東北黑土區(qū)農林混合利用坡面土壤水分空間異質性及主控因素

郭欣欣，付 強，盧 賀，高鳳杰，杭艷紅

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東北黑土區(qū)農林混合利用坡面土壤水分空間異質性及主控因素

郭欣欣1，付 強2※，盧 賀1，高鳳杰1，杭艷紅1

（1. 東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2. 東北農業(yè)大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030）

針對黑土區(qū)坡面尺度上土壤水分在土地利用結構（從坡頂?shù)狡履_，即沿著坡長方向，不同土地利用類型的排列方式）、土地利用類型（農地和林地）及地形要素的協(xié)同作用下的空間分異規(guī)律及影響機制尚不清楚的現(xiàn)狀，以黑龍江省黑土區(qū)的農林混合利用典型坡面（克山縣）為研究對象，應用植被數(shù)量生態(tài)學中的冗余分析方法（RDA）分析0～20、20～40、40～60 cm土壤水分剖面變異特征、不同土地利用結構下（農地-農地-農地-農地-農地，農地-農地-林地-林地-農地，農地-農地-林地-林地-林地，林地-林地-農地-林地-農地）坡面土壤水分異質性及其與環(huán)境因子的定量關系。結果表明：研究區(qū)坡面土壤含水率介于5.77%～45.57%，農地土壤含水率顯著高于林地（<0.05），縱向上不同土地利用類型層間土壤含水率差異均不顯著；土壤水分呈中等變異，縱向上農地各土層的變異系數(shù)（35.9%～39.6%）均高于林地（30.0%～36.5%），農林混合利用加強了土壤水分的空間變異程度；4種土地利用結構下，坡面土壤水分沿坡長方向呈不同的變化趨勢，與土地利用鑲嵌分布規(guī)律有關；冗余分析結果顯示土地利用類型是影響黑土區(qū)坡面土壤水分異質性的主控因素，坡度次之，坡位和海拔高度對坡面土壤水分異質性也有影響。對于黑龍江黑土區(qū)坡面，需要結合土地利用結構配置等土地管理措施與不同的農業(yè)措施來防止坡面土壤侵蝕、提高東北區(qū)土壤肥力，實現(xiàn)經濟效益、生態(tài)效益的協(xié)調統(tǒng)一。

土壤；水分；土地利用；空間異質性；農林混合結構；坡面；黑土區(qū)

0 引 言

黑龍江黑土區(qū)作為重要的商品糧基地，在實施千億斤糧食產能工程及保障國家糧食安全中有不可或缺的作用；而水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境退化已成為制約社會經濟可持續(xù)發(fā)展的限制因素。土壤水作為“四水轉化”的紐帶，不僅是作物生長不可或缺的要素，也是衡量土壤肥力水平的指標之一，同時也是控制土壤侵蝕過程的重要因子[1-4]。因此，研究黑龍江黑土區(qū)土壤水分分布規(guī)律，對于防治水土流失、提高糧食產量、合理配置土地利用資源均有重要的理論和現(xiàn)實意義。

土壤水分在不同的地點、土壤深度上表現(xiàn)出很明顯的空間異質性[5-7]，并受控于土壤質地、成土母質、氣候條件、地形地貌、土地利用方式和植被覆蓋類型等因 素[8-13]。在不同的尺度上，控制土壤水分異質性的因素不盡相同，比如在坡面尺度上，地形要素和土地利用是影響土壤水分異質性的重要因素，且這2類因子中各種要素的協(xié)同、疊加影響導致土壤水分異質性更加復雜。因此，坡面尺度下土壤水分異質性機理及其定量表達成為水文土壤學研究的熱點及難點[12,14-15]。國內外大量開展坡面土壤水分異質性及主控因素的研究[16-20]，這些研究對理解不同區(qū)域土壤水分剖面、坡面分異特性及影響機制有重要的意義。然而，以往的研究側重于不同土地利用類型及地形要素對土壤水分的影響，而對基于坡面不同利用結構（本研究所涉及的土地利用結構是指坡面上從坡頂?shù)狡履_，即沿著坡長方向，不同的土地利用類型的排列方式）、土地利用類型、地形要素協(xié)同作用下的分異規(guī)律研究較為薄弱，且國內的研究大多集中在黃土區(qū)[21-22]、紅壤區(qū)[23]及喀斯特區(qū)[18]。由于研究區(qū)域不同，坡面地形條件、土地利用類型及結構、植被覆蓋都有區(qū)域特性，很多研究結論不盡相同，甚至是相悖的；而黑土區(qū)在土壤理化性質、地形要素特征，土地利用狀況上與其他地區(qū)有顯著差異，且坡面土壤水分異質性規(guī)律及主控因素并未查清。為此本文選擇黑龍江黑土區(qū)農林混合利用坡面，研究坡面土壤水分空間異質性特征，并應用植被數(shù)量生態(tài)學中的冗余分析方法定量揭示影響因子的影響程度，旨在為黑土區(qū)優(yōu)化坡面土地利用結構、推進退耕還林、防治土壤侵蝕及生態(tài)重建提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)（48°14￠N，125°50￠E）位于黑龍江省克山縣北部（圖1a），海拔高度在280～350 m之間，屬于黑土區(qū)，是全國重要的商品糧基地。該區(qū)域屬寒溫帶大陸季風氣候，年平均氣溫為2.4 ℃，年內溫差變化大，冬季最冷的1月份，平均氣溫為-21.5 ℃，夏季最熱的7月份，平均氣溫為22.0 ℃。年平均降水量為500 mm，降水主要集中在6—9月份（可占全年降雨量的80%左右），年平均蒸發(fā)量為1 222 mm。

該區(qū)地貌類型為丘陵漫崗地貌，以緩坡為主，坡長較長。在同一坡面上，從坡頂?shù)狡履_，土地利用結構復雜，坡面土地利用（主要為坡耕地和喬木林地）呈斑塊化鑲嵌，人為擾動痕跡明顯。土壤類型為黑土，成土母質為第四紀黃黏土。農地無灌溉措施，地下水埋深較深，屬“雨養(yǎng)農業(yè)”區(qū)。研究區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題為在丘陵漫崗地貌及人為擾動的共同作用導致坡面水土流失嚴重。

1.2 樣地布置及采樣

在研究區(qū)選擇農林混合利用的典型坡面為研究對象（圖1b）。采樣坡面為陽坡，坡面土地利用結構復雜，坡度在0～5°左右，坡長在1 000～1 600 m之間；土壤砂粒（>0.02 mm）含量為38.26%、粉粒含量（0.02～0.002 mm）為25.15%，黏粒（<0.002 mm）含量為36.59%。

采樣方式為線狀采樣，每條樣線按照坡頂（top slope）、坡上（upper slope）、坡中（middle slope）、坡下（lower slope）、坡腳（toe slope）設置5個樣點。坡面4種典型的土地利用結構如下：農地-農地-農地-農地-農地（樣線號L1，單一結構），農地-農地-林地-林地-農地（L2，坡中易受侵蝕處為林地）；農地-農地-林地-林地-林地（L3，半農半林結構）；林地-林地-農地-林地-農地（L4，農林間隔配置結構），采樣點布設如圖1c所示。

注：圖c中數(shù)字代表采樣點距坡頂端的距離，m。

土壤含水率采用烘干法測定（在105 ℃下烘干24 h）。采樣時間為2016年8月中旬到9月中旬，該時段內降雨較為充沛，月中及月末采樣（采樣間隔約15 d），遇雨延后4 d；整個采樣期間，具體采樣時間分別為2016年8月15日、8月28日、9月12日，采樣時段降雨分布見圖2。采樣深度60 cm，分3層采樣，分別為0～20、20～40、40～60 cm。對于每個樣點的每層隨機重復3次取樣求平均作為該樣點該層的土壤含水率。此外，將每個樣點所有采樣時間各層土壤含水率求平均，該平均值代表該樣點土壤含水率，由公式（1）計算獲得。每個采樣點記錄經緯度、海拔、坡度、坡位、土地利用類型等信息，其中，經緯度和海拔高度用便攜式GPS（Garmin GPS60）測量，坡度用羅盤測量。采樣點的基本信息見表1。

式中i為采樣點號；j為土層號；k為采樣次數(shù)號；Nt為采樣的總次數(shù)，本研究中為3；Nl為土層總數(shù)，本研究中為3；Mi為采樣點i的土壤含水率。

表1 采樣點基本信息

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

植被數(shù)量生態(tài)學中直接梯度分析（約束性排序）因能反映并揭示環(huán)境因子與響應變量之間的關系而被廣泛應用[24]。直接梯度分析主要包括冗余分析（RDA，線性模型）、典范對應分析（CCA，單峰模型）和去趨勢典范對應分析（DCCA，單峰模型）等。在線性模型和單峰模型的選擇上，須針對響應變量做“去趨勢對應分析（DCA）”，若排序軸的梯度長度的最大值小于3，選擇線性模型；大于4，選擇單峰模型；數(shù)值在兩者之間，則2種模型均可[25]。本次研究中選擇冗余分析法來提取土壤水分異質性的主控因素，因為DCA分析后排序軸的梯度長度的最大值小于3。分析軟件基于CANOCO4.5，選擇的環(huán)境因子包括海拔高度、坡度、坡位和土地利用類型4個。此外，利用SPSS19.0軟件進行經典統(tǒng)計學分析。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率統(tǒng)計特征

研究區(qū)土壤含水率統(tǒng)計數(shù)值如表2所示。在采樣期，坡面土壤含水率介于5.77%～45.57%，農地土壤含水率平均值介于20.13%～22.07%，林地土壤含水率平均值介于13.69～15.96%；同一種土地利用方式下，無論是農地還是林地，縱向上隨著土層深度的增加土壤含水率的差異均不顯著（0.05）；而整體上農地含水率顯著高于林地含水率（0.05），林木強烈的蒸騰作用可能是導致林地土壤含水率較低的重要原因。從變異系數(shù)（CV）上來看，研究區(qū)土壤含水率的變異系數(shù)均為中等變異（10%CV≤100%）。縱向上農地各層的變異系數(shù)（35.9%～39.6%）均高于林地的變異系數(shù)（30.0%～36.5%）。整個研究區(qū)的變異系數(shù)（0～20、20～40、40～60 cm）高于農地、林地等單一土地利用類型下同一深度的變異系數(shù)，這說明坡面農林混用下，土地利用類型的多樣化是土壤水分變異的重要影響因素。

表2 土壤含水率統(tǒng)計學特征

2.2 不同土地利用結構土壤水分空間異質性

研究區(qū)坡面不同土地利用結構下土壤含水率變化情況如圖3所示。在農地單一土地利用結構（L1）下，各坡位土壤含水率差異性相對較小，變異系數(shù)為14.82%，只有坡中與坡腳土壤水分含量有顯著差異（0.05）；在“農地-農地-林地-林地-農地”土地利用結構（L2）下，土壤水分沿坡面的空間變異性最大，變異系數(shù)為62.70%，坡腳農地土壤水分含量顯著高于其他坡位（0.05）；在“農地-農地-林地-林地-林地”土地利用結構（L3）下，土壤含水率分布規(guī)律為坡頂和坡腳顯著高于中間坡位（0.05），整體上異質性較大（CV=38.25%）；在“林地-林地-農地-林地-農地”的土地利用結構（L4）下，坡面土壤含水率CV為25.70%，坡中農地土壤含水率顯著高于其他坡位（0.05），其他坡位土壤含水率差異不顯著（0.05）。研究區(qū)不同土地利用結構是影響坡面土壤水分異質性的關鍵因素之一。

注：相同字母代表無顯著差異，顯著性水平為0.05，誤差線代表標準差。

2.3 環(huán)境因子與土壤含水率相關性分析

本研究用RDA排序結果（圖4，表3）來分析黑土區(qū)環(huán)境因子與土壤含水率的相關性。圖4中，各土層箭頭的夾角余弦表征土層之間的相關性。影響因子箭頭連線長度代表坡位、坡度、海拔、土地利用因子與研究區(qū)土壤水分異質性相關性的大小，箭頭越長則相關性越大；其箭頭所處的象限代表影響因子與排序軸正負相關性；影響因子箭頭在排序軸上的投影代表其與排序軸的相關性。土層箭頭與影響因子箭頭的夾角余弦代表兩者的相關性。采樣點之間的距離代表二者的差異，距離越短則兩者差異越小。

分析結果顯示排序軸中前兩軸能夠累計解釋采樣點和影響因子之間總方差的99.5%，所以選擇前兩軸來分析土壤水分與影響因子的相互關系，并用前兩軸來做二維排序圖。排序軸1與土地利用類型呈顯著的正相關（=0.500，<0.05），與海拔高度（=0.233，=0.323）相關性雖不顯著，但也呈一定程度的正相關。排序軸2與坡度表現(xiàn)出顯著正相關（=0.584，<0.01），與坡位（=0.233，=0.323）也呈一定程度正相關（表3）?？梢?，第一軸主要反映的是土壤水分隨土地利用的梯度變化，第二軸主要反映的是土壤水分隨坡度梯度變化。

RDA排序圖（圖4）影響因子連線的長度中，土地利用類型的長度最長，坡度其次，坡位和海拔最短；說明土地利用類型是影響黑土區(qū)坡面土壤水分異質性的主控因素，坡度影響次之、坡位和海拔高度對坡面土壤水分異質性也均有影響。此外，從土層箭頭與影響因子箭頭的夾角來看，坡位與0～20 cm土層夾角為零，隨著土層深度增加，坡位與土層夾角變大，但仍呈銳角，說明坡位對表層的影響最大，影響程度隨著土層深度的增加而減少。坡度與0～20 cm土層呈直角，說明坡度對表層土壤水分異質性基本無影響；其對20～40 cm土層影響也較小，與40～60 cm土層夾角接近180°，有負向相關性。土地利用對所有土層的影響都較大，且呈負相關；海拔高度與各土層也皆呈負相關。

注：空心箭頭代表土層，實心箭頭代表影響因子，空心圓點代表采樣點，1-20代表采樣點；SP代表坡位，SG代表坡度，LU代表土地利用類型，EL代表海拔。

表3 環(huán)境因子與冗余分析排序前兩軸的相關性

注：*代表顯著性水平為0.05，**代表顯著性水平為0.01。

Note:*represents significant level at 0.05,**represents significant level at 0.01.

3 討 論

3.1 不同土地利用結構下土壤水分異質性規(guī)律

關于坡面不同土地利用結構下土壤水分異質性的規(guī)律，已有較多相關的研究。其中許多學者認為，單一土地利用結構下，坡面土壤水分異質性程度較低，而不同的土地利用結構使土壤水分異質性更復雜[22,26]。本次研究中，單一土地利用結構（L1）坡面土壤水分異質性程度（CV=14.82%）明顯低于其他農林混合結構（L2、L3、L4），這點與其他學者研究的結論相同。值得一提的是，在單一土地利用結構下坡面土壤水分異質性規(guī)律，黑土區(qū)前人的研究結果與其他地區(qū)的研究結果不同[27-31]，比如：蘇子龍等[27]和葛翠萍等[29]的研究表明，黑土區(qū)坡面土壤含水率沿坡長增加方向呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且坡中位置土壤含水率最低，坡腳位置土壤含水率最高；而在其他地區(qū)，單一土地利用結構坡面土壤含水率隨坡長增加呈增加的趨勢[26,28,30]。本研究發(fā)現(xiàn)，黑土區(qū)單一土地利用結構下（L1）各坡位土壤含水率差異性相對較小，只有坡中與坡腳土壤含水率差異顯著，雖然這一結果雖與黑土區(qū)前人的研究不完全一致，但在坡中土壤含水率顯著小于坡腳含水率上是相似的，可能是因為研究區(qū)多為漫川漫崗地貌，坡長且緩（坡長可達數(shù)百米至上千米），同時樣線位于陽坡，靠近坡中位置由于太陽輻射導致的土壤水分損失最多，而坡腳位置接受坡面來水較多，土壤含水率較高。

農林混用結構下，坡面土壤水分沿坡長方向異質性較大。在農地-農地-林地-林地-農地（L2）土地利用結構下，坡頂、坡上的農地土壤含水率與坡中、坡下林地的土壤含水率差異不顯著，原因在于樣線L2靠近坡頂、坡上位置坡度最大，長期徑流下切作用使該位置農地土壤結構較差、保水性不強；而坡中、坡下林地坡度相對減緩，雖然林地的耗水量高于農地、但林冠及地被物的遮蓋作用有效減緩坡中、坡下地表蒸散作用；同時由于在降雨量較充沛的季節(jié)，林地土壤含水率峰值通常在降雨后數(shù)天出現(xiàn)[21]，因而林冠及地被物的遮蓋與土壤含水率高峰出現(xiàn)的共同作用，使得坡中、坡下雖為林地，但土壤含水率與坡頂、坡上農地土壤含水率差異不顯著；坡腳處土壤含水率顯著高于其他坡位，除了降雨補充外，還因坡腳接受了較多的坡面徑流和壤中流。

在農地-農地-林地-林地-林地（L3）土地利用結構下，坡頂農地和坡腳林地的土壤含水率顯著高于其他坡位，一方面因為坡頂坡度較緩、徑流作用不強，水分入滲相對較多；另一方面對于坡中、坡下、坡腳來說，雖同為林地，但坡腳處坡度較緩，降雨入滲也較多。在農林間隔配置土地利用結構（L4）下，坡中農地土壤含水率顯著高于坡腳農地土壤含水率，這與樣線L1坡中位置農地土壤含水率顯著低于坡腳位置的情況不同，可能是因為樣線L4坡頂和坡上的林地在降雨時由于林冠及林下植被的阻擋作用，徑流強度弱，所以流經坡中時對坡中土壤侵蝕作用弱，土壤結構保持的好，土壤保水性強；而坡腳農地的土壤含水率較小則是因為整個樣線林地分布較廣，林冠可有效阻擋降水，加之林地和坡中農地土壤結構較好，坡面降雨入滲相對較多，坡腳接受坡面來水減少。

總之，對黑土區(qū)不同土地利用結構的土壤水分分異規(guī)律的探究，還需結合不同坡向、坡度、不同土地利用類型等因素作進一步的研究。

3.2 坡面土壤水分分異的主控因素

眾所周知，坡面尺度上土壤水分異質性受控于土地利用和地形要素。地形要素可控制降雨入滲程度及坡面徑流、壤中流[22,31]，而不同的土地利用類型因其在攔截降水、植被蒸騰和土地蒸發(fā)、改變土壤理化性質方面的不同而成為土壤水分異質性的影響因素。坡面不同的土地利用結構因不同土地利用類型鑲嵌分布，可控制坡面水文生態(tài)過程，對坡面土壤水分異質性的影響更加深遠。

已有研究表明，由于研究區(qū)域及研究時段不同，土地利用類型及地形要素對土壤水分異質性的影響程度各異，主要與土壤含水率有關[23,32-33]。一般來說，土壤含水率較高時，土地利用類型為主控因素，而隨著土壤含水率降低，地形要素影響上升，土地利用的影響減弱，通常情況下土地利用類型和地形要素對土壤水分異質性均有影響[18,34]。本研究中，RDA排序結果表明，土地利用類型是黑土區(qū)坡面土壤水分變異的主控因素，這與采樣期降雨充沛，土壤含水率較高有關；而地形要素中，影響程度排序為坡度最大，坡位和海拔次之，這與國內相關研究的結論相似[18,29]，因為坡度對降雨的入滲速率有顯著影響[35]，且其在地形要素中對坡面徑流及壤中流的影響程度最強[22]。

3.3 黑土區(qū)坡面土地管理及土壤侵蝕防控建議

根據(jù)不同土地利用結構下坡面土壤水分的空間分布狀況，合理配置坡面土地利用結構，是控制土壤侵蝕的有效路徑之一[4,36]。在坡面上由于地形要素、地表植被等的不同，加之坡面土地利用結構的影響，不同位置的土壤理化性質存在差異，進而導致土壤初始含水率及入滲能力不同。而在大部分情況，土壤初始含水率及入滲能力是影響地表徑流產生的關鍵要素[26,37]。坡面上單一土地利用結構下，地表覆蓋度相近，前期土壤含水率差異小，土壤水分入滲能力相當，降雨時幾乎同時產生坡面徑流，其侵蝕下切作用強；此外，秋天作物收獲后，地表覆蓋度降低，經過侵蝕后土壤有機質流失，土壤保水性變差。而合理的配置坡面土地利用類型，一方面可以降低坡面徑流的強度，另一方面可使降雨后徑流產生區(qū)的徑流被非產生區(qū)阻攔，提高土壤水分入滲率，可有效防止土壤侵蝕的發(fā)生[22]。本研究中，“林地-林地-農地-林地-農地（L4）”是較好的土地利用結構。因此，今后在黑土區(qū)坡面土地利用結構配置方面，考慮到兼顧防止坡面水土流失和充分利用水資源提高糧食產量2個方面，在坡面適宜進行林地、農地間隔配置，通過農林復合系統(tǒng)的生態(tài)效應提高土壤入滲及保水能力、減少或攔阻徑流，在土地利用中防止土壤侵蝕，實現(xiàn)水土保持。

此外，在坡面選擇合理的土地利用結構后或由于現(xiàn)實情況而無法實現(xiàn)土地利用結構優(yōu)化時，對于坡耕地（坡面上的農地）也應通過合理的農業(yè)措施改善土壤結構、減少坡面徑流、提高坡面土壤水分的入滲率、控制坡耕地土壤侵蝕。例如，對于黑土區(qū)的坡耕地，應該用橫坡壟代替順坡壟。研究表明橫坡壟比順坡壟更能控制土壤侵蝕，增加土壤含水率[38]，因為橫坡壟可以有效的攔蓄土壤水分，減緩坡面徑流的下切作用。同時，秸稈還田等覆蓋措施可以有效改善表層土壤的結構及入滲性能，可減少土壤水分蒸發(fā)，并從流量和流速2個方面減少徑流，且覆蓋度越大徑流量越小[39-41]；在實踐上，秸稈的覆蓋度要大于40%以有效控制土壤侵蝕[40]。通過免耕和少耕等方式也可以減少水土流失[42]。增加土壤有機肥和添加土壤改良劑亦可改善土壤結構，增加入滲，有效防止徑流[43]。未來如何將坡面土地利用結構配置與不同的農業(yè)措施科學地結合以防止坡面水土流失是保持土壤肥力、保護生態(tài)環(huán)境的核心與關鍵，也是進下一步研究的切入點。

4 結 論

1）研究區(qū)農地土壤含水率平均值介于20.13%～22.07%，林地土壤含水率平均值介于13.69～15.96%，農地含水率顯著高于林地含水率，且縱向上農地各層的變異系數(shù)（35.9%～39.6%）均高于林地的變異系數(shù)（30.0%～36.5%），整個研究區(qū)土壤含水率的變異系數(shù)高于農地、林地等單一土地利用類型下同一深度的變異系數(shù)，農林混合利用增加了土壤水分的空間變異程度。

2）冗余分析結果顯示，整體上土地利用類型是影響黑土區(qū)坡面土壤水分異質性的主控因素（相關系數(shù)=0.500，<0.05），坡度次之（相關系數(shù)=0.584，<0.01），坡位和海拔高度對坡面土壤水分異質性也均有影響。

3）為減少坡面土壤侵蝕、防止水土流失，應通過土地利用類型的合理配置優(yōu)化坡面土地利用結構，并結合有效的農業(yè)措施來優(yōu)化土壤理化性質、提高土壤水分入滲能力、減少坡面徑流，以兼顧黑土區(qū)保障糧食安全及保護生態(tài)環(huán)境的雙重任務。

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Spatial variability and its controlling factors of soil moisture on cropland-forestland mixed hillslope in black soil area of Northeast China

Guo Xinxin1, Fu Qiang2※, Lu He1, Gao Fengjie1, Hang Yanhong1

(1.150030,; 2.150030,)

Black soil area in Heilongjiang plays an indispensable role in safeguarding national food security as an important commodity grain base. Serious soil erosion and environment degradation restrict the sustainable development of local society and economy. Soil moisture is one of the key factors which control vegetation growth, soil erosion, hydrological and ecological processes at the hillslope, and it also exhibits a great degree of spatial variability. Understanding the spatial variability of soil moisture and its influence mechanism at the slope scale is essential for controlling soil erosion, increasing food production, and improving ecological environment. In this study, spatial variability of soil moisture under the effect of land use and topographic variables was investigated on a cropland-forestland mixed hillslope. The research area was characterized by 4 different land use structures (from top slope to toe slope): cropland-cropland-cropland-cropland-cropland (L1), cropland- cropland-forestland-forestland-cropland (L2), cropland-cropland-forestland-forestland-forestland (L3), forestland-forestland- cropland-forestland-cropland (L4). Soil moisture was collected biweekly during mid-August to mid-September (2016) at 20 sites located in Keshan County of Heilongjiang Province, China. Soil moisture was measured by oven drying method at the depth of 0-20, 20-40, 40-60 cm. The relationship between environmental factors and soil moisture variability was conducted by redundancy analysis method (RDA). The results showed that: 1) Soil moisture content varied from 5.77% to 45.57%; and the soil moisture content of cropland was found markedly higher than that of forestland (<0.05), with the mean soil moisture content ranging from 20.13% to 22.07% in cropland, and from 13.69% to 15.96% in forestland; the differences of soil moisture content at different soil depths were not significant(>0.05). 2) Soil moisture content showed a moderate variability in the study area, coefficient of variation (CV) in cropland (35.9%-39.6%) was higher than that in forestland (30.0%-36.5%). 3) Soil moisture variations along hillslope under the impact of 4 land use structures differed from each other. The differences of soil moisture content at middle slope and toe slope in L1 were significant (<0.05). 4) The spatial variation of soil moisture in the single land use structure (L1,CV was 14.82%) was lower than that in other cropland-forestland mixed land use structures (CV of L2, L3 and L4 was 62.70%, 38.25% and 25.70%, respectively), which indicated that land use mosaic patterns increased the variations of soil moisture. 5) RDA ordination showed that spatial variability of soil moisture was strongly influenced by land use types, and it was also affected by slope gradient, slope position and elevation. In addition, different factors control soil moisture distribution at different soil depths. This study presents that it is necessary to optimize the planting structure and take other proper methods aiming at preventing water loss and soil erosion, in order to improve soil fertility and promote the sustainable development.

soils; moisture; land use; spatial variability; cropland-forestland mixed structure; hillslope; black soil area

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.016

S152.7

A

1002-6819(2018)-19-0123-08

2018-01-02

2018-07-11

黑龍江省博士后資助項目（LBH-Z14039）；東北農業(yè)大學“青年才俊”基金資助項目（17QC37）；國家自然科學基金項目（51279031）

郭欣欣，博士，講師，主要從事土壤性質時空異質性及水土資源利用研究。Email：xinxin8504021@163.com

付 強，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)水土資源系統(tǒng)分析、土壤性質時空異質性等方面的研究。Email：fuqiang0629@126.com

郭欣欣，付 強，盧 賀，高鳳杰，杭艷紅.東北黑土區(qū)農林混合利用坡面土壤水分空間異質性及主控因素[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(19)：123－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.016 http://www.tcsae.org

Guo Xinxin, Fu Qiang, Lu He, Gao Fengjie, Hang Yanhong.Spatial variability and its controlling factors of soil moisture on cropland-forestland mixed hillslope in black soil area of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 123－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.016 http://www.tcsae.org