翟星雨，張興義，李 浩，鄂麗麗，陳 帥，甄懷才，谷思玉

?

田塊尺度順坡壟作改等高壟作提高黑土有機(jī)質(zhì)含量

翟星雨1,2，張興義2※，李 浩2，鄂麗麗1,2，陳 帥2，甄懷才1,2，谷思玉1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

為了明晰等高壟作后對坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)作用，選取一塊面積為1.4 hm2的典型黑土坡耕地，采用標(biāo)準(zhǔn)柵格法，同位大樣點(diǎn)取樣調(diào)查了改壟前和改壟10 a后土壤有機(jī)質(zhì)和含水率等性狀的變化。結(jié)果表明：1）與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相比，地統(tǒng)計(jì)學(xué)通過變程、塊金值與基臺值的比值以及插值繪制空間分布圖，能夠從全坡面更好地反映改壟前后性狀的空間變化；2）等高改壟10 a后，壟臺土壤含水率變程由510.7 m降低到193.2 m，塊金值與基臺值的比值由11.7%升至46.9%，空間相關(guān)性強(qiáng)度由強(qiáng)烈變?yōu)橹械龋衷俜峙浣档停?）耕層土壤有機(jī)質(zhì)總體增加了2.61 g/kg，提升了8.4%，只在坡中上部西側(cè)小區(qū)的部分區(qū)域降低了3.7%；4）土壤全氮含量減少了0.04 g/kg，降低了2.8%。上述結(jié)果表明，對于嚴(yán)重侵蝕的坡耕地，改順坡壟為等高壟作，可弱化性狀空間相關(guān)性，對土壤有機(jī)質(zhì)具有恢復(fù)作用，但應(yīng)適當(dāng)增加化肥氮素的施用量，對東北黑土區(qū)坡耕地水土流失治理具有指導(dǎo)意義。

土壤；農(nóng)田；含水率；有機(jī)質(zhì)；等高壟作；黑土

0 引 言

東北黑土發(fā)生了嚴(yán)重退化已是不爭的事實(shí)，主要表現(xiàn)在土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、結(jié)構(gòu)趨劣、土壤生產(chǎn)力降低[1-2]。土地退化主要是由高強(qiáng)度的掠奪式經(jīng)營導(dǎo)致用養(yǎng)失調(diào)，以及坡耕地水土流失致使肥沃的黑土表層變薄[3]和水分脅迫加重所致[4]。東北氣候冷涼，旱地農(nóng)田絕大部分采取壟作，目的是增加地溫并保墑[5]。開墾之初為了盡快排出融雪，提高土溫，熟化土壤以及有利于耕作，多順坡或斜坡壟作[6]，然而由于夏季單峰降雨，土壤水分飽和后，降雨導(dǎo)致徑流匯于壟溝，當(dāng)沿壟向存在比降時，水土流失發(fā)生[7]，部分雨水生成地表徑流流出地塊，降低水分利用效率，加劇坡耕地水分脅迫[4]；同時徑流沖刷剝離表土，致使坡上和坡中黑土層變薄，土壤質(zhì)量下降，加劇黑土退化[8-9]。等高壟作已被證明可有效降低水土流失，緩解水分脅迫，提升土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力，成為東北黑土坡耕地水土保持普遍應(yīng)用的措施[10]，但相關(guān)的定量研究較為缺乏[11]。

黑土保護(hù)尤其是水土流失防治已得到國家重視，自2003年起以坡耕地為主的東北黑土區(qū)水土流失綜合治理被列為國家重大工程，已投資20多億治理水土流失面積1.8萬km2 [5]。經(jīng)過幾十年的水土流失治理實(shí)踐，東北黑土區(qū)已形成獨(dú)具特色且效果顯著的坡耕地水土保持措施，國家率先頒布了區(qū)域《東北黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SL 446-2009，規(guī)定3°以下改壟，3～5°修筑地埂植物帶，5°以上修筑梯田[12]，規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的東北黑土區(qū)坡耕地水土保持生態(tài)建設(shè)，對保障治理成效有極大的促進(jìn)作用[5]。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)是將數(shù)據(jù)按獨(dú)立且隨機(jī)的樣本加以分析，而某一區(qū)域內(nèi)的土壤性狀并不是孤立的，存在著空間關(guān)聯(lián)，被稱為空間自相關(guān)性，其空間變化被稱為空間異質(zhì)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地理環(huán)境空間相關(guān)分析和空間插值制圖，其不但可分析土壤理化性狀的空間相關(guān)距離，還可量化由自然和人為因素導(dǎo)致空間變異的比率[13]。土壤是時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，不論在大尺度上還是小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性均存在，地統(tǒng)計(jì)學(xué)已成為土壤空間變化分析的主要工具[14]。

黑土坡耕地水土保持生態(tài)建設(shè)目標(biāo)是遏制水土流失，恢復(fù)土壤質(zhì)量，提升土地生產(chǎn)力[10,14]。準(zhǔn)確定量評價水土保持措施、遏制水土流失、提升土壤質(zhì)量是科學(xué)指導(dǎo)水土保持生態(tài)建設(shè)的前提條件[15]。然而在坡耕地水土保持工程項(xiàng)目區(qū)，由于難以找到相近的未治理對照田塊，或者無長期定位觀測，截至目前對黑土坡耕地水土保持措施提升土壤質(zhì)量的作用鮮見報(bào)道[16]。本文通過對實(shí)施水土保持前后全地塊大樣本取樣調(diào)查的方法，從田塊尺度系統(tǒng)分析了等高改壟水土保持措施在提升土壤有機(jī)質(zhì)中的作用，以期為黑土坡耕地水土保持生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大豆主產(chǎn)區(qū)黑土中部地區(qū)的黑龍江省海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村，年均氣溫1.5 ℃，年均降雨量530 mm。試驗(yàn)坡耕地位于北緯47°20.493￠～47°20.630￠，東經(jīng)126°50.354￠～126°50.405￠。南北長305 m，東西跨度78.5 m，總面積1.42 hm2，西側(cè)為分水嶺，東側(cè)為已治理完成的侵蝕溝。地勢呈西北部略高，向東南方向傾斜，南北平均坡度3.8°，東西平均坡度2.2°。土壤為薄層黑土，1942年由榛柴林開墾為農(nóng)田，耕作方式為南北向壟作（見圖1）。

注：波浪線代表等高線；箭頭方向代表改壟后壟向，相鄰等高線高程差0.2 m。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)處理

供試坡耕地2006年等高改壟前，由12馬力小型拖拉機(jī)進(jìn)行秋旋耕起壟，南北向壟作，耕層深度15 cm。2006年秋用103 kW中型拖拉機(jī)旋平后，沿等高線改壟，壟向坡度小于1°，耕層深度18 cm以上，此后耕作方式和壟向維持不變，試驗(yàn)地一年一熟制，玉米大豆輪作，秋收籽實(shí)和秸稈全部移出農(nóng)田，仍采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)化肥施用量，大豆播種時施底肥，氮肥和磷肥分別為120和24 kg/hm2；玉米播種時施氮、磷、鉀分別為69、69和15 kg/hm2，拔節(jié)期追施氮肥69 kg/hm2。

1.2.2 試驗(yàn)方法

地形圖用無人機(jī)航拍并由三維立體攝影測量軟件PIX4D生成，并由水準(zhǔn)儀地面測量校準(zhǔn)。

整塊坡耕地調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)柵格布點(diǎn)法，樣點(diǎn)間距南北20 m，東西10.5 m，觀測點(diǎn)102個[4]，分別于2004年和2016年4月中旬進(jìn)行2次同位點(diǎn)采樣調(diào)查，采集每個樣點(diǎn)耕層0～20 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）和全氮（TN）含量利用元素分析儀（ElementarVarioⅢ，德國）測定；土壤機(jī)械組成利用吸管法測定，采用國際制劃分標(biāo)準(zhǔn)；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量利用土壤團(tuán)粒分析儀（DIK-2001，日本），采用真空慢速浸潤法測定[17]；土壤田間持水量和容重利用環(huán)刀法取壟臺2～7 cm原狀土測定；壟臺、壟溝0～20 cm土壤體積含水率使用TDR100（Spectrum Field Scout，美國）測定。改壟前土壤物理性狀見表1。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS10.0軟件包對土壤理化性狀進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，用美國Gamma Design Software公司的地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+5.3b進(jìn)行空間相關(guān)性分析及繪制土壤理化性狀空間分布圖。

表1 2004年試驗(yàn)地改壟前土壤物理性狀

2 結(jié)果與分析

2.1 改壟前后耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和水分含量空間異質(zhì)性

2.1.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)通過平均值、中值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等來反映一組數(shù)據(jù)的變化。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示，改壟前（2004年），表層土壤（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、壟臺和壟溝含水率均有較大的變化，變化范圍分別為19.27～52.64 g/kg、0.95～2.38 g/kg、16.70%～31.30%和18.20%～45.60%，變異系數(shù)分別為0.22、0.20、0.15和0.14，說明該坡耕地土壤SOM、TN和水分含量在空間存在較大變異（見表2）。變異系數(shù)反映土壤養(yǎng)分含量的變異程度，SOM和TN的變異系數(shù)處于0.1～1.0之間，為中等強(qiáng)度變異[13,18]。理論而言，一小塊無侵蝕的平整耕地，土壤性狀在空間上無變異或有較小的變化，而坡耕地在成土過程中就存在著空間差異，開墾后水土流失將進(jìn)一步加劇其土壤性狀的空間異質(zhì)性。

供試坡耕地自1942年開墾為耕地至2006年采用順坡壟作，水土流失嚴(yán)重，坡上和坡中黑土表土層被地表徑流剝離，遷移并多沉積于坡下，使得中上部黑土層變薄，中部黑土層消失，變?yōu)椤捌破S”，下部原黑土層被遷移的泥沙掩埋。2004年設(shè)置于地塊中部的坡面小區(qū)監(jiān)測結(jié)果顯示，生育期地表徑流系數(shù)為9.8%，土壤流失量為35.2 t/hm2，即中部表土層年剝蝕厚度為3.5 mm。田間的直觀表現(xiàn)為中上部田塊耕層疏松表土全部向下遷移，坡下部的壟溝全部淤平，即農(nóng)民所說的“耕多深，沖走多少”，屬強(qiáng)烈侵蝕強(qiáng)度[12]。連續(xù)64 a高強(qiáng)度的水土流失勢必引起表層土壤性狀的空間改變，是造成該坡耕地耕層土壤SOM、TN和土壤含水率空間變異的主要因素，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量和農(nóng)田生產(chǎn)力。

表2 改壟前（2004）后（2016）土壤性狀經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

改壟10 a后（2016年），表層土壤（0～20 cm）SOM、TN、壟臺和壟溝含水率變化范圍分別為22.85～51.01 g/kg、0.90～2.09 g/kg、11.27%～37.87%和18.27%～43.53%，變異系數(shù)分別為0.17、0.18、0.28和0.17（見表2），SOM和TN含量變化范圍以及變異系數(shù)均降低，表明實(shí)施水土保持等高改壟后，有降低土壤SOM和TN空間異質(zhì)性的作用，但仍在0.1～1.0之間，屬中等強(qiáng)度變異。

上述分析結(jié)果表明，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)通過對實(shí)測樣本土壤理化性狀的統(tǒng)計(jì)分析，可定量地表述理化性狀的狀況（平均值）及其變化程度（變化范圍和變異系數(shù)），但受觀測樣本數(shù)的限制，難以精準(zhǔn)反映土壤理化性狀的空間變化特征。

2.1.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的前提條件是樣本數(shù)值分布需滿足或轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)分布，數(shù)值不少于25個[19]，經(jīng)檢驗(yàn)本研究區(qū)土壤SOM和TN含量符合正態(tài)分布，土壤含水率經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，觀測值均為102個，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析要求。表3給出耕層土壤SOM、TN和水分含量半方差函數(shù)理論模型及其相應(yīng)參數(shù)，改壟前后土壤SOM和TN含量決定系數(shù)均為0.99，土壤含水率決定系數(shù)也在0.88以上，表明理論變異函數(shù)模型能夠較好用于供試4個土壤性狀的空間異質(zhì)性分析。

塊金值與基臺值之比表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，即能夠反映結(jié)構(gòu)因子和隨機(jī)因子作用比例。就土壤性狀而言，結(jié)構(gòu)因子為自然因子，包括地形、坡度、坡長、降雨、土壤等，隨機(jī)因子為人類活動的作用，包括開墾、施肥、耕作、種植作物以及水土保持措施。改壟前，除壟溝含水率塊金值與基臺值比值為25.5%外，其他3種性狀比值均小于25%，屬于強(qiáng)烈的空間自相關(guān)，說明該坡耕地盡管發(fā)生了嚴(yán)重的水土流失，土壤性狀空間異質(zhì)性程度仍主要由結(jié)構(gòu)因子影響。改壟10 a后，除土壤SOM含量外，其他3種性狀塊金值與基臺值比值均增大，在25%～75%之間，表明人類活動作用增強(qiáng)，空間自相關(guān)性由強(qiáng)烈變?yōu)橹械葟?qiáng)度。變程反映區(qū)域內(nèi)性狀的有效空間自相關(guān)距離的閾值，即為某一點(diǎn)該土壤性狀與最遠(yuǎn)的另一點(diǎn)土壤性狀存在空間相關(guān)關(guān)系的距離。改壟后較改壟前，除土壤SOM含量變程未變外，其他3種土壤性狀變程均減小，表明等高改壟水土保持措施可縮短空間自相關(guān)距離，降低坡面的空間異質(zhì)性，相較于水土流失耕地土壤采樣調(diào)查，水土保持田塊的取樣間距應(yīng)縮短。

表3 半方差函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)

2.2 改壟前后耕層土壤SOM、TN和水分含量空間分布及其變化

地統(tǒng)計(jì)學(xué)通過半方差分析選取最佳理論模型，結(jié)合觀測數(shù)據(jù)對研究區(qū)域進(jìn)行克里格（Kriging）插值后，繪制土壤性狀及其變化（差值）空間分布圖。

2.2.1 土壤SOM含量

土壤SOM含量是農(nóng)田土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，顯著地影響農(nóng)田生產(chǎn)力[1]。東北黑土區(qū)坡耕地明顯不同于中國其他區(qū)域，其坡緩且長，多順坡或斜坡壟作，土壤侵蝕特征表現(xiàn)為坡上、坡中表土被剝離變薄，絕大部分沉積于坡腳，以坡中比降最大處侵蝕最為嚴(yán)重[9]。改壟前連續(xù)順坡壟作64 a后坡耕地土壤SOM含量空間分布見圖2a，呈從北向南，即從坡上向坡腳西側(cè)降低。黑土坡耕地的土壤侵蝕特征[9]很好地解釋了土壤SOM的空間分布特征，坡上土壤SOM含量最高是由于其侵蝕強(qiáng)度相對較低，坡中較低是由于其比降大，表土剝離程度最為嚴(yán)重，剝離后的表土逐年多在坡腳沉積，造成沉積區(qū)被剝離的土壤所覆蓋，坡中土壤SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 g/kg左右，黑土層（A層）消失，過渡層（B）外露，導(dǎo)致沉積區(qū)被AB和B層土壤所覆蓋，土壤SOM含量較低。改壟10 a后，土壤SOM含量雖整體略有增加，但其空間分布總體特征較改壟前并未改變（圖2b）。

坡耕地實(shí)施水土保持措施，除降低或遏制水土流失外，還具有恢復(fù)土壤質(zhì)量提升地力的作用[10,14-15]。自然坡面田塊難以設(shè)置對比試驗(yàn)，加之缺少治理前長時間序列的土壤性狀信息，東北黑土區(qū)坡耕地水土保持增碳鮮有報(bào)道[16]。本文通過改壟前（2004年）和改壟10 a后（2016年）全地塊相同的102個樣點(diǎn)進(jìn)行取樣測定，定量獲取了土壤SOM含量空間變化（見圖2c）。改壟前2004年土壤SOM平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.19 g/kg，等高改壟10 a后（2016年）土壤SOM平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.80 g/kg，10 a間土壤SOM含量增加了2.61 g/kg，即增加了8.4%?？臻g上土壤SOM含量變化除中上部西側(cè)小區(qū)降低3.7%外，大部分區(qū)域增加，其中以西側(cè)坡腳處增加最多（見圖2c）。

2.2.2 土壤TN含量

黑土中的C和N 95%以上以有機(jī)態(tài)存在，二者含量達(dá)極顯著相關(guān)[1,4]。改壟前TN含量（圖3a）與土壤SOM具有相似的空間分布，由坡上向坡下逐漸降低，坡腳處由西向東逐漸升高。改壟10 a后除坡腳略增高外，也與改壟后的土壤SOM含量空間分布相似。這種坡面分布特征也是由于長期的水土流失所致。改壟前（2004年）土壤TN平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.45 g/kg，變化范圍分別為0.95～ 2.38 g/kg。等高改壟10 a后的2016年土壤TN平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.41 g/kg，變化范圍為0.90～2.09 g/kg，10 a間土壤TN含量下降了0.04 g/kg，即降低了2.8%。空間上土壤TN含量表現(xiàn)為坡上和坡腳處增加，坡中及坡下部大部分地塊降低，降低區(qū)域占總面積的63%（見圖3c）。

注：N-S代表北-南；W-E代表西-東；SOM代表土壤有機(jī)質(zhì)。下同。

注：TN代表土壤全氮。

2.2.3 土壤含水率

2016年4月中旬在供試坡耕地上，依照2004年同時期的102個觀測點(diǎn)[4]，再次測定壟溝和壟臺0～20 cm土壤含水率，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)2016年和2004年差異較小，平均含水率幾無變化（見表2）。采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)半方差分析發(fā)現(xiàn)，改壟后土壤含水率由改壟前的強(qiáng)烈的空間自相關(guān)變?yōu)橹械葟?qiáng)度空間自相關(guān)（見表3），表明等高改壟可弱化土壤含水率的空間自相關(guān)性，即降低水土流失對土壤水分空間再分配的影響，具有水土保持作用。

土壤含水率空間分布圖可直觀展示改壟前后水土流失及水土保持的影響（圖4）。2004年為南北順坡壟作，坡向和壟向重合，壟臺和壟溝土壤含水率均具有顯著的坡耕地分布特征，從北部坡上至南部坡下逐漸升高，主要是徑流沿壟溝由坡頂向坡下遷移所致，最低值區(qū)出現(xiàn)在坡中上位的侵蝕最嚴(yán)重區(qū)。等高改西南-東北向壟后的2016年，壟向和坡向垂直，土壤含水率不但有沿坡向由上向下增加的變化，還存在沿壟向由西南向東北的變化，主要是改壟后沿壟溝的比降趨于零，地表水存于壟溝只能緩慢運(yùn)移，增加了就地入滲，降低了土壤含水率的空間異質(zhì)性，尤其是在雨季的保水能力顯著增加，是降低坡耕地地表徑流損失和土壤流失的根本所在。

注：W代表體積含水率。

3 討 論

3.1 等高改壟對黑土坡耕地土壤SOM和TN的影響

已有研究表明坡耕地土壤SOM演變方向主要取決于水土流失狀況和所處的退化過程[1,20-22]，以土壤SOM含量標(biāo)識的東北黑土退化過程主要分為熟化過程（開墾后20～40 a）、退化過程（開墾后40～120 a）、平衡波動3個階段，在水土流失嚴(yán)重的坡耕地還存在侵蝕退化惡化階段[20]，即在有水土流失的坡耕地上平衡階段被打破，土壤SOM含量進(jìn)一步下降[1,20]。實(shí)施水土保持措施后允許侵蝕范圍內(nèi)的農(nóng)田土壤SOM含量若低于平衡點(diǎn)，則向提升的方向發(fā)展，當(dāng)高于平衡點(diǎn)又未增加有機(jī)物料輸入時則同平地農(nóng)田的退化相同，土壤SOM含量下降[22]。

本研究結(jié)果顯示全坡面改壟10 a后土壤SOM增加了8.4%，首先是由于該嚴(yán)重侵蝕的坡耕地在實(shí)施等高改壟措施后有效地遏制了水土流失，地表徑流系數(shù)和土壤流失量分別由改壟前的9.8%和35.2 t/hm2降為改壟后的0.48%和0.43 t/hm2[23]，已降為允許侵蝕范圍[12]；其次是由于研究區(qū)退化階段的土壤SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35～ 60 g/kg，低于30 g/kg絕大部分位于嚴(yán)重侵蝕的坡耕地 上[1]，基于國際上普遍認(rèn)可的農(nóng)田土壤有機(jī)碳平衡點(diǎn)理 論[22,24]，研究區(qū)無侵蝕農(nóng)田平衡波動SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在33～35 g/kg[1]，改壟實(shí)施前的土壤SOM含量多低于平衡點(diǎn)，故向提升的方向發(fā)展。而降低區(qū)位于坡面中上部是由于改壟時SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 g/kg，高于平衡點(diǎn)，農(nóng)田用養(yǎng)失調(diào)導(dǎo)致的退化起決定作用[20]。改壟后坡耕地地力顯著提升，根系和凋落物在土壤中留存量增加是土壤碳提升的重要來源。前人研究表明，該坡耕地土壤水分是生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素[4]，改壟后地表徑流系數(shù)僅為0.48%，年減少生育期降雨損失49.4 mm，這部分雨水補(bǔ)充到坡耕地中，作為有效水，可顯著提高作物生產(chǎn)力，改壟后大豆和玉米籽實(shí)產(chǎn)量分別由改壟前的1 335和3 750 kg/hm2提高到2 518和9 000 kg/hm2，作物根系、地上生物量和籽實(shí)產(chǎn)量密切相關(guān)，隨著產(chǎn)量成倍增加[23]，由根系和凋落物組成的年歸還土壤中的有機(jī)碳也必將成倍增加，為土壤有機(jī)質(zhì)提升提供了碳源[22]。

另外，已有的研究多報(bào)道遏制水土流失后能夠提高土壤SOM和TN含量，改善土壤質(zhì)量，提升土壤生產(chǎn)力[24-26]。本研究的結(jié)果顯示，坡耕地除上部和下部外，改壟前侵蝕最為嚴(yán)重的約占地塊面積一半的中部區(qū)域土壤TN含量未升反降。分析主要原因是實(shí)施水土保持措施后，作物產(chǎn)量成倍增加，而農(nóng)民仍按傳統(tǒng)的施肥量施用化肥，氮肥補(bǔ)給不足，尤其是玉米，氮素消耗量大，不足部分只能通過土壤有機(jī)氮庫中有機(jī)氮礦化分解的氮源彌補(bǔ)，造成土壤TN含量下降，坡耕地實(shí)施水土保持措施增加作物產(chǎn)量多有報(bào)道，而土壤TN含量下降鮮有報(bào)道[24]，該試驗(yàn)結(jié)果表明為了提高侵蝕退化農(nóng)田土壤地力，不但要實(shí)施水土保持措施，還應(yīng)適當(dāng)增補(bǔ)氮肥。

3.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對評估田塊尺度土壤質(zhì)量演變具有顯著優(yōu)勢

與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，地統(tǒng)計(jì)學(xué)具有顯著優(yōu)勢。首先，仍具有經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的基本結(jié)果，包括平均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度等。其次，半方差函數(shù)分析獲取的塊金值與基臺值比值以及變程參數(shù)，可定量化評價性狀的空間異質(zhì)性強(qiáng)度及其變化。就坡耕地而言，坡面開墾為農(nóng)田，人類農(nóng)作引發(fā)水土流失，導(dǎo)致土壤性狀空間異質(zhì)性加劇，而水土保持遏制水土流失，可能降低因侵蝕導(dǎo)致的土壤性狀空間異質(zhì)性，縮短空間自相關(guān)性距離，本研究等高改壟后，土壤SOM含量塊金值與基臺值比值由17.5%降為12.4%，空間自相關(guān)強(qiáng)度增加，變程仍為202.6 m，表明水土保持措施有降低土壤碳空間異質(zhì)性的作用；土壤TN含量塊金值與基臺值比值由23.4%增為39.6%，空間自相關(guān)強(qiáng)度由強(qiáng)烈變?yōu)橹械?，變程?02.6 m縮短為154.7 m，這與人類耕種導(dǎo)致坡耕地中部土壤TN含量下降，坡上部和坡下部含量增加有關(guān)，表明實(shí)施等高改壟后土壤TN含量的空間相關(guān)強(qiáng)度減弱，空間異質(zhì)性受人類活動影響增加。改壟前后，壟臺平均土壤含水率分別為22.3%和23.2%，壟溝分別為30.5%和30.6%，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析未發(fā)現(xiàn)差異，但地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)塊金值與基臺值的比值，壟臺由11.7%升至46.9%，壟溝由25.5%升至29.0%，由改壟前的強(qiáng)烈的空間相關(guān)變?yōu)楦膲藕蟮闹械瓤臻g相關(guān)，壟臺變程由510.7 m降低到193.2 m，壟溝的由200 m降低到2016年的71 m，表明水土保持措施增加了人類對坡耕地影響，有降低水土流失對土壤水分空間再分配的作用。此外，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法繪制的土壤性狀空間分布圖，能夠直觀反映出其空間變化，如改壟后沿壟向的土壤含水率變化，同時，通過繪制改壟前和后插值空間分布圖，可直觀地反映全坡面土壤性狀增加和降低的區(qū)域及其程度。因此地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究坡面水土保持成效更為高效的方法。

4 結(jié) 論

1）等高改壟水土保持措施可提高嚴(yán)重侵蝕坡耕地黑土SOM含量。等高改壟10 a后，土壤SOM含量增加了8.4%，以沉積最為嚴(yán)重的坡腳西側(cè)增加最多。

2）等高改壟水土保持措施降低了土壤TN含量。等高改壟10 a后，除上部和下部外，改壟前侵蝕最為嚴(yán)重的約占地塊面積一半的中部區(qū)域土壤全氮含降低了2.8%，說明為了提高侵蝕退化農(nóng)田土壤地力，不但要實(shí)施水土保持措施，還應(yīng)適當(dāng)增補(bǔ)氮肥。

3）與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相比，地統(tǒng)計(jì)學(xué)不但量化改壟前后土壤性狀的變化，還定量揭示了水土保持措施對土壤性狀空間異質(zhì)性的作用，通過繪制土壤性狀空間分布圖，可直觀看出改壟前后空間變化，從空間上揭示水土保持作用。

[1] 張興義，隋躍宇，宋春雨．農(nóng)田黑土退化過程[J]. 土壤與作物，2013，2（1）：1－6. Zhang Xingyi, Sui Yueyu, Song Chunyu. Degradation process of arable Mollisols[J]. Soil and Crop, 2013, 2(1): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[2] Pimentel D, Burgess M. Soil erosion threatens food production[J]. Agriculture, 2013, 3(3): 443－463.

[3] 水利部，中國科學(xué)院，中國工程院. 中國水土流失防治與生態(tài)安全·東北黑土區(qū)卷[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 張興義，王其存，隋躍宇，等. 黑土坡耕地土壤濕度時空演變及其與大豆產(chǎn)量空間相關(guān)性分析[J]. 土壤，2006，38（4）：410－416. Zhang Xingyi, Wang Qicun, Sui Yueyu, et al. Spatial- Temporal variation of soil moisture and its spatial correlations with soybean yield in black soil sloping farmland[J]. Soils, 2006, 38(4): 410－416. (in Chinese with English abstract)

[5] 張興義，回莉君. 水土保持綜合治理成效[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

[6] 張之一. 黑土開墾后黑土層厚度的變化[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（5）：1－3. Zhang Zhiyi. The thickness changes of ah horizon after the phaeozems cultivated[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2010, 22(5): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[7] Dunne T. Field Studies of Hillslope Flow Processes [M]//Kirkby, M J. Hillslope Hydrology. Chichester: Wiley, 1978: 227－293.

[8] 胡剛，宋慧，劉寶元，等. 黑土區(qū)基準(zhǔn)坡長和LS算法對地形因子的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（3）：166－173. Hu Gang, Song Hui, Liu Baoyuan, et al. Effects of both slope length of standard plot and algorithms of LS on calculated values of topography factor (LS) in black soil areas in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 166－173. (in Chinese with English abstract)

[9] 楊維鴿，鄭粉莉，王占禮，等. 地形對黑土區(qū)典型坡面侵蝕：沉積空間分布特征的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53（3）：572－581. Yang Weige, Zheng Fenli, Wang Zhanli, et al. Effects of topography on spatial distribution of soil erosion and deposition on hillslope in the typical of black soil region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(3): 572－581. (in Chinese with English abstract)

[10] 劉興土，閻百興. 東北黑土區(qū)水土流失與糧食安全[J]. 中國水土保持，2009（1）：17－19.

[11] Liu X B, Zhang X Y, Wang Y X, et al. Soil degradation: A problem threatening the sustainable development of agriculture in Northeast China[J]. Plant Soil and Environment, 2010, 56(2): 87－97.

[12] 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn): SL 446－2009[S]. 北京：中國水利水電出版社，2009.

[13] 張世熔，孫波，趙其國，等. 南方丘陵區(qū)不同尺度下土壤氮素含量的分布特征[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2007（5）：885－892. Zhang Shirong, Sun Bo, Zhao Qiguo, et al. Distribution characteristics of soil nitrogen at multi-scales in hilly region in south china[J]. Acta Pedologica Sinica, 2007(5): 885－892. (in Chinese with English abstract)

[14] Morgan R P C. Soil Erosion and Conservation[M]. Cornwall: Blackwell Publishing, 2005.

[15] Hudson N W. Soil Conservation[M]. London: Batsford, 1976.

[16] 方華軍，楊學(xué)明，張曉平，等. 耕作及水蝕影響下坡耕地土壤有機(jī)碳動態(tài)模擬[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2006（5）：730－735.Fang Huajun, Yang Xueming, Zhang Xiaoping, et al. Simulation on dynamics of soil organic carbon under the effect of tillage and water erosion[J]. Acta Pedologica Sinica, 2006(5): 730－735. (in Chinese with English abstract)

[17] Sun T, Chen Q, Chen Y, et al. A novel soil wetting technique for measuring wet stable aggregates[J]. Soil and Tillage Research, 2014, 141: 19－24.

[18] 肖波，王慶海，堯水紅，等. 黃土高原東北緣退耕坡地土壤養(yǎng)分和容重空間變異特征研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（3）：92－96. Xiao Bo, Wang Qinghai, Yao Shuihong, et al. Spatial variation of soil nutrients and bulk density in rehabilitated slope land on northeast of loess plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(3): 92－96. (in Chinese with English abstract)

[19] Henley S. Non-parameteric Geostatistics[M]. England: Applied Science Publishers L T D, 1981.

[20] 孟凱，劉月杰. 黑土退化階段與強(qiáng)度分析[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2008（4）：476－479，484. Meng Kai, Liu Yuejie. Analysis on retrogressive stages and intensity of terra near[J]. System Sciences and Comprehensive Studies in Agriculture, 2008(4): 476－479, 484. (in Chinese with English abstract)

[21] Kirkels F, Cammeraat L H, Kuhn N J. The fate of soil organic carbon upon erosion, transport and deposition in agricultural landscapes: A review of different concepts[J]. Geomorphology, 2014(226): 94－105.

[22] Lal R. Soil carbon dynamics in cropland and rangeland[J]. Environmental Pollution, 2002, 116(3): 353－362.

[23] 張興義，張少良，劉爽，等. 嚴(yán)重侵蝕退化黑土農(nóng)田地力快速提升技術(shù)研究[J]. 水土保持研究，2010，17（4）：1－5.Zhang Xingyi, Zhang Shaoliang, Liu Shuang, et al. Study on technique to fleetly upgrade of productivity of serious eroded black farmland[J]. Research of Soil Water Conservation, 2010, 17(4): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[24] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623－1627.

[25] Maetens W, Poesen J, Vanmaercke M. How effective are soil conservation techniques in reducing plot runoff and soil loss in Europe and the Mediterranean?[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 115(1/2): 21－36.

[26] Quine T A, Walling D E, Chakela Q K, et al. Rates and patterns of tillage and water erosion on terraces and contour strips: evidence from caesium-137 measurements[J]. Catena, 1999, 36(1/2): 115－142.

Improving mollisols organic matter content as downslope tillage replaced by contour tillage in field scale

Zhai Xingyu1,2, Zhang Xingyi2※, Li Hao2, E Lili1,2, Chen Shuai2, Zhen Huaicai1,2, Gu Siyu1

(1.,150030; 2.,,150081,)

The Mollisols degradation induced by water erosion is a big issue in the slope farmland of northeast China. Ridge direction as the same with contour line (contour tillage) could markedly decrease surface runoff and soil loss compared to downslope tillage, which was wildly applied to control soil erosion in the northeast of China. In order to identify the recovery of soil organic matter (SOM) under contour tillage, 102 soil samples were collected and measured in a 1.4 hm2and 3.8° slope farmland by standard grid method in Guangrong village, Heilongjiang province, northeast China, and the soil properties such as SOM and soil water content were measured and compared before and after 10 years of contour tillage by classic statistics (CS) and geostatistics (GS) analysis. The results showed: 1) There was no difference of soil water content before and after 10 years of contour tillage by CS analysis, while GS analysis could well reveal the spatial variation of soil properties in the field before and after ridge direction changed by Range, ratio of Nugget to Sill and spatial distribution maps. 2) The Range of soil water content decreased from 510.7 to 193.2 m, which revealed the spatial heterogeneity of soil water content decreased by contour tillage, namely the water redistribution by surface runoff declined after 10 years of contour tilleage. Meanwhile the ratio of Nugget to Sill of soil water content increased from 11.7% to 46.9% indicated that the spatial autocorrelation level changed from intense to medium. 3) The soil erosion was well controlled by contour tillage in the field with the surface runoff coefficient decreased from 9.8% to 0.48%, and annual soil loss changed from 35.2 to 0.43 t/hm2. 4) The SOM in the top soil layer of 0-20 cm was increased with 2.61 g/kg and improved by 8.4%, except for a decrease of 3.7% in a small area of the west part of the middle-upper part of the slope after 10 years of contour tillage. 5) The soil total nitrogen (TN) content in the top soil layer of 0-20 cm decreased with 0.04 g/kg and reduced by 2.8%. The TN content increased in the upper slope and foot slope, as that in most part of the middle and lower slope decreased and the area amounted to 63% of the total. Therefore, in order to improve the soil fertility of degraded farmland, water and soil conservation measures are not enough, more nitrogen fertilizer should also be added properly. This study presents important references for soil and water conservation in the Mollisols slope farmland of Northeast China.

soils; farmland; moisture; organic matter; contour tillage; Mollisols

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.020

S157.2

A

1002-6819(2018)-19-0155-07

2018-04-10

2018-08-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0504200）；國家自然科學(xué)基金（41571264）

翟星雨，主要從事黑土水土保持研究。Email：1042880447@qq.com

張興義，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事黑土水土保持研究。Email：zhangxy@iga.ac.cn

翟星雨，張興義，李 浩，鄂麗麗，陳 帥，甄懷才，谷思玉. 田塊尺度順坡壟作改等高壟作提高黑土有機(jī)質(zhì)含量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：155－161. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.020 http://www.tcsae.org

Zhai Xingyu, Zhang Xingyi, Li Hao, E Lili, Chen Shuai, Zhen Huaicai, Gu Siyu. Improving mollisols organic matter content as downslope tillage replaced by contour tillage in field scale[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 155－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.020 http://www.tcsae.org