黑土區楊樹農田防護林土壤團聚體的穩定性

孫家興， 趙雨森， 辛 穎， 張 軍

(東北林業大學 林學院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

農田防護林在充分利用水熱資源、改善小氣候、提高作物產量等方面發揮著巨大的作用。農田防護林的存在降低了風速，防止了風剝現象，增加了田間空氣濕度，改良了土壤理化性質，改善了土壤結構，減少了水土流失，增強了土地的長期生產力[1]。

土壤結構是指土壤中所包含的不同大小、形狀、孔隙度和水穩性及非水穩性團聚體的總和，可以綜合反映土壤的肥力狀態。土壤團聚體即為良好的土壤結構，指土粒通過各種自然過程的作用而形成的直徑小于10 mm的結構單位，良好的團聚結構能夠更好地調節植物對水養氣的需要，有效防止水土流失，促進植物生長[2]。土壤團聚體穩定性是土壤生物、化學和物理過程共同作用的結果[3]，有機質、微生物、植被覆蓋情況、土地利用類型和氣候條件等都會對其造成影響[4-5]，侵蝕過程中的土壤分離、搬運更是與團聚體穩定性息息相關[3]。土壤團聚體穩定性和林齡具有很強的相關性，尤其是對表層土壤[4]，林帶密度對土壤團聚體的影響仍然需要進行深入研究。

黑龍江省黑土區以農業生產為主，春秋兩季干燥且風大，夏季降雨集中，建設有大量的農田防護林。其中由小黑楊(Populus×xiaohei)構成的農田防護林現在多數已為成、過熟林。以往關于農田防護林的研究多集中在防護林的建設以及脅地問題上，對于防護范圍內的田間土壤研究較多，關于防護林自身的研究則較少，關于團聚體穩定性的研究多集中在不同土地利用方式和不同耕作模式下[6-9]，關于不同密度下的團聚體穩定性研究則較少。為了解農田防護林帶對土壤結構以及土壤養分的影響，本文擬探究黑土區不同密度下楊樹農田防護林帶對林下土壤結構的影響，以棄耕地為對照，對農田防護林土壤團聚體的穩定性、不同密度農田防護林帶內土壤團聚體的分布特征以及含量變化進行分析研究，以期為當地防護林的栽植密度提供參考，為農田防護林的可持續性提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于世界3大黑土區之一的東北黑土區，黑龍江省中部偏西的齊齊哈爾市拜泉縣豐產鄉長安村(125.76 E,47.64 N)。屬中溫帶大陸性季風氣候，土質肥沃、雨熱同期，年均降雨量490 mm，年均積溫2 454.5 ℃，年均日照2 730 h，無霜期122 d[10]。有利于多種農作物生長，主要糧食作物有玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等。小黑楊(Populus×xiaohei)、樟子松(Pinussylvestris)等為當地農田防護林的主要構成樹種，具有一定的代表性。

1.2 樣地選擇及取樣方法

2016年6月選定3條有代表性的小黑楊農田防護林帶，株行距分別為3 m×1.5 m，2 m×1.5 m，1.5 m×1 m，以棄耕30 a的無林地為對照。在選定的林帶內分別設置3個取樣點，其中第一個取樣點位于林帶中間株行距的交叉點上，其他2個取樣點分別在其兩側距離27 m處，共計12個。每個取樣點分4層，取樣深度為0—10，10—20，20—40，40—60 cm。每層用100 cm3環刀取原狀土測定土壤容重，同時用鋁盒取土壤樣品，每層3個重復，并用塑料盒取原狀土帶回，將同一樣地不同取樣點的同一層土樣混合均勻，除去石礫和根系等雜質，經自然風干且分別過2，0.5和0.149 mm土壤篩后供試驗待用。樣地的基本特征見表1，土壤基本理化性質如表2所示。

表1 樣地基本特征

1.3 樣品測定

土壤容重的測定采用環刀法；土壤有機碳的測定取過0.149 mm土壤篩的風干土樣，用碳氮分析儀(Elementar vario EL Ⅲ)進行測定；全氮的測定采用硫酸高氯酸消煮，用海能K9860全自動凱氏定氮儀進行測定；全磷的測定采用硫酸、高氯酸消煮—鉬銻抗比色法；pH值的測定采用電位法，用水處理土壤時液土比為2.5∶1[2]。

土壤團聚體包含水穩性團聚體和非水穩性團聚體，土壤團聚體的測定采用篩分法。非水穩性團聚體采用干篩法，將土壤團聚體進行分級。將塑料盒中的土輕輕剝成直徑約10 mm的小塊，挑去樹葉、殘根、石塊等，自然風干2 d。取1 000 g風干土樣，分4次置于套篩(孔徑從上到下依次為5.0，2.0，1.0，0.5及0.25 mm)頂部，人工振動5 min，然后將留在各級篩子上的樣品分別進行稱量并且計算所占比例。水穩性團聚體的測定采用濕篩法，濕篩法分為6級(>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25,<0.25 mm)，根據干篩分取的各級風干土樣所占比例配制50 g，同一樣方每層稱取3個重復，其中小于0.25 mm的團聚體雖然計算數值但并不倒入準備濕篩的樣品中。濕篩時，將配好的土壤樣品均勻的灑在篩組最上方的套篩上，將篩組放進團粒分析儀的震蕩架上，先潤濕3 min，再以32 mm振幅，30次/min的頻率在水中篩分30 min，之后將各級篩上的團聚體分別洗入鋁盒烘干，放置一晝夜后稱重。

表2 黑土區楊樹農田防護林不同林帶土壤基本理化性質

1.4 數據處理

單一的評價指標往往不能如實的反映研究情況，在此采用分形維數(D)、平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體破壞率(PAD)4種評價指標對土壤團聚體穩定性進行評價，具有更高的靈敏性和準確性[11]。

幾何平均直徑(GMD)和平均質量直徑(MWD)是反映土壤團聚體結構和穩定性的重要指標，幾何平均直徑和平均質量直徑值越大，表示土壤結構越好、穩定性越強[12]。分形維數(D)越高表示土壤黏粒含量越高、細顆粒越多，沙粒含量越少，土壤質量改善越好，越低則表示土壤結構相對越松散、通透性越好[13-14]。團聚體破壞率(PAD)一般其數值越大，表明團聚體越容易遭到破壞，穩定性越低[15]。

團聚體平均質量直徑[16]:

(1)

團聚體幾何平均直徑[17]:

(2)

式中：xi——第i級團聚體的平均直徑(mm);yi——第i級團聚體占總土壤干質量的百分比。下同。

分形維數(fractal dimension，D)[18]:

M(r

(3)

式中：M(r

團聚體破壞率(PAD)[19]

(4)

式中：DR0.25——大于0.25 mm的非水穩性團聚體含量； WR0.25——大于0.25 mm的水穩性團聚體含量。

數據的處理和制圖采用Microsoft Excel 2010，數據的分析采用SPSS 19.0。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體粒級分布及團聚體破壞度

由表3可以看出，黑龍江省黑土區楊樹農田防護林帶土壤非水穩性團聚體主要以>2 mm的團聚體為主，<0.25 mm的非水穩性團聚體占比最低，5～2 mm非水穩性團聚體百分含量最高，最低為24.75%，最高達41.16%。>0.25 mm非水穩性大團聚體占比高達90%以上，對照各層>5 mm粒徑的非水穩性團聚體均高于楊樹農田防護林帶(表3)，分別是38.16%,33.19%,41.57%和53.46%。<0.25 mm粒徑的非水穩性團聚體百分含量對照占比例最低，各層均低于3.5%。

水穩性團聚體與非水穩性團聚體相比，>2 mm粒徑的團聚體含量減少，2～1，1～0.5，0.5～0.25,<0.25 mm粒級團聚體含量增加(表4)。不同密度下水穩性團聚體占比最高為32.09%，與非水穩性團聚體相比下降12%。隨著林帶密度的增大，>0.25 mm水穩性團聚體先增加后減小且占比均在70%以上，低密度、中密度、高密度林帶>0.25 mm水穩性團聚體含量分別是73.6%，74.2%，72.6%。

表3 黑土區楊樹農田防護林土壤不同粒徑非水穩性團聚體百分含量

表4 不同粒徑水穩性團聚體百分含量

通過水穩性團聚體和非水穩性團聚體的含量變化可以計算團聚體破壞度。由圖1可知，隨著農田防護林林帶密度的降低，團聚體破壞率整體呈現下降趨勢，土壤團聚體穩定性增強。土壤團聚體破壞度的平均值從大到小依次是：高密度>對照>中密度>低密度，在0—10 cm，不同密度防護林帶團聚體破壞度差異顯著(p<0.05)且均高于對照的團聚體破壞度，對照的團聚體破壞度最低為8.3%，高密度的團聚體破壞度最高為14.51%；10—20 cm土層，不同密度防護林帶之間的團聚體破壞度差異顯著(p<0.05)，中密度的團聚體破壞度最低為17.8%，高密度的團聚體破壞度最高為27.5%；20—40 cm 對照與林帶以及林帶之間的團聚體破壞度均無顯著性差異，低密度的團聚體破壞度最低為16.4%，中密度的團聚體破壞度最高為20.5%；40—60 cm土層，不同密度防護林帶之間的團聚體破壞度差異顯著(p<0.05)，對照的團聚體破壞度最高為25.8%，低密度的團聚體破壞度最低為17.3%。各樣地表層土壤團聚體破壞度最低，同一樣地不同深度之間差異顯著(p<0.05)，隨著土層的加深，對照的團聚體破壞度隨之增加，而各林帶內的團聚體破壞度則隨著土層的加深先增加后降低；0—20 cm的團聚體破壞度高于對照，20—60 cm各林帶內深層土壤的團聚體破壞度逐漸降低至低于對照，40—60 cm土壤團聚體破壞度從大到小依次為:對照>高密度>中密度>低密度，說明林帶降低了深層土壤的團聚體破壞度。

2.2 不同密度團聚體穩定性分析

由表5可知，干篩下各林帶平均質量直徑，幾何平均直徑均小于對照的平均質量直徑，幾何平均直徑值。0—10 cm的平均質量直徑，幾何平均直徑隨林帶密度的降低而降低，說明高密度林帶表層土壤穩定性更高。濕篩后相同土層的平均質量直徑，幾何平均直徑值隨密度的增大而增大，不同密度林帶之間差異顯著(p<0.05)，0—10 cm濕篩平均質量直徑，幾何平均直徑值從大到小依次是：高密度>對照>中密度>低密度，0—20 cm 高密度林帶的平均質量直徑，幾何平均直徑值高于對照，中密度、低密度的平均質量直徑，幾何平均直徑值低于對照，20—60 cm各林帶平均質量直徑，幾何平均直徑值均高于對照且與對照差異顯著(p<0.05)，即隨著林帶密度的增加，土壤水穩性團聚體增多，土壤水穩性增強。相同密度下隨深度的增加平均質量直徑，幾何平均直徑降低，不同深度之間差異顯著(p<0.05)，說明黑龍江省黑土區表層土壤穩定性較高，林帶的存在增強了深層土壤的穩定性。

注：同一土層不同密度間差異顯著(p<0.05)用不同小寫字母表示; 同一密度不同深度間差異顯著(p<0.05)用不同大寫字母表示。下同。

表5 黑土區楊樹農田防護林不同密度土壤團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑

由表6可知黑龍江省黑土區不同密度楊樹農田防護林非水穩性團聚體分形維數在0—10，10—20 cm隨密度的減小而減小，在20—40，40—60 cm隨密度的減小而增大。水穩性團聚體分形維數在0—10，10—20，40—60 cm隨密度的減小而減小，在20—40 cm隨密度的減小而增大。各樣地團聚體分形維數高密度>中密度>低密度>對照，說明林帶密度的增大增加了土壤黏粒含量，降低了土壤沙粒含量，土壤質量得到改善。相同土層中對照的分形維數最小，這是因為棄耕地內雜草覆蓋率較高，對土壤質量的改善效果較林帶差，土壤黏粒含量較低而沙粒含量較高。

表6 黑土區楊樹農田防護林不同密度土壤團聚體分形維數(D)

3 討 論

農田防護林的存在可以有效改善農業生態環境，減少自然災害對農業生產造成的危害和損失，改良土壤，防止發生次生鹽漬化，維持地力，增強土地的長期生產力[20]。農田防護林可以通過改變風速、水汽及溫度等來改善小氣候，從而有利于林下、田間作物的生長，提高農作物質量和產量。然而以往關于黑龍江省黑土區農田防護林的研究關注點多集中在農田，卻很少關注林帶自身土壤狀況。只有農田防護林自身穩定健康，才能更好地發揮防護效益，而林帶土壤與林帶相互影響，息息相關。

土壤團聚體對土壤的性質和肥力有著深刻影響[21]，各級土壤團聚體的數量和空間分布決定了土壤的持水能力和通透性，并影響土壤微生物的活動以及養分的供應能力[22]。有機質的膠結作用可促進土壤大團聚體的形成，降低黏性土壤黏粒的接觸面，降低土壤黏性，改善黏土的土壤耕性，增強土壤通透性，降低土壤容重。本研究顯示黑土區楊樹農田防護林帶土壤有機碳含量從表層到深層由高到低的變化特征，隨著楊樹防護林帶密度的增大表層土壤團聚體破壞度也增大。不同密度楊樹農田防護林團聚體分形維數在土壤表層隨密度的減小而減小，在土壤深層隨密度的減小而增大。這可能是因為農田防護林帶行數較少，密度較低的楊樹農田防護林帶枯落物較難保存，而高密度楊樹防護林帶則相對容易，因枯落物的增加使得表層土壤有機質含量增高，促進了土壤大團聚體的形成。王賢等[23]發現表層土壤的分形維數受枯落物的影響較大，深層土壤的分形維數與根系的穿插和固結作用密切相關。華瑞等[24]研究認為土壤分形維數荒草地要低于林地，隨著土壤深度的增加，林帶的降幅更大。土壤分形維數增大，表明水穩性團聚體及黏粒含量增加，土壤質量改善越明顯。這與本文研究結果并不完全一致，可能是因為研究區域不同、土地的利用方式也不同。

一般而言，土壤結構越好、穩定性越強，則幾何平均直徑和平均質量直徑的值越大，分形維數(D)越高表示土壤黏粒含量越高，沙粒含量越少，土壤的改良程度越高，分形維數越低則表示土壤結構相對越松散、通透性越好。團聚體破壞率(團聚體破壞度)一般數值越大，表明團聚體越容易遭到破壞，穩定性越低。在此用團聚體破壞率、平均質量直徑、幾何平均直徑、分形維數等指標可以更加準確的反映土壤團聚體的穩定性。

本研究中平均質量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)值隨密度的增大而增大，高密度的楊樹農田防護林帶平均質量直徑，幾何平均直徑值更大，周婭等[25]對于北京八達嶺不同密度油松的研究發現平均質量直徑，幾何平均直徑隨林帶密度的增大而降低，這與本文結論不同。本研究中黑土區楊樹農田防護林帶均為31 a，平均質量直徑，幾何平均直徑均隨黑土區楊樹農田防護林帶密度的增加而提高，林帶團聚體穩定性高于棄耕地。王連曉等[4]通過對不同林齡橡膠林土壤團聚體分布特征的研究發現，20 a的橡膠林平均質量直徑，幾何平均直徑均最大，D值較小，其穩定性最好。楊鵬等[26]研究發現不同植被類型下，土壤團聚體穩定性最高的是混交林，其次為純林，灌草叢最低，這種不同的結論可能是因為不同地區氣候條件、土壤類別各不相同[27-28]，也可能是因為林帶密度的增大，增加了作為膠結物質的有機質含量，有利于團聚體的形成。

本研究選擇了不同密度的黑土區楊樹農田防護林帶為研究對象，可增加不同林齡下各密度的土壤團聚體穩定性變化規律，也可對不同樹種的農田防護林帶進行研究比較。土壤異質性對土壤分形維數有著深刻影響，土壤有機碳和土壤團聚體穩定性有顯著的相關性[29]，在這一方面進行研究分析將有助于解釋密度對土壤團聚體穩定性的影響。土壤團聚體穩定性與土壤養分含量的相關性也應做進一步的探究，并不僅限于土壤碳、氮、磷的含量，對土壤團聚體的各項評價指標的選取與權重也應做更加細致的研究考量。

4 結 論

(1) 隨著黑土區農田防護林林帶密度的降低，土壤團聚體破壞率整體呈下降趨勢，從平均值看高密度林帶團聚體破壞度要大于棄耕地，低密度林帶團聚體破壞度最低。在40—60 cm土層范圍內，各農田防護林帶土壤團聚體破壞度均低于棄耕地，棄耕地團聚體破壞度最大，說明林帶的存在降低了深層土壤的團聚體破壞度。

(2) 濕篩平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)均隨黑土區農田防護林林帶密度的降低而降低，0—20 cm僅高密度林帶平均質量直徑、幾何平均直徑值高于對照。隨深度的增加，20—60 cm平均質量直徑、幾何平均直徑降低但均大于棄耕地，說明林帶的存在可以增強深層土壤的穩定性。通過平均質量直徑、幾何平均直徑的變化，可以看出黑龍江省黑土區高密度(1.5 m×1 m)的楊樹農田防護林帶平均質量直徑、幾何平均直徑更大，水穩性更強。

(3) 非水穩性團聚體分形維數和水穩性團聚體分形維數與土壤容重呈負相關關系，在0—20 cm分形維數隨密度的減小而減小，在20—60 cm隨密度的減小而增大。黑龍江省黑土區農田防護林帶密度的增大增加了土壤黏粒含量，降低了沙粒含量，土壤團聚體穩定性增強，土壤質量得到改善。高密度(1.5 m×1 m)楊樹農田防護林帶對土壤的改良效果最明顯，深層土壤水穩性最高，但增加了表層土壤團聚體的破壞度。