溝坡侵蝕匯水區(qū)黑土水分和養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

祁 志, 丁 超, 韓 興, 張興義

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 吉林, 長(zhǎng)春 130118; 2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081)

作為中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)和最大的商品糧基地，東北黑土區(qū)同時(shí)也是中國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域[1]，坡面和溝道侵蝕均較為嚴(yán)重，水土流失主要發(fā)生于已墾坡耕地上，成為當(dāng)前危害東北黑土糧食可持續(xù)生產(chǎn)的主要因素[2]。東北黑土侵蝕研究近年來(lái)得以重視，研究主要集中于黑土侵蝕特征、過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制上[3-4]，黑土水土流失危害領(lǐng)域主要側(cè)重于坡面侵蝕速率，即黑土層變薄速率[5]，黑土坡耕地土壤質(zhì)量演變、水分脅迫、養(yǎng)分流失等，及其對(duì)作物產(chǎn)量的影響[6]。研究方法多采取典型坡面、小流域土壤性狀的空間異質(zhì)性及其變化，比較土壤性狀改變與作物產(chǎn)量的空間關(guān)系解析土壤侵蝕對(duì)糧食生產(chǎn)的影響[7]。

黑土區(qū)土流失嚴(yán)重的坡耕地，坡面侵蝕多伴隨著溝道侵蝕，以黑龍江省為例，95%的侵蝕溝形成發(fā)育于坡耕地上[8]，研究發(fā)現(xiàn)，黑土溝道侵蝕具有顯著增加侵蝕強(qiáng)度的作用[8]。溝坡耦合侵蝕對(duì)坡耕地土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的影響鮮有報(bào)道。本研究在典型漫川漫崗黑土區(qū)選取溝坡侵蝕匯水區(qū)為研究對(duì)象，系統(tǒng)測(cè)定土壤水分及其季節(jié)性變化，測(cè)定土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量，通過(guò)空間異質(zhì)性分析，解析水土流失導(dǎo)致的土壤水分和養(yǎng)分空間變化對(duì)全坡面作物產(chǎn)量的影響，旨在為黑土水土流失危害評(píng)估和水土保持生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省海倫市光榮村，東北典型黑土區(qū)中部，商品糧核心產(chǎn)區(qū)，地理坐標(biāo)為47°21′22.52″N，126°49′56.71″E。屬于中溫帶大陸性氣侯，四季分明，降水集中，近90%集中在5—9月份。多年平均降雨530 mm，年均氣溫1.5 ℃。光榮村屬漫川漫崗典型水土流失區(qū)，墾殖率80%，坡耕地占90%以上，平均坡度為2.55°，主要作物為大豆和玉米，一年一季，旋耕壟作，大豆的施肥量為250 kg/hm2，玉米的施肥量為400 kg/hm2，追肥量為250 kg/hm2，土壤為典型黑土[9]。

試驗(yàn)區(qū)為中部沿坡向發(fā)育侵蝕溝所在坡面的匯水區(qū)，面積8.06 hm2，平均坡度3.84°，橫坡壟作，橫向條帶種植大豆和玉米。侵蝕溝屬發(fā)育于橫坡壟作的耕地中的小型切溝，長(zhǎng)180 m，平均寬3 m，深1.5 m，切溝上端與兩條分叉的淺溝相連，淺溝長(zhǎng)各約100 m，延伸到分水嶺處，溝尾與橫向交叉的一條中型溝連接，2017年秋收后利用秸稈填埋對(duì)切溝進(jìn)行復(fù)墾[10]。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

地形圖繪制與匯水區(qū)劃定。匯水區(qū)內(nèi)布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)，用RTK測(cè)定控制點(diǎn)三維地理坐標(biāo)信息后，利用無(wú)人機(jī)50 m高度低空攝影，圖片重疊率70%，由Pix 4D軟件處理圖像，使用ArcGIS軟件對(duì)生成的DEM等值線處理，獲得研究區(qū)域匯水區(qū)的1∶2 000等高線，手動(dòng)圈出匯水區(qū)，并計(jì)算匯水區(qū)面積[11]。

匯水區(qū)測(cè)定樣點(diǎn)的確定。2019年春季播種前，坡面匯水區(qū)橫向間隔設(shè)置6行測(cè)定點(diǎn)，每行原溝道處設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為性狀比較的對(duì)照，原溝道線匯水區(qū)內(nèi)左右最高點(diǎn)各設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，原溝道線和最高點(diǎn)間設(shè)置一個(gè)測(cè)定點(diǎn)，匯水區(qū)共布設(shè)33個(gè)測(cè)定點(diǎn)，利用RTK(中海達(dá))測(cè)定每個(gè)測(cè)定點(diǎn)空間坐標(biāo)，并計(jì)算樣點(diǎn)間的空間距離(見(jiàn)圖1)。

土壤性狀的測(cè)定。分別于2019年5月11日，6月15日，8月15日，9月11日使用環(huán)刀法分別測(cè)定樣點(diǎn)壟溝0—20 cm土層的土壤體積含水量、飽和含水量、田間持水量[12]；同步采集壟溝0—20 cm的混合土樣，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。有機(jī)質(zhì)含量使用德國(guó)產(chǎn)的Multi N/C 2100 S分析儀測(cè)定，全氮使用采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定，堿解氮采用氫氧化鈉—硼酸擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用NH4OAc浸提法測(cè)定。

作物產(chǎn)量測(cè)定。匯水區(qū)涉及多個(gè)農(nóng)戶，條帶種植大豆和玉米。分別在溝頭、溝中、溝尾橫向條帶所對(duì)應(yīng)的坡上、坡中、坡下位，收獲前測(cè)定玉米和大豆籽實(shí)產(chǎn)量。

圖1 匯水區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

通過(guò)RTK提供地理坐標(biāo)結(jié)合無(wú)人機(jī)攝影，使用ArcGIS軟件獲得匯水區(qū)的等高線和匯水區(qū)二維平面圖，使用GS+5.3 b對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析并進(jìn)行Kriging差值繪圖，利用Excel軟件進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 匯水區(qū)土壤水分性狀空間異質(zhì)性

(1) 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)變化分析。溝坡匯水區(qū)不同時(shí)期壟溝的土壤體積含水量的變異性均屬于中等變異(10%

溝坡匯水區(qū)土壤持水保水性能也具有顯著的空間差異。春季土壤田間持水量的范圍在26.3%～40.1%，雨季變?yōu)?4.4%～40.0%，土壤田間持水量由8月15日之前的弱變異(CV<10%)變?yōu)橹蟮闹械茸儺?，是由于春季耕作整地及中耕使得表層土壤疏松，田間持水量變化趨小，降雨促使土壤回實(shí)加之徑流沖刷，導(dǎo)致變化增大。

土壤飽和含水量表明土壤最大儲(chǔ)水能力，匯水區(qū)也存在著較大的變異。春季匯水區(qū)壟溝土壤飽和含水量的范圍為28.8%～46.3%，雨季變?yōu)?6.1%～43.1%，除6月15日之外匯水區(qū)土壤飽和含水量均屬于中等變異，6月15日壟溝土壤飽和含水量由中等變異轉(zhuǎn)為弱變異，可能的原因是連續(xù)3次的中耕均是在壟溝實(shí)施，疏松土壤所致；此后由進(jìn)入雨季，降雨次數(shù)、雨量和雨強(qiáng)等增加，發(fā)生水土流失，導(dǎo)致土壤回實(shí)，容重增加，導(dǎo)致坡耕地匯水區(qū)各個(gè)位置土壤孔隙差異變大，壟溝土壤飽和含水量差異變大。

表1 2019年研究區(qū)溝坡侵蝕匯水區(qū)壟溝土壤水分

(2) 地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間異質(zhì)性分析。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可很好地揭示了匯水區(qū)土壤水分的空間異質(zhì)性及其時(shí)空演變特征。匯水區(qū)壟溝土壤體積含水量的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.001～0.198，均小于0.25，說(shuō)明土壤體積含水量受到人為活動(dòng)干擾較小，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。

全生育期塊金值/基臺(tái)值先降低再升高，雨季后期8月15日比值接近為0，空間相關(guān)性最強(qiáng)，說(shuō)明壟溝土壤含水量只是受地形地貌等結(jié)構(gòu)性因子導(dǎo)致的水土流失影響，有效空間自相關(guān)距離變程最小，為52.2 m，雨季結(jié)束作物接近成熟的9月11日，塊金值/基臺(tái)值恢復(fù)到春季水平，受結(jié)構(gòu)性因子影響降低，有效空間自相關(guān)距離增大到468.6 m(見(jiàn)表2)。

圖2 2019年研究區(qū)降雨量

匯水區(qū)壟溝土壤田間持水量的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是指數(shù)模型，苗期5月11日塊金值/基臺(tái)值為0.497，表明變量具有中等的空間相關(guān)性，受人類活動(dòng)引起的隨機(jī)因子和自然因素決定的結(jié)構(gòu)因子影響各占50%，空間有效相關(guān)距離最大，為510.9 m，主要是收秋整地、播種等農(nóng)耕作業(yè)對(duì)表層土壤頻繁擾動(dòng)，降低了壟溝土壤田間持水量的空間異質(zhì)性。其他時(shí)期塊金值/基臺(tái)值均為0.001，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，幾乎完全受自然因素決定的結(jié)構(gòu)因子影響，空間有效相關(guān)距離在18.7～45.8 m，主要是降雨導(dǎo)致土壤自然回實(shí)以及水土流失共同作用，加大了壟溝土壤田間持水量的空間異質(zhì)性。

表2 匯水區(qū)壟溝土壤性狀半變異函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)

匯水區(qū)壟溝土壤飽和含水量的半變異函數(shù)最佳理論模型各時(shí)期均為指數(shù)模型，塊金值/基臺(tái)值的變化與土壤田間持水量相反，除成熟期9月11日為0.202外，其余時(shí)期均小于0.003，塊金值/基臺(tái)值小于0.25，說(shuō)明壟溝土壤飽和含水量受到人為干擾較小，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因子影響，水土流失加劇了其空間相關(guān)性，空間相關(guān)距離較小，為22.1～55.8 m。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤水分性狀進(jìn)行了空間插值，繪制了4個(gè)觀測(cè)期性狀的空間分布(見(jiàn)圖3)。匯水區(qū)壟溝土壤體積含水量、田間持水量、飽和含水量均表現(xiàn)為5月和6月份坡上與坡下匯水線處含量較高，8月和9月坡下匯水線處含量較高。主要是受水土流失長(zhǎng)期作用導(dǎo)致土壤和水分遷移再分配所致，東北黑土區(qū)坡耕地水土流失總體表現(xiàn)為坡中土壤侵蝕最重，坡上相對(duì)坡度較緩，土壤侵蝕較輕，坡下多為土壤沉積[12]。8月和9月雨季降水抵達(dá)地表后，形成地表徑流并向坡下和溝道中匯集，導(dǎo)致坡下匯水線處水分含量較高。

2.2 匯水區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性

(1) 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)變化分析。溝坡匯水區(qū)不同時(shí)期壟溝的土壤養(yǎng)分的變異性見(jiàn)表3。土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著的變異。春季土壤有機(jī)質(zhì)含量的范圍在32.3～47.9 g/kg，雨季變?yōu)?3.9～49.7 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量由6月15日之前的弱變異變?yōu)橹蟮闹械茸儺?，是由?月15日之后，雨季到來(lái)，降雨次數(shù)、雨量和雨強(qiáng)等增加，發(fā)生水土流失，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的遷移，變化增大。溝坡匯水區(qū)土壤全氮含量同樣變異較大，春季土壤全氮含量范圍為1.0～1.3 g/kg，雨季變?yōu)?.8～1.5 g/kg，由6月15日之前的弱變異變?yōu)橹蟮闹械茸儺悾彩怯捎谟昙舅亮魇?dǎo)致土壤氮隨徑流和土壤遷移，全氮含量的變化增大。溝坡匯水區(qū)土壤全磷含量整體變化范圍變化較小，春季全磷含量的變化范圍為0.3～0.6 g/kg，雨季為0.3～0.5 g/kg，均屬于中等變異，說(shuō)明分布不均勻，水土流失導(dǎo)致土壤磷的遷移是造成全磷含量分布不均的原因之一。

表3 研究區(qū)溝坡侵蝕匯水區(qū)壟溝土壤養(yǎng)分

溝坡匯水區(qū)土壤有效養(yǎng)分氮磷鉀含量變化較大。土壤堿解氮含量整個(gè)生育期均屬于中等變異，春季范圍為91.9～154.3 mg/kg，雨季為77.2～139.7 mg/kg。由于匯水區(qū)坡耕地涉及多個(gè)農(nóng)戶，種植作物為玉米和大豆，施肥量不同，因此施肥不均和作物氮素利用不同是除水土流失外導(dǎo)致土壤堿解氮含量的差異的重要原因，雨季堿解氮含量整體降低是這3種因素共同作用的結(jié)果。溝坡匯水區(qū)土壤速效磷含量，春季范圍為30.3～45.9 mg/kg，雨季為29.1～74.0 g/kg，由6月15日之前的弱變異變?yōu)橹蟮闹械茸儺?，表明水土流失?duì)土壤速效磷的影響較大。溝坡匯水區(qū)土壤速效鉀含量，春季范圍為91.4～161.8 mg/kg，雨季為81.3～171.9 mg/kg，均屬于中等變異，受種植作物、施肥量和水土流失等共同影響。

圖3 研究區(qū)溝坡侵蝕匯水區(qū)土壤水分性狀空間分布及其季節(jié)變化

(2) 地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間異質(zhì)性分析。如表4所示，地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明匯水區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量具有顯著的空間異質(zhì)性。匯水區(qū)壟溝土壤有機(jī)質(zhì)含量的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是球狀模型和指數(shù)模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.001～0.003，接近為0，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變化幾乎不受人類土壤耕作、作物種植和施肥等人類活動(dòng)影響，完全受地形地貌等結(jié)構(gòu)因子導(dǎo)致的水土流失的影響，有效空間自相關(guān)距離較小，為21.7～71.3 m。匯水區(qū)壟溝土壤全氮的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.001～0.267，春季5月11日和6月15日塊金值/基臺(tái)值為0.001，接近為0，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤全氮含量只受地形地貌等結(jié)構(gòu)因子的影響，空間有效距離分別為23.8 m和87.3 m；雨季后期8月15日塊金值/基臺(tái)值為0.267，變量的空間相關(guān)性由強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變?yōu)橹械?，受人類活?dòng)影響的加大，隨機(jī)因子和自然因素決定的結(jié)構(gòu)因子的影響分別占26%和74%，空間有效距離為49.4 m；雨季結(jié)束的9月11日塊金值/基臺(tái)值降低，變?yōu)?.025，變量回升到強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，有效空間自相關(guān)距離增大到93.2 m。匯水區(qū)壟溝土壤全磷的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是指數(shù)模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.077～0.201，均小于0.25，說(shuō)明土壤全磷受到人為活動(dòng)干擾較小，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；全生育期塊金值/基臺(tái)值呈下降趨勢(shì)，有效空間相關(guān)距離呈先下降后升高的趨勢(shì)，春季為477.3～487.7 m，雨季后期8月15日減小為87.1 m，雨季結(jié)束的9月11日又增加到510.9 m。

匯水區(qū)壟溝土壤堿解氮的半變異函數(shù)最佳理論模型各時(shí)期均是球狀模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.001～0.131，均小于0.25，說(shuō)明土壤堿解氮受到人為活動(dòng)干擾較小，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。苗期5月11日塊金值/基臺(tái)值為0.001，接近于0，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤堿解氮含量只受地形地貌等結(jié)構(gòu)因子的影響，空間有效距離為69.7 m；雨季初期6月15日塊金值/基臺(tái)值升高為0.131，空間有效距離增加至90.8 m；雨季后期8月15日和雨季結(jié)束9月11日，塊金值/基臺(tái)值恢復(fù)至春季水平，均為0.001，空間有效距離下降為63.9～66.1 m。匯水區(qū)壟溝土壤速效磷的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.001～0.072，塊金值/基臺(tái)值小于0.25，說(shuō)明土壤速效磷受人為活動(dòng)干擾影響也較小，空間自相關(guān)性較強(qiáng)；苗期5月11日塊金值/基臺(tái)值為0.001，接近于0，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤速效磷含量只受地形地貌等結(jié)構(gòu)因子的影響，空間有效距離為65.8 m；雨季初期6月15日塊金值/基臺(tái)值升高為0.072，空間有效距離增加至84.3 m；雨季后期8月15日塊金值/基臺(tái)值下降為0.027，空間有效距離增加至146.8 m；雨季結(jié)束9月11日塊金值/基臺(tái)值和空間有效距離均恢復(fù)至春季水平。匯水區(qū)壟溝土壤速效鉀的半變異函數(shù)最佳理論模型主要是球狀模型，塊金值/基臺(tái)值的范圍為0.003～0.011，塊金值/基臺(tái)值小于0.25，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤速效鉀受到人為活動(dòng)干擾較小，主要受地形地貌等結(jié)構(gòu)因子的影響；苗期5月11日塊金值/基臺(tái)值為0.005，接近于0，說(shuō)明土壤速效鉀含量只空間有效距離為71.0 m；雨季初期6月15日和后期8月15日塊金值/基臺(tái)值上升為0.011，空間有效距離增加至149.6～510.0 m；雨季結(jié)束9月11日塊金值/基臺(tái)值恢復(fù)至春季水平，為0.005，空間有效距離下降為22.6 m。

表4 匯水區(qū)壟溝土壤性狀半變異函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤養(yǎng)分性狀進(jìn)行了空間插值，繪制了4個(gè)觀測(cè)期性狀的空間分布圖(見(jiàn)圖4)。匯水區(qū)壟溝土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為5月分布相對(duì)均勻，6月坡上和坡下匯水線處含量較高，8月和9月坡下匯水線處含量較高，主要是受水土流失長(zhǎng)期作用，雨季降雨抵達(dá)地表形成地表徑流，向坡下和匯水線處匯集，土壤養(yǎng)分隨徑流遷移，部分隨徑流流入河道造成養(yǎng)分流失，導(dǎo)致8月和9月養(yǎng)分含量總體低于5月。

圖4 研究區(qū)溝坡侵蝕匯水區(qū)土壤養(yǎng)分性狀空間分布及其季節(jié)變化

2.3 對(duì)作物的影響

如表5所示，坡耕地匯水區(qū)涉及7戶農(nóng)戶，3戶種植大豆，4戶種植玉米，作物種類和品種之間都有較大差異，不能縱向比較坡上、坡中、坡下的產(chǎn)量，只能橫向比較相同壟上的同一作物產(chǎn)量。在同一條壟上，匯水線附近的作物產(chǎn)量量高于溝坡處作物產(chǎn)量，大豆產(chǎn)量表現(xiàn)為：上游橫向溝坡較較匯水線附近耕地減產(chǎn)6.7%；中游橫向溝坡較坡中耕地減產(chǎn)6.2%；下游橫向溝坡較匯水線附近耕地減產(chǎn)37.3%；玉米產(chǎn)量：與大豆相似的位置分別減產(chǎn)7.7%，12.9%和19.9%。

相同作物，上游溝坡位的產(chǎn)量與其橫向?qū)?yīng)匯水線附近的產(chǎn)量差距較小，主要是上游橫向地勢(shì)變化較小，即橫向坡度較緩，其位置生長(zhǎng)的作物與同一條壟上作物的生長(zhǎng)環(huán)境相似，養(yǎng)分與水分含量差距較小，因此，產(chǎn)量相差??；中游溝坡的作物產(chǎn)量明顯低于橫向?qū)?yīng)匯水線耕地的作物產(chǎn)量，主要是由于橫向坡度較陡，徑流沿壟溝橫向向溝線匯集，表層土壤被沖走，養(yǎng)分流失，導(dǎo)致作物產(chǎn)量差異增大。下游溝坡的作物產(chǎn)量也明顯低于匯水線附近的作物產(chǎn)量，是由于下游溝道侵蝕最為嚴(yán)重，水土流失導(dǎo)致的土壤水分和養(yǎng)分的遷移所致。

表5 研究區(qū)淺溝不同位置溝坡與耕地產(chǎn)量 kg/hm2

3 討 論

坡耕地匯水區(qū)為橫坡壟作，壟間距70 cm，壟臺(tái)比壟溝高20 cm，雖然橫坡壟作能有效降低水土流失[13]，但由于匯水區(qū)中部存在凹型微地形，雨季徑流匯集于匯水線，長(zhǎng)期的沖刷造成溝道形成與發(fā)育，溝道侵蝕發(fā)生后，坡面沿壟向徑流流速、沖刷動(dòng)能均增加，導(dǎo)致水土流失加劇，即溝道侵蝕加速坡面侵蝕[14]。

坡耕地匯水區(qū)土壤水分空間異質(zhì)性強(qiáng)，且存在季節(jié)差異，通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)春季土壤體積含水量的最高值是最低值的1.7倍，雨季變?yōu)?.75倍；春季土壤田間持水量的最高值是最低值的1.5倍，雨季變?yōu)?.65倍；春季土壤飽和含水量的最高值是最低值的1.6倍，雨季變?yōu)?.65倍；主要是因?yàn)橛昙就寥赖娜霛B速率下降(見(jiàn)圖5)，隨著降雨次數(shù)、雨強(qiáng)、雨量增加(見(jiàn)圖2)，徑流量增大，土壤水分隨徑流發(fā)生遷移，水分空間分布發(fā)生變化。

坡耕地匯水區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性強(qiáng)，且存在季節(jié)差異，通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)春季土壤有機(jī)質(zhì)含量的最高值是最低值的1.48倍，雨季變?yōu)?倍；春季土壤全氮含量的最高值是最低值的1.3倍，雨季變?yōu)?.9倍；春季土壤全磷含量的最高值是最低值的2倍，雨季變?yōu)?.7倍；春季土壤堿解氮含量的最高值是最低值的1.7倍，雨季變?yōu)?.8倍；春季土壤速效磷含量的最高值是最低值的1.5倍，雨季變?yōu)?.5倍；春季土壤速效鉀含量的最高值是最低值的1.8倍，雨季變?yōu)?.1倍；土壤速效養(yǎng)分主要受自然地形地貌、降雨等結(jié)構(gòu)性因子影響大，這些結(jié)構(gòu)性因子造成匯水區(qū)溝道侵蝕與坡面侵蝕，溝道侵蝕與坡面侵蝕造成水土流失，養(yǎng)分隨徑流和土壤遷移，養(yǎng)分空間分布發(fā)生變化。溝坡侵蝕加劇坡耕地水分、養(yǎng)分空間異質(zhì)性。

整個(gè)坡耕地匯水區(qū)的土壤水分和養(yǎng)分的空間異質(zhì)性強(qiáng)烈，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先匯水區(qū)溝道附近耕地與坡面耕地土壤水分和養(yǎng)分分布不均，其次，坡上、坡中、坡下土壤水分和養(yǎng)分分布不均。研究區(qū)為橫坡壟作，地表徑流主要沿壟溝向中部的溝道匯水線匯集，然后再沿匯水線沿坡向向下匯流，流出田塊。坡位不同，其坡度不同，徑流不同，其導(dǎo)致的結(jié)果是水分、養(yǎng)分多集中于溝坡處，匯水區(qū)溝道附近耕地與坡面耕地水分、養(yǎng)分含量差異較大，導(dǎo)致坡耕地匯水區(qū)空間異質(zhì)性增大；而坡上、坡中、坡下總體的水分、養(yǎng)分含量存在差異，導(dǎo)致坡上、坡中、坡下總體空間異質(zhì)性變化，且坡上、坡中、坡下的空間異質(zhì)性隨著季節(jié)的變化而變化，土壤水分和養(yǎng)分表現(xiàn)出相似的規(guī)律，5—6月坡上與坡下含量較高，8月和9月坡下含量較高，導(dǎo)致不同時(shí)間段坡上、坡中、坡下的空間異質(zhì)性存在差異。

整個(gè)坡耕地匯水區(qū)的作物產(chǎn)量也受到溝坡侵蝕的影響，玉米最高產(chǎn)量是最低產(chǎn)量的1.9倍，大豆最高產(chǎn)量是最低產(chǎn)量的1.3倍，是由于溝坡侵蝕對(duì)坡耕地匯水區(qū)造成水土流失，使得匯水區(qū)的水分、養(yǎng)分含量分布不均，最終作物產(chǎn)量下降。

橫坡壟作雖是坡面很好的水土保持措施，由于存在微地形，匯水區(qū)易發(fā)生溝道侵蝕，溝道侵蝕會(huì)加速坡面侵蝕，導(dǎo)致坡耕地土壤質(zhì)量下降，水分脅迫，最終造成作物減產(chǎn)，因此坡耕地水土流失需溝坡同步治理。

圖5 研究區(qū)溝坡侵蝕匯水區(qū)不同位置入滲速率及季節(jié)變化

4 結(jié) 論

(1) 溝坡侵蝕對(duì)黑土坡耕地土壤水分性狀造成了顯著的影響。土壤含水量變異系數(shù)為12.2%～17.4%，其中以9月份差異最大，范圍為17.2%～31.7%，以坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低。同時(shí)對(duì)土壤持水性能也造成了影響，土壤田間持水量變化范圍為26.0%～39.3%，土壤飽和含水量變化范圍為27.6%～44.4%，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低。

(2) 溝坡侵蝕對(duì)黑土坡耕地土壤養(yǎng)分也造成了顯著的空間差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)為8.8%～13.7%，其中以9月份差異最大，范圍為24.6～44.4 g/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低；土壤全氮含量的變異系數(shù)為8.2%～17.5%，其中以6月份差異最大，范圍為0.9～1.7 g/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低；土壤全磷含量的變異系數(shù)為10.6%～13.6%，其中以5月份差異最大，范圍為0.3～0.6 g/kg，以坡上、坡下匯水線處的含量最高，坡中匯水線處的含量最低；土壤速效養(yǎng)分的變異系數(shù)為9.3%～27.0%，均以8月份差異最大，堿解氮、速效磷、速效鉀的范圍分別為77.2～139.7 mg/kg，29.1～74.0 mg/kg，81.3～171.9 mg/kg，以坡下匯水線處的含量最高，坡上匯水線處的含量最低。

(3) 溝坡侵蝕匯水區(qū)土壤水分和養(yǎng)分空間異質(zhì)性，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量的差異。大豆和玉米產(chǎn)量變化范圍分別為1 669～3 223 kg/hm2，8 177～10 871 kg/hm2，大豆玉米的最低產(chǎn)量均出現(xiàn)在下游溝坡處，溝坡侵蝕對(duì)大豆產(chǎn)量的影響大于玉米。單純等高壟作，由于受微地形變化的影響，不能完全阻止水土流失，應(yīng)采取秸稈覆蓋等水土保持措施。