东北黑土区地埂间距对土壤物理性质空间分布特征影响

The Impact of Field Ridge Spacing on the Spatial Distribution Characteristics of Soil Physical Properties in the Northeast Black Soil Region

摘要

明确不同地埂植物带间距的坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征，为东北黑土区地埂植物带及坡耕地水土保持措施的优化提供科学依据。选取修筑地埂植物带的坡耕地（地埂1为埂带间距为12.5 m；地埂2为埂带间距为19.5 m）为研究对象，以坡耕地为对照，采用空间均匀布点取样法获取表层（0～15 cm）土壤的基本物理性质指标，量化不同地埂植物带间距的坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征差异。结果表明，在坡耕地修筑地埂后，土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、田间持水量和毛管持水量均显著增加，且在整个坡面上分布相对均匀。此外，地埂1土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、田间持水量、毛管持水量是地埂2的0.96～1.11、1.21～1.31、1.03～1.25、1.22～1.78、1.33～1.52倍。地埂样地机械稳定团聚体质量分数、平均重量直径、水稳性团聚体质量分数、几何平均直径在所有4个田面都有显著性提高，是无措施坡耕地的1.01～1.15、0.94～1.61、1～1.17、1.05～1.55倍，表明修筑地埂后的坡耕地较无措施的对照样地能够有效改善土壤结构。地埂1土壤机械稳定团聚体质量分数、平均重量直径、水稳性团聚体质量分数、几何平均直径是地埂2的1.08～1.14、0.95～1.28、1.07～1.15、1.14～1.40倍。修筑地埂可以改善土壤持水能力和土壤结构特征，较小的地埂间距改善作用更为显著。

关键词

黑土区 / 地埂植物带 / 空间变化 / 土壤持水能力 / 土壤结构特征

Key words

Black soil region / ridge plant belt / spatial variation / soil water-holding capacity / soil structure characteristics

0 引言

位于松辽流域的东北黑土区主要分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古（呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市）四省（自治区），总面积达109万km²。作为我国重要的商品粮生产基地，东北黑土区玉米、大豆和粮食产量分别占全国总产量的30%、56%和25%，其商品粮供给量占全国的三分之一，是国家粮食安全的“压舱石”^[1]。然而，长期以来土地资源的过度开发利用、对水土保持工作的不够重视以及不合理的农业生产方式，加之东北黑土区地形多为漫岗漫渠地貌^[2-3]，春季多风及雨季集中在夏季，春季及冬季冻融等自然因素的影响，导致了该地区的严重土壤退化和土壤侵蚀问题^[4-6]。坡耕地成为水土流失的主要发生地，在黑土区水土流失面积中占比达到46.39%，典型黑土区的80.3%，水土流失至少导致粮食产量减少10%^[7]。如果不加以重视和改善土地质量，农业可持续发展将受到严重威胁。坡耕地是我国重要的耕地资源。长期以来，对坡耕地整治的研究得到了水保界的广泛重视^[8-10]。

地埂植物带作为一种有效的水土保持措施，具有造价低廉、保持水土效益高等优点^[11]。陈光等^[12]在东北黑土区的研究中发现，地埂植物带措施有效降低了侵蚀量，平均为130 t/（km²·a），平均保土减沙效益为95.2%。吕刚等^[13]在对坡耕地地埂植物带研究中表明，地埂植物带的保水保土效益仅次于梯田，且土壤水源涵养高于其他措施。冯洋等^[14]的研究证实，水平梯田、水保林和地埂植物带等水土保持措施均能显著提高土壤中氮、磷含量，有效控制土壤养分流失。王禹宸^[15]研究发现，黑土区埂带植物使地埂在土壤含水量、土壤容重等土壤理化状况改善，既增加地埂土壤保水能力，又提高相邻田间蓄水能力，合理改善土壤结构，增加土壤肥力。白建宏等^[16]则通过植物引进筛选，提出了东北黑土区地埂首选植物的评价模型，为地埂植物带的埂带植物选择提供了科学依据。然而，当前尚未有学者就地埂植物带地埂间距对土壤物理性质的影响进行系统研究。此外，现有研究大多仅限于评估工程措施对整体坡面的效益，地埂植物带对坡面指标空间分布的影响研究相对较少，从而缺乏对整体坡面各位置指标变化的系统考量，而这方面的深入探讨对于地埂的科学合理铺设至关重要。

因此，本研究选取修筑地埂植物带的坡耕地作为研究对象，采用空间均匀布点取样法获取表层（0~15 cm）土壤的基本物理性质指标，旨在明确不同地埂植物带间距下坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征，并量化分析不同地埂植物带间距对坡耕地土壤的空间分布差异。本研究的成果将为东北黑土区地埂植物带及坡耕地水土保持措施的优化提供科学依据。

1 研究区与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于黑龙江省西北部的克拜地区，地处世界三大黑土带之一的松嫩平原腹地，地理坐标为48°03'15″~48°03'16″N，125°49'47″~125°50'01″E和47°37'39″~47°37'44″N，126°10'13″~126°10'30″E，研究区域为漫岗丘陵地带地貌，研究区土地利用类型主要为坡耕地，土壤类型以黑土为主，属黑龙江省生态示范区。地处寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥，春旱风大，夏短多雨，秋季早霜，四季温差较大，年平均气温1.2 ℃，年平均降水量488.2 mm，年无霜期122 d，日照2 730 h。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

本研究在黑龙江省西北部的克拜地区三块样块采集样品，选取不同地埂间距的地埂植物带样地（地埂1为地埂间距为12.5 m、地埂2为地埂间距为19.5 m）作为研究对象，与研究对象坡向、坡度和面积等条件相似的无措施坡耕地作为对照样地。3块样地均种植大豆，土质地埂埂带植被均为胡枝子。坡面基本特征见表1。

1.2.2 样品采集

试验于2022年8月10日至17日进行野外采样，在3块样地中，每块样地均采用空间均匀布点法设置40 个采样点，每个样点采集环刀（体积100 cm³）1个、铝盒1个、原状土样品2 kg。其中环刀用于测定总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、饱和持水量以及毛管持水量，原状土样品用于土壤水稳性团聚体质量分数测定。

1.3 指标测定及方法

采用环刀法^[17]测定总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、饱和持水量与毛管持水量；采用干筛法^[17]计算出各级机械稳定团聚体占土样总量的百分率。采用湿筛法^[17]测定土壤水稳性团聚体质量分数，按照土壤团聚体粒径（d）分为>5、5~2、2~1、1~0.5、0.5~0.25、<0.25 mm。

水稳性团聚体质量分数：d>0.25 mm的土壤团聚体质量分数为水稳性团聚体质量分数（W_{> 0.25}），计算公式为

W_{>\mathrm{0.25}} = \frac{M_i}{M_{\mathrm{0.25}}} \times \mathrm{100}。

式中：W _>0.25表示＞0.25 mm水稳性团聚体质量分数，%； M_i 表示i粒级水稳性团聚体质量，g；M _0.25表示>0.25 mm水稳性团聚体总质量，g。

平均重量直径（MWD，式中记为M _WD）：用来表征土壤水稳性团聚体的结构特征与稳定性，其计算公式为

M_{\mathrm{W}\mathrm{D}} = {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n} W_i{X}_i。

式中：W_i 表示第i粒级的土壤团聚体质量百分数，%； X_i 表示相邻两级土壤团聚体的平均粒径，mm；n代表土壤样品经过筛分后被划分的粒径区间的数量。

几何平均直径（GMD，式中记为G _MD）：用来表征土壤水稳性团聚体的结构特征与稳定性，其计算公式为

G_{\mathrm{M}\mathrm{D}} = \mathrm{e} \mathrm{x} \mathrm{p} \left[\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(W_i\mathrm{l}\mathrm{n}{X}_i)}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i}\right]。

式中，lnX_i 表示第i粒级的土壤粒级平均直径的自然对数。

1.4 数据处理

将每个地块分为4个田面（两条相邻的梗带与地块边界围成区域为田面，按照坡面位置从高至低分为田面1、田面2、田面3、田面4）分别进行比较分析，用Excel对数据进行基本计算，利用SPSS进行显著性差异分析，Origin绘制柱状图，ArcMap 10.8软件绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤孔隙度的空间分布变化特征

地埂1、地埂2及对照样地的总孔隙度如图1所示。对于田面1，地埂1的总孔隙度较对照样地能显著提高19.1%（P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异（P>0.05）。对于田面2，地埂1的总孔隙度较对照处理能显著提高18.2%（P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异（P>0.05）。对于田面3，各处理的总孔隙度均无显著性差异（P>0.05）。对于田面4，地埂1及地埂2的总孔隙度较对照样地均显著性降低13%、19% （P<0.05），而地埂1和对照样地无显著差异（P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的毛管孔隙度如图2所示。对于田面1和田面2，地埂1的毛管孔隙度较地埂2和对照样地均能显著提高25.6%和37.7%、20.9%和23.9%（P<0.05），而地埂2和对照处理无显著差异（P>0.05）。对于田面3，地埂1的毛管孔隙度较对照样地有显著提高10.2%（P<0.05），地埂2和对照处理无显著差异（P>0.05）。对于田面4，地埂1的毛管孔隙度较地埂2能显著提高30.7%（P<0.05），地埂2的毛管孔隙度较对照样地显著降低26.7%（P<0.05），而地埂1和对照样地无显著差异（P>0.05）。

2.2 土壤持水量的空间变化特征

地埂1、地埂2及对照样地的毛管持水量如图3所示。对于田面1、田面2、田面3，地埂1的毛管持水量较地埂2和对照样地均能显著提高40.6%和62.5%、33.5%和51.1%、32.5%和24.6%（P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异 （P>0.05）。对于田面4，地埂1的毛管持水量较地埂2能显著提高52% （P<0.05），地埂2的毛管持水量较对照样地显著降低33%（P<0.05），而地埂1和对照样地无显著差异（P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的饱和持水量如图4所示。对于田面1，地埂1的饱和持水量较地埂2和对照样地均能显著提高24.9%和40.2%（P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异（P>0.05）。对于田面2，地埂1和地埂2的饱和持水量较对照样地均能显著提高44.5%和32.9（P<0.05），而地埂1和地埂2无显著差异（P>0.05）。对于田面3，各处理的饱和持水量均无显著性差异（P>0.05）。对于田面4，地埂1的饱和持水量较地埂2显著提高25.3%（P<0.05），地埂2的饱和持水量较对照样地显著降低26%（P<0.05），而地埂1和对照样地无显著差异（P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的田间持水量如图5所示。对于田面1、田面2，地埂1和地埂2的田间持水量较对照样地均能显著提高80.1%和47.2%、58.9%和17.4%（P<0.05），而地埂1较地埂2也显著提升24.9%、8.7%（P<0.05）。对于田面3，地埂1的田间持水量较地埂2和对照样地均能显著提高44.3%、18.7%（P<0.05），地埂2较对照样地显著降低17.8%（P<0.05）。对于田面4，地埂1和地埂2较对照样地显著性降低10.6%、49.6%（P<0.05），地埂1较地埂2显著提高77.5%（P<0.05）。

2.3 土壤团聚体稳定性空间变化特征

地埂1、地埂2及对照样地的机械稳定团聚体质量分数如图6所示。对于田面1和田面4，地埂1和地埂2的机械稳定团聚体质量分数较对照样地均能显著提高12.2%和3.2%、12.9%和4.5%（P<0.05），而地埂1较地埂2也显著提高8.7%、8.1%（P<0.05）。对于田面2和田面3，地埂1的机械稳定团聚体质量分数较地埂2和对照样地均能显著提高13.6%和14.5%、11.2%和11.3%（P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异 （P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的水稳性团聚体质量分数如图7所示。对于田面1和田面4，地埂1和地埂2的水稳性团聚体质量分数较对照样地均能显著提高13.4%和6.2%、16.9%和5.9%（P<0.05），而地埂1较地埂2显著提高6.8%、10.5%（P<0.05）。对于田面2和田面3，地埂1的水稳性团聚体质量分数较地埂2和对照样地均能显著提高14.5%和14.4%、11.3%和13.6% （P<0.05），而地埂2和对照样地无显著差异（P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的MWD如图8所示。对于田面1，地埂1和地埂2和对照样地的MWD无显著差异（P>0.05）。对于田面2和田面3，地埂1的MWD较对照样地能显著提高19.3%、47.4%（P<0.05），而地埂2的MWD较对照样地无显著差异（P>0.05）。对于田面4，地埂1和地埂2的MWD较对照样地均显著提高53.8%、61.6%（P<0.05），而地埂1和地埂2无显著差异（P>0.05）。

地埂1、地埂2及对照样地的GMD如图9所示。对于田面1、田面2、田面3，地埂1的GMD较地埂2和对照样地均显著提升30.9%和37.3%、39.9%和51.3%、23.7%和40.6%（P<0.05），地埂2较对照样地无显著差异（P>0.05）。对于田面4，地埂1和地埂2的GMD较对照样地均显著提高55.3%、36.3%（P<0.05），且地埂1较地埂2有显著提升13.9%（P<0.05）。

3 讨论

3.1 地埂间距对土壤持水能力的影响

本研究采用了多种指标来评估土壤的持水能力，包括总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、田间持水量和毛管持水量。本研究结果表明，相较于未进行地埂修建的对照样地，修筑地埂的坡耕地能够显著改善土壤的持水能力。这一结论得到了魏思雨等^[18]的研究结果的支持，其研究发现修筑地埂植物篱的坡面土壤孔隙度和含水量都有显著提高。这表明，修筑地埂可以改善土壤的通气性、渗透能力以及蓄水保肥能力^[19]。另外，在金万鹏^[20]的研究中，地埂植物带对于拦蓄径流和保护土壤肥力方面起到了至关重要的作用。

本研究还观察到了地埂间距对土壤持水能力的影响。结果显示，地埂1（地埂间距为12.5 m）比地埂2（地埂间距为19.5 m）具有更强的土壤持水能力。这是因为地埂植物带通过缩短坡长、调蓄径流等措施，提高了土壤的持水能力。这一发现得到了贾燕锋等^[21]和赵梅等^[22]的研究结果的印证。在相同的坡耕地面积条件下，随着地埂间距的减小，地埂间的坡长也随之减小，减少了坡面径流量和土壤流失量，从而增加了土壤的水分持水能力。这一观点也得到了Zougmoré等^[23]、Demissie等^[24]的研究结果的支持。此外，Chen等^[25]的研究也表明，缩小梯田间距同样可以增强土壤的持水能力。

在本研究中，地埂样地中最低田面的总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、饱和持水量和田间持水量指标均低于对照样地。这可能是因为在无地埂措施的坡耕地中，坡上为侵蚀区域，而坡下则为沉积区域。在土壤侵蚀沉积过程中，沉积区的含水量显著增加，这一发现与杜兰兰等^[26]张发民等^[27]的研究结果相一致。通过修筑地埂将坡面划分为多个田面，有助于实现水分的均匀分布。尽管最低的田面位于相对的沉积区，但与坡耕地对应的区域相比，该田面的含分量仍然较低。然而，值得注意的是，地形和土壤特性可能仍然对特定位置的田面含水量产生影响，这表明地埂修建虽然能够提高整体水分的均匀性，但局部水分状况仍受多种因素影响。

3.2 地埂间距对土壤结构特征的影响

本研究用土壤机械稳定团聚体质量分数、土壤水稳性团聚体质量分数、平均重量直径、几何平均直径指标来表征土壤结构特征。土壤机械稳定团聚结构与土壤稳定性密切相关，在一定程度上反映土壤抗侵蚀能力，土壤机械稳定团聚体质量分数越高，抗蚀性越好^[28]。团聚体平均重量直径、几何平均直径可较好地表现土壤水稳性团聚体结构稳定性的好坏，平均重量直径、几何平均直径越大，团聚体结构越稳定。本研究发现，地埂样地机械稳定团聚体质量分数是对照样地的1.01~1.15倍；地埂样地平均重量直径是对照样地的0.94~1.61倍；地埂样地水稳性团聚体质量分数是对照样地的1~1.17倍，这表明修筑地埂后的坡耕地较无措施的对照样地能够有效改善土壤结构。与赵赛东^[29]研究结果一致，实施地埂植物带的坡耕地在机械稳定团聚体、平均重量直径、水稳性团聚体质量分数均高于对照4.17%、11.9%、5.539%。这可能是埂带植物的种植作物不同以及地埂年限不同导致的，而且赵赛东^[29]的研究是在径流小区内进行试验观察，本研究是在野外进行采样分析的。金万鹏^[20]研究表明地埂土坎的作用以及植物篱根系疏水拦截泥沙的作用，使得土壤分形维数降低，土壤结构改良。

本研究发现，在地埂1（地埂间距为12.5 m）比地埂2（地埂间距为19.5 m）土壤结构表现更佳。这一发现得益于修筑水土保持措施后，微小地形得到改变，坡长减小，进而降低了水流速度，减少了水流对土壤的侵蚀作用^[30]。在土壤侵蚀过程中，侵蚀不仅会带走表土，还会带走土壤中的养分，破坏土壤结构^[31-32]。另外，土壤侵蚀还会导致土壤中的平均重量直径下降，进而造成土壤结构的恶化^[33]。在相同的坡耕地面积条件下，随着地埂间距的减小，地埂间的坡长也随之减小，因此，地埂1相较于地埂2，受到的土壤侵蚀影响更小，有助于保护土壤结构。

4 结论

为明确不同地埂植物带间距的坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征，研究选取修筑地埂植物带的坡耕地（地埂1为埂带间距为12.5 m；地埂2为埂带间距为19.5 m）为研究对象，以坡耕地为对照，采用空间均匀布点取样法获取表层（0~15 cm）土壤的基本物理性质指标，量化不同地埂植物带间距的坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征差异。结果如下。

1）在坡耕地修筑地埂后，土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、田间持水量和毛管持水量均显著增加，且在整个坡面上分布相对均匀。此外，地埂1土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、田间持水量和毛管持水量是地埂2的0.96~1.11、1.21~1.31、1.03~1.25、1.22~1.78、1.33~1.52倍。

2）地埂样地机械稳定团聚体质量分数、平均重量直径、水稳性团聚体质量分数、几何平均直径在所有

4个田面都有显著性提高，是无措施坡耕地的1.01~1.15、0.94~1.61、1~1.17、1.05~1.55倍，这表明修筑地埂后的坡耕地较无措施的对照样地能够有效改善土壤结构。此外，地埂1土壤机械稳定团聚体质量分数、平均重量直径、水稳性团聚体质量分数、几何平均直径是地埂2的1.08~1.14、0.95~1.28、1.07~1.15、1.14~1.40倍。

3）综上，修筑地埂可以改善土壤持水能力和土壤结构特征，在本研究中较小的地埂间距改善作用更为显著，为东北黑土区地埂植物带及坡耕地水土保持措施的优化提供科学依据，后续可探究梯田间距对土壤理化性质的影响等。

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基金资助

“十四五”国家重点研发计划项目(2021YFD1500705)