全 文 ：第 34 卷第 21 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.21
11.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41271293);国家自然科学青年科学基金项目(41302222)资助
收稿日期:2013鄄07鄄03; 摇 摇 修订日期:2014鄄05鄄30
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: chenxwnefu@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201307031829
王恩姮,赵雨森,夏祥友,陈祥伟.冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征.生态学报,2014,34(21):6287鄄6296.
Wang E H, Zhao Y S, Xia X Y, Chen X W.Effects of freeze鄄thaw cycles on black soil structure at different size scales.Acta Ecologica Sinica,2014,34
(21):d.
冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征
王恩姮,赵雨森,夏祥友,陈祥伟*
(东北林业大学 林学院, 哈尔滨摇 150040)
摘要:冻融交替是改变黑土结构、加剧土壤侵蚀的重要因子。 以典型黑土区耕作土壤为研究对象,采用野外季节性冻融循环与
室内模拟冻融循环相结合、X射线计算机断层摄影(CT)与扫描电子显微镜(SEM)相结合的方法,通过水分物理性质、团聚体破
坏率、孔隙数目、孔隙面积、孔隙成圆率、孔隙 Feret直径的测定与分析,研究了冻融交替后 0—40 cm、40—80 cm和 120—160 cm
3个土层以及田间季节性冻融环刀、室内模拟冻融 CT扫描和室内模拟冻融 SEM3种方式下黑土结构特征的变化规律。 结果表
明:冻融交替能够对不同土层和不同尺度的耕地黑土结构产生不同程度的影响。 季节性冻融后,表层土壤容重升高,非毛管孔
隙度和持水能力显著降低(P<0.05),40—80 cm土层团聚体破坏率增加 40.97%(P<0.05),土壤抗蚀性有所削弱,120—160 cm
土壤没有受到季节性冻融的显著影响。 CT扫描尺度上,3个土层均以 1—2 mm径级的孔隙数目为最多,形状也相对规则、接近
圆形;冻融循环没有对表层土壤大孔隙结构产生影响,却能够显著降低 40—80 cm 土层范围内大孔隙面积以及 Feret 直径(P<
0郾 05)。 SEM扫描显示冻融后土壤表面粗糙度增加,颗粒松散、脱离,孔壁断裂,证明了冻融交替对土壤微结构的破坏作用;同
时结合电子能谱的元素分析可知冻融交替能够改变土壤颗粒表面化学特征。
关键词:冻融交替; 土壤微结构; CT; SEM
Effects of freeze鄄thaw cycles on black soil structure at different size scales
WANG Enheng, ZHAO Yusen, XIA Xiangyou, CHEN Xiangwei*
Northeast Forestry University, College of Forestry, Harbin 150040, China
Abstract: Alternating freezing and thawing is a critical factor associated with soil structure change and accelerates soil
erosion in the black soil region of Northeast China. Based on the soils sampled from fields of the black soil region, the
effects of freeze鄄thaw cycles on soil structure at different soil depths (0—40 cm, 40—80 cm, 120—160 cm) and size
scales ( field core sampling scale of seasonal freeze鄄thaw cycles, computerized tomography [CT] scale of artificial freeze鄄
thaw cycles, and scanning electron microscope [ SEM] scale of artificial freeze鄄thaw cycles) were studied. We measured
and analyzed the hydro鄄physical properties, percentage of aggregate disruption ( PAD), pore number, pore area, pore
roundness, and Feret diameter of pores in the field and lab by using CT and SEM methods. Results showed that: freeze and
thaw alternation affected black soil structure from different soil depths and different size scales both in seasonal field
condition and artificial freeze and thaw cycles condition. At the scale of seasonal freeze鄄thaw cycles, bulk density of top soil
(0—40 cm) increased, total porosity decreased significantly, with non capillary porosity decreasing dramatically. Water
holding capacity decreased consequently(P<0.05). Within the soil depth of 40—80 cm, bulk density and porosity did not
change significantly, but PAD increased by 40. 97% ( P < 0. 05) resulting in weak erosion resistance. Hydro鄄physical
properties and aggregate breakdown characterization of soils in the depth range of 120—160 cm were not changed
significantly by seasonal freeze and thaw cycles. At the size scale of CT, the alternation did not change the characterization
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of macro pores in 0—40 cm but significantly reduced the average pore area, roundness and diameter after freeze and thaw
cycles. While the average area and diameter decreased significantly in the 40—80 cm depth, this might result in poor
infiltration and water movement to the subsoil. Pore area of 1—2 mm and >5 mm decreased 9.58% and 42.19% (P<
0郾 05), respectively. Structure of soils from 120—160 cm underwent by artificial freeze鄄thaw cycles showed similar results
as field scale did, were not affected significantly by alternate artificial freeze and thaw cycles. The number of pores with
diameter between 1 and 2 mm was predominant the pore size distribution through three soil depths. At the scale of SEM, the
roughness of the soil surface and alveolate cells were significantly increased; we also observed micro鄄aggregate displacement
and rearrangement, and disruption of the pore walls. Integrating electron spectroscopy results of 40—80 cm depths, carbon
and calcium did not change after 6 freezing and thawing cycles, but oxygen group elements decreased. Magnesium, silicon,
aluminum, potassium and iron elements increased to different degrees, and the total increment equaled to the decrease
quantity of oxygen group element. The packing arrangement of oxygen group elements and metallic oxide are the key factors
to determine the type and surface chemistry of soil clay minerals, so the amount of change in oxygen group and other
elements gives indirect evidence that freeze and thaw cycles can affect soil microstructure. But to determine whether or not
freeze and thaw cycles would change the crystal lattice structure of clay minerals, further research will be needed and must
be approached from the view of soil chemistry and minerology.
Key Words: Freeze鄄thaw cycles; Soil microstructure; CT; SEM
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鄄2]。 能够较为强烈地影响土壤物理结构[3鄄4],
进而改变土壤生物区系特征[5鄄6],越来越多的研究也
表明冻融交替区是 CO2和 N2O等温室气体的重要释
放源[7鄄8]。 同时,冻融交替对改善土壤环境起着积极
的作用,能够调节土壤的紧实度[9],释放有效养分,
提高土壤的可耕性等[10]。 但冻融交替也是改变土
壤结构进而诱发土壤侵蚀的主要过程之一,尤其是
在土壤下层存在冻层和滞水层的情况下[11鄄14]。 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[15]。
我国黑土区主要分布在东北松嫩平原东部及北
部的山前台地,每年经历 6—8 个月的季节性冻融,
由于传统耕作方式和理念的限制,大部分耕地在漫
长的冬季几乎为裸地,与免耕系统以及秸秆还田的
耕地相比,冻融强度和频度有所增强,改变土壤结
构,影响土壤侵蚀的发生发展规律[16]。 20 世纪 90
年代的研究表明,黑土区侵蚀沟沟头的溯源侵蚀速
率为每年 1 m 左右,近年在典型黑土区个别侵蚀沟
的前进速度可达 12 m / a[17鄄18]。 张永光等指出黑土
区初春融雪后地表裸露,在表层土壤解冻以及存在
季节性冻土层的情况下,伴随降雨的共同作用是加
剧黑土区侵蚀的主要原因[19]。 胡刚等人也提出了
黑土区“冬季坍塌沉积,春季降雨冲刷冶的侵蚀模
式[18]。 除了表层土壤结构受冻融交替的影响之外,
土体内部水分运移以及热量的动态变化也将影响下
层土壤结构的变化,进而造成潜在的侵蚀风险[20]。
然而关于东北黑土区冻融交替对土壤结构尤其是对
微结构影响方面的研究至今却鲜有报道。
本研究采用野外季节性冻融交替以及室内模拟
冻融循环相结合的方法,借助 X 射线计算机断层摄
影(computerized tomography,CT)和扫描电子显微镜
(scanning electron microscope,SEM)手段[21鄄22],以期
实现冻融循环交替对不同深度和不同尺度黑土结构
的研究,揭示季节性冻融对黑土结构的影响程度和
规律,为黑土结构质量的演变以及土壤侵蚀机理方
面的研究提供证据。
1摇 研究区概况与研究方法
1.1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[23]。 该区温带大陆性季风气候特征明显,年
均气温 0.9 益,逸10 益 有效积温 2296.2 益,年均降
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水量 501.7 mm,年均蒸发量 1329. 4 mm,无霜期 115
d,土壤冻结期从 10月中旬至翌年 6 月末,最大冻结
深度可达 2.5 m。
1.2摇 样品采集与制备
为进一步证明和解释典型黑土区土壤结构对季
节性冻融循环的相应规律,以及冻融交替对诱发沟
蚀、加剧侵蚀沟发展的潜在影响,于 2009 年 10 月
初,以黑龙江省克山农场 13 连队区内侵蚀沟为研究
对象,沿着土壤剖面层次清晰的侵蚀沟壁,修整取样
剖面。 在 0—40 cm、40—80 cm和 120—160 cm土层
范围内用环刀(100 cm3)采集原状土样,在取样层内
再进行机械法分层,每 10 cm 一层,各取 3 个环刀,
每 40 cm的取样层共计 12 个重复;并在采样点附近
取非原状土,分别以供季节性冻融前水分物理性质
以及团聚体破坏率的测定。 同时采用自制内径和高
分别为 10 cm 的有机玻璃管进行原装土柱的取样,
每层重复取样 3 次,以供模拟冻融试验所用。 将取
于 0—40 cm、40—80 cm和 120—160 cm范围内的有
机玻璃管原状土柱浸泡(水面与有机玻璃管上沿平
齐)在水中 12 h 进行饱和处理,然后将土柱取出平
置于 3 cm高的沙子层上自然渗水 2 h,水分处理后
将原状土柱样品置于自动循环低温冻融箱内(型号
DRX鄄玉)进行冻融循环处理,循环次数为 6 次,每次
冻融循环历时 15 h,其中冻结时间为 12 h,解冻时间
为 3 h,冻结最低温度为-20 益,解冻最高温度为 5
益。 从上至下,3个土层样品在进行冻融循环时的初
始平均体积含水量依次为 31. 71%、 34. 36% 和
23郾 77%。 于 2010年 6月末季节性冻融完全结束后,
在侵蚀沟壁第一次采样点附近进行环刀原状土和非
原状土取样,以供季节性冻融后水分物理性质以及
团聚体破坏率的测定,团聚体破坏率 ( PAD0.25 ) =
100%伊大于 0.25 mm水稳团聚体(g) /大于 0.25 mm
风干团聚体(g) [24]。 所采土样质地为粘壤土,pH 为
6.2,3个土层有机质和粘粒含量至上而下依次为 6.
5%、4.6%、2.4%和 33.1%、39.1%、36.5%。
1.3摇 CT扫描与处理
1.3.1摇 CT扫描
试验采用的是黑龙江省中医药大学 CT 扫描中
心,美国 GE 公司生产的 Lightspeed16 排螺旋 CT 扫
描仪,空间分辨率为 0.275 mm。 扫描参数为:电压
140 kV,电流 60 mA,扫描间隔 1. 5 s,扫描层厚 2
mm,窗宽(显示图像时所选用的 CT 值范围)和窗位
(窗宽上、下限 CT 值的平均数)均为 1300。 对每个
土柱样品进行横断面扫描,扫描位置为中心线 1 次,
中心线两侧每隔 10 mm 扫描 1 次,各 3 次,共 7 次,
以下数据的分析均采用 7次扫描的平均结果。
1.3.2摇 图像处理
将原始的 CT 图像以*.JPG 文件形式保存(图
1A),在 Photoshop软件中将每一个横断面 CT 扫描图
像切割成 214伊214 像素的中心方块(图 1B),对应的
实际边长为 7.55 cm,仍以*.JPG 文件形式保存。 应
用 ImageTool3.0软件再次将图像转化为只有孔隙(黑
色)和固体颗粒(白色)的灰度图像(图 1C)。 在转化
过程中,首先对含有已知大小的大孔隙的原状土柱进
行 CT 扫描,然后手动设定阈值 ( Processing 寅
Threshold 寅Manual),反复调试,直至图像中的孔隙直
径与已知孔隙直径最相近为宜。 在调试过程中发现,
自动设定阈值(Processing 寅 Threshold 寅 Automatic)
后的孔隙大小更接近已知孔隙,所以阈值采用自动设
置法。 阈值设定后,通过对已知孔隙直径的测量,设
置度量单位(Setting 寅 Calibrate Spatial Measurement),
作为图像定量处理的依据。
图 1摇 灰度图像二值化处理
Fig.1摇 Segmentation of gray鄄scale CT images
9826摇 21期 摇 摇 摇 王恩姮摇 等:冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征 摇
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1.3.3摇 数据处理
通过 ImageTool3.0 软件的查找功能(Analysis寅
Find Objects寅Automatic)和分析功能(Analyze Analysis
寅Object Analysis 寅 Analyze),获得每一个可以识别
的孔隙的定量参数。 以 Feret直径(经过不规则物体
的中心,任意方向每隔 10毅的 36个直径平均值)为孔
隙径级分类标准,选择孔隙数目、面积和成圆率
( 4仔A / P2,式中 A 是孔隙面积;P 是孔隙周长,成圆
率为 1时,孔隙为圆形)3 个指标进一步对原状土柱
内不同径级( <0. 5 mm、0. 5—1 mm、1—2 mm、2—5
mm和逸5 mm)孔隙的大小和形状进行分析。 采用
SPSS11.5进行统计分析。
1.4摇 SEM扫描与处理
模拟冻融循环前后,将土柱从有机玻璃管中小
心推出,沿着自然纹理用手将土柱轻轻掰成约为 1.5
cm伊1.5 cm伊1.5 cm 的土块,每个土块至少保证一个
面的纹理自然,没有受到人为掰修过程的挤压。 将
修整好的土块放入瑞士 BAL鄄TEC 公司生产的 SCD
005型离子溅射仪进行喷金处理,采用美国 FEI 公司
生产的 Quanta200 型,附带 X 射线能谱仪的扫描电
子显微镜观察不同土层冻融前后微形态特征。
2摇 结果与分析
2.1摇 季节性冻融后黑土剖面结构变化特征(田间环
刀尺度)
季节性冻融对不同土层结构特征影响程度不
同,0—40 cm范围内的土层经过一季的冻融循环总
孔隙度显著降低,通过非毛管孔隙 /毛管孔隙的比值
以及毛管持水量的变化进一步可知,季节性冻融循
环能够显著减少表层土壤的非毛管孔隙和毛管孔隙
的比例,且非孔隙减小的幅度更大,虽然团聚体破坏
率有所增加,但是差异未达显著水平。 与表层土壤
相比,40—80 cm范围内的土壤对季节性冻融更为敏
感,容重在季节性冻融后显著降低,团聚体破坏率相
对冻融前提高了 40.97%(P<0.05),由此可见季节性
冻融削弱了该层土壤的抗蚀性。 虽然总孔隙度、非
毛管 /毛管孔隙没有明显变化,但是饱和持水量和毛
管持水量显著提高,这与该层粘粒含量高有关,增加
了比表面积,持水能力增强。 当土层深超过 120 cm
时,各水分物理性质指标以及大于 0.25mm团聚体破
坏率没有受到季节性冻融的显著影响。
表 1摇 模拟冻融循环前后水分物理性质及团聚体破坏率
Table 1摇 Hydro鄄physical property and percentage of aggregate disruption before and after freeze鄄thaw cycles
土层深
Soil
depth / cm
处理
Treatment
容重
Bulk density /
(g / cm3)
总孔隙度
Total porosity
/ %
非毛管 /毛管
NCP / CP
饱和持水量
Saturated water
holding capacity / %
毛管持水量
Capillary water
holding capacity / %
团聚体破坏率
PAD0.25 / %
0—40 冻融前 1.06依0.06A 53.88依3.01A 0.12依0.01A 53.83依2.53A 47.57依2.61A 48.28依5.28A
冻融后 1.11依0.06A 42.99依4.30B 0.03依0.02B 39.10依4.85B 37.83依4.37B 53.29依9.96A
40—80 冻融前 1.25依0.16A 48.66依8.19A 0.06依0.06A 39.05依13.97A 36.91依10.79A 35.73依9.42A
冻融后 1.14依0.12B 48.52依6.15A 0.05依0.03A 42.79依8.64B 40.51依7.35B 50.37依10.62B
120—160 冻融前 1.20依0.42A 35.17依16.70A 0.02依0.02A 25.99依14.46A 25.57依13.80A 43.73依10.25A
冻融后 1.31依0.05A 39.89依5.59A 0.02依0.06A 30.63依6.46A 30.17依4.82A 59.10依15.06A
摇 摇 不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著, P<0.05. NCP / CP = Non capillary porosity / capillary porosity, PAD0.25 = Percentage of aggregate ( > 0.25mm)
disruption.
2.2摇 模拟冻融循环条件下黑土孔隙结构变化特征
(CT扫描尺度)
冻融循环后,表层 0—40 cm 范围土层的大孔隙
结构没有发生明显变化,虽然孔隙数目、面积和 Feret
直径略有降低但并均未达到显著水平,成圆率略有
增加,孔隙的形状更加不规则(表 2)。 与表层土壤
不同,40—80 cm范围土层于冻融前后大孔隙数量几
乎没有增减,孔隙形状也没有显著变化,但孔隙大小
的变化差异明显,面积从冻融前的 12.22 mm2减小至
6.51 mm2,Feret 直径则相应从 2.31 mm 降低至 1.91
mm(P<0.05)。 对于 120—160 cm 范围土层而言,冻
融循环降低了大孔隙数目(P<0.05),但对孔隙的大
小和形状均无显著影响,与田间季节性冻融的结果
一致(表 1)。
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表 2摇 冻融前后孔隙平均参数的变化
Table 2摇 Average change of pore characterization before and after freeze鄄thaw cycles
土层深度
Soil depth / cm
处理
Treatment
数目 依 sd
Number
面积(mm2) 依 sd
Area
成圆率 依 sd
Roundness
Feret直径 依 sd
Feret diameter
0—40 冻融前 120依22 A 3.71依1.08 A 1.19依0.14 A 1.68依0.17 A
冻融后 110依20 A 2.93依0.56 A 1.22依0.11 A 1.56依0.13 A
40—80 冻融前 52依3 A 12.22依3.69 A 1.16依0.11 A 2.31依0.22 A
冻融后 50依9 A 6.51依2.12 B 1.23依0.10 A 1.91依0.20 B
120—160 冻融前 78依7 A 2.60依0.68 A 1.28依0.19 A 1.43依0.10 A
冻融后 68依3 B 2.51依0.69 A 1.19依0.11 A 1.48依0.15 A
摇 摇 不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著, P<0.05.
摇 摇 如表 3 所示,冻融循环对 40—80 cm 土层范围
内各个径级的孔隙数目没有显著影响,但 0—40 cm
土层内逸5 mm的孔隙和 120—160 cm土层内<1 mm
的孔隙数目则有所减少(P<0.05)。 1—5 mm的孔隙
数目在全剖面范围内冻融循环前后均差异显著。 同
时发现,各个土层在冻融循环前后均是中间径级的
孔隙数目较多,以 1—2 mm的孔隙最多,>5 mm的孔
隙最少。
表 3摇 冻融前后各径级孔隙数目的变化
Table 3摇 Pore number change of different diameter sizes before and after freeze鄄thaw cycles
土层深
Soil depth / cm
处理
Treatment <0.5 mm 0.5—1 mm 1—2 mm 2—5 mm 逸5 mm
0—40 冻融前 15依6 A 26依5A 46依10A 29依8 A 3依1 A
冻融后 13依3 A 26依9 A 43依10A 25依4 A 2依1 B
40—80 冻融前 6依2 A 14依2 A 16依4 A 12依2 A 4依1 A
冻融后 7依3 A 11依3A 19依2 A 11依3 A 3依1 A
120—160 冻融前 12依4 A 18依4 A 34依3 A 12依2 A 2依1 A
冻融后 7依3 B 14依3 B 35依5 A 11依4 A 1依1 A
摇 摇 不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著, P<0.05
摇 摇 冻融循环对各个径级孔隙平均面积的影响如表
4所示,仅有 40—80 cm 土层内 1—2 mm 和>5 mm
的孔隙面积变化显著,分别较冻融循环以前降低了
9.58%和 42.19%(P<0.05),对其他土层、其他径级的
孔隙面积没有明显的影响,由此也进一步说明 40—
80 cm土层对季节性冻融交替的敏感程度与其上下
土层相比,更为明显。
表 4摇 冻融前后各径级孔隙平均面积的变化
Table 4摇 Average pore area change of different diameter sizes before and after freeze鄄thaw cycles / mm2
土层深
Soil depth / cm
处理
Treatment <0.5 mm 0.5—1 mm 1—2 mm 2—5 mm 逸5 mm
0—40 冻融前 0.15依0.02 A 0.45依0.06 A 1.69依0.09 A 7.32依0.95 A 37.80依15.67 A
冻融后 0.15依0.01 A 0.48依0.02 A 1.54依0.2 A 7.15依0.69 A 23.84依17.00 A
40—80 冻融前 0.15依0.02 A 0.49依0.03 A 1.67依0.07 A 7.82依1.02 A 127.19依5200 A
冻融后 0.16依0.01 A 0.49依0.05 A 1.51依0.14 B 7.81依0.67 A 73.53依26.47 B
120—160 冻融前 0.14依0.02 A 0.48依0.05 A 1.61依0.08 A 6.22依0.84 A 28.00依21.00 A
冻融后 0.14依0.01 A 0.50依0.03 A 1.68依0.09 A 4.79依2.2 A 22.64依22.15A
摇 摇 不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著, P<0.05
摇 摇 成圆率是表示不规则图形接近标准圆形的程
度,成圆率越接近 1 说明不规则图形越近似圆形。
由表 5 可知,冻融循环处理能够小幅度改变各个径
级孔隙的成圆率,但是都没有达到显著水平,仅有表
层 1—2 mm的孔隙成圆率显著增加。 同时发现,中
间径级的孔隙成圆率较为接近 1,以 1—2 mm 的孔
1926摇 21期 摇 摇 摇 王恩姮摇 等:冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征 摇
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隙形状最接近圆形,其次是 0.5—1 mm 径级的孔隙,
较大径级和较小径级的孔隙成圆率与 1 的差值逐渐
增加,说明其孔隙形状越来越不规则。
表 5摇 冻融前后径级孔隙成圆率的变化
Table 5摇 Roundness change of different diameter sizes before and after freeze鄄thaw cycles
土层深
Soil depth / cm
处理
Treatment <0.5 mm 0.5—1 mm 1—2 mm 2—5 mm 逸5 mm
0—40 冻融前 3.32依0.91 A 1.38依0.14 A 0.85依0.02 A 0.62依0.05 A 0.36依0.06 A
冻融后 3.37依0.51 A 1.31依0.11 A 0.92依0.05 B 0.65依0.05 A 0.27依0.19 A
40—80 冻融前 3.45依0.84 A 1.27依0.15 A 0.83依0.07 A 0.53依0.05 A 0.25依0.08 A
冻融后 3.84依0.80 A 1.27依0.22 A 0.89依0.06 A 0.57依0.06 A 0.34依0.07 A
120—160 冻融前 2.81依0.82 A 1.31依0.12 A 0.95依0.01 A 0.72依0.08 A 0.22依0.13 A
冻融后 3.16依0.37 A 1.20依0.11 A 0.95依0.06 A 0.77依0.12 A 0.20依0.19 A
摇 摇 不同大写字母表示冻融前后差异显著, P<0.05
2.3摇 模拟冻融循环条件下黑土微形态变化特征
(SEM扫描尺度)
由冻融前的 SEM 图像可以直观看出黑土剖面
不同层次土壤的微结构,并且能够粗略判断黑土剖
面粘土矿物的类型。 0—40 cm表层土壤中清晰可见
腐殖质与絮片状粘粒物质连成松散的团聚体和残存
着的半分解有机质,腐殖质化较强(图 2a);次生粘
土矿物主要以云母为主,并伴有原生石英的残存体
(图 2b,c)。 冻融前纹理清晰,结构性、完整性好,模
拟冻融循环 6 次以后,则出现明显的裂隙(图 2d,
e),出现蜂窝状突起(图 2e,f),表面粗糙度增加,小
骨骼颗粒较冻融前松散,并表现出脱离的迹象。
如图 3所示,40—80 cm土层细骨骼颗粒排列紧
密有序,细粒物质定向性不明显(图 3b,c),并伴有
非常明显的片层状特征(图 3a),由此也印证了该层
粘粒含量相对较高,比表面积大的特性。 冻融循环
后,土体表面出现纵横交错的裂隙(图 3d,f),同时也
有疑似孔道的蜂窝状突起出现(图 3f)并伴随骨骼颗
粒的定向性趋势,有较细颗粒松散脱落或重新排列
(图 3)。
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图 2摇 冻融循环 6次后 0—40 cm 土层 SEM 图像(a—c 为冻融前;d—f为冻融后)
Fig.2摇 SEM images from 0—40 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles
图 3摇 冻融循环 6次后 40—80 cm土层 SEM 图像(a—c 为冻融前;d—f为冻融后)
Fig.3摇 SEM images from 40—80 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles
3926摇 21期 摇 摇 摇 王恩姮摇 等:冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征 摇
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摇 摇 如图 4所示,120—160 cm 土层土壤骨骼颗粒排
列更加紧密(图 4a),絮凝状特征明显并伴有团聚形
体的块体出现(图 4c),由于更靠近发育母质,次生
矿物和原生矿物结构清晰可见(图 4b)。 冻融循环 6
次以后,絮凝状表面被破坏(图 4d),孔道增加,孔壁
粗糙(图 4e),有明显断裂和重新排列的特征 (图
4f)。
图 4摇 冻融循环 6次后 120—160 cm 土层 SEM 图像(a—c 为冻融前;d—f为冻融后)
Fig.4摇 SEM images from 120—160 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles
摇 摇 通过进一步分析对季节性冻融交替最为敏感的
40—80 cm土层范围内各元素组成比例的变化可知
(图 5),冻融循环并没有对土壤颗粒表面 C 元素的
含量产生影响,由于典型黑土剖面通体 Ca 含量较
少,也没有在冻融前后发生变化,但其他阳离子含量
在冻融循环 6 次以后均有不同程度的增加,其中以
Fe元素增加的幅度为最大,各种阳离子总增加量等
于氧元素含量的降低量。 氧元素与 Si、Al、Fe、Mg 等
元素在土壤层状硅酸盐粘土矿物和粘粒氧化物中的
组合、结构决定着粘粒矿物的类型、表面活性等一系
4926 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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列主要性质。 在各种阳离子与 O2-阴离子键结合成
的硅酸盐和氧化物矿物的结构里,阳离子都是填充
在 O2-阴离子的间隙之中[25],因此,氧元素以及其他
元素含量的变化可以作为冻融循环改变土壤微结构
和土壤颗粒表面化学特征的间接证据。
图 5摇 模拟冻融前后 40—80 cm土壤元素组成的变化
Fig.5摇 Element change from 40—80 cm before and after freeze
and thaw cycles
3摇 讨论与结论
冻融交替能够对不同深度和不同尺度的耕地黑
土结构产生不同程度的影响。 季节性冻融后,田间
表层(0—40 cm)土壤总孔隙度显著减少,且非毛管
孔隙减小的幅度较大,持水能力迅速减弱;这与温美
丽以及笔者前期的研究结果一致,即多次冻融循环
能够使疏松的黑土土壤结构变紧实,同时使紧实的
黑土土壤结构变得疏松,使土壤容重趋于一致[26鄄27]。
40—80 cm土层的土壤孔隙没有显著变化,但是团聚
体破坏率大幅降低,土壤抗蚀性有所削弱;这可能与
该层粘粒含量有关系,Zhao 等在相同区域的研究结
果表明,相对表层土壤和 1 m以下的土层而言,50—
70 cm粘化层土壤对季节性冻融响应最为强烈,无论
是坡上还是坡下,团聚体破坏率均在冻融前后发生
了显著的变化[28]。 而 120—160 cm土层的孔隙结构
以及团聚体破坏率没有受到季节性冻融的显著影
响,这与农田黑土水分动态的垂直变化有关。 由于
冻结过程中土壤水分在垂直方向上的再分配,1 m以
内的土壤含水量和持水能力会发生较大的变化,而
120—200 cm或者更深的土层,常年保持湿润状态,
土壤体积含水量的增减不超过 6%—7%,主要受土
壤母质的物理作用力控制,受生物鄄气候因素的影响
较小[29鄄30]。
模拟冻融循环后,CT 扫描尺度上, 40—80 cm
土层的平均孔隙面积显著降低,这与田间尺度的研
究结果相吻合,也是导致季节性冻融后黑土垂直剖
面心土层滞水的原因[30鄄31]。 120—160 cm 土层的平
均孔隙大小与形状同样没有受到冻融循环的显著影
响,这可能与样品本身的孔隙度小、含水量低有关
系;在同一冻融温差下,低含水量土壤经过冻融循环
后孔隙结构的变化较小[32]。 3 个土层范围内虽然随
着孔隙径级的增大,相应的孔隙面积也逐渐增加,但
是却以中间径级 1—2 mm 孔隙数目最多,形状也最
规则、接近圆形,随着孔隙径级的增大或者减小,孔
隙数目和面积逐渐减少,这个径级的孔隙可能是冻
融过程中水分垂直运移的主要通道。 SEM扫描尺度
上,冻融前 3 个土层的土壤微结构纹理清晰,结构
性、完整性好,冻融后表面粗糙度增加,出现蜂窝状
突起,并伴有小骨骼颗粒松散、脱离的现象,也有明
显的孔壁断裂和重新排列的特征;虽然不能量化
SEM扫描的结果,但是结合 40—80 cm 土层的能谱
分析中氧元素以及其他阳离子含量的变化,可以间
接证明冻融循环对土壤微结构和土壤颗粒表面化学
特征的影响。 黑土区粘土矿物以 2颐1 型的蒙脱石为
主,胀缩性大,冻融过程中随着水分的进出,晶层胀
缩、晶格开放,粘土矿物吸附的阳离子暴露,致使在
能谱分析时更易捕获,表现出较高的含量。 但冻融
循环是否能够破坏粘土矿物晶格的基本构型,还需
从土壤化学和矿物学的角度进行深入研究。
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