李若涵，王春霞，林 萍

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆天業(yè)(集團)有限公司，新疆 石河子 832000）

0 引 言

團聚體是構成土壤的基本骨架，土壤結構的好壞與土壤的通氣性、抗侵蝕性以及持水性都能夠由團聚體穩(wěn)定性反映，被認為是土壤重要的物理屬性之一[1]。土壤肥力和養(yǎng)分的保留以及后續(xù)利用等也受土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，對作物生長具有重要影響，因此對團聚體的研究至關重要。土壤團聚體分為生物穩(wěn)定性團聚體、力穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性團聚體。團聚體水穩(wěn)定性廣泛用于評價土壤結構穩(wěn)定性，目前常用的測定方法為“濕篩法”[2]。由于地溫變化導致土體凍結和融化的過程稱為凍融作用[3]，凍融過程中土壤水分隨溫度變化發(fā)生相變,進而改變土壤結構，影響土壤穩(wěn)定性。李述訓等[4-6]研究結果表明凍融循環(huán)是能量在土壤中輸入和輸出的過程，影響土壤顆粒的排列和結合，從而影響土壤結構。MOSTAGHIMI[7]發(fā)現(xiàn)凍融作用會破壞土壤結構，從而使土壤團聚體的穩(wěn)定性降低；WANG E H 等[8]表明凍融循環(huán)將大粒徑土壤團聚體分解成小粒徑團聚體，也因此使它們的穩(wěn)定性降低。然而，LEHRSCH[9]研究表明，在某些條件下凍融作用可以通過促進團聚體的分解，來提高土壤穩(wěn)定性。凍融作用對團聚體穩(wěn)定性的影響是顯而易見的，但是不同的處理條件下產生的作用效果又不盡相同。王文剛和CHAI Y J等[10-12]發(fā)現(xiàn)凍結和解凍對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響可能隨土壤質地、初始團聚體大小、凍結時土壤含水量、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結溫度而變化。土壤含水量的變化會對下次凍融作用產生不同程度的影響，土壤理化性質也會隨之產生不同程度的變化。凍結過程中土壤中水分變?yōu)楸?，冰晶在土壤孔隙中擴張，從而破壞了土壤顆粒間的黏結力，導致團聚體穩(wěn)定性降低[13]；王恩姮[14]研究表明水分條件的差異對典型黑土的團聚體穩(wěn)定性產生不同影響，無水分補充時，凍融增強了土壤團聚體的水穩(wěn)定性，有水分補充時結果相反。土壤鹽堿程度會對土壤團聚體的結構產生重要影響，造成土壤不穩(wěn)定效應。王純研究指出[15]能夠影響團聚體穩(wěn)定性和分布的重要制約參數(shù)是鹽分的含量，鹽溶液進入土壤后首先通過離子的交換，引起膠結劑被溶解，從而致使團聚體破壞[16]。目前基于凍融循環(huán)作用對鹽堿土團聚體穩(wěn)定性方向的研究相對較少，有關在凍融循環(huán)過程，土壤初始含水量存在差異的情況下，凍融循環(huán)次數(shù)對不同含鹽量土壤的團聚體穩(wěn)定性會產生哪些變化，是一個值得深入探討的科學問題。

新疆天山以北綠洲農田是全國主要的經濟棉產區(qū)，由于土壤鹽分含量較高，春播時土壤墑情的保持是農業(yè)生產重點關注的問題。冬灌則是保持春播時土壤墑情最常用的方法。由于地處典型季節(jié)性凍土區(qū)，冬季寒冷漫長，不同冬灌定額后的土壤經歷季節(jié)性凍融過程后，將會對土壤團聚體產生影響，從而影響土壤水分的保持和鹽分的淋洗。因此本文利用室內凍融模擬試驗，設定不同的土壤含水量和含鹽量情景，模擬土壤經歷不同的凍融循環(huán)作用后土壤水穩(wěn)性團聚體的分布特征，為當?shù)卮_定合理的冬灌定額及土壤地力的提升提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 土壤采集與處理

土壤樣品采自石河子大學節(jié)水灌溉試驗站（85°57′49″E，44°19′28″N）。該試驗基地氣候為溫帶大陸干旱氣候，試驗地平均氣溫為7.7 ℃，當?shù)仄骄邓繛?07 mm。四季溫差明顯，夏季少雨而蒸發(fā)量大，冬季持久且降雪較為豐富。通常在10月底土壤開始發(fā)生凍結，氣溫的逐漸回升發(fā)生在翌年3月下旬至4月中上旬，由于晝夜溫差較大，土壤呈現(xiàn)出白天消融解凍，晚上再次凍結的融凍特征[17]。2021年9月，在棉花收獲后，在研究區(qū)布置4 m×4 m 樣地，在布設區(qū)域選取了10 個采樣點，將采集0～10 cm 的表層原狀土壤帶回試驗室，風干待測。土壤質地為壤土,同時，將原狀土樣用環(huán)刀采集，測定土壤飽和含水率為34.2%（質量含水量）、田間持水量為25.9%（質量含水量）以及土壤容重為1.65 g/cm3。由干篩法得出土壤團聚體＞2、2～1、1～0.25、0.25～0.1、＜0.1 mm 5 種粒徑含量，分別為1.69%，17.42%，48.72%，20%，12.17%。試驗土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質Tab.1 Basic physical and chemical properties of the test soil

1.2 試驗設置

基于野外調查與定位監(jiān)測資料，試驗設計4種不同凍融循環(huán)次數(shù)（T0：凍融循環(huán)0 次；T1：凍融循環(huán)1 次；T3：凍融循環(huán)3 次；T5：凍融循環(huán)5 次）。設計4 種不同初始土壤含水量（質量含水率分別為W0：風干含水量1.8%；W1：50%田間持水量，13.0%；W2：70%田間持水量，18.13%；W3：田間持水量，25.9%），其中風干土條件為對照。通過對不同鹽堿土礦化度進行鑒定，確定不同的易溶鹽含量，其含量的制備分別設為S1：0.3%，S2：0.5%，S3：0.7%。初始土壤含水量的控制通過改良砂盤法進行控制和獲得，該方法控制土壤水分吸力（基質勢φ），以減少濕潤過程中水分對土壤團聚體的耗散和分解。達到設定含水量后，以1.65 g/cm3的設定密度將土壤填充到柱中。將土樣放入溫度可調控的凍融箱中，調整溫度為-15 ℃，解凍溫度為10 ℃，為了保證土柱內土壤發(fā)生完全的凍結與消融，分別將融化和凍結時間為12 h。試驗設置了0，1，3，5次共4個凍融循環(huán)處理，每個處理3次重復。

1.3 土壤水穩(wěn)性團聚體參數(shù)測量

當凍融循環(huán)處理后，各試樣自然風干。采用濕篩法對土壤團聚體分級。具體步驟如下：土樣放置于孔徑為5 mm 的不銹鋼篩上，通過0.1、0.25、1、2、5 mm 的不銹鋼篩，室溫下蒸餾水中豎直上下振蕩50 次，將篩分后的樣品在105 ℃下烘干至恒重并稱重，從而獲取6 個粒級團聚體水穩(wěn)性質量（＜0.1、0.25～0.1、1～0.25、2～1、5～2、＞5 mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

平均質量直徑（MWD）計算式如下:

幾何平均直徑（GMD）計算式如下:0.1 mm 團聚體上升，結果顯示大團聚體減少，小團聚體增加，呈現(xiàn)大團聚體破壞為小團聚體趨勢。受到初始含水量的影響，土壤團聚體組成特征在不同處理條件下，表現(xiàn)出一定差異性[20]。

土壤含鹽量對團聚體粒級組成影響見圖1。由圖1可見，受到含鹽量的影響，土壤團聚體受不同土壤初始含鹽量處理的影響，其組成特征產生顯著差異的變化規(guī)律。隨著含鹽量的增加，＜0.1 mm 團聚體組成比例逐漸增加。在土壤含鹽量為S1、S2和S3的條件下，當初始含水量為W0時，5次凍融循環(huán)后，與0次凍融循環(huán)次數(shù)相比，＜0.1 mm團聚體組成比例變化幅度分別為1.45%、9.7%、11.8%，變化趨勢為：S1＜S2＜S3。

式中：ωi為第i級團聚體的平均直徑；為第i級團聚體的質量百分率。

土壤團聚體分形維數(shù)D采用楊培嶺等提出的土壤分形模型計算[18]：

式中：MT為土壤各粒徑團聚體質量總和；M(r＜)為粒徑小于的團聚體的質量；xˉi為對應級團聚體的平均直徑；xmax是最大粒徑團聚體的平均直徑。利用公式對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學擬合，即可求得團聚體分形維數(shù)D[19]。

本文采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行整理，數(shù)據(jù)分析使用SPSS 26.0軟件，作圖使用Origin 2021軟件。

2 結果分析

2.1 凍融條件下團聚體水穩(wěn)性組成特性分析

通過觀察室內凍融模擬試驗，經過5 次凍融循環(huán)，4 種不同含水量處理，土壤團聚體各級粒級都產生了明顯變化。由圖1可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，當含水量為W0和W1時,＜0.1 mm 的團聚體組成比例變化相同，呈增減交替變化；當含水量為W2和W3時，呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。以S1為例，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，當含水量為W0和W1時,由于較低的含水量，團聚體粒級產生較小的變化幅度；伴隨初始含水量的增大，當初始含水量達到W2時，與第0 次凍融循環(huán)相比，5 次凍融循環(huán)后，＞0.1 mm 的團聚體組成比例減小30.00%；而當初始含水量達W3時，經過5 次的凍融循環(huán)，＞0.1 mm 的團聚體組成比例減小21.79%。隨著凍融循環(huán)的次數(shù)的增加，初始含水量的變化，＞0.1 mm 的團聚體減小，＜而在土壤含鹽量為S2條件下，當初始含水量為W2時，＜0.1 mm 團聚體組成比例變化趨勢與S1、S3不同為：T3＞T5＞T1＞T0。在土壤含鹽量為S2和S3的條件下，當初始含水量為W3時，＜0.1 mm 團聚體組成比例變化趨勢S2、S3與S1不同為：T3＞T5＞T1＞T0。3 種不同土壤含鹽量處理下土壤團聚體粒級組成均發(fā)生顯著性變化。

圖1 不同初始含水量土壤團聚體粒徑分布隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.1 Changes of particle size distribution of soil aggregates with different initial water content with the number of freeze-thaw cycles

2.2 土壤含水量對土壤團聚體水穩(wěn)定性特征指標的影響

團聚體穩(wěn)定性的評價有MWD（土壤團聚體平均質量直徑）、GMD（幾何平均直徑），其值越大，表明土壤團聚體穩(wěn)定性越強[10]。凍融循環(huán)對MWD和GMD影響見圖2。在T0條件下，土壤含水量對MWD和GMD影響不明顯。在T1、T3、T5條件下，隨著含水量的增加MWD和GMD呈先降低后上升的趨勢，在含水量為W2時為拐點。W2在T1、T3和T5條件下MWD和GMD比最初有所增加。說明凍融循環(huán)過程決定MWD和GMD的重要因素是土壤含水量，當達到一定的土壤含水量(70%田間持水量)，即便凍融循環(huán)次數(shù)在一定的范圍內變化，也可能增強團聚體穩(wěn)定性。相同凍融循環(huán)次數(shù)下，MWD和GMD同時呈現(xiàn)W2＞W(wǎng)0＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3，說明維持土壤團聚體穩(wěn)定性的重要條件是適當?shù)耐寥篮?；也說明接近飽和的含水量對團聚體破碎能力最強。為此，為了保證翌年土壤有良好的結構，建議產生凍融前期，調節(jié)土壤含水量至70%田間持水量。相同土壤含水率條件下隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，MWD和GMD呈逐步降低，相同土壤含水量處理MWD和GMD呈以下變化趨勢：T1＞T3＞T5，這個結論也被其他學者認可[21,22]。

凍融循環(huán)次數(shù)對MWD和GMD影響見圖2。凍融循環(huán)次數(shù)不變條件下，MWD和GMD呈現(xiàn)出以下變化趨勢：W2＞W(wǎng)0＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2，并且T1W2、T2W2和T3W2處理MWD分別比最初0.218 增加了0.06、0.12 和0.15；其他處理下，凍融循環(huán)(1、3 至5 次)過程都降低MWD和GMD。

圖2 凍融過程后不同含水量平均質量直徑和幾何平均直徑Fig.2 Average weight diameter and geometric average diameter of different water content after freeze-thaw process

2.3 土壤含鹽量對團聚體水穩(wěn)定性特征指標的影響

經過凍融試驗后，土壤含鹽量對各級團聚體MWD和GMD影響顯著。隨著含水量的增加MWD和GMD呈先降低后上升的趨勢，在含水量為W2時為拐點。表2僅分析W2處理下不同土壤含鹽量及不同凍融循環(huán)次數(shù)對MWD和GMD的影響。S1、S2和S3處理MWD和GMD分別呈降低趨勢，在W2和相同凍融循環(huán)次數(shù)下,MWD降低的幅度分別為20.23%、16.02%、35.6%，變化趨勢為S2＜S1＜S3；MWD降低的幅度分別為14.29%、18.48%、27.08%，變化趨勢為S1＜S2＜S3。且在T1、T2、T3凍融循環(huán)條件下，MWD和GMD依次為S1＞S2＞S3，說明隨著土壤含鹽量的降低有利于維持土壤團聚體穩(wěn)定性。在土壤含鹽量為S2、S3條件下，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加(1、3 至5 次)MWD和GMD呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢：T3＜T1＜T2。

表2 平均質量直徑和幾何平均直徑隨起始含鹽量的變化Tab.2 Variation of average weight diameter and geometric average diameter with initial salt content

2.4 土壤團聚體分布與分形特征的差異

有關評價土壤團聚體穩(wěn)定性重要指標，楊培嶺[18]提出土壤團粒結構的分形維數(shù)是其中之一。土壤的抗侵蝕性、穩(wěn)定性以及結構的好壞，可由團粒結構分形維數(shù)來表示[23]，其越小，土壤結構越好。為了研究土壤團聚體的分形維數(shù)的變化，設置了3 個不同含鹽量處理和4 個不同含水量處，經過凍融循環(huán)，結果呈現(xiàn)分形維數(shù)的值為2.90～2.97，土壤含鹽量、初始含水率以及凍融循環(huán)次數(shù)對土壤團聚體分形維數(shù)有顯著影響(見圖3)。室內凍融模擬前，含鹽量S1、S2、S3的分形維數(shù)為W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)0；經過5 次凍融循環(huán)之后，發(fā)現(xiàn)土壤含水量為W0時，S1、S2、S3條件下分形維數(shù)分別增加0.58%、0.16%、0.03%，未產生大幅度變化；當土壤含水量達到W1、W2、W3時，分形維數(shù)較凍融前變化了0.34%～0.88%，產生明顯變化，表現(xiàn)分散了團聚體水穩(wěn)定性，加劇了土壤團聚體穩(wěn)定性的破壞[24]。

利用相關分析評價平均質量直徑、幾何平均直徑與分形維數(shù)的關系，見表3。結果表明MWD、GMD與分形維數(shù)呈負相關關系，因此，分形維數(shù)可以真實反映團粒結構的形狀，進一步說明抗蝕性、肥力以及土壤通透性可以用分形維數(shù)來表征指標。

表3 平均質量直徑、幾何平均直徑與分形維數(shù)D的相關性Tab.3 Correlation between average weight diameter,geometric average diameter and fractal dimension D

3 討 論

由試驗可見，團聚體穩(wěn)定性受土壤含水率、土壤含鹽量以及凍融循環(huán)次數(shù)等因素的影響。本研究中土壤團聚體粒級受凍融循環(huán)作用的影響，＜0.1 mm 粒徑級團聚體顯著增加，團聚體穩(wěn)定性顯著降低，與BULLOCK M S 等[25]的結論相似。究其原因是凍融循環(huán)的本質是土壤水分的體積因溫度變化而變化的過程，在溫度下降達到凍結溫度，土壤水分由液態(tài)轉換為固態(tài)，由于水固態(tài)下分子間空間較液態(tài)大，因此體積變大；當溫度逐漸上升，水由固態(tài)轉回液態(tài)，體積也因此變小。土壤的大顆粒團聚體被破壞成小團聚的原因正是如此反復的凍結和融化，產生的體積的變化，從而土壤顆粒間原本的膠結隨之破壞[8]。在單獨考慮土壤初始含水量的影響因素下，含水量越大，凍融的過程水分固液轉換越多，凍融循環(huán)對土壤的結構影響越大，對土壤之間原有的膠結破壞越大，從而使團聚體穩(wěn)定性下降[11]。本研究表明，經過5 次凍融循環(huán)后，團聚體的穩(wěn)定性與土壤初始含水量密切相關，MWD和GMD均表現(xiàn)為70%田間持水量＞50%田間持水量的＞田間持水量的關系，當含水量過高占據(jù)土壤孔隙時，由于土壤團聚體壓力變化增大，導致其壓力失衡，團聚體破壞變得更加強烈，這也意味著對持有一定含水量的土壤經過凍融循環(huán)可能對結構有利而無害，與LEHRSCH[9]結論相似。而由相關性分析可知，MWD和GMD均與分形維數(shù)呈顯著負相關。說明分形維數(shù)的變化，受MWD和GMD的影響，其越大，分形維數(shù)越小，隨之土壤團聚體穩(wěn)定性增強。作為進一步的觀點，這些結果表明，季節(jié)性凍融下北疆冬灌引起的土壤結構問題，既可影響土壤透氣性、持水性和抗蝕性，又對土壤肥力和養(yǎng)分的保留以及后續(xù)利用有所影響，可以通過適當?shù)耐寥浪芾韥砀淖?。例如，通過合理的冬灌水量控制凍融期的土壤含水量，可以導致凍融作用下土壤結構穩(wěn)定性提高。這種結果會影響土壤水分的保持和鹽分的淋洗，從而影響春播時土壤墑情。

4 結 論

本研究利用室內模擬試驗對凍融循環(huán)下土壤團聚體的特征進行了表征。在凍融循環(huán)期間，土壤團聚體的穩(wěn)定性、平均質量直徑、平均幾何直徑和分形維數(shù)存在明顯差異。

（1）凍融循環(huán)下土壤團聚體粒徑組成隨著土壤初始含水量變大，其粒徑組成逐漸變小，同時穩(wěn)定性逐漸降低且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化更加明顯；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增高，在初始含水量W2下，＞0.1 mm 的水穩(wěn)性團聚體組成比例減小30.00%，團聚體穩(wěn)定性顯著降低。

（2）平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）與初始含水量和初始含鹽量顯著相關，隨著初始含水量的增加MWD和GMD分別呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢；隨著初始含鹽量的增加MWD和GMD分別呈現(xiàn)遞減的趨勢。

（3）在初始含水量較低時，凍融循環(huán)對分形維數(shù)沒有顯著影響，隨著初始含水量的增大，土壤粒級團聚體組成發(fā)生顯著變化，分形維數(shù)最高增加0.88%。土壤的平均質量直徑和幾何平均直徑均與分形維數(shù)呈顯著負相關。