全 文 ：第 wv卷 增刊 t
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林 业 科 学
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侵蚀条件下土壤性质对团聚体
稳定性影响的研究进展
张 琪t 方海兰t 史志华u 李朝霞u 蔡崇法u
kt1 上海市园林科学研究所 上海 ussuvu ~ u q华中农业大学资源与环境学院 武汉 wvsszsl
摘 要 } 土壤团聚体是土壤结构的基本单元 o其稳定性是影响土壤侵蚀的重要因素之一 ∀综述与土壤团聚体稳
定性相关的土壤团聚机制 !侵蚀过程中的破坏机制以及影响团聚体稳定性的土壤化学性质 ∀这些土壤性质主要
有 }土壤有机质 !铁铝氧化物 !交换性钠及土壤矿物学性质等 ∀
关键词 } 土壤团聚体 ~稳定性 ~土壤侵蚀
中图分类号 }≥txu1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszl增 t p sszz p sy
收稿日期 }ussy p sw p ux ∀
Αδϖανχεσιν Ινφλυενχε Φαχτορσ οφ Αγγρεγατε Σταβιλιτψ υνδερ Εροσιον
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kt1 Σηανγηαι Ινστιτυτε οφ Λανδσχαπε Γαρδενινγ Σηανγηαι ussuvu ~
u1 Χολλεγε οφ Ρεσουρχε ανδ Ενϖιρονµεντo Ηυαζηονγ Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Ωυηαν wvsszsl
Αβστραχτ} ≥²¬¯ ¤ªªµ¨ª¤·¨¬¶·«¨ ¥¤¶¬¦∏±¬·²©¶²¬¯ ¶·µ∏¦·∏µ¨ o¤±§¬·¶¶·¤¥¬¯¬·¼ ¬¶²±¨ ²©·«¨ ¬°³²µ·¤±·©¤¦·²µ¶·²¬±©¯∏¨±¦¨ ¶²¬¯
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Κεψ ωορδσ} ¶²¬¯ ¤ªªµ¨ª¤·¨~¶·¤¥¬¯¬·¼~¶²¬¯ µ¨²¶¬²±
坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起的土壤颗粒分离 !泥沙输移和沉积三大过程k²µª¤±ot||xl ∀土
壤团聚体作为土壤结构的基本单元 o它的粒径分布及稳定性不仅影响土壤的孔隙分布 o还决定着孔隙的数量
搭配和形态特征以及对外界应力的敏感性k¤µ¶«¤¯¯ ετ αλqot||yl o进而影响到水分在土表和土体内的迁移途
径与方式 ∀因此团聚体的性质与地表径流及侵蚀过程之间具有密切关系k ⁄¬¤½2²µ¬·¤ ετ αλqoussu ~«¨ ±ª ετ
αλqousswl ∀众多的研究表明团聚体稳定性是影响侵蚀过程中土壤分离 !搬运 !水分入渗和结皮产生的重要
因素k•²·« ετ αλqot||w ~¨2…¬¶¶²±±¤¬¶ot||y ~Šµ¨ª²µ¬¦« ετ αλqot||{ ~¤§² ετ αλqousswl o而侵蚀过程中团聚体
破坏强度和破坏后颗粒大小与其团聚机制 !破坏机制及土壤某些化学性质密切相关 ∀
t 团聚体的团聚机制
土壤团聚体的形成大致通过 u种途径实现 }一是单粒通过凝聚和复合等作用形成复粒 o复粒进一步胶结
形成团聚体 o这个过程可逆 ~二是大土块或土体经过各种外力的作用k干湿交替 !冻融交替 !根系压力 !耕耘
及土壤动物活动l而崩解成不同大小的团聚体k姚贤良等 ot|{yl ∀土壤团聚作用就是不同大小的单粒 !复粒
被不同的有机无机物质胶结的过程 o通常认为 o胶结物质有无机和有机胶体 ∀无机粘结剂主要包括粘粒 !多
价阳离子k如 ≤¤un !ƒ v¨ n !„¯ v n o铁和铝氧化物和氢氧化物 !碳酸钙 !碳酸镁和石膏l ∀有机粘结剂主要可分为
瞬时的 !暂时的和持久的粘结剂k׬¶§¤¯¯ ετ αλqot|{ulv类 ∀瞬时的粘结剂主要是微生物产生的和来自于植物
的多糖 o会被微生物快速分解 ~暂时的粘结剂是根系 !植物菌丝和一些真菌类 ~持续的粘结剂包括和多价金
属阳离子结合的腐殖质及强吸附聚合物k ׬¶§¤¯¯ ετ αλqot|{u ~史奕等 oussul ∀
一些研究者提出了不同的团聚作用模式 o其主要区别在于团聚作用阶段数不同 ∀ ∞§º¤µ§¶和 …µ¨°±¨ µ
kt|yzl提出微团聚体k δ  uxs Λ°l由粘粒 ) 多价金属 ) 有机质k≤ ) ° ) ’l复合体组成 o其中 o粘粒通过多价
金属与腐殖质化的有机质键合 o≤ ) ° ) ’ 和k≤ ) ° ) ’lξ 的颗粒k δ  u Λ°l一起形成直径  uxs Λ°的微
团聚体k≤ ) ° ) ’lξ oξ为有限整数 ∀在 ׬¶§¤¯¯和 ’¤§¨¶kt|{ul团聚模式中 o团聚作用的阶段是从直径  s1u
Λ°ψs1u ∗ u Λ°ψu ∗ us Λ°ψus ∗ uxs Λ°ψu sss Λ°∀ ’¤§¨¶和 • ¤·¨µ¶kt||tl修正了这个模式 } us Λ°ψ
us ∗ |s Λ°ψ|s ∗ uxs Λ°ψ  uxs Λ°∀这些模式最适用于有机质是主要胶结剂的土壤 ∀土壤结构的这种
等级性质表明对不同大小的团聚体有不同的团聚机制 ∀直径  s1ux °°的大团聚体大部分是由细根和真菌
丝连接的有机胶结 ∀s1sx ∗ s1ux °°的团聚体和直径为 s1ssu ∗ s1sx °°的颗粒是由不同的粘结剂k包括
持久的有机质 !结晶氧化物和非晶形铝硅酸盐l结合的k ׬¶§¤¯ ετ αλqot|{ul ∀因此 o不同级别的团聚体有不
同的稳定性 ∀⁄¨ ¬·¨µkt|{{l研究认为低等级团聚体序列的混合颗粒结合得更紧密 o有更强的内部应力 ∀因
此 o低等级团聚体序列的土壤结构一旦遭到破坏 o则高等级团聚体序列肯定同时也被破坏 ∀要了解土壤团聚
体的稳定性 o必须对不同等级序列的颗粒行为进行分析 ∀
u 侵蚀条件下团聚体的破坏机制
侵蚀条件下土壤的主要扰动机制有消散 !粘粒分散和粘粒膨胀 ∀土壤大团聚体瓦解成微团聚体是土壤
结构损失的第一步 o粘粒分散这一化学过程是第二步 ∀对团聚体破坏机制的研究很多k…¨ µ±¤µ§ ετ αλqoussu ~
≥¬¬ ετ αλqousss ~Š¬­¶°¤±ot||y ~ƒ²¬ ετ αλqot||{ ~ ‹¤¼±¨ ¶ ετ αλqot||s ~²¦« ετ αλqot||wl o其中 ¨ …¬¶¶²±±¤¬¶
kt||yl对前期研究进行总结后系统地分析了团聚体在水中破坏的机制 }
tl消散作用 土粒在快速湿润的过程中 o包被在孔隙中的空气来不及排出所产生的巨大压力分散了土
壤颗粒 ∀团聚体消散的效果取决于闭塞空气体积的多少和湿润速度的高低 ∀这一过程中 o土壤的初始含水
量是影响团聚体破坏的重要因素 ∀ ×µ∏°¤±等kt||sl发现 o土壤含水量增加至饱和过程中 o闭塞空气在减少 o
基质势梯度在降低 ∀消散后的颗粒主要是微团聚体 o且微团聚体的含量随粘粒含量的增加而增大 ∀
ul崩解作用 土粒在干燥和湿润过程中 o膨胀和收缩导致团聚体破碎 ∀消散作用随粘粒含量的增加而
减弱 o而不同程度的膨胀产生的崩解作用随粘粒含量的增加而增强 ∀
vl外力的机械作用 即雨滴对土表的击溅引起的团聚体破坏 ∀如果雨滴的动能足够大 o这种崩解常和
其他机制共同起作用 ∀湿土中 o雨滴打击下的崩解占主要地位 o它能清楚地反映地表覆盖物的重要作用 ∀在
非灌溉条件下 o雨滴打击土体的压缩应力会转变为侧向剪应力 o使土粒分散并溅出 o即击溅作用 ∀雨滴击溅
不仅分离土壤而且移置已分离的土粒 ∀
wl物理 p化学机制的分散 这种分散是由于湿润过程中胶粒间引力的降低所引起的 o它取决于土壤的
碱化度k∞≥°l !阳离子的大小和价数 ∀这种分散作用产生的是比微团聚体更小的单粒 o是一种有效的团聚体
崩解过程 ∀它常导致土壤快速结壳 o入渗率降低 o土粒在水中的较大移动 ∀
根据上述理论 o¨ …¬¶¶²±±¤¬¶kt||yl设计了 w个试验进行验证 o发现空气爆破对土壤团聚体的破坏最大 o
是侵蚀过程中破坏团聚体的主要作用力 ∀ ¨ …¬¶¶²±±¤¬¶等kt||zl和 „°i½®¨·¤等kt||yl运用 ¨ …¬¶¶²±±¤¬¶设计
的试验对加利福尼亚的土壤进行研究后发现 o模拟降雨条件下 o与消散相关的团聚体稳定性参数与侵蚀参数
密切相关 ∀²¦«和 ƒ²¯ ¼¨kt||wl对大范围的澳大利亚土壤进行研究后 o建议采用模拟降雨的方法润湿土壤 o
因为这与野外条件下的土壤湿润过程更接近 ~但浸没湿润引起的团聚体破坏同模拟降雨湿润引起的团聚体
破坏结果相似 o且与野外入渗试验的结果显著相关 ~而且 o对于大多数土壤 o土壤的湿润速率对团聚体的破
坏作用远远大于雨滴对团聚体的打击破坏 ∀ …¨ µ±¤µ§和 ∞µ¬¦kussul更认为快速浸润引起的消散破坏是目前
最简便的比较团聚体水稳性的方法 ∀
v 团聚体稳定性与某些土壤化学性质的关系
311 有机质对团聚体稳定性的影响
有机质是团聚土壤颗粒的重要胶结物质 o它对团聚体稳定性的影响主要表现在两方面 }tl有机质通过有
机聚合体对矿质土粒的连接和植物根系与菌丝对土粒的缠绕 o增加了团聚体间的连接强度 ~ul有机质增加
了团聚体的疏水性 o减慢了其湿润的速度 o因而降低了土粒中闭塞空气对团聚体的破坏k≤«¨ ±∏ ετ αλqousss ~
{z 林 业 科 学 wv卷
Χαρον ετ αλqot||yl ∀
不过有机质对团聚体稳定性的作用是存在争议的 ∀一方面 o认为土壤悬液中加入有机阴离子会增加粘
粒分散k ‹ ¬¨¯ ετ αλqot||xl o另一方面 o认为有机质和水稳性团聚体成正相关k…¨ ±¬·² ετ αλqot||u ~…²¬¬2ƒ¤¼²¶
ετ αλqousst ~魏朝富等 ot||x ~章明奎等 ot||zl ∀这 u 种截然相反的观点可从以下角度理解k„°i½®¨·¤o
t|||l }tl只有部分有机质对水稳性团聚体有作用 ~ul这种作用的有机碳含量有一上限 ~vl有机质不是主要
的粘结剂 ~wl有机质的分布比其类型或含量更为重要 ~xl 生荒地土壤中水稳性团粒稳定性主要与一些土壤
物理因素有关 ∀ …²¬¬2ƒ¤¼²¶等kusstl对半干旱到半湿润地区的土壤进行研究 o认为微团聚体的水稳性与粘粒
含量成正相关 o而大团聚体的稳定性则与土壤有机质密切相关 o且当土壤中有机质的含量大于 x h或 y h时 o
有机碳含量与团聚体稳定性成正相关关系 ∀
在土壤有机质中 o腐殖物质是起团聚作用的重要组分 o占有机质总量的 {x h ∗ |s h ∀它是一类暗色
的 !含氮的 !具芳香性结构的酸性高分子聚合物 o是微生物活动的产物 o但不易为微生物所分解 ∀腐殖质包括
胡敏酸 !富里酸以及胡敏素等 ∀胡敏酸是一种以芳香性化合物和杂环化合物为主的多官能团的高分子聚合
物 o其灰分只有 v h ∗ w h ~而富里酸的灰分可高达 z h ∗ { h k熊毅 ot|zwl o这说明富里酸中含有金属螯合
物 ∀在胡敏化过程中 o芳香碳 !烷基碳增加 o烷基氧降低 o因而胡敏酸的碳 !氮含量比富里酸高 o氧的含量比富
里酸低k≤«¨©¨·½ ετ αλqousss ~≥«¤±ª ετ αλqot||{ ~ ¦¨« ετ αλqot||zl ∀一般认为 o胡敏酸的分子量比富里酸
高 ∀由于富里酸分子量小 o复杂程度较低以及活性官能团较多等 o使得富里酸具有比胡敏酸更为活泼的特
性 o其还原能力和络合能力都比胡敏酸强 ∀至于腐殖质中的胡敏素 o是土壤中与矿物部分呈不可逆结合的有
机化合物 o但目前还缺乏对胡敏素物理化学特性的研究k李映强 ot||zl ∀ Šµ¨ ±¨¯¤±§kt|ztl通过对胡敏酸 !富里
酸与无机成分相互吸附的研究指出 }胡敏酸和富里酸能通过粘土矿物表面的多价金属阳离子与粘土矿物相
吸附 o并认为存在 u种机制 }一种是腐殖酸通过多价阳离子与云母型粘土矿物的表面相结合 ~另一种是腐殖
质与氢氧化铁铝和粘粒边缘相结合 ∀
312 铁铝氧化物 !氢氧化物对团聚体稳定性的影响
在土壤团聚过程中 o不仅有机胶体起作用 o无机胶体的粘结作用也不可忽视 ∀无机胶结剂也可以看作是
一类永久性胶结剂 ∀它一旦在土壤中占优势 o有机胶结剂的作用将大为减弱 o基本不影响土壤的物理性质
kŠ²¯§¥¨µªot|{| ~卢金伟等 oussul ∀
铁 !铝和硅的氢氧化物或水合氧化物 o在许多土壤中可作为水稳性团聚体的良好胶结剂 o与侵蚀量和水
稳性团聚体有很好的相关关系k⁄∏¬®¨µ ετ αλqoussv ~ • «²·²± ετ αλqot||{ ~ ¤µ®ªµ¤© ετ αλqousszl ∀ „µ¦¤和
• ¨¨§kt|yyl发现 o在粘粒和游离氧化铁含量不等但粘土矿物类似的土壤中 o氧化铁与水稳性团聚体间有极显
著相关性 ∀ • «²·²±等kt||{l研究了  °¨³«¬¶地区的铁氧化物与土壤可蚀性的关系 o认为该区 ƒ u¨ ’v 与土壤有
机碳和粘粒成分相比 o对土壤可蚀性的影响更大 ∀ ¤µ®ª¤µ©等kusszl研究了 w种富含铁氧化物的巴西土壤和
一个母质为蒙脱石的土壤后 o得出结论 }铁氧化物对土壤微团聚体的稳定作用要强于有机质 ∀
铁 !铝氧化物对土壤团聚体的作用也存在争议 o具体体现在结晶度 !颗粒大小 !氧化物分布和氧化物作用
的程度上 ∀普遍认为 o铁铝氧化物阻止粘粒分散和膨胀 o增强微团聚体的稳定性 ∀其稳定性机制有 v个方
面 }tl溶液中的铁铝充当絮凝剂 ~ul铁铝氧化物充当粘粒和有机分子的粘结剂 ~vl铁铝氧化物作为凝胶在粘
粒表面沉淀 ∀
为研究氧化物的作用 o常采用氧化物含量与土壤稳定性之间的相关分析及比较除去和增加氧化物前后
土壤结构的稳定性 o来衡量铁 !铝氧化物的影响 ∀胡国成等kussul研究了用 ⁄≤…处理土壤前 !处理后从土壤
中分离得到的各级矿物组成的变化 o进一步从矿物学角度证实了氧化铁对土粒的强胶结作用 ∀ ⁄¨ ¶«³¤±§¨ 等
kt|ywl研究的结论是大团聚体和微团聚体的稳定性都与铁含量无关 o认为土壤有机质是增强微团聚体最重
要的组分 o而不是氧化铁 o因为除去土壤氧化铁后土壤比表面积虽减少 o但土壤物理特性 !渗透性 !团聚体稳
定性 !机械分散或膨胀变化很小 ∀ Š¬√¤±±¬±¬等kt|zyl选用乙酰丙酮做浸提剂在不扰动土壤中有机质的条件
下 o提取了土壤团聚体中的 ƒ¨!„¯ 成分后发现 o虽然土壤团聚体的各粒级分布未发生变化 o但团聚体水稳性
却降低了 ∀²¶¨ 等kt||zl的研究也从另一个角度证实了铁铝氧化物对团聚体的胶结作用 o他研究了团聚性
|z 增刊 t 张 琪等 }侵蚀条件下土壤性质对团聚体稳定性影响的研究进展
及团聚体粒径分布与可溶性铁铝的关系 o发现用草酸铵浸提未经分散的大团聚体测得铁铝的量比分散过的
团聚体要低 tx h ∗ us h ∀
氢氧化铁和氢氧化铝在稳定团聚体方面可能同样有效 ∀当土壤和粘粒含有表面积很大的氢氧化铝时 o
就能产生稳定的团聚体 ∀因为氢氧化铝难以分散 o即使土壤中含有相当比例的交换性钠离子也是如此
kŠ²¯§¥¨µªot|{|l ∀因此 o在一定情况下也可以认为 o高铁的水合氧化物在稳定团聚体方面不如氢氧化铝重
要 ∀
在红壤中 o铁铝氧化物 !氢氧化物胶结作用尤为明显k姚贤良等 ot||s ~«¤±ª ετ αλqousstl ∀它们往往呈
胶膜状态包被在土粒表面 ∀当它们由溶胶转变为凝胶时 o把土粒胶结在一起 ∀凝胶经干燥脱水所形成的结
构体具有相当稳定的水稳性 ∀特别是在含 ts h以上铁铝氧化物的土壤中 o氢氧化铁 !铝能将土壤颗粒粘结
成直径大于 tss Λ°的水稳性团聚体 ∀红壤的结构稳定性较强 o是因为红壤的结构组成中以膨胀性较小的高
岭石为主 o并具有大量胶结力强的水合氧化物 ∀
313 其他土壤性质对团聚体稳定性的影响
≤¤¶·µ²和 ²ª¤±kt||tl研究了施用石灰对供试的 v种土壤团聚体稳定性及溅蚀和水蚀的影响 o结果发现
该措施对溅蚀没有显著影响 o对土壤侵蚀的影响则与有机质的减少相关 ∀这可能是由于钙离子的絮凝作用
只是促使粘粒的团聚 o还不能说已形成团粒 ∀ ¨ …¬¶¶²±±¤¬¶kt||yl认为 ≤¤≤’v 对团聚体稳定性的作用可能依
赖于 ≤¤≤’v 颗粒分布和粘粒含量 o粘粒含量高和 ≤¤≤’v 颗粒小于粉粒大小时对土壤有很好的团聚作用 ∀土
壤改良时常加入石膏 o其效果取决于渗漏液流动的速度 ∀增加流速会使石膏颗粒周围的水膜变薄 o减少水与
石膏颗粒表面接触的时间 o并降低 ≤¤2‘¤交换的机率k‘¤§¯ µ¨ετ αλqot||yl ∀
Ž¨µ¨±等kt|{vl认为交换性钠对团聚体稳定性影响很大 ∀钠离子有很强的分散性 o可以直接导致团聚体
的破碎 ∀决定粘粒分散或絮凝的主要因素是电解质浓度 !³‹值和钠吸附比 o而电解质浓度和组成对大团聚
体瓦解成微团聚体几乎不起作用 o电解质浓度低而钠吸附比值高将使粘粒分散和膨胀 o导致土壤结构的损失
破坏 ∀ ¤°¨ §²√等kussul对同种土壤但交换性钠含量在 s1| ∗ us °°²¯#®ªpt的 y个土样研究显示 o径流量和
侵蚀量均随交换性钠含量的增加而增加 ∀ ¨ …¬¶¶²±±¤¬¶kt||yl认为阳离子大小和电价影响团聚体稳定性 o多
价阳离子导致絮凝 o单价阳离子导致分散 ∀
目前有不少研究者将目光放到土壤中的粘土矿物与土壤结构和土壤团聚体的关系上 ∀Œªº¨ 等kt|||l研
究了尼日利亚土壤团聚体稳定性与当地土壤化学性质 !矿物性质的关系 o发现含有蒙脱石的土壤团聚体稳定
性比以高岭石为主的土壤要低得多 ∀²¶¨ 和 ≥«¤µ²±kt||zl的研究表明晶形氧化物所起到的团聚作用很小 o真
正扮演重要角色的是非晶形氧化铁铝 o且土壤中团聚体的针铁矿Π赤铁矿比值kŠ·Π‹°l与团聚体存在如下关
系 }Š·Π‹°  u1v的团聚体比 Š·Π‹°  u1v的团聚体要稳定 ∀
w 结语
团聚体稳定性是影响土壤抗蚀性的重要因素 ∀目前国内对侵蚀条件下团聚体的稳定性研究还较少 o对
团聚体稳定性影响因子方面的研究则更少 ~国外对土壤团聚体结构形成与破坏机制的研究较多 o但主要侧
重于耕作管理措施 !有机质种类与分布及侵蚀过程中团聚体内外能量变化对土壤团聚体稳定性的影响 ∀随
着土壤侵蚀研究的进一步发展 o就需要寻找一些新的角度 o采用多学科交叉在更深的层次上去研究 ∀在团聚
过程中 o土壤的化学性质如矿物学性质 !粘粒含量及表面性质 !有机胶结剂种类和数量 !无机胶结剂的种类和
数量都会导致其团聚机制的差异 o以及受团聚机制影响的团聚体稳定性的不同 ∀对团聚体来说 o等级团聚结
构是存在的 o对于某种级别的团聚体 o哪种胶结作用是主导因素 o如何调控 o这在防止土壤退化和水土流失的
研究和应用上 o要给予足够的重视 ∀另外胶结物质稳定团聚体的作用还大多停留在定性描述上 o如何进行定
量研究也将会是今后研究的热点 ∀
参 考 文 献
胡国成 o章明奎 qussu1 氧化铁对土粒强胶结作用的矿物学证据 q土壤通报 ovvktl }ux p uz
s{ 林 业 科 学 wv卷
李映强 qt||z1 有机物质与土壤结构 q热带亚热带土壤科学 oyktl }wx p xs
卢金伟 o李占斌 qussu1 土壤团聚体研究进展 q水土保持研究 o|ktl }{t p {x
史 奕 o陈 欣 o沈善敏 qussu1 有机胶结形成土壤团聚体的机理及理论模型 q应用生态学报 otvktl }tw|x p tw|{
魏朝富 o高 明 o谢德林 o等 qt||x1 有机肥对紫色水稻土水稳性团聚体的影响 q土壤通报 ouykvl }ttw p tty
熊 毅 qt|zw q土壤有机无机复合k ¶l }有机化合物与粘粒的相互作用 q土壤农化参考资料 okxl }t p |
姚贤良 o程云生 qt|{y1 土壤物理学 q北京 }农业出版社
姚贤良 o许绣云 o于德芬 qt||s1 不同利用方式下红壤结构的形成 q土壤学报 ouzktl }ux p vv
章明奎 o何振力 o陈国潮 o等 qt||z1 利用方式对红壤水稳性团聚体形成的影响 q土壤学报 ovwkwl }vx| p vyx
„°i½®¨·¤ ∞qt|||1 ≥²¬¯ ¤ªªµ¨ª¤·¨ ¶·¤¥¬¯¬·¼}¤µ¨√¬¨º q≥∏¶·¤¬±¤¥¯¨ „ªµ¬¦∏¯·∏µ¨ otw }{v p txt
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t{ 增刊 t 张 琪等 }侵蚀条件下土壤性质对团聚体稳定性影响的研究进展
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k责任编辑 徐 红l
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