东北黑土区是指黑土、黑钙土、栗钙土和灰色森林土的集中分布区，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省以及内蒙古自治区呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市和锡林郭勒盟（蒙东地区）^[1]，是我国重要的商品粮基地，被誉为国家粮食安全的“压舱石”。其中黑土和黑钙土集中分布区域被称为“典型黑土区”，总面积33.3万km²，耕地面积约为16.7万km²，坡度 > 0.25°的坡耕地约占耕地总面积46.4%^[1]。由于开垦过程中缺乏水土保持措施，约26%的坡耕地产生不同程度的“破皮黄”，腐殖质层厚度年均下降0.3 ~ 2.0 mm，侵蚀沟密布，土壤肥力显著降低，严重威胁黑土资源的可持续利用和国家粮食安全^[2−3]。全国水土保持规划（2015—2030年）指出，坡耕地和侵蚀沟治理是今后东北黑土区水土保持工作的重点。因此，保护现有黑土资源以及提升坡耕地地力成为黑土区亟需解决的问题^[4]，而理清坡耕地退化现状是坡耕地综合治理和改良利用的前提。

黑土分布面积约为6.05万km²，约5/6集中在黑龙江省和吉林省，蒙东地区的黑土面积仅占1/6^[1]。纵观黑土退化评价的相关研究，研究区多分布在黑龙江省和吉林省（水土保持区划二级分区属漫川漫岗区）：孙永光^[5]从风蚀、水蚀和人为扰动等方面分析了吉林省榆树市黑土退化特征，主要表现为植被覆盖度降低、腐殖质层厚度减薄、有机质含量下降、土壤通透性及养分含量降低；许文旭等^[6]以土壤厚度（腐殖质层和淋溶层）为依据诊断了吉林省东辽县杏木小流域坡耕地退化程度，土层厚度越薄，土壤理化性质和产量状况越差；张守昊等^[7]发现黑龙江省拜泉县坡耕地整体以中度退化为主，坡度和垄坡角的交互作用可能是导致退化的主要影响因素。关于蒙东黑土区（二级分区属大兴安岭东南山地丘陵区）相关研究鲜有报道。蒙东黑土区包括鄂伦春自治旗、扎兰屯和阿荣旗以及莫力达瓦达斡尔族自治旗（下文简称“莫旗”），位于山地梯级断块沉降构造向松嫩平原过渡区，处于季风区向非季风区、半湿润区向半干旱区、寒温带向温带的过渡带，各项环境因子的梯级变化幅度较大^[8−9]，因此蒙东黑土退化现状及其主导因素与其他区域可能不同^[10−11]。

笔者选取蒙东黑土区土壤侵蚀较为严重的莫旗作为典型县^[12]，其黑土分布面积广，且东西向与南北向跨度大。通过野外调查和土壤样品采集分析，摸清区域内表层土壤的基本理化性状，基于构建的蒙东黑土区坡耕地退化程度评价体系计算土壤退化指数，运用序贯高斯模拟莫旗坡耕地退化程度空间分布，分析土壤退化特征、主要形式及其主导因子。研究结果可为蒙东黑土区坡耕地退化防治提供数据支撑。

1 研究区概况

莫旗（E 123°32′55″ ~ 125°16′14″，N 48°05′10″ ~ 49°50′55″）位于松嫩典型黑土区北端，南北长约203.2 km，东西跨度125 km（图1a）。属中温带大陆性气候，多年平均气温3℃（图1b），无霜期较短（100 ~ 130 d），降雨集中在6—9月份，年均降水量为510 mm（图1c）。地势整体由西向东呈阶梯式下降（图1 d），坡度由东北向西南递增（图1e），中部和西部属低山丘陵地貌。该区总面积约1万km²，其中耕地面积约为6773 km²（2018年）。坡度 > 0.25°的坡耕地约占耕地总面积98%，其中坡度 < 5°的坡耕地约占76.5%，其次为5° ~ 8°坡耕地，比例为15.4%，> 8° ~ 15°坡耕地占5.7%（图1e）。坡耕地土壤类型包括黑土、暗棕壤、草甸土和沼泽土，以黑土和暗棕壤坡耕地面积最广，分别占耕地总面积的41%和47%（图1f，第2次全国土壤普查1∶100万土壤类型图）。作物以大豆（Glycine max）、玉米（Zea mays）、马铃薯（Solanum tuberosum）和小麦（Triticum）为主。

2 样品采集和方法 2.1 土壤样品采集及处理

于2020年10月对莫旗 > 0.25°的坡耕地退化现状展开调查。考虑土壤类型（黑土、暗棕壤）、坡度（ > 0.25° ~ 1.5°, > 1.5° ~ 3°, > 3° ~ 5°和> 5°）、垄向（横垄耕作、斜垄耕作、顺垄耕作）和坡耕地空间分布等因素，采用分层抽样的方式选择12块样地，于坡上、坡中和坡下的中心区域布设采样点（39个）（图1 d，1e和1f ）。每个坡位设置3个重复，采用土钻法测定腐殖质层厚度（黑土层厚度），即3次重复的平均值；采集表层0 ~ 20 cm原状土样和混合土样共252个，尽快带回实验室，风干后测定土壤密度、水稳性大团聚体（large water-stable aggregate，LWA）、黏粒质量分数、土壤有机质（soil organic matter, SOM）、pH和土壤阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）等^[13]。根据2020年GF-1 2 m分辨率春季影像提取样地侵蚀沟长度，计算其与样地总面积的比值作为沟壑密度；利用遥感影像和数字高程模型（digital elevation model, DEM）解译坡耕地垄向和坡向，两者的夹角（锐角）为垄坡角（图2），≥ 0° ~ 10°定义为顺垄，> 10° ~ 80°为斜垄，> 80° ~ 90°为横垄^[7]。

2.2 坡耕地退化程度空间模拟

模拟研究区坡耕地退化程度的空间分布格局，包括以下3方面的内容：

1）构建坡耕地退化程度评价指标体系。基于典型黑土区坡耕地退化评价指标全集（total index set, TIS）^[7]，结合蒙东黑土区的区域特点，在SPSS 22.0中运用平方欧氏距离法对指标进行R型聚类分析。根据研究目的选择对应的聚合水平，将评价指标分为表征土壤各方面属性的若干组别（一般分为4 ~ 6组），选择有代表性且相互独立的指标构成最小数据集（minimum data set, MDS）。

2）计算土壤退化指数。土壤退化指数（soil degradation index, SDI）是集成土壤退化程度评价指标的综合指数^[14]，属权重和隶属度的加权求和模型，阈值为0 ~ 1（式1、2和3）。按等距离法将土壤退化程度划分5级：未退化（0 ≤ SDI < 0.2）、轻度退化（0.2 ≤ SDI < 0.4）、中度退化（0.4 ≤ SDI < 0.6）、重度退化（0.6 ≤ SDI < 0.8）和剧烈退化（0.8 ≤ SDI ≤ 1）。

$ {S_{{\text{DI}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{N_i}}\text{；} $

(1)

$ {N_i} = \mu \left( {{x_i}} \right)\text{；} $

(2)

$ \mu \left({x}_{i}\right) = \left\{\begin{array}{lr}1,\text{ }{x}_{i}\ge b(\text{'}\text{S}\text{'}型函数)\text{ }或\\ \text{ }{x}_{i}\le a(反\text{'}\text{S}\text{'}型函数)\\ \dfrac{{x}_{i}-a}{b-a}(\text{'}\text{S}\text{'}型函数)\text{ }或\\ \text{ }\dfrac{{x}_{i}-b}{a-b}(反\text{'}\text{S}\text{'}型函数),\text{ }a < {x}_{i} < b\\ 0,\text{ }{x}_{i}\le a(\text{'}\text{S}\text{'}型函数)\text{ }或\\ \text{ }{x}_{i}\ge b(反\text{'}\text{S}\text{'}型函数)\end{array} \right. 。$

(3)

式中：S_DI为土壤退化指数；W_i为第i个指标的权重；N_i为第i个指标的隶属度，N_i通过函数μ（x_i）计算；$ {x}_{i} $为第i个指标的实测值；a为隶属函数阈值下限；b为隶属函数阈值上限。

以第2次全国土壤普查时研究区内肥力较高的土壤剖面数据（下简称“历史数据”）作为衡量坡耕地是否退化的标准，野外实地调查中退化最严重的采样点数据作为坡耕地退化的下限。采用Nash有效系数（E_f）和相对偏差系数（E_r）评价MDS的精确度^[15]。详细步骤见文献^[16]。

3）模拟空间分布格局。序贯高斯模拟（sequential Gaussian simulation, SGS）是广泛应用于土壤参数空间模拟的地统计方法^[17]。基于点位数据形成符合高斯模型的简单克里金模拟图层，以顺序模拟的形式对高斯随机函数进行模拟并保持全局的空间变异强度，随着分析的进行不断做出调整，在每个未采样的空间位置提供任意多个同等可能性的实现。该方法避免了克里金插值的平滑效应，使估值更接近客观事实。

基于采样点SDI值，采用SGS模拟研究区坡耕地土壤退化现状，具体步骤如下^[17]：1）定义访问每个网格节点的随机路径；2）对于每个网格节点：由相邻的初始数据和先前的模拟数据组成条件数据，利用克里金插值的均值和方差估计高斯分布的局部条件概率累积分布函数，从中随机提取一个值作为预测点的值，将其添加至条件数据集；3）重复第2步，直到最后一个网格节点。多次模拟的平均值可以提高其估值精度，因此笔者对SDI进行50、100、200和500次模拟，筛选最佳模拟效果。选取相关系数（r）、均方根误差（root-mean-square error, RMSE）和平均绝对误差（mean absolute error, MAE）作为模拟精度的评价指标，r越大，RMSE和MAE值越小精度越高，计算公式如下：

$ R_{\mathrm{MSE}}=\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(\text{y}_i-\overline{\text{y}_i})^2}{N}}\text{；} $

(4)

$ {M_{{\text{AE}}}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{y_i} - \overline {{y_i}} } \right|} }}{N}。$

(5)

式中：R_MSE 为均方根误差；N为用于模拟的样本数；y_i为测量值；$\overline {{y_i}} $为预测值；M_AE 为平均绝对误差。

2.3 数据处理

采用经典统计学方法分析各土壤参数的范围和均值，基于Spearman评价SDI与土壤参数以及土壤参数间的相关性，通过回归分析和交叉验证检验MDS与TIS的拟合度，上述操作均使用SPSS 22.0软件完成。多年平均降水、多年平均气温等气候资料来自中国气象数据网（http://data.cma.cn）。利用GS⁺ 9.0对SDI进行半方差分析，最佳拟合模型为高斯模型，符合序贯高斯模拟的前提。利用ArcGIS 10.2中克里格插值对多年平均降水、多年平均气温和SDI空间化。

3 结果与分析 3.1 土壤主要理化性质

研究区坡耕地平均坡度为4.6°，垄坡角平均值为21.8°，属小角度斜垄耕作；土壤平均腐殖质层厚度为25.83 cm，较历史数据（31 cm）下降约5 cm，最薄处为0（即流失殆尽）；SOM平均值较历史数据（56.6 g/kg）降低约20%；pH变化范围为5.3 ~ 6.5，普遍处于酸性和弱酸性，平均值与历史数据（6.1）基本持平；黏粒平均质量分数为19.37%，仅占历史数据（52.4%）的1/3；CEC较历史数据（36.4 cmol/kg）降低22%。各指标变异系数按大小依次为：沟壑密度 > 垄坡角 > 腐殖质层厚度 > 坡度 > SOM > 黏粒质量分数 > LWA > CEC > 密度 > pH（表1）。

3.2 退化程度评价指标体系构建

1）基于聚类分析的最小数据集建立。当聚合水平为14～15时，评价指标可划分为4类（图3）。沟壑密度、坡度和垄坡角为第1类，主要表征地形特征；pH值为第2类，表征土壤环境；SOM、CEC、LWA和腐殖质层厚度为第3类，表征土壤生产性能；容重和黏粒质量分数为第4类，表征质地和孔隙特征。遵循主导性和独立性原则（表2），选择SOM、腐殖质层厚度、pH、LWA、坡度和垄坡角6项指标组成MDS。基于主成分分析提取评价指标的公因子方差，各指标公因子方差占公因子方差之和的比值为指标权重（表3）。

2）MDS合理性验证。SDI-MDS与SDI-TIS的线性拟合结果表明（图4），二者呈高度线性相关，R²为0.920，E_f为0.915，E_r为0.009，即MDS的精度较高，可用于蒙东黑土区坡耕地退化程度评价。

3）不同退化程度坡耕地土壤参数特征及影响因素分析。随着垄坡角和坡度增大，土壤退化程度加剧，SOM、腐殖质层厚度和LWA含量逐渐下降（表4）。研究区坡耕地以轻度退化和中度退化为主，分别占总样点（39个）的33%（13个）和46%（18个），未退化的坡耕地仅占5%（2个），重度退化和剧烈退化的比例分别10%（4个）和5%（2个）。未退化和轻度退化主要分布在坡度小，顺垄或小角度斜垄耕作的坡耕地，腐殖质层较厚，沟蚀少；中度及以上退化程度以坡度大、沟蚀多、大角度斜垄耕作、土壤团聚性差以及腐殖质层薄为主要特点，且重度退化多出现在坡中部（图5）。此外，腐殖质层厚度对SDI的响应最敏感，地形因子中坡度与SDI的相关系数最高（P < 0.05）（表5）。

3.3 坡耕地退化程度空间分布格局

基于SDI对比分析1、50、100、200和500次SGS实现的r、MAE和RMSE，结果表明200次模拟的效果最佳（表6，图6）。研究区坡耕地退化程度整体由东北向西南逐渐加剧，SDI分布范围为0.0811−0.7998（图6 d），与坡度分布趋势基本一致（图1e）。其中，未退化和轻度退化的坡耕地占坡耕地总面积的8%和38%，土壤类型以黑土为主，地势低且平缓；中度及重度退化的坡耕地约占坡耕地总面积的45%和9%，土壤类型以暗棕壤为主，坡度变异范围较大（变异系数为51%和44%）。

4 讨论 4.1 蒙东黑土区坡耕地退化现状

研究区坡耕地退化程度的空间分布与坡度基本一致，说明坡度可能是坡耕地退化的主要影响因子。东北部黑土资源连片且集中，地势低缓，因此退化程度较轻；中部和西部的低山丘陵区由于过度开垦导致大量林地转变为耕地^[18]，形成了一种特殊现象−农林镶嵌区，遥感影像呈亮白色“补丁状”，实地调查发现此类坡耕地多为陡坡垦殖和高位种植，坡度相对较大，表土层流失导致露出心土层和大量砾石，土壤肥力低下；而且耕种前对砾石层深翻造成土层松动，加剧了水土流失。此外，研究区东北部的开垦历史晚于西南部，可能也是导致退化程度存在差异的重要原因^[19]。坡面尺度上，未退化的土壤集中分布在坡度 < 2°坡耕地的坡上和坡下部，重度退化多集中于坡中，这与王禹^[20]的研究结果一致。这可能由于顺垄和斜垄耕作无法有效拦截集中降雨时产生的径流，径流及其所裹挟的泥沙不断冲刷坡中部，长此以往形成了坡上和坡中部侵蚀和坡下部沉积的格局^[21]。

4.2 蒙东黑土区坡耕地退化的主要形式与影响因素分析

随坡度和垄坡角增大，坡耕地腐殖质层厚度减薄，侵蚀沟增多，其他土壤性质随之降低。崔文华等^[12]发现，莫旗耕地土壤侵蚀逐年加剧，侵蚀沟70%以上分布在耕地，导致可耕作土壤面积不断缩减。土壤平均黏粒质量分数比历史数据下降了约2/3，表明该区域表层土壤发生了明显的粗粒化。而黏粒质量分数与土壤退化程度无显著相关，说明虽发生了一定程度下降，但在不同退化程度的表层土壤中差别不大，不是表征土壤退化程度的敏感指标。笔者推测，研究区坡耕地土壤退化形式主要为侵蚀导致的腐殖质层流失以及坡耕地面积缩减，与张守昊等^[7]在漫川漫岗区的研究结果一致。此外，垄坡角与沟壑密度呈显著正相关，即大角度斜垄耕作会导致坡耕地沟壑密度增大，与李飞等^[22]的研究一致。坡度与垄坡角的正相关关系表明野外大田的坡度和垄向存在交互作用，即小坡度坡耕地搭配顺垄，而坡度较大的坡耕地多采用斜垄和横垄耕作。因此，在县域尺度内气候条件基本一致的前提下，坡度和垄坡角的交互作用可能是影响土壤退化和侵蚀沟形成的重要因素^[23−24]。

5 结 论

蒙东黑土区坡耕地退化程度自东北向西南逐渐递增，主要表现为侵蚀导致的腐殖质层流失和耕地面积缩减。虽然蒙东黑土区开垦年限短，但由于地形因素、起垄方式以及历史原因等因素，导致土壤侵蚀加剧，腐殖质层退化速度快，潜在退化风险较大。其中，坡度和垄坡角的交互作用影响较为突出，区域内陡坡垦殖、高位种植以及大角度斜垄耕作模式普遍存在。因此，大兴安岭东南山地丘陵区黑土坡耕地在开发利用中应重视治理与保护，坡度较大的坡耕地应尽量改为符合标准的横垄耕作，布设地埂植物带或梯田措施减少径流冲刷，尽可能削弱坡度和垄坡角的交互作用，有效控制水土流失。