沟坡侵蚀汇水区黑土水分和养分的空间异质性

祁 志, 丁 超, 韩 兴, 张兴义

(1.吉林农业大学 资源与环境学院, 吉林, 长春 130118; 2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所, 黑龙江 哈尔滨 150081)

作为中国粮食主产区和最大的商品粮基地，东北黑土区同时也是中国水土流失最为严重的区域[1]，坡面和沟道侵蚀均较为严重，水土流失主要发生于已垦坡耕地上，成为当前危害东北黑土粮食可持续生产的主要因素[2]。东北黑土侵蚀研究近年来得以重视，研究主要集中于黑土侵蚀特征、过程及其驱动机制上[3-4]，黑土水土流失危害领域主要侧重于坡面侵蚀速率，即黑土层变薄速率[5]，黑土坡耕地土壤质量演变、水分胁迫、养分流失等，及其对作物产量的影响[6]。研究方法多采取典型坡面、小流域土壤性状的空间异质性及其变化，比较土壤性状改变与作物产量的空间关系解析土壤侵蚀对粮食生产的影响[7]。

黑土区土流失严重的坡耕地，坡面侵蚀多伴随着沟道侵蚀，以黑龙江省为例，95%的侵蚀沟形成发育于坡耕地上[8]，研究发现，黑土沟道侵蚀具有显著增加侵蚀强度的作用[8]。沟坡耦合侵蚀对坡耕地土壤质量和作物产量的影响鲜有报道。本研究在典型漫川漫岗黑土区选取沟坡侵蚀汇水区为研究对象，系统测定土壤水分及其季节性变化，测定土壤养分及作物产量，通过空间异质性分析，解析水土流失导致的土壤水分和养分空间变化对全坡面作物产量的影响，旨在为黑土水土流失危害评估和水土保持生态建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省海伦市光荣村，东北典型黑土区中部，商品粮核心产区，地理坐标为47°21′22.52″N，126°49′56.71″E。属于中温带大陆性气侯，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，年均气温1.5 ℃。光荣村属漫川漫岗典型水土流失区，垦殖率80%，坡耕地占90%以上，平均坡度为2.55°，主要作物为大豆和玉米，一年一季，旋耕垄作，大豆的施肥量为250 kg/hm2，玉米的施肥量为400 kg/hm2，追肥量为250 kg/hm2，土壤为典型黑土[9]。

试验区为中部沿坡向发育侵蚀沟所在坡面的汇水区，面积8.06 hm2，平均坡度3.84°，横坡垄作，横向条带种植大豆和玉米。侵蚀沟属发育于横坡垄作的耕地中的小型切沟，长180 m，平均宽3 m，深1.5 m，切沟上端与两条分叉的浅沟相连，浅沟长各约100 m，延伸到分水岭处，沟尾与横向交叉的一条中型沟连接，2017年秋收后利用秸秆填埋对切沟进行复垦[10]。

1.2 测定指标及方法

地形图绘制与汇水区划定。汇水区内布设5个控制点，用RTK测定控制点三维地理坐标信息后，利用无人机50 m高度低空摄影，图片重叠率70%，由Pix 4D软件处理图像，使用ArcGIS软件对生成的DEM等值线处理，获得研究区域汇水区的1∶2 000等高线，手动圈出汇水区，并计算汇水区面积[11]。

汇水区测定样点的确定。2019年春季播种前，坡面汇水区横向间隔设置6行测定点，每行原沟道处设置2个测点，作为性状比较的对照，原沟道线汇水区内左右最高点各设置1个测点，原沟道线和最高点间设置一个测定点，汇水区共布设33个测定点，利用RTK(中海达)测定每个测定点空间坐标，并计算样点间的空间距离(见图1)。

土壤性状的测定。分别于2019年5月11日，6月15日，8月15日，9月11日使用环刀法分别测定样点垄沟0—20 cm土层的土壤体积含水量、饱和含水量、田间持水量[12]；同步采集垄沟0—20 cm的混合土样，用于测定土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾含量。有机质含量使用德国产的Multi N/C 2100 S分析仪测定，全氮使用采用半微量开氏法测定，全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，碱解氮采用氢氧化钠—硼酸扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾采用NH4OAc浸提法测定。

作物产量测定。汇水区涉及多个农户，条带种植大豆和玉米。分别在沟头、沟中、沟尾横向条带所对应的坡上、坡中、坡下位，收获前测定玉米和大豆籽实产量。

图1 汇水区采样点分布

1.3 数据处理及分析

通过RTK提供地理坐标结合无人机摄影，使用ArcGIS软件获得汇水区的等高线和汇水区二维平面图，使用GS+5.3 b对测定数据进行半方差函数分析并进行Kriging差值绘图，利用Excel软件进行经典统计学分析。

2 结果与分析

2.1 汇水区土壤水分性状空间异质性

(1) 经典统计学变化分析。沟坡汇水区不同时期垄沟的土壤体积含水量的变异性均属于中等变异(10%

沟坡汇水区土壤持水保水性能也具有显著的空间差异。春季土壤田间持水量的范围在26.3%～40.1%，雨季变为24.4%～40.0%，土壤田间持水量由8月15日之前的弱变异(CV<10%)变为之后的中等变异，是由于春季耕作整地及中耕使得表层土壤疏松，田间持水量变化趋小，降雨促使土壤回实加之径流冲刷，导致变化增大。

土壤饱和含水量表明土壤最大储水能力，汇水区也存在着较大的变异。春季汇水区垄沟土壤饱和含水量的范围为28.8%～46.3%，雨季变为26.1%～43.1%，除6月15日之外汇水区土壤饱和含水量均属于中等变异，6月15日垄沟土壤饱和含水量由中等变异转为弱变异，可能的原因是连续3次的中耕均是在垄沟实施，疏松土壤所致；此后由进入雨季，降雨次数、雨量和雨强等增加，发生水土流失，导致土壤回实，容重增加，导致坡耕地汇水区各个位置土壤孔隙差异变大，垄沟土壤饱和含水量差异变大。

表1 2019年研究区沟坡侵蚀汇水区垄沟土壤水分

(2) 地统计学空间异质性分析。地统计学分析可很好地揭示了汇水区土壤水分的空间异质性及其时空演变特征。汇水区垄沟土壤体积含水量的半变异函数最佳理论模型主要是球状模型，块金值/基台值的范围为0.001～0.198，均小于0.25，说明土壤体积含水量受到人为活动干扰较小，具有强烈的空间自相关性。

全生育期块金值/基台值先降低再升高，雨季后期8月15日比值接近为0，空间相关性最强，说明垄沟土壤含水量只是受地形地貌等结构性因子导致的水土流失影响，有效空间自相关距离变程最小，为52.2 m，雨季结束作物接近成熟的9月11日，块金值/基台值恢复到春季水平，受结构性因子影响降低，有效空间自相关距离增大到468.6 m(见表2)。

图2 2019年研究区降雨量

汇水区垄沟土壤田间持水量的半变异函数最佳理论模型主要是指数模型，苗期5月11日块金值/基台值为0.497，表明变量具有中等的空间相关性，受人类活动引起的随机因子和自然因素决定的结构因子影响各占50%，空间有效相关距离最大，为510.9 m，主要是收秋整地、播种等农耕作业对表层土壤频繁扰动，降低了垄沟土壤田间持水量的空间异质性。其他时期块金值/基台值均为0.001，变量具有强烈的空间相关性，几乎完全受自然因素决定的结构因子影响，空间有效相关距离在18.7～45.8 m，主要是降雨导致土壤自然回实以及水土流失共同作用，加大了垄沟土壤田间持水量的空间异质性。

表2 汇水区垄沟土壤性状半变异函数理论模型及相应参数

汇水区垄沟土壤饱和含水量的半变异函数最佳理论模型各时期均为指数模型，块金值/基台值的变化与土壤田间持水量相反，除成熟期9月11日为0.202外，其余时期均小于0.003，块金值/基台值小于0.25，说明垄沟土壤饱和含水量受到人为干扰较小，变量具有强烈的空间相关性，主要受结构性因子影响，水土流失加剧了其空间相关性，空间相关距离较小，为22.1～55.8 m。

利用地统计学对土壤水分性状进行了空间插值，绘制了4个观测期性状的空间分布(见图3)。汇水区垄沟土壤体积含水量、田间持水量、饱和含水量均表现为5月和6月份坡上与坡下汇水线处含量较高，8月和9月坡下汇水线处含量较高。主要是受水土流失长期作用导致土壤和水分迁移再分配所致，东北黑土区坡耕地水土流失总体表现为坡中土壤侵蚀最重，坡上相对坡度较缓，土壤侵蚀较轻，坡下多为土壤沉积[12]。8月和9月雨季降水抵达地表后，形成地表径流并向坡下和沟道中汇集，导致坡下汇水线处水分含量较高。

2.2 汇水区土壤养分空间异质性

(1) 经典统计学变化分析。沟坡汇水区不同时期垄沟的土壤养分的变异性见表3。土壤有机质含量具有显著的变异。春季土壤有机质含量的范围在32.3～47.9 g/kg，雨季变为23.9～49.7 g/kg，土壤有机质含量由6月15日之前的弱变异变为之后的中等变异，是由于6月15日之后，雨季到来，降雨次数、雨量和雨强等增加，发生水土流失，导致土壤有机质的迁移，变化增大。沟坡汇水区土壤全氮含量同样变异较大，春季土壤全氮含量范围为1.0～1.3 g/kg，雨季变为0.8～1.5 g/kg，由6月15日之前的弱变异变为之后的中等变异，也是由于雨季水土流失导致土壤氮随径流和土壤迁移，全氮含量的变化增大。沟坡汇水区土壤全磷含量整体变化范围变化较小，春季全磷含量的变化范围为0.3～0.6 g/kg，雨季为0.3～0.5 g/kg，均属于中等变异，说明分布不均匀，水土流失导致土壤磷的迁移是造成全磷含量分布不均的原因之一。

表3 研究区沟坡侵蚀汇水区垄沟土壤养分

沟坡汇水区土壤有效养分氮磷钾含量变化较大。土壤碱解氮含量整个生育期均属于中等变异，春季范围为91.9～154.3 mg/kg，雨季为77.2～139.7 mg/kg。由于汇水区坡耕地涉及多个农户，种植作物为玉米和大豆，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导致土壤碱解氮含量的差异的重要原因，雨季碱解氮含量整体降低是这3种因素共同作用的结果。沟坡汇水区土壤速效磷含量，春季范围为30.3～45.9 mg/kg，雨季为29.1～74.0 g/kg，由6月15日之前的弱变异变为之后的中等变异，表明水土流失对土壤速效磷的影响较大。沟坡汇水区土壤速效钾含量，春季范围为91.4～161.8 mg/kg，雨季为81.3～171.9 mg/kg，均属于中等变异，受种植作物、施肥量和水土流失等共同影响。

图3 研究区沟坡侵蚀汇水区土壤水分性状空间分布及其季节变化

(2) 地统计学空间异质性分析。如表4所示，地统计学分析表明汇水区土壤有机质和养分含量具有显著的空间异质性。汇水区垄沟土壤有机质含量的半变异函数最佳理论模型主要是球状模型和指数模型，块金值/基台值的范围为0.001～0.003，接近为0，具有强烈的空间相关性，说明土壤有机质含量空间变化几乎不受人类土壤耕作、作物种植和施肥等人类活动影响，完全受地形地貌等结构因子导致的水土流失的影响，有效空间自相关距离较小，为21.7～71.3 m。汇水区垄沟土壤全氮的半变异函数最佳理论模型主要是球状模型，块金值/基台值的范围为0.001～0.267，春季5月11日和6月15日块金值/基台值为0.001，接近为0，具有强烈的空间相关性，说明土壤全氮含量只受地形地貌等结构因子的影响，空间有效距离分别为23.8 m和87.3 m；雨季后期8月15日块金值/基台值为0.267，变量的空间相关性由强烈转变为中等，受人类活动影响的加大，随机因子和自然因素决定的结构因子的影响分别占26%和74%，空间有效距离为49.4 m；雨季结束的9月11日块金值/基台值降低，变为0.025，变量回升到强烈的空间相关性，有效空间自相关距离增大到93.2 m。汇水区垄沟土壤全磷的半变异函数最佳理论模型主要是指数模型，块金值/基台值的范围为0.077～0.201，均小于0.25，说明土壤全磷受到人为活动干扰较小，具有强烈的空间自相关性；全生育期块金值/基台值呈下降趋势，有效空间相关距离呈先下降后升高的趋势，春季为477.3～487.7 m，雨季后期8月15日减小为87.1 m，雨季结束的9月11日又增加到510.9 m。

汇水区垄沟土壤碱解氮的半变异函数最佳理论模型各时期均是球状模型，块金值/基台值的范围为0.001～0.131，均小于0.25，说明土壤碱解氮受到人为活动干扰较小，具有强烈的空间自相关性。苗期5月11日块金值/基台值为0.001，接近于0，具有强烈的空间相关性，说明土壤碱解氮含量只受地形地貌等结构因子的影响，空间有效距离为69.7 m；雨季初期6月15日块金值/基台值升高为0.131，空间有效距离增加至90.8 m；雨季后期8月15日和雨季结束9月11日，块金值/基台值恢复至春季水平，均为0.001，空间有效距离下降为63.9～66.1 m。汇水区垄沟土壤速效磷的半变异函数最佳理论模型主要是球状模型，块金值/基台值的范围为0.001～0.072，块金值/基台值小于0.25，说明土壤速效磷受人为活动干扰影响也较小，空间自相关性较强；苗期5月11日块金值/基台值为0.001，接近于0，具有强烈的空间相关性，说明土壤速效磷含量只受地形地貌等结构因子的影响，空间有效距离为65.8 m；雨季初期6月15日块金值/基台值升高为0.072，空间有效距离增加至84.3 m；雨季后期8月15日块金值/基台值下降为0.027，空间有效距离增加至146.8 m；雨季结束9月11日块金值/基台值和空间有效距离均恢复至春季水平。汇水区垄沟土壤速效钾的半变异函数最佳理论模型主要是球状模型，块金值/基台值的范围为0.003～0.011，块金值/基台值小于0.25，具有强烈的空间相关性，说明土壤速效钾受到人为活动干扰较小，主要受地形地貌等结构因子的影响；苗期5月11日块金值/基台值为0.005，接近于0，说明土壤速效钾含量只空间有效距离为71.0 m；雨季初期6月15日和后期8月15日块金值/基台值上升为0.011，空间有效距离增加至149.6～510.0 m；雨季结束9月11日块金值/基台值恢复至春季水平，为0.005，空间有效距离下降为22.6 m。

表4 汇水区垄沟土壤性状半变异函数理论模型及相应参数

利用地统计学对土壤养分性状进行了空间插值，绘制了4个观测期性状的空间分布图(见图4)。汇水区垄沟土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾含量均表现为5月分布相对均匀，6月坡上和坡下汇水线处含量较高，8月和9月坡下汇水线处含量较高，主要是受水土流失长期作用，雨季降雨抵达地表形成地表径流，向坡下和汇水线处汇集，土壤养分随径流迁移，部分随径流流入河道造成养分流失，导致8月和9月养分含量总体低于5月。

图4 研究区沟坡侵蚀汇水区土壤养分性状空间分布及其季节变化

2.3 对作物的影响

如表5所示，坡耕地汇水区涉及7户农户，3户种植大豆，4户种植玉米，作物种类和品种之间都有较大差异，不能纵向比较坡上、坡中、坡下的产量，只能横向比较相同垄上的同一作物产量。在同一条垄上，汇水线附近的作物产量量高于沟坡处作物产量，大豆产量表现为：上游横向沟坡较较汇水线附近耕地减产6.7%；中游横向沟坡较坡中耕地减产6.2%；下游横向沟坡较汇水线附近耕地减产37.3%；玉米产量：与大豆相似的位置分别减产7.7%，12.9%和19.9%。

相同作物，上游沟坡位的产量与其横向对应汇水线附近的产量差距较小，主要是上游横向地势变化较小，即横向坡度较缓，其位置生长的作物与同一条垄上作物的生长环境相似，养分与水分含量差距较小，因此，产量相差小；中游沟坡的作物产量明显低于横向对应汇水线耕地的作物产量，主要是由于横向坡度较陡，径流沿垄沟横向向沟线汇集，表层土壤被冲走，养分流失，导致作物产量差异增大。下游沟坡的作物产量也明显低于汇水线附近的作物产量，是由于下游沟道侵蚀最为严重，水土流失导致的土壤水分和养分的迁移所致。

表5 研究区浅沟不同位置沟坡与耕地产量 kg/hm2

3 讨 论

坡耕地汇水区为横坡垄作，垄间距70 cm，垄台比垄沟高20 cm，虽然横坡垄作能有效降低水土流失[13]，但由于汇水区中部存在凹型微地形，雨季径流汇集于汇水线，长期的冲刷造成沟道形成与发育，沟道侵蚀发生后，坡面沿垄向径流流速、冲刷动能均增加，导致水土流失加剧，即沟道侵蚀加速坡面侵蚀[14]。

坡耕地汇水区土壤水分空间异质性强，且存在季节差异，通过实测发现春季土壤体积含水量的最高值是最低值的1.7倍，雨季变为1.75倍；春季土壤田间持水量的最高值是最低值的1.5倍，雨季变为1.65倍；春季土壤饱和含水量的最高值是最低值的1.6倍，雨季变为1.65倍；主要是因为雨季土壤的入渗速率下降(见图5)，随着降雨次数、雨强、雨量增加(见图2)，径流量增大，土壤水分随径流发生迁移，水分空间分布发生变化。

坡耕地汇水区土壤养分空间异质性强，且存在季节差异，通过实测发现春季土壤有机质含量的最高值是最低值的1.48倍，雨季变为2倍；春季土壤全氮含量的最高值是最低值的1.3倍，雨季变为1.9倍；春季土壤全磷含量的最高值是最低值的2倍，雨季变为1.7倍；春季土壤碱解氮含量的最高值是最低值的1.7倍，雨季变为1.8倍；春季土壤速效磷含量的最高值是最低值的1.5倍，雨季变为2.5倍；春季土壤速效钾含量的最高值是最低值的1.8倍，雨季变为2.1倍；土壤速效养分主要受自然地形地貌、降雨等结构性因子影响大，这些结构性因子造成汇水区沟道侵蚀与坡面侵蚀，沟道侵蚀与坡面侵蚀造成水土流失，养分随径流和土壤迁移，养分空间分布发生变化。沟坡侵蚀加剧坡耕地水分、养分空间异质性。

整个坡耕地汇水区的土壤水分和养分的空间异质性强烈，主要体现在两个方面，首先汇水区沟道附近耕地与坡面耕地土壤水分和养分分布不均，其次，坡上、坡中、坡下土壤水分和养分分布不均。研究区为横坡垄作，地表径流主要沿垄沟向中部的沟道汇水线汇集，然后再沿汇水线沿坡向向下汇流，流出田块。坡位不同，其坡度不同，径流不同，其导致的结果是水分、养分多集中于沟坡处，汇水区沟道附近耕地与坡面耕地水分、养分含量差异较大，导致坡耕地汇水区空间异质性增大；而坡上、坡中、坡下总体的水分、养分含量存在差异，导致坡上、坡中、坡下总体空间异质性变化，且坡上、坡中、坡下的空间异质性随着季节的变化而变化，土壤水分和养分表现出相似的规律，5—6月坡上与坡下含量较高，8月和9月坡下含量较高，导致不同时间段坡上、坡中、坡下的空间异质性存在差异。

整个坡耕地汇水区的作物产量也受到沟坡侵蚀的影响，玉米最高产量是最低产量的1.9倍，大豆最高产量是最低产量的1.3倍，是由于沟坡侵蚀对坡耕地汇水区造成水土流失，使得汇水区的水分、养分含量分布不均，最终作物产量下降。

横坡垄作虽是坡面很好的水土保持措施，由于存在微地形，汇水区易发生沟道侵蚀，沟道侵蚀会加速坡面侵蚀，导致坡耕地土壤质量下降，水分胁迫，最终造成作物减产，因此坡耕地水土流失需沟坡同步治理。

图5 研究区沟坡侵蚀汇水区不同位置入渗速率及季节变化

4 结 论

(1) 沟坡侵蚀对黑土坡耕地土壤水分性状造成了显著的影响。土壤含水量变异系数为12.2%～17.4%，其中以9月份差异最大，范围为17.2%～31.7%，以坡下汇水线处的含量最高，坡中汇水线处的含量最低。同时对土壤持水性能也造成了影响，土壤田间持水量变化范围为26.0%～39.3%，土壤饱和含水量变化范围为27.6%～44.4%，以坡下汇水线处的含量最高，坡上汇水线处的含量最低。

(2) 沟坡侵蚀对黑土坡耕地土壤养分也造成了显著的空间差异。土壤有机质含量的变异系数为8.8%～13.7%，其中以9月份差异最大，范围为24.6～44.4 g/kg，以坡下汇水线处的含量最高，坡上汇水线处的含量最低；土壤全氮含量的变异系数为8.2%～17.5%，其中以6月份差异最大，范围为0.9～1.7 g/kg，以坡下汇水线处的含量最高，坡中汇水线处的含量最低；土壤全磷含量的变异系数为10.6%～13.6%，其中以5月份差异最大，范围为0.3～0.6 g/kg，以坡上、坡下汇水线处的含量最高，坡中汇水线处的含量最低；土壤速效养分的变异系数为9.3%～27.0%，均以8月份差异最大，碱解氮、速效磷、速效钾的范围分别为77.2～139.7 mg/kg，29.1～74.0 mg/kg，81.3～171.9 mg/kg，以坡下汇水线处的含量最高，坡上汇水线处的含量最低。

(3) 沟坡侵蚀汇水区土壤水分和养分空间异质性，最终导致作物产量的差异。大豆和玉米产量变化范围分别为1 669～3 223 kg/hm2，8 177～10 871 kg/hm2，大豆玉米的最低产量均出现在下游沟坡处，沟坡侵蚀对大豆产量的影响大于玉米。单纯等高垄作，由于受微地形变化的影响，不能完全阻止水土流失，应采取秸秆覆盖等水土保持措施。