趙恒策, 魏 霞, 賀 燕, 于文竹, 王 濤

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

凍融是指日、年和多年發(fā)生在高海拔、中高緯度或溫帶地區(qū)的氣候變化現(xiàn)象，可導致特定氣候區(qū)域地球表層一定范圍內的環(huán)境介質凍結和融化[1]。隨全球氣候變暖，凍融對人類生存與發(fā)展的影響已逐漸凸顯并引起人們廣泛關注[2]。在我國75%以上的國土面積都會發(fā)生凍融，凍融現(xiàn)象已是北方地區(qū)重要的氣候特征[3]。

土壤團聚體作為重要土壤物理參數(shù)之一[4]，是土壤養(yǎng)分的儲存庫[5]，是衡量土壤健康程度與土壤質量的重要指標[6]。土壤團聚體對完善土壤功能、改善土壤的理化環(huán)境也具有重要作用[7-8]。團聚體作為土壤結構的基本單元，易受到人類活動和自然因素的影響[9]。在天然狀態(tài)下，交替凍融會對土壤產(chǎn)生不穩(wěn)定效應，影響土壤團聚體結構穩(wěn)定性，進而改變土壤團粒結構的顆粒組成[10]。土壤結構的穩(wěn)定性是根據(jù)土壤抵御外界破碎營力的大小而定，包括土壤機械穩(wěn)定性和土壤團聚體的水穩(wěn)定性[11]。土壤團聚體水穩(wěn)定性在一定程度上影響著土壤抗侵蝕能力，通過提高土壤團聚體的水穩(wěn)性和團聚體的數(shù)量、質量可以增加土壤抗侵蝕能力[12]。因此，土壤團聚體是土壤可蝕性評價的重要因子之一[13]。土壤可蝕性是土壤性質的一個重要方面；是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的性能；是土壤對侵蝕營力分離和搬運作用的敏感性[14]；是影響土壤侵蝕量的內在因素；是定量研究土壤侵蝕的基礎[15]。因此，土壤可蝕性研究是土壤侵蝕研究中的一個重要的內容[16]。目前，國內外學者針對不同植被類型、不同土地利用方式下土壤團聚體的穩(wěn)定性特征、差異方面以及土壤可蝕性進行了大量的研究[17-20]，但有關天然狀態(tài)下凍融作用對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑和土壤可蝕性的研究開展較少。

本研究以天然狀態(tài)下冬季凍融與秋季未凍融土壤互為對照，探討凍融作用對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響，分析了各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量分布、0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量WSA、團聚體平均質量直徑MWD、幾何平均直徑GMD和分形維數(shù)D以及土壤可蝕性K值變化趨勢。旨在分析天然狀態(tài)下交替凍融對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑以及土壤可蝕性的影響，以期為凍融條件下的土壤侵蝕預報提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于河北省深州市大馮營鄉(xiāng)(115°45′14″E，38°1′43″N)，地處河北平原東南部，氣候屬溫帶大陸性季風氣候，光照充足，雨熱同期。年平均溫度在13.4 ℃左右，年平均降雨量約為481.7 mm，無霜期195 d，年均蒸發(fā)量1 242 mm。深州市屬于淺層季節(jié)凍土區(qū)，凍融期發(fā)生日凍融循環(huán)，土壤在12月中旬開始，3月中旬結束，凍融循環(huán)歷時90多天。深州市北部的土壤，主要由滹沱河沖積物形成，多為砂壤土。

1.2 樣品采集與分析

于2017年1月23日至2月16日冬季土壤凍融期間和10月6日秋季未凍融期間進行土樣采集，具體取樣時間為1月23日，1月26日，1月29日，2月1日，2月4日，2月7日，2月10日，2月13日，2月16日和10月6日。其中，1月23日—2月16日為凍融試驗組，于上午9：00—11：00進行取樣，室外溫度0～8 ℃，夜間溫度范圍-8～-2℃。10月6日為對照組，于上午9：00—10：00進行取樣，室外溫度約為19 ℃，夜間溫度約為12℃。采樣點土地利用類型為耕地，種植作物玉米已在秋季收獲，土壤表層無秸稈覆蓋，采樣期間無積雪覆蓋。在同一坡度、坡向的地段上設置代表性土壤剖面，其剖面分為2個深度(0—10，10—20 cm)，每個深度取2個重復。

土壤含水量采用烘干法測定，土壤水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定。濕篩法使用團聚體分析儀，其測定流程：先稱取過6 mm篩孔的風干土樣25 g，將土樣平鋪于土壤團聚體分析儀的套篩中(孔徑依次為4，2，1，0.25，0.038 mm)，用水浸沒10 min，之后以30 次/min頻率上下震動10 min。篩分結束后，烘干稱重記為Wx。將各級篩中土樣洗入到5 mol/L六偏磷酸鈉溶液鋁盒中，放入恒溫搖床振蕩12 h，再把土樣置于相同孔徑篩子過濾、烘干并稱重，記為Wy。

各個粒徑團聚體重量Wz由公式(1) 獲得：

Wz=Wx-Wy

(1)

Wi為i粒徑團聚體重量所占的比例，由公式(2) 獲得：

(2)

水穩(wěn)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(shù)D、土壤可蝕性K值，指標的具體計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

分形維數(shù)D的計算采用楊培嶺[21]推導的公式：

(6)

對式中：兩邊取對數(shù)，可得：

(7)

Shiriza M.A.and Boerama L[22]建議土壤無充分資料的情況下，采用公式(8) 計算土壤可蝕性K值，公式如下：

K=7.954×{0.0017+0.0494×

(8)

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理；采用IBM SPSS Statistics 19對土壤含水量和團聚體性質進行相關性分析，利用Pearson相關系數(shù)評價各指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 凍融期間0-20 cm深度土壤各粒徑團粒變化

凍融期間，土壤各粒徑團聚體含量均發(fā)生改變(圖1)。0—10 cm深度土壤，6～4 mm粒徑團聚體含量范圍為0.00%～1.75%，平均值為0.29%；4～2 mm粒徑團聚體含量范圍為1.68%～7.77%，平均值為3.70%；2～1 mm粒徑團聚體含量范圍為2.05%～4.91%，平均值為3.55%；1～0.25 mm粒徑團聚體含量范圍為4.68%～18.12%，平均值為11.52%；0.25～0.038 mm粒徑團聚體含量范圍為3.15%～7.01%，平均值為5.90%(圖1A)?？梢钥闯?，凍融期間0—10 cm深度土壤團聚體多集中在2～0.038 mm粒徑之間，6～4 mm粒徑團聚體所占整體比例相對較少。10—20 cm深度土壤中，6～4 mm粒徑團聚體含量范圍為0.00%～0.25%，平均值為0.05%；4～2 mm粒徑團聚體含量范圍為0.44%～2.21%，平均值為1.20%；2～1 mm粒徑團聚體含量范圍為0.32%～3.56%，平均值為1.50%；1～0.25 mm粒徑團聚體含量范圍為3.12%～11.93%，平均值為7.42%；0.25～0.038 mm粒徑團聚體含量范圍為4.16%～8.63%，平均值為6.48%(圖1B)?？梢缘贸觯?0—20 cm深度土壤各粒級團聚體含量相對較少，其中6～2 mm粒徑團聚體含量極少，<1 mm粒徑團聚體所占比例相對較多，這主要是因為凍融對土壤團聚體產(chǎn)生破解作用，造成土壤大團粒結構分布較少，而小粒級團粒含量分布較多。

圖1 0-20 cm土層深度土壤各粒徑團聚體以及含水量分布

2.2 土壤含水量與團粒之間關系

通過對土壤各粒級團聚體含量與含水量之間相關分析(表1)，其結果表明：0—10 cm深度土壤含水量與總團聚體含量無顯著性相關，與各粒徑團聚體含量無顯著性相關。10—20 cm深度土壤含水量與總團聚體含量呈顯著負相關(R=-0.67)，與4～2 mm粒徑團聚體含量呈極顯著相關(R=-0.90)，與0.25～0.038 mm粒徑團聚體呈顯著負相關(R=-0.74)。由圖1A和表1可以得出，10—20 cm深度土壤中隨水分的增加，其團聚體含量逐漸減小。說明土壤水分是影響團聚體含量的因素之一。凍融作用通過影響水分的相態(tài)變化進而影響土壤團聚體的含量，其表現(xiàn)為含水量越高，凍融作用越明顯，水分相變越劇烈，其團聚體含量越低。相較于未凍融土壤，10—20 cm深度土壤團聚體含量明顯低于未凍融團聚體含量，這主要是因為在凍融作用的影響下，土壤中水分相態(tài)變化劇烈，造成團聚體結構崩解破碎，說明冬季凍融對土壤團聚體產(chǎn)生破解作用，使得團聚體破碎分離為細小顆粒，從而降低了土壤中團聚體的含量。

2.3 土壤各粒徑團聚體含量與WSA，MWD，GMD變化

0—10 cm深度土壤0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量WSA與4～2 mm粒徑團聚體呈極顯著正相關(p<0.01)，隨4～2 mm粒徑團聚體含量的增加WSA呈增加趨勢(圖2A)。表明在0—10 cm深度，土壤大團聚體主要集中在4～2 mm粒徑之間，并對WSA起主導作用；土壤平均質量直徑MWD、幾何平均直徑GMD隨4～2 mm，2～1 mm粒徑團聚體含量的增加呈增長趨勢，且呈顯著正相關(圖2B，C)；MWD和GMD隨0.25～0.038 mm粒徑團聚體含量的增加呈降低趨勢，二者呈極顯著負相關(p<0.01)(圖2D)。通過對0—10 cm深度土壤中平均質量直徑MWD和幾何平均直徑GMD分析，土壤大團粒結構中4～1 mm團聚體含量占主導因素，小團粒結構中0.25～0.038 mm粒徑團聚體占主要因素。

表1 0-20 cm深度各粒徑團聚體含量相關系數(shù)矩陣

注：A組數(shù)據(jù)表示0—10 cm，B組數(shù)據(jù)表示10—20 cm；**在0.01水平(雙側)上顯著相關；*在0.05水平(雙側)上顯著相關。

圖2 0-10 cm深度土壤各粒徑團聚體含量與WSA，MWD，GMD的關系

10—20 cm深度土壤WSA與1～0.25 mm粒徑團聚體呈極顯著正相關(p<0.01)(圖3A)。隨1～0.25 mm粒徑團聚體的增加WSA呈增長趨勢，說明1～0.25 mm粒徑團聚體含量對WSA含量起主導因素，雖然6～4 mm粒徑大團聚體含量與WSA也呈顯著正相關，但整體所占比例較少，其影響也相對較小。相比圖2A，0—10 cm深度土壤4～2 mm粒徑團聚體含量對WSA起主導因素，可以看出0—10 cm深度土壤大、中團聚體比例居多，10—20 cm深度土壤小團聚體比例居多，在一定程度上也可以說明凍融使土壤團聚體結構比例失調，造成大團聚體結構呈逐漸細化的狀態(tài)。MWD與4～2 mm粒徑團聚體呈極顯著正相關(p<0.01)(圖3B)。隨4～2 mm粒徑團聚體含量增加MWD呈現(xiàn)增加趨勢，說明4～2 mm粒徑團聚體含量對MWD含量占主導因素。MWD，GMD與2～1 mm粒徑團聚體呈顯著正相關(p<0.05)(圖3C)。隨2～1 mm粒徑團聚體含量增加MWD與GMD均呈增加趨勢。GMD與1～0.25 mm粒徑團聚體呈顯著正相關(p<0.05)(圖3D)。隨1～0.25 mm粒徑團聚體含量的增加GMD含量呈增加趨勢。通過對10—20 cm深度土壤平均質量直徑MWD和幾何平均直徑GMD分析，可以發(fā)現(xiàn)土壤團粒結構中，2～1 mm團聚體含量占主導因素。

2.4 土壤分形維數(shù)D與可蝕性K值的變化

土壤分形維數(shù)是反映土壤結構幾何形狀的參數(shù)，可以反映土壤的質地、均一程度、物理性狀以及肥力特性，并揭示其變化規(guī)律性[23]。土壤中團粒結構粒徑分布的分形維數(shù)反映大團聚體含量對土壤結構與穩(wěn)定性的影響趨勢，即土壤質地越細，分形維數(shù)越高，土壤穩(wěn)定性越差[24]。在表2中，0—10 cm深度土壤分形維數(shù)D與4～2 mm粒徑團聚體呈極顯著負相關(p<0.01)，與2～1，0.25～0.038 mm粒徑團聚體顯著相關(p<0.05)與其他粒徑團粒含量無顯著相關性；10—20 cm深度土壤分形維數(shù)D與1～0.25 mm粒徑團聚體呈極顯著負相關(p<0.01)，與6～4，2～1 mm粒徑團聚體相關呈顯著負相關(p<0.05)。綜上所述，0—10，10—20 cm深度土壤分形維數(shù)D與1～2 mm粒徑團聚體含量均呈顯著負相關，即2～1 mm粒徑團聚體含量越多，土壤團聚體分形維數(shù)越小，其土壤穩(wěn)定性越好，即2～1 mm粒徑團聚體含量對分形維數(shù)D起主導因素，說明2～1 mm粒徑團聚體含量對0—20 cm深度土壤起穩(wěn)定作用。

圖3 10-20 cm深度土壤各粒徑團聚體含量與WSA，MWD，GMD的關系

表2 0-20 cm深度土壤團粒分形維數(shù)D與各粒徑團聚體含量Wi間線性關系

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關；*在0.05水平(雙側)上顯著相關。

土壤可蝕性K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個相對綜合指標，K值越大，土壤抗侵蝕能力越弱。相反，K值越小，土壤抗侵蝕能力越強[19]。土壤各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量與可蝕性K值相關分析(表1)，0—10，10—20 cm深度土壤中4～2，2～1 mm粒徑團聚體含量與可蝕性K值均呈顯著負相關(p<0.05)。隨4～1 mm粒徑團聚體含量的增加，土壤可蝕性K值逐漸減小，其土壤抗蝕性能力越強，說明土壤4～1 mm粒徑團聚體含量是影響土壤可蝕性因素之一。凍融作用對不同深度的土壤影響，10—20 cm深度土壤可蝕性K值明顯高于0—10 cm深度土壤(圖4)。其原因是凍融作用的影響，10—20 cm深度土壤抗侵蝕能力較弱，而0—10 cm深度土壤抗侵蝕能力較強，說明沿縱深方向，土壤的抗侵蝕能力逐漸降低。在天然凍融情況下土壤可蝕性K值分兩個階段，在1月中，可蝕性K值呈增加變化，其土壤抗蝕性減弱；在2月中，可蝕性K值呈降低變化，土壤抗蝕性增加。其原因是2月以后，氣溫回升，尤其表層土壤受凍融作用的影響明顯減弱，土壤團聚作用增加，隨之土壤抗蝕性逐漸增大。整體而言，0—10 cm深度土壤可蝕性K均值為0.056 8，未凍融土壤可蝕性K均值為0.054 2，二者之間相差0.002 6；10—20 cm深度土壤可蝕性K均值為0.087 9，未凍融土壤可蝕性K均值為0.078 2，二者之間相差0.009 7。可見，相較于未凍融土壤，冬季凍融期間可蝕性K值較高，抗侵蝕能力較弱。綜上所述，凍融作用減弱了土壤抗侵蝕能力，并且其抗侵蝕能力沿深度方向逐漸降低。

圖4 土壤可蝕性K值變化

3 結論與討論

(1) 凍融期間0—10 cm深度土壤的各粒徑團聚體含量高于10—20 cm深度土壤，原因主要是表層土壤裸露于地表，有機物和無機物更容易與表層土壤顆粒膠結從而形成團粒，其各粒徑團聚體含量較多；而較深層土壤由于受凍融作用影響，其各粒級團聚體含量較低。對于0—10 cm深度土壤凍融期間團聚體含量高于未凍融土壤，原因可能是秋季多雨且表層土壤團粒結構疏松多孔，在雨水打擊等作用下受到破壞，土壤團聚體破碎產(chǎn)生更小的可移動顆粒，不僅易在土壤表層形成土壤結殼[11]，土壤的團聚作用降低，其團聚體含量減少。在土壤含水量與團聚體的相關分析中表明，由于0—10 cm深度土壤中的水分受到蒸散發(fā)因素干擾，故無顯著相關性。10—20 cm深度土壤受凍融作用的影響，土壤含水量與4～2，0.25～0.038 mm和總團聚體含量均呈顯著負相關。在王展等[9]的研究中表明，土壤含水量與供試土壤各級團聚體含量均達到顯著水平，與本研究結果相似。Oztas等[25]認為凍融促進了土壤團聚體的破碎，降低了團聚體的穩(wěn)定性。本文研究表明，冬季天然狀態(tài)下凍融對土壤團聚體起到破解作用，使得團聚體破碎分離為細小顆粒，從而降低了土壤中團聚體的含量。

(2) 土壤各粒徑團聚體含量與0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量WSA、平均質量直徑MWD和幾何平均直徑GMD的相關分析表明，隨土層深度的逐漸增加，凍融作用使大團粒結構呈逐漸細化的狀態(tài)。0—20 cm深度土壤各粒徑團聚體對MWD和GMD的影響研究顯示，0—10 cm土壤中，4～1，0.25～0.038 mm粒徑團聚體含量占主導因素，說明0—10 cm深度土壤團粒分布較為均勻；10—20 cm土壤中2～1 mm粒徑團聚體含量占主要因素，說明凍融作用使10—20 cm深度土壤團聚體結構比例失調，其粒級分布較為單一。

(3) 0—10，10—20 cm深度土壤分形維數(shù)D與2～1 mm粒徑團聚體含量均呈顯著負相關(p<0.05)，即2～1 mm粒徑團聚體含量越多，水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)越小，土壤結構越穩(wěn)定，說明2～1 mm粒徑團聚體含量對0—20 cm深度土壤穩(wěn)定性起關鍵因素。本文中通過對0—10，10—20 cm深度土壤可蝕性K值的分析表明，凍融減弱土壤抗侵蝕能力，在縱深方向上，土壤可蝕性K值逐漸增加，其抗侵蝕能力呈逐漸降低的趨勢。在繆馳遠[26]等研究東北典型黑土坡面特征和可蝕性研究中表明，不同土壤剖面土壤可蝕性因子K值均表現(xiàn)出隨土層深度增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。