李程遠 張揚 韓少杰 陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤養(yǎng)分是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，也是衡量耕地土壤質(zhì)量的重要指標[1-2]。在坡面空間尺度上，土壤養(yǎng)分在風(fēng)力、水力以及重力的作用下會發(fā)生遷移，進而在坡面上呈現(xiàn)出不同的侵蝕-沉積規(guī)律[3]。認識和了解坡面土壤養(yǎng)分侵蝕-沉積規(guī)律，對科學(xué)防控坡耕地水土流失具有重要意義[4]。迄今，關(guān)于影響坡面土壤養(yǎng)分侵蝕-沉積規(guī)律變化方面的研究，在研究地域上以西北黃土區(qū)和南方紅壤區(qū)為主[1，5-6]，影響因素上多集中在坡度、坡長、坡型等坡面性質(zhì)以及地表糙度等方面[7-9]，很少關(guān)注到農(nóng)田防護林帶對坡面土壤養(yǎng)分侵蝕-沉積規(guī)律的影響。

東北黑土區(qū)不僅是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是水土流失較為嚴重的區(qū)域之一[10]。長期以來，為了有效遏制水土流失，針對黑土區(qū)坡耕地開展了大量的水土保持的生物措施、耕作措施和工程措施等理論研究與實踐，取得了豐碩的成果[11-16]。農(nóng)田防護林作為黑土區(qū)常用的水土保持的生物措施之一，之初的設(shè)計目標是以單一的風(fēng)蝕防控為主[17]。近期研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田防護林帶，不僅能有效減少來自上坡的產(chǎn)沙量[18]，而且能有效過濾徑流中土壤養(yǎng)分，并明顯阻斷全氮、全磷等土壤養(yǎng)分向下坡的運移[19-20]。為此，以典型黑土區(qū)有林帶和無林帶坡面為研究對象，通過對比分析不同坡面、不同取樣點土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)變化，探討林帶對坡面土壤養(yǎng)分侵蝕-沉積規(guī)律的影響，旨在為東北黑土區(qū)農(nóng)田防護林帶間距的調(diào)整和多功能防控目標的實現(xiàn)提供參考。

1 研究方法

1.1 采樣點布設(shè)與土壤樣品采集

研究地點位于黑龍江省西北部的克山農(nóng)場(東經(jīng)125°7′40″～125°37′30″，北緯48°11′15″～48°24′7″)，區(qū)域內(nèi)海拔240～340 m、平均坡度3°，屬典型的漫川漫崗黑土區(qū)。在農(nóng)場30連隊分別選擇坡度、坡向、坡長、前茬作物基本一致的有農(nóng)田防護林帶和無林帶的坡面為研究對象。第一條林帶距坡頂垂直等高線水平距離45 m，建群種為興安落葉松(Larixgmelinii)；第二條林帶距坡頂垂直等高線水平距離225 m，建群種為小黑楊(Populussimonii×P.nigra)；林帶寬度均為10 m，林帶走向均與等高線平行。

2019年10月份收獲后整地前，在選定的坡面上分別布設(shè)1條垂直等高線水平距離為390 m的樣線，在每條樣線上按垂直等高線水平距離30 m等間距設(shè)置取樣點。充分考慮第一條林帶的位置及影響，第一個采樣點設(shè)置在林帶下坡方向10 m(距坡頂垂直等高線水平距離60 m)處。每條樣線從坡上至坡下分別設(shè)置了12個取樣點。

采用剖面法每個取樣點分別按照不同土壤深度(h)范圍采集表層(0

1.2 指標及測定方法

土壤全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定，土壤有機碳、全氮用元素分析儀(The Elemental Combustion System 4024，Italy)測定，每個指標重復(fù)4次。因本研究供試黑土不含碳酸鹽，所以總碳即為總有機碳[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異性檢驗(Duncan法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林帶對坡耕地土壤有機碳侵蝕-沉積規(guī)律的影響

由于坡度、坡向、坡長、前茬作物等坡面內(nèi)屬性的差異，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)在坡面沿垂直等高線方向上出現(xiàn)了不同的規(guī)律性變化，并形成了數(shù)個土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)變化的“拐點”。依據(jù)相鄰“拐點”之間土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)差異性的分析結(jié)果，可界定出不同坡面土壤養(yǎng)分變化的侵蝕、沉積區(qū)的范圍。研究發(fā)現(xiàn)，不同坡面，表層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為15.06～28.18 g/kg、下層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為9.19～18.61 g/kg；雖然不同坡面之間土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的差異，整體上未達顯著水平，但相同土層、不同坡面各取樣點之間土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律明顯不同(見圖1)。

圖中虛線為林帶位置；a為表層土壤，b為下層土壤。

由圖1a可知，無林帶坡面上，在研究的坡面空間范圍內(nèi)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)整體上呈現(xiàn)出2次完整的“侵蝕-沉積”的周期性變化，在坡面中上部和中下部分別出現(xiàn)1個垂直等高線水平空間范圍為60、90 m的土壤有機碳侵蝕區(qū)。這與王禹等[22]利用137Cs示蹤法研究黑土區(qū)坡面侵蝕-沉積周期性變化得出的結(jié)論相吻合。有林帶坡面上，各取樣點之間表層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化幅度相對較小，僅呈現(xiàn)出1次完整的“侵蝕-沉積”周期性變化。表現(xiàn)出林帶直接消除了坡面中上部的有機碳侵蝕區(qū)，同時使坡面中下部有機碳侵蝕區(qū)在林帶坡面上方一側(cè)提前終止，并開始產(chǎn)生沉積，侵蝕區(qū)范圍也減小至30 m。

雖然無林帶坡面下層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)同樣出現(xiàn)2次完整的“侵蝕-沉積”周期，但坡面中上部和中下部土壤有機碳侵蝕區(qū)的水平空間范圍均為60 m，這與表層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律有所不同。對有林帶坡面而言，雖然各取樣點之間土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化幅度較小，卻呈現(xiàn)出2次完整的“侵蝕-沉積”變化。表現(xiàn)出林帶對坡面中上部土壤有機碳侵蝕區(qū)起到了消除作用，對坡面中下部的有機碳侵蝕區(qū)則起到向坡面沿等高線下方推移的作用，水平推移距離為30 m(見圖1b)。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田防護林帶對土壤有機碳在坡面上分布規(guī)律的影響，主要表現(xiàn)在消除了坡面中上部表層和下層土壤有機碳的侵蝕區(qū)，顯著減小了坡面中下部表層土壤有機碳侵蝕區(qū)范圍，推移了坡面中下部下層土壤有機碳侵蝕區(qū)發(fā)生范圍。這主要是由于土壤有機碳多與泥沙中的細顆粒結(jié)合[23-24]，坡面土壤侵蝕過程中，地表徑流對土壤顆粒的搬運作用會使土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)沿坡面發(fā)生明顯的改變。當徑流含沙量漸趨飽和時，其挾沙力下降，導(dǎo)致部分徑流泥沙發(fā)生沉積[7]。坡面中下部，因為匯水面積與動能較大，使徑流挾沙能力增強[25-26]，進而擴大了土壤有機碳侵蝕區(qū)的空間范圍。黑土土壤透水性較差[27]，導(dǎo)致下層土壤有機碳的變化相對滯后，表現(xiàn)出土壤有機碳的沉積區(qū)范圍相對增大。農(nóng)田防護林帶的存在，不僅增加了坡面地表糙度，而且在植物及其根系的作用下，有效遏制坡面地表徑流的發(fā)生、減弱了徑流挾沙能力，起到消除和降低土壤有機碳侵蝕區(qū)范圍的作用。林帶坡面上方和下方一側(cè)土壤有機碳出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，主要是由于林帶的緩流攔沙作用，導(dǎo)致徑流中攜帶的泥沙在林帶附近沉積[18]。林帶坡面上方一側(cè)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著下降的原因，主要是林帶寬度過寬、林帶結(jié)構(gòu)緊密，加劇了風(fēng)蝕所致[28]。

2.2 林帶對坡耕地土壤全氮侵蝕-沉積規(guī)律的影響

研究結(jié)果表明，不同坡面表層和下層土壤，全氮質(zhì)量分數(shù)的變化范圍分別為1.17～2.11、0.81～1.38 g/kg，不同坡面之間土壤全氮質(zhì)量分數(shù)整體上無顯著性差異，但相同土層、不同坡面各取樣點之間土壤全氮質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。從圖2可以看出，無林帶坡面上，表層和下層土壤，全氮質(zhì)量分數(shù)整體上均呈現(xiàn)出2次完整的“侵蝕-沉積”變化；坡面的中上部和中下部土壤，全氮侵蝕區(qū)范圍分別為60、90 m，中下部土壤全氮侵蝕區(qū)范圍明顯大于中上部。對有林帶坡面表層土壤全氮而言，在研究的坡面范圍，沿等高線水平空間范圍內(nèi)并未出現(xiàn)完整的“侵蝕-沉積”變化。林帶的存在，直接消除了坡面中上部土壤全氮的侵蝕區(qū)，使中下部全氮的侵蝕區(qū)范圍由90 m減小至30 m。有林帶坡面上下層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)整體上呈現(xiàn)2次完整的“侵蝕-沉積”變化，與林帶對表層土壤全氮侵蝕區(qū)分布規(guī)律的影響有所不同。林帶對下層土壤全氮侵蝕區(qū)分布的影響，主要表現(xiàn)在：一方面，同樣消除了坡面中上部土壤全氮的侵蝕區(qū)；另一方面，林帶阻斷了坡面中下部土壤全氮90 m的侵蝕區(qū)，并在林帶附近形成了30 m的土壤全氮沉積區(qū)。

圖中虛線為林帶位置；a為表層土壤，b為下層土壤。

坡面上土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的空間分布、林帶對全氮侵蝕-沉積分布規(guī)律的影響，與土壤有機碳的研究結(jié)果相近。主要原因：土壤中的有機碳和氮，主要是與細顆粒態(tài)的礦物緊密結(jié)合的方式存在于土壤中[29]，由于坡面侵蝕區(qū)以對土壤顆粒的分散-剝離-搬運過程為主，使土壤顆粒在坡面運移過程中會攜帶有機碳和氮發(fā)生遷移，進而導(dǎo)致土壤有機碳和全氮的質(zhì)量分數(shù)在坡面侵蝕-沉積空間分布上表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，這與張興昌等[30]的研究結(jié)果一致。

2.3 林帶對坡耕地土壤全磷侵蝕-沉積規(guī)律的影響

測定結(jié)果表明(見圖3)，不同坡面表層和下層土壤全磷質(zhì)量分數(shù)變化范圍，分別為1.21～1.35、0.93～1.09 g/kg，不同坡面之間土壤全磷質(zhì)量分數(shù)整體上無顯著性差異。與土壤有機碳和全氮相比，各取樣點之間土壤全磷質(zhì)量分數(shù)的變化幅度相對較小，侵蝕-沉積規(guī)律并不明顯。

由圖3可見，在無林帶坡面上，無論表層和下層土壤，全磷質(zhì)量分數(shù)沿坡面均只出現(xiàn)1次完整的侵蝕-沉積變化；表層和下層土壤全磷侵蝕區(qū)范圍分別為60、30 m，并且表層土壤全磷侵蝕區(qū)范圍明顯大于下層土壤。有林帶坡面上，僅在表層土壤出現(xiàn)1次完整的侵蝕-沉積變化，侵蝕區(qū)水平空間范圍為30 m；下層土壤未見土壤全磷侵蝕區(qū)的出現(xiàn)。

林帶對坡面土壤全磷侵蝕-沉積分布規(guī)律的影響，主要表現(xiàn)在，一方面，將表層土壤全磷60 m的侵蝕區(qū)縮減為30 m；另一方面，將下層土壤全磷的侵蝕區(qū)轉(zhuǎn)變成為沉積區(qū)。這主要是因為土壤中的磷極少沿剖面垂直向下淋溶，遷移的主要途徑是地表徑流，因此下層土壤磷素的侵蝕-沉積現(xiàn)象并不明顯[31]。林帶能降低坡面土壤全磷的侵蝕，主要是通過有效減緩地表徑流、增加土壤水分入滲得以實現(xiàn)。此外，對比土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)在坡面上的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，同一坡面相同土層各取樣點之間土壤全磷質(zhì)量分數(shù)的變化幅度相對較小，這是因為土壤中全磷的遷移能力遠低于有機碳、全氮，除少量被植物吸收外，其余大部分在土壤中富集[32]，導(dǎo)致土壤全磷質(zhì)量分數(shù)沿坡面的分布相對較均勻。

圖中虛線為林帶位置；a為表層土壤，b為下層土壤。

3 結(jié)論

農(nóng)田防護林帶對黑土坡面土壤有機碳、全氮、全磷的侵蝕-沉積分布規(guī)律，均通過改變侵蝕-沉積周期、縮減甚至消除侵蝕區(qū)范圍、阻斷侵蝕區(qū)并實現(xiàn)侵蝕區(qū)向沉積區(qū)轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生影響，但對土壤有機碳、全氮、全磷的影響程度和影響方式有所不同。

林帶改變了坡面土壤有機碳和全氮侵蝕-沉積周期，直接消除了坡面中上部的有機碳和全氮侵蝕區(qū)，阻斷了坡面中下部下層土壤有機碳和全氮侵蝕區(qū)，并在林帶附近實現(xiàn)侵蝕區(qū)向沉積區(qū)轉(zhuǎn)變。林帶對坡面中下部表層土壤全氮分布規(guī)律的影響，僅體現(xiàn)在顯著縮減了侵蝕區(qū)范圍；而對坡面中下部表層土壤有機碳分布規(guī)律的影響則，不僅表現(xiàn)在縮減了侵蝕區(qū)范圍，而且在林帶附近形成了新的沉積區(qū)。林帶通過縮減侵蝕區(qū)范圍，實現(xiàn)侵蝕區(qū)向沉積區(qū)轉(zhuǎn)變對坡面表層土壤全磷分布規(guī)律產(chǎn)生影響，對下層土壤的影響僅體現(xiàn)在將侵蝕區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e區(qū)。

針對林帶對坡面土壤養(yǎng)分侵蝕-沉積水平空間規(guī)律的影響，建議：在典型黑土區(qū)，為在保證防風(fēng)效能的前提下，有效防控土壤養(yǎng)分流失，將坡面農(nóng)田防護林帶間距調(diào)整為120～140m。