东北黑土区长缓复合侵蚀坡面土壤可蚀性参数特征*

2020-06-23张加子琦贾燕锋王佳楠王迪晨

土壤学报 2020年3期

张加子琦，贾燕锋，王佳楠，齐曦，王迪晨

（沈阳农业大学水利学院，辽宁省水土流失防控与生态修复重点实验室，沈阳110866）

东北黑土有机质丰富，土壤肥力高，黑土区是中国重要的商品粮食基地之一。但是，自东北黑土区开垦以来，由于人为不合理的生产经营活动及自然条件等因素的影响，土壤侵蚀严重，土地生产力下降[1]。黑土区地貌特点主要是山前波状起伏台地或漫岗地，坡度较缓，坡度一般为 1°～8°，坡长一般为500～2 000 m，最长达4 000 m[2]。刘宝元等[3]对东北松嫩黑土区农地水土流失监测结果表明，其水土流失面积占该区坡耕地面积的77.54%，表明坡耕地是东北黑土区水土流失治理的重点。而现有黑土区坡面侵蚀影响因素的研究主要集中在坡耕地小区观测和降雨模拟试验，但目前对野外实地长缓坡耕地坡面侵蚀特征研究仍不够深入，且现有研究很少涉及坡长因子。因此，长缓坡耕地的土壤侵蚀特征研究是防治东北黑土水土流失的关键。

土壤侵蚀是造成土壤退化的主要原因[4]，土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度和评价土壤应对外部侵蚀能力的重要指标，是影响土壤流失的内在因素，对研究坡面土壤侵蚀有着重要意义[5-6]。土壤可蚀性具有时间和空间上的分异特征，具有明显的季节变化特征，且与地貌特征、微地形部位以及纵向的坡面分布等空间因素存在密切关系[7]。Mutchler和Carter[8]通过对美国缅因州径流小区研究发现土壤可蚀性存在季节性变化。东北黑土区土壤侵蚀过程风力—水力—重力—冻融多营力多过程重叠耦合特征明显[9]。春季融水与冻融作用相伴，气温变化、冻融交替作用是影响土壤性质的主导因子；在夏、秋季节以水力侵蚀为主要的侵蚀形式，降雨径流和干湿交替作用是影响土壤性质的主导因子，多营力复合侵蚀过程及效果不同于单一营力的侵蚀过程，冻融与水力、风力等外营力复合作用造成的土壤侵蚀问题远大于单一侵蚀营力本身的危害。目前，我国复合侵蚀的研究大多针对于黄土高原地区的风水复合侵蚀但针对东北黑土区多营力复合侵蚀的研究还是一片空白。土壤可蚀性的研究大多针对于单一的水力侵蚀，且维持在小区模拟试验。至今关于黑土区多营力复合侵蚀条件下的野外土壤抗蚀性试验研究还较为少见，也使得多营力复合侵蚀防治工作难以有效进行。

土壤可蚀性的大小受诸多因素影响，可由多种不同的内在土壤性质和外在侵蚀营力加以反映。尽管如此，土壤结构和土壤强度仍是表征土壤可蚀性最为重要的参数[10]。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，是土壤生态系统的综合参数[11]，是侵蚀敏感性的有效指示因子[12]。相关研究发现，土壤团聚体含量、团聚体大小、团聚体分形维数、平均质量直径、平均几何直径等均与土壤可蚀性显著相关，可作为表征土壤可蚀性的重要参数[10，13]。近年来，国内部分学者将土壤的力学性质引入到了土壤的抗蚀性研究之中，认为土壤抗剪强度可作为表征土壤可蚀性的重要参数，综合反映土壤对侵蚀动力的响应[14-18]。虽然有越来越多的学者将目光聚焦于土壤可蚀性与土壤团聚体、土壤抗剪强度的相关性上，但是采用土壤团聚体和土壤剪切力综合表征土壤可蚀性，并与长缓坡面复合侵蚀形式相结合的研究工作还较少。鉴于此，本文选择黑龙江省克山县克山农场的一个长缓坡面为研究对象，采用LB 团聚体测量法量化土壤团聚体特征，并测量原状土壤剪切力大小综合表征土壤可蚀性，揭示东北黑土区长缓坡面复合侵蚀营力对土壤可蚀性特征的影响，为减少黑土区长缓坡耕地水土流失提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省克山县黑龙江农垦总局克山农场（48.35157°N，125.4492°E）。克山县位于黑龙江省西部，是小兴安岭伸向松嫩平原的过渡地带，地形起伏变化大，地势东北高西南低，地貌类型为波状起伏台地，丘陵漫岗地占80%，境内有乌裕尔河、讷谟尔河、润津河等5 条河流。属典型黑土区，主要土壤为黑土，土壤质地为粉壤土，平均耕层土壤容重为1.05 g·cm-3，有机质含量为26.63 g·kg-1，全氮含量为1.43 g·kg-1，pH 为6.07。黑土层厚度约30 cm，素有“黑土明珠”之称，截至2015 年克山县耕地面积1 467 km²[19]。由于地处中高纬度、欧亚大陆东岸，冬季严寒漫长，夏季短促、温热多雨，春季多风、少雨干旱，中温带大陆性季风气候特点明显：根据1961—2004 年克山站气象资料统计，年均降水量503 mm，2018 年降水主要集中在6—9 月约占全年降水量的80%，年均气温1.9℃，年均无霜期 124 d，年均日照时数 2 661 h，年均风速为2.76 m·s-1。黑龙江农垦总局克山农场开垦历史50多年，耕作深度约30 cm，坡长约2 200 m，多年来的耕作方式均为顺坡起垄耕作，采用秋季整地，春季点播播种的种植方式。主要农作物为玉米和大豆。

1.2 采样方法

土样采集于克山县克山农场一块典型漫川漫岗长缓坡耕地，土壤样品采集时间为2018 年4 月（播种前）和2018 年9 月末（秋收前），样地土壤未遭到人为破坏。鉴于东北黑土区典型长直型坡耕地坡面侵蚀强度均存在坡长为142 m 的振荡周期[20]，本研究选取坡长 150 m，在坡面上沿垄作方向从南向北在垄台上取样，每隔30 m 为一个采样点，采样深度为 30 cm，每 10 cm 为一层，采用大饭盒直接扣入土中取原状土，将土样带回实验室，自然风干，全部土样过3～5 mm 筛，用于测定水稳定性团聚体含量，每个指标测定三组重复。在取团聚体土样时，用袖珍十字板剪力仪（WXSZB）直接测定坡面原状土的土壤剪切力；同时取样测定土壤含水率及容重。

1.3 测定方法

Le Bissonnais（LB）法主要依据土壤水稳性团聚体的不同破坏机制进行设计，针对不同的破坏机制共有三种相对独立的处理方式：快速湿润处理（Fast Wetting，FW），慢速湿润处理（SlowWetting，SW），机械振荡处理（Wetting Stirring，WS）。Kemper 和Koch[21]、Piccolo 等[22]通过研究表明，慢速湿润处理（SW）主要依赖土壤黏粒的非均匀涨缩使团聚体遭到破坏，仅当土壤中含有大量具有膨胀性晶格的黏土矿物时，这种破坏机制才会得以明显表达。薄层黑土胶体矿物以水云母类及蒙脱石矿物（2︰1 型具膨胀晶格矿物）为主，可用慢速湿润处理法处理的水稳团聚体作为评价薄层黑土土壤团聚体稳定性的敏感性指标[23]。所以，本研究应用慢速湿润处理（SW）测定水稳性土壤团聚体。具体测定方法见相关文献[24-25]。

1.4 计算方法

平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）由式（1）和式（2）计算：

式中，xi为土壤粒级的平均直径（mm）；wi为不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例。

土壤团聚体分形维数计算公式如式（3）和式（4）：

两边取以10 为底的对数：

式中，D为土壤水稳性团聚体各粒级分布的分形维数；W为直径小于Ri累积质量；WT为总质量；Ri为两相邻粒级Ri与Ri+1间土粒平均直径；Rmax为最大粒级土粒平均直径[26]。

所有实验数据采用 SPSS17.0 进行统计分析，采用LSD 法进行显著性相关性检验，采用SigmaPlot10.0作图。

2 结果

2.1 ＞0.2 mm 水稳性团聚体特征

土壤团聚体作为土壤的重要组成部分，一般以0.25 mm 为界线将团聚体分为大团聚体，许多研究将＞0.25 mm 水稳性团聚体含量作为土壤抗蚀性指标。本研究应用慢速处理法（SW）测定春、秋两季土壤大团聚体含量（图 1a、图 1b）。由于 LB 方法中没有 0.25 mm 粒级分级，所以本研究将＞0.2 mm水稳定性团聚体含量，记为＞0.2 mm。春秋两季土壤团聚体均以＞0.2 mm 的水稳性团聚体为主，春季其变化范围在64.94%～99.08%之间，秋季其变化范围在94.90%～99.47%之间，大团聚体含量较高主要是由于克山农场采用秋耕的整地方式，春季采用点播方式播种，减少了耕作侵蚀，春季采样后到秋季采样前地表扰动少，所以秋季＞0.2 mm 团聚体含量总体高于春季。春季＞0.2 mm 团聚体含量的大小顺序均为坡长 0 m ＞30 m＞150 m＞60 m＞120 m＞90 m，秋季则无明显差异。不同土壤深度，春季10～20 cm层＞0.2 mm 团聚体含量总体低于0～10、20～30 cm层，60～120 m 坡长的 10～20 cm 层与其他不同坡长之间均呈显著性差异；秋季30 m 坡长10～20 cm层＞0.2 mm 团聚体含量最大，60 m 坡长 20～30 cm层最小，不同土层之间总体上差异性不显著。

图1 不同坡长和土层下＞0.2 mm 水稳性团聚体特征Fig. 1 Properties of ＞0.2 mm water-stable aggregates

2.2 土壤结构和水稳性特征

土壤水稳团聚体是指土壤团聚体对于外来破坏性作用力的脆弱性的度量[27]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，对土壤可蚀性具有显著影响。土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评价土壤结构和水稳性的重要指标之一，二者变化趋势基本一致。MWD 和GMD 值越大表示团聚体的团聚程度越高，稳定性越好[28]。春季MWD值范围为 0.807～1.608 mm（图 2a），GMD 值范围为0.591～1.481 mm（图3a）。春季采样MWD 值在150 m 坡长 20～30 cm 层最大，90 m 坡长 10～20 cm层最小，除90 m 和120 m 坡长，MWD 值均随土层加深而增大。MWD 值除表层表现为坡长30 m＞0 m外，总体表现为坡长0 m＞30 m＞60 m＞150 m＞120 m＞90 m。GMD 值除 90 m 坡长 10～20 cm 层高于表层外，趋势与MWD 值相同。说明90 m 和120 m 坡长团聚体的团聚度较低，土壤结构稳定性较差，土壤易受到侵蚀，土壤抗蚀性较差。这与王禹等[20]通过137CS 和210Pbex 复合示踪的方法对长直型坡耕地的侵蚀速率在90 m～120 m 坡长侵蚀速率最大的结果相一致，表明土壤团聚体MWD 值可表示坡面土壤可蚀性大小。

秋季采样 MWD 值最大值为 1.717 mm，最小值为1.353 mm，分别出现在30 m 坡长 10～20 cm层和表层。秋季 MWD 值范围为 1.353～1.717 mm（图 2b），GMD 值范围为 1.1 912～1.639 mm（图 3b）。MWD 和GMD 值总体均随土层深度增加而增加，秋季取样各层土壤 MWD 和 GMD 值较春季取样差距减小，坡长 30 m 和 120 m 处的 10～20 cm 和 20～30 cm 层的 MWD 和 GMD 值均表现为无显著性差异；MWD 与 GMD 值总体趋势为坡长 30 m＞0 m＞120 m≈150 m＞60 m＞90 m，变化趋势与春季取样不同主要是由于二者侵蚀营力不同，降雨、径流作用下的水蚀，产生径流携带泥沙至30 m 坡长处产生沉积，导致秋季30 m 坡长处MWD 值与GMD 值较0 m坡长处增大。春季与秋季的 MWD 和 GMD 值在不同坡长与土层下总体上均表现为显著性差异。总体上秋季MWD 值为春季的1.27 倍，秋季GMD 值为春季的1.37 倍，说明秋季坡面黑土土壤抗蚀性较春季土壤抗蚀性好。

2.3 土壤团聚体分形特征

图2 平均质量直径（MWD）特征Fig. 2 Characteristics of mean weight diameter（MWD）

图3 平均几何直径特征Fig. 3 Characteristics of geometric mean diameter（GMD）

分形维数D是评价土壤团聚体特征的更敏感且更准确的参数，土壤团聚体结构分形维数与土壤性质之间存在显著定量关系。随着土壤团聚体粒级的减小土壤分形维数增大，反之分形维数减小。且土壤扰动越大，团聚体的分形维数越高，分形维数越低，则表征了相对越松散、通透性越好的土壤结构性状，土壤团聚体粒级分布的分形维数能客观反映团粒结构特征和土壤紧实程度。春季土壤水稳性团聚体各粒级分布的质量分形维数D在1.688～2.602之间（图 4a），秋季D在 1.483～2.142 之间（图 4b）。这与李阳兵等[29]土壤团聚体粒径分布的分形维数介于1.664～2.830 之间结论相近。由于春秋两季采集土样大多数点位＞0.2 mm 土壤团聚体均占各粒级含量总和的90%以上，所以D较小，说明土壤扰动较小。春季D除在30 m、120 m 坡长的10～20 cm 层高于0～10 cm 层外，其余点位均为0～10，10～20，20～30 cm 层依次减小。各点位土层之间变化趋势基本相同，总体D大小顺序为坡长0 m＜30 m＜150 m＜60 m＜90 m＜120 m，说明春季坡面土壤在 90 m、120 m 处扰动较大，在0 m 处扰动最小。除0 m 与30 m，60 m 与90 m 表层土壤D差异不显著外，其他坡长之间均表现为显著性差异；不同土层之间总体上均表现为显著性差异。

秋季D最大值在坡顶表层，为2.142。坡长30 m处 0～10 cm 层D值最大，10～20 cm 和 20～30 cm层D基本一致。总体上不同坡长与土层之间差异性显著。由于夏季到秋季的主要侵蚀营力为降雨在坡面产生径流和雨滴的打击，因此在坡顶（0 m）处降雨对土壤产生的扰动较大，由于径流携带泥沙会在一定产流后产生饱和，因此在30 m 坡长处产生轻微的泥沙沉积，30 m 坡长非表层产生的土壤扰动较小。秋季D值在坡长60 m 处20～30 cm 土层高于10～20 cm 土层，120 m 坡长 20～30 cm 土层略高于10～20 cm土层，150 m坡长10～20 cm土层高于0～10，20～30 cm 土层外，其余各点变化趋势与春季相同，均为随土层增加D值逐渐减小，总体变化趋势为坡长 30 m＜0 m＜120 m＜150 m＜60 m＜90 m。个别点位土层D值差异与春季不同的原因为秋季坡面上的植物根部对土壤造成了影响，而春季坡面为裸地。

图4 不同坡长的分型维数特征Fig. 4 Features of fractal dimension

春秋两季土壤各坡位分形维数D、＞0.2 mm 团聚体、MWD、GMD 变化趋势相同，春季总体表现为 0 m＞30 m＞150 m＞60 m＞120 m＞90 m；秋季不同坡长总体表现为 30 m＞0 m＞150 m＞120 m＞60 m＞90 m。说明此坡耕地坡面上土壤团聚体在坡上团聚度高扰动小，而坡中土壤团聚度低扰动大，坡下土壤团聚度扰动程度介于二者之间。这与阎百兴和汤洁[30]的研究发现顶部侵蚀较轻，坡中部侵蚀强烈的结论相一致。

2.4 土壤剪切力特征

土壤剪切力综合反映土壤对侵蚀动力的响应，土壤抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限强度，其大小反应了土体在外力作用下发生剪切破坏的难易程度，可表征土壤抗蚀性大小。本文通过土壤团聚体水稳定性和土壤剪切力综合表征土壤可蚀性。春季土壤0～10、10～20、20～30 cm 层平均土壤含水率分别为15.95%、28.62%、28.90%；秋季土壤0～10、10～20、20～30 cm 层平均土壤含水率分别为19.32%、37.82%、36.90%。除春季30 m 和90 m 坡长处10～20 cm 层土壤含水率高于0～10 cm、20～30 cm 层外，春季（图5a）、秋季（图5b）其他坡长处土壤剪切力均随深度增加而增大，这与潘欣等[31]研究的在同一坡面整地措施下，临界剪切力随土壤深度增加而增大的结论一致。土壤表层抗剪切力差异不显著，10～20 cm 和20～30 cm 总体均表现为显著性差异。春季不同坡长土壤剪切力总体大小顺序为 90 m＞30 m＞120 m＞60 m＞150 m＞0 m。秋季不同坡长土壤剪切力大小顺序为150 m＞120 m＞90 m＞30 m＞0 m＞60 m。春季与秋季剪切力差别主要是由于两季土壤含水率和容重不同。通过对＞0.2 mm 团聚体、MWD、GMD、D值春秋两季研究发现秋季土壤团聚体的稳定性和团聚度，剪切力值均高于春季，表层差异性不明显。这与Mutchler 和Carter[8]在美国缅因州分析径流小区6 年的观测数据得出的土壤可蚀性2 月达到最高值，为年均土壤可蚀性的169%，8 月达到最低值，为年均可蚀性的31%结论相一致。

图5 不同坡长和土层的土壤剪切力特征Fig. 5 Feature of soil shearing force

2.5 土壤水稳性团聚体指标与土壤剪切力相关性

春季MWD 值与GMD、＞0.2 mm 土壤团聚体含量均呈极显著正相关，与D呈极显著负相关，与剪切力无显著相关性；GMD 值与D呈极显著负相关，与＞0.2 mm 土壤团聚体呈显著性正相关，与剪切力相关性不显著；D与＞0.2 mm 土壤团聚体含量呈显著负相关；剪切力与＞0.2 mm 团聚体含量无显著相关性（表1、表2）。团聚体各指标间相关性良好，与剪切力均未达到显著相关。以上各指标相关分析可以得出春季＞0.2 mm 水稳性土壤团聚体、GMD、MWD 和D值均能作为评价黑土区长缓坡面土壤侵蚀的关键评价指标，朱显谟等[32]指出土壤透水性是影响土壤侵蚀的主要原因，分形维数D则可表征土壤通透性的土壤结构性状。而＞0.2 mm 团聚体、GMD和MWD 值则可表征土壤团聚度，土壤团聚度越高土壤抗蚀性越好。土壤剪切力基于土壤侵蚀动力评价指标，土壤的容重、结构、含水率、孔隙度等因素均能影响土壤剪切力，土壤性质与抗剪强度的关系研究表明，存在一个最适土壤含水率使土壤抗剪强度最大，过大或过小抗剪强度均会降低[33]。而春季影响土壤可蚀性主要营力为冻融侵蚀，东北黑土区春季日温差变化较大，冻融作用和融雪可以改变土壤结构、容重和土壤含水率，土壤在一天内可能经过多次冻融循环，由于影响土壤剪切力因素复杂，所以在春季土壤剪切力不能作为黑土区长缓坡面土壤侵蚀的关键评价指标。

秋季MWD 与GMD 呈极显著正相关，与D呈极显著负相关，与剪切力呈显著性正相关，与＞0.2 mm 无显著相关；GMD 值与D呈显著性负相关，与＞0.2 mm 呈显著性正相关，与剪切力呈显著性相关；D与＞0.2 mm 呈极显著负相关，与剪切力无显著相关性；＞0.2 mm 与剪切力无显著相关性。说明MWD、GMD、D＞0.2 mm 团聚体具有显著性相关，水稳性团聚体MWD 和GMD 与剪切力具有相关性。与春季相同，秋季＞0.2 mm 水稳土壤团聚体、GMD、MWD 和D均能作为评价黑土区长缓坡面土壤侵蚀的关键评价指标。秋季影响土壤可蚀性主要营力为水力侵蚀，在同一区域内影响土壤剪切力主要因素为土壤孔隙度、土壤含水率，相关研究表明土壤含水量与剪切力呈线性变化，所以秋季土壤剪切力作为评价黑土区长缓坡面土壤侵蚀的评价指标较差，且剪切力评价土壤可蚀性指标影响程度低于水稳性团聚体指标。

3 结论

通过测定＞0.2 mm 水稳性团聚体、MWD、GMD、分形维数和土壤剪切力均表明黑土区长缓坡面秋季土壤抗蚀性好于春季土壤。在坡长150 m 的黑土区长缓坡面，在坡中 60 m、90 m、120 m 处土壤抗蚀性较差，主要是坡面不同坡长部位土壤侵蚀、搬运和沉积作用强弱不同造成的。在不同土层深度上春秋两季均表现为随着土层深度增加，土壤抗蚀性越好。土壤水稳性团聚体可作为评价黑土区长缓坡面土壤可蚀性的稳定指标，而剪切力评价土壤可蚀性影响程度低于水稳性团聚体指标，土壤剪切力稳定性较差，主要由于土壤剪切力随土壤特性发生变化，特别是在冻融侵蚀营力的影响下土壤特性变化复杂，土壤可蚀性的变化具有不确定性，土壤剪切力对黑土区长缓坡耕地土壤可蚀性的影响研究尚待深入。通过以上结论说明黑土区长缓坡面春季主要侵蚀营力冻融侵蚀对土壤可蚀性影响大于秋季水力侵蚀。为更好的保护黑土区土壤资源提出以下防治建议：黑土区坡耕地土壤侵蚀重点应侧重于春季，采取相应的水土保持措施。要减少长缓坡耕地的土壤侵蚀，应在坡中部采取水土保持措施。