全 文 ：典型黑土耕作区土壤结构对季节性冻融的响应*
王恩姮摇 赵雨森摇 陈祥伟**
(东北林业大学, 哈尔滨 150040)
摘摇 要摇 以东北典型黑土耕作区土壤为研究对象,通过对一季冻融交替后土壤团聚体、土壤
楔入阻力、容重、孔隙度、饱和度、广义土壤结构指数等指标的测定和分析,对比研究了季节性
冻融对黑土耕作土壤结构特征的影响.结果表明:季节性冻融加剧了黑土耕作区土壤风干团
聚体的分散,但显著降低了水稳性团聚体的破坏率(P<0郾 05),表现出促进其团聚的作用;季
节性冻融后黑土土壤楔入阻力降低了 15郾 45% ;容重趋于一致,在 1郾 10 ~ 1郾 11 g·cm-3之间;
固相比例持续增加,总孔隙度与毛管孔隙度均不同程度降低;土壤饱和度总体增加了
13郾 06% ,削弱了土壤潜在贮水能力.季节性冻融改善了耕作区的土壤结构,使之更适于耕作.
虽然季节性冻融增强了土壤团聚体的抗蚀性,却削弱了土壤的抗冲性,增加了黑土水蚀发生
的风险.
关键词摇 黑土摇 季节性冻融摇 土壤饱和度摇 土壤团聚体摇 广义土壤结构指数
文章编号摇 1001-9332(2010)07-1744-07摇 中图分类号摇 S152郾 4摇 文献标识码摇 A
Responses of soil structure to seasonal freezing鄄thawing in a typical black soil cultivated
region. WANG En鄄heng, ZHAO Yu鄄sen, CHEN Xiang鄄wei (Northeast Forestry University, Harbin
150040, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(7): 1744-1750.
Abstract: Taking the soil in a typical black soil cultivated region as test object, this paper analyzed
its aggregate size distribution, wedge resistance, bulk density, porosity, saturation degree, and
generalized structure index after a seasonal freezing鄄thawing cycle, and evaluated the effects of the
freezing鄄thawing cycle on the soil structural characters. The seasonal freezing鄄thawing cycle aggrava鄄
ted the disruption of air鄄dried aggregates, but strengthened the aggregation of water鄄stable aggre鄄
gates and lowered their destruction rate. After the freezing鄄thawing cycle, soil wedge resistance de鄄
creased by 15郾 45% , and soil bulk density remained relatively constant from 1郾 10 to 1郾 11 g·
cm-3 . The volume percent of soil solid phase increased, and soil total porosity and capillary porosity
decreased to different degree. Soil saturation degree was improved by 13郾 06% , which in turn de鄄
creased the soil potential storage capacity. Seasonal freezing鄄thawing cycle improved the soil struc鄄
ture and soil arability and increased the erosion resistance of soil aggregates, but decreased the soil
erosion resistance and increased the risk of the water erosion of black soil.
Key words: black soil; seasonal freezing鄄thawing; soil saturation degree; soil aggregate; general鄄
ized soil structure index.
*国家自然科学基金项目(30872068)资助.
**通讯作者. E鄄mail: chenxwnefu@ yahoo. com. cn
2009鄄10鄄12 收稿,2010鄄04鄄12 接受.
摇 摇 冻融交替现象普遍存在于北半球中、高纬度地
区及高海拔地区,是影响该区土壤生态的重要因素
之一[1] .冻融作用不仅能较为强烈地影响土壤物理
结构[2-3]、改变土壤生物区系特征[4-5],而且是 N2O
等温室气体的重要释放源[6-7] .同时,冻融交替对改
善土壤环境起着积极作用,能够调节土壤的紧实
度[8],释放 N、P、有机碳等养分,进而提高土壤的可
耕性等[9] .事实上,冻融循环对土壤结构与功能的
影响极其复杂,迄今尚无共识的结论[10] .
我国的黑土资源主要分布在东北地区松嫩平原
东部及北部的山前台地,区内存在明显的季节性冻
融现象.冻融交替过程不仅是黑土主要的成土因子,
而且是黑土良好结构与肥热条件的重要基础[11];但
同时也是该区土壤侵蚀和水土流失的重要外营力之
一[12-13],特别是在温带地区,土壤流失量的 50%以
上发生在冻土层解冻时期[14] . 目前,关于导致和加
剧黑土侵蚀的原因众说纷纭,许多学者认为“坡缓
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 7 月摇 第 21 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2010,21(7): 1744-1750
而长冶、“降雨集中冶、“母质脆弱冶是黑土侵蚀的主要
原因,也有学者提出“冻融交替冶是加剧黑土侵蚀的
关键因子,并对黑土区冻融侵蚀类型进行了分
类[15-17],而有关冻融对黑土结构的影响却鲜有研
究.为此,本文拟通过典型黑土区季节性冻融前后耕
作区土壤结构的变化规律,探讨季节性冻融对典型
黑土结构的影响,以期为进一步揭示黑土侵蚀机理
提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验地点位于黑龙江省西北部克山县境内的克
山农场(48毅12忆—48毅23忆 N,125毅8忆—125毅37忆 E). 属
克拜漫川漫岗地带,海拔 240 ~ 340 m,平均坡度 3毅.
区域内土壤类型以粘化湿润均腐土占绝对优势,只
在部分低洼处镶嵌分布少量的草甸土,属典型黑土
区[18] .该区温带大陆性季风气候特征明显,年均气
温 0郾 9 益,逸10 益有效积温 2296郾 2 益,年均降水量
501郾 7 mm,年均蒸发量 1329郾 4 mm,无霜期115 d,土
壤冻结期从 11 月初至翌年 6 月中旬,最大冻结深度
可达 2郾 5 m.
1郾 2摇 样点选择与布设
2007 年 9 月下旬(季节性冻融前),于克山农场
农业科技园区在收获、整地措施一致的小麦耕地内
设置 30 m伊30 m样地 1 块,样地内沿对角线布设 3
个剖面,在耕作区 0 ~ 30 cm 垂直范围内,按 10 cm
机械分层,布点取样,每层 3 次重复. 2008 年 5 月下
旬(季节性冻融后),在同一样地内重复季节性冻融
前的取样工作,样地除只经历自然季节性冻融外,无
耕作等其他人为因素的影响. 样地坡度 1毅,土壤类
型为粘化湿润均腐土.
1郾 3摇 测定项目与方法
选取 5、2、1、0郾 5和 0郾 25 mm组成的套筛,分别采
用干筛和湿筛法进行测定土壤团聚体,并计算
>0郾 25 mm团聚体破坏率(PAD0郾 25 )、平均质量直径
(Dmm)和分形维数(D) [19-21];土壤硬度(土壤楔入阻
力)采用 ET鄄3 型土壤硬度计在田间进行实地测
定[22];土壤质量含水量采用烘干法测定;土壤容重、
孔隙度、饱和度采用环刀法(环刀的规格为 100 cm3)
测定[23];广义土壤结构指数的计算采用以下公式[24]:
Igss =[(XS-25)XL XG] 0郾 4769
式中: Igss为广义土壤结构指数;XS 为土壤固相体积
百分比(>25% );XL 为土壤液相体积百分比(>0);
XG 为土壤气相体积百分比(>0).
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel 2003 和 Sigmaplot 10郾 0 软件对数据
进行处理,并用 SPSS 13郾 0 软件进行 T检验.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 季节性冻融前后土壤团聚体组成特征的变化
固体颗粒是土壤固相的基本结构要素,颗粒的
大小、形状、表面特征以及组成分布等对土壤三相体
系结构具有重要意义.季节性冻融后 0 ~ 10 cm表层
土壤>2 mm的干筛团聚体比例迅速降低,而<2 mm
粒级的团聚体比例增加,其中以>5 mm 的团聚体的
降幅最显著(P<0郾 05);与表层土壤不同,季节性冻
融降低了 10 ~ 30 cm 土壤 2 ~ 5 mm 和 0郾 5 ~ 1 mm
团聚体的比例,其他粒级的比例则有所增加.产生这
种差异的原因可能是由于不同土壤深度所经历的季
节性冻融频度和强度不同所致,表层土壤季节性冻
融较下层土壤强烈,其季节性冻融后平均质量直径
(Dmm)降低了 25郾 21% (P<0郾 05),分形维数(D)升
高了 1郾 23% .季节性冻融对耕作区(0 ~ 30 cm)土壤
干筛团聚体的影响总体表现为:显著降低了 2 ~
5 mm粒级团聚体的比例,提高了其他中小粒级团聚
体的比例;Dmm较冻融前降低了 10郾 79% ,而 D 则增
加了 3郾 8% ,差异均达显著水平(表 1). 可见,季节
性冻融过程加剧了典型黑土区耕作土壤风干团聚体
的分散.
摇 摇 从表 2 可以看出,季节性冻融前,耕作区各层土
壤水稳性团聚体比例随着粒级的减小而逐渐增加.
季节性冻融后,表层 (0 ~ 10 cm)土壤 > 1 mm 和
<0郾 25 mm团聚体比例有所降低,而 0郾 25 ~ 1 mm 中
粒级团聚体比例显著增加(P<0郾 05);10 ~ 20 cm 土
层内,0郾 5 ~ 2 mm和<0郾 25 mm的团聚体比例不同程
度降低,而其他粒级显著增加(P<0郾 05);20 ~ 30 cm
土层内,0郾 5 ~ 2 mm 团聚体比例显著降低 ( P <
0郾 05),增加了>2 mm 和<0郾 5 mm 水稳性团聚体的
组成.季节性冻融对耕作区(0 ~ 30 cm)土壤水稳性
团聚体的影响总体表现为:显著降低了<0郾 25 mm
小粒级水稳性团聚体比例,显著增加了>2 mm 大粒
级水稳性团聚体的比例.土壤 Dmm、D和 PAD0郾 25的变
化幅度随着土壤深度的增加逐渐降低,且总体变化
均达显著水平,其中,Dmm较冻融前增加了 10郾 81% ,
D和 PAD0郾 25较冻融前平均降低了 0郾 68%和 6郾 19%
(P<0郾 05).可见,季节性冻融能够增强>0郾 25 mm团
聚体的水稳性,可促进典型黑土区耕作土壤水稳性
团聚体的团聚.
54717 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王恩姮等: 典型黑土耕作区土壤结构对季节性冻融的响应摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 季节性冻融前后土壤风干团聚体组成
Tab. 1摇 Air鄄dry soil aggregate distribution before and after seasonal freezing鄄thawing cycle (mean依SD)
处 理
Treatment
土壤深度
Soil depth
(cm)
土壤团聚体比例 Percentage of soil aggregate (% )
>5 mm 2 ~ 5 mm 1 ~ 2 mm 0郾 5 ~ 1 mm 0郾 25 ~ 0郾 5 mm <0郾 25 mm
Dmm
(mm)
D
冻融前 0 ~10 18郾 72依2郾 72 31郾 51依3郾 51 8郾 49依1郾 51 17郾 79依3郾 21 13郾 82依1郾 18 9郾 67依0郾 33 2郾 38依0郾 21 2郾 44依0郾 01
Before freezing鄄 10 ~20 21郾 57依1郾 57 33郾 34依3郾 34 7郾 50依1郾 50 19郾 14依0郾 86 12郾 08依1郾 92 6郾 38依0郾 62 2郾 56依0郾 16 2郾 34依0郾 03
thawing cycle 20 ~30 10郾 11依1郾 80 41郾 31依1郾 39 7郾 18依0郾 28 23郾 18依1郾 96 11郾 64依0郾 49 6郾 58依0郾 46 2郾 29依0郾 12 2郾 33依0郾 01
0 ~30 16郾 80依2郾 40 35郾 39依1郾 94 7郾 72依0郾 52 20郾 04依1郾 13 12郾 51依0郾 91 7郾 54依1郾 67 2郾 41依0郾 10 2郾 37依0郾 05
冻融后 0 ~10 9郾 05依0郾 91* 24郾 92依2郾 49 11郾 68依1郾 75 24郾 72依3郾 71 18郾 60依2郾 79 11郾 03依4郾 85 1郾 78依0郾 08* 2郾 47依0郾 12
After freezing鄄 10 ~20 22郾 72依1郾 72 24郾 91依1郾 91* 8郾 55依0郾 45 17郾 88依1郾 12 15郾 97依1郾 03* 9郾 97依1郾 03* 2郾 36依0郾 13 2郾 46依0郾 03*
thawing cycle 20 ~30 20郾 72依1郾 28* 26郾 22依1郾 22* 7郾 98依1郾 02 18郾 84依1郾 84 16郾 65依1郾 65* 9郾 59依2郾 41 2郾 30依0郾 02 2郾 45依0郾 05
0 ~30 17郾 50依7郾 38 25郾 35依0郾 75* 9郾 40依1郾 99 20郾 48依3郾 70 17郾 08依1郾 37* 10郾 20依0郾 75* 2郾 15依0郾 32* 2郾 46依0郾 01*
Dmm: 平均质量直径 Mean mass diameter; D: 分形维数 Fractal dimension; * P<0郾 05.下同 The same below.
表 2摇 季节性冻融前后土壤水稳性团聚体组成
Tab. 2摇 Water鄄stable soil aggregate distribution before and after seasonal freezing鄄thawing cycle (mean依SD)
处 理
Treatment
土壤深度
Soil depth
(cm)
土壤团聚体比例 Percentage of soil aggregate (% )
>5 mm 2 ~
5 mm
1 ~
2 mm
0郾 5 ~
1 mm
0郾 25 ~
0郾 5 mm
<0郾 25 mm
Dmm
(mm)
D PAD0郾 25
(% )
冻融前
Before freezing鄄
0 ~ 10 0 1郾 18依
0郾 18
1郾 80依
0郾 20
6郾 10依
1郾 22
12郾 20依
2郾 44
78郾 72依
3郾 68
0郾 36依
0郾 01
2郾 94依
0郾 01
87郾 72依
1郾 00
thawing cycle 10 ~ 20 0 0郾 60依
0郾 20
1郾 82依
0郾 18
12郾 50依
2郾 50
19郾 44依
1郾 44
65郾 64依
3郾 56
0郾 38依
0郾 01
2郾 90依
0郾 01
90郾 28依
0郾 42
20 ~ 30 0 0郾 42依
0郾 08
2郾 38依
0郾 12
10郾 62依
0郾 38
18郾 48依
2郾 48
68郾 10依
1郾 90
0郾 37依
0郾 00
2郾 91依
0郾 00
90郾 34依
0郾 37
0 ~ 30 0 0郾 73依
0郾 40
2郾 00依
0郾 33
9郾 74依
3郾 29
16郾 71依
3郾 93
70郾 82依
6郾 95
0郾 37依
0郾 01
2郾 92依
0郾 02
89郾 35依
1郾 28
冻融后
After freezing鄄
0 ~ 10 0 0郾 98依
0郾 02
1郾 51依
0郾 09
16郾 83依
1郾 17*
24郾 39依
0郾 61*
56郾 29依
1郾 89*
0郾 42依
0郾 01*
2郾 87依
0郾 01*
80郾 41 依
7郾 97
thawing cycle 10 ~ 20 0郾 24依
0郾 06*
2郾 72依
1郾 28*
1郾 58依
0郾 42
8郾 73依
1郾 73
22郾 49依
0郾 51*
64郾 25依
0郾 55
0郾 44依
0郾 04
2郾 90依
0郾 01
84郾 48依
1郾 74*
20 ~ 30 0 1郾 30依
0郾 90
1郾 75依
0郾 25*
7郾 44依
1郾 56*
20郾 92依
0郾 08
68郾 59依
2郾 79
0郾 38依
0郾 04
2郾 92依
0郾 01
86郾 02依
4郾 09
0 ~ 30 0郾 08依
0郾 14
1郾 67依
0郾 93*
1郾 61依
0郾 12*
11郾 00 依
5郾 09
22郾 60依
1郾 74*
63郾 04依
6郾 24*
0郾 41依
0郾 03*
2郾 90依
0郾 03*
83郾 82依
2郾 90*
PAD0郾 25: >0郾 25 mm团聚体破坏率 Disruption rate of >0郾 25 mm aggregate.
2郾 2摇 季节性冻融前后土壤楔入阻力的变化
土壤楔入阻力,即土壤硬度,主要反映土壤的紧
实程度,土壤硬度的变化直接影响土壤的可耕性.季
节性冻融前后土壤硬度的垂直变化规律一致,均随
着土壤深度的增加而逐渐增大(图 1). 季节性冻融
能够降低土壤硬度,0 ~ 30 cm 耕作区域内平均土壤
硬度较冻融前降低了 15郾 45% . 不同土壤层次季节
性冻融后土壤硬度的降低幅度不同,表现出随着土
壤深度的增加,土壤硬度的降低幅度逐渐减小,降低
幅度范围为 30郾 33% ~ 84郾 11% ,其中以表层(0 ~
10 cm)土壤的作用效果最显著(P<0郾 05).
2郾 3摇 季节性冻融前后土壤容重的变化
季节性冻融对典型黑土耕地土壤容重的影响较
复杂(图 1),冻融前耕作区从上至下 3 个土层的土
壤容重依次为 1郾 11、1郾 09 和 1郾 16 g·cm-3,冻融后
容重相对较低的 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 20 cm 土层略有
增加,分别较冻融前增加了 0郾 12%和 1郾 64% ;而容
重相对较高的20 ~ 30 cm土层则降低了4郾 79% ,但
图 1摇 季节性冻融前后土壤硬度和容重的变化
Fig. 1摇 Changes of soil wedge resistance and bulk density before
and after seasonal freezing鄄thawing cycle (mean依SD).
玉:冻融前 Before freezing鄄thawing cycle;域:冻融后 After freezing鄄tha鄄
wing cycle. 下同 The same below.
6471 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
差异均不显著.季节性冻融后耕作区内各土层的土
壤容重较相近,在 1郾 10 ~ 1郾 11 g·cm-3,总体表现出
一定的降低作用.
2郾 4摇 季节性冻融前后土壤孔隙度的变化
由图 2 可知,季节性冻融后 0 ~ 30 cm 土层内,
土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均不同
程度地降低,其中,表层土壤的变化幅度相对较大,
分别较冻融前降低了 10郾 22% 、9郾 14%和 21郾 24% ,
其中总孔隙度的变化差异达到了显著水平 ( P <
0郾 05);10 ~ 20 cm 土层内各孔隙度的变化相对较
小,三者分别降低了 3郾 77% 、2郾 18%和 10郾 58% ,但
差异均未达到显著水平;与上层土壤表现不同,在
20 ~ 30 cm土层内,虽然总孔隙度较冻融前仅降低
了 6郾 69% ,但其内部的孔隙结构变化较强烈,非毛
管孔隙度从 2郾 12%提高到 6郾 99% ,而毛管孔隙度则
降低了 16郾 69% (P<0郾 05).季节性冻融对典型黑土
耕作区土壤 0 ~ 30 cm孔隙结构的影响总体表现为:
非毛管孔隙度小幅增加,但由于毛管孔隙度降低的
幅度相对较大,最终导致总孔隙度显著降低(P <
0郾 05).
摇 摇 由图 3 可知,与冻融前相比,0 ~ 30 cm 土层范
围内季节性冻融后 NCP / CP 增加了 27郾 71% ,但未
达显著水平.季节性冻融对土壤孔隙结构的影响主
要以减少非毛管大孔隙度为主,毛管孔隙度虽然也
图 2摇 季节性冻融前后土壤孔隙度的变化
Fig. 2摇 Change of soil porosity before and after seasonal freez鄄
ing鄄thawing cycle.
NCP:非毛管孔隙度 Non鄄capillary porosity;CP:毛管孔隙度 Capillary
porosity. 下同 The same below.
图 3摇 季节性冻融前后土壤非毛管孔隙度 /毛管孔隙度的
变化
Fig. 3摇 Change of soil NCP / CP before and after seasonal freez鄄
ing鄄thawing cycle (mean依SD).
有不同程度的降低,但其变化幅度相对较小,从而导
致各土层的 NCP / CP 均有所降低. 在 20 ~ 30 cm 范
围内,由于非毛管孔隙度的增加及毛管孔隙度的显
著降低导致 NCP / CP迅速增加近 3 倍.
2郾 5摇 季节性冻融前后土壤饱和度的变化
土壤饱和度指单位土体内水的容积与孔隙的容
积之比,土壤完全饱和时的饱和度为 1.在非饱和状
态下,饱和度越大说明土壤中孔隙被水分占据的比
例越高,因此潜在贮水能力就越差,易产生径流;反
之,饱和度越小,潜在贮水能力越强,进而能够促进
土壤入渗、减少径流. 从图 4 可以看出,季节性冻融
前,土壤饱和度为 0郾 35 ~ 0郾 41,并表现出随着土层
深度的加深呈先升高后降低的趋势.季节性冻融后,
各土层土壤饱和度均有所增加,并且随着土壤深度
的增加其变化幅度逐渐增大,依次提高了 9郾 42%
(0 ~ 10 cm)、11郾 42% (10 ~ 20 cm)和 18郾 04% (20 ~
30 cm),但差异未达显著水平.总体看来,0 ~ 30 cm
土层的土壤饱和度平均升高了 13郾 06%,表明季节性
冻融后耕作区土壤潜在贮水能力被削弱,初春融雪期
易产生径流;同时该区年降水量分配不均,全年一半
以上的降雨及强度降雨多集中在 7—9 月,因此在 6
月冻融交替结束后,由于土壤饱和度增加,极易诱发
面蚀和细沟侵蚀,加剧该区耕地土壤的侵蚀风险.
2郾 6摇 季节性冻融前后广义土壤结构指数的变化
广义土壤结构指数( Igss)是基于土壤固、液、气
三相为研究对象,借鉴柯布鄄道格拉斯生产函数构建
的能够定量有效表达土壤结构的指标[24] .旱作土壤
的理想三相结构是:固相 50% ,液相和气相各占
25% [25],此时 Igss为 100,其他情况下的 Igss均小于
100,故 Igss值越高,说明土壤越接近理想的三相结构
比例 . 由图4可知,季节性冻融前后各土层Igss的垂
74717 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王恩姮等: 典型黑土耕作区土壤结构对季节性冻融的响应摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 季节性冻融前后土壤饱和度和广义土壤结构指数的
变化
Fig. 4摇 Change of soil saturation and Igss before and after sea鄄
sonal freezing鄄thawing cycle (mean依SD).
Igss:广义土壤结构指数 Generalized soil structure index.
直变化规律一致,即均随着土层深度的增加而逐渐
增大.与冻融前相比,季节性冻融后土壤的 Igss均有
不同程度的增加,其中以表层土壤 Igss的增幅最大
(增加了 3郾 97% ),而 10 ~ 20 cm 土壤 Igss的增幅最
小 (增加了0郾 97% ) . 整体上看,0 ~ 30cm土壤 Igss
图 5摇 季节性冻融前后土壤三相的变化
Fig. 5 摇 Change of soil three phases before and after seasonal
freezing鄄thawing cycle.
图中 1、2、3 分别代表土层深 0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm 1, 2, 3 in the
figure meant soil depth of 0-10, 10-20, 20-30 cm, respectively.
增加了 2郾 24% ,但差异未达显著水平.
摇 摇 此外,结合土壤三相的二维三系图(图 5)可以
看出,在 0 ~ 20 cm 土层范围内,季节性冻融通过增
加土壤固相比例和不同程度地减小液相与气相的比
例来调节土壤三相,进而提高 Igss . 在 20 ~ 30 cm 土
层范围内,季节性冻融则是通过增加土壤固相和液
相的比例、同时持续降低气相的比例来实现对土壤
三相结构的调节.这表明黑土区耕作土壤的结构能
够在季节性冻融后得到改善,使之更接近理想的三
相结构.
3摇 讨摇 摇 论
由于水分子和粘土矿物表面粘附能力的不同,
随着温度的降低,最先结冰的土壤水是重力水,其次
分别为毛管水和薄膜水,而吸附水的结冰温度可低
达-80 益 ~ -75 益 [26-27] . 温度降低条件下,储存并
活动于土壤大孔隙中的重力水首先冻结,导致体积
膨胀,使其周围的小粒级土壤颗粒因受到挤压而缩
短了颗粒之间的距离,增加了吸引力,促进了其团聚
并保持稳定[28] . 与此同时,也正是由于重力水冻结
膨胀作用,致使构成大孔隙结构的大团聚体首先遭
到破坏,这可能是冻融交替加剧风干团聚体分散却
能促进水稳性团聚体团聚的重要原因.此外,冻融交
替能够加剧根系、菌根、土壤微生物残体等的分解,
提高土壤有机质含量,进而促进土壤颗粒的团聚,提
高其稳定性[29] .
冻融循环对土壤孔隙结构的影响具有双重性,
即对于松散土壤,冻融会使孔隙比降低、容重增加;
而对于密实的土壤则相反[30] . 多次冻融交替后,土
壤容重趋于某一定值,该定值与土壤初始干容重无
关,而与土体的种类有关[31] .但也有研究认为,在冻
融交替过程中无论冻结部分还是未冻结部分都会由
于冻胀力的挤压而产生压密现象,常会在一定程度
上减小孔隙比[28,32] . 本研究结果发现,季节性冻融
后土壤孔隙比由冻融前的 1郾 21 降至 1郾 04,这与以
往的研究[28,32]结果相吻合.
剪切力和硬度是土壤对冻融交替作用反应较敏
感的指标,即使土壤容重没有发生变化,硬度也会由
于冻融交替而降低,而且粘土的降低幅度比壤土更
明显[33] .本研究结果表明,季节性冻融后黑土土壤
硬度大幅降低,土壤容重趋于一致,土壤总孔隙度降
低,而固相比例增加. 但值得注意的是,由于各层次
内土壤颗粒密度的差异,土壤容重与总孔隙度并没
有表现出严格的负相关,因此可以判断,冻融交替能
8471 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
够改变土壤的颗粒密度,其变化程度可能与土层内
矿物和有机质的含量与组成及冻融的强度和频度有
关.
冻融交替作用通过改变土壤物理及结构力学等
特征而削弱土壤抗蚀性,被认为是直接或间接影响
土壤侵蚀过程的最重要因素之一[34] . 本研究发现,
黑土耕地土壤季节性冻融后土壤饱和度增加、潜在
贮水能力下降,加剧了该区的土壤侵蚀风险,这与张
永光等[12]的研究结论一致,其认为黑土区在春季表
层土壤解冻、地表裸露和存在季节性冻土层的条件
下,春季融雪及强降水易造成强烈的浅沟侵蚀.需要
指出的是,土壤水稳性团聚体在冻融之后稳定性增
强,破坏率降低,理论上应该是增强了土壤的抗蚀
性,并且在黑土区发生面蚀的坡面以及侵蚀沟的沟
尾与沟底处也确实清晰可见颜色明亮、结构稳定的
团聚体.因此,结合水稳性团聚体的变化规律、初春
融雪期的浅沟侵蚀特征以及切沟的发育模式,我们
认为季节性冻融提高了典型黑土区耕作土壤团聚体
的抗蚀性,但却削弱了土壤的抗冲性.建议在今后黑
土侵蚀过程及机理的研究中,将黑土可蚀性分为土
壤抗蚀性和土壤抗冲性两方面来考虑.
4摇 结摇 摇 论
季节性冻融加剧了典型黑土区耕作土壤风干团
聚体的分散,却促进了水稳性团聚体的团聚,增加了
>0郾 25 mm 水稳性团聚体的含量,显著降低了其破
坏率(P<0郾 05),提高了团聚体的水稳定性.
季节性冻融后,土壤硬度以表层(0 ~ 10 cm)变
化最显著,较冻融前降低了 84郾 11% (P<0郾 05);各
层次土壤容重趋于一致,在 1郾 10 ~ 1郾 11 g·cm-3;总
孔隙度和毛管孔隙度均有降低趋势,但非毛管孔隙
度平均增加了 4郾 10% ,非毛管孔隙度与毛管孔隙度
的比值也提高了 27郾 71% ;土壤饱和度均有不同程
度的增加,削弱了耕作区土壤的潜在贮水能力.
广义土壤结构指数在季节性冻融后均有所增
加,各土层的三相结构更接近理想状态下的三相比
例,说明季节性冻融能够有效改善典型黑土区耕作
土壤的结构.
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作者简介摇 王恩姮,女,1982 年生,博士研究生.主要从事土
壤侵蚀和水土保持研究. E鄄mail: erxin222@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
0571 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷