季節性凍融對色季拉森林土壤團聚體穩定性的影響

丁慧慧, 陳文盛, 李江榮

(1.西藏農牧學院高原生態研究所, 西藏 林芝 860000; 2.西藏高原森林生態教育部重點實驗室,西藏 林芝 860000; 3.西藏林芝高山森林生態系統國家野外科學觀測研究站,西藏 林芝 860000; 4.西藏自治區高寒植被生態安全重點實驗室, 西藏 林芝 860000)

季節性凍融是指由于一年四季與晝夜溫度的變化，反映在多尺度土層上反復凍結—融凍的過程[1]，這種情況主要出現在高緯度地區如我國東北地區[2-3]以及高海拔地區如我國青藏高原地區[4]，是全球普遍存在的一種自然現象。秋冬季節，溫度降低，土層普遍由上至下凍結，春夏季節，溫度升高，土層普遍由上至下凍融[5]。季節性凍融變化作為氣候變化的一個指示器，其通過對地表能量、水和碳循環的影響，從而在局地和全球氣候及陸地生態系統中發揮作用[5-6]。

土壤團聚體不僅是土壤結構的基礎單位，也是土壤的主要組成元素和土壤營養物質的主要來源，同時也是評價土壤質量和健康狀況的重要標志[7-9]。通過土壤對外界擠壓作用大小判斷土壤結構的穩定與否，其中主要包括土壤結構的機械穩定性和土壤結構的水穩性[10]。土壤團聚體作為評價土壤侵蝕性的重要因素之一[9]，提高土壤團聚體水穩性和土壤團聚體的數量、質量可以增強土壤抗侵蝕能力[11]。就目前來看，土壤含水量(SWC)，0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA)、平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數D、可蝕性K值等是衡量土壤團聚體穩定性的一個重要指標[12-13]。一般認為，隨著0.25 mm水穩性團聚體含量，平均質量直徑、平均幾何直徑指數的增加，土壤團粒的分布情況和穩定性都會相應的降低與提高[2,14]。此外，分形維數愈低，則愈有利于土壤結構的穩定及耐侵蝕能力[15]。土壤使用模式會改變土壤結構、有機膠結物質和土壤微生物的活性，從而使土壤有機質重新分布，進而對土壤的穩定性產生不利的影響[16-17]。

本文通過對比3個不同處理類型土壤STF-Un(未經季節性凍融)，STF-One(經一年季節性凍融)，STF-Ys(經多年季節性凍融)，分別探討0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm深度土壤在凍融作用下土壤水穩性團聚體所受到的影響，主要分析各個深度土壤粒徑團粒含量的分布情況，以及凍融對土壤水穩性團粒含量、平均質量直徑、平均幾何直徑、分形維數D和土壤可蝕性K值的變化趨勢進行比較分析。研究季節性凍融對土壤穩定性的影響，為研究凍融環境下土壤侵蝕的預報提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

色季拉山(93°12′—95°35′E,29°10′—30°15′N)位于青藏高原東南部西藏自治區林芝市巴宜區境內，屬念青唐古拉山脈與喜馬拉雅山脈的交匯處，是尼洋河流域與雅魯藏布江的分水嶺，呈東北—西南走向，最高海拔約5 200 m。該地區氣候主要受印度洋西南季風的影響[18]，冬暖夏涼，干濕季節區分明顯。降雨主要集中在6—9月，占全年降雨量的75%～82%，年均相對濕度78.83%，年均氣溫-0.73℃，最熱月(7月)均溫9.23℃，最冷月(1月)均溫-13.98℃，年日照時數1 151 h，其中日照時數最高的出現12月(151.7 h)[19]。研究區土壤為棕壤，土層較厚，pH值的變化范圍在4～6，偏酸性[20]。

1.2 樣品采集

在利用不同的海拔氣候條件下，進行3種不同類型土壤對比，在海拔4 300 m處取樣作為經多年季節性凍融土壤(SFT-Ys)，在海拔3 500 m處取樣作為未經季節性凍融土壤(STF-Un)類型，利用PVC管(直徑20 cm，深度35 cm)將3 500 m處土壤搬移至4 300 m處進行野外控制性試驗持續時間為1 a，并隨機選取4個樣品作為一年季節性凍融(STF-One)。樣點用地類型為林地，取樣時間為2021年6月22日1個凍融期結束。每個海拔分3個樣地，每個樣地取4個樣，共84個樣。取樣時，要仔細清除地表上的植物和雜草，取樣深度分別為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，所取的原狀土帶回實驗室，并用硬塑料盒子裝好避免在途中發生破壞。對于STF-One處理類型土壤取樣，在4 300 m海拔處4個樣地中各取一個PVC管進行對比。

1.3 分析方法

試驗中，用濕篩法進行了土壤團聚體試驗。通過對砂礫石、侵入體和粗有機質的撿除，并在自然風干過程中沿著土壤斷裂面上，進行將其分揀為直徑10 mm大小的土塊。在土壤樣品充分干燥后，對其中的一部分進行濕篩法分離用于研究土壤團聚體水穩性[21-22]。篩分時，將50 g干燥的土壤稱重，放入5 mm的土篩中，用蒸餾水浸泡5 min，接著用3 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm土篩讓土樣依次通過[23]。然后，以30次/min的頻率上下振動10 min，把殘留在每一個篩網上的泥土沖入鋁盒，進行烘干和稱重[24]。每個樣品重復檢測3次取平均值。

土壤含水量SWC采用便捷式土壤水分、溫度檢測儀(Moisture Meter type HH2)。另外水穩性團聚體百分含量WSA、團聚體平均質量直徑MWD、團聚體幾何平均直徑 GMD和分形維數D、土壤可蝕性K值，指標的具體計算公式如下：

(1)

式中:Mr>0.25為粒徑>0.25 mm團聚體累計質量;MT為土壤各粒徑團聚體質量之和[10-11];

(2)

式中:Xi表示每層團聚體的平均直徑(mm)；Wi表示每層團聚體粒級的團聚體質量所占百分比比例[25]。

(3)

式中:Xi表示每層團聚體的平均直徑(mm)；Wi表示每層團聚體粒級的團聚體質量所占百分比比例[26]。

分形維數計算方法采用楊培玲[27]推導的分形維數

(4)

對上式兩邊取對數可得公式如下：

(5)

Shiriza等建議在沒有充足土壤資料的情況下[28]，可采用公式(6)計算土壤可蝕性K值，公式如下：

(6)

式中:GMD為公式(3)中所求出的值。

1.4 數據分析

數據采用 Microsoft Excel 2019進行數據處理；采用IBM SPSS Statistics 25對土壤含水量和團聚體性質進行相關性分析，并使用Origin 2021進行制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤各粒徑團粒變化情況

如圖1所示，在STF-Un類型土壤中，各團粒含量占比在不同土層中的比較，其中10～5 mm和0.25～0 mm粒徑團粒含量所占比例最大，范圍在10%～37%，3～2 mm和0.5～0.25 mm粒徑團粒含量所占比例較低。在1～0.5 mm，0.5～0.25 mm粒徑范圍在不同深度土壤中，差異較為明顯(p<0.05)，在其余粒徑范圍中差異不明顯(p>0.05)。

在STF-One類型土壤中，各團粒含量占比在不同土層中進行比較，其中2～1 mm，1～0.5 mm和0.25～0 mm粒徑團粒含量所占比例較大，分布范圍在13～34%，3～2 mm粒徑團粒含量分布比例較少。在不同土層深度，10～5 mm，3～2 mm團粒差異不顯著(p>0.05)，5～3 mm粒徑中10—20 cm深度的含量占比較多，2～1 mm粒徑中0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm并且差異顯著(p<0.05)，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒徑中0—10 cm深度含量最低， 0.25～0 mm粒徑中0—10 cm深度含量最高。

在STF-Ys類型土壤中，各團粒含量占比在不同土層深度比較，其中0.25～0 mm粒徑團粒含量所占比例較大，分布范圍在26%～51%，10～5 mm粒徑團粒含量占比較小。在不同土層深度中，0.25～0 mm粒徑中0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm并且差異顯著(p<0.05)，在其余粒徑范圍中各土層有較為顯著的差異(p<0.05)。

同一土層不同處理差異性分析，在0—10 cm深度土層10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，0.25～0 mm粒徑團粒含量占比之間無顯著差異(p>0.05)，2～1 mm粒徑團粒含量中STF-Ys含量較高，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm粒徑團粒含量占比中，STF-Un含量較少。在10—20 cm深度土壤中，在1～0.5 mm粒徑范圍中STF-Un>STF-Ys>STF-One，在0.5～0.25 mm粒徑范圍里STF-Ys>STF-One>STF-Un并且差異顯著(p<0.05)，在其余粒徑中也存在較為顯著的差異(p<0.05)。在20—30 cm深度的土壤中，在2～1 mm粒徑范圍里STF-One>STF-Un>STF-Ys，在0.25～0 mm粒徑范圍中STF-Ys>STF-Un>STF-One且差異顯著(p<0.05)。

注：(1) STF-Un為未經季節性凍融土壤；STF-One為經一年季節性凍融土壤；STF-Ys為經多年季節性凍融土壤。(2) 同列數據后標不同小寫字母表示同一土壤處理類型不同土層之間差異顯著(p<0.05)；同列數據后標不同大寫字母表示同一土層不同土壤處理類型之間差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同類型土壤不同土層各指標間變化分析

由表1可得，從同一處理類型土壤不同土層分析，未凍融土壤類型中，SWC，WSA，MWD，GMD、分形維數D、可蝕性K值6個指標在三層土層深度中均無顯著差異(p>0.05)。在經一年季節性凍融土中，SWC在20—30 cm深度土壤含量最大并且不同土層深度之間差異顯著(p<0.05)，WSA在三層土壤中0—10 cm深度含量最小并且不同土層差異顯著(p<0.05)，其余指標在不同土層中無顯著差異(p>0.05)。在經多年季節性凍融土中，6個指標在不同土層中均有顯著差異性(p<0.05)。

從同一土層不同土壤處理類型進行分析，在0—10 cm深度土層中，SWC在3個不同類型土壤之間皆差異顯著(p<0.05)，其余指標在不同類型土壤之間無顯著差異(p>0.05)。在10—20 cm，20—30 cm土層中，6個指標在不同處理類型土壤中均存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 土壤團粒組成與各參數間相關性分析

相關性結果表明，在SFT-Un處理中(表2)，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm粒徑含量分別于指標WSA，MWD，GMD呈顯著正相關，與D值、K值呈顯著負相關。隨著各粒徑團粒含量的增加，WSA，MWD，GMD就越大，D和K值就越小。2～1 mm粒徑團粒含量與WSA呈正相關。1～0.5 mm粒徑含量與SWC呈正相關。1～0.5 mm，0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒徑含量與MWD，GMD呈顯著負相關，與D值均呈正相關。0.25～0 mm粒徑含量與WSA呈負相關，與K值呈正相關。

表1 不同類型土壤不同土層各指標間變化分析

在SFT-One處理中(表3)，10～5 mm，5～3 mm粒徑含量與指標MWD，GMD呈顯著正相關，與D值、K值呈顯著負相關。隨著10～5 mm，5～3 mm粒徑含量的增加，MWD，GMD呈增加趨勢，而D值、K值呈減少趨勢。5～3 mm粒徑含量與WSA呈正相關。3～2 mm粒徑團粒含量與WSA呈正相關，與K值呈負相關。2～1 mm粒徑含量與SWC，WSA，GMD呈顯著正相關，與D值、K值呈顯著負相關。1～0.5 mm粒徑團粒含量與SWC，WSA均呈正相關。0.5～0.25 mm粒徑團粒含量與SWC呈正相關，與MWD呈負相關。0.25～0 mm粒徑團粒含量與6個指標均有相關關系，其中與SWC，WSA，MWD，GMD均呈負相關，與D值、K值呈正相關。說明隨著0.25～0 mm粒徑團粒含量的增加SWC，WSA，MWD，GMD呈減少趨勢，D值、K值呈增加趨勢。

在SFT-Ys處理中(表4)，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm粒徑含量與指標WSA，MWD，GMD呈顯著正相關，與D值、K值呈顯著負相關。而0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒徑團粒含量與指標WSA，MWD，GMD呈顯著負相關，與D值、K值呈顯著正相關。其正負相關性以0.5 mm團粒粒級為界。

在3個不同處理類型土壤中，SWC，WSA，MWD，GMD，D，K這6個指標間的相關關系皆一致。首先SWC與其余5個指標之間無顯著相關。WSA與MWD和GMD均呈顯著正相關，MWD與GMD呈顯著正相關關系，D值與K值呈正相關關系。其次WSA，MWD和GMD均與D值與K值呈負相關，說明土壤團聚體的WSA，MWD和GMD越大，D值與K值就越小。

表2 SFT-Un處理下不同類型土壤各粒徑團粒含量與各指標間的相關性分析

表3 SFT-One處理下不同類型土壤各粒徑團粒含量與各指標間的相關性分析

表4 SFT-Ys處理下不同類型土壤各粒徑團粒含量與各指標間的相關性分析

3 討 論

3.1 團粒結構與含水量

土壤團聚體各團粒組成是影響土壤肥力的重要因素[7]。在土壤各深度土層中， SFT-Un類型土壤團聚體多集中在10～5 mm，2～1 mm與0.25～0 mm粒徑中。SFT-One類型土壤中團聚體主要集中在2～1 mm與0.25～0 mm的粒徑范圍中，SFT-Ys類型土壤中團聚體主要集中在2～1 mm，1～0.5 mm與0.25～0 mm粒徑范圍中。0.25～0 mm粒徑團粒含量占比在10—20 cm與20—30 cm深度中3種處理類型土壤具有顯著差異。這主要是由于凍融會對土壤團粒結構產生一定的破解作用，造成土壤中大團粒結構含量減少，而小粒級團粒含量增加[29]。Oztas等[30]認為凍融促進了土壤團聚體的破碎，從而降低了團聚體的穩定性。牛浩等[31]2020年在對黑龍江地區凍土與肖東輝等[32]對凍融情況下黃土的研究發現，隨著凍融過程的變化土壤結構中較大粒徑組團粒呈逐漸減小的趨勢，而較小顆粒粒徑組團粒則呈增加趨勢，其結果與本文研究結果基本一致。而文晶在對長江源北麓河流域凍土進行研究時發現[33]，凍融導致表層土壤團粒出現粗粒化現象，得出的結論與本文結論相反，其原因可能是文晶的研究主要集中在草甸區域的多年凍土，其主要原因可能是研究區域的植被類型不同。

在土壤含水量與土壤團聚體(0—30 cm)的相關分析中表明，SFT-Un類型土壤中與1～0.5 mm粒徑含量呈正相關。SFT-One類型土壤SWC與2～1 mm，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒徑團粒含量呈正相關，與0.25～0 mm粒徑團粒含量呈負相關。SFT-Ys類型土壤中SWC與各粒徑含量均無顯著相關。在趙恒策，王展等[29,34]的研究中表明，SWC與土壤粒級團聚體含量會達到顯著相關水平，與本研究結果相似。在SFT-Un類型土壤中，3個深度土層之間的SWC指標差異不顯著，在SFT-One與SFT-Ys類型土壤中3個深度土層之間的SWC差異顯著。可能的原因是冰雪的融化以及冰雪的凍結阻礙了水分在土壤中的流動等因素造成了溫度升高冰雪融化土壤含水量的增加[35]。分別在三層不同深度土層中，將3種處理類型的土壤進行比較時，均具有顯著差異。王洋等[36]研究發現凍融過程使得土壤水分顯著提高，并且對土壤結構和水分分布特征具有明顯影響[37]，與本文結果一致。

3.2 0.25 mm水穩性團聚體、土壤團聚體直徑指標

許多研究表明[14,25]， 0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA)和土壤團聚體直徑指標(MWD，GMD)的值越大說明土壤團聚體穩定性越好。在0—10 cm深度土層中，3種類型土壤WSA大小表現為， SFT-Ys>SFT-One>SFT-Un但其差異并不顯著。文晶等[33]得出凍融會增加表層土壤團聚體穩定性的結論與該結論相一致。在0—30 cm深度土層中SFT-One，SFT-Un兩種類型WSA大小均表現為SFT-One>SFT-Un。在10—20 cm，20—30 cm深度土層中，3種處理類型土壤表現為：SFT-One>SFT-Un>SFT-Ys說明經過一年季節性凍融的土壤，WSA有所增加，一定程度上增加了10—20 cm深度土壤團聚體穩定性，經多年季節性凍融的WSA顯著低于其他兩個類型。多年季節性凍融會降低WSA，從而降低了土壤團聚體的穩定性。Oztas等[30]研究認為，在濕篩處理下，當土壤凍融次數在一定范圍內，其土壤增強土壤團聚體的穩定性。楊梅學等[38]通過在西藏那曲地區長時間監測得出這樣的結論表明了土壤的凍融交替過程對不同深度土層的影響是不同的。

3個處理類型下，0—10 cm深度中MWD，GMD指標差異均不顯著，在10—30 cm深度中MWD，GMD指標SFT-Ys子集小于SFT-One、 SFT-Un子集間，差異顯著。在SFT-Ys類型土壤中隨深度的加深，MWD，GMD呈逐漸減少的趨勢，土壤穩定性逐漸減弱。表明土壤經過多年季節性凍融后，MWD，GMD數值變小，土壤穩定性變差，這與劉緒軍等[39]研究結果基本一致。而與李嘉[40]的研究結果相反，其研究發現經過季節性凍融華北落葉松林和云杉 ×華北落葉松混交林MWD和 GMD顯著增加，從而增加了土壤穩定性。此外王恩姮等[41]研究發現季節性凍融促進了典型黑土區土壤水穩性團聚體的團聚，提高了土壤團聚體水穩定性，這也與本文得出的結果相反，原因可能是色季拉山海拔高凍結溫度更低，凍結程度較大，植被類型的不同，枯落物厚度的不同，另外研究區的土壤類型也有所不同，已有相關研究表明土壤團聚體水穩定性會隨土壤黏粒的變化而變化[42]。

3.3 分形維數D與可蝕性K值

土壤分形維數(D)能夠反映土壤的質地、均勻性、物理特性和肥力特性等，通過分析不同粒徑團粒分布情況，得到的D值大小可以說明大團粒含量對土壤結構和穩定性的影響，D值越高，其土壤穩定性就越差[13]。土壤可蝕性K值作為評價土壤抵抗水蝕能力大小的重要指標，其中K值越小說明土壤抵抗侵蝕的能力越強，反之則土壤抗侵蝕能力越弱[43]。本研究表明3種不同處理下分形維數D與可蝕性K值，SFT-Ys子集大于SFT-One、 SFT-Un子集間，差異顯著，表明經多年季節性凍融的影響，D值與K值顯著增大，土壤穩定性變差，土壤的抗侵蝕能力減弱。在SFT-Ys類型土壤中隨深度的加深，D值、K值呈逐漸增加的趨勢，土壤穩定性逐漸減弱。這與趙恒策[29]、繆馳遠[44]等對東北典型黑土等的研究結果一致。

其中在SFT-Ys類型土壤中各粒徑含量與指標之間的相關性分析，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm粒徑含量與指標WSA，MWD，GMD呈顯著正相關，與D值，K值呈顯著負相關，而0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒徑團粒含量與指標WSA，MWD，GMD呈顯著負相關，與D值、K值呈顯著正相關。其正負相關性以0.5 mm團粒粒級為界，說明在凍融作用下土壤團聚體變化過程中，0.5 mm粒級是關鍵的臨界點。牛浩等[25,31]也研究認為0.5 mm粒級在土壤結構變化中起到重要的作用，從而進一步土壤團聚體穩定性。在SFT-Un，SFT-One類型土壤中團粒與各指標的正負性主要是以1 mm粒級為分界線。

在3個不同處理類型土壤中，SWC，WSA，MWD，GMD，D，K共6個指標間的相關關系皆一致。其中SWC與其余5個指標之間無顯著相關。WSA與MWD和GMD均呈顯著正相關，MWD與GMD呈顯著正相關關系，D值與K值呈正相關關系。而WSA，MWD和GMD均與D值、K值呈負相關，說明土壤團聚體的WSA，MWD和GMD越大，D值與K值就越小。

4 結 論

(1) 季節性凍融作用導致土壤團粒結構產生一定破解作用，土壤中大團粒結構分布減少，而小粒級團粒含量分布增加。季節性凍融增加了土壤含水量，在SFT-Un，SFT-One兩種類型土壤中SWC與粒徑團粒含量間總體呈顯著正相關。

(2) 季節性凍融作用使得MWD，GMD數值總體上變小，D值與K值變大，土壤團聚體穩定性有所降低。在SFT-Ys類型土壤中隨采樣深度增加，土壤穩定性逐漸降低，抗侵蝕能力也呈逐漸減弱的趨勢。

(3) 相關性分析結果表明，3種類型土壤中WSA，MWD和GMD均與D值與K值呈負相關。在SFT-Ys類型土壤中土壤結構變化，0.5 mm粒級是重要臨界點。

(4) 一年的凍融周期下，WSA值有所增加，土壤穩定性相對增強。但SFT-One與SFT-Un其余指標間均無顯著差異，可能的原因是一年的凍融期時間較短，對土壤團聚體穩定性的影響較小，需持續進行試驗進行長期觀測研究。