黑土区典型小流域土壤物理特性空间分异及其与水土保持措施的关系

李未 ，张春山 ，胡伟 ，张兴义

（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150081；2.拜泉县水务局, 黑龙江 拜泉 164700； 3.中国科学院大学, 北京 100049）

0 引言

土壤物理性质是反映土壤结构和功能的重要指标，可调节土壤中的水肥气热传输，影响植物生长和土壤水文过程[1]。受自然因素（地形地貌、气候等）和人为因素的共同作用，土壤物理性质具有高度的空间异质性[2]，即使在土壤类型和质地相同的区域，土壤的物理性质在空间上差异明显[3-4]。自然因素对土壤物理性质的影响相对稳定，人为因素主要通过改变植被空间格局促使土壤物理性质发生变化[5]。相关研究表明，在水土流失严重区，实施水土保持措施能够有效改善土壤物理性质，提高土壤质量[6]。田宁宁等[7]在晋西黄土区的研究指出，与荒草地相比，乔木林的土壤容重较小，具有较好的透气性和持水性。薛萐等[8]在黄土丘陵区的研究发现，坡耕地改造为梯田后，随着改造年限的增加，土壤物理性质和土壤质量显著提高。徐勤学等[9]在喀斯特地区的研究发现，灌木林比梯田入渗性能好，孔隙度较大，土壤容重较小。喻荣岗等[10]在侵蚀红壤区的研究结果表明，与裸地相比，草地和梯田降低了土壤容重，增加了土壤持水性，提高了土壤团聚体稳定性。翟星雨等[11]在黑土区的研究结果认为，等高垄作可降低水土流失对土壤水分空间再分配的影响，具有良好的水土保持作用。

东北黑土区作为世界四大片黑土区之一，是我国重要的粮食安全保障基地[12]。受长期垦殖和不合理的人类活动影响，该区水土流失加剧，土壤结构严重破坏，肥力下降，土地退化十分严重[13]。该区黑土层厚度由开垦初期的50 ～ 60 cm 减少至20 ～ 30 cm 左右，长期监测结果表明坡耕地正以每年2 ～ 3 mm 的速率变薄[14]。黑土侵蚀退化已经成为当前危害黑土区粮食可持续发展的主要因素，开展黑土区水土保持生态建设显得尤为重要。我国自1979 年以来实施了诸如三北防护林等各种水土保持措施，极大地改善了土壤物理性质[15]。然而，现有水土保持措施对土壤物理性质的研究多集中在黄土高原以及南方丘陵区[16]，较少涉及东北黑土区，特别是小流域尺度的长期效应研究。

本研究以实施水土保持措施三十余年的通双小流域为研究对象，运用经典统计学和地统计学方法，分析土壤物理性质在小流域的空间异质性，借助信息熵原理，探究水土保持措施与土壤物理性质的空间相关性，明晰水土保持措施对土壤物理性质的影响，以期为区域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

研究区为黑龙江省拜泉县通双小流域（ 126°14′45″ ～ 126°17′15″E，47°26′00″ ～ 47°28′30″N ），位于东北漫川漫岗黑土区，属中温带大陆性季风气候，年均气温为1.28 ℃，年均降水量为490 mm[17]。小流域面积为9.92 km2，地势东高西低，丘陵起伏，海拔为200 ～ 300 m。土壤类型主要为黑土，农作物主要为玉米（Zea maysL）和大豆（Glycine max）。自20 世纪80 年代土地开垦以来，小流域发生了严重的水土流失。为此，小流域从1980 年开始布设了五种不同类型的水土保持措施，包括梯田、等高垄作、人工乔木林、草地和人工灌木林（图1）。其中，梯田和等高垄作位于坡上和坡中部；乔木林位于坡顶，主要种植落叶松（Larix gmeinii）和樟子松（Pinus sylvestris）；草地位于坡下和坡谷；灌木林位于坡谷，主要种植灌木柳（Salix saposhnikovii）[15]。

图1 研究区水土保持措施和采样点分布图Fig. 1 Soil and water conservation measures and soil sampling points distribution in the study area

1.2 土壤采样及测定方法

土壤样品采集时间为2016 年6 月，整体根据网格法采样，间距约为500 m，根据样点的可达性和水土保持措施的代表性适当调整采样间距，累计采集292 个样点。考虑到当地农耕地为机械旋耕，旋耕深度为20 cm 左右，为了对比分析不同水土保持措施的效果，所有水土保持措施的采样深度均设为20 cm，采用“S”型采样法，采集后将土样充分混合后利用四分法取约1 kg 土壤于塑封袋内，注明编号，带回实验室。土壤容重采用环刀法测定[18]，土壤田间持水量和土壤饱和含水量采用环刀浸泡法测定[18]。风干后的土壤采用真空慢速浸润法测定水稳性团聚体[19]，根据土壤团粒分析仪（DIK-2001，日本）测定的各粒级团聚体的数据计算土壤水稳定性大团聚体含量和平均重量直径。

1.3 数据分析与处理

1.3.1 土壤水稳性团聚体指标

土壤水稳性大团聚体（WR0.25）含量的计算方法：

式中：Mr＞0.25为粒径 ＞ 0.25 mm 的团聚体重量（g）；MT为土样总重量（g）。

平均重量直径（MWD）的计算方法：

式中：Xi为筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径（mm）；Wi为任一粒径范围团聚体的总量占土壤样品干重的分数。

1.3.2 经典统计学

利用SPSS 22.0 软件进行经典统计学分析，当数据的变异系数小于0.1 时为弱变异；变异系数处于0.1 和1 之间时为中等变异；变异系数大于1 时为强变异[20]。

1.3.3 地统计学

利用GS+9.0 软件对研究区土壤物理性质进行地统计学的空间自相关分析和半方差函数的拟合计算。根据R²越接近与1，RSS 越小的原则，选择Kriging 插值分析模型。

半方差函数公式如下：

式中：r(h)表示间距为h的平方差函数值；N(h)是距离为h时成对采样点的总数；Z(xi)和Z(xi+h)分别表示在xi和xi+h位置上土壤物理性质的含量值。

块金值与基台值的比值被称作块金效应，可以直观的表示空间变异的程度。块金效应小于0.25 表示具有较强的空间自相关性，受结构性因素影响较大；块金效应在0.25 ～ 0.75 之间表示具有中等强度的空间自相关性，受随机性因素和结构性因素的共同影响；块金效应大于0.75 表示具有较弱的空间自相关性，受随机性因素影响较大[15]。

变程反映了研究对象中某一区域化变量的空间自相关性作用的影响范围，变程越小，空间相关范围越小，空间变异越强，表示越受人为活动的影响[21]。

1.3.4 信息熵

信息熵是用来表示某一信息源所发出的多种信息的平均信息量[22]，设xi为离散型随机变量，其分布概率则为P(xi)，设n为样本总体，则信息源X信息熵H(X)公式为：

对数的底a 一般取2。当两个信息源X和Y为二维随机变量时，它们的联合分布概率为P(xi,yj)（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m），则X和Y的联合信息熵H(X,Y)为[23]：

当H(X,Y)≤H(X)+H(Y)，且可用H(X,Y)/[H(X)+H(Y)]反应变量X和Y之间的相关性，两个信息源相关性用K来表示[24]：

K的取值范围为[0,1]。当K= 0 时，表示X和Y不相关；当K＞ 0 时，表示X和Y具有相关性；K值越大，表示二者之间的相关程度越高。

利用SPSS 22.0 软件中的单因素方差分析（One-way ANOVA）不同水土保持措施间土壤物理性质的差异，数据进行Pearson 相关分析以及LSD 显著性检验（P＜ 0.05），并用SigmaPlot 14.0 绘图。利用ArcGIS 10.7 进行Kriging 插值并绘制土壤各性质的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质的经典统计学分析

经典统计学分析结果显示（表1），土壤容重变幅为0.81 ～ 1.56 g·cm-3，变异系数为0.12，属中等变异。土壤田间持水量、土壤饱和含水量变幅分别为21.5% ～ 65.0%和25.8% ～ 75.6%，变异系数分别为0.22 和0.20，均属中等变异。WR0.25含量变幅为58.0% ～ 94.0%，变异系数为0.09，属弱变异。MWD 变幅为0.22 ～ 3.93 mm，变异系数为0.40，属中等变异。

表1 土壤物理性质的经典统计学分析Table 1 Descriptive statistics of soil physical properties

2.2 土壤物理性质的空间分异特征

2.2.1 地统计学分析

地统计学分析结果显示（表2），各土壤物理性质的决定系数均 ＞ 0.5，表明理论变异函数模型能够较好的用于土壤性质的空间异质性分析。土壤容重的最佳拟合模型为高斯模型，土壤田间持水量、土壤饱和含水量以及WR0.25的最佳拟合模型为指数模型，MWD 的最佳拟合模型为球状模型。土壤容重、田间持水量、饱和含水量、WR0.25以及MWD 的块金效应值为0.30 ～ 0.50，属于中等强度的空间相关性，各土壤物理性质的变程变幅为511 ～ 694 m，说明这些土壤性质的变异受结构性因素和随机性因素的共同影响。

表2 土壤物理性质的半方差函数参数Table 2 Semi-variance function parameters of soil physical properties

2.2.2 土壤物理性质空间分布特征

各土壤物理性质在小流域空间上整体呈斑块状或带状分布（图2）。其中，土壤容重呈斑块状分布，高值区集中分布在南部区域，少量分布在东部区域，低值区分布在东北部和东南部区域。土壤田间持水量高值区主要集中分布在研究区的北部和西部区域，少量分布在中部和偏东南部区域，低值区分布在东部和南部区域；土壤饱和含水量高值区分布在研究区北部和东南部区域，低值区分布在南部和西部区域，总体呈现从东部到西部逐渐递减的趋势。土壤WR0.25含量高值区分布较为分散，在北部、西北部区域均有分布，低值区分布在东部和东南部区域；MWD 高值区集中分布在西部区域，少量分布在北部区域，低值区分布在东部和东南部区域。

图2 土壤物理性质的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of soil physical properties

2.3 水土保持措施与土壤物理性质的关系

2.3.1 皮尔逊相关分析

相关分析结果显示（表3），水土保持措施与土壤容重和MWD 呈极显著正相关关系（P＜ 0.01），与WR0.25呈显著正相关关系（P＜ 0.05）；而水土保持措施与土壤田间持水量和饱和含水量呈极显著负相关关系（P＜ 0.01）。土壤容重与土壤田间持水量、土壤饱和含水量呈极显著负相关关系（P＜ 0.01）。土壤田间持水量和土壤饱和含水量呈极显著正相关关系（P＜ 0.01）。WR0.25和MWD 呈极显著正相关关系（P＜ 0.01）。

表3 水土保持措施与土壤物理性质各参数的相关系数Table 3 Correlation coefficients between soil and water conservation measures and soil physical properties

2.3.2 空间相关性分析

本研究采用信息熵原理对土壤物理性质与水土保持措施的空间相关性进行分析，计算土壤物理性质与水土保持措施的分布概率以及二者的联合分布概率，并计算了土壤容重和水土保持措施的联合分布概率矩阵（表4）。将该矩阵按照公式（4）～（6）计算得到土壤容重与水土保持措施的空间相关系数K为0.11。其他物理指标与水土保持措施的空间相关系数计算方法如前所示。土壤田间持水量、饱和含水量、WR0.25和MWD 的空间相关系数K分别为0.06、0.06、0.02 和0.04。这说明土壤物理性质之间存在空间相关性，大小顺序依次为：土壤容重，土壤田间持水量/土壤饱和含水量，MWD 和WR0.25。

表4 土壤容重与水土保持措施之间的联合分布概率矩阵Table 4 United distributing probability matrix between soil bulk density and soil and water conservation measures

2.3.3 差异性分析

不同水土保持措施间各土壤性质间差异显著（图3，P＜ 0.05）。乔木林和草地的土壤容重显著高于梯田、等高垄作和灌木林，分别比梯田、等高垄作和灌木林高16.5%、17.6%和14.4%以及13.8%、14.8%和11.7%。不同水土保持措施间土壤水分特征存在差异。乔木林的土壤田间持水量和土壤饱和含水量显著低于梯田、等高垄作和灌木林，分别比梯田、等高垄作和灌木林低16.9%、15.9%和19.7%（梯田）以及20.2%，22.6%和19.7%（等高垄作）。不同水土保持措施间WR0.25和MWD 存在差异。草地的土壤WR0.25含量和MWD 显著高于梯田和等高垄作，分别比梯田和等高垄作高6.64%和6.34%，61.3%和69.7%。

图3 不同水土保持措施下的土壤物理性质Fig. 3 Soil physical properties under different soil and water conservation measures

3 讨论

本研究中土壤物理性质的变程范围为515 ～ 694 m，大于本次采样的间距500 m，说明本次采样满足空间分析的要求。块金效应值范围为0.30 ～ 0.50，说明土壤物理性质均有中等强度的空间自相关性，主要受结构性因素和随机性因素共同影响。结构性因素指自然因素，包括气候、地形地貌和土壤类型等[20]。随机性因素指人类活动，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发现土壤物理性质与水土保持措施具有空间相关性，空间相关系数范围为0.02 ～ 0.11，说明水土保持措施不是影响土壤物理性质的唯一因素，可能的原因是水土保持措施并不能充分代表随机性因素的影响。除随机性影响外，结构性因素对土壤物理性质的空间异质性产生影响。邱扬[26]在黄土丘陵区的研究指出，土壤水分的空间异质性受坡位、坡度和土地利用等的共同作用。

土壤容重反映土壤紧实度和孔隙状况[27]，受植物根系分布、耕作等的影响。本研究中乔木林土壤容重显著高于梯田、等高垄作和灌木林，这与魏建兵[15]等的研究结果一致，可能的原因是其根系发达且分布较深，耗水量大，在生长过程中地下根系引起土壤的压实作用，土壤容重增大，草地受人类干扰以及牲畜的踩踏也会使土壤紧实度增加[27]，容重变大。梯田和等高垄作在长期耕作下土壤疏松，土壤容重较低。灌木林地处沟谷，有机质含量随生长年限的增加逐渐增大，同时随着灌木凋落物增加，促进了有机质的积累，因此容重相对较低[28]。

土壤田间持水量和饱和含水量分别反映土壤有效水的上限和土壤的最大蓄水持水能力。本研究发现乔木林的田间持水量和饱和含水量显著低于梯田、等高垄作和灌木林，这与邵臻[16]等的研究结果相似，可能的原因是土壤持水能力取决于土壤的容重，土壤田间持水量和饱和含水量与土壤容重呈极显著负相关也证实了这一点，土壤容重越大，土壤越疏松，土壤持水能力越强。本研究中乔木林的土壤容重最大，则持水能力最弱，梯田和等高垄作措施改变了耕地的地形，减少地表径流的发生，增加土壤入渗，改善土壤蓄水状况。

土壤水稳性团聚体反映土壤结构的稳定性，WR0.25和MWD 数值越大，表明土壤团聚体越稳定，土壤物理特性越好。不同水土保持措施可以改变土壤的微环境影响土壤团聚体的稳定性。本研究发现草地土壤的WR0.25和MWD 显著高于梯田和等高垄作，这与前人的研究结果相一致[27]，可能的原因是草地受干扰较弱，有机质氧化分解较慢，加之枯落物层的存在，土壤微生物活动产生的胶结物质促进土壤的团聚作用[29]；而等高垄作和梯田在常年耕作作用下较大的团聚体被破坏，有机质氧化分解较快，团聚体间的胶结物质减少，土壤团聚作用减弱[27]。

从水土保持的角度出发，营造水保林，修筑梯田，等高改垄等措施对减少土壤侵蚀都有积极的作用，对于水土保持措施效果较差的区域以及农耕地，施加有机肥及秸秆还田等，改善土壤结构，提高土壤质量，促进区域土地资源的可持续利用。

4 结论

（1）通双小流域表层土壤容重、田间持水量、饱和含水量和MWD 属于中等变异，而土壤WR0.25属弱变异。各土壤物理性质的块金效应值为0.30 ～ 0.50，具有中等强度的空间自相关性，说明变异受结构性因素和随机性因素的共同影响。各土壤物理性质在空间上呈斑块状或带状分布。

（2）各土壤物理性质与水土保持措施间存在空间相关性，排序依次为土壤容重，土壤田间持水量/土壤饱和含水量，MWD 和WR0.25。乔木林的土壤容重显著高于梯田、等高垄作和灌木林，土壤水分特征显著低于梯田、等高垄作和灌木林；草地的土壤WR0.25含量和MWD 显著高于梯田和等高垄作。