农田防护林更新改造对土壤团聚体特征和可蚀性的影响

孔同伟，王 帅，刘滨辉

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

东北黑土平原区作为我国重要的粮食生产基地[1]，近年来由于防护林退化导致风蚀加剧和土地沙化问题日益严峻。在早期的农田防护林建设过程中，由于杨树的速生性和易成活特性，使其成为三北防护林体系建设优先选取的主要树种[2]。以杨树主导的农田防护林取得显著成效的同时，也暴露出生长周期短、胁迫重等不足，特别是随着时间的推移很多杨树进入成过熟阶段导致林带出现退化进而引起防护效能降低，成为防护林建设急需解决的问题[3]。如何对退化防护林进行更新改造是目前面临的主要挑战，选取合适更新改造方式需要从多个方面分析比较不同更新改造方式的防护效果。从土壤团聚体特征方面开展黑土平原区农田防护林带更新改造方式的研究，可以在土壤质量和抗蚀性方面为退化林带选取合适的更新改造方式提供理论依据，为实现林带土壤结构的改良和农田生态效益最大化提供支持。

土壤团聚体[4]作为土壤结构的基本单元和重要参数，其大小分布和数量影响着土壤质量，并与土壤的抗侵蚀能力密切相关[5]，因此稳定的土壤团聚体对于改善土壤结构、增加土壤肥力、降低土壤可蚀性和防止因土壤退化导致的土壤侵蚀加剧等方面具有重要作用。许多研究以＞0.25 mm水稳性团聚体质量百分比（WSA）、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）作为团聚体稳定性评价指标[6-7]，也有研究以团聚体分形维数（D）和结构体破坏率（PAD）来表征团聚体稳定性[8]。单一特征指标包含的信息非常有限，很难准确判别不同区域各类土壤团聚体稳定性特征，综合多个特征指标进行评价在反映土壤团聚体稳定性方面具有更高的灵敏性和准确性[9]。目前，国内研究重点集中在黄土高原[10]、南方红壤[11]等易侵蚀区，从林分类型、海拔高度、植被恢复方式等方面对土壤团聚体特征及土壤可蚀性的影响进行研究。马寰菲等[12]研究了秦岭地区不同海拔高度土壤团聚体稳定性特征，指出土壤团聚体稳定性随海拔上升而减弱的规律。黎宏祥等[5]探讨了不同林分类型对土壤团聚体稳定性特征的影响，表明土壤水稳性团聚体稳定性随土壤深度增加而逐渐降低。谢锦升等[13]研究了红壤区植被恢复对团聚体稳定性的影响，研究表明植被恢复利于提高团聚体的稳定性。目前大部分研究将团聚体稳定性作为评价土壤可蚀性的重要指标[14]，认为通过提高土壤团聚体稳定性可以提高土壤的抗侵蚀能力，降低土壤可蚀性。因此评价黑土平原区农田防护林更新改造措施的效果，可以通过分析更新改造对土壤团聚体稳定性和土壤抗蚀性的影响入手。

目前黑土区关于土壤团聚体特征研究多集中于比较不同耕作模式和冻融侵蚀的影响[15-16]，针对农田防护林对于土壤团聚体影响研究相对较少。而且以往农田防护林对于土壤团聚体影响的研究主要在于比较不同林龄以及种植密度[17]，涉及农田防护林更新改造对于土壤团聚体影响的研究还未见。农田防护林作为黑土平原区最重要的生态屏障，关系着整个平原区农田生态系统的水土流失和粮食安全，对于退化林带进行更新改造可提高农田防护林的生态保护功能，既可以防止风蚀危害，保护耕地，又可以改善土壤结构。因此，农田防护林更新改造对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性的影响及哪种更新改造方式最有利于提高土壤团聚体稳定性和抵抗土壤侵蚀的能力尚不清楚。因此，探究农田防护林更新改造后土壤团聚体特征和土壤可蚀性变化，对科学评价黑土平原区农田防护林更新改造的生态效益和指导退化林带重建与优化意义重大。鉴于此，本研究以黑土平原区更新改造的农田防护林为研究对象，通过分析不同更新改造方式林带对土壤团聚体特征和土壤可蚀性的差异及其与土壤理化性质的关系，进而评估哪种更新改造方式对提高土壤团聚体稳定性和土壤抗侵蚀能力的效果最佳。此研究结果可以为黑土平原区退化、过熟农田防护林修复和水土保持效益评价提供科学参考，也可为农田防护林的可持续性发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北黑土区是世界仅存的四大黑土区之一，是我国重要的粮食产地。松嫩平原是东北三大平原之一，中国重要商品粮基地，是由松花江和嫩江侵蚀、冲积而成的，坐落于黑龙江省西南部，是重要的黑土分布区。试验采样区位于松嫩平原西北部的甘南县境内（47°50′～48°00′N，123°30′～123°50′E)，该地冬春季大风频繁发生，土地沙化严重，建设以减少风力侵蚀为主要目标的农田防护林，地貌属于阿伦河和音河流域冲积平原，海拔160～380 m，属寒温带大陆季风气候，四季冷暖干湿分明，年均气温为2.6℃，≥10℃有效积温2 562.9℃，年均降水量455.2 mm，年均蒸发量1 199.6 mm，无霜期90%保证率为125 d，土壤冻结期为11 月初至翌年5 月中旬，最大冻结深度可达2.5 m。研究区土壤类型主要为黑钙土，质地属沙质壤土、冲积沙土，人工林以农田防护林为主，树种主要有小黑杨Populus×xiaohei、樟子 松Pinus sylvestrisvar.mongolica、云 杉Picea asperata等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置和样品采集

2021 年5 月，通过野外实地调查和GPS 定位等方式，选取4 种均在1992—1993 年完成更新改造具有代表性的农田防护林带，林带保存完好，土壤结构空间同质性好，远离人工构筑物，林带走向一致；林带更新改造前均为杨树林带，土壤条件基本相同，土壤母质和经营历史相同，土壤均为沙质壤土，采取的更新改造方式为：杨树-樟子松混交（ZY）、樟子松林带（ZC）、云杉纯林带（YS）、杨树纯林带（YC），同时以退化未更新改造的杨树林带（TYC）作为对照，林带基本立地条件和管理模式等均基本相同。每条林带设置5 m×2 m（长选取平行林带×宽选取垂直林带）的标准样地共3 块，其中第一块标准样地位于林带中间，为避免林带的边缘效应，其他两块标准样地分别在其两侧相距50 m 处，测定树高、胸径、林龄和株行距，农田防护林带的基本情况，见表1。在设置的标准样地内，林带株行距的交叉点上布设3 个取样点，分别在土层深度的0～10、10～20、20～40 cm 采集原状土样，同时用铝盒在每个采样点取少量土样，用于土壤含水量的测定，采用四分法在对应土层3 个样点收集土样，采样前先去除采样点表面的枯落物等杂质。共135 份土样，带回实验室自然风干，同时将土壤样品中较大粒级土团沿其自然裂缝掰开成1 cm3左右的小土团，去除样品中的小石粒、植物残体、根系等有机物质继续风干，备用。

表1 农田护林带基本情况Table 1 Basic situation of farmland shelterbelts

1.2.2 样品指标测定与方法

土壤质量含水量测定采用烘干法[18]；土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法；土壤容重、土壤水分、孔隙度的测定采用环刀法；土壤机械组成采用吸管法；分别采用干筛法、湿筛法[19]，测定风干性团聚体和水稳性团聚体，湿筛法按照干筛比例配成50 g 风干土样，放入团粒分析仪中，先用水缓慢湿润5 min 后，将频率设置为30 次/min，振幅为3 cm，持续10 min 进行湿筛。然后将各筛面上的土壤团聚体颗粒，分别冲洗至已称重的铝盒中，在60℃条件烘干至恒重，接着在大气中放置一昼夜，使呈风干状态，分别获取＜0.25、0.25～0.50、0.50～1.00、1.00～2.00、2.00～5.00和＞5.00 mm 六个级别的水稳性土壤团聚体，称取各粒级的质量，记录相关数据（精确到0.01 g），并通过计算获得各粒级的质量分数。

土壤团聚体稳定性指标WSA、MWD、GMD计算参考李柏桥等[20]；分形维数D 计算参考杨培岭等[21]的推导公式；土壤结构体破坏率PAD计算参考于文竹等[6]；土壤可蚀性K 值计算参考Shiriza M A 等[22]和张科利等[23]对于中国土壤可蚀性值及其估算。

1.3 数据分析

使用Excel 2010 软件和IBM SPSS Statistics 23.0 软件进行统计分析；并使用Origin 2021 软件作图；使用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差法（Least-significant difference，LSD）进行差异显著性检验；采用双因素方差分析不同深度、林带类型及其交互作用对土壤团聚体稳定性的影响；采用Pearson 相关法，分析土壤团聚稳定性指标、各粒级团聚体质量百分比与土壤有机质含量间的相关性；采用Canoco 5.0 软件进行冗余分析，分析理化性质对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性的影响。显著性水平均为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同更新改造方式农田防护林带土壤基本理化性质

由表2 可知，退化林带与更新改造林带土壤理化性质存在显著差异。总体上，在0～40 cm土层，土壤容重、砂粒含量均表现为退化杨树林带（TYC）显著高于更新改造林带（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），有机质、黏粒、粉粒含量和非毛管孔隙度更新改造林带高于退化杨树林带（TYC）（P＜0.05），而毛管持水量差异不显著。不同更新改造（ZY、ZC、YS、YC）林带中土壤理化性质也存在差异，0～40 cm 土层不同更新改造林带中土壤容重表现出ZY 林带显著大于ZC、YC 和YS 林带，而ZC、YC 和YS 林带间无明显差异，土壤砂粒含量表现出ZY 和YS 林带显著大于YC 和ZC，YC 和ZC 差异达显著水平，粉粒含量表现出YC 和ZC 林带显著大于ZY 和YS 林带，ZY 和YS 差异达显著水平；不同更新改造林带中毛管持水量和黏粒含量大小顺序均表现出YC ＞YS ＞ZC ＞ZY，其中毛管持水量在ZY、ZC 和YS 差异不显著，黏粒含量均达显著水平；土壤非毛管孔隙度大小顺序为YS ＞ZC ＞YC ＞ZY，其中YC 和ZC 无明显差别；土壤有机质含量大小顺序为YC ＞YS ＞ZY ＞ZC，其中ZY 和YS 无明显差别；毛管孔隙度在更新改造林带间均无差别。总的来看，更新改造林带显著改善了土壤容重和孔隙状况，提高了土壤持水能力，显著增加土壤黏粒、粉粒含量和有机质含量，减少砂粒含量。同时，更新改造方式不同对土壤理化性质的改善效果存在差异，整体上YC 林带对土壤理化性质改良效果最好，ZC 和YS 林带次之，ZY 林带最差，说明土壤理化性质在一定程度上受到林带树种类型和组成的影响。

表2 土壤基本理化性质†Table 2 Basic physical and chemical properties of soil

2.2 不同更新改造方式农田防护林带土壤团聚体组成特征

由图1 可见，各林带均以0.25～0.50 mm 和＜0.25 mm 粒径的水稳性团聚体含量占主要部分，两粒径之和超过50%，均以＞5.00 mm 和2.00～5.00 mm 粒径的团聚体含量最少，含量分别在0.02%～11.58%、0.73%～11.48%之间，且均以0.25～0.50 mm 团聚体的比例在不同林带下波动较小，其他粒级波动相对较大。总体上，5 种林带在0～10、10～20、20～40 cm 土层团聚体粒径质量百分比均呈现随粒径减小逐渐增大的趋势，随土层的增加逐渐降低，且在不同林带间存在显著差异（P＜0.05）。各土层中更新改造林带与退化林带（TYC）相比，更新改造的4 种林带土壤水稳定性团聚体均以＞0.25 mm 土壤大团聚体居多，占整个团聚体含量的56.8%～77.98%。退化林带（TYC）水稳定性团聚体在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层均以＜0.25 mm 的微团聚体为主，分别占整个团聚体含量为57.74%、55.15%、53.68%，表现出随土层深度的增加而降低。在更新改造林带的0～10 cm 土层以ZC 林带所占大团聚体最多，在10～20、20～40 cm 土层均以YC 林带大团聚体最多。形成这一结果的原因可能是樟子松根系较浅对表层影响较大，杨树根系较深对深层影响较大。

图1 不同更新改造农田防护林带下不同土层各粒径水稳性团聚体质量百分比Fig.1 Mass percentages of water-stable aggregates with different grain sizes in different soil layers under different transformed shelterbelts

2.3 不同更新改造农田防护林带土壤团聚体稳定性特征

由图2 可知，相同土层不同更新改造方式林带团聚体稳定性指标存在显著差异。在0～40 cm 土层更新改造林带（ZY、ZC、YS、YC）的WSA、GMD 值显著高于退化林带（TYC）（P＜0.05），大小依次为：TYC ＜YS ＜ZY ＜ZC ＜YC，D则相反，表现为退化林带显著高于更新改造林带，YC ＜ZC ＜ZY ＜YS ＜TYC，差异达显著。0～40 cm 土层更新改造林带WSA 值在各林带间差异显著，GMD 值除ZY、ZC 林带外，其他林带间存在显著差异；相同土层MWD、GMD 值在不同林带间差异性不一致，在0～10、10～20 cm 土层各林带间MWD 均值和GMD 均值表现出：YS ＜ZC ＜ZY ＜YC，且YC 显著高于YS（P＜0.05）；0～10、10～20 cm 土层D 值退化林带（TYC）显著高于更新改造林带（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），20～40 cm 土 层D 值 在ZY、ZC、YS林带间无显著差异，TYC 显著高于YC；在0～10 cm 土层各林带间PAD 值差异不显著；10～20 cm 土层各林带间ZY 的PAD 值显著高于ZC、YS、YC、TYC（P＜0.05），ZC、YS、YC 之间差异不显著，20～40 cm 各林带（除YS、YC）间差异显著，大小依次为：ZY ＞ZC ＞YS ＞YC ＞TYC。

图2 不同更新改造农田防护林带土壤团聚体稳定性指标随土壤深度变化Fig.2 The stability indexes of soil aggregates varied with soil depth in different transformed shelterbelts

2.4 不同更新改造农田防护林带团聚体随土层深度变化特征

由表3 可知，双因素方差分析结果显示，土层深度对WSA 有显著影响（P＜0.05），对GMD、MWD 和PAD 存在极显著影响（P＜0.01），对D 影响不显著（P＞0.05）。不同农田防护林带对WSA、MWD、GMD、PAD 和D 均存在极显著影响（P＜0.01），农田防护林带和土壤深度的交互效应对土壤团聚体稳定性无显著影响（P＞0.05）。

表3 不同更新改造农田防护林带和土壤深度下土壤团聚体指标双因素方差分析†Table 3 Two-way ANOVA of soil aggregate indexes under different shelterbelts and soil depth

由图2 可知，相同更新改造方式林带不同土层深度的土壤团聚体稳定性变化规律不一致。WSA 随土层深度逐渐减小，仅ZY 在0～10 cm与10～20 和20～40 cm 土层存在显著差异（P＜0.05）；MWD、GMD 随土层深度均逐渐减小，且ZY、ZC 在0～10 cm 土层与10～20 和20～40 cm 土层间存在差异显著（P＜0.05）；随土层深度的增加，更新改造林带D 逐渐增大，退化林带TYC 逐渐减少，且ZY、ZC、YC 在0～10 cm与10～20、20～40 cm 土层间D 差异显著（P＜0.05）；随土层深度的增加，PAD 逐渐增大，且在ZY、YS、YC 和TYC 中0～10 cm 土 层PAD 显著低于10～20、20～40 cm 土层（P＜0.05）。

2.5 不同更新改造农田防护林带土壤可蚀性

土壤可蚀性[24]（K 值）是土壤抗蚀能力大小的一个相对综合的指标，表征土壤对外界侵蚀的敏感性，K 值越小，土壤抗蚀能力越强；土壤K值越大，抗蚀能力越弱。由图3 可见，退化林带（TYC）的抗侵蚀能力显著低于更新改造林带（ZY、ZC、YS、YC）（P＜0.05），随土层增加土壤抗侵蚀能力逐渐降低，表层0～10 cm 土壤的抗蚀能力均比亚表层10～20 cm 土层强，且不同林带间各土层土壤可蚀性的变化规律基本相同。综合0～40 cm 土层，土壤抗侵蚀能力从大到小依次为YC ＞ZC ＞ZY ＞YS ＞TYC，土壤可蚀性分别为0.054、0.079、0.086、0.091、0.143。说明更新改造能够显著提高农田防护林土壤抗侵蚀能力，不同更新改造林带抗侵蚀能力有所不同，其中YC的抗侵蚀能力最好，ZY、ZC 次之，YS 最差。

图3 不同更新方式林带土壤可蚀性的变化Fig.3 Changes of soil erodibility in the shelterbelts with different transformation modes

2.6 不同更新改造农田防护林带土壤团聚体和土壤可蚀性影响因素分析

2.6.1 土壤团聚体各粒径与土壤团聚体稳定性和可蚀性的相关分析

土壤是由矿物质颗粒构成的，具有高度自相似性结构和分形特征，土壤可蚀性和团聚体稳定性受各粒级直接影响。由表4 可知，1.00～2.00、2.00～5.00 mm 粒 径 团 聚 体 含 量 与MWD、GMD、WSA 呈极显著正相关（P＜0.01），与D 和K 呈极显著负相关（P＜0.01）。团聚体粒径对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性的贡献可用相关系数参数评价，发现1.00～2.00、2.00～5.00 mm 粒径团聚体含量对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性贡献较大；＜0.25 mm 粒径团聚体与MWD、GMD、WSA 呈极显著负相关（P＜0.01），相关系数分别为-0.705、-0.772、-0.927，与D、K 呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.767、0.888。表明在大团粒结构中土壤团聚体稳定性主要受1.00～5.00 mm 粒径团聚体的主导，小团粒结构中土壤分形维数和土壤可蚀性主要受＜0.25 mm 粒径影响因素。土壤有机质与土壤MWD、GMD、WSA、＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒径呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤K、0.25～0.50、＜0.25 mm 粒径呈极显著负相关（P＜0.01），因此有机质含量越高，＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒径团聚体含量越多，土壤MWD、GMD、WSA 越大，其中K 与WSA相关性明显高于其他团聚体稳定性指标。由此可知，土壤团聚体稳定性与土壤可蚀性、团聚体粒径和有机质含量密切相关，提高＞5.00、2.00～5.00、1.00～2.00 mm 粒径团聚体含量，有助于提高团聚体稳定性，降低土壤可蚀性。此外发现＞0.50 mm 粒径与土壤GMD、MWD、WSA 正相关，与土壤D、K 负相关，＜0.50 mm 与之相反，说明0.50 mm 粒径可以作为团聚体粒径影响团聚体稳定性和土壤可蚀性K 值正负相关的阈值。PAD 与WSA、MWD、GMD、D、K、有机质以及各粒径团聚体关系均不显著，说明PAD 不能作为此区域水稳性团聚体特征的研究。

表4 土壤团聚体各粒径与团聚体稳定性和可蚀性的Pearson 相关分析†Table 4 Pearson correlation analysis of soil aggregate size with aggregate stability and erodibility

2.6.2 土壤理化性质与土壤团聚体稳定性和可蚀性关系

土壤理化性质与土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性冗余分析（RDA）如图4 所示，结果表明：土壤理化性质对团聚体稳定性和土壤可蚀性的累积解释量达71.89%（F=12.4，P=0.02），其中RDA1 的累积解释量为63.02%，前2 轴（RDA1和RDA2）的累积解释量为71.88%，拟合方差累积解释量为99.98%。土壤有机质含量、粉粒含量、黏粒含量、非毛管孔隙度和毛管持水量与土壤MWD、GMD、WSA 呈显著正相关（P＜0.05），与分形维数D、土壤可蚀性K 值呈显著负相关（P＜0.05）；土壤砂粒含量和土壤容重与土壤MWD、GMD、WSA 呈显著负相关（P＜0.05），与分形维数D、土壤可蚀性K 值呈显著正相关（P＜0.05）。土壤砂粒含量和有机质含量对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性影响最大，分别解释了56.6%和7.1%的变异，其次是容重（3.1%）和黏粒含量（2.2%），毛管孔隙度最低，对其解释量仅0.5%。土壤砂粒、有机质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质对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响更显著。土壤有机质含量越大，土壤容重和砂粒含量越小，土壤团聚体D 和K 值越小，土壤MWD、GMD、WSA 越大，土壤水稳性团聚体越稳定，抗侵蚀能力越强。

图4 土壤理化性质与团聚体稳定性和可蚀性的RDA 排序Fig.4 RDA ranking of soil physicochemical properties and aggregate stability and erodibility

3 讨 论

3.1 不同更新改造方式林带团聚体组成特征分析

土壤团聚体作为土壤结构稳定性的重要指标[25]，其大小和数量影响着土壤质量，通常认为＞0.25 mm 粒级水稳性团聚体数量越多，土壤稳定性越好，抗侵蚀能力越强。本研究发现林带更新改造后，水稳性大团聚体所占比例显著增加，显著高于退化林带，且不同更新改造方式林带间土壤团聚体分布存在差异，这与黎宏祥等[5]对于喀斯特地区林分类型的研究结果相似。说明更新改造方式对土壤团聚体的形成及分布具有显著影响，这可能是因为更新改造方式造成林带地上植被构成、地表凋落物输入的数量和质量以及地下根系分布状况不同[7]，导致土壤环境的差异，使微生物和有机质输入的量和分解速率不同，进而使形成大团聚体的胶结物质存在差异[26]，最终在不同林带中表现出土壤团聚体分布存在差异。本研究也发现更新改造林带水稳性团聚体均以＞0.25 mm粒径大团聚体为主，说明更新改造有助于提高林带土壤结构的稳定性，使微团聚体（＜0.25 mm）向大团聚体（＞0.25 mm）转变，退化林带水稳性团聚体均以＜0.25 mm 粒径微团聚体为主，表明退化林带土壤团聚体向小粒径方向转变，这与季波等[27]对于黄土区天然草地的研究相似，这一方面反映了更新改造对土壤团聚体分布特征具有影响，另一方面也可反映出不同更新改造树种的构成及地上植被掉落物土壤状况等对土壤团聚体也具有影响。

3.2 不同更新改造方式林带团聚体稳定性分析

土壤MWD 和GMD 反映团聚体大小分布状况[28]，其值越大表明土壤团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强，土壤结构和质量越好。本研究结果表明不同更新改造林带土壤MWD、WSA 和GMD 显著高于退化林带（P＜0.05），而土壤D 更新改造林带显著低于退化林带，土壤团聚体稳定性依次：TYC ＜YS ＜ZY ＜ZC ＜YC，说明更新改造显著提高了土壤团聚体稳定性，YC和ZC 相比于ZY、YS 林带更有助于提高土壤团聚体稳定性和团聚度，改善土壤结构。这一结果与马帅等[29]对黄土高原植被恢复的研究结果相似，这是因为土壤团聚体稳定性与林带树种组成、林带内凋落物分解速率及有机质的含量有关。退化林带与更新改造林带相比树干枝条退化导致地表掉落物和地表植物较少，而更新改造ZC 和YC 林带与ZY、YS 林带相比具有较高的郁闭度和较多地表凋落物，凋落物是土壤有机质输入的重要来源[30]，而有机质是形成团粒结构良好的胶结剂，能促进大团聚体的形成，增加大团聚体的分布和数量，同时凋落物的分解也为微生物生存和繁殖提供了营养物质[31]，使微生物生理活动更加旺盛其产生的分泌物对土壤产生胶结作用，将较小的土壤颗粒黏聚成较大的团聚体，从而提高团聚体的稳定性。土壤PAD 反映土壤破坏程度的大小，其值越小，土壤团聚体越稳定，本研究发现退化林带破坏程度低于更新改造林带，这与其他研究结论不一致[24]，经测定发现退化林带砂粒含量较高，可能是由于砂粒含量较高时不利于水稳定团聚体的表达，PAD 不适用于此区域研究团聚体稳性特征研究。

3.3 不同更新改造方式林带团聚体稳定性随深度变化分析

双因素方差分析发现，土层深度对土壤团聚体稳定性指标存在显著影响。于海艳等[32]和冯文瀚等[33]对华北和华东地区人工林研究表明，WSA、MWD、GMD 随土壤深度增加逐渐降低，而D 变化趋势与此相反，这与本研究的土壤WSA、MWD 和GMD 均随土层深度增加逐渐减小，而D 和K 逐渐增大，且D 和K 在0～10 cm 土层不同林带团聚体稳定性差异显著，20～40 cm 土层各林带间团聚体稳定性差异不显著的结论相一致。形成这一规律的原因可能是土壤团聚体稳定性和抗蚀性能与根系质量密度呈显著正相关[34]。林带的地下生物量及树根系主要分布在0～20 cm土层处，在20～40 cm 土层相对较少，使得土壤有机质富集在土壤表面，表层土壤有机质通过淋溶和迁移作用输入到亚表层，从而表现出随土层深度增加而降低的趋势，并在20～40 cm 土层以下趋于稳定。由此可见，土壤结构和稳定性随土层深度的增加逐渐降低，土壤结构变差，表层土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力显著高于深层。

3.4 不同更新改造方式林带土壤可蚀性的差异分析

土壤可蚀性因子[35]（K 值），可以反映土壤物理结构的稳定性，与土壤团聚体稳定性密切相关，K 值大的土壤易受侵蚀。通过对比分析各林带土壤K 值，发现退化林带的土壤可蚀性显著高于更新改造林带（P＜0.05），更新方式不同土壤可蚀性存在差异，其中YC 土壤可蚀性显著低于其他更新改造林带。这说明更新改造林带中YC 的土壤抗侵蚀能力最强，而林带退化使土壤抗侵蚀能力变差，更新改造有助于提高土壤抵抗侵蚀的能力，这与之前TANG 等研究结果相似[36]，农田防护林带可通过更新改造提高土壤团聚体稳定性来减少土壤侵蚀的发生[37]。主要机制是由于随着更新改造的实施，林带地上植被盖度增加，导致输入的有机质增加，造成土壤的理化性质发生改变，促进新的更加丰富的大团聚体的形成，从而提高了土壤团聚体的稳定性，增强了土壤的抗侵蚀能力。

3.5 土壤理化性质对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响

更新改造林带对土壤理化性质和团聚体的影响主要表现在增加了土壤有机质、黏粒、粉粒含量以及孔隙度和大团聚体数量，降低了土壤容重和砂粒含量，从而提高土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力[24]。朱冰冰等[38]对黄土区土地退化研究表明土壤有机质含量与土壤可蚀性和水稳性团聚体关系密切，土壤有机质含量越高，土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力越好。本研究也发现土壤有机质含量与土壤MWD、GMD、WSA 呈显著正相关，与土壤可蚀性K 值呈显著负相关。该结果与聂富育等[39]研究结果一致，可能是由于凋落物和植物残体的分解是土壤中有机质的输入主要来源[40]，而微生物分解产生的腐殖质对土壤颗粒起黏结作用，有助于大团聚体的形成。徐文秀等[41]对于紫土区的研究发现土壤可蚀性与砂粒含量呈负相关，与土壤黏粒含量、粉粒含量呈正相关，这与本研究结果中砂粒、有机质含量更重要且土壤可蚀性与砂粒含量呈显著正相关，与土壤粉粒含量、黏粒含量呈显著负相关不一致。其可能是由于本研究区土壤质地有关，土壤砂粒含量较高时，土壤疏松趋近于沙化，使得土壤的黏结性变差，导致土壤团粒间胶结作用减弱和细小颗粒易流失，使得水稳性团聚体的数量和稳定性降低，增加土壤可蚀性K 值，使得土壤抗侵蚀能力降低。土壤容重与土壤非毛管孔隙度、毛管持水量及MWD、GMD、WSA 呈显著负相关，与土壤D、K 值间呈显著正相关，说明土壤容重越小，孔隙越大，团聚体越稳定，这与赵友朋等[42]研究结果有所不同，造成这种差异的原因可能是土壤理化性质对粒级较小的土壤团聚体影响更大，从而影响土壤结构稳定性。土壤团粒和团粒间存在较大的孔隙度有助于空气流通，使得持水毛管孔隙在团粒内部占绝对优势，为土壤水、肥、气、热的协调创造了良好的条件。总的来说，土壤有机质、黏粒、粉粒含量、土壤非孔隙度越大，土壤容重越小，水稳性团聚体稳定性越好，土壤抗蚀侵蚀能力越强。

本研究仅选取半干旱平原区更新改造的农田防护林带从树种组成探究土壤团聚体特征和可蚀性以及相关的土壤理化性质，日后的研究应将半湿润丘陵漫岗区坡面更新改造的农田防护林带作为研究对象，从树种组成以及结构调控等方面进行研究，为不同区域地形下农田防护林更新改造配置方式提供依据。此外，影响土壤团聚体稳定性特征差异的因素复杂多变，进一步解释土壤团聚体的形成与稳定机制，尚需结合离子交换量、土壤铁铝氧化物等因子综合研究。

4 结 论

黑土平原区农田防护林带实施更新改造措施后，土壤团聚体、土壤可蚀性和土壤理化性质均发生了正向变化，且更新改造方式不同对其改善效果存在差异。更新改造林带水稳性团聚体均以＞0.25 mm 的大团聚体为主，退化杨树林带水稳性团聚体均以＜0.25 mm 的微团聚体为主；5 种林带土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力大小为：YC ＞ZC ＞ZY ＞YS ＞TYC；土壤理化性质与土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性密切相关，土壤砂粒、有机质含量及容重较土壤黏粒含量、非毛管孔隙度等理化质对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响更显著。总之，研究发现更新改造防护林带的土壤团聚体稳定性与土壤抗侵蚀能力得到明显提升，并使土壤质量朝着良好方向发展，在更新改造方式中杨树和樟子松林带团聚体稳定性和抗蚀性显著优于樟子松-杨树混交、云杉林带，考虑到杨树生长周期短，未来应优先选择樟子松作为防护林主要树种。本研究结果对于退化农田防护林带的生态功能修复和农田防护林的建设具有重要意义。