林帶對(duì)黑土坡耕地土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響1)

譚凱亮 蘇遠(yuǎn)航 劉濱輝

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤團(tuán)聚體是土壤肥力的重要載體，也是土壤結(jié)構(gòu)的基本功能單元[1]。土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小影響著土壤徑流、蓄水滲透的強(qiáng)弱，同時(shí)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性則反映了土壤抗蝕、抗沖能力的大小[2]。當(dāng)坡面發(fā)生侵蝕時(shí)，在風(fēng)力、水力以及重力的作用下土壤顆粒會(huì)發(fā)生遷移，進(jìn)而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體重新分布[3]。因此，探究坡面土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性的分布特征，有助于了解坡面土壤侵蝕的發(fā)生條件與強(qiáng)度，對(duì)于坡面水土流失的科學(xué)防控具有重要意義。

東北黑土區(qū)在國(guó)家糧食安全中發(fā)揮著“壓倉(cāng)石”和“穩(wěn)壓器”的作用，但同時(shí)也是我國(guó)土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性最大的地區(qū)[4]。長(zhǎng)期以來(lái)，為了有效治理嚴(yán)重的水土流失，針對(duì)黑土區(qū)坡耕地開(kāi)展了大量的生物、耕作和工程措施的理論研究與實(shí)踐工作，其中農(nóng)田防護(hù)林體系在黑土區(qū)應(yīng)用最為廣泛，但以往的研究中，學(xué)者們多關(guān)注的是防護(hù)林帶的建設(shè)及更新[5-7]、調(diào)節(jié)徑流[8-9]、涵養(yǎng)水源[10-11]、改善農(nóng)田小氣候[12-13]以及林下土壤質(zhì)量[14-15]等方面，然而林帶的空間配置將坡面劃分為不同的地塊，必然與該區(qū)坡面土壤侵蝕過(guò)程有密切聯(lián)系，從而對(duì)坡面土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的變化產(chǎn)生影響，但目前從坡面尺度分析農(nóng)田防護(hù)林帶與土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性關(guān)系的定量化研究較少，這嚴(yán)重限制了對(duì)農(nóng)田防護(hù)林帶防蝕效益的深入理解。為此，本研究選取我國(guó)東北黑土區(qū)坡度、坡長(zhǎng)和前茬作物基本一致，有農(nóng)田防護(hù)林帶和無(wú)林帶的坡面(簡(jiǎn)稱有林地、無(wú)林地)為對(duì)象，采用薩維諾夫法測(cè)定有林地與無(wú)林地坡面土壤各粒級(jí)風(fēng)干和水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例、粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，旨在探明農(nóng)田防護(hù)林帶對(duì)黑土區(qū)坡耕地土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響，以期為東北黑土區(qū)坡面坡耕地土壤侵蝕的防控及防護(hù)林帶的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于克山農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)(48°12′～48°23′N(xiāo)、125°8′～125°37′E)，在黑龍江省齊齊哈爾市克山縣行政范圍內(nèi)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水501.7 mm，主要集中在6—8月，年均蒸發(fā)量1 329.4 mm，年均氣溫0.9 ℃，無(wú)霜期約為115 d。地貌類(lèi)型以漫川漫崗地貌為主，海拔240～340 m，地形呈現(xiàn)坡長(zhǎng)而緩的特點(diǎn)，坡度以1°～3°為主，為典型黑土區(qū)。區(qū)域內(nèi)坡耕地常種植的農(nóng)作物有小麥(Triticumaestivum)、大豆(Glycinemax)、玉米(Zeamays)。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

選擇平均坡度分別為1.59°和1.98°、坡長(zhǎng)均為390 m，種植大豆的無(wú)林帶坡面(簡(jiǎn)稱無(wú)林地)與有林帶坡面(簡(jiǎn)稱有林地)作為研究對(duì)象，其中有林地中距坡頂40～50 m、220～230 m設(shè)置有兩條防護(hù)林帶(見(jiàn)表1)，林帶寬度為10 m，主要樹(shù)種為小黑楊(Populus×xiaohei)。2019年10月整地前，分別在選擇的2塊樣地內(nèi)沿坡上到坡下方向設(shè)置2條取樣線，布設(shè)間隔30 m，采樣線長(zhǎng)度為390 m，取樣間隔為30 m，每條采樣線上設(shè)置14個(gè)取樣點(diǎn)，采集0～20 cm土層原狀土(見(jiàn)圖1)。

表1 防護(hù)林帶基本特征

圖1 樣地布設(shè)示意圖

因?yàn)檠芯科旅孑^長(zhǎng)，坡面團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性并非完全呈線性變化，規(guī)律性較差，所以本文根據(jù)林帶所在位置(距坡頂40～50、220～230 m)、局部地形特征并結(jié)合機(jī)械分段的方法[16-17]沿采樣線方向?qū)⒂辛值嘏c無(wú)林地坡面劃分為坡上(0～30 m)、坡中上(60～120 m)、坡中(150～210 m)、坡中下(240～300 m)和坡下(330～390 m)等5個(gè)坡面位置，能夠在較大尺度上更清晰的描述坡面土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的空間分布特征。

2.2 土壤團(tuán)聚體組成測(cè)定

土壤團(tuán)聚體包括風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體。采用薩維諾夫法[18]測(cè)定。干篩法測(cè)定各粒級(jí)風(fēng)干團(tuán)聚體比例，將每塊樣地中兩條采樣線上相同位置樣點(diǎn)的樣品進(jìn)行混合后過(guò)10 mm篩，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干2 d后，取大約600 g風(fēng)干土樣，每次取200 g置于套篩(篩目分別為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)頂部，以100次/min人工振動(dòng)1.5 min，當(dāng)各粒級(jí)團(tuán)聚體基本不再向下漏時(shí)，將留在各級(jí)篩子上的樣品分別進(jìn)行稱質(zhì)量計(jì)算比例，確定大粒級(jí)團(tuán)聚體、中粒級(jí)團(tuán)聚體和小粒級(jí)團(tuán)聚體的比例[19]。各粒徑(d)劃分為：大粒級(jí)(包括粒徑5 mm

濕篩法測(cè)定各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例：根據(jù)各級(jí)風(fēng)干團(tuán)聚體所占比例配制50 g風(fēng)干土樣放在套篩(篩目分別為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)上，輕輕搖動(dòng)30下左右，讓各粒級(jí)風(fēng)干團(tuán)聚體相應(yīng)的篩孔上，然后將套篩放置在團(tuán)聚體分析儀的水桶中靜置濕潤(rùn)3 min，再以上下行程4 cm，30次/min的頻率在水中篩分30 min后，用清水將各級(jí)篩上的團(tuán)聚體洗入錫紙盒中，在烘箱中80 ℃烘干6 h至恒質(zhì)量后稱量，獲得各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例。

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及變異系數(shù)

采用粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例(WR)、平均質(zhì)量直徑(M)、幾何平均直徑(G)、粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率(PA)等指標(biāo)表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中WR、M和G越大，PA越小，表示土壤團(tuán)聚體則穩(wěn)定性越高[18，20]。利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的變異函數(shù)分析土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的空間變異特征[21]。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

PA=(DR-WR)/DR。

式中：DR為大于0.25 mm風(fēng)干團(tuán)聚體比例；WR為大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例。

變異程度分級(jí)：Cv≤10%為弱變異，10%

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016制表、采用Sigma Plot 14.0作圖，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、LSD多重比較以及t檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤風(fēng)干團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成特征

由表2可知，無(wú)林地與有林地0～20 cm土層，風(fēng)干團(tuán)聚體比例均呈現(xiàn)隨粒級(jí)減小而減小的變化趨勢(shì)，大粒級(jí)最多、中粒級(jí)次之、小粒級(jí)最少。無(wú)林地中，粒徑5 mm

土壤樣品浸水濕篩后，無(wú)林地與有林地中，粒徑大于2 mm水穩(wěn)定團(tuán)聚體的比例與風(fēng)干團(tuán)聚體的比例相比顯著下降(P<0.05)，粒徑小于2 mm各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著增加，其中，粒徑0.5 mm

表2 無(wú)林地與有林地各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體組成

3.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

由表3可知，與無(wú)林地比較，有林地中，粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑均有所增大，粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率減小，有林地與無(wú)林地各指標(biāo)的差值分別為0.96%、0.04 mm、0.02 mm、-1.12%，但各指標(biāo)平均值沒(méi)有顯著差異，可見(jiàn)林帶對(duì)坡面整體團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化影響不大。從變異程度上來(lái)看，無(wú)林地與有林地粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例、平均質(zhì)量直徑變異系數(shù)均屬弱等變異，幾何平均直徑、粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率變異系數(shù)屬中等變異，與無(wú)林地比較，有林地中除平均質(zhì)量直徑外，粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例、幾何平均直徑以及粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率的變異系數(shù)均有所下降，粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率的變異系數(shù)差值最大為-1.94%，幾何平均直徑差值最小為-0.54%。

表3 無(wú)林地與有林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

3.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的坡面變化

由圖2可知，無(wú)林地中，粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例由坡上到坡中先上升后下降，坡中到坡下先下降后上升，整體呈“倒V”形變化；坡中上粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著高于其他坡位(P<0.05)，坡中粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著大于坡上、坡中下、坡下(P<0.05)，坡中下粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例與坡上、坡下差異不顯著。有林地中，粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例在坡上到坡中先上升后下降，坡中到坡下先下降后上升，整體呈“倒V”形分布與無(wú)林地相似；坡中上粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著高于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例與坡下無(wú)顯著差異，顯著小于其他坡位(P<0.05)。

無(wú)林地中，粒徑0.5 mm

無(wú)林地中，粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例由坡上到坡中、坡中到坡下均呈先上升后下降變化趨勢(shì)，整體呈“M”形變化；坡上粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著小于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著大于其他坡位(P<0.05)。有林地中，粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例由坡上到坡中、坡中到坡下均呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，整體呈“W”形分布，與無(wú)林地不同；坡中上粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著小于坡上、坡中(P<0.05)，坡中下粒徑小于0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著小于其他坡位(P<0.05)。

從同一坡位來(lái)分析，有林地與無(wú)林地相比，有林地中粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例在坡上、坡中上顯著增加(P<0.05)；粒徑0.5 mm

a為粒徑大于2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例；b為粒徑0.5 mm

3.4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的坡面變化

由圖3可知，無(wú)林地0～20 cm土層，坡上到坡中、坡中到坡下粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例均呈下降后上升變化趨勢(shì)，整體呈“W”形分布；粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例在坡上顯著大于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例顯著大于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土層，坡上到坡中、坡中到坡下粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例均呈上升后下降的變化趨勢(shì)，整體呈“M”形分布與無(wú)林地不同；坡中上、坡中下粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例顯著大于其他坡位(P<0.05)。

無(wú)林地0～20 cm土層，平均質(zhì)量直徑由坡上到坡中持續(xù)上升，坡中到坡下呈下降后上升變化趨勢(shì)，整體近似為“W”形分布；坡上平均質(zhì)量直徑顯著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下平均質(zhì)量直徑顯著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下平均質(zhì)量直徑顯著小于其他坡位(P<0.05)。有林地平均質(zhì)量直徑由坡上到坡中、坡中到坡下均呈上升后下降的變化，整體呈“M”形變化與無(wú)林地不同；坡中上平均質(zhì)量直徑顯著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下平均質(zhì)量直徑與坡下無(wú)顯著差異，但顯著大于坡上、坡中(P<0.05)。

無(wú)林地中0～20 cm土層，幾何平均直徑由坡上到坡中、坡中到坡下均呈下降后上升趨勢(shì)，整體呈“W”形分布；坡上與坡中上幾何平均直徑差異不顯著，坡中、坡下幾何平均直徑顯著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下幾何平均直徑顯著小于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土層，幾何平均直徑由坡上到坡中、坡中到坡下均呈上升后下降的變化趨勢(shì)，整體呈“M”形分布與無(wú)林地不同；坡中上、坡中下幾何平均直徑顯著大于其他坡位(P<0.05)。

無(wú)林地0～20 cm土層，粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率由坡上到坡中、坡中到坡下均為先上升后下降變化，整體呈“M”形分布；坡上粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著小于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著大于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土層，粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率由坡上到坡中、坡中到坡下均為先下降后上升變化，整體呈“W”形分布與無(wú)林地不同；坡中上、坡中下粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著小于其他坡位(P<0.05)。

從同一坡位來(lái)分析，有林地與無(wú)林地比較，有林地粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例在坡中上、坡中下顯著增加(P<0.05)，在坡中、坡下顯著減小(P<0.05)；平均質(zhì)量直徑在坡上、坡中上、坡中下顯著增加(P<0.05)，在坡中、坡下顯著減小(P<0.05)；幾何平均直徑在坡中上、坡中下顯著增加(P<0.05)，在坡中、坡下顯著減小(P<0.05)；粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率在坡上、坡中、坡下顯著增加(P<0.05)，在坡中上、坡中下顯著減小(P<0.05)。

a為粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例；b為平均質(zhì)量直徑；c為幾何平均直徑；d為粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率；不同大寫(xiě)字母表示相同坡位不同坡面間差異顯著(P<0.05)；不同小寫(xiě)字母表示相同坡面不同坡位差異顯著(P<0.05)。

4 討論

研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)林地坡中粒徑大于2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例(大粒級(jí))顯著高于坡上、坡中下和坡下；坡中、坡下粒徑0.25 mm

有林地與無(wú)林地相比，坡中上和坡中下的中粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例、粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑顯著增加，小粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例和粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著減小，這是因?yàn)榱謳ㄟ^(guò)截?cái)嗥旅?，延緩徑流速度，減小了侵蝕速率[29-31]，使坡中上、坡中下水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變好，團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加。此外，本研究發(fā)現(xiàn)在有林地坡中位置中粒級(jí)水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的比例、粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑顯著小于無(wú)林地，小粒級(jí)水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的比例和粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體破壞率顯著大于無(wú)林地，這與林帶間距的不合理布設(shè)有關(guān)。胡海波等[32]研究認(rèn)為，林帶間的距離對(duì)保水固土存在重要的影響，林帶間距過(guò)小，防護(hù)林帶的脅地效應(yīng)會(huì)影響作物的生長(zhǎng)；伍佐等[33]研究表明，林帶間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致防護(hù)林帶降低風(fēng)速、截留水分的作用減弱，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，防控土壤侵蝕的作用也隨之減弱。王文娟等[34]認(rèn)為，防護(hù)林帶間距在120 m內(nèi)防護(hù)林對(duì)溝蝕防護(hù)效應(yīng)相似，隨著距離增加，防護(hù)林對(duì)溝蝕的防護(hù)能力呈線性減弱；蘇子龍等[35]研究表明，通過(guò)增加防護(hù)林帶個(gè)數(shù)、減小林帶間的距離可以增大臨界坡長(zhǎng)和切割匯水面積，提高林帶減小土壤侵蝕的效果。在本研究中林帶間距為180 m超過(guò)了120 m，因此這種不合理的林帶布置可能導(dǎo)致了土壤侵蝕在坡中有所增強(qiáng)，從而引起該坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變差，團(tuán)聚體穩(wěn)定性減弱。

5 結(jié)論

有林地與無(wú)林地各粒級(jí)風(fēng)干、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性總體差異不顯著。有林地與無(wú)林地相比，林帶的存在顯著改變了水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體組成的坡面變化，主要表現(xiàn)在坡中上和坡中下中粒級(jí)(粒徑0.5 mm

從坡面總體來(lái)看，林帶對(duì)黑土區(qū)坡耕地土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性無(wú)顯著影響，但從坡面的空間變化來(lái)看，林帶使坡中上、坡中下水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變好，團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)；造成坡中水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變差，團(tuán)聚體穩(wěn)定性減弱，這與防護(hù)林帶間距的不合理配置有關(guān)。因此，坡面防護(hù)林帶間距的合理配置，對(duì)于坡面土壤侵蝕的有效防控，提升防護(hù)林帶的防護(hù)效果具有重要意義。