黑土區(qū)典型小流域土壤物理特性空間分異及其與水土保持措施的關(guān)系

李未 ，張春山 ，胡偉 ，張興義

（1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150081；2.拜泉縣水務(wù)局, 黑龍江 拜泉 164700； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049）

0 引言

土壤物理性質(zhì)是反映土壤結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)，可調(diào)節(jié)土壤中的水肥氣熱傳輸，影響植物生長(zhǎng)和土壤水文過(guò)程[1]。受自然因素（地形地貌、氣候等）和人為因素的共同作用，土壤物理性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性[2]，即使在土壤類型和質(zhì)地相同的區(qū)域，土壤的物理性質(zhì)在空間上差異明顯[3-4]。自然因素對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響相對(duì)穩(wěn)定，人為因素主要通過(guò)改變植被空間格局促使土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化[5]。相關(guān)研究表明，在水土流失嚴(yán)重區(qū)，實(shí)施水土保持措施能夠有效改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量[6]。田寧寧等[7]在晉西黃土區(qū)的研究指出，與荒草地相比，喬木林的土壤容重較小，具有較好的透氣性和持水性。薛萐等[8]在黃土丘陵區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，坡耕地改造為梯田后，隨著改造年限的增加，土壤物理性質(zhì)和土壤質(zhì)量顯著提高。徐勤學(xué)等[9]在喀斯特地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，灌木林比梯田入滲性能好，孔隙度較大，土壤容重較小。喻榮崗等[10]在侵蝕紅壤區(qū)的研究結(jié)果表明，與裸地相比，草地和梯田降低了土壤容重，增加了土壤持水性，提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。翟星雨等[11]在黑土區(qū)的研究結(jié)果認(rèn)為，等高壟作可降低水土流失對(duì)土壤水分空間再分配的影響，具有良好的水土保持作用。

東北黑土區(qū)作為世界四大片黑土區(qū)之一，是我國(guó)重要的糧食安全保障基地[12]。受長(zhǎng)期墾殖和不合理的人類活動(dòng)影響，該區(qū)水土流失加劇，土壤結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，肥力下降，土地退化十分嚴(yán)重[13]。該區(qū)黑土層厚度由開(kāi)墾初期的50 ～ 60 cm 減少至20 ～ 30 cm 左右，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明坡耕地正以每年2 ～ 3 mm 的速率變薄[14]。黑土侵蝕退化已經(jīng)成為當(dāng)前危害黑土區(qū)糧食可持續(xù)發(fā)展的主要因素，開(kāi)展黑土區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)顯得尤為重要。我國(guó)自1979 年以來(lái)實(shí)施了諸如三北防護(hù)林等各種水土保持措施，極大地改善了土壤物理性質(zhì)[15]。然而，現(xiàn)有水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的研究多集中在黃土高原以及南方丘陵區(qū)[16]，較少涉及東北黑土區(qū)，特別是小流域尺度的長(zhǎng)期效應(yīng)研究。

本研究以實(shí)施水土保持措施三十余年的通雙小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析土壤物理性質(zhì)在小流域的空間異質(zhì)性，借助信息熵原理，探究水土保持措施與土壤物理性質(zhì)的空間相關(guān)性，明晰水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，以期為區(qū)域水土保持生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江省拜泉縣通雙小流域（ 126°14′45″ ～ 126°17′15″E，47°26′00″ ～ 47°28′30″N ），位于東北漫川漫崗黑土區(qū)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為1.28 ℃，年均降水量為490 mm[17]。小流域面積為9.92 km2，地勢(shì)東高西低，丘陵起伏，海拔為200 ～ 300 m。土壤類型主要為黑土，農(nóng)作物主要為玉米（Zea maysL）和大豆（Glycine max）。自20 世紀(jì)80 年代土地開(kāi)墾以來(lái)，小流域發(fā)生了嚴(yán)重的水土流失。為此，小流域從1980 年開(kāi)始布設(shè)了五種不同類型的水土保持措施，包括梯田、等高壟作、人工喬木林、草地和人工灌木林（圖1）。其中，梯田和等高壟作位于坡上和坡中部；喬木林位于坡頂，主要種植落葉松（Larix gmeinii）和樟子松（Pinus sylvestris）；草地位于坡下和坡谷；灌木林位于坡谷，主要種植灌木柳（Salix saposhnikovii）[15]。

圖1 研究區(qū)水土保持措施和采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Soil and water conservation measures and soil sampling points distribution in the study area

1.2 土壤采樣及測(cè)定方法

土壤樣品采集時(shí)間為2016 年6 月，整體根據(jù)網(wǎng)格法采樣，間距約為500 m，根據(jù)樣點(diǎn)的可達(dá)性和水土保持措施的代表性適當(dāng)調(diào)整采樣間距，累計(jì)采集292 個(gè)樣點(diǎn)?？紤]到當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕地為機(jī)械旋耕，旋耕深度為20 cm 左右，為了對(duì)比分析不同水土保持措施的效果，所有水土保持措施的采樣深度均設(shè)為20 cm，采用“S”型采樣法，采集后將土樣充分混合后利用四分法取約1 kg 土壤于塑封袋內(nèi)，注明編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[18]，土壤田間持水量和土壤飽和含水量采用環(huán)刀浸泡法測(cè)定[18]。風(fēng)干后的土壤采用真空慢速浸潤(rùn)法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體[19]，根據(jù)土壤團(tuán)粒分析儀（DIK-2001，日本）測(cè)定的各粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)據(jù)計(jì)算土壤水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量和平均重量直徑。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

1.3.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)

土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（WR0.25）含量的計(jì)算方法：

式中：Mr＞0.25為粒徑 ＞ 0.25 mm 的團(tuán)聚體重量（g）；MT為土樣總重量（g）。

平均重量直徑（MWD）的計(jì)算方法：

式中：Xi為篩分出來(lái)的任一粒徑范圍團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；Wi為任一粒徑范圍團(tuán)聚體的總量占土壤樣品干重的分?jǐn)?shù)。

1.3.2 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)

利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，當(dāng)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)小于0.1 時(shí)為弱變異；變異系數(shù)處于0.1 和1 之間時(shí)為中等變異；變異系數(shù)大于1 時(shí)為強(qiáng)變異[20]。

1.3.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)

利用GS+9.0 軟件對(duì)研究區(qū)土壤物理性質(zhì)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間自相關(guān)分析和半方差函數(shù)的擬合計(jì)算。根據(jù)R2越接近與1，RSS 越小的原則，選擇Kriging 插值分析模型。

半方差函數(shù)公式如下：

式中：r(h)表示間距為h的平方差函數(shù)值；N(h)是距離為h時(shí)成對(duì)采樣點(diǎn)的總數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示在xi和xi+h位置上土壤物理性質(zhì)的含量值。

塊金值與基臺(tái)值的比值被稱作塊金效應(yīng)，可以直觀的表示空間變異的程度。塊金效應(yīng)小于0.25 表示具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性因素影響較大；塊金效應(yīng)在0.25 ～ 0.75 之間表示具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，受隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同影響；塊金效應(yīng)大于0.75 表示具有較弱的空間自相關(guān)性，受隨機(jī)性因素影響較大[15]。

變程反映了研究對(duì)象中某一區(qū)域化變量的空間自相關(guān)性作用的影響范圍，變程越小，空間相關(guān)范圍越小，空間變異越強(qiáng)，表示越受人為活動(dòng)的影響[21]。

1.3.4 信息熵

信息熵是用來(lái)表示某一信息源所發(fā)出的多種信息的平均信息量[22]，設(shè)xi為離散型隨機(jī)變量，其分布概率則為P(xi)，設(shè)n為樣本總體，則信息源X信息熵H(X)公式為：

對(duì)數(shù)的底a 一般取2。當(dāng)兩個(gè)信息源X和Y為二維隨機(jī)變量時(shí)，它們的聯(lián)合分布概率為P(xi,yj)（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m），則X和Y的聯(lián)合信息熵H(X,Y)為[23]：

當(dāng)H(X,Y)≤H(X)+H(Y)，且可用H(X,Y)/[H(X)+H(Y)]反應(yīng)變量X和Y之間的相關(guān)性，兩個(gè)信息源相關(guān)性用K來(lái)表示[24]：

K的取值范圍為[0,1]。當(dāng)K= 0 時(shí)，表示X和Y不相關(guān)；當(dāng)K＞ 0 時(shí)，表示X和Y具有相關(guān)性；K值越大，表示二者之間的相關(guān)程度越高。

利用SPSS 22.0 軟件中的單因素方差分析（One-way ANOVA）不同水土保持措施間土壤物理性質(zhì)的差異，數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析以及LSD 顯著性檢驗(yàn)（P＜ 0.05），并用SigmaPlot 14.0 繪圖。利用ArcGIS 10.7 進(jìn)行Kriging 插值并繪制土壤各性質(zhì)的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示（表1），土壤容重變幅為0.81 ～ 1.56 g·cm-3，變異系數(shù)為0.12，屬中等變異。土壤田間持水量、土壤飽和含水量變幅分別為21.5% ～ 65.0%和25.8% ～ 75.6%，變異系數(shù)分別為0.22 和0.20，均屬中等變異。WR0.25含量變幅為58.0% ～ 94.0%，變異系數(shù)為0.09，屬弱變異。MWD 變幅為0.22 ～ 3.93 mm，變異系數(shù)為0.40，屬中等變異。

表1 土壤物理性質(zhì)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析Table 1 Descriptive statistics of soil physical properties

2.2 土壤物理性質(zhì)的空間分異特征

2.2.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示（表2），各土壤物理性質(zhì)的決定系數(shù)均 ＞ 0.5，表明理論變異函數(shù)模型能夠較好的用于土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性分析。土壤容重的最佳擬合模型為高斯模型，土壤田間持水量、土壤飽和含水量以及WR0.25的最佳擬合模型為指數(shù)模型，MWD 的最佳擬合模型為球狀模型。土壤容重、田間持水量、飽和含水量、WR0.25以及MWD 的塊金效應(yīng)值為0.30 ～ 0.50，屬于中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，各土壤物理性質(zhì)的變程變幅為511 ～ 694 m，說(shuō)明這些土壤性質(zhì)的變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。

表2 土壤物理性質(zhì)的半方差函數(shù)參數(shù)Table 2 Semi-variance function parameters of soil physical properties

2.2.2 土壤物理性質(zhì)空間分布特征

各土壤物理性質(zhì)在小流域空間上整體呈斑塊狀或帶狀分布（圖2）。其中，土壤容重呈斑塊狀分布，高值區(qū)集中分布在南部區(qū)域，少量分布在東部區(qū)域，低值區(qū)分布在東北部和東南部區(qū)域。土壤田間持水量高值區(qū)主要集中分布在研究區(qū)的北部和西部區(qū)域，少量分布在中部和偏東南部區(qū)域，低值區(qū)分布在東部和南部區(qū)域；土壤飽和含水量高值區(qū)分布在研究區(qū)北部和東南部區(qū)域，低值區(qū)分布在南部和西部區(qū)域，總體呈現(xiàn)從東部到西部逐漸遞減的趨勢(shì)。土壤WR0.25含量高值區(qū)分布較為分散，在北部、西北部區(qū)域均有分布，低值區(qū)分布在東部和東南部區(qū)域；MWD 高值區(qū)集中分布在西部區(qū)域，少量分布在北部區(qū)域，低值區(qū)分布在東部和東南部區(qū)域。

圖2 土壤物理性質(zhì)的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil physical properties

2.3 水土保持措施與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系

2.3.1 皮爾遜相關(guān)分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示（表3），水土保持措施與土壤容重和MWD 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01），與WR0.25呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05）；而水土保持措施與土壤田間持水量和飽和含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01）。土壤容重與土壤田間持水量、土壤飽和含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01）。土壤田間持水量和土壤飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01）。WR0.25和MWD 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01）。

表3 水土保持措施與土壤物理性質(zhì)各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between soil and water conservation measures and soil physical properties

2.3.2 空間相關(guān)性分析

本研究采用信息熵原理對(duì)土壤物理性質(zhì)與水土保持措施的空間相關(guān)性進(jìn)行分析，計(jì)算土壤物理性質(zhì)與水土保持措施的分布概率以及二者的聯(lián)合分布概率，并計(jì)算了土壤容重和水土保持措施的聯(lián)合分布概率矩陣（表4）。將該矩陣按照公式（4）～（6）計(jì)算得到土壤容重與水土保持措施的空間相關(guān)系數(shù)K為0.11。其他物理指標(biāo)與水土保持措施的空間相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法如前所示。土壤田間持水量、飽和含水量、WR0.25和MWD 的空間相關(guān)系數(shù)K分別為0.06、0.06、0.02 和0.04。這說(shuō)明土壤物理性質(zhì)之間存在空間相關(guān)性，大小順序依次為：土壤容重，土壤田間持水量/土壤飽和含水量，MWD 和WR0.25。

表4 土壤容重與水土保持措施之間的聯(lián)合分布概率矩陣Table 4 United distributing probability matrix between soil bulk density and soil and water conservation measures

2.3.3 差異性分析

不同水土保持措施間各土壤性質(zhì)間差異顯著（圖3，P＜ 0.05）。喬木林和草地的土壤容重顯著高于梯田、等高壟作和灌木林，分別比梯田、等高壟作和灌木林高16.5%、17.6%和14.4%以及13.8%、14.8%和11.7%。不同水土保持措施間土壤水分特征存在差異。喬木林的土壤田間持水量和土壤飽和含水量顯著低于梯田、等高壟作和灌木林，分別比梯田、等高壟作和灌木林低16.9%、15.9%和19.7%（梯田）以及20.2%，22.6%和19.7%（等高壟作）。不同水土保持措施間WR0.25和MWD 存在差異。草地的土壤WR0.25含量和MWD 顯著高于梯田和等高壟作，分別比梯田和等高壟作高6.64%和6.34%，61.3%和69.7%。

圖3 不同水土保持措施下的土壤物理性質(zhì)Fig. 3 Soil physical properties under different soil and water conservation measures

3 討論

本研究中土壤物理性質(zhì)的變程范圍為515 ～ 694 m，大于本次采樣的間距500 m，說(shuō)明本次采樣滿足空間分析的要求。塊金效應(yīng)值范圍為0.30 ～ 0.50，說(shuō)明土壤物理性質(zhì)均有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響。結(jié)構(gòu)性因素指自然因素，包括氣候、地形地貌和土壤類型等[20]。隨機(jī)性因素指人類活動(dòng)，包括水土保持措施、施肥、灌溉、耕作等[25]。

本研究引用信息熵原理發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)與水土保持措施具有空間相關(guān)性，空間相關(guān)系數(shù)范圍為0.02 ～ 0.11，說(shuō)明水土保持措施不是影響土壤物理性質(zhì)的唯一因素，可能的原因是水土保持措施并不能充分代表隨機(jī)性因素的影響。除隨機(jī)性影響外，結(jié)構(gòu)性因素對(duì)土壤物理性質(zhì)的空間異質(zhì)性產(chǎn)生影響。邱揚(yáng)[26]在黃土丘陵區(qū)的研究指出，土壤水分的空間異質(zhì)性受坡位、坡度和土地利用等的共同作用。

土壤容重反映土壤緊實(shí)度和孔隙狀況[27]，受植物根系分布、耕作等的影響。本研究中喬木林土壤容重顯著高于梯田、等高壟作和灌木林，這與魏建兵[15]等的研究結(jié)果一致，可能的原因是其根系發(fā)達(dá)且分布較深，耗水量大，在生長(zhǎng)過(guò)程中地下根系引起土壤的壓實(shí)作用，土壤容重增大，草地受人類干擾以及牲畜的踩踏也會(huì)使土壤緊實(shí)度增加[27]，容重變大。梯田和等高壟作在長(zhǎng)期耕作下土壤疏松，土壤容重較低。灌木林地處溝谷，有機(jī)質(zhì)含量隨生長(zhǎng)年限的增加逐漸增大，同時(shí)隨著灌木凋落物增加，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的積累，因此容重相對(duì)較低[28]。

土壤田間持水量和飽和含水量分別反映土壤有效水的上限和土壤的最大蓄水持水能力。本研究發(fā)現(xiàn)喬木林的田間持水量和飽和含水量顯著低于梯田、等高壟作和灌木林，這與邵臻[16]等的研究結(jié)果相似，可能的原因是土壤持水能力取決于土壤的容重，土壤田間持水量和飽和含水量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)也證實(shí)了這一點(diǎn)，土壤容重越大，土壤越疏松，土壤持水能力越強(qiáng)。本研究中喬木林的土壤容重最大，則持水能力最弱，梯田和等高壟作措施改變了耕地的地形，減少地表徑流的發(fā)生，增加土壤入滲，改善土壤蓄水狀況。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，WR0.25和MWD 數(shù)值越大，表明土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，土壤物理特性越好。不同水土保持措施可以改變土壤的微環(huán)境影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn)草地土壤的WR0.25和MWD 顯著高于梯田和等高壟作，這與前人的研究結(jié)果相一致[27]，可能的原因是草地受干擾較弱，有機(jī)質(zhì)氧化分解較慢，加之枯落物層的存在，土壤微生物活動(dòng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用[29]；而等高壟作和梯田在常年耕作作用下較大的團(tuán)聚體被破壞，有機(jī)質(zhì)氧化分解較快，團(tuán)聚體間的膠結(jié)物質(zhì)減少，土壤團(tuán)聚作用減弱[27]。

從水土保持的角度出發(fā)，營(yíng)造水保林，修筑梯田，等高改壟等措施對(duì)減少土壤侵蝕都有積極的作用，對(duì)于水土保持措施效果較差的區(qū)域以及農(nóng)耕地，施加有機(jī)肥及秸稈還田等，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，促進(jìn)區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

（1）通雙小流域表層土壤容重、田間持水量、飽和含水量和MWD 屬于中等變異，而土壤WR0.25屬弱變異。各土壤物理性質(zhì)的塊金效應(yīng)值為0.30 ～ 0.50，具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，說(shuō)明變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。各土壤物理性質(zhì)在空間上呈斑塊狀或帶狀分布。

（2）各土壤物理性質(zhì)與水土保持措施間存在空間相關(guān)性，排序依次為土壤容重，土壤田間持水量/土壤飽和含水量，MWD 和WR0.25。喬木林的土壤容重顯著高于梯田、等高壟作和灌木林，土壤水分特征顯著低于梯田、等高壟作和灌木林；草地的土壤WR0.25含量和MWD 顯著高于梯田和等高壟作。