林带对黑土坡耕地土壤团聚体组成及稳定性的影响1)

谭凯亮 苏远航 刘滨辉

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤团聚体是土壤肥力的重要载体，也是土壤结构的基本功能单元[1]。土壤团聚体的数量和大小影响着土壤径流、蓄水渗透的强弱，同时团聚体的稳定性则反映了土壤抗蚀、抗冲能力的大小[2]。当坡面发生侵蚀时，在风力、水力以及重力的作用下土壤颗粒会发生迁移，进而导致土壤团聚体重新分布[3]。因此，探究坡面土壤团聚体组成及其稳定性的分布特征，有助于了解坡面土壤侵蚀的发生条件与强度，对于坡面水土流失的科学防控具有重要意义。

东北黑土区在国家粮食安全中发挥着“压仓石”和“稳压器”的作用，但同时也是我国土壤侵蚀潜在危险性最大的地区[4]。长期以来，为了有效治理严重的水土流失，针对黑土区坡耕地开展了大量的生物、耕作和工程措施的理论研究与实践工作，其中农田防护林体系在黑土区应用最为广泛，但以往的研究中，学者们多关注的是防护林带的建设及更新[5-7]、调节径流[8-9]、涵养水源[10-11]、改善农田小气候[12-13]以及林下土壤质量[14-15]等方面，然而林带的空间配置将坡面划分为不同的地块，必然与该区坡面土壤侵蚀过程有密切联系，从而对坡面土壤团聚体组成及稳定性的变化产生影响，但目前从坡面尺度分析农田防护林带与土壤团聚体组成及稳定性关系的定量化研究较少，这严重限制了对农田防护林带防蚀效益的深入理解。为此，本研究选取我国东北黑土区坡度、坡长和前茬作物基本一致，有农田防护林带和无林带的坡面(简称有林地、无林地)为对象，采用萨维诺夫法测定有林地与无林地坡面土壤各粒级风干和水稳性团聚体比例、粒径大于0.25 mm团聚体破坏率、平均质量直径和几何平均直径，旨在探明农田防护林带对黑土区坡耕地土壤团聚体组成及稳定性的影响，以期为东北黑土区坡面坡耕地土壤侵蚀的防控及防护林带的建设提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于克山农场境内(48°12′～48°23′N、125°8′～125°37′E)，在黑龙江省齐齐哈尔市克山县行政范围内，属于温带大陆性季风气候，年均降水501.7 mm，主要集中在6—8月，年均蒸发量1 329.4 mm，年均气温0.9 ℃，无霜期约为115 d。地貌类型以漫川漫岗地貌为主，海拔240～340 m，地形呈现坡长而缓的特点，坡度以1°～3°为主，为典型黑土区。区域内坡耕地常种植的农作物有小麦(Triticumaestivum)、大豆(Glycinemax)、玉米(Zeamays)。

2 研究方法

2.1 实验设计与样品采集

选择平均坡度分别为1.59°和1.98°、坡长均为390 m，种植大豆的无林带坡面(简称无林地)与有林带坡面(简称有林地)作为研究对象，其中有林地中距坡顶40～50 m、220～230 m设置有两条防护林带(见表1)，林带宽度为10 m，主要树种为小黑杨(Populus×xiaohei)。2019年10月整地前，分别在选择的2块样地内沿坡上到坡下方向设置2条取样线，布设间隔30 m，采样线长度为390 m，取样间隔为30 m，每条采样线上设置14个取样点，采集0～20 cm土层原状土(见图1)。

表1 防护林带基本特征

图1 样地布设示意图

因为研究坡面较长，坡面团聚体组成及稳定性并非完全呈线性变化，规律性较差，所以本文根据林带所在位置(距坡顶40～50、220～230 m)、局部地形特征并结合机械分段的方法[16-17]沿采样线方向将有林地与无林地坡面划分为坡上(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个坡面位置，能够在较大尺度上更清晰的描述坡面土壤团聚体组成及稳定性的空间分布特征。

2.2 土壤团聚体组成测定

土壤团聚体包括风干团聚体和水稳性团聚体。采用萨维诺夫法[18]测定。干筛法测定各粒级风干团聚体比例，将每块样地中两条采样线上相同位置样点的样品进行混合后过10 mm筛，在通风阴凉处自然风干2 d后，取大约600 g风干土样，每次取200 g置于套筛(筛目分别为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)顶部，以100次/min人工振动1.5 min，当各粒级团聚体基本不再向下漏时，将留在各级筛子上的样品分别进行称质量计算比例，确定大粒级团聚体、中粒级团聚体和小粒级团聚体的比例[19]。各粒径(d)划分为：大粒级(包括粒径5 mm

湿筛法测定各粒级水稳性团聚体的比例：根据各级风干团聚体所占比例配制50 g风干土样放在套筛(筛目分别为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)上，轻轻摇动30下左右，让各粒级风干团聚体相应的筛孔上，然后将套筛放置在团聚体分析仪的水桶中静置湿润3 min，再以上下行程4 cm，30次/min的频率在水中筛分30 min后，用清水将各级筛上的团聚体洗入锡纸盒中，在烘箱中80 ℃烘干6 h至恒质量后称量，获得各粒级水稳性团聚体比例。

2.3 土壤团聚体稳定性及变异系数

采用粒径大于0.25 mm水稳性团聚体比例(WR)、平均质量直径(M)、几何平均直径(G)、粒径大于0.25 mm团聚体破坏率(PA)等指标表征土壤团聚体稳定性，其中WR、M和G越大，PA越小，表示土壤团聚体则稳定性越高[18，20]。利用经典统计学方法的变异函数分析土壤团聚体稳定性指标的空间变异特征[21]。相关指标计算公式如下：

PA=(DR-WR)/DR。

式中：DR为大于0.25 mm风干团聚体比例；WR为大于0.25 mm水稳性团聚体比例。

变异程度分级：Cv≤10%为弱变异，10%

2.4 数据分析

采用Excel 2016制表、采用Sigma Plot 14.0作图，采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析、LSD多重比较以及t检验。

3 结果与分析

3.1 土壤风干团聚体和水稳性团聚体组成特征

由表2可知，无林地与有林地0～20 cm土层，风干团聚体比例均呈现随粒级减小而减小的变化趋势，大粒级最多、中粒级次之、小粒级最少。无林地中，粒径5 mm

土壤样品浸水湿筛后，无林地与有林地中，粒径大于2 mm水稳定团聚体的比例与风干团聚体的比例相比显著下降(P<0.05)，粒径小于2 mm各粒级水稳性团聚体的比例显著增加，其中，粒径0.5 mm

表2 无林地与有林地各粒级土壤团聚体组成

3.2 土壤水稳性团聚体稳定性特征

由表3可知，与无林地比较，有林地中，粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例、平均质量直径、几何平均直径均有所增大，粒径大于0.25 mm团聚体破坏率减小，有林地与无林地各指标的差值分别为0.96%、0.04 mm、0.02 mm、-1.12%，但各指标平均值没有显著差异，可见林带对坡面整体团聚体稳定性变化影响不大。从变异程度上来看，无林地与有林地粒径大于0.25 mm水稳性团聚体比例、平均质量直径变异系数均属弱等变异，几何平均直径、粒径大于0.25 mm团聚体破坏率变异系数属中等变异，与无林地比较，有林地中除平均质量直径外，粒径大于0.25 mm水稳性团聚体比例、几何平均直径以及粒径大于0.25 mm团聚体破坏率的变异系数均有所下降，粒径大于0.25 mm团聚体破坏率的变异系数差值最大为-1.94%，几何平均直径差值最小为-0.54%。

表3 无林地与有林地土壤团聚体稳定性特征

3.3 土壤水稳性团聚体组成的坡面变化

由图2可知，无林地中，粒径大于2 mm水稳性团聚体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，整体呈“倒V”形变化；坡中上粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例显著高于其他坡位(P<0.05)，坡中粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例显著大于坡上、坡中下、坡下(P<0.05)，坡中下粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例与坡上、坡下差异不显著。有林地中，粒径大于2 mm水稳性团聚体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，整体呈“倒V”形分布与无林地相似；坡中上粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例显著高于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例与坡下无显著差异，显著小于其他坡位(P<0.05)。

无林地中，粒径0.5 mm

无林地中，粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例由坡上到坡中、坡中到坡下均呈先上升后下降变化趋势，整体呈“M”形变化；坡上粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例显著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例显著小于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例显著大于其他坡位(P<0.05)。有林地中，粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例由坡上到坡中、坡中到坡下均呈先下降后上升的变化趋势，整体呈“W”形分布，与无林地不同；坡中上粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例显著小于坡上、坡中(P<0.05)，坡中下粒径小于0.50 mm水稳性团聚体的比例显著小于其他坡位(P<0.05)。

从同一坡位来分析，有林地与无林地相比，有林地中粒径大于2 mm水稳性团聚体的比例在坡上、坡中上显著增加(P<0.05)；粒径0.5 mm

a为粒径大于2 mm水稳性团聚体比例；b为粒径0.5 mm

3.4 土壤水稳性团聚体稳定性的坡面变化

由图3可知，无林地0～20 cm土层，坡上到坡中、坡中到坡下粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例均呈下降后上升变化趋势，整体呈“W”形分布；粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例在坡上显著大于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒径大于0.25 mm水稳性团聚体比例显著大于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土层，坡上到坡中、坡中到坡下粒径大于0.25 mm水稳性团聚体比例均呈上升后下降的变化趋势，整体呈“M”形分布与无林地不同；坡中上、坡中下粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例显著大于其他坡位(P<0.05)。

无林地0～20 cm土层，平均质量直径由坡上到坡中持续上升，坡中到坡下呈下降后上升变化趋势，整体近似为“W”形分布；坡上平均质量直径显著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下平均质量直径显著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下平均质量直径显著小于其他坡位(P<0.05)。有林地平均质量直径由坡上到坡中、坡中到坡下均呈上升后下降的变化，整体呈“M”形变化与无林地不同；坡中上平均质量直径显著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下平均质量直径与坡下无显著差异，但显著大于坡上、坡中(P<0.05)。

无林地中0～20 cm土层，几何平均直径由坡上到坡中、坡中到坡下均呈下降后上升趋势，整体呈“W”形分布；坡上与坡中上几何平均直径差异不显著，坡中、坡下几何平均直径显著大于其他坡位(P<0.05)，坡中下几何平均直径显著小于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土层，几何平均直径由坡上到坡中、坡中到坡下均呈上升后下降的变化趋势，整体呈“M”形分布与无林地不同；坡中上、坡中下几何平均直径显著大于其他坡位(P<0.05)。

无林地0～20 cm土层，粒径大于0.25 mm团聚体破坏率由坡上到坡中、坡中到坡下均为先上升后下降变化，整体呈“M”形分布；坡上粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著小于坡中上(P<0.05)，坡中、坡下粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著小于其他坡位(P<0.05)，坡中下粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著大于其他坡位(P<0.05)。有林地0～20 cm土层，粒径大于0.25 mm团聚体破坏率由坡上到坡中、坡中到坡下均为先下降后上升变化，整体呈“W”形分布与无林地不同；坡中上、坡中下粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著小于其他坡位(P<0.05)。

从同一坡位来分析，有林地与无林地比较，有林地粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例在坡中上、坡中下显著增加(P<0.05)，在坡中、坡下显著减小(P<0.05)；平均质量直径在坡上、坡中上、坡中下显著增加(P<0.05)，在坡中、坡下显著减小(P<0.05)；几何平均直径在坡中上、坡中下显著增加(P<0.05)，在坡中、坡下显著减小(P<0.05)；粒径大于0.25 mm团聚体破坏率在坡上、坡中、坡下显著增加(P<0.05)，在坡中上、坡中下显著减小(P<0.05)。

a为粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例；b为平均质量直径；c为几何平均直径；d为粒径大于0.25 mm团聚体破坏率；不同大写字母表示相同坡位不同坡面间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同坡面不同坡位差异显著(P<0.05)。

4 讨论

研究发现，无林地坡中粒径大于2 mm土壤水稳性团聚体的比例(大粒级)显著高于坡上、坡中下和坡下；坡中、坡下粒径0.25 mm

有林地与无林地相比，坡中上和坡中下的中粒级土壤水稳性团聚体的比例、粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例、平均质量直径、几何平均直径显著增加，小粒级土壤水稳性团聚体的比例和粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著减小，这是因为林带通过截断坡面，延缓径流速度，减小了侵蚀速率[29-31]，使坡中上、坡中下水稳性团聚体组成变好，团聚体稳定性增加。此外，本研究发现在有林地坡中位置中粒级水稳性土壤团聚体的比例、粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的比例、平均质量直径和几何平均直径显著小于无林地，小粒级水稳性土壤团聚体的比例和粒径大于0.25 mm团聚体破坏率显著大于无林地，这与林带间距的不合理布设有关。胡海波等[32]研究认为，林带间的距离对保水固土存在重要的影响，林带间距过小，防护林带的胁地效应会影响作物的生长；伍佐等[33]研究表明，林带间距过大会导致防护林带降低风速、截留水分的作用减弱，土壤结构稳定性降低，防控土壤侵蚀的作用也随之减弱。王文娟等[34]认为，防护林带间距在120 m内防护林对沟蚀防护效应相似，随着距离增加，防护林对沟蚀的防护能力呈线性减弱；苏子龙等[35]研究表明，通过增加防护林带个数、减小林带间的距离可以增大临界坡长和切割汇水面积，提高林带减小土壤侵蚀的效果。在本研究中林带间距为180 m超过了120 m，因此这种不合理的林带布置可能导致了土壤侵蚀在坡中有所增强，从而引起该坡位土壤水稳性团聚体组成变差，团聚体稳定性减弱。

5 结论

有林地与无林地各粒级风干、水稳性团聚体的比例和团聚体稳定性总体差异不显著。有林地与无林地相比，林带的存在显著改变了水稳性土壤团聚体组成的坡面变化，主要表现在坡中上和坡中下中粒级(粒径0.5 mm

从坡面总体来看，林带对黑土区坡耕地土壤团聚体组成及稳定性无显著影响，但从坡面的空间变化来看，林带使坡中上、坡中下水稳性团聚体组成变好，团聚体稳定性增强；造成坡中水稳性团聚体组成变差，团聚体稳定性减弱，这与防护林带间距的不合理配置有关。因此，坡面防护林带间距的合理配置，对于坡面土壤侵蚀的有效防控，提升防护林带的防护效果具有重要意义。