同時期壟溝的土壤養分的變異性見表3。土壤有機質含量具有顯著的變異。春季土壤有機質含量的范圍在32.3～47.9 g/kg，雨季變為23.9～49.7 g/kg，土壤有機質含量由6月15日之前的弱變異變為之后的中等變異，是由于6月15日之后，雨季到來，降雨次數、雨量和雨強等增加，發生水土流失，導致土壤有機質的遷移，變化增大。溝坡匯水區土壤全氮含量同樣變異較大，春季土壤全氮含量范圍為1.0～1.3 g/kg，雨季變為0.8～1.5 g/kg，由6月15日之前的弱變異變為之后的中等變異，也是由于雨季水土流失導致土壤氮隨徑流和土壤遷移，全氮含量的變化增大。溝坡匯水區土壤全磷含量整體變化范圍變化較小，春季全磷含量的變化范圍為0.3～0.6 g/kg，雨季為0.3～0.5 g/kg，均屬于中等變異，說明分布不均勻，水土流失導致土壤磷的遷移是造成全磷含量分布不均的原因之一。

表3 研究區溝坡侵蝕匯水區壟溝土壤養分

溝坡匯水區土壤有效養分氮磷鉀含量變化較大。土壤堿解氮含量整個生育期均屬于中等變異，春季范圍為91.9～154.3 mg/kg，雨季為77.2～139.7 mg/kg。由于匯水區坡耕地涉及多個農戶，種植作物為玉米和大豆，施肥量不同，因此施肥不均和作物氮素利用不同是除水土流失外導致土壤堿解氮含量的差異的重要原因，雨季堿解氮含量整體降低是這3種因素共同作用的結果。溝坡匯水區土壤速效磷含量，春季范圍為30.3～45.9 mg/kg，雨季為29.1～74.0 g/kg，由6月15日之前的弱變異變為之后的中等變異，表明水土流失對土壤速效磷的影響較大。溝坡匯水區土壤速效鉀含量，春季范圍為91.4～161.8 mg/kg，雨季為81.3～171.9 mg/kg，均屬于中等變異，受種植作物、施肥量和水土流失等共同影響。

圖3 研究區溝坡侵蝕匯水區土壤水分性狀空間分布及其季節變化

(2) 地統計學空間異質性分析。如表4所示，地統計學分析表明匯水區土壤有機質和養分含量具有顯著的空間異質性。匯水區壟溝土壤有機質含量的半變異函數最佳理論模型主要是球狀模型和指數模型，塊金值/基臺值的范圍為0.001～0.003，接近為0，具有強烈的空間相關性，說明土壤有機質含量空間變化幾乎不受人類土壤耕作、作物種植和施肥等人類活動影響，完全受地形地貌等結構因子導致的水土流失的影響，有效空間自相關距離較小，為21.7～71.3 m。匯水區壟溝土壤全氮的半變異函數最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺值的范圍為0.001～0.267，春季5月11日和6月15日塊金值/基臺值為0.001，接近為0，具有強烈的空間相關性，說明土壤全氮含量只受地形地貌等結構因子的影響，空間有效距離分別為23.8 m和87.3 m；雨季后期8月15日塊金值/基臺值為0.267，變量的空間相關性由強烈轉變為中等，受人類活動影響的加大，隨機因子和自然因素決定的結構因子的影響分別占26%和74%，空間有效距離為49.4 m；雨季結束的9月11日塊金值/基臺值降低，變為0.025，變量回升到強烈的空間相關性，有效空間自相關距離增大到93.2 m。匯水區壟溝土壤全磷的半變異函數最佳理論模型主要是指數模型，塊金值/基臺值的范圍為0.077～0.201，均小于0.25，說明土壤全磷受到人為活動干擾較小，具有強烈的空間自相關性；全生育期塊金值/基臺值呈下降趨勢，有效空間相關距離呈先下降后升高的趨勢，春季為477.3～487.7 m，雨季后期8月15日減小為87.1 m，雨季結束的9月11日又增加到510.9 m。

匯水區壟溝土壤堿解氮的半變異函數最佳理論模型各時期均是球狀模型，塊金值/基臺值的范圍為0.001～0.131，均小于0.25，說明土壤堿解氮受到人為活動干擾較小，具有強烈的空間自相關性。苗期5月11日塊金值/基臺值為0.001，接近于0，具有強烈的空間相關性，說明土壤堿解氮含量只受地形地貌等結構因子的影響，空間有效距離為69.7 m；雨季初期6月15日塊金值/基臺值升高為0.131，空間有效距離增加至90.8 m；雨季后期8月15日和雨季結束9月11日，塊金值/基臺值恢復至春季水平，均為0.001，空間有效距離下降為63.9～66.1 m。匯水區壟溝土壤速效磷的半變異函數最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺值的范圍為0.001～0.072，塊金值/基臺值小于0.25，說明土壤速效磷受人為活動干擾影響也較小，空間自相關性較強；苗期5月11日塊金值/基臺值為0.001，接近于0，具有強烈的空間相關性，說明土壤速效磷含量只受地形地貌等結構因子的影響，空間有效距離為65.8 m；雨季初期6月15日塊金值/基臺值升高為0.072，空間有效距離增加至84.3 m；雨季后期8月15日塊金值/基臺值下降為0.027，空間有效距離增加至146.8 m；雨季結束9月11日塊金值/基臺值和空間有效距離均恢復至春季水平。匯水區壟溝土壤速效鉀的半變異函數最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺值的范圍為0.003～0.011，塊金值/基臺值小于0.25，具有強烈的空間相關性，說明土壤速效鉀受到人為活動干擾較小，主要受地形地貌等結構因子的影響；苗期5月11日塊金值/基臺值為0.005，接近于0，說明土壤速效鉀含量只空間有效距離為71.0 m；雨季初期6月15日和后期8月15日塊金值/基臺值上升為0.011，空間有效距離增加至149.6～510.0 m；雨季結束9月11日塊金值/基臺值恢復至春季水平，為0.005，空間有效距離下降為22.6 m。

表4 匯水區壟溝土壤性狀半變異函數理論模型及相應參數

利用地統計學對土壤養分性狀進行了空間插值，繪制了4個觀測期性狀的空間分布圖(見圖4)。匯水區壟溝土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均表現為5月分布相對均勻，6月坡上和坡下匯水線處含量較高，8月和9月坡下匯水線處含量較高，主要是受水土流失長期作用，雨季降雨抵達地表形成地表徑流，向坡下和匯水線處匯集，土壤養分隨徑流遷移，部分隨徑流流入河道造成養分流失，導致8月和9月養分含量總體低于5月。

圖4 研究區溝坡侵蝕匯水區土壤養分性狀空間分布及其季節變化

2.3 對作物的影響

如表5所示，坡耕地匯水區涉及7戶農戶，3戶種植大豆，4戶種植玉米，作物種類和品種之間都有較大差異，不能縱向比較坡上、坡中、坡下的產量，只能橫向比較相同壟上的同一作物產量。在同一條壟上，匯水線附近的作物產量量高于溝坡處作物產量，大豆產量表現為：上游橫向溝坡較較匯水線附近耕地減產6.7%；中游橫向溝坡較坡中耕地減產6.2%；下游橫向溝坡較匯水線附近耕地減產37.3%；玉米產量：與大豆相似的位置分別減產7.7%，12.9%和19.9%。

相同作物，上游溝坡位的產量與其橫向對應匯水線附近的產量差距較小，主要是上游橫向地勢變化較小，即橫向坡度較緩，其位置生長的作物與同一條壟上作物的生長環境相似，養分與水分含量差距較小，因此，產量相差小；中游溝坡的作物產量明顯低于橫向對應匯水線耕地的作物產量，主要是由于橫向坡度較陡，徑流沿壟溝橫向向溝線匯集，表層土壤被沖走，養分流失，導致作物產量差異增大。下游溝坡的作物產量也明顯低于匯水線附近的作物產量，是由于下游溝道侵蝕最為嚴重，水土流失導致的土壤水分和養分的遷移所致。

表5 研究區淺溝不同位置溝坡與耕地產量 kg/hm2

3 討 論

坡耕地匯水區為橫坡壟作，壟間距70 cm，壟臺比壟溝高20 cm，雖然橫坡壟作能有效降低水土流失[13]，但由于匯水區中部存在凹型微地形，雨季徑流匯集于匯水線，長期的沖刷造成溝道形成與發育，溝道侵蝕發生后，坡面沿壟向徑流流速、沖刷動能均增加，導致水土流失加劇，即溝道侵蝕加速坡面侵蝕[14]。

坡耕地匯水區土壤水分空間異質性強，且存在季節差異，通過實測發現春季土壤體積含水量的最高值是最低值的1.7倍，雨季變為1.75倍；春季土壤田間持水量的最高值是最低值的1.5倍，雨季變為1.65倍；春季土壤飽和含水量的最高值是最低值的1.6倍，雨季變為1.65倍；主要是因為雨季土壤的入滲速率下降(見圖5)，隨著降雨次數、雨強、雨量增加(見圖2)，徑流量增大，土壤水分隨徑流發生遷移，水分空間分布發生變化。

坡耕地匯水區土壤養分空間異質性強，且存在季節差異，通過實測發現春季土壤有機質含量的最高值是最低值的1.48倍，雨季變為2倍；春季土壤全氮含量的最高值是最低值的1.3倍，雨季變為1.9倍；春季土壤全磷含量的最高值是最低值的2倍，雨季變為1.7倍；春季土壤堿解氮含量的最高值是最低值的1.7倍，雨季變為1.8倍；春季土壤速效磷含量的最高值是最低值的1.5倍，雨季變為2.5倍；春季土壤速效鉀含量的最高值是最低值的1.8倍，雨季變為2.1倍；土壤速效養分主要受自然地形地貌、降雨等結構性因子影響大，這些結構性因子造成匯水區溝道侵蝕與坡面侵蝕，溝道侵蝕與坡面侵蝕造成水土流失，養分隨徑流和土壤遷移，養分空間分布發生變化。溝坡侵蝕加劇坡耕地水分、養分空間異質性。

整個坡耕地匯水區的土壤水分和養分的空間異質性強烈，主要體現在兩個方面，首先匯水區溝道附近耕地與坡面耕地土壤水分和養分分布不均，其次，坡上、坡中、坡下土壤水分和養分分布不均。研究區為橫坡壟作，地表徑流主要沿壟溝向中部的溝道匯水線匯集，然后再沿匯水線沿坡向向下匯流，流出田塊。坡位不同，其坡度不同，徑流不同，其導致的結果是水分、養分多集中于溝坡處，匯水區溝道附近耕地與坡面耕地水分、養分含量差異較大，導致坡耕地匯水區空間異質性增大；而坡上、坡中、坡下總體的水分、養分含量存在差異，導致坡上、坡中、坡下總體空間異質性變化，且坡上、坡中、坡下的空間異質性隨著季節的變化而變化，土壤水分和養分表現出相似的規律，5—6月坡上與坡下含量較高，8月和9月坡下含量較高，導致不同時間段坡上、坡中、坡下的空間異質性存在差異。

整個坡耕地匯水區的作物產量也受到溝坡侵蝕的影響，玉米最高產量是最低產量的1.9倍，大豆最高產量是最低產量的1.3倍，是由于溝坡侵蝕對坡耕地匯水區造成水土流失，使得匯水區的水分、養分含量分布不均，最終作物產量下降。

橫坡壟作雖是坡面很好的水土保持措施，由于存在微地形，匯水區易發生溝道侵蝕，溝道侵蝕會加速坡面侵蝕，導致坡耕地土壤質量下降，水分脅迫，最終造成作物減產，因此坡耕地水土流失需溝坡同步治理。

圖5 研究區溝坡侵蝕匯水區不同位置入滲速率及季節變化

4 結 論

(1) 溝坡侵蝕對黑土坡耕地土壤水分性狀造成了顯著的影響。土壤含水量變異系數為12.2%～17.4%，其中以9月份差異最大，范圍為17.2%～31.7%，以坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低。同時對土壤持水性能也造成了影響，土壤田間持水量變化范圍為26.0%～39.3%，土壤飽和含水量變化范圍為27.6%～44.4%，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低。

(2) 溝坡侵蝕對黑土坡耕地土壤養分也造成了顯著的空間差異。土壤有機質含量的變異系數為8.8%～13.7%，其中以9月份差異最大，范圍為24.6～44.4 g/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低；土壤全氮含量的變異系數為8.2%～17.5%，其中以6月份差異最大，范圍為0.9～1.7 g/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低；土壤全磷含量的變異系數為10.6%～13.6%，其中以5月份差異最大，范圍為0.3～0.6 g/kg，以坡上、坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低；土壤速效養分的變異系數為9.3%～27.0%，均以8月份差異最大，堿解氮、速效磷、速效鉀的范圍分別為77.2～139.7 mg/kg，29.1～74.0 mg/kg，81.3～171.9 mg/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低。

(3) 溝坡侵蝕匯水區土壤水分和養分空間異質性，最終導致作物產量的差異。大豆和玉米產量變化范圍分別為1 669～3 223 kg/hm2，8 177～10 871 kg/hm2，大豆玉米的最低產量均出現在下游溝坡處，溝坡侵蝕對大豆產量的影響大于玉米。單純等高壟作，由于受微地形變化的影響，不能完全阻止水土流失，應采取秸稈覆蓋等水土保持措施。