東北黑土區(qū)長緩復合侵蝕坡面土壤可蝕性參數特征*

張加子琦，賈燕鋒，王佳楠，齊 曦，王迪晨

（沈陽農業(yè)大學水利學院，遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復重點實驗室，沈陽110866）

東北黑土有機質豐富，土壤肥力高，黑土區(qū)是中國重要的商品糧食基地之一。但是，自東北黑土區(qū)開墾以來，由于人為不合理的生產經營活動及自然條件等因素的影響，土壤侵蝕嚴重，土地生產力下降[1]。黑土區(qū)地貌特點主要是山前波狀起伏臺地或漫崗地，坡度較緩，坡度一般為 1°～8°，坡長一般為500～2 000 m，最長達4 000 m[2]。劉寶元等[3]對東北松嫩黑土區(qū)農地水土流失監(jiān)測結果表明，其水土流失面積占該區(qū)坡耕地面積的77.54%，表明坡耕地是東北黑土區(qū)水土流失治理的重點。而現有黑土區(qū)坡面侵蝕影響因素的研究主要集中在坡耕地小區(qū)觀測和降雨模擬試驗，但目前對野外實地長緩坡耕地坡面侵蝕特征研究仍不夠深入，且現有研究很少涉及坡長因子。因此，長緩坡耕地的土壤侵蝕特征研究是防治東北黑土水土流失的關鍵。

土壤侵蝕是造成土壤退化的主要原因[4]，土壤可蝕性是評價土壤對侵蝕敏感程度和評價土壤應對外部侵蝕能力的重要指標，是影響土壤流失的內在因素，對研究坡面土壤侵蝕有著重要意義[5-6]。土壤可蝕性具有時間和空間上的分異特征，具有明顯的季節(jié)變化特征，且與地貌特征、微地形部位以及縱向的坡面分布等空間因素存在密切關系[7]。Mutchler和Carter[8]通過對美國緬因州徑流小區(qū)研究發(fā)現土壤可蝕性存在季節(jié)性變化。東北黑土區(qū)土壤侵蝕過程風力—水力—重力—凍融多營力多過程重疊耦合特征明顯[9]。春季融水與凍融作用相伴，氣溫變化、凍融交替作用是影響土壤性質的主導因子；在夏、秋季節(jié)以水力侵蝕為主要的侵蝕形式，降雨徑流和干濕交替作用是影響土壤性質的主導因子，多營力復合侵蝕過程及效果不同于單一營力的侵蝕過程，凍融與水力、風力等外營力復合作用造成的土壤侵蝕問題遠大于單一侵蝕營力本身的危害。目前，我國復合侵蝕的研究大多針對于黃土高原地區(qū)的風水復合侵蝕但針對東北黑土區(qū)多營力復合侵蝕的研究還是一片空白。土壤可蝕性的研究大多針對于單一的水力侵蝕，且維持在小區(qū)模擬試驗。至今關于黑土區(qū)多營力復合侵蝕條件下的野外土壤抗蝕性試驗研究還較為少見，也使得多營力復合侵蝕防治工作難以有效進行。

土壤可蝕性的大小受諸多因素影響，可由多種不同的內在土壤性質和外在侵蝕營力加以反映。盡管如此，土壤結構和土壤強度仍是表征土壤可蝕性最為重要的參數[10]。土壤團聚體是土壤結構的基本單位，是土壤生態(tài)系統的綜合參數[11]，是侵蝕敏感性的有效指示因子[12]。相關研究發(fā)現，土壤團聚體含量、團聚體大小、團聚體分形維數、平均質量直徑、平均幾何直徑等均與土壤可蝕性顯著相關，可作為表征土壤可蝕性的重要參數[10，13]。近年來，國內部分學者將土壤的力學性質引入到了土壤的抗蝕性研究之中，認為土壤抗剪強度可作為表征土壤可蝕性的重要參數，綜合反映土壤對侵蝕動力的響應[14-18]。雖然有越來越多的學者將目光聚焦于土壤可蝕性與土壤團聚體、土壤抗剪強度的相關性上，但是采用土壤團聚體和土壤剪切力綜合表征土壤可蝕性，并與長緩坡面復合侵蝕形式相結合的研究工作還較少。鑒于此，本文選擇黑龍江省克山縣克山農場的一個長緩坡面為研究對象，采用LB 團聚體測量法量化土壤團聚體特征，并測量原狀土壤剪切力大小綜合表征土壤可蝕性，揭示東北黑土區(qū)長緩坡面復合侵蝕營力對土壤可蝕性特征的影響，為減少黑土區(qū)長緩坡耕地水土流失提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省克山縣黑龍江農墾總局克山農場（48.35157°N，125.4492°E）。克山縣位于黑龍江省西部，是小興安嶺伸向松嫩平原的過渡地帶，地形起伏變化大，地勢東北高西南低，地貌類型為波狀起伏臺地，丘陵漫崗地占80%，境內有烏裕爾河、訥謨爾河、潤津河等5 條河流。屬典型黑土區(qū)，主要土壤為黑土，土壤質地為粉壤土，平均耕層土壤容重為1.05 g·cm-3，有機質含量為26.63 g·kg-1，全氮含量為1.43 g·kg-1，pH 為6.07。黑土層厚度約30 cm，素有“黑土明珠”之稱，截至2015 年克山縣耕地面積1 467 km2[19]。由于地處中高緯度、歐亞大陸東岸，冬季嚴寒漫長，夏季短促、溫熱多雨，春季多風、少雨干旱，中溫帶大陸性季風氣候特點明顯：根據1961—2004 年克山站氣象資料統計，年均降水量503 mm，2018 年降水主要集中在6—9 月約占全年降水量的80%，年均氣溫1.9℃，年均無霜期 124 d，年均日照時數 2 661 h，年均風速為2.76 m·s-1。黑龍江農墾總局克山農場開墾歷史50多年，耕作深度約30 cm，坡長約2 200 m，多年來的耕作方式均為順坡起壟耕作，采用秋季整地，春季點播播種的種植方式。主要農作物為玉米和大豆。

1.2 采樣方法

土樣采集于克山縣克山農場一塊典型漫川漫崗長緩坡耕地，土壤樣品采集時間為2018 年4 月（播種前）和2018 年9 月末（秋收前），樣地土壤未遭到人為破壞。鑒于東北黑土區(qū)典型長直型坡耕地坡面侵蝕強度均存在坡長為142 m 的振蕩周期[20]，本研究選取坡長 150 m，在坡面上沿壟作方向從南向北在壟臺上取樣，每隔30 m 為一個采樣點，采樣深度為 30 cm，每 10 cm 為一層，采用大飯盒直接扣入土中取原狀土，將土樣帶回實驗室，自然風干，全部土樣過3～5 mm 篩，用于測定水穩(wěn)定性團聚體含量，每個指標測定三組重復。在取團聚體土樣時，用袖珍十字板剪力儀（WXSZB）直接測定坡面原狀土的土壤剪切力；同時取樣測定土壤含水率及容重。

1.3 測定方法

Le Bissonnais（LB）法主要依據土壤水穩(wěn)性團聚體的不同破壞機制進行設計，針對不同的破壞機制共有三種相對獨立的處理方式：快速濕潤處理（Fast Wetting，FW），慢速濕潤處理（SlowWetting，SW），機械振蕩處理（Wetting Stirring，WS）。Kemper 和Koch[21]、Piccolo 等[22]通過研究表明，慢速濕潤處理（SW）主要依賴土壤黏粒的非均勻漲縮使團聚體遭到破壞，僅當土壤中含有大量具有膨脹性晶格的黏土礦物時，這種破壞機制才會得以明顯表達。薄層黑土膠體礦物以水云母類及蒙脫石礦物（2︰1 型具膨脹晶格礦物）為主，可用慢速濕潤處理法處理的水穩(wěn)團聚體作為評價薄層黑土土壤團聚體穩(wěn)定性的敏感性指標[23]。所以，本研究應用慢速濕潤處理（SW）測定水穩(wěn)性土壤團聚體。具體測定方法見相關文獻[24-25]。

1.4 計算方法

平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）由式（1）和式（2）計算：

式中，xi為土壤粒級的平均直徑（mm）；wi為不同土壤粒級團聚體占總團聚體的比例。

土壤團聚體分形維數計算公式如式（3）和式（4）：

兩邊取以10 為底的對數：

式中，D為土壤水穩(wěn)性團聚體各粒級分布的分形維數；W為直徑小于Ri累積質量；WT為總質量；Ri為兩相鄰粒級Ri與Ri+1間土粒平均直徑；Rmax為最大粒級土粒平均直徑[26]。

所有實驗數據采用 SPSS17.0 進行統計分析，采用LSD 法進行顯著性相關性檢驗，采用SigmaPlot10.0作圖。

2 結 果

2.1 ＞0.2 mm 水穩(wěn)性團聚體特征

土壤團聚體作為土壤的重要組成部分，一般以0.25 mm 為界線將團聚體分為大團聚體，許多研究將＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量作為土壤抗蝕性指標。本研究應用慢速處理法（SW）測定春、秋兩季土壤大團聚體含量（圖 1a、圖 1b）。由于 LB 方法中沒有 0.25 mm 粒級分級，所以本研究將＞0.2 mm水穩(wěn)定性團聚體含量，記為＞0.2 mm。春秋兩季土壤團聚體均以＞0.2 mm 的水穩(wěn)性團聚體為主，春季其變化范圍在64.94%～99.08%之間，秋季其變化范圍在94.90%～99.47%之間，大團聚體含量較高主要是由于克山農場采用秋耕的整地方式，春季采用點播方式播種，減少了耕作侵蝕，春季采樣后到秋季采樣前地表擾動少，所以秋季＞0.2 mm 團聚體含量總體高于春季。春季＞0.2 mm 團聚體含量的大小順序均為坡長 0 m ＞30 m＞150 m＞60 m＞120 m＞90 m，秋季則無明顯差異。不同土壤深度，春季10～20 cm層＞0.2 mm 團聚體含量總體低于0～10、20～30 cm層，60～120 m 坡長的 10～20 cm 層與其他不同坡長之間均呈顯著性差異；秋季30 m 坡長10～20 cm層＞0.2 mm 團聚體含量最大，60 m 坡長 20～30 cm層最小，不同土層之間總體上差異性不顯著。

圖1 不同坡長和土層下＞0.2 mm 水穩(wěn)性團聚體特征Fig. 1 Properties of ＞0.2 mm water-stable aggregates

2.2 土壤結構和水穩(wěn)性特征

土壤水穩(wěn)團聚體是指土壤團聚體對于外來破壞性作用力的脆弱性的度量[27]。土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，對土壤可蝕性具有顯著影響。土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是評價土壤結構和水穩(wěn)性的重要指標之一，二者變化趨勢基本一致。MWD 和GMD 值越大表示團聚體的團聚程度越高，穩(wěn)定性越好[28]。春季MWD值范圍為 0.807～1.608 mm（圖 2a），GMD 值范圍為0.591～1.481 mm（圖3a）。春季采樣MWD 值在150 m 坡長 20～30 cm 層最大，90 m 坡長 10～20 cm層最小，除90 m 和120 m 坡長，MWD 值均隨土層加深而增大。MWD 值除表層表現為坡長30 m＞0 m外，總體表現為坡長0 m＞30 m＞60 m＞150 m＞120 m＞90 m。GMD 值除 90 m 坡長 10～20 cm 層高于表層外，趨勢與MWD 值相同。說明90 m 和120 m 坡長團聚體的團聚度較低，土壤結構穩(wěn)定性較差，土壤易受到侵蝕，土壤抗蝕性較差。這與王禹等[20]通過137CS 和210Pbex 復合示蹤的方法對長直型坡耕地的侵蝕速率在90 m～120 m 坡長侵蝕速率最大的結果相一致，表明土壤團聚體MWD 值可表示坡面土壤可蝕性大小。

秋季采樣 MWD 值最大值為 1.717 mm，最小值為1.353 mm，分別出現在30 m 坡長 10～20 cm層和表層。秋季 MWD 值范圍為 1.353～1.717 mm（圖 2b），GMD 值范圍為 1.1 912～1.639 mm（圖 3b）。MWD 和GMD 值總體均隨土層深度增加而增加，秋季取樣各層土壤 MWD 和 GMD 值較春季取樣差距減小，坡長 30 m 和 120 m 處的 10～20 cm 和 20～30 cm 層的 MWD 和 GMD 值均表現為無顯著性差異；MWD 與 GMD 值總體趨勢為坡長 30 m＞0 m＞120 m≈150 m＞60 m＞90 m，變化趨勢與春季取樣不同主要是由于二者侵蝕營力不同，降雨、徑流作用下的水蝕，產生徑流攜帶泥沙至30 m 坡長處產生沉積，導致秋季30 m 坡長處MWD 值與GMD 值較0 m坡長處增大。春季與秋季的 MWD 和 GMD 值在不同坡長與土層下總體上均表現為顯著性差異。總體上秋季MWD 值為春季的1.27 倍，秋季GMD 值為春季的1.37 倍，說明秋季坡面黑土土壤抗蝕性較春季土壤抗蝕性好。

2.3 土壤團聚體分形特征

圖2 平均質量直徑（MWD）特征Fig. 2 Characteristics of mean weight diameter（MWD）

圖3 平均幾何直徑特征Fig. 3 Characteristics of geometric mean diameter（GMD）

分形維數D是評價土壤團聚體特征的更敏感且更準確的參數，土壤團聚體結構分形維數與土壤性質之間存在顯著定量關系。隨著土壤團聚體粒級的減小土壤分形維數增大，反之分形維數減小。且土壤擾動越大，團聚體的分形維數越高，分形維數越低，則表征了相對越松散、通透性越好的土壤結構性狀，土壤團聚體粒級分布的分形維數能客觀反映團粒結構特征和土壤緊實程度。春季土壤水穩(wěn)性團聚體各粒級分布的質量分形維數D在1.688～2.602之間（圖 4a），秋季D在 1.483～2.142 之間（圖 4b）。這與李陽兵等[29]土壤團聚體粒徑分布的分形維數介于1.664～2.830 之間結論相近。由于春秋兩季采集土樣大多數點位＞0.2 mm 土壤團聚體均占各粒級含量總和的90%以上，所以D較小，說明土壤擾動較小。春季D除在30 m、120 m 坡長的10～20 cm 層高于0～10 cm 層外，其余點位均為0～10，10～20，20～30 cm 層依次減小。各點位土層之間變化趨勢基本相同，總體D大小順序為坡長0 m＜30 m＜150 m＜60 m＜90 m＜120 m，說明春季坡面土壤在 90 m、120 m 處擾動較大，在0 m 處擾動最小。除0 m 與30 m，60 m 與90 m 表層土壤D差異不顯著外，其他坡長之間均表現為顯著性差異；不同土層之間總體上均表現為顯著性差異。

秋季D最大值在坡頂表層，為2.142。坡長30 m處 0～10 cm 層D值最大，10～20 cm 和 20～30 cm層D基本一致?？傮w上不同坡長與土層之間差異性顯著。由于夏季到秋季的主要侵蝕營力為降雨在坡面產生徑流和雨滴的打擊，因此在坡頂（0 m）處降雨對土壤產生的擾動較大，由于徑流攜帶泥沙會在一定產流后產生飽和，因此在30 m 坡長處產生輕微的泥沙沉積，30 m 坡長非表層產生的土壤擾動較小。秋季D值在坡長60 m 處20～30 cm 土層高于10～20 cm 土層，120 m 坡長 20～30 cm 土層略高于10～20 cm土層，150 m坡長10～20 cm土層高于0～10，20～30 cm 土層外，其余各點變化趨勢與春季相同，均為隨土層增加D值逐漸減小，總體變化趨勢為坡長 30 m＜0 m＜120 m＜150 m＜60 m＜90 m。個別點位土層D值差異與春季不同的原因為秋季坡面上的植物根部對土壤造成了影響，而春季坡面為裸地。

圖4 不同坡長的分型維數特征Fig. 4 Features of fractal dimension

春秋兩季土壤各坡位分形維數D、＞0.2 mm 團聚體、MWD、GMD 變化趨勢相同，春季總體表現為 0 m＞30 m＞150 m＞60 m＞120 m＞90 m；秋季不同坡長總體表現為 30 m＞0 m＞150 m＞120 m＞60 m＞90 m。說明此坡耕地坡面上土壤團聚體在坡上團聚度高擾動小，而坡中土壤團聚度低擾動大，坡下土壤團聚度擾動程度介于二者之間。這與閻百興和湯潔[30]的研究發(fā)現頂部侵蝕較輕，坡中部侵蝕強烈的結論相一致。

2.4 土壤剪切力特征

土壤剪切力綜合反映土壤對侵蝕動力的響應，土壤抗剪強度是土體抵抗剪切破壞的極限強度，其大小反應了土體在外力作用下發(fā)生剪切破壞的難易程度，可表征土壤抗蝕性大小。本文通過土壤團聚體水穩(wěn)定性和土壤剪切力綜合表征土壤可蝕性。春季土壤0～10、10～20、20～30 cm 層平均土壤含水率分別為15.95%、28.62%、28.90%；秋季土壤0～10、10～20、20～30 cm 層平均土壤含水率分別為19.32%、37.82%、36.90%。除春季30 m 和90 m 坡長處10～20 cm 層土壤含水率高于0～10 cm、20～30 cm 層外，春季（圖5a）、秋季（圖5b）其他坡長處土壤剪切力均隨深度增加而增大，這與潘欣等[31]研究的在同一坡面整地措施下，臨界剪切力隨土壤深度增加而增大的結論一致。土壤表層抗剪切力差異不顯著，10～20 cm 和20～30 cm 總體均表現為顯著性差異。春季不同坡長土壤剪切力總體大小順序為 90 m＞30 m＞120 m＞60 m＞150 m＞0 m。秋季不同坡長土壤剪切力大小順序為150 m＞120 m＞90 m＞30 m＞0 m＞60 m。春季與秋季剪切力差別主要是由于兩季土壤含水率和容重不同。通過對＞0.2 mm 團聚體、MWD、GMD、D值春秋兩季研究發(fā)現秋季土壤團聚體的穩(wěn)定性和團聚度，剪切力值均高于春季，表層差異性不明顯。這與Mutchler 和Carter[8]在美國緬因州分析徑流小區(qū)6 年的觀測數據得出的土壤可蝕性2 月達到最高值，為年均土壤可蝕性的169%，8 月達到最低值，為年均可蝕性的31%結論相一致。

圖5 不同坡長和土層的土壤剪切力特征Fig. 5 Feature of soil shearing force

2.5 土壤水穩(wěn)性團聚體指標與土壤剪切力相關性

春季MWD 值與GMD、＞0.2 mm 土壤團聚體含量均呈極顯著正相關，與D呈極顯著負相關，與剪切力無顯著相關性；GMD 值與D呈極顯著負相關，與＞0.2 mm 土壤團聚體呈顯著性正相關，與剪切力相關性不顯著；D與＞0.2 mm 土壤團聚體含量呈顯著負相關；剪切力與＞0.2 mm 團聚體含量無顯著相關性（表1、表2）。團聚體各指標間相關性良好，與剪切力均未達到顯著相關。以上各指標相關分析可以得出春季＞0.2 mm 水穩(wěn)性土壤團聚體、GMD、MWD 和D值均能作為評價黑土區(qū)長緩坡面土壤侵蝕的關鍵評價指標，朱顯謨等[32]指出土壤透水性是影響土壤侵蝕的主要原因，分形維數D則可表征土壤通透性的土壤結構性狀。而＞0.2 mm 團聚體、GMD和MWD 值則可表征土壤團聚度，土壤團聚度越高土壤抗蝕性越好。土壤剪切力基于土壤侵蝕動力評價指標，土壤的容重、結構、含水率、孔隙度等因素均能影響土壤剪切力，土壤性質與抗剪強度的關系研究表明，存在一個最適土壤含水率使土壤抗剪強度最大，過大或過小抗剪強度均會降低[33]。而春季影響土壤可蝕性主要營力為凍融侵蝕，東北黑土區(qū)春季日溫差變化較大，凍融作用和融雪可以改變土壤結構、容重和土壤含水率，土壤在一天內可能經過多次凍融循環(huán)，由于影響土壤剪切力因素復雜，所以在春季土壤剪切力不能作為黑土區(qū)長緩坡面土壤侵蝕的關鍵評價指標。

秋季MWD 與GMD 呈極顯著正相關，與D呈極顯著負相關，與剪切力呈顯著性正相關，與＞0.2 mm 無顯著相關；GMD 值與D呈顯著性負相關，與＞0.2 mm 呈顯著性正相關，與剪切力呈顯著性相關；D與＞0.2 mm 呈極顯著負相關，與剪切力無顯著相關性；＞0.2 mm 與剪切力無顯著相關性。說明MWD、GMD、D＞0.2 mm 團聚體具有顯著性相關，水穩(wěn)性團聚體MWD 和GMD 與剪切力具有相關性。與春季相同，秋季＞0.2 mm 水穩(wěn)土壤團聚體、GMD、MWD 和D均能作為評價黑土區(qū)長緩坡面土壤侵蝕的關鍵評價指標。秋季影響土壤可蝕性主要營力為水力侵蝕，在同一區(qū)域內影響土壤剪切力主要因素為土壤孔隙度、土壤含水率，相關研究表明土壤含水量與剪切力呈線性變化，所以秋季土壤剪切力作為評價黑土區(qū)長緩坡面土壤侵蝕的評價指標較差，且剪切力評價土壤可蝕性指標影響程度低于水穩(wěn)性團聚體指標。

3 結 論

通過測定＞0.2 mm 水穩(wěn)性團聚體、MWD、GMD、分形維數和土壤剪切力均表明黑土區(qū)長緩坡面秋季土壤抗蝕性好于春季土壤。在坡長150 m 的黑土區(qū)長緩坡面，在坡中 60 m、90 m、120 m 處土壤抗蝕性較差，主要是坡面不同坡長部位土壤侵蝕、搬運和沉積作用強弱不同造成的。在不同土層深度上春秋兩季均表現為隨著土層深度增加，土壤抗蝕性越好。土壤水穩(wěn)性團聚體可作為評價黑土區(qū)長緩坡面土壤可蝕性的穩(wěn)定指標，而剪切力評價土壤可蝕性影響程度低于水穩(wěn)性團聚體指標，土壤剪切力穩(wěn)定性較差，主要由于土壤剪切力隨土壤特性發(fā)生變化，特別是在凍融侵蝕營力的影響下土壤特性變化復雜，土壤可蝕性的變化具有不確定性，土壤剪切力對黑土區(qū)長緩坡耕地土壤可蝕性的影響研究尚待深入。通過以上結論說明黑土區(qū)長緩坡面春季主要侵蝕營力凍融侵蝕對土壤可蝕性影響大于秋季水力侵蝕。為更好的保護黑土區(qū)土壤資源提出以下防治建議：黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕重點應側重于春季，采取相應的水土保持措施。要減少長緩坡耕地的土壤侵蝕，應在坡中部采取水土保持措施。

表1 春季水穩(wěn)性團聚體指標與剪切力的相關性Table 1 Correlation between water-stable aggregates index and soil shearing force in spring

表2 秋季水穩(wěn)性團聚體指標和剪切力的相關性Table 2 Correlation between water-stable aggregates index and soil shearing force in autumn