东北黑土区作为我国粮食主产区之一，正面临严重的土壤退化风险，尤以土壤侵蚀危害为甚。坡耕地因其不具备长期稳定的植被覆盖，物种结构单一、定期翻耕使得团聚体难以形成等特点^[1]，成为土壤侵蚀的重灾区^[2]。近些年黑土区坡耕地侵蚀主要表现为土层“变薄”^[3]、土壤“变硬”^[4]、侵蚀沟密度增大^[5]，有研究表明在长年累月的垦荒耕作和不合理的土地利用模式下，黑土层厚度正从开垦初期的70 cm均值骤减至40 cm以下^[6]，局部地区更是只有20 cm^[7]；土壤容重也从垦荒前的0.8~1 g/cm³到1.0~1.1 g/cm³(1982年)，再到近些年来普遍的1.25~1.3 g/cm^3[8]；耕作区内的侵蚀沟密度与烈度也呈上升态势^[9]。这些现象导致耕作区土壤质地趋于黏重化，土壤的存蓄降水能力下降，并反过来加剧侵蚀沟道的形成，形成恶性循环。而引发这一现象的原因除了人类活动影响之外，也与东北降雨的季节性分布有关，每年7—8月的雨季正是黑土区水土流失的高发期^[10]。降雨初期的雨滴溅蚀迫使表层土壤颗粒松动位移，细小颗粒堵塞土壤空隙，降低土壤入渗能力，加速地表径流生成，但这一时期的水土流失量并不大^[11-12]。而一旦降雨量超过植被林冠截流、填洼及土壤饱和持水量，或降雨强度超过土壤入渗速率时，地表径流随之产生，这时径流一方面对沿途的土壤施加剪切应力，不断剥离土壤使之位移，另一方面早期溅蚀、冻融等作用下的松动土壤颗粒也随之被冲蚀，周而复始，直至降雨结束，使得这一时期水土流失量大幅上升。因此土壤蓄水性能在防控水土流失中的作用至关重要，它包括降雨入渗性能和土壤自身持水、贮水性能^[13]。土壤入渗可以减小地表径流的产生^[14]，不同的土壤持水性也影响坡面径流的形成^[15-16]。而土壤粒径分布(PSD)作为土壤物理性质的基础特征，能直观反映土壤紧实度^[17]、结构^[18]和抗蚀性特征^[19]，对我们定量描述土壤状态具有重要参考价值。目前，针对黑土区不同侵蚀程度土壤的蓄水性能研究还较少。因此，本文以不同发育程度侵蚀沟为研究对象，通过定量描述0—40 cm层的土壤持水性特征及粒径分布，系统阐述侵蚀作用对表层土壤的影响，为黑土区土壤资源合理运用提供基础数据，为区域水土流失治理工作开展提供理论支持。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省哈尔滨市延寿县双安村(东经128.22′47″，北纬45.39′12″)，属寒温带大陆性季风气候，年均相对湿度73%，年均气温2.3 ℃，年均降水量571.7 mm，其中70%以上集中在7—8月。海拔为145~300 m，地处小兴安岭余脉与松嫩平原的过渡带，为典型的漫川漫岗和低丘的地形，坡度较小，多在3°~8°区间内，坡面较长，多为0.5~1 km^[20]，汇水面积大，径流冲刷能力较强。表层土质为黑土，腐殖质含量高，孔隙度高，土质疏松。底层成土母质为第四纪黄土状亚土。采样区作为缓坡耕地，主要种植一年一熟的玉米，春季翻耕深度为20~25 cm。

1.2 研究区数据获取

为确保试验中各条切沟的地质变量趋近，减少外部环境的扰动，本研究参照Randolph等^[21]人对流域空间尺度的界定，将各切沟选址范围限定在小流域级内(0.13~1.3 km²)。通过Google Earth地球影像初步筛选研究区域，结合历史影像推算域内沟道发育时间和年均侵蚀量后，确认符合试验需求的场地为“延寿县双安村双奎河样区”。通过现场无人机进行测绘并建立DEM模型(无人机为大疆精灵4 RTK，DEM模型精度为0.1 m)，确认模型与卫星图像无差异后(卫星为Sentinel-1，DEM精度为12.5 m)，利用GIS和Sketch Up软件绘制鸟瞰图。

1.3 野外土样采集

本次土样采集时间为2021年5月1日，依照《黑龙江省侵蚀沟分级与分类(DB23/T2412)》分类标准，结合侵蚀沟长度、深度、占地面积、近3 a的年均侵蚀量为判定标准，在研究区1 km²内选择4条具有代表性的小型侵蚀沟作为研究对象，分别设为A₁，A₂，A₃，A₄(见图 1)。在各沟道在沟头段的布设3个采集部位(左右沟坡、沟底集水区)，每个部位上设0.5 m×0.5 m的采样区，并沿单侧对角线分设3个采集点，其中沟坡采集点设于坡面上端，采集时垂直于坡面；沟底集水区的采集点采样前用刮刀去除3 cm浮土以避免样品掺杂上游冲刷下的泥沙。另在受春耕影响较小的距离A₂，A₃沟道右侧5 m的坡耕平地上设2处采集点，设为空白对照CK，共计28个采样点。每个采集点采样前拂去表面大块有机质后，以地表为基，用机械分层法垂直向下分别采集0—20 cm和20—40 cm两个土层的土样，其基本情况详见表 1。

1.4 样品分析

完成试验数据采集后，利用SPSS 25，Excel 2020等软件对原始数据进行描述性、回归等分析，其计算方式为：

(1) 土壤蓄水量。土壤蓄水量计算公式为：

$ W_a=\int_0^H \theta(H) {\mathrm{d}} H $

(1)

式中：W_a=地表以下H深度土层的土壤蓄水量(mm); θ(H)=地表以下H深度土层的土壤含水量。

(2) 土壤库容特征。土壤库容是土壤对其内外部水分蓄、运、保、调的能力的统称，通常与土壤类型、结构、机械组成构成和地下水埋深等关系密切^[22]。各类库容计算公式为^[23]：

$ 总库容=0.1 \sum\limits_{i=1}^n\left(S_i \times r_i \times H_i\right) $

(2)

$ 死库容=0.1 \sum\limits_{i=1}^n\left({\mathrm{Wl}}_i \times r_i \times H_i\right) $

(3)

$ 兴利库容=0.1 \sum\limits_{i=1}^n\left[\left(C_i-{\mathrm{Wl}}_i\right) \times r_i \times H_i\right] $

(4)

$ 滞洪库容=0.1 \sum\limits_{i=1}^{i=h}\left[\left(S_i-C_i\right) \times r_i \times H_i\right] $

(5)

$ 最大有效库容=总库容-死库容 $

(6)

$ 有效水分=田间持水量-凋萎持水量 $

(7)

式中：Wl=凋萎持水量(%); r=容重(g/cm³); n=土壤层次, 本次取1; C=田间持水量(%); S=饱和持水量(%)。

(3) 土壤贮水特征。

土壤饱和贮水量=最大吸持贮水量+最大滞留水量；

最大吸持贮水量=毛管孔隙度×土层厚度(cm)；

$ 最大滞留水量=\\非毛管孔隙度×土层厚度({\rm{cm}})^{[24]}。$

(8)

(4) 土壤退化特征分析。Adejuwon等人^[25]提出的土壤退化指数(SDI)可以定量地反映土壤退化和改善程度，试样土壤退化程度可用土壤物理性质指标所反映。变异系数(C_v)可反映土壤退化特征的空间变异性及敏感性，系数越大，说明评价土壤退化特征的指标差异性越敏感^[26]。计算公式为：

$ {\mathrm{SDI}}=\frac{1}{n} \times \sum\limits_{i=1}^n \frac{x_{i j}-x_{c j}}{x_{c j}} \times 100 \% $

(9)

式中：SDI=土壤退化指数；n=纳入计算的指标值；x_ij=第i个侵蚀程度第j个土壤物理指标值；x_cj=第j个物理指标的对照值。本研究中以CK的土壤理化指标值作为对照组, A₁, A₂, A₃, A₄为不同侵蚀程度的试样组, 若SDI＞0, 则说明土壤质量有所改善, 若SDI＜0, 则土壤质量有所退化, 数值越小, 退化越严重。

Norm值是指标通过主成分分析，在其成分组成的多维空间中矢量常模的长度，长度越长，该指标的综合载荷越大，释义综合信息能力的能力越强^[27]。Norm值计算公式为：

$ N_{i k}=\sqrt{\sum\limits_{i=1}^k\left(u^2 \cdot \lambda_k\right)} $

(10)

式中：N_ik是第i个指标在特征值≥1的前k个主成分上的综合载荷; u_ik是第i个指标在第k个主成分上的载荷; λ_k是第k个主成分的特征值。

2 结果与分析 2.1 不同发育程度侵蚀沟的土壤容重变化特征

由图 2可知，容重在0—20 cm层的A₁—A₄较CK分别上升了3.49%，1.81%，2.53%和2.45%，在20—40 cm层分别上升0.46%，0.68%，1.75%和1.29%，侵蚀沟发育对容重变化影响不显著，各沟道土层间容重总体表现为：0—20 cm＜20—40 cm且差异极显著(p＜0.01)，土壤容重随土层加深逐渐增大，呈上虚下实的剖面构成。据表 4灰度关联分析结果可知，土层加深对容重变化的关联度为0.951，是容重变化的最大影响因素，表层黑土(0—20 cm)和下层黄土状亚黏土(20—40 cm)的剖面差异是造成土壤物理性质差异的主要原因。沟道发育的关联度为0.650，侵蚀沟发育使沟道土壤裸露出不同层的剖面及构型，是容重变化的次要原因。

2.2 不同发育程度侵蚀沟的土壤持水性特征

由表 2可见，在0—20 cm层，各沟道间总库容、死库容、兴利库容、最大有效库容差异显著(p＜0.05)，A₄较CK的兴利库容降幅和C_v值均最大，分别为45.55%和57.68%，且与总库容、最大有效库容变化趋势基本一致；而滞洪库容、死库容降幅波动小，均值分别为6.87%和8.33%，可见侵蚀沟发育对土壤有效水分影响显著，对土壤削减径流能力和无效水分影响较小。不同深度间的总库容、死库容、兴利库容、最大有效库容差异显著(p＜0.05)，随着土层加深，土壤持水性下降。多元回归线性分析表明(表 3)，土层加深对总库容、死库容、最大有效库容变化的Beta值分别为0.262，0.248和0.259，且差异性显著(p＜0.05)，是造成土壤持水性变化的主要原因。在0—20 cm层，A₁—A₄的饱和含水量在20.46%~30.31%间，田间含水量在10.56%~22.17%间，凋萎含水量在3.39%~4.79%间，存蓄降水可被农作物有效利用率为44.79%，而20—40 cm层为41.87%，随着土层加深，土壤有效水分下降。

2.3 不同发育程度侵蚀沟土壤贮水性特征

由图 3可知，最大吸持贮水量与最大滞留水量间差距明显，各层最大吸持贮水量占饱和贮水量均为90%左右。不同深度间最大吸持贮水量在0—20 cm层A₁—A₄较CK分别下降-1.17%，0.38%，5.06%和1.00%，在20—40 cm层分别下降-0.04%，1.15%，5.31%和1.87%，各层降幅均值分别为0.82%和2.07%，侵蚀沟发育对土壤贮水性影响较小。最大滞留水量在0—20 cm层A₁—A₄较CK分别下降16.53%，15.52%，-15.43%和35.23%，在20—40 cm层分别上升3.51%，5.98%，36.38%，5.47%。二者在各沟道土层间总体平均值均呈0—20 cm＞20—40 cm差异性显著(p＜0.05)。灰色关联分析表明(表 4)，侵蚀沟的发育和土层加深对最大吸持贮水量变化灰色关联度分别为0.605和0.932，最大滞留水量关联度为0.651和0.776，土层加深是造成最大吸持贮水量和最大滞留水量变化的主要原因。土层贮水量随土层加深逐渐减小。

2.4 不同发育程度侵蚀沟的土壤入渗性特征

由图 4可知，入渗试验中入渗速率特征变化总体呈：初始入渗速率(8.48±8.05 mm/min)＞30 min入渗速率(5.83±5.61 mm/min)＞稳定入渗速率(5.24±5.19 mm/min)，随入渗时间增加，土壤间空隙逐渐被壤中流填满，致使入渗速率下降并趋于稳定。3者在发育程度更深的沟道A₂—A₄土层间总体平均值均呈：0—20 cm＞20—40 cm且差异显著(p＜0.05)，土壤剖面差异使得入渗性能存在差异，随着土层的加深，土壤入渗性能下降。在20—40 cm层，A₁—A₄的初始、30 min、稳定入渗速率分别在14.97~3.64 mm/min，12.48~2.22 mm/min和12.55~1.96 mm/min间，三者均呈：CK＞A₁＞A₄＞A₂＞A₃，呈先下降，后上升趋势，随着侵蚀沟的发育，土壤入渗性呈先下降，后上升趋势。

2.5 不同发育程度侵蚀沟的土壤机械组成特征

由图 5可知，在0—20 cm层，原本质地为壤土的CK受到侵蚀作用后发展成为A₁—A₄的黏壤土，其中A₁—A₄的砂粒所占比例在35.59%~39.69%间，各沟道间呈：CK＞A₄＞A₃＞A₂＞A₁，呈先减小，后增大趋势；粉粒所占比例在27.50%~30.14%间，表现为：CK＞A₁＞A₂＞A₃＞A₄，变化平缓且呈递减趋势；黏粒所占比例在21.92%~24.12%间，表现为：A₁＞A₃＞A₂＞A₄＞CK。砂粒所占比例的上升通常伴随着粉粒、黏粒所占比例的下降，这可能是沟头段受径流冲蚀影响，在侵蚀发育过程中粒径变化主要以细小颗粒的机械搬运为主，发育过程呈“粗骨化”趋势。而砂粒和粉粒所占比例在20—40 cm层变化不规律，黏粒所占比例则在24.25%~27.36%间，表现为：A₂＞A₁＞A₃＞A₄＞CK。黏粒所占比例在不同沟道间均呈：20—40 cm＞0—20 cm，且差异显著(p＜0.05)，土壤颗粒随土层加深逐渐变细；黏粒所占比例在0—20 cm与20—40 cm层时均呈先增大，后减小的趋势且差异性显著(p＜0.05)，这可能是早期侵蚀中颗粒被径流冲刷崩解、风化形成更小颗粒，而后被径流搬运的结果。多元线性回归分析表明(表 5)，侵蚀沟的发育对黏粒所占比例变化的Beta值为0.257且显著，土层加深为0.163，但不显著，因此侵蚀沟的发育是黏粒含量变化的主要原因。

2.6 供试土壤退化特征

由表 6可知，兴利库容、最大有效库容、最大滞留水量、初始入渗速率、30 min入渗速率、稳定入渗速率为中敏感指标(40%~100%)，是土壤退化发生的主要指标；总库容、死库容、滞洪库容、砂粒比例、粉粒比例、黏粒比例为低敏感指标(10%~40%)，是土壤退化发生的稳定因素；此外土壤容重、最大吸持贮水量敏感度低(＜10%)，而在坡耕地土壤质量评价中，可定量评价土壤质量时选择中度敏感指标^[28-29]。K-S检验表明，总库容、死库容、兴利库容、滞洪库容、最大有效库容、最大滞留水量、砂粒比例、黏粒比例符合正态分布(p＞0.05)，其中砂粒比例Norm值(1.20)偏低不选用。剩余7项土壤物理指标可作为土壤退化指数的计算指标。由图 6可知，在0—40 cm土层中，不同侵蚀程度沟道土壤退化指数变化特征呈：A₁(0.79%)＞A₂(-1.24%)＞A₃(-5.77%)＞A₄(-9.08%)且差异显著(p＜0.05)，呈先上升后下降趋势。在0—20 cm层中，表现为：A₁(-3.24%)＞A₂(-4.95%)＞A₃(-6.78%)＞A₄(-13.26%)且差异显著(p＜0.05)，呈递减趋势，A₄退化最为严重。侵蚀作用主要影响0—20 cm层表土层，随侵蚀沟的发育，0—20 cm层土壤退化程度加剧。在20—40 cm层土壤退化不明显。

3 结论

(1) 不同深度处土壤容重、最大吸持贮水量、最大滞留水量差异显著(p＜0.05)，土层加深对3者的灰色关联度分别为0.951，0.932和0.776，容重、贮水特征变化主要是侵蚀沟裸露出不同土壤剖面及构型所造成。随着土壤加深，土壤容重增大，贮水量逐渐减少。各层最大吸持贮水量占饱和贮水量均约90%。

(2) 侵蚀沟发育对土壤有效水分影响显著，对土壤削减径流能力和无效水分影响较小。不同深度间的总库容、死库容、最大有效库容差异显著(p＜0.05)，土层加深对3者变化的Beta值分别为0.262，0.248和0.259且显著，是造成土壤持水性变化的主要原因。各层有效水分利用率分别为44.79%和41.87%。随着土层加深，土壤持水性、有效水分下降。

(3) 入渗特征总体表现为：初始入渗速率＞30 min入渗速率＞稳定入渗速率，3者在不同沟道A₂—A₄间随土层的加深，入渗性能下降。在20—40 cm层A₁—A₄的入渗特征均呈：CK＞A₁＞A₂＞A₃＞A₄，呈下降，后上升趋势，随着侵蚀沟的发育，土壤入渗性先下降后上升。

(4) 随着侵蚀沟的发育，砂粒比例在0—20 cm层先减小，后增大，呈粗骨化趋势；黏粒比例在0—40 cm层呈先增大，后减小趋势；侵蚀沟的发育对黏粒比例变化的Beta值为0.257且显著，是黏粒含量变化的主要原因。

(5) 土壤退化指数在0—20 cm层呈：A₁＞A₂＞A₃＞A₄，随侵蚀沟的发育，土壤退化程度加剧，A₄土壤退化最为严重。