劉大翔， 劉德玉， 童 標(biāo)， 楊悅舒， 丁 瑜， 許文年

（1.三峽大學(xué)水泥基生態(tài)修復(fù)技術(shù)湖北省工程研究中心，湖北宜昌443002； 2.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041； 3.三峽大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002；4.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002）

0 引言

植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)是工程擾動(dòng)裸露陡邊坡植被恢復(fù)典型措施之一，已廣泛應(yīng)用于水利、交通、礦山邊坡的植被恢復(fù)［1-2］。在工程應(yīng)用中，需根據(jù)邊坡巖土特性、坡度、坡高等來確定種植土、水泥、有機(jī)物料、活化添加劑和水的比例，并利用噴播設(shè)備將上述混合料噴播到坡面上，從而實(shí)現(xiàn)淺層防護(hù)與生態(tài)修復(fù)的有機(jī)結(jié)合［3］。當(dāng)前，該技術(shù)應(yīng)用范圍正逐步由低緯度低海拔地區(qū)向高寒高海拔地區(qū)擴(kuò)展，但凍融循環(huán)作用下因水分相變引發(fā)的材料凍脹與融沉過程，不僅導(dǎo)致植被混凝土物理結(jié)構(gòu)疏松、力學(xué)性能降低［4-5］，還會(huì)使大量微生物細(xì)胞破裂死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致微生物數(shù)量與活性降低，影響速效養(yǎng)分供給［6］。更重要的是，除養(yǎng)分含量外，降雨或徑流條件下速效養(yǎng)分固持能力作為表征植被混凝土肥力可持續(xù)性的另一關(guān)鍵指標(biāo)，也會(huì)顯著降低。

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，不僅影響土壤強(qiáng)度，其團(tuán)聚結(jié)構(gòu)與孔隙形態(tài)分布等細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特性還會(huì)直接影響?zhàn)B分元素及微生物代謝活動(dòng)［7］。Huang 等［8］發(fā)現(xiàn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加會(huì)提高土壤肥力；Yan 等［9］發(fā)現(xiàn)伴隨團(tuán)聚體破碎，土壤養(yǎng)分含量也隨之下降；Liu 等［10］指出不同土壤團(tuán)聚體組成下，各養(yǎng)分物質(zhì)含量差異顯著；還有學(xué)者指出，不少地區(qū)土壤養(yǎng)分豐沛，經(jīng)歷凍融后的再降雨事件之后，養(yǎng)分會(huì)大量流失，既影響植被生長(zhǎng)又造成環(huán)境污染［11］。因此，團(tuán)聚體對(duì)養(yǎng)分的供給和維持能力體現(xiàn)了土壤肥力供給水平。有關(guān)凍土物理性質(zhì)的研究則指出，凍融作用會(huì)顯著改變土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的膨脹力會(huì)破壞土壤顆粒間的聯(lián)結(jié)，使粗顆粒中的大團(tuán)聚體破碎為小團(tuán)聚體，產(chǎn)生的擠壓力使黏土顆粒中的小團(tuán)聚體向中等大小團(tuán)聚體聚集［12-13］，但對(duì)于大、中、小團(tuán)聚體相互轉(zhuǎn)化的界限粒徑，不同研究者的結(jié)論不一，主要受到土質(zhì)、含水率、凍融循環(huán)次數(shù)與模式等參數(shù)的影響［14-15］。

基于上述土壤學(xué)領(lǐng)域有關(guān)團(tuán)聚體與養(yǎng)分間聯(lián)系的研究，可推測(cè)凍融循環(huán)作用下植被混凝土團(tuán)聚特征發(fā)生顯著變化，可能是導(dǎo)致養(yǎng)分固持能力降低的直接原因。然而，當(dāng)前有關(guān)植被混凝土的研究，一方面較少涉及凍融循環(huán)對(duì)肥力指標(biāo)的影響，另一方面鮮有關(guān)于細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特性與養(yǎng)分固持能力間聯(lián)系的研究報(bào)道。鑒于此，本文通過凍融循環(huán)模擬試驗(yàn)，探究植被混凝土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分固持能力的關(guān)系，有助于揭示凍融循環(huán)作用影響?zhàn)B分固持能力的深層原因，為植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)在高寒地區(qū)的優(yōu)化運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究涉及的主要材料包括種植土、水泥、有機(jī)物料、活化添加劑和水。種植土取自宜昌周邊常見黃棕壤土，經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm 篩備用，其中

＜0.002 mm、≥0.002～0.02 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.05～0.25 mm、≥0.25～0.5 mm、≥0.5～1 mm、≥1～2 mm 粒組含量分別為8.41%、11.55%、21.66%、38.86%、10.21%、8.98%、0.33%，pH 值為6.6。水泥采用華新水泥（宜昌）有限公司生產(chǎn)的P. O 42.5普通硅酸鹽水泥。有機(jī)物料采用湖北俏牛兒肥業(yè)有限公司提供的茶樹木屑，經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過1 mm篩保存?zhèn)溆??；罨砑觿槿龒{大學(xué)專利成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)品［16］，其功效為：一是在不顯著影響水化過程的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)pH 緩解堿性環(huán)境對(duì)植物的不利影響，改善功能微生物生存環(huán)境；二是富含大量固氮菌、解鉀菌、解磷菌、纖維素分解菌等功能性微生物，有效提升基材活化水平。植被混凝土試樣制備時(shí)，參照國(guó)家現(xiàn)行能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》［17］，各干料質(zhì)量比為種植土∶水泥∶有機(jī)物料∶活化添加劑=100∶8∶4∶4。實(shí)際應(yīng)用施工時(shí)，植被混凝土質(zhì)量含水率通常介于18%～24%之間，因此初始含水率設(shè)計(jì)值分別取為下限值18%和上限值24%。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用200 cm3容積環(huán)刀（Φ=70 mm、H=52 mm）制備試樣。為保證各試樣均一性，先按比例配制260 g干料，再按設(shè)計(jì)初始含水率加入定量水充分拌合后裝填進(jìn)環(huán)刀，可控制所有試樣干密度在1.3 g·cm-3左右。試驗(yàn)變量設(shè)計(jì)有2 種初始含水率（18%、24%）與8 個(gè)凍融循環(huán)頻次（0、1、2、4、8、16、32、64次）。每種初始含水率每個(gè)頻次設(shè)置6個(gè)重復(fù)樣，其中3 個(gè)用于團(tuán)聚特征與淋溶試驗(yàn)前養(yǎng)分含量測(cè)定，另外3個(gè)用于土柱淋溶試驗(yàn)測(cè)定養(yǎng)分固持能力。

試樣制備完成后，立即用保鮮袋密封，再置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室［溫度（20±2）℃、濕度95%］中養(yǎng)護(hù)。一般認(rèn)為，水泥水化反應(yīng)主要在28 d內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)完成度可達(dá)80%以上［18］，本研究設(shè)置養(yǎng)護(hù)周期稍大于該值。試樣經(jīng)30 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，干密度為1.1～1.3 g·cm-3，滲透系數(shù)為1.1×10-3～1.3×10-3cm·s-1，飽和含水率為62%～65%，黏聚力為42～45 kPa，內(nèi)摩擦角為26°～28°，pH 值為7.70～7.96。然后，將試樣放入杭州雪中炭恒溫技術(shù)有限公司生產(chǎn)的XT5405G-FSC型土工凍融循環(huán)試驗(yàn)箱中，采用“氣凍-氣融”方式，將凍結(jié)/融化溫度分別設(shè)置為-20 ℃/+20 ℃，并定義凍結(jié)12 h、融化12 h 為一次完整的凍融循環(huán)過程。分別在達(dá)到預(yù)定凍融循環(huán)頻次時(shí)取出試樣進(jìn)行團(tuán)聚特征、養(yǎng)分含量及其淋溶流失率測(cè)定。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，需作出以下兩點(diǎn)說明：一是本研究主要關(guān)注含水率及凍融循環(huán)頻次對(duì)植被混凝土性質(zhì)的影響，為做好單因素分析和避免植物生長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，未采用田間實(shí)驗(yàn)或盆栽實(shí)驗(yàn)，而采用了室內(nèi)控制性實(shí)驗(yàn)；二是因條件所限，未能使用大型低溫模擬實(shí)驗(yàn)室和采用“設(shè)置多個(gè)重復(fù)樣方，且樣方內(nèi)重復(fù)取樣”的方式，而是采用環(huán)刀制作重復(fù)樣后放入凍融試驗(yàn)箱，所以本實(shí)驗(yàn)屬于“假重復(fù)”設(shè)計(jì)。

1.3 分析測(cè)定及計(jì)算方法

植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成參照土壤理化性質(zhì)研究中常用的LB 濕篩法測(cè)定［19］。先將試樣完全風(fēng)干后，置于0.075～60 mm 土壤標(biāo)準(zhǔn)篩組中機(jī)械振篩20 min，然后按機(jī)械篩分后的比例重新配成50 g風(fēng)干土樣放在孔徑分別為2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 的篩組，以30 次每分鐘的頻率在水中上下震蕩30 min，得到每個(gè)篩子上剩余各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。＜0.25 mm 各級(jí)微團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量則采用吸管法測(cè)定［20］。選取平均重量直徑、幾何平均直徑、團(tuán)聚度、結(jié)構(gòu)破壞率、分散率、特征微團(tuán)聚體組成比例PCM 與RMD、分形維數(shù)等參數(shù)表征植被混凝土團(tuán)聚特征［21-22］。相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式為

式中：Xi為某一粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；Wi為對(duì)應(yīng)于Xi的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（%）；DR0.25為＞0.25 mm 的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量（%）；WR0.25為＞0.25 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（%）；n1為≥0.05 mm 的團(tuán)聚體含量（%）；n2為≥0.05 mm 的土顆粒含量（%）；n3為＜0.05 mm 的團(tuán)聚體含量（%）；n4為＜0.05 mm 的土顆粒含量（%）；n5為＜0.02 mm 的團(tuán)聚體含量（%）；n6為≥0.02～0.25 mm 的團(tuán)聚體含量（%）；n7為≥0.02～2 mm 的團(tuán)聚體含量（%）；M（r＜Xi）為粒徑小于Xi的團(tuán)聚體質(zhì)量（g）；Xmax為團(tuán)聚體的最大粒徑（mm）；MT為團(tuán)聚體的總質(zhì)量（g）。

對(duì)于淋溶前試樣養(yǎng)分含量，利用機(jī)械篩分后剩余土壤測(cè)定。其中，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定［23］，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量采用荷蘭產(chǎn)SKALAR San++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

對(duì)于養(yǎng)分淋溶流失率，采用垂直一維積水入滲法測(cè)定，環(huán)刀試樣底部用紗布封住，頂部再放置一個(gè)同規(guī)格環(huán)刀，接縫處用透明膠帶密封后注入雙蒸水。待試樣飽和下部滴水后，再用雙蒸水注滿環(huán)刀，同時(shí)開始用漏斗和錐形瓶收集淋溶液。當(dāng)收集淋溶液達(dá)100 mL后，停止淋溶試驗(yàn)。測(cè)定淋溶液養(yǎng)分含量，按下式可計(jì)算各養(yǎng)分淋溶流失率。

式中：m為完整試樣干重（kg）；ni為淋洗前試樣單位質(zhì)量某養(yǎng)分指標(biāo)含量（mg·kg-1）；V為收集的淋洗液體積（L）；ki為收集的淋洗液中某養(yǎng)分指標(biāo)濃度（mg·L-1）。

采用SPSS 24.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Waller-Duncan差異性分析，并對(duì)植被混凝土團(tuán)聚體特征參數(shù)與各養(yǎng)分淋溶流失率進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑分布

含水率是影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布的重要指標(biāo)［24］。如表1 所示，兩種初始含水率植被混凝土試樣中皆以≥0.05～0.25 mm 粒組含量為主，所占比例均超過總量的50%。不論凍融前后，初始含水 率 高 的 試 樣 中≥1～2 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.002～0.02 mm、＜0.002 mm四個(gè)粒組含量均偏大，而≥0.5～1 mm、≥0.25～0.5 mm、≥0.05～0.25 mm三個(gè)粒組含量均偏低；其中≥1～2 mm 與≥0.05～0.25 mm兩粒組含量相差較大。總體上，初始含水率的提高促使試樣中水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均粒徑增大。

由表1可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，兩種初始含水率植被混凝土≥1～2 mm、≥0.5～1 mm、≥0.25～0.5 mm 粒組含量均呈降低趨勢(shì)，且在凍融初期變化較顯著，當(dāng)凍融循環(huán)頻次超過32 次后才逐步趨于穩(wěn)定，到64 次循環(huán)時(shí)18%與24%含水率試樣中≥0.25 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比凍融前降幅分別達(dá)到39.89%和49.28%。而≥0.05～0.25 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.002～0.02 mm、＜0.002 mm粒組含量均呈增加趨勢(shì)，且以≥0.05～0.25 mm與≥0.002～0.02 mm兩個(gè)粒組含量變化較明顯?？梢?，凍融循環(huán)促使植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均粒徑減小。

表1 不同初始含水率與凍融循環(huán)次數(shù)下植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑分布Table 1 Water-stable aggregate particle size distribution in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征參數(shù)

平均重量直徑、幾何平均直徑、團(tuán)聚度、破壞率、分散率、特征微團(tuán)聚體組成比例（PCM、RMD）和分形維數(shù)被廣泛作為反映團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征的評(píng)定指標(biāo)［21-22］。初始含水率與凍融循環(huán)對(duì)植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征參數(shù)的影響見表2。由表可知，未經(jīng)凍融時(shí)，隨初始含水率提高，植被混凝土平均重量直徑、幾何平均直徑與團(tuán)聚度均略大，而分散率、＜0.02 mm 特征微團(tuán)聚體組成比例與分形維數(shù)均偏小。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，兩種初始含水率植被混凝土平均重量直徑、幾何平均直徑與團(tuán)聚度呈降低趨勢(shì)，破壞率、分散率、＜0.02 mm 特征微團(tuán)聚體組成比例與分形維數(shù)均呈增加趨勢(shì)?？梢姡瑑鋈谘h(huán)會(huì)破壞植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且凍融初期的破壞效應(yīng)更明顯。

表2 不同初始含水率與凍融循環(huán)次數(shù)下植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征參數(shù)Table 2 Water-stable aggregate characteristic parameters in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

2.3 養(yǎng)分含量及其淋溶流失率

初始含水率與凍融循環(huán)對(duì)植被混凝土養(yǎng)分含量的影響如表3 所示。由表可知，初始含水率高的試樣中有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量均略大。而隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，植被混凝土中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量均呈增加趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量呈先增加后降低趨勢(shì)，硝態(tài)氮含量呈降低趨勢(shì)。凍融循環(huán)初期，有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量的增長(zhǎng)與硝態(tài)氮含量的下降較快，而銨態(tài)氮含量增速較慢；后期銨態(tài)氮含量增速變快，而有效磷、速效鉀含量增速與有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮含量降低速度變緩。

淋溶流失率可直接反映土壤養(yǎng)分固持能力［25］。由表4 可見，不論凍融循環(huán)前后，隨初始含水率提高，植被混凝土各養(yǎng)分淋溶流失率均略有降低。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，各養(yǎng)分淋溶流失率均呈增加趨勢(shì)。其中，硝態(tài)氮與速效鉀淋溶流失率絕對(duì)值始終較高，有機(jī)質(zhì)則較低。但就增幅率而言，有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮最高，兩種含水率條件下64次循環(huán)時(shí)的淋失率相比凍融前的增幅率均超過90%；銨態(tài)氮淋失率對(duì)應(yīng)的增幅率最低，兩種含水率條件下均低于50%?？傮w而言，凍融循環(huán)作用會(huì)顯著弱化植被混凝土養(yǎng)分固持能力。

2.4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征參數(shù)與養(yǎng)分淋溶流失率間的相關(guān)性分析

利用表2、表4數(shù)據(jù)，基于2種初始含水率與8種凍融循環(huán)頻次條件下測(cè)試結(jié)果，開展植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征參數(shù)與各養(yǎng)分淋溶流失率的相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。其中，植被混凝土養(yǎng)分淋溶流失率與破壞率、分散率、＜0.02 mm 特征微團(tuán)聚體組成比例和分形維數(shù)呈正相關(guān)，而與平均重量直徑、幾何平均直徑和團(tuán)聚度呈負(fù)相關(guān)，且均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。從Pearson 相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值大小來看，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)參數(shù)與養(yǎng)分淋失率的相關(guān)性強(qiáng)弱排序?yàn)椋簬缀纹骄睆剑緢F(tuán)聚度≈分散率＞破壞率≈RMD≈平均重量直徑＞PCM＞分形維數(shù)。因此可以推斷，上述團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)中，幾何平均直徑最適合用于反映植被混凝土養(yǎng)分固持能力，幾何平均直徑越大，養(yǎng)分固持能力越強(qiáng)。

表4 不同初始含水率與凍融循環(huán)次數(shù)下植被混凝土的主要養(yǎng)分淋溶流失率Table 4 Leaching loss rates of major nutrient substances in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

表5 凍融循環(huán)作用下植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征參數(shù)與主要養(yǎng)分淋溶流失率的相關(guān)系數(shù)Table 5 Pearson correlation coefficents between water-stable aggregate characteristic parameters in vegetation concrete and leaching loss rates of major nutrient substances under freeze-thaw cycles

3 討論

3.1 初始含水率與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑和特征參數(shù)的影響

所有試樣團(tuán)聚體粒徑分布均以≥0.05～0.25 mm粒組含量為主，這與配制植被混凝土所用種植土粒徑級(jí)配中≥0.05～0.25 mm 粒組最多有關(guān)，且產(chǎn)生的水泥水化膠結(jié)物也促進(jìn)了＜0.05 mm 團(tuán)聚體向更大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。但至于為何轉(zhuǎn)化界限是0.05 mm，暫未找到明確解釋，猜測(cè)可能與水泥用量有關(guān)。隨著初始含水率提高，水穩(wěn)性微團(tuán)聚體進(jìn)一步向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，且尤其以≥1～2 mm 粒組的增多最明顯。未經(jīng)凍融時(shí)，高含水率試樣平均重量直徑、幾何平均直徑、破壞率和團(tuán)聚度略大，分散率、＜0.02 mm 特征微團(tuán)聚體組成比例、分形維數(shù)略低，原因可能為凍融前初始含水率越高，則水泥水化反應(yīng)越完全，有助于形成更多大粒徑團(tuán)聚體。而凍融后，高含水率試樣團(tuán)聚度顯著偏小、分散率顯著偏大，在于高含水率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的相變效應(yīng)，更大凍脹力造成團(tuán)聚體破碎程度更明顯［26］。因此，對(duì)于高含水率試樣，水分相變對(duì)團(tuán)聚體的削弱效應(yīng)可能超出了水化產(chǎn)物增多帶來的增強(qiáng)效應(yīng)。

凍融循環(huán)初期對(duì)植被混凝土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的影響較明顯，隨凍融頻次增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)普通土壤也存在類似規(guī)律［27］，原因可能是初期團(tuán)聚結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，經(jīng)凍融作用時(shí)破碎效應(yīng)更劇烈，會(huì)快速形成大量小粒徑團(tuán)聚體；而小粒徑團(tuán)聚體抵抗擠壓與收縮能力較強(qiáng)，經(jīng)過反復(fù)凍融作用也不易崩解破碎，因而凍融后期團(tuán)聚結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。此外，團(tuán)聚作用還與微生物數(shù)量與活性有關(guān)，因新陳代謝產(chǎn)生的分泌物有助于團(tuán)聚體形成［28］。凍融初期，大量微生物死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)，分泌物的減少勢(shì)必弱化土顆粒膠結(jié)作用，顯著降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性；但仍有部分低溫耐受性強(qiáng)的微生物新陳代謝活動(dòng)依舊進(jìn)行，植被混凝土中微生物數(shù)量與活性逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也促使團(tuán)聚結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

同等條件下，普通土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變幅和達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需凍融循環(huán)頻次顯著小于植被混凝土。如Zhang等［29］研究發(fā)現(xiàn)人工重塑黏土團(tuán)聚體粒徑在前6 次凍融循環(huán)時(shí)變幅最顯著，其中≥1～2 mm粒組含量在40次凍融循環(huán)后降幅在5%以內(nèi)。而本研究中18%與24%含水率試樣在32 次凍融循環(huán)后≥1～2 mm 粒組含量降幅便已分別達(dá)到43.37%和66.15%，之后逐步趨于穩(wěn)定。原因在于，普通土壤團(tuán)聚體在凍融時(shí)會(huì)經(jīng)歷“解聚—重聚—再解聚—再重聚”的反復(fù)過程［30］，這也是其凍融后期趨于穩(wěn)態(tài)的主因；而植被混凝土成分類似水泥土，既有土壤又有水泥水化產(chǎn)物，由于水泥水化產(chǎn)物破壞過程不可逆，其團(tuán)聚結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻是水化產(chǎn)物被破壞到無法再被進(jìn)一步破壞的時(shí)刻（圖1）。

圖1 凍融循環(huán)作用下普通土壤與植被混凝土結(jié)構(gòu)變化過程示意圖Fig. 1 Sketches showing the structure destruction process of natural soil and vegetation concrete under freeze-thaw cycles

3.2 初始含水率與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)植被混凝土的養(yǎng)分和固持能力的影響

凍融循環(huán)前，初始含水率的提高促使試樣養(yǎng)分含量增多和固持能力增強(qiáng)。究其原因，可能是：①高含水率條件下水泥水化更完全，試樣pH 值增大可能殺死更多微生物，導(dǎo)致其體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流出［31］；②部分養(yǎng)分元素被水化膠結(jié)物包裹與吸附，導(dǎo)致水溶性游離養(yǎng)分變少。凍融循環(huán)后，高含水率試樣養(yǎng)分淋溶流失率依然偏小，與前文中提到的凍融時(shí)高含水率試樣分散率、破壞率等參數(shù)偏大的現(xiàn)象看似矛盾，但實(shí)質(zhì)上是由于高含水率會(huì)造成試樣團(tuán)聚體中≥1～2 mm 粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于低含水率試樣，也側(cè)面反映了大粒徑團(tuán)聚體對(duì)試樣中養(yǎng)分的固持占主要貢獻(xiàn)。

隨著凍融循環(huán)頻次增多，有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量仍逐步提升，原因在于，雖然凍融環(huán)境降低了微生物總量與活性［6］，抑制了難溶性養(yǎng)分向速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，但死亡微生物體內(nèi)養(yǎng)分的析出［32］，以及低溫耐受性微生物的不斷繁殖，仍會(huì)使養(yǎng)分含量增長(zhǎng)。至于銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量與凍融頻次的關(guān)系，目前土壤學(xué)領(lǐng)域說法不一，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)顯著增加了土壤中銨態(tài)氮含量，并降低了硝態(tài)氮含量［33］，但單博等［34］的研究結(jié)果卻與之相反。本文研究結(jié)果與前者一致，原因可能是凍融循環(huán)在抑制有機(jī)元素礦化的同時(shí)促進(jìn)了土壤反硝化作用［35］，且堿性環(huán)境也抑制了硝化細(xì)菌活性，減少了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。

隨凍融循環(huán)頻次增多，各養(yǎng)分淋溶流失率均顯著增高，原因可能為：①包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)元素伴隨著團(tuán)聚體破碎大量析出［36］，因而養(yǎng)分淋溶流失率增大；②凍融循環(huán)致使團(tuán)粒間空隙膨脹和收縮，使團(tuán)聚體重新排列，結(jié)構(gòu)孔隙率增大，淋溶阻力減小，影響營(yíng)養(yǎng)元素附著能力，導(dǎo)致更多養(yǎng)分元素以游離狀態(tài)存在于水相中，并隨水分發(fā)生遷移［37］；③團(tuán)聚體破碎過程中，材料比表面積增大，但吸附位點(diǎn)增速小于養(yǎng)分元素析出速度。

3.3 凍融循環(huán)作用下植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征參數(shù)與養(yǎng)分固持能力的關(guān)系

土壤學(xué)領(lǐng)域研究表明，土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分固持能力關(guān)系密切。但因團(tuán)聚結(jié)構(gòu)特征參數(shù)眾多，究竟何種參數(shù)最適合表征養(yǎng)分固持能力仍未達(dá)成共識(shí)。如區(qū)曉琳等［38］研究表明團(tuán)聚體平均粒徑越大，養(yǎng)分固持能力越強(qiáng)；Guidi等［39］發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分固持能力下降；Cui 等［40］發(fā)現(xiàn)土壤平均重量直徑越大養(yǎng)分固持能力越強(qiáng)；而陳秋捷等［41］發(fā)現(xiàn)沙化土壤養(yǎng)分固持能力可由平均重量直徑反映。本研究中發(fā)現(xiàn)植被混凝土中幾何平均直徑與各養(yǎng)分淋溶流失率的Pearson相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，且達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），因此建議將幾何平均直徑作為評(píng)判植被混凝土養(yǎng)分固持能力的團(tuán)聚特征指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對(duì)凍融循環(huán)作用下植被混凝土水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布、特征參數(shù)、主要養(yǎng)分含量及其淋溶流失率開展研究，主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論如下：

（1）隨初始含水率的提高，植被混凝土中水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向水穩(wěn)性大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，且通過團(tuán)聚體特征參數(shù)也反映出團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨之提高。凍融循環(huán)促使植被混凝土中水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均粒徑不斷減小，但會(huì)隨凍融頻次增長(zhǎng)逐步趨于穩(wěn)定。

（2）初始含水率的提高促使植被混凝土中各養(yǎng)分含量略微增加。凍融循環(huán)作用下，有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量仍有增長(zhǎng)，但硝態(tài)氮含量則不斷降低。同時(shí)，凍融循環(huán)還會(huì)導(dǎo)致各養(yǎng)分固持能力不斷降低，且也會(huì)隨凍融頻次增長(zhǎng)逐步趨于穩(wěn)定。

（3）綜合考慮顯著性水平與相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值，認(rèn)為團(tuán)聚體特征參數(shù)中幾何平均直徑與各養(yǎng)分淋失率相關(guān)程度最高，最適合用于表征植被混凝土養(yǎng)分固持能力。