凍融對伊犁草地土壤水穩性大團聚體的影響

徐 俏，崔 東，王興磊，朱振華

(1.污染物化學與環境治理重點實驗室，伊犁師范學院化學與環境科學學院， 新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范學院生物與地理科學學院， 新疆 伊寧 835000； 3.新疆師范大學地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054)

草地在人類的生產和生活、自然環境的保護與改善中發揮著其它生態系統所不可取代的重要作用，而草地土壤質量、健康程度和土壤侵蝕對草地生態安全顯得尤為重要。土壤結構最基本的單元是土壤團聚體，被認為是土壤重要的物理屬性之一[1]，也是土壤健康程度與土壤質量的一個關鍵指標[2]。在生態系統中許多過程和功能都與土壤團聚體穩定性有著緊密的聯系，不僅土壤的空隙性、持水性和抗侵蝕性受它影響，土壤質量、肥力以及后續利用等都受到土壤團聚體穩定性的影響，土壤團聚體對完善土壤功能、改善土壤的理化環境也具有重要作用[3-4]。然而人類活動和自然因素影響著作為土壤基本結構的團聚體的穩定性，如降雨[5]、墾殖[6]、土地利用方式[7]和凍融作用[8]等。

有關研究表明，凍融作用中土壤初始含水率、凍融循環次數和凍結溫度對土壤團聚體的結構產生重要的影響，會對土壤產生不穩定效應[9]。伊犁河谷夏季短，冬季長，春季升溫快但不穩定，秋季降溫迅速[10]。由于海拔高，氣溫低，冬季凍結，夏季消融，多年凍土類型少，溫度發生周期性的正負變化，產生一系列的應力變化，例如在凍土層發生流變、融沉、凍脹等[11]，同時一部分土壤存在于一直在發生位移和相變的凍土層中的地下冰和地下水中[12]，使得伊犁產生季節性凍融。草地不僅是伊犁生態系統的主體與伊犁河谷綠色生態屏障，而且還是畜牧業發展的物質基礎，草地在伊犁河谷水土保持、防風固沙、保持生物多樣性、維持生態平衡以及生產生物產品，滿足人類物質生活中具有重要作用[13]。因此本研究在不同初始含水率、凍融循環次數和凍結溫度的條件下，初步探究凍融作用對伊犁草地土壤水穩性大團聚體的影響，以期能夠為伊犁草地生態保護建設以及水土保持提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊犁哈薩克自治州托乎拉蘇大草原(81°38′22″E，44°14′59″N)海拔1 640 m，年平均氣溫約為9℃，其中最低溫度為-39.5℃，年均有效積溫2 550℃，年均降水量340 mm[14]，年平均日照時數為2 900 h，年均蒸發量為1 621 mm，一整年太陽總輻射量為134.5 kW·cm-2，無霜期為163 d，地下水埋深20～30 m。氣候特征既有極熱的夏季，又有酷寒的冬季，是溫帶大陸性氣候分布區之一[15]。

1.2 土壤樣品采集與準備

土壤樣品取自托乎拉蘇大草原，采集多點0～20 cm表層土混合樣，取回后經風干、去除植物根系殘留等雜質后備用。干篩法[16]分離出>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、<0.25 mm共7個粒徑組團聚體，并對各組粒級團聚體進行稱重。其中土壤樣品基本理化性質如下：容重1.38 g·cm-3，有機質65.89 g·kg-1，pH6.0，速效氮145.98 mg·kg-1、速效磷6.80 mg·kg-1、速效鉀124.00 mg·kg-1。土壤質地為粘粒36.76%、粉粒35.59%、砂粒27.65%。

1.3 凍融實驗設計

按干篩法得到草地土壤各粒徑組團聚體質量后計算其所占比例[17]，再將各粒級團聚體按照其所占比例配制成混合均勻且每一組都為50 g的土樣，將每個50 g混合土樣分別放置在已知規格為100 mL玻璃燒杯內，輕拍燒杯壁，使用規格為50 mL玻璃燒杯均勻抹平樣品表面并緩緩壓實燒杯中的土壤樣品[18]，使土壤容重達1.38 g·cm-3，緊靠著燒杯內壁使用裝滿已知體積自來水的噴壺緩緩注入一定水[19]，用保鮮膜密封燒杯防止水分流失。然后設置對照實驗，利用DHS20-A型號土壤水分速測儀測定其水分含量，以達到實驗模擬的含水率[20]。獲得不同實驗組模擬含水率所需水量后，將其它已配制好的土樣分別注入相應水量，達到實驗設計的初始含水率，再將燒杯放置于可調節溫度的冰箱內進行不同凍融溫度以及不同凍融循環次數的處理。其中土壤初始含水率分別設為10%、20%、30%、40%、50%；凍融循環次數分別設為0、1、3、5、7、9；凍結溫度分別設為-5℃、-15℃、-25℃，解凍溫度均為+7℃。最后用濕篩法[21]測定經過凍融循環作用處理的草地土壤水穩定性團聚體質量[22-24]。

2 結果與分析

2.1 初始含水率對草地土壤水穩性團聚體的影響

圖1為設置的對照組，溫度7℃，未經過凍融循環，觀察在無凍融作用條件下，不同初始含水率對水穩性大團聚體特征的影響。從圖1中可以得出，>5、4～2、2～1 mm三個粒徑組水穩性大團聚體在初始含水率不斷提高的狀態下呈現出先增加后降低的變化趨勢，并且在初始含水率為20%時形成一個峰值；5～4 mm這一粒級水穩性大團聚體隨著初始含水率的提高，表現出先增加后降低再增加再降低的波紋變化狀態；1～0.5、0.5～0.25 mm這兩個粒級水穩性團聚隨著初始含水率的提高呈現先增加后降低再增加的變化趨向。

由圖2可知，在實驗室模擬的1次凍融循環、-25℃的凍結溫度、7℃的融化溫度條件下，當含水率<20%時，>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5 mm五個粒徑組水穩性團聚體均表現為逐漸降低的趨勢；當含水率在20%到30%時，>5、5～4、4～2、2～1 mm這四個粒級的穩性團聚體質量都呈現出逐漸增加的趨勢，呈現降低趨勢的水穩性大團聚體是1～0.5 mm和0.5～0.25 mm兩個粒徑組。當含水率>30%時，具有逐漸增加趨向的水穩性大團聚體為0.5～0.25 mm粒徑組；與其相反，>5、5～3、3～2、2～1、1～0.5 mm這五個粒徑組水穩性大團聚體的質量都是隨著初始含水率的提高逐漸呈現出降低的趨勢。

圖1 初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=0)

圖2初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；FTC=1)

Fig.2 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

由圖3可知在實驗室模擬凍結溫度為-25℃、融化溫度為7℃、凍融循環3次的試驗時，>5 mm粒徑組水穩定性團聚體先增加后降低，在含水率為30%時達到一個峰值；5～4、4～2、2～1 mm粒徑組呈現出隨含水率的提高而降低的趨勢；1～0.5 mm粒徑組表現出不穩定的波動；而0.5～0.25 mm粒徑組表現出隨著含水率的提高逐漸增加的趨勢。

如圖4、圖5所示，分別在實驗室模擬凍結溫度為-25℃、融化溫度為7℃、循環次數不同的凍融試驗，結果表明，循環5次和循環7次條件下土壤團聚體具有相似變化規律，>5、5～4、4～2、2～1 mm這四個粒級的團聚體都明顯地隨著含水率的提高而逐漸表現出降低的趨勢；具有先提高后降低再增加變化趨勢的是水穩性大團聚體為1～0.5 mm和0.5～0.25 mm這兩個粒徑組。

如圖6所示，在實驗室模擬的凍結溫度-25℃、融化溫度7℃、凍融循環9次的處理條件下，具有先增加后降低變化規律的水穩性大團聚體是>5 mm、

圖3初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；FTC=3)

Fig.3 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

圖4初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；FTC=5)

Fig.4 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

2～1 mm兩個粒徑組，并且在初始含水率增長到20時形成一個頂峰；先增加后降低水穩性大團聚體是粒徑為4～2 mm的顆粒，在初始含水率為30%時到達一個峰值；5～4 mm水穩性團聚體整體是在降低，整體上呈現增加變化趨勢的團聚體是1～0.5 mm、0.5～0.25 mm兩個粒徑組。

圖5 初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；FTC=7)

圖6初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；FTC=9)

Fig.6 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

由圖7可知，在實驗室模擬的-5℃凍結溫度、1次的凍融循環過程、7℃融化溫度的條件下，初始含水率為30%時，水穩性大團聚體質量到達頂峰狀態的有5～4、4～2、2～1 mm三個粒徑組，并且隨著初始含水率的提高呈現出先增加后降低的總體變化趨向，與其相反，>5 mm粒徑組的水穩性大團聚體呈現出逐漸降低的趨勢；隨著初始含水率的逐漸提高，表現出先降低后增加再降低規律的是1～0.5 mm水穩性大團聚體，而0.5～0.25 mm這個粒徑組水穩性大團聚體顯現出先增加后降低再增加的波動狀態。

-15℃凍結溫度、7℃融化溫度、1次凍融循環的實驗室模擬條件下，如圖8所示，隨著含水率的提高質量逐漸降低的水穩性團聚體是>5 mm的粒徑組；5～4、4～2、2～1 mm三個粒徑組水穩性團聚體表現出先增加后降低的變化趨勢，在初始含水率為30%時達到峰值，而1～0.5 mm和0.5～0.25 mm這兩個粒徑組的水穩性團聚體則表現為波動狀態，但整體上是呈現出增加的趨向。

圖7 初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-5℃；FTC=1)

圖8初始含水率對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-15℃；FTC=1)

Fig.8 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

對于草地土壤而言，>5、5～4、4～2、2～1 mm四個粒徑組水穩性團聚體在初始含水率為20%或者是30%時達到頂峰狀態，其變化趨勢是隨著初始含水率的提高先增加后降低；1～0.5 mm與0.5～0.25 mm被認為是變化不一的兩個粒徑組水穩性團聚體，它們的變化趨勢是先增加后降低、先降低后增加、先降低后增加再降低或者先增加后降低再增加[25]。

對于>5、5～4、4～2、2～1 mm四個粒徑組團聚體，當含水率<20%時，團聚體的破碎效應小于其團聚效應，因此會引起水穩性團聚體質量的增加，而且隨著含水率增加，團聚效應更強，水穩性團聚體質量更大，最終造成水穩性團聚體質量的增大；同時含水率增高，土粒間的黏結力變大，進一步促進土粒的團聚[26]；當含水率>30%時，團聚體的破碎效應要強于其團聚效應，且含水率愈高，其破碎效應愈顯著，同時含水率愈高土粒間的黏結力愈小，引起團聚體的崩解。對于1～0.5 mm，0.5～0.25 mm兩個粒徑組團聚體，由于細小顆粒團聚體同較大顆粒團聚體相比，其內部空間較小，同一含水率時，其破碎效應要高于團聚效應，當含水率<30%時，含水率愈高，其破碎效應愈顯著，造成團聚體的破碎崩解；而當含水率>30%時，水穩性團聚體質量的增大則可能是由較大顆粒團聚體破碎崩解為微小的團聚體而導致[27]。

2.2 凍融循環次數對草地土壤水穩性團聚體的影響

由圖9可知，在實驗室模擬樣品土壤被凍結的溫度是-25℃，被融化溫度7℃，并且10%的初始含水率狀態下，>5 mm水穩性大團聚體隨著凍融循環次數的不斷增加，呈現出先降低后增加再降低的變化趨勢；1～0.5 mm水穩性團聚體先增加后降低，在凍融循環為5次的時候達到峰值；表現先降低后增加再降低的波形變化，但整體呈升高趨勢的是0.5～0.25 mm水穩性大團聚體；整體隨著凍融循環次數增加質量先增加后降低的是5～4、4～2、2～1 mm三個粒徑組水穩性大團聚體。

在實驗室模擬的凍結溫度為-25℃、融化溫度7℃、初始含水率為20%的條件下，如圖10所示，隨著凍融循環次數的增加，>5 mm、5～4 mm兩個粒級水穩性團聚體呈現出波紋變化，但整體的變化趨勢是降低；4～2 mm水穩性團聚體變化平緩；2～1 mm，1～0.5 mm及0.5～0.25 mm水穩性團聚體也是波形變化，但整體呈現出增加的趨勢。

圖9 凍融循環次數對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；IMC=10%)

圖10凍融循環次數對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；IMC=20%)

Fig.10 Effect of freeze-thaw cycles on soil water stable aggregates

如圖11所示，實驗室模擬-25℃的凍結溫度、7℃的融化溫度、30%初始含水率的基本條件下，隨著凍融循環次數的增加，水穩性團聚體中>5 mm、5～4 mm、4～2 mm粒徑組呈現出波紋變化，但整體的變化趨勢是降低或保持平緩；而水穩性團聚體也是波形變化，但整體趨勢增加的是2～1 mm、1～0.5 mm及0.5～0.25 mm這三個粒徑組。

如圖12所示，在實驗室模擬凍結溫度-25℃、融化溫度7℃、含水率40%的條件下，隨著凍融循環次數的增加，>5 mm水穩性團聚體先降低后增加；5～4 mm、4～2 mm兩個粒級水穩性團聚體逐漸降低；2～1 mm、1～0.5 mm水穩性團聚體先增加后降低，在凍融循環3次時形成峰值。

實驗室模擬樣品土壤被-25℃溫度凍結、7℃融化、50%的初始含水率處理后，如圖13所示，>5、5～4，4～2、2～1 mm四個粒徑組的水穩性大團聚體質量在凍融循環次數不斷增加的條件下逐漸降低；呈現出整體先增加后降低變化趨勢的是1～0.5 mm及0.5～0.25 mm這兩個粒徑組水穩性大團聚體。

圖11 凍融循環次數對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；IMC=30%)

圖12 凍融循環次數對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；IMC=40%)

圖13凍融循環次數對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FT=-25℃；IMC=50%)

Fig.13 Effect of freeze-thaw cycles on soil water stable aggregates

對于>5 m、5～4 m、4～2 mm、2～1 mm四個較大顆粒粒徑組團聚體來說，其本身抵抗內部收縮力和外部擠壓力的能力要遠遠低于較小粒級的團聚體。反復的凍融作用，使得>5 mm、5～4 mm、4～2 mm、2～1 mm四個較大顆粒粒徑組團聚體不斷經受收縮力和擠壓力的作用而破碎崩解，造成水穩性團聚體質量隨著凍融循環次數的增加逐漸減小[28]；而對于1～0.5 mm，0.5～0.25 mm兩個較小顆粒粒徑組團聚體，其抵抗收縮力和擠壓力的能力較強，經過反復的凍融作用不易崩解破碎，其水穩性團聚體質量的增大應歸咎于較大顆粒團聚體經過反復凍融作用所發生的破碎崩解[29]。因此各粒徑組水穩性團聚體在不同處理水平條件下隨著凍融循環次數增加而表現出不同的規律性，有的表現出逐漸降低或先降低后增加、先升高后降低的變化趨勢，有的呈現出先增后減再增再減、先減后增再減再增的波紋狀變化趨勢。

2.3 凍結溫度對草地土壤水穩性團聚體的影響

在實驗室模擬初始含水率10%、凍融循環1次的條件下，如圖14所示，隨著凍結溫度的逐漸降低，>5 mm水穩性團聚體沒有明顯變化；呈現出逐漸減少趨勢的是5～4 mm、4～2 mm兩個粒徑組水穩性大團聚體；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm這三組粒級團聚體峰值都在-15℃，但是其中2～1 mm粒徑組水穩性大團聚體表現出先增加后減少的變化趨勢，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm兩組水穩性大團聚體表現出先減少后增加的變化趨勢。

由圖15可知，在實驗室模擬20%的初始含水率、1次凍融循環的條件下，隨著凍結溫度的逐漸降低，峰值出現的凍結溫度為-15℃，并且具有先增加后降低的變化趨勢的是>5 mm、4～2 mm、2～1 mm三組顆粒級水穩性大團聚體；而5～4 mm水穩性團聚體幾乎保持穩定狀態，1～0.5 mm水穩性團聚體逐漸增加；相反表現出逐漸降低趨勢的是0.5～0.25 mm粒徑組。

圖14 凍結溫度對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=1；IMC=10%)

圖15凍結溫度對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=1；IMC=20%)

Fig.15 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

圖16是在實驗室模擬初始含水率30%、凍融循環1次的條件下，隨著凍結溫度的逐漸降低，水穩性大團聚體>5 mm、0.5～0.25 mm粒徑組呈現出逐漸增加的趨勢；5～4 mm、4～2 mm先增加后降低；2～1 mm逐漸降低；1～0.5 mm先降低后增加。

在實驗室模擬初始含水率40%、凍融循環1次的條件下，如圖17所示，隨著凍結溫度的逐漸降低，>5 mm先增加后減少；5～4 mm逐漸增加；隨著凍結溫度的降低而相應的呈現出先增加后降低的變化趨勢的是0.5～0.25 mm水穩性團聚體；4～2 mm、1～0.5 mm逐漸降低；2～1 mm先降低后增加。

圖16 凍結溫度對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=1；IMC=30%)

圖17凍結溫度對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=1；IMC=40%)

Fig.17 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

由圖18可知，隨著凍結溫度的逐漸降低，并且在實驗室模擬50%的初始含水率、1次凍融循環的條件下，呈現出先降低后增加趨勢的是5～4、4～2、2～1、0.5～0.25 mm四個粒徑組水穩性大團聚體；表現出逐漸降低變化趨勢的是>5 mm的粒徑組；1～0.5 mm水穩性團聚體則隨著凍結溫度的降低而相應地呈現出增加的趨勢。

圖18凍結溫度對草地土壤水穩性大團聚體的影響(FTC=1；IMC=50%)

Fig.18 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

對于草地土壤而言，>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5 mm與0.5～0.25 mm這六個粒徑組水穩性大團聚體隨著凍結溫度的逐漸降低而表現出不盡相同的規律性，隨著凍結溫度的逐漸降低，有的水穩性大團聚體呈現出的趨勢是先降低后增加，有的呈現出逐漸降低趨勢，有的表現出逐漸增加的趨勢，而有的則是先升高后降低的變化趨勢。

由于較大顆粒團聚體，比如>5 mm和5～4 mm的內部孔隙空間要大于相對而言較小的團聚體，所以溫度越是降低，團聚體內部氣體收縮程度就越大，團聚體崩解破碎愈嚴重；而1～0.5 mm與0.5～0.25 mm水穩性團聚體升高，一方面是由于內部氣體收縮引起大顆粒團聚體崩解破碎，另一方面是由于較大顆粒團聚體在凍融作用下破碎為較小顆粒團聚體；4～2 mm與2～1 mm水穩性團聚體并無顯著影響[31]。

3 結論與討論

1) 初始水分含量是影響土壤水穩性大團聚體的關鍵因素。由圖1到圖8可以看出在凍融循環次數或者凍融溫度一致的條件下隨著土壤初始含水率的提高，>5、5～4、4～2、2～1 mm四個粒徑組水穩性團聚體呈現出逐漸降低、或先升高后降低的變化趨勢；1～0.5、0.5～0.25 mm呈現先降低后增加、或先增加后降低再增加的趨勢。分析發生這種變化的原因主要是凍結狀態下土壤水相變成冰，它的體積增大，并隨之增大了團聚體的破碎效應；團聚體內部氣體由于封閉可看作理想氣體，凍結狀態下由于冷卻收縮增加了團聚體的團聚效應。

2) 凍融循環次數是影響土壤水穩性大團聚體的重要因素。如圖9到圖13，在初始含水率和凍結溫度相同的前提下，隨凍融循環次數的增加，各組粒級水穩性團聚體表現出的規律性不盡相同，>1 mm水穩性團聚體整體有降低趨勢，1～0.5 mm、0.5～0.25 mm兩組粒徑水穩性團聚體則整體呈現增加趨勢。分析不同粒徑組水穩性團聚體含量發生以上變化的原因可能是在凍融循環作用過程中，團聚體內部及不同團聚體之間分別承受著收縮力和擠壓力，最終造成團聚體的破碎崩解[30]。

3) 如圖14到圖18可知，凍結溫度是影響土壤水穩性大團聚體的另一重要因素，在初始含水率和凍融循環次數一定的條件下，隨著凍結溫度的降低，>5 mm與5～4 mm水穩性團聚體有降低的趨勢，1～0.5 mm與0.5～0.25 mm水穩性團聚體有升高的趨勢，4～2 mm與2～1 mm兩個粒級水穩性團聚體并無顯著變化。經判斷，很可能是團聚體內部氣體收縮引起團聚體崩解破碎與較大粒級團聚體破碎為較小粒級團聚體二者共同作用而導致[31]，因此，不同粒徑組水穩性大團聚體隨著凍結溫度的逐漸降低而表現出不盡相同的規律性。

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