農(nóng)田防護(hù)林更新改造對(duì)土壤團(tuán)聚體特征和可蝕性的影響

孔同偉，王 帥，劉濱輝

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

東北黑土平原區(qū)作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地[1]，近年來(lái)由于防護(hù)林退化導(dǎo)致風(fēng)蝕加劇和土地沙化問(wèn)題日益嚴(yán)峻。在早期的農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)過(guò)程中，由于楊樹(shù)的速生性和易成活特性，使其成為三北防護(hù)林體系建設(shè)優(yōu)先選取的主要樹(shù)種[2]。以楊樹(shù)主導(dǎo)的農(nóng)田防護(hù)林取得顯著成效的同時(shí)，也暴露出生長(zhǎng)周期短、脅迫重等不足，特別是隨著時(shí)間的推移很多楊樹(shù)進(jìn)入成過(guò)熟階段導(dǎo)致林帶出現(xiàn)退化進(jìn)而引起防護(hù)效能降低，成為防護(hù)林建設(shè)急需解決的問(wèn)題[3]。如何對(duì)退化防護(hù)林進(jìn)行更新改造是目前面臨的主要挑戰(zhàn)，選取合適更新改造方式需要從多個(gè)方面分析比較不同更新改造方式的防護(hù)效果。從土壤團(tuán)聚體特征方面開(kāi)展黑土平原區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶更新改造方式的研究，可以在土壤質(zhì)量和抗蝕性方面為退化林帶選取合適的更新改造方式提供理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)林帶土壤結(jié)構(gòu)的改良和農(nóng)田生態(tài)效益最大化提供支持。

土壤團(tuán)聚體[4]作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和重要參數(shù)，其大小分布和數(shù)量影響著土壤質(zhì)量，并與土壤的抗侵蝕能力密切相關(guān)[5]，因此穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、降低土壤可蝕性和防止因土壤退化導(dǎo)致的土壤侵蝕加劇等方面具有重要作用。許多研究以＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（WSA）、平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）作為團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-7]，也有研究以團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）和結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD）來(lái)表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性[8]。單一特征指標(biāo)包含的信息非常有限，很難準(zhǔn)確判別不同區(qū)域各類土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征，綜合多個(gè)特征指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)在反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面具有更高的靈敏性和準(zhǔn)確性[9]。目前，國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)集中在黃土高原[10]、南方紅壤[11]等易侵蝕區(qū)，從林分類型、海拔高度、植被恢復(fù)方式等方面對(duì)土壤團(tuán)聚體特征及土壤可蝕性的影響進(jìn)行研究。馬寰菲等[12]研究了秦嶺地區(qū)不同海拔高度土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征，指出土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨海拔上升而減弱的規(guī)律。黎宏祥等[5]探討了不同林分類型對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征的影響，表明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土壤深度增加而逐漸降低。謝錦升等[13]研究了紅壤區(qū)植被恢復(fù)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，研究表明植被恢復(fù)利于提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。目前大部分研究將團(tuán)聚體穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)土壤可蝕性的重要指標(biāo)[14]，認(rèn)為通過(guò)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性可以提高土壤的抗侵蝕能力，降低土壤可蝕性。因此評(píng)價(jià)黑土平原區(qū)農(nóng)田防護(hù)林更新改造措施的效果，可以通過(guò)分析更新改造對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤抗蝕性的影響入手。

目前黑土區(qū)關(guān)于土壤團(tuán)聚體特征研究多集中于比較不同耕作模式和凍融侵蝕的影響[15-16]，針對(duì)農(nóng)田防護(hù)林對(duì)于土壤團(tuán)聚體影響研究相對(duì)較少。而且以往農(nóng)田防護(hù)林對(duì)于土壤團(tuán)聚體影響的研究主要在于比較不同林齡以及種植密度[17]，涉及農(nóng)田防護(hù)林更新改造對(duì)于土壤團(tuán)聚體影響的研究還未見(jiàn)。農(nóng)田防護(hù)林作為黑土平原區(qū)最重要的生態(tài)屏障，關(guān)系著整個(gè)平原區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水土流失和糧食安全，對(duì)于退化林帶進(jìn)行更新改造可提高農(nóng)田防護(hù)林的生態(tài)保護(hù)功能，既可以防止風(fēng)蝕危害，保護(hù)耕地，又可以改善土壤結(jié)構(gòu)。因此，農(nóng)田防護(hù)林更新改造對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性的影響及哪種更新改造方式最有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抵抗土壤侵蝕的能力尚不清楚。因此，探究農(nóng)田防護(hù)林更新改造后土壤團(tuán)聚體特征和土壤可蝕性變化，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)黑土平原區(qū)農(nóng)田防護(hù)林更新改造的生態(tài)效益和指導(dǎo)退化林帶重建與優(yōu)化意義重大。鑒于此，本研究以黑土平原區(qū)更新改造的農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，通過(guò)分析不同更新改造方式林帶對(duì)土壤團(tuán)聚體特征和土壤可蝕性的差異及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)估哪種更新改造方式對(duì)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤抗侵蝕能力的效果最佳。此研究結(jié)果可以為黑土平原區(qū)退化、過(guò)熟農(nóng)田防護(hù)林修復(fù)和水土保持效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考，也可為農(nóng)田防護(hù)林的可持續(xù)性發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東北黑土區(qū)是世界僅存的四大黑土區(qū)之一，是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)地。松嫩平原是東北三大平原之一，中國(guó)重要商品糧基地，是由松花江和嫩江侵蝕、沖積而成的，坐落于黑龍江省西南部，是重要的黑土分布區(qū)。試驗(yàn)采樣區(qū)位于松嫩平原西北部的甘南縣境內(nèi)（47°50′～48°00′N(xiāo)，123°30′～123°50′E)，該地冬春季大風(fēng)頻繁發(fā)生，土地沙化嚴(yán)重，建設(shè)以減少風(fēng)力侵蝕為主要目標(biāo)的農(nóng)田防護(hù)林，地貌屬于阿倫河和音河流域沖積平原，海拔160～380 m，屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，年均氣溫為2.6℃，≥10℃有效積溫2 562.9℃，年均降水量455.2 mm，年均蒸發(fā)量1 199.6 mm，無(wú)霜期90%保證率為125 d，土壤凍結(jié)期為11 月初至翌年5 月中旬，最大凍結(jié)深度可達(dá)2.5 m。研究區(qū)土壤類型主要為黑鈣土，質(zhì)地屬沙質(zhì)壤土、沖積沙土，人工林以農(nóng)田防護(hù)林為主，樹(shù)種主要有小黑楊Populus×xiaohei、樟子 松Pinus sylvestrisvar.mongolica、云 杉Picea asperata等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置和樣品采集

2021 年5 月，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查和GPS 定位等方式，選取4 種均在1992—1993 年完成更新改造具有代表性的農(nóng)田防護(hù)林帶，林帶保存完好，土壤結(jié)構(gòu)空間同質(zhì)性好，遠(yuǎn)離人工構(gòu)筑物，林帶走向一致；林帶更新改造前均為楊樹(shù)林帶，土壤條件基本相同，土壤母質(zhì)和經(jīng)營(yíng)歷史相同，土壤均為沙質(zhì)壤土，采取的更新改造方式為：楊樹(shù)-樟子松混交（ZY）、樟子松林帶（ZC）、云杉純林帶（YS）、楊樹(shù)純林帶（YC），同時(shí)以退化未更新改造的楊樹(shù)林帶（TYC）作為對(duì)照，林帶基本立地條件和管理模式等均基本相同。每條林帶設(shè)置5 m×2 m（長(zhǎng)選取平行林帶×寬選取垂直林帶）的標(biāo)準(zhǔn)樣地共3 塊，其中第一塊標(biāo)準(zhǔn)樣地位于林帶中間，為避免林帶的邊緣效應(yīng)，其他兩塊標(biāo)準(zhǔn)樣地分別在其兩側(cè)相距50 m 處，測(cè)定樹(shù)高、胸徑、林齡和株行距，農(nóng)田防護(hù)林帶的基本情況，見(jiàn)表1。在設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，林帶株行距的交叉點(diǎn)上布設(shè)3 個(gè)取樣點(diǎn)，分別在土層深度的0～10、10～20、20～40 cm 采集原狀土樣，同時(shí)用鋁盒在每個(gè)采樣點(diǎn)取少量土樣，用于土壤含水量的測(cè)定，采用四分法在對(duì)應(yīng)土層3 個(gè)樣點(diǎn)收集土樣，采樣前先去除采樣點(diǎn)表面的枯落物等雜質(zhì)。共135 份土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，同時(shí)將土壤樣品中較大粒級(jí)土團(tuán)沿其自然裂縫掰開(kāi)成1 cm3左右的小土團(tuán)，去除樣品中的小石粒、植物殘?bào)w、根系等有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)風(fēng)干，備用。

表1 農(nóng)田護(hù)林帶基本情況Table 1 Basic situation of farmland shelterbelts

1.2.2 樣品指標(biāo)測(cè)定與方法

土壤質(zhì)量含水量測(cè)定采用烘干法[18]；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤容重、土壤水分、孔隙度的測(cè)定采用環(huán)刀法；土壤機(jī)械組成采用吸管法；分別采用干篩法、濕篩法[19]，測(cè)定風(fēng)干性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，濕篩法按照干篩比例配成50 g 風(fēng)干土樣，放入團(tuán)粒分析儀中，先用水緩慢濕潤(rùn)5 min 后，將頻率設(shè)置為30 次/min，振幅為3 cm，持續(xù)10 min 進(jìn)行濕篩。然后將各篩面上的土壤團(tuán)聚體顆粒，分別沖洗至已稱重的鋁盒中，在60℃條件烘干至恒重，接著在大氣中放置一晝夜，使呈風(fēng)干狀態(tài)，分別獲?。?.25、0.25～0.50、0.50～1.00、1.00～2.00、2.00～5.00和＞5.00 mm 六個(gè)級(jí)別的水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體，稱取各粒級(jí)的質(zhì)量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)（精確到0.01 g），并通過(guò)計(jì)算獲得各粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)WSA、MWD、GMD計(jì)算參考李柏橋等[20]；分形維數(shù)D 計(jì)算參考楊培嶺等[21]的推導(dǎo)公式；土壤結(jié)構(gòu)體破壞率PAD計(jì)算參考于文竹等[6]；土壤可蝕性K 值計(jì)算參考Shiriza M A 等[22]和張科利等[23]對(duì)于中國(guó)土壤可蝕性值及其估算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010 軟件和IBM SPSS Statistics 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；并使用Origin 2021 軟件作圖；使用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差法（Least-significant difference，LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；采用雙因素方差分析不同深度、林帶類型及其交互作用對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響；采用Pearson 相關(guān)法，分析土壤團(tuán)聚穩(wěn)定性指標(biāo)、各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比與土壤有機(jī)質(zhì)含量間的相關(guān)性；采用Canoco 5.0 軟件進(jìn)行冗余分析，分析理化性質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性的影響。顯著性水平均為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同更新改造方式農(nóng)田防護(hù)林帶土壤基本理化性質(zhì)

由表2 可知，退化林帶與更新改造林帶土壤理化性質(zhì)存在顯著差異?？傮w上，在0～40 cm土層，土壤容重、砂粒含量均表現(xiàn)為退化楊樹(shù)林帶（TYC）顯著高于更新改造林帶（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），有機(jī)質(zhì)、黏粒、粉粒含量和非毛管孔隙度更新改造林帶高于退化楊樹(shù)林帶（TYC）（P＜0.05），而毛管持水量差異不顯著。不同更新改造（ZY、ZC、YS、YC）林帶中土壤理化性質(zhì)也存在差異，0～40 cm 土層不同更新改造林帶中土壤容重表現(xiàn)出ZY 林帶顯著大于ZC、YC 和YS 林帶，而ZC、YC 和YS 林帶間無(wú)明顯差異，土壤砂粒含量表現(xiàn)出ZY 和YS 林帶顯著大于YC 和ZC，YC 和ZC 差異達(dá)顯著水平，粉粒含量表現(xiàn)出YC 和ZC 林帶顯著大于ZY 和YS 林帶，ZY 和YS 差異達(dá)顯著水平；不同更新改造林帶中毛管持水量和黏粒含量大小順序均表現(xiàn)出YC ＞YS ＞ZC ＞ZY，其中毛管持水量在ZY、ZC 和YS 差異不顯著，黏粒含量均達(dá)顯著水平；土壤非毛管孔隙度大小順序?yàn)閅S ＞ZC ＞YC ＞ZY，其中YC 和ZC 無(wú)明顯差別；土壤有機(jī)質(zhì)含量大小順序?yàn)閅C ＞YS ＞ZY ＞ZC，其中ZY 和YS 無(wú)明顯差別；毛管孔隙度在更新改造林帶間均無(wú)差別?？偟膩?lái)看，更新改造林帶顯著改善了土壤容重和孔隙狀況，提高了土壤持水能力，顯著增加土壤黏粒、粉粒含量和有機(jī)質(zhì)含量，減少砂粒含量。同時(shí)，更新改造方式不同對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善效果存在差異，整體上YC 林帶對(duì)土壤理化性質(zhì)改良效果最好，ZC 和YS 林帶次之，ZY 林帶最差，說(shuō)明土壤理化性質(zhì)在一定程度上受到林帶樹(shù)種類型和組成的影響。

表2 土壤基本理化性質(zhì)?Table 2 Basic physical and chemical properties of soil

2.2 不同更新改造方式農(nóng)田防護(hù)林帶土壤團(tuán)聚體組成特征

由圖1 可見(jiàn)，各林帶均以0.25～0.50 mm 和＜0.25 mm 粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量占主要部分，兩粒徑之和超過(guò)50%，均以＞5.00 mm 和2.00～5.00 mm 粒徑的團(tuán)聚體含量最少，含量分別在0.02%～11.58%、0.73%～11.48%之間，且均以0.25～0.50 mm 團(tuán)聚體的比例在不同林帶下波動(dòng)較小，其他粒級(jí)波動(dòng)相對(duì)較大?？傮w上，5 種林帶在0～10、10～20、20～40 cm 土層團(tuán)聚體粒徑質(zhì)量百分比均呈現(xiàn)隨粒徑減小逐漸增大的趨勢(shì)，隨土層的增加逐漸降低，且在不同林帶間存在顯著差異（P＜0.05）。各土層中更新改造林帶與退化林帶（TYC）相比，更新改造的4 種林帶土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體均以＞0.25 mm 土壤大團(tuán)聚體居多，占整個(gè)團(tuán)聚體含量的56.8%～77.98%。退化林帶（TYC）水穩(wěn)定性團(tuán)聚體在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層均以＜0.25 mm 的微團(tuán)聚體為主，分別占整個(gè)團(tuán)聚體含量為57.74%、55.15%、53.68%，表現(xiàn)出隨土層深度的增加而降低。在更新改造林帶的0～10 cm 土層以ZC 林帶所占大團(tuán)聚體最多，在10～20、20～40 cm 土層均以YC 林帶大團(tuán)聚體最多。形成這一結(jié)果的原因可能是樟子松根系較淺對(duì)表層影響較大，楊樹(shù)根系較深對(duì)深層影響較大。

圖1 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶下不同土層各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比Fig.1 Mass percentages of water-stable aggregates with different grain sizes in different soil layers under different transformed shelterbelts

2.3 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

由圖2 可知，相同土層不同更新改造方式林帶團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)存在顯著差異。在0～40 cm 土層更新改造林帶（ZY、ZC、YS、YC）的WSA、GMD 值顯著高于退化林帶（TYC）（P＜0.05），大小依次為：TYC ＜YS ＜ZY ＜ZC ＜YC，D則相反，表現(xiàn)為退化林帶顯著高于更新改造林帶，YC ＜ZC ＜ZY ＜YS ＜TYC，差異達(dá)顯著。0～40 cm 土層更新改造林帶WSA 值在各林帶間差異顯著，GMD 值除ZY、ZC 林帶外，其他林帶間存在顯著差異；相同土層MWD、GMD 值在不同林帶間差異性不一致，在0～10、10～20 cm 土層各林帶間MWD 均值和GMD 均值表現(xiàn)出：YS ＜ZC ＜ZY ＜YC，且YC 顯著高于YS（P＜0.05）；0～10、10～20 cm 土層D 值退化林帶（TYC）顯著高于更新改造林帶（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），20～40 cm 土 層D 值 在ZY、ZC、YS林帶間無(wú)顯著差異，TYC 顯著高于YC；在0～10 cm 土層各林帶間PAD 值差異不顯著；10～20 cm 土層各林帶間ZY 的PAD 值顯著高于ZC、YS、YC、TYC（P＜0.05），ZC、YS、YC 之間差異不顯著，20～40 cm 各林帶（除YS、YC）間差異顯著，大小依次為：ZY ＞ZC ＞YS ＞YC ＞TYC。

圖2 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)隨土壤深度變化Fig.2 The stability indexes of soil aggregates varied with soil depth in different transformed shelterbelts

2.4 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶團(tuán)聚體隨土層深度變化特征

由表3 可知，雙因素方差分析結(jié)果顯示，土層深度對(duì)WSA 有顯著影響（P＜0.05），對(duì)GMD、MWD 和PAD 存在極顯著影響（P＜0.01），對(duì)D 影響不顯著（P＞0.05）。不同農(nóng)田防護(hù)林帶對(duì)WSA、MWD、GMD、PAD 和D 均存在極顯著影響（P＜0.01），農(nóng)田防護(hù)林帶和土壤深度的交互效應(yīng)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性無(wú)顯著影響（P＞0.05）。

表3 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶和土壤深度下土壤團(tuán)聚體指標(biāo)雙因素方差分析?Table 3 Two-way ANOVA of soil aggregate indexes under different shelterbelts and soil depth

由圖2 可知，相同更新改造方式林帶不同土層深度的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化規(guī)律不一致。WSA 隨土層深度逐漸減小，僅ZY 在0～10 cm與10～20 和20～40 cm 土層存在顯著差異（P＜0.05）；MWD、GMD 隨土層深度均逐漸減小，且ZY、ZC 在0～10 cm 土層與10～20 和20～40 cm 土層間存在差異顯著（P＜0.05）；隨土層深度的增加，更新改造林帶D 逐漸增大，退化林帶TYC 逐漸減少，且ZY、ZC、YC 在0～10 cm與10～20、20～40 cm 土層間D 差異顯著（P＜0.05）；隨土層深度的增加，PAD 逐漸增大，且在ZY、YS、YC 和TYC 中0～10 cm 土 層PAD 顯著低于10～20、20～40 cm 土層（P＜0.05）。

2.5 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶土壤可蝕性

土壤可蝕性[24]（K 值）是土壤抗蝕能力大小的一個(gè)相對(duì)綜合的指標(biāo)，表征土壤對(duì)外界侵蝕的敏感性，K 值越小，土壤抗蝕能力越強(qiáng)；土壤K值越大，抗蝕能力越弱。由圖3 可見(jiàn)，退化林帶（TYC）的抗侵蝕能力顯著低于更新改造林帶（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），隨土層增加土壤抗侵蝕能力逐漸降低，表層0～10 cm 土壤的抗蝕能力均比亞表層10～20 cm 土層強(qiáng)，且不同林帶間各土層土壤可蝕性的變化規(guī)律基本相同。綜合0～40 cm 土層，土壤抗侵蝕能力從大到小依次為YC ＞ZC ＞ZY ＞YS ＞TYC，土壤可蝕性分別為0.054、0.079、0.086、0.091、0.143。說(shuō)明更新改造能夠顯著提高農(nóng)田防護(hù)林土壤抗侵蝕能力，不同更新改造林帶抗侵蝕能力有所不同，其中YC的抗侵蝕能力最好，ZY、ZC 次之，YS 最差。

圖3 不同更新方式林帶土壤可蝕性的變化Fig.3 Changes of soil erodibility in the shelterbelts with different transformation modes

2.6 不同更新改造農(nóng)田防護(hù)林帶土壤團(tuán)聚體和土壤可蝕性影響因素分析

2.6.1 土壤團(tuán)聚體各粒徑與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的相關(guān)分析

土壤是由礦物質(zhì)顆粒構(gòu)成的，具有高度自相似性結(jié)構(gòu)和分形特征，土壤可蝕性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性受各粒級(jí)直接影響。由表4 可知，1.00～2.00、2.00～5.00 mm 粒 徑 團(tuán) 聚 體 含 量 與MWD、GMD、WSA 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與D 和K 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。團(tuán)聚體粒徑對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性的貢獻(xiàn)可用相關(guān)系數(shù)參數(shù)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)1.00～2.00、2.00～5.00 mm 粒徑團(tuán)聚體含量對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性貢獻(xiàn)較大；＜0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體與MWD、GMD、WSA 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.705、-0.772、-0.927，與D、K 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.767、0.888。表明在大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要受1.00～5.00 mm 粒徑團(tuán)聚體的主導(dǎo)，小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中土壤分形維數(shù)和土壤可蝕性主要受＜0.25 mm 粒徑影響因素。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤MWD、GMD、WSA、＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒徑呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤K、0.25～0.50、＜0.25 mm 粒徑呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），因此有機(jī)質(zhì)含量越高，＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒徑團(tuán)聚體含量越多，土壤MWD、GMD、WSA 越大，其中K 與WSA相關(guān)性明顯高于其他團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。由此可知，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤可蝕性、團(tuán)聚體粒徑和有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，提高＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒徑團(tuán)聚體含量，有助于提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低土壤可蝕性。此外發(fā)現(xiàn)＞0.50 mm 粒徑與土壤GMD、MWD、WSA 正相關(guān)，與土壤D、K 負(fù)相關(guān)，＜0.50 mm 與之相反，說(shuō)明0.50 mm 粒徑可以作為團(tuán)聚體粒徑影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性K 值正負(fù)相關(guān)的閾值。PAD 與WSA、MWD、GMD、D、K、有機(jī)質(zhì)以及各粒徑團(tuán)聚體關(guān)系均不顯著，說(shuō)明PAD 不能作為此區(qū)域水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的研究。

表4 土壤團(tuán)聚體各粒徑與團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的Pearson 相關(guān)分析?Table 4 Pearson correlation analysis of soil aggregate size with aggregate stability and erodibility

2.6.2 土壤理化性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性關(guān)系

土壤理化性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性冗余分析（RDA）如圖4 所示，結(jié)果表明：土壤理化性質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性的累積解釋量達(dá)71.89%（F=12.4，P=0.02），其中RDA1 的累積解釋量為63.02%，前2 軸（RDA1和RDA2）的累積解釋量為71.88%，擬合方差累積解釋量為99.98%。土壤有機(jī)質(zhì)含量、粉粒含量、黏粒含量、非毛管孔隙度和毛管持水量與土壤MWD、GMD、WSA 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與分形維數(shù)D、土壤可蝕性K 值呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；土壤砂粒含量和土壤容重與土壤MWD、GMD、WSA 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與分形維數(shù)D、土壤可蝕性K 值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。土壤砂粒含量和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性影響最大，分別解釋了56.6%和7.1%的變異，其次是容重（3.1%）和黏粒含量（2.2%），毛管孔隙度最低，對(duì)其解釋量?jī)H0.5%。土壤砂粒、有機(jī)質(zhì)含量及容重相比土壤黏粒含量、非毛管孔隙度和毛管持水量等理化性質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的影響更顯著。土壤有機(jī)質(zhì)含量越大，土壤容重和砂粒含量越小，土壤團(tuán)聚體D 和K 值越小，土壤MWD、GMD、WSA 越大，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體越穩(wěn)定，抗侵蝕能力越強(qiáng)。

圖4 土壤理化性質(zhì)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的RDA 排序Fig.4 RDA ranking of soil physicochemical properties and aggregate stability and erodibility

3 討 論

3.1 不同更新改造方式林帶團(tuán)聚體組成特征分析

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[25]，其大小和數(shù)量影響著土壤質(zhì)量，通常認(rèn)為＞0.25 mm 粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量越多，土壤穩(wěn)定性越好，抗侵蝕能力越強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)林帶更新改造后，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例顯著增加，顯著高于退化林帶，且不同更新改造方式林帶間土壤團(tuán)聚體分布存在差異，這與黎宏祥等[5]對(duì)于喀斯特地區(qū)林分類型的研究結(jié)果相似。說(shuō)明更新改造方式對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及分布具有顯著影響，這可能是因?yàn)楦赂脑旆绞皆斐闪謳У厣现脖粯?gòu)成、地表凋落物輸入的數(shù)量和質(zhì)量以及地下根系分布狀況不同[7]，導(dǎo)致土壤環(huán)境的差異，使微生物和有機(jī)質(zhì)輸入的量和分解速率不同，進(jìn)而使形成大團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)存在差異[26]，最終在不同林帶中表現(xiàn)出土壤團(tuán)聚體分布存在差異。本研究也發(fā)現(xiàn)更新改造林帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＞0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體為主，說(shuō)明更新改造有助于提高林帶土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）向大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）轉(zhuǎn)變，退化林帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＜0.25 mm 粒徑微團(tuán)聚體為主，表明退化林帶土壤團(tuán)聚體向小粒徑方向轉(zhuǎn)變，這與季波等[27]對(duì)于黃土區(qū)天然草地的研究相似，這一方面反映了更新改造對(duì)土壤團(tuán)聚體分布特征具有影響，另一方面也可反映出不同更新改造樹(shù)種的構(gòu)成及地上植被掉落物土壤狀況等對(duì)土壤團(tuán)聚體也具有影響。

3.2 不同更新改造方式林帶團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析

土壤MWD 和GMD 反映團(tuán)聚體大小分布狀況[28]，其值越大表明土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量越好。本研究結(jié)果表明不同更新改造林帶土壤MWD、WSA 和GMD 顯著高于退化林帶（P＜0.05），而土壤D 更新改造林帶顯著低于退化林帶，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性依次：TYC ＜YS ＜ZY ＜ZC ＜YC，說(shuō)明更新改造顯著提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，YC和ZC 相比于ZY、YS 林帶更有助于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚度，改善土壤結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果與馬帥等[29]對(duì)黃土高原植被恢復(fù)的研究結(jié)果相似，這是因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體穩(wěn)定性與林帶樹(shù)種組成、林帶內(nèi)凋落物分解速率及有機(jī)質(zhì)的含量有關(guān)。退化林帶與更新改造林帶相比樹(shù)干枝條退化導(dǎo)致地表掉落物和地表植物較少，而更新改造ZC 和YC 林帶與ZY、YS 林帶相比具有較高的郁閉度和較多地表凋落物，凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)輸入的重要來(lái)源[30]，而有機(jī)質(zhì)是形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)良好的膠結(jié)劑，能促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，增加大團(tuán)聚體的分布和數(shù)量，同時(shí)凋落物的分解也為微生物生存和繁殖提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[31]，使微生物生理活動(dòng)更加旺盛其產(chǎn)生的分泌物對(duì)土壤產(chǎn)生膠結(jié)作用，將較小的土壤顆粒黏聚成較大的團(tuán)聚體，從而提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。土壤PAD 反映土壤破壞程度的大小，其值越小，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，本研究發(fā)現(xiàn)退化林帶破壞程度低于更新改造林帶，這與其他研究結(jié)論不一致[24]，經(jīng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)退化林帶砂粒含量較高，可能是由于砂粒含量較高時(shí)不利于水穩(wěn)定團(tuán)聚體的表達(dá)，PAD 不適用于此區(qū)域研究團(tuán)聚體穩(wěn)性特征研究。

3.3 不同更新改造方式林帶團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨深度變化分析

雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，土層深度對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)存在顯著影響。于海艷等[32]和馮文瀚等[33]對(duì)華北和華東地區(qū)人工林研究表明，WSA、MWD、GMD 隨土壤深度增加逐漸降低，而D 變化趨勢(shì)與此相反，這與本研究的土壤WSA、MWD 和GMD 均隨土層深度增加逐漸減小，而D 和K 逐漸增大，且D 和K 在0～10 cm 土層不同林帶團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異顯著，20～40 cm 土層各林帶間團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異不顯著的結(jié)論相一致。形成這一規(guī)律的原因可能是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕性能與根系質(zhì)量密度呈顯著正相關(guān)[34]。林帶的地下生物量及樹(shù)根系主要分布在0～20 cm土層處，在20～40 cm 土層相對(duì)較少，使得土壤有機(jī)質(zhì)富集在土壤表面，表層土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)淋溶和遷移作用輸入到亞表層，從而表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢(shì)，并在20～40 cm 土層以下趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性隨土層深度的增加逐漸降低，土壤結(jié)構(gòu)變差，表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力顯著高于深層。

3.4 不同更新改造方式林帶土壤可蝕性的差異分析

土壤可蝕性因子[35]（K 值），可以反映土壤物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性密切相關(guān)，K 值大的土壤易受侵蝕。通過(guò)對(duì)比分析各林帶土壤K 值，發(fā)現(xiàn)退化林帶的土壤可蝕性顯著高于更新改造林帶（P＜0.05），更新方式不同土壤可蝕性存在差異，其中YC 土壤可蝕性顯著低于其他更新改造林帶。這說(shuō)明更新改造林帶中YC 的土壤抗侵蝕能力最強(qiáng)，而林帶退化使土壤抗侵蝕能力變差，更新改造有助于提高土壤抵抗侵蝕的能力，這與之前TANG 等研究結(jié)果相似[36]，農(nóng)田防護(hù)林帶可通過(guò)更新改造提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性來(lái)減少土壤侵蝕的發(fā)生[37]。主要機(jī)制是由于隨著更新改造的實(shí)施，林帶地上植被蓋度增加，導(dǎo)致輸入的有機(jī)質(zhì)增加，造成土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變，促進(jìn)新的更加豐富的大團(tuán)聚體的形成，從而提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕能力。

3.5 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的影響

更新改造林帶對(duì)土壤理化性質(zhì)和團(tuán)聚體的影響主要表現(xiàn)在增加了土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒、粉粒含量以及孔隙度和大團(tuán)聚體數(shù)量，降低了土壤容重和砂粒含量，從而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[24]。朱冰冰等[38]對(duì)黃土區(qū)土地退化研究表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤可蝕性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體關(guān)系密切，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力越好。本研究也發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤MWD、GMD、WSA 呈顯著正相關(guān)，與土壤可蝕性K 值呈顯著負(fù)相關(guān)。該結(jié)果與聶富育等[39]研究結(jié)果一致，可能是由于凋落物和植物殘?bào)w的分解是土壤中有機(jī)質(zhì)的輸入主要來(lái)源[40]，而微生物分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)對(duì)土壤顆粒起黏結(jié)作用，有助于大團(tuán)聚體的形成。徐文秀等[41]對(duì)于紫土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)土壤可蝕性與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤黏粒含量、粉粒含量呈正相關(guān)，這與本研究結(jié)果中砂粒、有機(jī)質(zhì)含量更重要且土壤可蝕性與砂粒含量呈顯著正相關(guān)，與土壤粉粒含量、黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)不一致。其可能是由于本研究區(qū)土壤質(zhì)地有關(guān)，土壤砂粒含量較高時(shí)，土壤疏松趨近于沙化，使得土壤的黏結(jié)性變差，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒間膠結(jié)作用減弱和細(xì)小顆粒易流失，使得水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性降低，增加土壤可蝕性K 值，使得土壤抗侵蝕能力降低。土壤容重與土壤非毛管孔隙度、毛管持水量及MWD、GMD、WSA 呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤D、K 值間呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤容重越小，孔隙越大，團(tuán)聚體越穩(wěn)定，這與趙友朋等[42]研究結(jié)果有所不同，造成這種差異的原因可能是土壤理化性質(zhì)對(duì)粒級(jí)較小的土壤團(tuán)聚體影響更大，從而影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土壤團(tuán)粒和團(tuán)粒間存在較大的孔隙度有助于空氣流通，使得持水毛管孔隙在團(tuán)粒內(nèi)部占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)創(chuàng)造了良好的條件?？偟膩?lái)說(shuō)，土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒、粉粒含量、土壤非孔隙度越大，土壤容重越小，水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，土壤抗蝕侵蝕能力越強(qiáng)。

本研究?jī)H選取半干旱平原區(qū)更新改造的農(nóng)田防護(hù)林帶從樹(shù)種組成探究土壤團(tuán)聚體特征和可蝕性以及相關(guān)的土壤理化性質(zhì)，日后的研究應(yīng)將半濕潤(rùn)丘陵漫崗區(qū)坡面更新改造的農(nóng)田防護(hù)林帶作為研究對(duì)象，從樹(shù)種組成以及結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面進(jìn)行研究，為不同區(qū)域地形下農(nóng)田防護(hù)林更新改造配置方式提供依據(jù)。此外，影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征差異的因素復(fù)雜多變，進(jìn)一步解釋土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定機(jī)制，尚需結(jié)合離子交換量、土壤鐵鋁氧化物等因子綜合研究。

4 結(jié) 論

黑土平原區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶實(shí)施更新改造措施后，土壤團(tuán)聚體、土壤可蝕性和土壤理化性質(zhì)均發(fā)生了正向變化，且更新改造方式不同對(duì)其改善效果存在差異。更新改造林帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體為主，退化楊樹(shù)林帶水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＜0.25 mm 的微團(tuán)聚體為主；5 種林帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力大小為：YC ＞ZC ＞ZY ＞YS ＞TYC；土壤理化性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性密切相關(guān)，土壤砂粒、有機(jī)質(zhì)含量及容重較土壤黏粒含量、非毛管孔隙度等理化質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的影響更顯著?？傊?，研究發(fā)現(xiàn)更新改造防護(hù)林帶的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤抗侵蝕能力得到明顯提升，并使土壤質(zhì)量朝著良好方向發(fā)展，在更新改造方式中楊樹(shù)和樟子松林帶團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕性顯著優(yōu)于樟子松-楊樹(shù)混交、云杉林帶，考慮到楊樹(shù)生長(zhǎng)周期短，未來(lái)應(yīng)優(yōu)先選擇樟子松作為防護(hù)林主要樹(shù)種。本研究結(jié)果對(duì)于退化農(nóng)田防護(hù)林帶的生態(tài)功能修復(fù)和農(nóng)田防護(hù)林的建設(shè)具有重要意義。