東北黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地橫坡壟作與地形對(duì)土壤可蝕性的交互作用

于博威，張晴雯，郝卓，石玉龍，李雪亮，李孟妮，荊雪鍇

東北黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地橫坡壟作與地形對(duì)土壤可蝕性的交互作用

于博威，張晴雯，郝卓，石玉龍，李雪亮，李孟妮，荊雪鍇

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域團(tuán)隊(duì)，北京 100081

【目的】東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕日益加重，研究橫坡壟作與地形對(duì)土壤可蝕性值的交互作用，為東北黑土區(qū)坡耕地水土流失的精準(zhǔn)防控提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā窟x取黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)內(nèi)典型坡耕地為研究對(duì)象，在橫坡壟作方向與順坡水線方向共布設(shè)25個(gè)采樣點(diǎn)，并計(jì)算相應(yīng)樣點(diǎn)的土壤可蝕性值，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)土壤可蝕性值的差異性，并使用地理探測(cè)器模型探討土壤可蝕性值的影響因子及其交互作用?！窘Y(jié)果】橫坡壟作方向，土壤可蝕性值在壟臺(tái)呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡伦阒饾u減小的變化趨勢(shì)，坡足比坡頂減小幅度為6.2%；在壟溝呈現(xiàn)從坡肩到坡足逐漸減小的變化趨勢(shì)，坡足比坡肩減小幅度為5.8%。順坡水線方向，由于壟臺(tái)對(duì)地表徑流的阻擋作用，壟臺(tái)和壟溝土壤可蝕性值沿著坡面并沒有明顯的變化趨勢(shì)。地理探測(cè)器分析表明，橫坡壟作對(duì)土壤可蝕性值的影響最大，其壟臺(tái)和壟溝的解釋率分別達(dá)51%和18%以上；橫坡壟作與其他因子的交互作用增強(qiáng)了對(duì)土壤可蝕性值的解釋能力，特別是橫坡壟作與地形的交互作用尤為明顯?！窘Y(jié)論】黑土區(qū)坡耕地土壤可蝕性值具有明顯的空間變異性，橫坡壟作與地形對(duì)土壤可蝕性的影響存在明顯的交互作用，橫坡壟作可以顯著攔蓄徑流，減少土壤侵蝕，但因黑土區(qū)坡耕地橫坡壟作的坡緩而長(zhǎng)，在坡足處易于匯集徑流，依然有“斷壟”潛在風(fēng)險(xiǎn)。

土壤可蝕性；橫坡壟作；順坡水線；地形；交互作用；黑土區(qū)坡耕地

0 引言

【研究意義】東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，其糧食產(chǎn)量占國(guó)家糧食總產(chǎn)量的15%[1]。典型黑土區(qū)的地貌特點(diǎn)是漫川漫崗，坡度一般在8°以下，坡長(zhǎng)多為500—2 000 m，最長(zhǎng)達(dá)4 000 m[2]。野外觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，由于黑土坡耕地特有的長(zhǎng)緩坡地形和不合理的耕作方式，導(dǎo)致東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕日益加重[3]，其水土流失面積占東北黑土區(qū)水土流失總面積的80.3%[4]，直接威脅我國(guó)的糧食生產(chǎn)安全。土壤可蝕性是指土壤受雨滴擊濺、徑流沖刷以及壤中流等外營(yíng)力作用而被分散和搬運(yùn)的難易程度[5-6]，是土壤抵抗侵蝕能力的集中體現(xiàn)[7-8]。因此，探究耕作方式與長(zhǎng)緩坡地形對(duì)黑土區(qū)坡耕地土壤可蝕性的交互作用，可為黑土區(qū)坡耕地土壤流失調(diào)控與治理提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】20世紀(jì)以來(lái)，土壤可蝕性成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究土壤侵蝕的主要內(nèi)容之一，目前土壤可蝕性在相關(guān)概念的厘定、評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、測(cè)定與估算、時(shí)空分異特征及其影響因素分析等方面取得了積極進(jìn)展[9]。早期學(xué)者認(rèn)為某一特定土壤的可蝕性應(yīng)該是恒定的[10]，但隨著研究的深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤可蝕性值不僅取決于土壤自身屬性，還受耕作方式、地形條件、降雨強(qiáng)度以及人為活動(dòng)等多重因素的影響[11-12]，在這些因素共同作用下，導(dǎo)致土壤可蝕性值具有明顯的變異特征，識(shí)別土壤可蝕性的時(shí)空變異特征及其影響因素已成為土壤可蝕性研究的前沿與重點(diǎn)問(wèn)題之一。已有研究表明，土壤可蝕性的大小與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)[13-14]，坡耕地沿坡面理化性質(zhì)的空間差異必然對(duì)土壤可蝕性產(chǎn)生重要影響。相關(guān)研究表明，隨著坡長(zhǎng)的增加，土壤可蝕性不斷增大，當(dāng)坡長(zhǎng)大于15 m時(shí)，土壤可蝕性趨于穩(wěn)定[15]；并且土壤可蝕性隨著高程的增高而逐漸降低[16]。另外，耕作方式又是影響土壤理化性質(zhì)的重要因素之一，不同的耕作方式土壤可蝕性會(huì)有所差異。壟作是東北黑土區(qū)最常見的耕作方式[17]，已有研究表明，不同的壟作方式對(duì)水土流失具有不同的防治效果。橫坡壟作可通過(guò)改變微地形，增加坡面粗糙率減少?gòu)搅?，加上壟臺(tái)對(duì)地表徑流的攔截作用，從而減少土壤的剝離和輸移[18-19]，成為應(yīng)用范圍最廣的保護(hù)性耕作措施。理論上，橫坡壟作是等高壟作，沿橫坡壟作的方向土壤可蝕性一般不會(huì)有顯著差異。但是，黑土區(qū)坡耕地具有坡緩坡長(zhǎng)的特征，橫坡壟作易在降雨時(shí)沿壟溝匯集徑流，在脆弱壟段或地形低洼處沖開壟臺(tái)形成集中水流加劇侵蝕。相關(guān)研究表明，橫坡壟作不同于梯田土埂，壟臺(tái)的穩(wěn)定性較差，在暴雨時(shí)易發(fā)生“斷壟”現(xiàn)象[20]，而且微地形使得橫坡壟作難以嚴(yán)格按照等高線進(jìn)行修建，徑流在地形低洼處匯集加劇了壟臺(tái)的失衡和塌陷[21]。因此，對(duì)于橫坡壟作，斷壟現(xiàn)象主要受到降雨強(qiáng)度、微地形、耕作方式的共同作用。但目前橫坡壟作與地形對(duì)土壤可侵蝕性的交互作用卻沒有給予足夠的重視?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往的研究多側(cè)重于土壤可蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、土壤可蝕性測(cè)定與估算等方面，并且多集中在黃土高原、南方紅壤和紫色土等主要水蝕區(qū)。本文針對(duì)東北黑土區(qū)特有的長(zhǎng)緩坡地形條件，研究長(zhǎng)緩坡耕地土壤可蝕性的空間變異，以及橫坡壟作和地形對(duì)土壤可蝕性的交互作用，將對(duì)黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地土壤侵蝕的科學(xué)防治具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選取典型黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地為研究對(duì)象，采用單因子方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)土壤可蝕性值的差異顯著性，使用地理探測(cè)器模型分析土壤可蝕性的主要影響因子及其交互作用，可為減少黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地水土流失提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)（127°5′E，48°12′N），該農(nóng)場(chǎng)位于小興安嶺西麓向松嫩平原的過(guò)渡地帶，為丘陵漫崗地區(qū)，農(nóng)場(chǎng)內(nèi)耕地坡度主要在3°—5°。土壤以草甸黑土為主，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤質(zhì)地黏重，入滲困難。屬于中溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季炎熱多雨，多年平均氣溫0.8 ℃，≥10 ℃有效積溫2 254.5 ℃，無(wú)霜期110—115 d，雨熱同期，多年平均降水量553 mm，降雨主要集中在7—9月，占全年降雨量的70%以上，且降雨集中、歷時(shí)短、暴雨強(qiáng)度大，整個(gè)地區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取紅星農(nóng)場(chǎng)內(nèi)開墾歷史近70年的典型漫川漫崗坡耕地為研究對(duì)象，坡長(zhǎng)約500 m、寬約200 m，壟作方向主要為橫坡，壟高18 cm，壟臺(tái)頂寬60 cm，壟間距90 cm。依據(jù)研究目的和坡耕地地形實(shí)際情況，將坡耕地劃分為橫坡壟作方向和順坡水線方向，并在橫坡壟作方向和順坡水線方向上分別設(shè)計(jì)5條樣線，共布設(shè)25個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。其中，在壟作方向?yàn)閴?至壟5，依據(jù)每條壟的等高線微地形將其分為坡頂、坡肩、坡背、坡腳和坡足并分別布設(shè)樣點(diǎn)，每條壟共布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)間距為20—70 m；坡面方向?yàn)榫€1至線5，高程由高到低，并分別在上坡、中上坡、中坡、中下坡、下坡布設(shè)采樣點(diǎn)，每條線共布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，坡面方向采樣點(diǎn)間距約為100 m（圖2）。采用無(wú)人機(jī)獲得DEM數(shù)據(jù)，選取大疆無(wú)人機(jī)精靈4 Professional（1英寸CMOS）低空航拍，高度設(shè)定為50—70 m左右，攜帶相機(jī)鏡頭有效像素為2 000萬(wàn)，航拍的同時(shí)，使用差分GPS獲取飛行范圍內(nèi)的控制點(diǎn)。無(wú)人機(jī)圖像的處理采用瑞士洛桑Pix 4D公司研發(fā)的Pix 4D mapper軟件。具體步驟為：打開軟件添加航拍照片，讀取照片位置、相機(jī)鏡頭等屬性參數(shù)信息；將差分GPS測(cè)量的控制點(diǎn)經(jīng)緯度導(dǎo)入軟件；運(yùn)行軟件初步生成帶有坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地表高程模型（DSM）和正射影像；在控制點(diǎn)校對(duì)及后期處理后，生成彩色點(diǎn)云、三維模型和DEM數(shù)據(jù)（分辨率為1 m）；并基于DEM，提取試驗(yàn)地高程、坡度和等高線（圖2）。

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

土壤采樣于2022年4月末玉米播種前進(jìn)行，每個(gè)樣點(diǎn)壟臺(tái)與壟溝分別采集，深度為0—20 cm，同時(shí)在土層中部用環(huán)刀（高5 cm，底徑5 cm）采集原狀土樣，使用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。擾動(dòng)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，首先過(guò)1 mm篩，采用比重計(jì)法測(cè)定土壤機(jī)械組成，然后采取四分法取出一部分土樣過(guò)0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.4 土壤可蝕性K值

采用EPIC模型中的公式計(jì)算土壤可蝕性值[22]，公式如下：

圖2 土壤采樣點(diǎn)分布圖

式中，為砂粒（0.050—2.000 mm）含量（%）；為粉粒（0.002—0.050 mm）含量（%）；為黏粒（＜0.002 mm）含量（%）；為有機(jī)碳含量（%）；=1-/100。將計(jì)算后的美國(guó)制值乘以0.1317，轉(zhuǎn)為國(guó)際制單位（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 方差分析 數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2013整理后，采用R 4.1.3軟件中的stats包進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)土壤可蝕性在壟作方向與水線方向上的差異顯著性，并采用agricolae包進(jìn)行LSD多重比較檢驗(yàn)。

1.5.2 地理探測(cè)器 地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性的工具，其基本假設(shè)是：如果某個(gè)自變量對(duì)某個(gè)因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應(yīng)該具有相似性[23]。地理探測(cè)器包括4個(gè)部分，分別是因子探測(cè)、交互作用探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)與生態(tài)探測(cè)，本文應(yīng)用了前兩個(gè)。

（1）因子探測(cè)。探測(cè)因變量（土壤可蝕性值）的空間分異性，以及探測(cè)各自變量因子多大程度上解釋了因變量的空間分異。用值度量，其表達(dá)式為：

式中，=1, …,為因變量或自變量的分層，即分類或分區(qū)；N和分別為層和全區(qū)的單元數(shù)；2和2分別是層和全區(qū)的值的分差；和分別是層內(nèi)方差與全區(qū)總方差。值的范圍[0, 1]，值越大表示自變量對(duì)因變量的解釋力越強(qiáng)，反之則越弱。

（2）交互作用探測(cè)。識(shí)別不同自變量之間的交互作用，即評(píng)估因子1和2共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對(duì)因變量的解釋力。評(píng)估的方法是首先分別計(jì)算兩種自變量因子1和2對(duì)因變量的值：(1)和(2)，以及它們交互時(shí)的值：(1∩2)；然后對(duì)(1)、(2)、(1∩2)進(jìn)行比較，并根據(jù)三者之間的大小關(guān)系，將交互作用類型分為5類，如表1所示。

表1 兩個(gè)自變量對(duì)因變量交互作用的類型

（3）影響因子數(shù)據(jù)的離散化。地理探測(cè)器是針對(duì)離散數(shù)據(jù)的算法，需要對(duì)連續(xù)變量（土壤容重、土壤有機(jī)碳、高程、坡度）進(jìn)行離散化處理。結(jié)合試驗(yàn)地和采樣點(diǎn)的實(shí)際情況，采用ArcGIS 10.2軟件的自然間斷點(diǎn)方法對(duì)這些連續(xù)變量進(jìn)行了分級(jí)。各因子具體的分級(jí)方法、級(jí)別說(shuō)明見表2。

2 結(jié)果

2.1 橫坡壟作方向土壤可蝕性

從壟臺(tái)來(lái)看（圖3），除了壟5之外，整體上土壤可蝕性值呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡伦阒饾u減小的變化趨勢(shì)；壟1—壟5土壤可蝕性值最大的分別是坡頂（0.285）、坡肩（0.275）、坡肩（0.285）、坡頂（0.272）、坡肩（0.273），最小的分別是坡足（0.252）、坡足（0.253）、坡足（0.252）、坡腳（0.255）、坡腳（0.260）；壟臺(tái)線性擬合斜率最大的是壟1，其次是壟3，表明這兩條壟從坡頂?shù)狡伦愕耐寥揽晌g性差異相對(duì)較大。從壟溝來(lái)看，除了壟1和壟3之外，整體上土壤可蝕性值同樣呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡伦銣p小的變化趨勢(shì)；壟1—壟5土壤可蝕性值最大的分別是坡腳（0.292）、坡肩（0.288）、坡腳（0.272）、坡頂（0.277）、坡頂（0.283），最小的分別是坡頂（0.241）、坡腳（0.243）、坡足（0.252）、坡腳（0.258）、坡肩（0.267）；壟溝線性擬合斜率較大的是壟1和壟2，表明土壤可蝕性值差異較大。而壟5線性擬合斜率均為最小，表明壟5在壟臺(tái)和壟溝的土壤可蝕性值差異最小。

橫坡壟作方向坡頂?shù)狡伦阃寥揽晌g性值之間的總體差異如圖4所示?？梢钥闯觯瑝排_(tái)的土壤可蝕性值從大到小依次是坡頂（0.275）、坡肩（0.274）、坡背（0.266）、坡腳（0.260）、坡足（0.259），而壟溝的土壤可蝕性值從大到小依次是坡肩（0.274）、坡背（0.273）、坡腳（0.268）、坡頂（0.268）、坡足（0.259）。經(jīng)檢驗(yàn)，壟臺(tái)坡頂和坡肩的土壤可蝕性值顯著大于坡腳和坡足（＞0.05），主要因?yàn)闄M坡壟作坡緩而長(zhǎng)，土壤經(jīng)歷了侵蝕-沉積的過(guò)程，其中坡頂和坡肩侵蝕較為強(qiáng)烈，坡背侵蝕微弱，而坡腳和坡足主要表現(xiàn)為沉積作用。

圖3 橫坡壟作方向土壤可蝕性變化

不同小寫字母表示壟臺(tái)/壟溝在橫坡壟作方向不同微地形之間差異顯著（P＜0.05）

2.2 順坡水線方向土壤可蝕性

從壟臺(tái)來(lái)看（圖5），除了線4之外，整體上土壤可蝕性值沿水線方向呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)；線1—線4土壤可蝕性值最大的分別是上坡（0.285）、中坡（0.285）、上坡（0.271）、中上坡（0.269），最小的分別是下坡（0.263）、中下坡（0.264）、中下坡（0.257）、上坡（0.254）；壟臺(tái)線性擬合斜率較大的是線1，表明線1的土壤可蝕性值差異相對(duì)較大。從壟溝來(lái)看，整體上線1和線5土壤可蝕性值沿水線方向呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)，而線2—線4呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)；線1—線5土壤可蝕性值最大的分別是下坡（0.283）、中上坡（0.288）、下坡（0.280）、上坡（0.292）、下坡（0.271），最小的分別是上坡（0.241）、下坡（0.268）、中下坡（0.268）、中上坡（0.243）、上坡（0.252）；壟溝線性斜率較大的是線1和線5，表明土壤可蝕性值差異較大。

圖6顯示了順坡水線方向從上坡到下坡土壤可蝕性值的總體差異，可以看出，壟臺(tái)的土壤可蝕性值從大到小依次是中坡（0.269）、下坡（0.268）、上坡（0.267）、中上坡（0.266）、中下坡（0.263），而壟溝的土壤可蝕性值從大到小依次是下坡（0.275）、中下坡（0.269）、上坡（0.268）、中坡（0.266）、中上坡（0.265）。經(jīng)檢驗(yàn)，壟臺(tái)、壟溝土壤可蝕性值在坡面上沒有顯著差異性（＞0.05）。

圖5 順坡水線方向土壤可蝕性變化

不同小寫字母表示壟臺(tái)/壟溝在順坡水線方向不同坡位之間差異顯著（P＜0.05）

總體而言，橫坡壟作方向從坡頂?shù)狡伦阃寥揽晌g性差異較大，呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，而順坡水線方向土壤可蝕性從上坡到下坡沒有明顯的變化趨勢(shì)。表明橫坡壟作可以顯著攔蓄徑流、減少土壤流失，但因黑土坡耕地橫坡壟作的坡緩而長(zhǎng)，易于匯集徑流，依然有斷壟潛在風(fēng)險(xiǎn)，一旦斷壟會(huì)形成細(xì)溝侵蝕、加速水土流失的發(fā)生。

2.3 土壤可蝕性影響因子分析

從單因子解釋率來(lái)看，在壟臺(tái)，橫坡壟作對(duì)土壤可蝕性值的影響高于其他因子（表3）。各因子值從大到小排序依次為：橫坡壟作、坡度、高程、土壤容重、土壤有機(jī)碳、順坡水線。表明橫坡壟作的值最大，達(dá)到了0.511，解釋率在51%以上，其次是坡度和高程，值分別為0.169和0.148，解釋率均在14%以上，其他因子的解釋率均在10%以下，特別是順坡水線，值為0.040，解釋率在5%以下。在壟溝，橫坡壟作同樣對(duì)土壤可蝕性值的影響最大（表4）。各因子值從大到小排列依次為：橫坡壟作、土壤容重、順坡水線、高程、坡度、土壤有機(jī)碳。表明橫坡壟作的值最大，達(dá)到了0.185，解釋率在18%以上，其次是順坡水線，值為0.103，解釋率在10%以上，除了土壤有機(jī)碳，其他因子的解釋率也均在10%以上，土壤有機(jī)碳的值最小，為0.059，解釋率在6%以下。由此可見，橫坡壟作對(duì)土壤可蝕性值的影響最大，其主要原因是橫坡壟作對(duì)坡面徑流的攔截作用，能夠有效降低坡面方向土壤可蝕性，減少土壤的流失。

從交互作用探測(cè)結(jié)果來(lái)看（表3、表4），在試驗(yàn)地的土壤可蝕性值中，雙因子之間的交互作用主要呈現(xiàn)出兩種關(guān)系，即非線性增強(qiáng)和雙因子增強(qiáng)，表明各影響因子不是相互獨(dú)立的個(gè)體，而是相互關(guān)聯(lián)的結(jié)合體。壟臺(tái)雙因子交互作用對(duì)土壤可蝕性值變化解釋率較高的5種組合為（表3）：橫坡壟作∩順坡水線（1.000）＞橫坡壟作∩高程（0.898）＞橫坡壟作∩土壤有機(jī)碳（0.774）＞橫坡壟作∩土壤容重（0.761）＞橫坡壟作∩坡度（0.712）。壟溝雙因子交互作用對(duì)土壤可蝕性值變化解釋率較高的5種組合為（表4）：橫坡壟作∩順坡水線（1.000）＞橫坡壟作∩高程（0.901）＞橫坡壟作∩土壤容重（0.758）＞橫坡壟作∩土壤有機(jī)碳（0.740）＞橫坡壟作∩坡度（0.500）。表明雙因子交互作用中，橫坡壟作與其他因子間的交互作用最為顯著，均增強(qiáng)了對(duì)土壤可蝕性值變化的解釋能力，在壟臺(tái)均達(dá)到0.7以上，壟溝均達(dá)到0.5以上，并且橫坡壟作與順坡水線因子之間的交互作用均為最大，其次是橫坡壟作與高程的交互作用。順坡水線主要通過(guò)增加坡面匯水面積和徑流量影響坡面徑流侵蝕力，高程對(duì)坡面徑流流速存在顯著的增加作用，橫坡壟作增加了坡面的粗糙度，有效攔截坡面徑流、降低流速，但隨著坡面徑流量的增大，壟臺(tái)的穩(wěn)定性變差，橫坡壟作易發(fā)生斷壟涌流，因此，橫坡壟作與地形對(duì)土壤可蝕性值的交互作用不容忽視。

表3 壟臺(tái)單因子及其交互作用貢獻(xiàn)率

粗體字表示單因子貢獻(xiàn)率；*表示非線性增強(qiáng)，即(x1∩x2)＞(x1)+(x2)；#表示雙因子增強(qiáng)，即(x1∩x2)＞Max[(x1),(x2)]。表4同

Bold represents single factor contribution rate. * Indicates nonlinear enhancement, that is(x1∩x2)＞(x1) +(x2);#Indicates double-factor enhancement, that is(x1∩x2)＞Max[(x1),(x2)]. The same as Table 4

表4 壟溝單因子及其交互作用貢獻(xiàn)率

3 討論

3.1 橫坡壟作與順坡水線土壤可蝕性比較

土壤可蝕性由于受到坡面土壤侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用的強(qiáng)弱不同，在空間上具有明顯的變異性。長(zhǎng)緩坡順坡地形在很大程度上決定著坡面徑流的匯集方式與過(guò)程，進(jìn)而影響坡面土壤侵蝕的強(qiáng)度[24]。相關(guān)研究表明，坡位是影響坡面土壤侵蝕的主要因素[25]。譚貞學(xué)等[26]通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上坡位與下坡位的侵蝕模數(shù)存在明顯差異。而本研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)緩坡順坡方向上土壤可蝕性在不同坡位均無(wú)顯著性差異，主要由于橫坡壟作的壟臺(tái)對(duì)徑流泥沙的攔截作用，使坡面水流在順坡方向無(wú)法形成有效徑流，泥沙阻留在壟溝內(nèi)，導(dǎo)致土壤侵蝕-沉積規(guī)律不明顯。正因如此，近年來(lái)橫坡壟作已被推廣使用，成為東北黑土區(qū)最常見的土壤侵蝕防控耕作方式[27]。橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作能顯著減少?gòu)搅骺偭?7.1%，減少泥沙總量93.1%，顯示出較強(qiáng)的攔截坡面徑流和泥沙的作用[28]；并且橫坡壟作可推遲產(chǎn)流時(shí)間，從而使產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量大幅減小[15]。這與本研究結(jié)果相一致，橫坡壟作相比于順坡水線對(duì)土壤可蝕性的影響更大。但是，本研究還發(fā)現(xiàn)在橫坡壟作方向上，壟臺(tái)坡頂和坡肩土壤可蝕性均顯著大于坡腳和坡足，壟溝坡肩和坡背土壤可蝕性也明顯大于坡足，表明橫坡壟作在減少坡面土壤侵蝕的同時(shí)，由于長(zhǎng)緩坡的微地形，在橫坡壟作方向同樣引起了土壤可蝕性顯著的差異，當(dāng)降雨沿壟溝匯集徑流增大后，極易在脆弱壟段或坡足低洼處發(fā)生斷壟現(xiàn)象，坡面土壤侵蝕方式將由片蝕向細(xì)溝侵蝕演變，反而加劇了坡耕地土壤侵蝕。

3.2 影響土壤可蝕性因子的交互作用

土壤可蝕性是一個(gè)復(fù)雜的概念，其大小是土壤質(zhì)地、滲透性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等土壤性質(zhì)以及降雨、地形、土壤管理措施共同作用的結(jié)果[29]。黑土區(qū)坡耕地具有坡緩坡長(zhǎng)的特征，80%以上的水土流失面積發(fā)生在坡耕地[30]，而耕作是影響坡耕地水土流失最直接的人為因子，橫坡壟作盡管在一定程度上防治坡耕地土壤侵蝕，但不能從根本上控制水土流失，需要考慮與其他因子的交互作用。本研究雙因子交互作用中，橫坡壟作與其他因子之間存在明顯的交互作用，特別是與地形的交互作用對(duì)土壤可蝕性的影響遠(yuǎn)大于單因子?？梢?，對(duì)于東北黑土區(qū)特有的長(zhǎng)緩坡耕地而言，橫壟壟臺(tái)對(duì)徑流泥沙的攔截作用和對(duì)坡面流速的削減作用，能有效地減少泥沙的輸移。但是由于黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡地形的實(shí)際情況，一方面在橫坡方向由于微地形的作用，難以做到真正的橫坡壟作，橫坡壟作方向也發(fā)生不同程度的土壤侵蝕，并且存在明顯的侵蝕-沉積變化規(guī)律[31]，從而易在匯流沉積區(qū)存在較高的斷壟風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，順坡方向坡長(zhǎng)所引起的坡面擴(kuò)大增加了水流的匯水面積和潛在的徑流量[20]，一旦發(fā)生斷壟，將很快形成細(xì)溝侵蝕，加速水土流失的發(fā)生。因此，盡管橫坡壟作作為東北黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡現(xiàn)階段主要的耕作方式[32]，但仍建議在現(xiàn)有耕作方式基礎(chǔ)上，依據(jù)地形識(shí)別匯流沉積區(qū)，并建設(shè)匯水線草水路或地下鼠道，以更有效地減緩長(zhǎng)坡引起的土壤侵蝕。

4 結(jié)論

東北黑土區(qū)坡耕地土壤可蝕性值具有明顯的空間變異性，橫坡壟作方向，坡頂和坡肩主要表現(xiàn)為侵蝕作用，土壤可蝕性值較大，坡腳和坡足主要表現(xiàn)為沉積作用，土壤可蝕性值較小，其中壟臺(tái)坡足土壤可蝕性值比坡頂小6.2%，壟溝坡足土壤可蝕性值比坡肩小5.8%。橫坡壟作可以有效攔蓄徑流，減小侵蝕作用。順坡水線方向土壤可蝕性值從上坡到下坡沒有明顯的變化趨勢(shì)。橫坡壟作對(duì)土壤可蝕性值變化的解釋率明顯高于其他單因子，壟臺(tái)橫坡壟作解釋率達(dá)51%以上，壟溝達(dá)到18%以上；橫坡壟作與其他因子間的交互作用最為顯著，均增強(qiáng)了對(duì)土壤可蝕性值變化的解釋能力，在壟臺(tái)均達(dá)0.7以上，壟溝均達(dá)0.5以上，并且橫坡壟作與地形之間的交互作用最為明顯，在壟臺(tái)和壟溝的解釋率均達(dá)0.8以上。因此，針對(duì)黑土區(qū)長(zhǎng)緩坡耕地，需要同時(shí)考慮橫坡壟作和地形對(duì)土壤可蝕性的影響。

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Interaction Between Transverse Ridge Tillage and Topography on Soil Erodibility Along the Long Gentle Slope in a Typical Black Soil Region of Northeast China

YU BoWei, ZHANG QingWen, HAO Zhuo, SHI YuLong, LI XueLiang, LI MengNi, JING XueKai

Agricultural Clean Watershed Research Group, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【Objective】The soil erosion of slope farmland in Chinese black soil region is becoming more and more serious. This study mainly focused on the interaction between transverse ridge tillage and topography on soil erodibility, which could provide a scientific theoretical basis for precise prevention of soil erosion of slope farmland in black soil region. 【Method】A typical slope farmland in the Hongxing farm in Beian city of Heilongjiang Province was selected as research object. A total of 25 sampling points were designed along both the transverse ridge tillage direction and longitudinal waterline direction. The soil erodibilityvalues of the corresponding sample points were calculated and tested by One-way ANOVA method. The influence factors of soil erodibilityvalue were analyzed by using the geographic detector model. 【Result】In the transverse ridge tillage direction, the ridge soil erodibility decreased gradually from the top to the foot of slope, and thevalue decreased by 6.2%. The furrow soil erodibility decreased gradually from the shoulder to the foot of slope, and thevalue decreased by 5.8%. In the waterline direction, due to the blocking effect of ridge terrace on surface runoff, soil erodibilityvalue of ridge and furrow did not change significantly along the slope. Geodetector analysis showed that the influence of the transverse ridge tillage on soil erodibilityvalue was the greatest, and its interpretation rate was more than 51% and 18% in the ridge and furrow, respectively. The transverse ridge tillage and other factors had a significant interaction enhancement effect onvalue, particularly the interaction between the transverse ridge tillage and topography. 【Conclusion】 The soil erodibilityvalue of slope farmland in the black soil region had obvious spatial variability. There was significant interaction between the transverse ridge tillage and topography on soil erodibility. The transverse ridge tillage could significantly intercept runoff and reduce soil erosion. Due to the long slope in the transverse ridge tillage, it was easy to collect runoff at the foot of the slope, and increase the potential risk of ridge failure.

soil erodibility; transverse ridge tillage; longitudinal waterline; topography; interaction; slope farmland of black soil region

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.012

2022-11-27；

2023-02-09

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CAAS-ZDRW202202）

于博威，E-mail：yubowei@caas.cn。通信作者張晴雯，E-mail：zhangqingwen@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）