流域内沟壑附近土壤功能的空间异质性：景观特征与山脊耕作方式的耦合效应

《CATENA》：Spatial heterogeneity of soil functions in the gully vicinity within a watershed: coupling effects of landscape characteristics and ridge practices

土壤功能时空异质性研究在东北黑土区某流域展开，通过复合采样分析坡位、沟谷距离和梯田方向对SP、NCP、WPR、PHB、CSCR的影响。结果表明沟谷距离主导空间格局（β=0.11），总孔隙度（34.6%）、有机质（33.1%）和脲酶活性（11.7%）是关键驱动因素，梯田方向在上下中坡位削弱沟谷距离的调节作用，空间配置协同效应解释67.25%的变异。揭示了沟谷侵蚀和梯田耕作对土壤功能的调控机制。

　　

Jianhui Zeng|Linfang Tan|Zhonglu Guo|Junguang Wang|Yujie Wei|Chongfa Cai

华中农业大学资源与环境学院，中国武汉430070

摘要

由于土壤性质的变化，土壤功能表现出空间异质性，在生物地球化学过程和生态系统服务中起着关键作用。然而，景观特征和田间管理的耦合效应尚未在流域尺度上进行系统研究。为了解决这一空白，我们在中国东北黑土区的农业流域内，对三个流域位置（上游、中游、下游）、两个方向（与垄向平行和垂直）以及从上游到下游的五个距离梯度进行了复合采样。基于17个测量的土壤性质，评估了五个关键土壤功能，包括土壤生产力（SP）、养分循环与供应（NCP）、水质净化与调节（WPR）、生物多样性栖息地提供（PHB）以及气候调节与碳封存（CSCR）。结果表明，沟壑附近的WPR和SP显示出显著的聚集特征（p < 0.01）；NCP表现出局部聚集；而CSCR和PHB则呈现随机分布。土壤总孔隙度（34.6%）、有机质含量（33.1%）和脲酶活性（11.7%）被确定为解释土壤功能空间变异的关键因素。混合效应模型显示，距离沟壑的距离是塑造土壤功能空间模式的主导因素（β = 0.11），空间配置之间的相互作用解释了其变异的67.25%。与垄向平行的方向减弱了距离沟壑的距离对上游和中游流域土壤功能的调节作用。此外，结构方程模型表明，流域位置和距离沟壑的距离通过改变土壤物理性质和生物性质来调节土壤功能。本研究强调了侵蚀沟壑和垄作实践在改变土壤功能中的重要作用。

引言

土壤健康包括良好的土壤质量和稳定的土壤功能。土壤质量定义为土壤在生态和土地利用边界内最佳发挥功能的潜力，以支持生物生产力和适当的生态系统服务，如水质净化、碳封存、养分循环和生物多样性栖息地提供（Adhikari和Hartemink，2016；Borrelli等人，2017；Bünemann等人，2018）。土壤质量评估通常关注与退化威胁或生产力变化相关的参数，但未能充分纳入生态系统服务指标（Oshri等人，2019）。通过环境指标评估土壤质量时，土壤主要表现出其功能属性（Thomas等人，2018）。如今，全球土壤功能面临严重威胁（Kooch等人，2022；Zou等人，2022）。一项元分析显示，30%的全球农业土壤退化与土地利用的空间配置不当直接相关。具体来说，土地利用和生产活动与土壤的固有条件和环境要求不兼容（Beillouin等人，2023）。土壤生产力受自然条件和人类活动的影响，并经历不同的干预措施，这些因素随后影响土壤功能（Griffin和Broos，2009）。

空间配置可以视为溪流、沟壑和水流积聚等特征的接近度和重叠程度（Casquin等人，2021）。空间配置通过改变水文连通性和物质传输路径来影响流域的功能模式（Liu等人，2025）。Zhang等人（2020）提出，沟壑的存在会损害土壤性质并加剧土壤有机碳的流失。相对于垄向的不同方向的样带显示了径流冲刷、太阳辐射暴露和风蚀强度的异质性（Zheng等人，2021）。距离沟壑的距离调节土壤含水量和氧化还原状态（Koci等人，2020）。尽管土壤性质的空间异质性已被广泛研究（Zeng等人，2024；Zhao等人，2018；Vanden等人，2021），但景观特征与土壤功能之间的尺度依赖性尚未得到充分研究。Vrebos等人（2021）和LieBig等人（2022）在不同土地利用类型中表征了土壤功能，并表明不同的土地管理实践和自然演替改变了环境条件，从而修改了土壤的水文调节能力和养分动态（Reichert等人，2022）。

在农业流域中，土壤侵蚀强度的变异性是功能差异的主要驱动因素（Zhang等人，2022a）。侵蚀强度受坡度位置（距离沟壑的距离）和流域内位置的影响（Chen等人，2022），不可避免地导致土壤功能的变化。Wang等人（2023）指出，土壤功能退化是土壤侵蚀的关键后果，不同的土壤功能对土壤侵蚀的响应存在显著差异。然而，对于农业流域内沟壑附近土壤功能的空间模式缺乏精确理解。在本研究中，引入了包括流域内位置、距离沟壑的距离以及相对于垄向的方向在内的空间配置来表示景观特征。这里的空间配置由自然因素和人为干预决定。

在土壤功能评估方法中，整合土壤物理、化学和生物性质之间相互作用的框架已被广泛用于功能评估（Schulte等人，2014）。该框架量化了五个核心功能：土壤生产力（SP）、水质净化与调节（WPR）、气候调节与碳封存（CSCR）、生物多样性栖息地提供（PHB）以及养分循环与供应（NCP）（Zwetsloot等人，2021）。黑土以其肥力和生产力而闻名，但由于集约化耕作和不当的管理措施，经历了严重的退化，表现为有机碳耗竭、结壳和酸化（Liu等人，2012a）。这一问题在中国东北尤为突出，大约1.95 × 10⁵平方公里的坡地农田正遭受土地退化（Liu等人，2012b）。普遍认为，不合理的资源分配和集约化耕作是该地区土壤退化和功能受损的主要驱动因素（Chen等人，2022）。

以往的研究主要集中在单一空间元素（坡长和坡度）对土壤性质的线性影响上（Wang等人，2021），忽略了空间配置的非线性相互作用以及直接和间接因素贡献的解耦。传统的地理统计方法无法解决配置介导的级联效应，而现有的土壤管理策略未能充分识别目标恢复的生态敏感性热点。因此，本研究旨在：（1）在不同空间配置下量化土壤性质；（2）基于土壤性质识别沟壑附近土壤功能的空间热点；（3）量化空间配置的独立和协同贡献，并阐明其相互作用机制和非线性路径。

研究区域

研究区域位于中国黑龙江省海伦市的新郑流域（47°21′0″ ～ 47°23′15″N，126°43′35″ ～ 126°45′55″E），流域总面积为5.49平方公里（图1）；海拔范围从211米到251米，地形以典型的起伏丘陵为特征。该地区具有温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年内的日温差范围为?40.3°C至37.7°C，平均

随空间配置变化的土壤性质

沿坡度位置的土壤物理化学性质存在显著变化（p < 0.05）（图2）。粉砂含量沿坡度呈单峰分布，中间坡度的含量通常最低。值得注意的是，中间坡度（MS）和下游坡度（LS）的结构稳定性指数（SSI）明显低于上游坡度（US），表明其更容易发生土壤退化。中间坡度的土壤总孔隙度相对较低，

不同空间配置下的土壤功能分布

本研究中的土壤功能空间变异显著受到流域内沟壑形成和垄作实践的影响，这与Wang等人（2023）的研究结果一致，他们表明土地利用模式对塑造土壤特性至关重要。我们的结果显示，土壤颗粒的重新分布和微地形受流域位置和垄向的影响，决定了空间差异模式。具体来说，沉积物位于

结论

本研究调查了中国东北黑土区典型农业流域内土壤功能的空间变异，并确定了关键影响因素。结果表明，沟壑附近的WPR和SP显示出显著的聚集特征（p < 0.01），NCP表现出局部聚集，而CSCR和PHB则呈现随机分布。RDA和相关性分析确定距离沟壑的距离是主要预测因子。土壤有机

CRediT作者贡献声明

Jianhui Zeng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Linfang Tan：可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理。Zhonglu Guo：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，概念化。Junguang Wang：验证，监督，资源管理，调查。Yujie Wei：验证，监督，资源管理。Chongfa Cai：验证，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Zhonglu Guo报告称获得了中华人民共和国科技部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFD1501202，2021YFD1500703）的财政支持。我们感谢匿名审稿人和编辑们的建设性建议。