东北典型黑土区由于土壤肥沃、气候适宜且耕地广阔, 成为我国重要的商品粮生产基地^[1]。黑土区耕地多为山前波状起伏及漫岗地, 具有坡缓、坡长的特点, 耕地平整度较差, 坡度一般在3°—8°^[2]。近些年来, 由于长期的过度开发和不合理的土地利用, 东北黑土区的生态环境遭受到了严重的破坏。据统计, 约27%的黑土区遭受到了不同程度的侵蚀^[2]。其中, 坡耕地更是成为了土壤侵蚀的重灾区, 侵蚀类型复杂、侵蚀面积大、土壤抗蚀性差^{[3, 4]}。土壤侵蚀不仅降低了土壤肥力, 造成土壤质量退化, 而且对生态环境有着极大的破坏作用, 严重影响了当地经济文化的可持续发展^[5]。

土壤侵蚀的成因十分复杂, 一般认为是多种因素共同作用的结果, 但大致可分为外部因素和内部因素。外部因素如风力、水流和冻融等自然条件^[2], 内部因素如土壤营养成分、颗粒组成、团聚体大小等也会影响土壤的抗侵蚀能力^{[6, 7]}。已有研究表明, 土壤抗蚀性通常使用抗蚀指数、分散率和水稳性团聚体含量等指标量化, 与土壤理化性质密切相关^[8—9]。研究土壤抗蚀性对于黑土区防治土壤侵蚀有着关键作用。水土保持林带是黑土区常用的防治土壤侵蚀、减少水土流失的生物措施, 关系着整个黑土平原区农田生态系统的水土流失和粮食安全^[3]。此外, 坡耕地布置防护林带不仅能有效减少来自上坡的产沙量, 而且能有效阻断径流中土壤养分向下坡的运移, 减少耕地水土流失^[10]。近些年来, 国内学者从不同角度探究了水土保持林带对土壤抗蚀性的影响, 但大多集中在不同树种、林龄、密度的水土保持林的防护效果^{[9, 11]}。然而, 东北典型黑土区内大尺度范围下水土保持林带对耕地土壤抗侵蚀能力影响的研究相对较少。此外, 由于不同地点的气候条件差异, 不同地点杨树水土保持林带下土壤理化性质和抗蚀性可能存在差异, 需要进一步进行评价。

因此, 本研究在东北典型黑土区选取了3个具有代表性的地点, 以杨树水土保持林带下坡耕地土壤为研究对象, 以无林带防护的坡耕地土壤为对照, 探究了不同地点坡耕地土壤抗侵蚀能力的差异及其影响因素, 为典型黑土区内耕地土壤的侵蚀阻控提供科学参考, 并为科学评价杨树水土保持林带在东北典型黑土区的水土保持效益及可持续性经营提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

典型黑土区属温带大陆性季风气候, 四季分明, 春季多风少雨, 冬季严寒漫长。地貌类型以平原、漫岗和低山丘陵为主, 土壤类型多样, 以黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土、白浆土为主, 土地利用类型多为耕地, 是我国重要的粮食生产基地^[12]。本研究选取典型黑土区内辽源市、宾县和克山县为实验地点(图 1)。其中, 辽源市属典型黑土区南部边缘地区, 以低山丘陵地貌类型为主, 坡面较缓, 农业生产以种植业为主, 坡耕地比例大, 土壤类型有棕壤、暗棕壤、白浆土、草甸土等, 年均降水量为716 mm, 年均温4.95℃。宾县地处典型黑土区的东部边缘, 以低山丘陵和漫川漫岗地貌类型为主, 地势较为平缓, 耕地坡度变化为1°—8°, 坡耕地面积较大。土壤类型以黑土、暗棕壤、草甸土为主, 土质较为疏松, 抗侵蚀能力弱^[13], 年均温3.69 ℃, 年均降水量561 mm。克山县位于典型黑土区北部, 属于小兴安岭西南麓向松嫩平原过渡的典型黑土区核心地带, 以漫川漫岗地貌类型为主, 坡度多为2°—6°, 坡长且缓, 主要土壤类型有黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤^[14], 年均气温1.84 ℃, 年均降水量497 mm。本研究选取辽源市、宾县和克山县为实验地点, 其地貌特征在东北黑土区具有典型性, 土壤类型属黑土区的主要土壤类型。实验地点均属于典型黑土区内粮食主产区, 长期耕作导致土壤肥力下降, 坡面径流造成的水土流失严重, 耕地土壤抗侵蚀能力弱。

1.2 研究方法 1.2.1 样品采集

黑土区耕地多为长缓坡, 且平整度较差^[2], 耕地上常种植的农作物有大豆(Glycine max)、玉米(Zea mays), 坡面上方设置防护林带树种多为小黑杨(Populus×xiaohei)、落叶松(Larix gmelinii)。因此, 2022年5月, 经实地调查, 在辽源市、宾县、克山县分别配对选取农地施肥水平和管理措施基本相同且距离相近的一块林带下坡耕地、一块无林带坡耕地。坡度在4°—6°之间, 坡长在200 m左右, 坡面种植作物为玉米, 有林带耕地防护林树种均为生长情况相近的小黑杨, 样地详细信息见表 1。该立地条件在典型黑土区具有典型性。2022年7月, 在3个地点坡耕地的同一坡向上设置采样区, 已有研究表明, 在典型黑土区, 坡面农田防护林防控水土流失的有效距离为120—140 m^[15], 所以本研究选择坡长为180 m的坡面进行研究。在样地内沿坡耕

地的方向设置3条平行取样线, 采用机械分段与自然坡位分段^[16]相结合的方法, 沿采样线方向从上至下依次间隔36 m设置5个采样点(图 2)。在3条样线各坡位处设置采样点后, 于实验样地和对照样地的取样点取0—15 cm, 15—30 cm, 30—45 cm土层土样混合装袋, 将3条样线相同坡位的土样装袋, 作为3个重复, 共计采得土样90份。同时, 采集原状土, 共计90份。将所采集的土样带回实验室, 剔除石块和植物根系后进行相关指标的测定。本研究供试土样土壤类型以黑土、暗棕壤为主, 属于典型黑土区的主要土壤类型(表 1), 土壤质地以壤土为主(美国制)(表 2), 其通气透水、保水保温能力较好, 是典型黑土区内较为理想的农业土壤, 具有一定代表性。

1.2.2 样品指标测定与方法

样品采回后, 按照标准测样方法^[17—19]测定了土壤容重、孔隙度、持水量、团聚体(干筛团聚体：>5、2—5、0.5—2、0.25—0.5、< 0.25 mm；湿筛团聚体：>5、2—5、0.5—2、0.25—0.5、< 0.25 mm)、土壤pH、土壤有机质、全氮、全磷等多个指标。此外, 采用吸管法^[20]测定了土壤微团聚体分散率, 公式如下:

(1)

式中：DR为土壤分散率(%)；a为＜0.05 mm微团聚体含量(%)；b为＜0.05 mm机械组成成分含量(%)。

采用静水崩解法测定了土壤抗蚀指数, 具体测定过程为：将采集的原状土在室内沿着自然结构掰成小块, 风干后分别过5 mm、10 mm套筛, 每次崩解30粒。将土粒均匀放到的筛网上, 水面没过土粒, 以1 min为间隔, 分别记录分散土粒的数量, 连续观测10 min, 其总和即为10 min内完成分散的土粒总数(包括半分散数)。土壤抗蚀指数计算公式如下^[8]：

(2)

式中：ERI为土壤抗蚀指数(%)；P_j为10 min内没有分散的土粒数(个)；A为试验土粒总数(个)。

1.2.3 数据分析

采用Shapiro-Wilk对重复数据进行正态分布检验。使用独立样本T检验分析了有林带防护和无林带防护下耕地土壤抗蚀性和理化性质的差异。使用方差分析探究了不同地点间耕地土壤理化性质和抗蚀性的差异。使用冗余分析探究了土壤理化性质和抗蚀性间的相关性, 使用主成分分析对黑土区不同地点杨树水土保持林带下耕地土壤土壤抗蚀性进行综合评价。使用Excel 2010、SPSS 26和R 4.3.1进行数据分析和绘图, 文中所有的显著性均设为α=0.05。

2 结果与分析 2.1 有林带防护和无林带防护耕地土壤理化性质和抗蚀性的差异

如图 3所示, 杨树水土保持林带下的耕地土壤容重和饱和持水量与对照间差异不显著(P＞0.05)；总孔隙度、pH值和有机质在克山县与对照间差异显著, 全氮含量在3个地点与对照间差异显著, 全磷含量在宾县和克山县与对照间差异显著(P < 0.05)。其中, 有林带防护的耕地土壤总孔隙度在克山县(51.44%)显著高于对照(47.61%), pH值(4.84)和有机质(61.57 g/kg)在克山县显著低于对照(5.12, 81.58 g/kg), 全氮含量在辽源市和宾县(0.57 g/kg、0.99 g/kg)显著高于对照(0.46 g/kg、0.77 g/kg)、在克山县(0.94 g/kg)显著低于对照(1.25 g/kg), 全磷含量在宾县(0.28 g/kg)显著高于对照(0.19 g/kg)、在克山县(0.23 g/kg)显著低于对照(0.40 g/kg)(P < 0.05)。

如图 4所示, 杨树水土保持林带下的耕地土壤抗蚀指数与对照间差异不显著(P＞0.05), 分散率在辽源市和克山县、R_0.25在辽源市和宾县与对照间差异显著(P < 0.05)。其中, 有林带防护的耕地土壤分散率在辽源市和克山县(62.91%、46.27%)显著低于对照(73.12%、51.26%), R_0.25在辽源市和宾县(19.40%、25.05%)显著高于对照(14.02%、20.13%)。

2.2 不同地点耕地土壤理化性质和抗蚀性的差异

如图 3所示, 杨树水土保持林带下的耕地土壤容重、饱和持水量、总孔隙度、pH、全氮含量在不同地点间差异显著(P < 0.05), 土壤全磷、有机质含量在不同地点间差异不显著(P＞0.05)。其中, 辽源市和宾县的耕地土壤容重(1.37 g/cm³、1.36 g/cm³)显著高于克山县(1.25 g/cm³), 宾县和克山县的耕地土壤饱和持水量(362.41 g/kg、417.77 g/kg)显著高于辽源市(301.93 g/kg), 3个地点间耕地土壤总孔隙度表现为克山(51.44%)＞宾县(46.18%)＞辽源市(41.01%), 宾县耕地土壤pH(5.00)显著高于辽源市(4.73)和克山(4.84), 宾县和克山县的耕地土壤全氮含量(0.99 g/kg、0.94 g/kg)显著高于辽源市(0.57 g/kg)(P < 0.05)。

如图 4所示, 杨树水土保持林带下的耕地土壤抗蚀指数、分散率和R_0.25在不同地点间差异显著(P < 0.05)。其中, 宾县和克山县的耕地土壤抗蚀指数(79.86%、79.48%)显著高于辽源市(61.70%), 分散率表现为辽源市(62.91%)＞宾县(60.02%)＞克山县(46.27%), R_0.25表现为克山县(37.49%)＞宾县(25.05%)＞辽源市(19.40%)(P < 0.05)。

2.3 土壤理化性质与土壤抗蚀性的冗余分析

冗余分析结果表明(图 5), 土壤理化性质对土壤抗蚀性的总解释量为42.7%(F＝10, P=0.002)。其中, 前两轴的累计解释率为41.42%(RDA₁：35.07%；RDA₂：6.35%)。抗蚀指数与年降水量、年均温度和土壤pH值呈显著负相关, 与土壤有机质、全氮、全磷呈显著正相关(P＜0.05)。分散率与年降水量和年均温度呈显著正相关, 与总孔隙度呈显著负相关(P＜0.05)。＞0.25 mm水稳性团聚体含量与年降水量和年均温度呈显著负相关, 与总孔隙度、全氮和全磷呈显著正相关(P＜0.05)。

2.4 不同地点土壤抗侵蚀能力的主成分分析

为了揭示不同地点杨树水土保持林带下耕地土壤抗侵蚀能力的差异以及土壤各因子对土壤抗侵蚀能力的贡献, 对土壤的容重(BD)、饱和持水量(SMC)、总孔隙度(GP)、pH、有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、抗蚀指数(ERI)、分散率(DR)和＞0.25 mm水稳性团聚体(R_0.25)共10项因子进行主成分分析。由表 4可知, 4个主成分累积方差贡献率达到了77.89%, 基本能反映出3个地点土壤抗蚀性的变异信息。第一主成分(F₁)贡献率最大(34.14%), 对土壤抗侵蚀能力的影响较强, F₁主要综合了土壤BD、SMC、GP、OM、TN、TP、ERI的变异信息, 其中BD对F₁有逆向效应, 其值越大, F₁越小, 土壤抗侵蚀能力越弱。第二主成分(F₂)贡献率为22.03%, 其中SMC和GP载荷较高。第三主成分(F₃)贡献率为11.38%, 主要由DR和R_0.25决定。第四主成分(F₄)贡献率仅为10.34%, 主要由土壤pH决定。依据主成分综合模型, 计算黑土区不同地点杨树水土保持林带下耕地土壤抗侵蚀能力的综合得分(F)(表 4), 结果表明, 在3个地点中, 宾县的抗侵蚀能力综合得分最高, 其次分别是克山、辽源。

3 讨论 3.1 有林带防护和无林带防护耕地土壤理化性质和抗蚀性差异分析

土壤理化性质是反应土壤质量的重要指标, 水土保持林带对土壤理化性质产生了显著的影响^[11]。本研究发现, 杨树水土保持林带防护有效降低了克山县土壤pH, 这可能是因为水土保持林带及其凋落物拦截降水, 且林带蒸腾耗水较大导致靠近林带的耕地地下水位下降^[21], 可溶性碱金属离子下降, pH减小。有林带防护的耕地土壤全氮、全磷含量在辽源和宾县较无林带土壤高, 这是因为林带通过机械拦截减缓了坡面径流冲刷造成的水土及相关养分流失, 进而减少水土保持林带防护下的耕地土壤N、P元素的流失^[15]。但在克山县, 有林带防护的耕地土壤全氮、全磷和有机质含量较无林带防护的土壤低, 这可能是因为土壤全氮、全磷和有机质含量不仅受到植被因素、坡面径流的影响, 农业活动和其他人为性耕作活动也可能会对其产生影响^[22]。

土壤抗蚀性是指对土壤侵蚀营力分散和搬运作用的抵抗能力, 通常认为＞0.25 mm粒级水稳性团聚体数量越多, 土壤的胶结性和稳定性越好, 分散率越低, 抗侵蚀能力越强^[23]。邹鑫等^[24]研究发现, 农林复合系统中具有更完整和发育良好的凋落物层, 能够增加地表粗糙度, 减缓径流流速, 从而提高土壤的抗冲和抗蚀性能。本研究也发现, 杨树水土保持林带防护下的耕地土壤＞0.25 mm水稳性团聚体含量高于无林土壤, 分散率小于无林土壤, 这是因为通过水土保持林带等生物措施的拦截作用, 能够优化坡面土壤微团聚体的坡面分布状况, 提升各坡位的团聚度, 降低分散率, 提升微团聚体的稳定性^[25], 此外, 防护林根系可以通过拦截坡面上方小粒级微团聚体并促进大粒级土壤微团聚体形成, 改善靠近林带的坡面微团聚体组成, 增强微团聚体稳定性, 增强土壤抗蚀性^[26]。

3.2 不同地点地土壤理化性质和抗蚀性差异分析

土壤理化性质和抗蚀性受降雨和温度等环境因素影响^[27]。本研究发现, 3个地点杨树水土保持林带防护下的耕地土壤表现为随着纬度的升高, 容重降低, 饱和持水量、总孔隙度和土壤全氮、全磷、有机质含量增加。这可能是因为随纬度的升高, 降雨量逐渐减小, 降低了坡面径流流速, 增加了坡面阻力系数, 延缓了坡面径流^[28], 使土壤的渗透性和透气性增强^[29—30]。此外, 降雨量和温度逐渐减小, 使杨树水土保持林带的叶凋落物损量和分解速率失减小^{[29, 31]}, 凋落物的覆盖的拦截作用, 有效减少土壤水蒸发, 增加土壤水分入渗^[25], 延缓来自坡面上方的径流, 增加了坡面土壤渗透性, 减小容重, 增大持水量^[29—30], 同时, 坡面径流量和侵蚀量的降低, 也使土壤N、P元素的流失有所减少。

土壤水稳性团聚体含量越高, 即使径流流过, 土粒也不易被分散和携带^[10]；相反, ＞0.25 mm水稳性团聚体含量越低, 降雨时土壤孔隙越容易被分散的颗粒堵塞, 降低土壤渗透性, 增加地表径流, 加剧水土流失^[32]。本研究发现, 随着纬度的升高, 杨树水土保持林带防护下的耕地土壤的抗蚀指数、＞0.25 mm水稳性团聚体含量逐渐增加, 分散率逐渐减小。这可能是因为凋落物等有机质经过微生物的作用使土壤颗粒胶结, 改善土壤结构^{[25, 33]}。此外, 降雨量的减小削弱了坡面径流, 同时林带截流、凋落物覆盖和地下的根系分布, 有效截流水分, 减弱水力侵蚀对土壤团聚体的破坏^[34—35], 从而提高土壤的稳定性和抗蚀性。

3.3 土壤理化性质对土壤抗蚀性的影响

良好的土壤结构是提高土壤抗蚀性的条件。水土保持林带对土壤理化性质和土壤抗侵蚀性的影响主要表现在增加了土壤孔隙度、持水量、有机质、全氮和全磷等, 降低了土壤容重, 从而提高土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力^{[36, 37]}。本研究发现, 土壤抗蚀指数与土壤pH值呈显著负相关, 与土壤有机质、全氮、全磷呈显著正相关；分散率与总孔隙度呈显著负相关；＞0.25 mm水稳性团聚体含量与总孔隙度、全氮和全磷呈显著正相关。这可能是因为水土保持林带通过林冠层和林木下植物及凋落物的截留作用, 减弱坡面径流^[38], 进而使坡耕地土壤结构和养分状况良好。土壤总孔隙度越大, 容纳水分和空气的能力就会越强, 土壤孔隙度通过增加土壤入渗, 延长水分向底层渗透的时间, 降低了地表径流的形成, 增加土壤抵抗径流分散悬浮的能力, 同时土壤颗粒间孔隙度有助于空气流通和水分入渗, 为土壤水、肥、气、热的协调创造了良好的条件, 有效改善土壤结构和团聚体稳定性, 增强土壤抗蚀性^[39]。适宜的土壤pH值通过影响土壤团聚体的形成和稳定性增强土壤抗蚀性^[23]。土壤中的氮、磷以及有机质的含量反映了土壤肥力的优劣状况, 有机质是土壤水稳性结构的胶结剂, 能够增加土壤的疏松度和通透性, 丰富的有机质可以促进团粒结构的形成, 使土壤团聚体稳定性增强, 改善土壤结构, 从而有效提高土壤抗蚀性能^[40]。

4 结论

东北典型黑土区不同地点杨树水土保持林带对耕地抗蚀性影响显著。耕地土壤经杨树水土保持林带防护后, 土壤抗侵蚀能力得到明显提升。纬度升高, 杨树水土保持林带下的耕地土壤抗侵蚀能力显著增强。通过主成分分析可知, 土壤容重、饱和持水量含量、总孔隙度、有机质、全氮、全磷和抗蚀指数对土壤抗侵蚀能力的影响最明显, 是评价黑土区杨树林带下耕地土壤抗蚀性强弱的关键指标。在未来的研究中, 应综合考虑树种组成、林带密度、季节变化等因素, 进一步解释土壤抗侵蚀性的稳定机制, 为东北典型黑土区水土保持林带及耕地土壤的可持续利用提供理论依据。