劉 艷，馬茂華，吳勝軍，冉義國(guó)，王小曉，黃 平*

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干濕交替下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究進(jìn)展與展望①

劉 艷1,2，馬茂華1，吳勝軍1，冉義國(guó)1,2，王小曉1,2，黃 平1*

(1 中國(guó)科學(xué)院水庫(kù)水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對(duì)土壤系統(tǒng)功能(如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和肥力保持等))至關(guān)重要。而干濕交替是導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體演變的重要環(huán)境因子，顯著影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性。本文回顧了70多年來(lái)干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的研究歷程，總結(jié)了干濕交替條件下土壤團(tuán)聚體粒徑分布和水穩(wěn)性的變化特征，著重闡述了干濕交替對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制，以及影響干濕交替條件下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素，并比較分析了近80年來(lái)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究的主要方法。通過(guò)梳理發(fā)現(xiàn)，盡管目前報(bào)道了大量有關(guān)干濕交替對(duì)不同類型土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，但是相關(guān)研究多集中在單一的土壤系統(tǒng)中，鮮有從復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的角度探索干濕交替復(fù)合作用過(guò)程與多重影響機(jī)制。同時(shí)，由于不同研究所采用的方法差異較大，導(dǎo)致其結(jié)果往往可比性較差。由此，本文提出了該領(lǐng)域今后潛在的研究方向：①敏感脆弱區(qū)干濕交替下土壤團(tuán)聚體形成和演變機(jī)制；②干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體中化學(xué)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響；③新技術(shù)，如電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(computed tomography，CT))等在團(tuán)聚體研究中的應(yīng)用；④植物群落與土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)交互作用過(guò)程與機(jī)理等。

土壤團(tuán)聚體；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；干濕交替；生態(tài)系統(tǒng)功能；斷層掃描技術(shù)

土壤團(tuán)聚體是由砂粒、粉粒、黏粒在各種有機(jī)無(wú)機(jī)膠結(jié)劑的作用下粘結(jié)而成的基本土壤結(jié)構(gòu)單元[1]，其穩(wěn)定性顯著影響土壤結(jié)構(gòu)與功能。20世紀(jì)下半葉，土壤團(tuán)聚體的形成機(jī)制研究得到了突破性進(jìn)展，相繼提出了Emerson土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)模型[2]、微團(tuán)聚體形成模型[3]、團(tuán)聚體等級(jí)模型[4]。土壤團(tuán)聚體根據(jù)其粒徑大小可以分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)，也可根據(jù)其抗外力作用分為穩(wěn)定性團(tuán)聚體和非穩(wěn)性團(tuán)聚體，其中水穩(wěn)性團(tuán)聚體是較受關(guān)注的一類穩(wěn)定性團(tuán)聚體[5-7]。土壤團(tuán)聚體易受到土壤動(dòng)物、微生物、植物根系、人類活動(dòng)及環(huán)境變化(如干濕交替、凍融交替、火)等因素影響，其中干濕交替是土壤經(jīng)歷最頻繁的水分條件變化過(guò)程，對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性等產(chǎn)生重要影響[7]。

干濕交替是土壤經(jīng)歷多次干燥濕潤(rùn)的循環(huán)往復(fù)過(guò)程，是影響土壤顆粒團(tuán)聚過(guò)程的重要環(huán)境因子。有關(guān)“干濕交替”的研究最早見(jiàn)于20世紀(jì)30年代，后由1958年Birch[8]發(fā)現(xiàn)干濕交替對(duì)土壤呼吸的激發(fā)作用而受到廣泛關(guān)注。自然界中，降雨、物質(zhì)的擴(kuò)散流動(dòng)及冷凝等自然現(xiàn)象的濕潤(rùn)作用，及太陽(yáng)輻射、風(fēng)等的干燥作用共同形成了土壤的干濕交替過(guò)程[7]。干濕交替通過(guò)改變土壤團(tuán)聚體周圍的水環(huán)境及孔隙度，使團(tuán)聚體收縮和膨脹，影響團(tuán)聚體的形成、粒徑分布、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且其對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體理化性質(zhì)的影響尤為顯著[7, 9]。除此之外，干濕交替可通過(guò)改變微生物群落及活性，影響團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素的釋放，進(jìn)而影響土壤肥力。大量研究表明，干濕交替影響團(tuán)聚體與顆粒有機(jī)物、微生物群落之間的關(guān)系[10-11]，同時(shí)改變土壤養(yǎng)分(如碳[12]、氮[13]、磷[14])循環(huán)。

針對(duì)干濕交替對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的重要研究歷程，本文進(jìn)行了整理和歸納(圖1)。20世紀(jì)80年代以前，有關(guān)干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究側(cè)重于土壤含水量對(duì)團(tuán)聚體的影響機(jī)制，包括降雨、浸濕速率等對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。例如，Seginer和Morin研究表明，裸露土壤的入滲能力下降與降落在地表的水滴數(shù)量有關(guān)，而與降雨時(shí)間無(wú)直接關(guān)聯(lián)；隨后，Utomo和Dexter[21]利用去離子水對(duì)土壤進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)干濕交替會(huì)促使團(tuán)聚體中微裂紋的形成，從而降低團(tuán)聚體的抗拉強(qiáng)度，增加土壤易碎性，降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性。80年代后，研究方向細(xì)化到干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分循環(huán)、孔隙結(jié)構(gòu)、氣體分布的影響。例如Mikha等[23]研究發(fā)現(xiàn)干濕交替可顯著減少土壤有機(jī)碳礦化量。另外，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)也逐漸應(yīng)用到團(tuán)聚體微觀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究中，例如Ma等[24]利用基于同步輻射X射線的顯微斷層掃描技術(shù)(SR-μCT)對(duì)干濕交替條件下老成土團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化的影響進(jìn)行了研究。

圖1 干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的重要研究歷程

不同干濕交替階段，在團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性變化特征方面，目前學(xué)者尚未得出一致結(jié)論。Shiel等[26]研究發(fā)現(xiàn)在干濕交替初期，黏質(zhì)土(61% 黏粒，33% 粉砂)團(tuán)聚體粒徑下降明顯，且經(jīng)過(guò)4次干濕交替后，機(jī)械重組后的團(tuán)聚體和自然狀態(tài)下的團(tuán)聚體粒徑分布相似；但Mikha等[23]研究表明干濕交替初期，粉砂壤土(22% 黏粒，69% 粉砂，9% 砂粒)團(tuán)聚體粒徑分布沒(méi)有顯著變化，直到第4次干濕交替后，干濕交替對(duì)團(tuán)聚體才有微小影響；Denef等[10]研究了干濕交替對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性及土壤有機(jī)質(zhì)、微生物群落的影響，結(jié)果表明，盡管前2次干濕交替會(huì)顯著降低粉砂壤土(23% 黏粒，36% 粉砂，41% 砂粒)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，促進(jìn)團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)，但在團(tuán)聚體整個(gè)崩解和形成周期中，干濕交替對(duì)團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)并無(wú)較大影響。因此，開(kāi)展干濕交替條件下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究，探究干濕交替對(duì)團(tuán)聚體的作用機(jī)理及影響因素，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干濕交替敏感區(qū)域(如濕地、河岸帶、水庫(kù)消落帶等)的保護(hù)及生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究成果，主要討論了干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體的作用過(guò)程和機(jī)理，比較分析了干、濕過(guò)程對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響機(jī)制，并總結(jié)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究方法，旨在探討影響團(tuán)聚體對(duì)干濕交替響應(yīng)的主導(dǎo)因素，及該領(lǐng)域已取得的主要進(jìn)展、存在的問(wèn)題以及今后的發(fā)展方向，為土壤團(tuán)聚體研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域管理提供參考。

1 團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制

團(tuán)聚體穩(wěn)定性是指在外力作用下，土壤維持其自身結(jié)構(gòu)的能力，其對(duì)土壤的水分滲透和侵蝕具有重要影響[27]。早在20世紀(jì)初，就有學(xué)者對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，多集中在影響因素、衡量指標(biāo)及方法學(xué)的研究上，鮮有深入探討團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制的研究。到20世紀(jì)中葉，盡管土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒及鐵鋁氧化物等膠結(jié)劑對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定作用得到了重視，但系統(tǒng)闡述團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制的研究仍然較為鮮見(jiàn)。直至80年代初，各類土壤膠結(jié)劑在土壤團(tuán)聚過(guò)程中的作用才得到系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。土壤膠結(jié)劑是促進(jìn)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的關(guān)鍵物質(zhì)，Tisdall和Oades[1]將其分為有機(jī)膠結(jié)劑和無(wú)機(jī)膠結(jié)劑。目前，受到國(guó)內(nèi)外認(rèn)可的團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制主要包括：①土壤有機(jī)質(zhì)、根系菌絲及其分泌物等有機(jī)膠結(jié)劑對(duì)團(tuán)聚體的粘結(jié)作用；②黏粒、多價(jià)金屬離子、氧化物等無(wú)機(jī)膠結(jié)劑與團(tuán)聚體顆粒間的相互作用力。

有機(jī)膠結(jié)劑分為臨時(shí)性膠結(jié)劑(temporary binding agents)、瞬時(shí)性膠結(jié)劑(transient binding agents)、持久性膠結(jié)劑(persistent binding agents)[1]，受微生物活動(dòng)及植物根系影響較大。臨時(shí)性膠結(jié)劑主要包括根系、菌絲和真菌，主要通過(guò)物理纏結(jié)作用促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定，尤其影響大團(tuán)聚體的水穩(wěn)性；瞬時(shí)性膠結(jié)劑包括微生物和植物產(chǎn)生的多糖，其可將黏粒大小的顆粒粘結(jié)成團(tuán)聚體，但易被微生物快速分解[1]；而持久性膠結(jié)劑則主要是由持久性的芳香腐殖質(zhì)組成，多為土壤黏粒、多價(jià)金屬及有機(jī)質(zhì)的混合物，非常穩(wěn)定，不易受快速濕潤(rùn)和人類活動(dòng)的影響，是保持微團(tuán)聚體水穩(wěn)性的重要膠結(jié)劑[1]。

無(wú)機(jī)膠結(jié)劑主要包括黏粒、多價(jià)金屬離子、鋁硅酸鹽、氧化物(如晶質(zhì)氧化鐵)等[1,28]，受成土母質(zhì)類型影響。其中，黏粒是重要的無(wú)機(jī)膠結(jié)劑，其膨脹、分散和絮凝均影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性，尤其對(duì)黏土的團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響明顯。團(tuán)聚體在水化作用下，部分黏粒會(huì)慢慢釋放，并聚集在團(tuán)聚體周圍，堵塞孔隙，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；但部分黏粒會(huì)發(fā)生絮凝，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成[29]。黏粒對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性既有促進(jìn)作用，也有抑制作用，這與土壤電解質(zhì)堿度、可交換性鈉含量等特征有關(guān)。而其他無(wú)機(jī)膠結(jié)物(如多價(jià)金屬離子、氧化物等)影響電解質(zhì)性質(zhì)，從而影響顆粒對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定作用。有研究表明，鐵、鋁倍半氧化物可作為絮凝劑，促進(jìn)黏粒絮凝，提高微團(tuán)聚體穩(wěn)定性[30]。

不同類型或性質(zhì)的土壤，各類膠結(jié)劑的含量不盡相同，其主導(dǎo)的穩(wěn)定機(jī)制往往差異較大。例如，對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較低的紅壤，無(wú)機(jī)膠結(jié)劑在團(tuán)聚體穩(wěn)定過(guò)程中起主導(dǎo)作用。閆峰陵[31]研究表明，紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖酸等有機(jī)膠結(jié)劑相關(guān)性較低，而與鐵鋁氧化物及黏粉粒等無(wú)機(jī)膠結(jié)劑含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；Zhang和Horn[32]對(duì)第四紀(jì)紅黏土進(jìn)行研究，結(jié)果再次表明土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體的粘結(jié)作用要小于由于土壤礦物膨脹或氣體產(chǎn)生的壓實(shí)作用。此外，Jozefaciuk和Czachor[33]利用從黃土(Loessial soil)中提取的4類添加物(有機(jī)質(zhì)、氧化鐵、硅膠、氧化鋁)人工合成團(tuán)聚體，研究發(fā)現(xiàn)除了氧化鋁，其他添加物均能增加大團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，但當(dāng)這3類添加物含量較低時(shí)降低粒徑為1 ~ 2 mm團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。盡管不同含量的膠結(jié)劑對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)大小存在差別，而對(duì)于自然土壤，不同膠結(jié)劑的共同作用可能導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性向不同方向變化。從上述作用機(jī)理來(lái)看，團(tuán)聚體膠結(jié)劑易受到外界環(huán)境因子的影響。其中，干濕交替對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定影響過(guò)程和機(jī)制一直以來(lái)是土壤團(tuán)聚體研究的重要內(nèi)容。

2 干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.1 干濕交替對(duì)團(tuán)聚體粒徑分布的影響

團(tuán)聚體形成受干濕交替作用的影響，且不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體在形成的不同階段，對(duì)干濕交替的響應(yīng)不盡一致。在微團(tuán)聚體形成初期，由于降雨等因素引起的干濕交替作用會(huì)影響?zhàn)ち?、粉粒、砂粒的懸浮和遷移[8]，以及對(duì)顆粒粘結(jié)起重要作用的多價(jià)陽(yáng)離子形態(tài)，如鐵離子[1]；在大團(tuán)聚體形成過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的土壤進(jìn)行快速的濕潤(rùn)或浸透，會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體崩解[34]，進(jìn)而影響大團(tuán)聚體穩(wěn)定性。干濕交替對(duì)不同粒徑的團(tuán)聚體影響程度也不同，受團(tuán)聚體中心離蒸發(fā)面距離和孔隙結(jié)構(gòu)的影響[35]。例如，粒徑小且多孔的團(tuán)聚體受到干濕交替作用后，更容易在短時(shí)間內(nèi)干燥和浸濕[35]。干濕交替主要通過(guò)改變團(tuán)聚體間或團(tuán)聚體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)[36]，使團(tuán)聚體收縮和膨脹，改變土壤團(tuán)聚體粒徑[37]，其影響機(jī)制如圖2所示。在干燥過(guò)程中，土壤水分蒸發(fā)，外界空氣進(jìn)入土壤孔隙，團(tuán)聚體孔隙間氣泡膨脹，團(tuán)聚體受到擠壓而收縮，其粒徑減??；在濕潤(rùn)過(guò)程中，水進(jìn)入土壤孔隙，團(tuán)聚體孔隙間氣泡受到擠壓，同時(shí)團(tuán)聚體產(chǎn)生一定的抗水化性，并由于吸水發(fā)生膨脹，團(tuán)聚體粒徑增大。

干濕交替主要通過(guò)自然降雨、灌溉、水位變化、人工模擬降雨試驗(yàn)等實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)干濕交替對(duì)團(tuán)聚體粒徑的影響尚未得出一致結(jié)論，但基本認(rèn)為干濕交替初期(1 ~ 4次)會(huì)降低團(tuán)聚體粒徑，但經(jīng)過(guò)多次干濕交替后，團(tuán)聚體粒徑分布趨向穩(wěn)定且團(tuán)聚作用下降(表1)。例如，Degens和Sparling[43]對(duì)西澳大利亞珀斯市(Perth，Western Australia)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)的灰化土(a lateritic podzol)進(jìn)行室內(nèi)干濕交替處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)最初2次干濕交替后，大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm、1 ~ 2 mm、0.25 ~ 0.5 mm)下降48% ~ 65%；經(jīng)過(guò)第3次干濕交替后，團(tuán)聚體快速恢復(fù)到最初的78% ~ 100%，經(jīng)過(guò)第4 ~ 6次干濕交替后，土壤團(tuán)聚作用下降。而Sarah和Rodeh[42]在自然降雨和模擬降雨條件下對(duì)石灰土團(tuán)聚體研究，發(fā)現(xiàn)灌木和無(wú)灌木地區(qū)微環(huán)境的團(tuán)聚體粒徑和穩(wěn)定性均隨降水量的增加而增大，且增加干濕交替次數(shù)可提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；在國(guó)內(nèi)，王彬[40]對(duì)哈爾濱市賓縣黑土進(jìn)行研究，結(jié)果表明干濕交替過(guò)程初期對(duì)大團(tuán)聚體破壞作用明顯，且干濕交替可促進(jìn)粒徑<0.2 mm的微團(tuán)聚體向粒徑為0.2 ~ 1 mm的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，此轉(zhuǎn)化過(guò)程存在閾值現(xiàn)象(3次)，一旦達(dá)到形成新生團(tuán)聚體的閾值后其團(tuán)聚作用隨之下降。

(“”代表膨脹，“”代表收縮，土壤為非變性土)

表1 干濕交替對(duì)團(tuán)聚體粒徑分布的影響

以上研究表明，盡管國(guó)內(nèi)外有關(guān)干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布的影響進(jìn)行了研究，但由于土壤理化性質(zhì)、干濕交替試驗(yàn)條件不一致性等原因，研究結(jié)果可比性欠缺，對(duì)減少土壤侵蝕、提高耕作效率等應(yīng)用性不強(qiáng)。今后研究需加強(qiáng)不同質(zhì)地土壤在相同干濕交替條件下的對(duì)比研究，需對(duì)干濕交替作用尤其是室內(nèi)試驗(yàn)操作規(guī)范化，并逐漸加強(qiáng)干濕交替與其他作用(如植物根系)對(duì)團(tuán)聚體粒徑分布的交互作用研究，從而加深干濕交替對(duì)團(tuán)聚體粒徑影響的認(rèn)識(shí)。

2.2 干濕交替對(duì)團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響

干濕交替主要通過(guò)影響團(tuán)聚體膨脹和收縮、膠結(jié)劑的穩(wěn)定性，改變團(tuán)聚體水穩(wěn)性。對(duì)團(tuán)聚體快速浸濕，可導(dǎo)致團(tuán)聚體形成微裂紋[21]，降低顆粒的粘結(jié)力，促進(jìn)水化，降低團(tuán)聚體水穩(wěn)性。對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行干燥，會(huì)促進(jìn)水中懸浮的礦物顆粒粘結(jié)，以及可溶性物質(zhì)(如二氧化硅、碳酸鹽和有機(jī)分子)聚集，同時(shí)膠結(jié)物質(zhì)和可溶性礦物質(zhì)在顆粒間接觸點(diǎn)周圍結(jié)合，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，增強(qiáng)土壤粘結(jié)力[8]。干濕交替還可通過(guò)影響微生物群落分布及活動(dòng)[11,44]，影響過(guò)渡性和暫時(shí)性膠結(jié)劑的合成和分解。例如，Zhu等[45]研究發(fā)現(xiàn)，劇烈的干濕交替作用(8次，每周期3 d，土壤含水量從25% 降到10% 左右)抑制向日葵根際微生物呼吸作用和砂壤土有機(jī)質(zhì)的分解與礦化。但在不同理化性質(zhì)的土壤中，微生物群落類型和分布特征差異較大，且干濕交替條件下微生物對(duì)膠結(jié)劑穩(wěn)定性的影響機(jī)制還不明確。

目前，團(tuán)聚體水穩(wěn)性研究多集中于對(duì)土壤有機(jī)碳和土地利用方式(包括耕作、施肥、植被恢復(fù)等)的響應(yīng)上，也有部分學(xué)者研究了凍融交替等自然環(huán)境因素，以及膠結(jié)劑(如根系分泌物)、土壤物理化學(xué)性質(zhì)(如含水率)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。盡管進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，有關(guān)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的報(bào)道明顯增加，但有關(guān)干濕交替對(duì)團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響研究較少。大量研究結(jié)果表明，干濕交替影響團(tuán)聚體水穩(wěn)性，但針對(duì)不同土壤類型，相關(guān)結(jié)果不盡一致(表2)?？傮w而言，干濕交替能促進(jìn)變性土的團(tuán)聚作用，利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成；而對(duì)紅壤、粉砂壤土等一般起抑制作用，且在作用初期(1 ~ 4次)，干濕交替對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞明顯。Utomo和Dexter[7]認(rèn)為干濕交替對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有顯著影響，且免耕土壤在干濕交替的作用下，水穩(wěn)性團(tuán)聚體持續(xù)減少；對(duì)于翻耕地，部分水穩(wěn)性團(tuán)聚體起初會(huì)逐漸增加到最大值，然后伴隨干濕交替過(guò)程不斷減少。Denef等[10]對(duì)粉砂壤土研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替使大團(tuán)聚體(>2 mm)數(shù)量從占總土壤質(zhì)量的30%減少到21%，且大團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)了2次干濕交替后具有了抗水化性。而Bravo-Garza等[46]認(rèn)為，對(duì)于變性土，干濕交替促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，增加大團(tuán)聚體的數(shù)量。雖然不同研究的干濕交替試驗(yàn)設(shè)計(jì)和供試土壤性質(zhì)有所區(qū)別，但是可以看出干濕交替影響團(tuán)聚體水穩(wěn)性，且作用程度與土壤類型、干濕交替頻率有關(guān)。因此，需對(duì)比不同土壤類型的團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)干濕交替響應(yīng)機(jī)制研究。同時(shí)，鑒于干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究多集中在單一的土壤系統(tǒng)中，今后需加強(qiáng)對(duì)干濕交替條件下土壤-植物復(fù)合系統(tǒng)中植物根系、群落結(jié)構(gòu)等對(duì)團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響研究。

表2 干濕交替對(duì)團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響研究

3 干濕交替下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要影響因素

3.1 土壤理化性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是參與土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育的重要物質(zhì)[50]，直接影響土壤的團(tuán)聚過(guò)程，以及土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)干濕交替的響應(yīng)[51-52]。一般認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)降低土壤的浸濕程度和增加團(tuán)聚體的粘聚度來(lái)提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。例如，微團(tuán)聚體可在新鮮有機(jī)質(zhì)的粘結(jié)作用下形成大團(tuán)聚體，其水穩(wěn)性與土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化緊密相關(guān)，且顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)對(duì)大團(tuán)聚體具有直接或間接的穩(wěn)定作用[53]。除此之外，土壤有機(jī)質(zhì)的減少不僅會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)性大團(tuán)聚體減少[54]，而且會(huì)使可分散性黏粒大量增加，從而導(dǎo)致有機(jī)膠結(jié)劑氧化，降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[52]。但也有學(xué)者指出土壤有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)陰離子，如黃腐酸根、檸檬酸根、草酸根等，會(huì)增加黏粒擴(kuò)散，降低微團(tuán)聚體穩(wěn)定性[30]。同時(shí)干濕交替可能會(huì)導(dǎo)致已有的團(tuán)聚體中有機(jī)物質(zhì)暴露分解，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，并在微生物參與下實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)和物質(zhì)循環(huán)[11]。近年來(lái)，有關(guān)顆粒有機(jī)質(zhì)(particulate organic matter，POM)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用研究逐漸受到關(guān)注。已有研究表明在干濕循環(huán)2次左右POM可促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[10]，且POM還是微團(tuán)聚體的重要組分，能免受微生物分解和干濕交替干擾。

影響土壤團(tuán)聚體對(duì)干濕交替響應(yīng)的理化性質(zhì)還包括土壤礦物組成及質(zhì)地、初始含水量、孔隙度等方面。不同礦物組成和質(zhì)地的土壤，其黏土礦物含量有所差別，且團(tuán)聚體間的孔隙連通性也不相同，故不同質(zhì)地的土壤抗干濕交替脅迫能力也不同，從而對(duì)團(tuán)聚體的粒徑大小及穩(wěn)定性的影響也有差異。例如，Gregory等[55]對(duì)英國(guó)貝德福德郡(Bedfordshire)的鈣質(zhì)土、棕砂土進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)黏土比砂壤土更易受到干濕交替的影響。初始含水量影響土壤團(tuán)聚體對(duì)干濕交替的響應(yīng)，大部分研究表明初始含水量影響土壤入滲速率及土壤的團(tuán)聚作用、水化力大小，并在一定程度上決定了團(tuán)聚體的破碎機(jī)制[56-58]。早在20世紀(jì)60年代，初始含水量對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響就已經(jīng)受到關(guān)注[59]，但有關(guān)其對(duì)不同類型土壤的作用還尚未得出一致結(jié)論。王彬[40]對(duì)黑龍江黑土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)初始含水量增加會(huì)降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性；但Zhou等[60]對(duì)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的石漠化土壤進(jìn)行研究，指出初始含水量的增加有利于團(tuán)聚體的穩(wěn)定。團(tuán)聚體自身的孔隙度是影響其響應(yīng)干濕交替的重要因素，尤其對(duì)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體，其高孔隙度保證了其滲水能力，減緩干濕交替的破壞作用。

近10年來(lái)，有關(guān)土壤理化性質(zhì)影響土壤團(tuán)聚體對(duì)干濕交替響應(yīng)的研究熱度明顯上升，主要集中在土壤有機(jī)質(zhì)、初始含水率等。就有機(jī)質(zhì)而言，盡管目前對(duì)POM的研究已逐漸深入到其在各類團(tuán)聚體中的周轉(zhuǎn)及POM中碳、氮賦存規(guī)律的研究，但POM在團(tuán)聚體形成過(guò)程中的作用機(jī)理和周轉(zhuǎn)，以及與影響POM作用的因素(如黏粒含量、干濕交替)之間的相互作用尚不明晰。鑒于目前有關(guān)初始含水量對(duì)不同地區(qū)、不同特征的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響研究的結(jié)果不一致性，今后還需加強(qiáng)土壤含水量對(duì)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的影響機(jī)制研究，以及不同性質(zhì)土壤間的對(duì)比性研究。另外，對(duì)于受到強(qiáng)烈人為擾動(dòng)的土壤，其理化性質(zhì)影響團(tuán)聚體對(duì)干濕交替響應(yīng)的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.2 植物根系

土壤團(tuán)聚體與植被根系密不可分，大團(tuán)聚體水穩(wěn)性極大地依賴于植被根系和菌絲[4]。植物根系分泌的瞬時(shí)性膠結(jié)劑(如多聚糖)，并由此衍生的持久性膠結(jié)劑(如芳香烴類腐殖質(zhì))都有利于團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[52]，增強(qiáng)團(tuán)聚體抗水化能力。根系分泌物除了可作為膠結(jié)劑外，還可為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而直接或間接影響土壤團(tuán)聚過(guò)程。Niu和Nan[61]研究表明，無(wú)芒隱子草的根系可提高砂壤土團(tuán)聚體的粘聚力和土壤抗水蝕能力；莞亞茹等[62]模擬根系分泌物，證實(shí)了低分子量根系分泌物中的葡萄糖組分可促進(jìn)黑土中微團(tuán)聚體的形成，且谷氨酸和蘋果酸有利于微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體。植物根系還可增加土壤團(tuán)聚體內(nèi)部的團(tuán)聚度與孔隙數(shù)量，提高土壤滲水能力，降低干濕交替的影響。例如由政等[63]對(duì)黃土高原退耕地不同演替階段的茵陳蒿(前期)、鐵桿蒿(中期)、白羊草(后期)的根系與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)植物根系的長(zhǎng)度、直徑的增加可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，且表層0.5 ~ 2 mm的根系特征(根長(zhǎng)、表面積、生物量)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性極顯著相關(guān)；Qu等[64]對(duì)中國(guó)岷江上游干旱河谷地區(qū)的石灰性始成土進(jìn)行研究，指出在生態(tài)系統(tǒng)演替初期，先鋒植物(如細(xì)裂葉蓮蒿)的根系生長(zhǎng)有利于形成健康的土壤團(tuán)聚體，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并促進(jìn)退化生態(tài)系統(tǒng)的后續(xù)演替。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物根系對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響主要集中在對(duì)作物(如大豆、小麥、玉米)和草本(如白三葉、苜蓿、冰草)研究上，其次是灌木(如檸條、沙棘)和喬木(如刺槐)。植物根系對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的不同演替階段土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定具有重要作用，然而干濕交替條件下，不同演替階段植物及其根系的適生特征對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制尚不明晰，有待進(jìn)一步研究。

3.3 土壤動(dòng)物

一般而言，含較多團(tuán)聚體的土壤中有大量中型動(dòng)物區(qū)系(Mesofauna)和大型動(dòng)物區(qū)系(Macrofauna)的種群[52]。細(xì)菌和真菌在微尺度上(μm ~ cm)團(tuán)聚和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，而蚯蚓和白蟻在小尺度(mm ~ m)上影響團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤穩(wěn)定性[52]。對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布影響較大的土壤動(dòng)物主要包括蚯蚓和白蟻[28]。蚯蚓主要通過(guò)挖掘洞穴和生成排泄物影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[52]，但并非所有的蚯蚓都對(duì)團(tuán)聚體有重要的影響。根據(jù)蚯蚓的取食和排泄習(xí)性可以將其分為表?xiàng)?、深土棲類、?nèi)棲類[52]，其中深土棲類和內(nèi)棲類主要通過(guò)內(nèi)臟消化土壤或落葉等后形成的排泄物影響土壤團(tuán)聚體形成[52, 65]。蚯蚓可以調(diào)節(jié)大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的形成，并通過(guò)其血管束的粘合作用和腸道的消化作用以及排泄物的固定作用增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28]，且蚯蚓糞影響著大團(tuán)聚體的抗水化性[52]。盡管目前白蟻對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響機(jī)制還不明確，但是有部分研究表明有些白蟻物種可以影響土壤的微團(tuán)聚體。例如，Six等[28]認(rèn)為只有富含有機(jī)質(zhì)和可交換陽(yáng)離子的白蟻物種才可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性；Jungerius等[66]對(duì)肯尼亞埃爾多雷特(Eldoret)南部地區(qū)的食土白蟻研究，發(fā)現(xiàn)該白蟻通過(guò)取食土壤物質(zhì)，將其在腸道系統(tǒng)內(nèi)消化，并儲(chǔ)存在糞球內(nèi)排出，促進(jìn)微團(tuán)聚體的形成。

目前，有關(guān)土壤動(dòng)物影響團(tuán)聚體的研究多集中在蚯蚓上，其他動(dòng)物種類相對(duì)較少。盡管蚯蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體有著不可忽視的影響，但研究不同地區(qū)獨(dú)特土著動(dòng)物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也有重要意義，這對(duì)改善區(qū)域植物生長(zhǎng)環(huán)境和土壤穩(wěn)定性有不可忽視的作用。從系統(tǒng)的完整性考慮，土壤動(dòng)物與其他環(huán)境因素(如根系)的相互作用也是今后需要研究的科學(xué)問(wèn)題。此外，土壤動(dòng)物對(duì)干濕環(huán)境的適應(yīng)活動(dòng)，影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但干濕交替這種對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的間接影響機(jī)制還不清楚。

3.4 微生物群落

微生物群落主要通過(guò)影響土壤顆粒粘結(jié)以及分解或合成有效膠結(jié)劑直接影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[67]。Cosentino等[68]研究表明真菌對(duì)土壤的物理纏結(jié)、胞外多糖和疏水物質(zhì)的形成具有重要作用，其生物量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間有較好的相關(guān)性。微生物生物量大小和群落組成的差異影響土壤團(tuán)聚體對(duì)干濕交替的響應(yīng)。例如Denef等[69]對(duì)美國(guó)科羅拉多州的粉砂壤土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行殺真菌劑處理后的土壤中沒(méi)有形成大團(tuán)聚體，這表明真菌在水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成過(guò)程中起著重要作用。另外，多數(shù)情況下干濕交替對(duì)微生物群落的影響受土地利用方式的限制。Fierer等[70]對(duì)美國(guó)加利福利亞大學(xué)塞奇威克自然保護(hù)區(qū)土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)干濕交替影響橡樹(shù)土壤的細(xì)菌群落組成，而對(duì)草地影響較??；Gordon等[71]對(duì)英國(guó)蘭開(kāi)夏郡牧場(chǎng)的棕壤土研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替極大地降低了微生物生物量碳、真菌磷脂脂肪酸以及真菌細(xì)菌的磷脂脂肪酸比值。除此之外，干濕交替對(duì)細(xì)菌和真菌的影響也有所差別。例如，Butterly等[72]對(duì)添加了葡萄糖、淀粉、纖維素的深色淋溶土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)干濕交替降低了真菌的含量，而細(xì)菌革蘭氏陽(yáng)性菌有所增加。

近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)微生物影響團(tuán)聚體對(duì)干濕交替的響應(yīng)研究多集中在團(tuán)聚體養(yǎng)分遷移與轉(zhuǎn)化的機(jī)制上，多數(shù)研究認(rèn)為在干濕交替條件下，微生物通過(guò)呼吸作用及其對(duì)土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分的礦化作用來(lái)影響碳、氮等營(yíng)養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化；國(guó)外除了上述研究方向外，還側(cè)重于干濕交替條件下團(tuán)聚體與微生物之間的相互作用，如團(tuán)聚體對(duì)微生物的保護(hù)機(jī)制研究、微生物對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響等。為此，今后需開(kāi)展干濕交替下不同土壤類型團(tuán)聚體的響應(yīng)機(jī)制研究，尤其是微生物學(xué)機(jī)制，以及微生物與其他因素(如根系)對(duì)團(tuán)聚體的交互作用研究。

3.5 土地利用管理措施

土地利用與田間管理方式(如地表覆蓋、耕作制度)影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水率，及土壤中有機(jī)質(zhì)的分布，從而間接影響土壤團(tuán)聚體對(duì)干濕交替的響應(yīng)。有研究表明，團(tuán)聚體粒徑分布及穩(wěn)定性變化的66.6%是由土地利用類型變化引起[73]。目前，不同的耕作制度(包括少耕、傳統(tǒng)耕作和免耕)對(duì)團(tuán)聚體的影響是研究熱點(diǎn)[74-76]。研究表明不同的耕作制度對(duì)團(tuán)聚體的影響有所差別，免耕更有利于團(tuán)聚體穩(wěn)定。例如，álvaro-Fuentes等[77]對(duì)西班牙薩拉戈薩省旱地農(nóng)田研究，比較了傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕對(duì)土壤團(tuán)聚作用的影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善作用依次增強(qiáng)，且耕作強(qiáng)度的降低有利于增強(qiáng)團(tuán)聚體水穩(wěn)性；Hontoria等[78]對(duì)西班牙卡尼亞梅羅紅壤地區(qū)的表層砂壤土研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕土壤在6 a后其表層土壤(<100 mm)的大團(tuán)聚體含量增加了40%，在退化的紅壤地區(qū)，免耕比傳統(tǒng)耕作更有利于形成和穩(wěn)定大團(tuán)聚體。除此之外，施用秸稈等有機(jī)物，可顯著增加經(jīng)過(guò)濕篩后的土壤團(tuán)聚體幾何平均直徑和MWD，調(diào)節(jié)土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)[79]。

4 研究方法

從20世紀(jì)30年代以來(lái)，學(xué)者就展開(kāi)了對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究方法的探索，有關(guān)團(tuán)聚體粒徑分析及團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究方法如表3所示。

濕篩法、水滴法及降雨模擬法主要通過(guò)衡量團(tuán)聚體抗水化和抗機(jī)械破碎能力來(lái)衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性。其中，濕篩法簡(jiǎn)單易行，但耗時(shí)耗力；水滴法評(píng)價(jià)精確度有待提高；模擬降雨法更適于田間試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，Le Bissonnais[82]在上述研究方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)了導(dǎo)致團(tuán)聚體崩解的水化、膨脹、雨滴破碎及物理化學(xué)分散四大機(jī)制，并提出了統(tǒng)一的評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的框架和實(shí)驗(yàn)操作步驟。盡管Le Bissonnais法可用于比較不同土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜。值得注意的是，上述方法均對(duì)土壤結(jié)構(gòu)具有破壞性。直至20世紀(jì)末，CT的研發(fā)與應(yīng)用使土壤結(jié)構(gòu)可視化成為可能。相比傳統(tǒng)研究方法，CT對(duì)土壤結(jié)構(gòu)不具有破壞性，并能在微尺度水平觀察土壤結(jié)構(gòu)的3D形態(tài)特征及液相在土壤結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)。21世紀(jì)以來(lái)，同步加速器、顯微CT技術(shù)的出現(xiàn)，以及算法精確度的提高促進(jìn)了CT在土壤科學(xué)上的應(yīng)用[90]。目前國(guó)內(nèi)外CT在土壤科學(xué)上的應(yīng)用主要包括土壤孔隙和有機(jī)質(zhì)分布、礦物顆粒的空間排列、團(tuán)聚體粒徑分析，同時(shí)也運(yùn)用于土壤液相分布及氣體釋放特征研究。相比于國(guó)外，CT技術(shù)在我國(guó)的土壤結(jié)構(gòu)定量化研究中的應(yīng)用仍處于起步階段。目前國(guó)內(nèi)CT技術(shù)主要應(yīng)用于較大尺度(mm ~ m)的研究，如土壤砂石含量[91]、大孔隙(>5 mm)[92]。盡管近年來(lái)部分學(xué)者利用CT技術(shù)在團(tuán)聚體尺度開(kāi)展了一些研究，如周虎等[93]應(yīng)用同步輻射顯微CT對(duì)第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)的水稻土中團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，但是在團(tuán)聚體和微孔隙尺度上開(kāi)展的研究較少。

總體而言，土壤團(tuán)聚體粒徑分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)經(jīng)歷從定性描述到定量分析，從人工實(shí)驗(yàn)操作到與電腦數(shù)字化相結(jié)合的發(fā)展過(guò)程。研究方法的改進(jìn)降低了人為因素對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞作用，并逐步實(shí)現(xiàn)了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)分析的可視化，提高了分析結(jié)果的精確度和可靠性。目前研究多結(jié)合Yoder濕篩法及CT技術(shù)對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。CT技術(shù)以其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)不具破壞作用而受到廣泛關(guān)注，但其圖像精確度的提高有賴于算法的改進(jìn)。且有研究表明，X射線影響團(tuán)聚體中微生物的數(shù)量及代謝活性[94]，這在一定程度上限制了CT技術(shù)在團(tuán)聚體中微生物的分布特征及演變研究上的應(yīng)用。今后需加強(qiáng)CT技術(shù)圖像處理的算法研究，提高圖像精確度，同時(shí)加強(qiáng)低危害性輻射源的開(kāi)發(fā)，減少其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)中生物的影響，從而促進(jìn)CT技術(shù)在多尺度土壤結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用。除此之外，針對(duì)不同類型及處于不同環(huán)境條件下(如干濕交替、凍融交替等)的土壤，標(biāo)準(zhǔn)的采樣方法和土樣前處理采樣步驟亟待建立，以提高研究結(jié)果的可比性。

表3 評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要研究方法

5 研究展望

干濕交替在自然界中普遍存在，其對(duì)土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定具有重要作用，相關(guān)研究越來(lái)越受到重視。干濕交替影響膠結(jié)劑的合成和分解，并在各類因素的直接或間接作用下，共同影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有多重影響機(jī)制，但目前針對(duì)干濕交替影響團(tuán)聚體的研究多集中在單一土壤系統(tǒng)中，鮮有從復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的角度探究團(tuán)聚體的形成過(guò)程和機(jī)理，且厘清干濕交替下各類因素對(duì)團(tuán)聚體的作用過(guò)程和機(jī)理是亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，研究技術(shù)的進(jìn)步，如無(wú)損探測(cè)，包括CT和同步輻射光源等，為今后團(tuán)聚體形成及其作用機(jī)制的研究提供了新的手段，且有關(guān)團(tuán)聚體粒徑分布狀況及其周轉(zhuǎn)的研究可以進(jìn)一步拓展。鑒于團(tuán)聚體對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要性，今后需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究。

1)敏感脆弱區(qū)干濕環(huán)境變化下土壤團(tuán)聚體形成和演變機(jī)制。環(huán)境因素和人為活動(dòng)影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。有關(guān)小尺度區(qū)域的環(huán)境因子對(duì)團(tuán)聚體的影響研究已逐漸趨于成熟，但大尺度、高頻度的人為干擾或環(huán)境變化對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響研究還比較少見(jiàn)。敏感脆弱區(qū)通常對(duì)高頻度的環(huán)境變化響應(yīng)敏感，但在此條件下土壤團(tuán)聚體形成和演變機(jī)制尚不清晰。水陸交錯(cuò)帶是最常見(jiàn)的受干濕交替影響較大的區(qū)域，如三峽水庫(kù)消落帶，自2010年正式蓄水后，在水位漲落幅度達(dá)30 m的庫(kù)區(qū)岸邊帶，形成了面積為348.9 km2的消落帶，其水位變化受季節(jié)和人為控制的影響很大，涉及范圍廣，規(guī)律性強(qiáng)。消落帶為新生生態(tài)系統(tǒng)，土壤穩(wěn)定性對(duì)于新生系統(tǒng)的演替具有決定性影響，研究此類地區(qū)干濕交替條件下土壤團(tuán)聚體形成和演變機(jī)制對(duì)于敏感脆弱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。鑒于此，本文提出以下亟需開(kāi)展的研究方向：①在與干濕交替相關(guān)的強(qiáng)干擾的人為因素(如修建水庫(kù))或高頻次的環(huán)境變化(如潮漲潮落)作用下，此類地區(qū)(如水陸交錯(cuò)帶)土壤團(tuán)聚體形成的主要機(jī)制及團(tuán)聚體粒徑、穩(wěn)定性等的演變規(guī)律；②干濕交替作用強(qiáng)烈地區(qū)(如消落帶)且處于演替初期的新生生態(tài)系統(tǒng)中土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定機(jī)制及影響因素；③在干濕交替作用下，土壤微生物群落分布、動(dòng)物遷移對(duì)脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其養(yǎng)分循環(huán)的影響。

2)干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體中污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。干濕交替對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響，如氧化還原電位、pH、含水量。但化學(xué)污染物包括重金屬及各類新型污染物，在土壤團(tuán)聚體中各粒徑的分布規(guī)律及在干濕交替條件下其形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律尚不明確。目前，我國(guó)土壤污染形勢(shì)不容樂(lè)觀，各類新型污染物層出不窮。例如，鹵代咔唑(PHCs)是多集中在河流湖泊沉積物及土壤中的新型有機(jī)污染物，目前其來(lái)源、分布及生態(tài)毒理效應(yīng)尚不清楚[95]。探究污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，研究有效的土壤修復(fù)方法刻不容緩。探索干濕交替條件下污染物在土壤團(tuán)聚體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，有利于修復(fù)處于環(huán)境變化條件下受污染的土壤生態(tài)系統(tǒng)，改善土壤環(huán)境質(zhì)量。

3)斷層掃描技術(shù)在團(tuán)聚體研究中的應(yīng)用。目前，斷層掃描技術(shù)的輻射源主要包括X射線、γ射線、光子、中子、正電子，其中X射線、γ射線是最常見(jiàn)的輻射源。由于X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不具有破壞性，并能在微觀尺度水平觀察土壤結(jié)構(gòu)，這使CT技術(shù)在團(tuán)聚體微生物功能及分布特征研究中的應(yīng)用成為可能。但由于輻射源的放射性，限制了斷層掃描技術(shù)在團(tuán)聚體中微生物研究中的應(yīng)用。今后需加強(qiáng)斷層掃描技術(shù)優(yōu)化研究，減少輻射源對(duì)微生物及土壤動(dòng)物的影響；加強(qiáng)圖像算法的研究，提高圖像分辨率，促進(jìn)斷層掃描技術(shù)在團(tuán)聚體研究中的應(yīng)用。

4)植物群落與土壤團(tuán)聚體間交互作用特征與機(jī)理。地下結(jié)構(gòu)功能是近幾年的相關(guān)研究熱點(diǎn)之一，其中植物根系對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能的影響越來(lái)越受到關(guān)注。在生態(tài)系統(tǒng)的不同演替階段，土壤有著不同的特性和功能，并受到環(huán)境變化的影響。土壤團(tuán)聚體的形成對(duì)脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有重要作用，尤其在植物群落演替早期，環(huán)境條件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，大量土壤有機(jī)質(zhì)積累和植物根系生長(zhǎng)有利于團(tuán)聚體的穩(wěn)定和植物群落形成[96]。最近研究表明，在多樣化的植物群落中，一些特定植物功能物種會(huì)影響土壤的物理過(guò)程[97]。盡管植物根系是植物多樣性影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑，但目前生物多樣性與地下生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究還較少。除此之外，團(tuán)聚體孔隙大小、粒徑分布、穩(wěn)定性等性質(zhì)影響植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收及根系分布，從而間接影響植被初級(jí)生產(chǎn)力。但目前針對(duì)在生態(tài)系統(tǒng)不同演替階段、不同環(huán)境條件下(如干濕交替)的土壤團(tuán)聚體物理化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律和特征及其與植物群落之間的交互作用并不明晰。因此，需進(jìn)一步探索不同演替階段土壤團(tuán)聚體和植物群落的交互作用變化特征，及相互作用機(jī)制，這有利于完善環(huán)境變化下對(duì)土壤團(tuán)聚體和植物群落功能形成的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)。另外，在全球環(huán)境變化的背景下，干濕交替過(guò)程中單一系統(tǒng)的土壤團(tuán)聚體演變研究應(yīng)該加強(qiáng)與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程、功能及其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)合，形成跨尺度和跨系統(tǒng)的綜合交叉研究方向。

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Soil Aggregates as Affected by Wetting-Drying Cycle: A Review

LIU Yan1,2, MA Maohua1, WU Shengjun1, RAN Yiguo1,2, WANG Xiaoxiao1,2, HUANG Ping1*

(1 Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Aggregates, as the basic unit of soil structure, play a fundamental role in ecosystem function such as soil stability and fertility. Wetting-drying cycle is the most common environmental factor affecting the properties of soil aggregates, particularly soil aggregate stability. This paper reviewed the research advances in soil aggregates affected by wetting-drying cycle over the past 70 years, and summarized the characteristics of soil aggregate size distribution, dynamics of water stability, influential factors and their function mechanisms. In addition, this review compared the different methods in measuring soil aggregate stability in the last 80 years. Although different soil types were investigated by studies focusing on soil aggregates affected by wetting-drying cycle, most of the studies were conducted focusing on soil system individually and few on influential mechanisms across ecosystems. In addition, because of the difference between study methods, the obtained results are diverse and lacking of comparability. This review also proposed several perspectives in future studies: 1) dynamics of soil aggregate distribution and formation affected by wetting-drying cycle in fragile ecological zones; 2) the influences of wetting-drying cycle on migration and transformation of heavy metals and toxic chemicals during the turnover of soil aggregates; 3) the application of computed tomography (CT) in studying soil aggregates; 4) the interaction between plant community and soil aggregates.

Soil aggregate; Soil structural stability; Wetting-drying cycle; Ecosystem functions; Computed tomography(CT)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401243，41771266，41701247)，重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(cstc2017 shms-zdyfX0074)，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2017391)，重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014yykfC20002)和土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(Y412201401)資助。

(huangping@cigit.ac.cn)

劉艷(1992—)，女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事土壤團(tuán)聚體和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究。E-mail: liuyan1115@mails.ucas.edu.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.001

S152.4

A