林带对黑土坡面土壤养分侵蚀-沉积规律的影响1)

李程远 张扬 韩少杰 陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤养分是土地生产力的基础，也是衡量耕地土壤质量的重要指标[1-2]。在坡面空间尺度上，土壤养分在风力、水力以及重力的作用下会发生迁移，进而在坡面上呈现出不同的侵蚀-沉积规律[3]。认识和了解坡面土壤养分侵蚀-沉积规律，对科学防控坡耕地水土流失具有重要意义[4]。迄今，关于影响坡面土壤养分侵蚀-沉积规律变化方面的研究，在研究地域上以西北黄土区和南方红壤区为主[1，5-6]，影响因素上多集中在坡度、坡长、坡型等坡面性质以及地表糙度等方面[7-9]，很少关注到农田防护林带对坡面土壤养分侵蚀-沉积规律的影响。

东北黑土区不仅是我国重要的商品粮生产基地，也是水土流失较为严重的区域之一[10]。长期以来，为了有效遏制水土流失，针对黑土区坡耕地开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论研究与实践，取得了丰硕的成果[11-16]。农田防护林作为黑土区常用的水土保持的生物措施之一，之初的设计目标是以单一的风蚀防控为主[17]。近期研究发现，农田防护林带，不仅能有效减少来自上坡的产沙量[18]，而且能有效过滤径流中土壤养分，并明显阻断全氮、全磷等土壤养分向下坡的运移[19-20]。为此，以典型黑土区有林带和无林带坡面为研究对象，通过对比分析不同坡面、不同取样点土壤有机碳、全氮、全磷质量分数变化，探讨林带对坡面土壤养分侵蚀-沉积规律的影响，旨在为东北黑土区农田防护林带间距的调整和多功能防控目标的实现提供参考。

1 研究方法

1.1 采样点布设与土壤样品采集

研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(东经125°7′40″～125°37′30″，北纬48°11′15″～48°24′7″)，区域内海拔240～340 m、平均坡度3°，属典型的漫川漫岗黑土区。在农场30连队分别选择坡度、坡向、坡长、前茬作物基本一致的有农田防护林带和无林带的坡面为研究对象。第一条林带距坡顶垂直等高线水平距离45 m，建群种为兴安落叶松(Larixgmelinii)；第二条林带距坡顶垂直等高线水平距离225 m，建群种为小黑杨(Populussimonii×P.nigra)；林带宽度均为10 m，林带走向均与等高线平行。

2019年10月份收获后整地前，在选定的坡面上分别布设1条垂直等高线水平距离为390 m的样线，在每条样线上按垂直等高线水平距离30 m等间距设置取样点。充分考虑第一条林带的位置及影响，第一个采样点设置在林带下坡方向10 m(距坡顶垂直等高线水平距离60 m)处。每条样线从坡上至坡下分别设置了12个取样点。

采用剖面法每个取样点分别按照不同土壤深度(h)范围采集表层(0

1.2 指标及测定方法

土壤全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定，土壤有机碳、全氮用元素分析仪(The Elemental Combustion System 4024，Italy)测定，每个指标重复4次。因本研究供试黑土不含碳酸盐，所以总碳即为总有机碳[21]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行处理，采用SPSS18.0统计分析软件对数据进行差异性检验(Duncan法，α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 林带对坡耕地土壤有机碳侵蚀-沉积规律的影响

由于坡度、坡向、坡长、前茬作物等坡面内属性的差异，导致土壤养分质量分数在坡面沿垂直等高线方向上出现了不同的规律性变化，并形成了数个土壤养分质量分数变化的“拐点”。依据相邻“拐点”之间土壤养分质量分数差异性的分析结果，可界定出不同坡面土壤养分变化的侵蚀、沉积区的范围。研究发现，不同坡面，表层土壤有机碳质量分数的变化范围为15.06～28.18 g/kg、下层土壤有机碳质量分数的变化范围为9.19～18.61 g/kg；虽然不同坡面之间土壤有机碳质量分数的差异，整体上未达显著水平，但相同土层、不同坡面各取样点之间土壤有机碳质量分数的变化规律明显不同(见图1)。

图中虚线为林带位置；a为表层土壤，b为下层土壤。

由图1a可知，无林带坡面上，在研究的坡面空间范围内，土壤有机碳质量分数整体上呈现出2次完整的“侵蚀-沉积”的周期性变化，在坡面中上部和中下部分别出现1个垂直等高线水平空间范围为60、90 m的土壤有机碳侵蚀区。这与王禹等[22]利用137Cs示踪法研究黑土区坡面侵蚀-沉积周期性变化得出的结论相吻合。有林带坡面上，各取样点之间表层土壤有机碳质量分数的变化幅度相对较小，仅呈现出1次完整的“侵蚀-沉积”周期性变化。表现出林带直接消除了坡面中上部的有机碳侵蚀区，同时使坡面中下部有机碳侵蚀区在林带坡面上方一侧提前终止，并开始产生沉积，侵蚀区范围也减小至30 m。

虽然无林带坡面下层土壤有机碳质量分数同样出现2次完整的“侵蚀-沉积”周期，但坡面中上部和中下部土壤有机碳侵蚀区的水平空间范围均为60 m，这与表层土壤有机碳质量分数的变化规律有所不同。对有林带坡面而言，虽然各取样点之间土壤有机碳质量分数的变化幅度较小，却呈现出2次完整的“侵蚀-沉积”变化。表现出林带对坡面中上部土壤有机碳侵蚀区起到了消除作用，对坡面中下部的有机碳侵蚀区则起到向坡面沿等高线下方推移的作用，水平推移距离为30 m(见图1b)。

通过上述分析发现，农田防护林带对土壤有机碳在坡面上分布规律的影响，主要表现在消除了坡面中上部表层和下层土壤有机碳的侵蚀区，显著减小了坡面中下部表层土壤有机碳侵蚀区范围，推移了坡面中下部下层土壤有机碳侵蚀区发生范围。这主要是由于土壤有机碳多与泥沙中的细颗粒结合[23-24]，坡面土壤侵蚀过程中，地表径流对土壤颗粒的搬运作用会使土壤有机碳质量分数沿坡面发生明显的改变。当径流含沙量渐趋饱和时，其挟沙力下降，导致部分径流泥沙发生沉积[7]。坡面中下部，因为汇水面积与动能较大，使径流挟沙能力增强[25-26]，进而扩大了土壤有机碳侵蚀区的空间范围。黑土土壤透水性较差[27]，导致下层土壤有机碳的变化相对滞后，表现出土壤有机碳的沉积区范围相对增大。农田防护林带的存在，不仅增加了坡面地表糙度，而且在植物及其根系的作用下，有效遏制坡面地表径流的发生、减弱了径流挟沙能力，起到消除和降低土壤有机碳侵蚀区范围的作用。林带坡面上方和下方一侧土壤有机碳出现沉积现象，主要是由于林带的缓流拦沙作用，导致径流中携带的泥沙在林带附近沉积[18]。林带坡面上方一侧土壤有机碳质量分数显著下降的原因，主要是林带宽度过宽、林带结构紧密，加剧了风蚀所致[28]。

2.2 林带对坡耕地土壤全氮侵蚀-沉积规律的影响

研究结果表明，不同坡面表层和下层土壤，全氮质量分数的变化范围分别为1.17～2.11、0.81～1.38 g/kg，不同坡面之间土壤全氮质量分数整体上无显著性差异，但相同土层、不同坡面各取样点之间土壤全氮质量分数呈现出不同的变化规律。从图2可以看出，无林带坡面上，表层和下层土壤，全氮质量分数整体上均呈现出2次完整的“侵蚀-沉积”变化；坡面的中上部和中下部土壤，全氮侵蚀区范围分别为60、90 m，中下部土壤全氮侵蚀区范围明显大于中上部。对有林带坡面表层土壤全氮而言，在研究的坡面范围，沿等高线水平空间范围内并未出现完整的“侵蚀-沉积”变化。林带的存在，直接消除了坡面中上部土壤全氮的侵蚀区，使中下部全氮的侵蚀区范围由90 m减小至30 m。有林带坡面上下层土壤全氮质量分数整体上呈现2次完整的“侵蚀-沉积”变化，与林带对表层土壤全氮侵蚀区分布规律的影响有所不同。林带对下层土壤全氮侵蚀区分布的影响，主要表现在：一方面，同样消除了坡面中上部土壤全氮的侵蚀区；另一方面，林带阻断了坡面中下部土壤全氮90 m的侵蚀区，并在林带附近形成了30 m的土壤全氮沉积区。

图中虚线为林带位置；a为表层土壤，b为下层土壤。

坡面上土壤全氮质量分数的空间分布、林带对全氮侵蚀-沉积分布规律的影响，与土壤有机碳的研究结果相近。主要原因：土壤中的有机碳和氮，主要是与细颗粒态的矿物紧密结合的方式存在于土壤中[29]，由于坡面侵蚀区以对土壤颗粒的分散-剥离-搬运过程为主，使土壤颗粒在坡面运移过程中会携带有机碳和氮发生迁移，进而导致土壤有机碳和全氮的质量分数在坡面侵蚀-沉积空间分布上表现出相似的变化规律，这与张兴昌等[30]的研究结果一致。

2.3 林带对坡耕地土壤全磷侵蚀-沉积规律的影响

测定结果表明(见图3)，不同坡面表层和下层土壤全磷质量分数变化范围，分别为1.21～1.35、0.93～1.09 g/kg，不同坡面之间土壤全磷质量分数整体上无显著性差异。与土壤有机碳和全氮相比，各取样点之间土壤全磷质量分数的变化幅度相对较小，侵蚀-沉积规律并不明显。

由图3可见，在无林带坡面上，无论表层和下层土壤，全磷质量分数沿坡面均只出现1次完整的侵蚀-沉积变化；表层和下层土壤全磷侵蚀区范围分别为60、30 m，并且表层土壤全磷侵蚀区范围明显大于下层土壤。有林带坡面上，仅在表层土壤出现1次完整的侵蚀-沉积变化，侵蚀区水平空间范围为30 m；下层土壤未见土壤全磷侵蚀区的出现。

林带对坡面土壤全磷侵蚀-沉积分布规律的影响，主要表现在，一方面，将表层土壤全磷60 m的侵蚀区缩减为30 m；另一方面，将下层土壤全磷的侵蚀区转变成为沉积区。这主要是因为土壤中的磷极少沿剖面垂直向下淋溶，迁移的主要途径是地表径流，因此下层土壤磷素的侵蚀-沉积现象并不明显[31]。林带能降低坡面土壤全磷的侵蚀，主要是通过有效减缓地表径流、增加土壤水分入渗得以实现。此外，对比土壤有机碳、全氮、全磷质量分数在坡面上的分布规律发现，同一坡面相同土层各取样点之间土壤全磷质量分数的变化幅度相对较小，这是因为土壤中全磷的迁移能力远低于有机碳、全氮，除少量被植物吸收外，其余大部分在土壤中富集[32]，导致土壤全磷质量分数沿坡面的分布相对较均匀。

图中虚线为林带位置；a为表层土壤，b为下层土壤。

3 结论

农田防护林带对黑土坡面土壤有机碳、全氮、全磷的侵蚀-沉积分布规律，均通过改变侵蚀-沉积周期、缩减甚至消除侵蚀区范围、阻断侵蚀区并实现侵蚀区向沉积区转变而产生影响，但对土壤有机碳、全氮、全磷的影响程度和影响方式有所不同。

林带改变了坡面土壤有机碳和全氮侵蚀-沉积周期，直接消除了坡面中上部的有机碳和全氮侵蚀区，阻断了坡面中下部下层土壤有机碳和全氮侵蚀区，并在林带附近实现侵蚀区向沉积区转变。林带对坡面中下部表层土壤全氮分布规律的影响，仅体现在显著缩减了侵蚀区范围；而对坡面中下部表层土壤有机碳分布规律的影响则，不仅表现在缩减了侵蚀区范围，而且在林带附近形成了新的沉积区。林带通过缩减侵蚀区范围，实现侵蚀区向沉积区转变对坡面表层土壤全磷分布规律产生影响，对下层土壤的影响仅体现在将侵蚀区转变为沉积区。

针对林带对坡面土壤养分侵蚀-沉积水平空间规律的影响，建议：在典型黑土区，为在保证防风效能的前提下，有效防控土壤养分流失，将坡面农田防护林带间距调整为120～140m。