黑土區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系

李未 ，張春山 ，胡偉 ，張興義

（1.中國科學院東北地理與農業生態研究所 黑土區農業生態重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150081；2.拜泉縣水務局, 黑龍江 拜泉 164700； 3.中國科學院大學, 北京 100049）

0 引言

土壤物理性質是反映土壤結構和功能的重要指標，可調節土壤中的水肥氣熱傳輸，影響植物生長和土壤水文過程[1]。受自然因素（地形地貌、氣候等）和人為因素的共同作用，土壤物理性質具有高度的空間異質性[2]，即使在土壤類型和質地相同的區域，土壤的物理性質在空間上差異明顯[3-4]。自然因素對土壤物理性質的影響相對穩定，人為因素主要通過改變植被空間格局促使土壤物理性質發生變化[5]。相關研究表明，在水土流失嚴重區，實施水土保持措施能夠有效改善土壤物理性質，提高土壤質量[6]。田寧寧等[7]在晉西黃土區的研究指出，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]在黃土丘陵區的研究發現，坡耕地改造為梯田后，隨著改造年限的增加，土壤物理性質和土壤質量顯著提高。徐勤學等[9]在喀斯特地區的研究發現，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]在侵蝕紅壤區的研究結果表明，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，提高了土壤團聚體穩定性。翟星雨等[11]在黑土區的研究結果認為，等高壟作可降低水土流失對土壤水分空間再分配的影響，具有良好的水土保持作用。

東北黑土區作為世界四大片黑土區之一，是我國重要的糧食安全保障基地[12]。受長期墾殖和不合理的人類活動影響，該區水土流失加劇，土壤結構嚴重破壞，肥力下降，土地退化十分嚴重[13]。該區黑土層厚度由開墾初期的50 ～ 60 cm 減少至20 ～ 30 cm 左右，長期監測結果表明坡耕地正以每年2 ～ 3 mm 的速率變薄[14]。黑土侵蝕退化已經成為當前危害黑土區糧食可持續發展的主要因素，開展黑土區水土保持生態建設顯得尤為重要。我國自1979 年以來實施了諸如三北防護林等各種水土保持措施，極大地改善了土壤物理性質[15]。然而，現有水土保持措施對土壤物理性質的研究多集中在黃土高原以及南方丘陵區[16]，較少涉及東北黑土區，特別是小流域尺度的長期效應研究。

本研究以實施水土保持措施三十余年的通雙小流域為研究對象，運用經典統計學和地統計學方法，分析土壤物理性質在小流域的空間異質性，借助信息熵原理，探究水土保持措施與土壤物理性質的空間相關性，明晰水土保持措施對土壤物理性質的影響，以期為區域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

研究區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，屬中溫帶大陸性季風氣候，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，地勢東高西低，丘陵起伏，海拔為200 ～ 300 m。土壤類型主要為黑土，農作物主要為玉米（Zea maysL）和大豆（Glycine max）。自20 世紀80 年代土地開墾以來，小流域發生了嚴重的水土流失。為此，小流域從1980 年開始布設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 研究區水土保持措施和采樣點分布圖Fig. 1 Soil and water conservation measures and soil sampling points distribution in the study area

1.2 土壤采樣及測定方法

土壤樣品采集時間為2016 年6 月，整體根據網格法采樣，間距約為500 m，根據樣點的可達性和水土保持措施的代表性適當調整采樣間距，累計采集292 個樣點?？紤]到當地農耕地為機械旋耕，旋耕深度為20 cm 左右，為了對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，注明編號，帶回實驗室。土壤容重采用環刀法測定[18]，土壤田間持水量和土壤飽和含水量采用環刀浸泡法測定[18]。風干后的土壤采用真空慢速浸潤法測定水穩性團聚體[19]，根據土壤團粒分析儀（DIK-2001，日本）測定的各粒級團聚體的數據計算土壤水穩定性大團聚體含量和平均重量直徑。

1.3 數據分析與處理

1.3.1 土壤水穩性團聚體指標

土壤水穩性大團聚體（WR0.25）含量的計算方法：

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

平均重量直徑（MWD）的計算方法：

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

1.3.2 經典統計學

利用SPSS 22.0 軟件進行經典統計學分析，當數據的變異系數小于0.1 時為弱變異；變異系數處于0.1 和1 之間時為中等變異；變異系數大于1 時為強變異[20]。

1.3.3 地統計學

利用GS+9.0 軟件對研究區土壤物理性質進行地統計學的空間自相關分析和半方差函數的擬合計算。根據R2越接近與1，RSS 越小的原則，選擇Kriging 插值分析模型。

半方差函數公式如下：

式中：r(h)表示間距為h的平方差函數值；N(h)是距離為h時成對采樣點的總數；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示在xi和xi+h位置上土壤物理性質的含量值。

塊金值與基臺值的比值被稱作塊金效應，可以直觀的表示空間變異的程度。塊金效應小于0.25 表示具有較強的空間自相關性，受結構性因素影響較大；塊金效應在0.25 ～ 0.75 之間表示具有中等強度的空間自相關性，受隨機性因素和結構性因素的共同影響；塊金效應大于0.75 表示具有較弱的空間自相關性，受隨機性因素影響較大[15]。

變程反映了研究對象中某一區域化變量的空間自相關性作用的影響范圍，變程越小，空間相關范圍越小，空間變異越強，表示越受人為活動的影響[21]。

1.3.4 信息熵

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

對數的底a 一般取2。當兩個信息源X和Y為二維隨機變量時，它們的聯合分布概率為P(xi,yj)（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m），則X和Y的聯合信息熵H(X,Y)為[23]：

當H(X,Y)≤H(X)+H(Y)，且可用H(X,Y)/[H(X)+H(Y)]反應變量X和Y之間的相關性，兩個信息源相關性用K來表示[24]：

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

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的差異，數據進行Pearson 相關分析以及LSD 顯著性檢驗（P＜ 0.05），并用SigmaPlot 14.0 繪圖。利用ArcGIS 10.7 進行Kriging 插值并繪制土壤各性質的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質的經典統計學分析

經典統計學分析結果顯示（表1），土壤容重變幅為0.81 ～ 1.56 g·cm-3，變異系數為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%，變異系數為0.09，屬弱變異。MWD 變幅為0.22 ～ 3.93 mm，變異系數為0.40，屬中等變異。

表1 土壤物理性質的經典統計學分析Table 1 Descriptive statistics of soil physical properties

2.2 土壤物理性質的空間分異特征

2.2.1 地統計學分析

地統計學分析結果顯示（表2），各土壤物理性質的決定系數均 ＞ 0.5，表明理論變異函數模型能夠較好的用于土壤性質的空間異質性分析。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 的塊金效應值為0.30 ～ 0.50，屬于中等強度的空間相關性，各土壤物理性質的變程變幅為511 ～ 694 m，說明這些土壤性質的變異受結構性因素和隨機性因素的共同影響。

表2 土壤物理性質的半方差函數參數Table 2 Semi-variance function parameters of soil physical properties

2.2.2 土壤物理性質空間分布特征

各土壤物理性質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，高值區集中分布在南部區域，少量分布在東部區域，低值區分布在東北部和東南部區域。土壤田間持水量高值區主要集中分布在研究區的北部和西部區域，少量分布在中部和偏東南部區域，低值區分布在東部和南部區域；土壤飽和含水量高值區分布在研究區北部和東南部區域，低值區分布在南部和西部區域，總體呈現從東部到西部逐漸遞減的趨勢。土壤WR0.25含量高值區分布較為分散，在北部、西北部區域均有分布，低值區分布在東部和東南部區域；MWD 高值區集中分布在西部區域，少量分布在北部區域，低值區分布在東部和東南部區域。

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

2.3 水土保持措施與土壤物理性質的關系

2.3.1 皮爾遜相關分析

相關分析結果顯示（表3），水土保持措施與土壤容重和MWD 呈極顯著正相關關系（P＜ 0.01），與WR0.25呈顯著正相關關系（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相關關系（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相關關系（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關系（P＜ 0.01）。WR0.25和MWD 呈極顯著正相關關系（P＜ 0.01）。

表3 水土保持措施與土壤物理性質各參數的相關系數Table 3 Correlation coefficients between soil and water conservation measures and soil physical properties

2.3.2 空間相關性分析

本研究采用信息熵原理對土壤物理性質與水土保持措施的空間相關性進行分析，計算土壤物理性質與水土保持措施的分布概率以及二者的聯合分布概率，并計算了土壤容重和水土保持措施的聯合分布概率矩陣（表4）。將該矩陣按照公式（4）～（6）計算得到土壤容重與水土保持措施的空間相關系數K為0.11。其他物理指標與水土保持措施的空間相關系數計算方法如前所示。土壤田間持水量、飽和含水量、WR0.25和MWD 的空間相關系數K分別為0.06、0.06、0.02 和0.04。這說明土壤物理性質之間存在空間相關性，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的變程范圍為515 ～ 694 m，大于本次采樣的間距500 m，說明本次采樣滿足空間分析的要求。塊金效應值范圍為0.30 ～ 0.50，說明土壤物理性質均有中等強度的空間自相關性，主要受結構性因素和隨機性因素共同影響。結構性因素指自然因素，包括氣候、地形地貌和土壤類型等[20]。隨機性因素指人類活動，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現土壤物理性質與水土保持措施具有空間相關性，空間相關系數范圍為0.02 ～ 0.11，說明水土保持措施不是影響土壤物理性質的唯一因素，可能的原因是水土保持措施并不能充分代表隨機性因素的影響。除隨機性影響外，結構性因素對土壤物理性質的空間異質性產生影響。邱揚[26]在黃土丘陵區的研究指出，土壤水分的空間異質性受坡位、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]等的研究結果一致，可能的原因是其根系發達且分布較深，耗水量大，在生長過程中地下根系引起土壤的壓實作用，土壤容重增大，草地受人類干擾以及牲畜的踩踏也會使土壤緊實度增加[27]，容重變大。梯田和等高壟作在長期耕作下土壤疏松，土壤容重較低。灌木林地處溝谷，有機質含量隨生長年限的增加逐漸增大，同時隨著灌木凋落物增加，促進了有機質的積累，因此容重相對較低[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。本研究發現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相關也證實了這一點，土壤容重越大，土壤越疏松，土壤持水能力越強。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，減少地表徑流的發生，增加土壤入滲，改善土壤蓄水狀況。

土壤水穩性團聚體反映土壤結構的穩定性，WR0.25和MWD 數值越大，表明土壤團聚體越穩定，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境影響土壤團聚體的穩定性。本研究發現草地土壤的WR0.25和MWD 顯著高于梯田和等高壟作，這與前人的研究結果相一致[27]，可能的原因是草地受干擾較弱，有機質氧化分解較慢，加之枯落物層的存在，土壤微生物活動產生的膠結物質促進土壤的團聚作用[29]；而等高壟作和梯田在常年耕作作用下較大的團聚體被破壞，有機質氧化分解較快，團聚體間的膠結物質減少，土壤團聚作用減弱[27]。

從水土保持的角度出發，營造水保林，修筑梯田，等高改壟等措施對減少土壤侵蝕都有積極的作用，對于水土保持措施效果較差的區域以及農耕地，施加有機肥及秸稈還田等，改善土壤結構，提高土壤質量，促進區域土地資源的可持續利用。

4 結論

（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。各土壤物理性質的塊金效應值為0.30 ～ 0.50，具有中等強度的空間自相關性，說明變異受結構性因素和隨機性因素的共同影響。各土壤物理性質在空間上呈斑塊狀或帶狀分布。

（2）各土壤物理性質與水土保持措施間存在空間相關性，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。