賀亭峰 張慧清 張冬梅 劉化濤 孔 猛 丁啟朔

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院, 太原 030031; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建), 太原 030031;3.泰國(guó)經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理學(xué)院, 巴吞他尼 12160; 4.有機(jī)旱作山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030031;5.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 南京 210031)

0 引言

快速的農(nóng)機(jī)化進(jìn)程引起大面積農(nóng)田土壤壓實(shí),破壞了土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤物理肥力損失,空氣、水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在土壤中存儲(chǔ)、運(yùn)移效率降低,造成了作物大幅減產(chǎn)[1-2]。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)效益層面,農(nóng)機(jī)壓實(shí)土壤的問(wèn)題幾乎無(wú)法避免[3-4]。因此,研究壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的恢復(fù)問(wèn)題,對(duì)改善農(nóng)田土壤質(zhì)量、保證作物產(chǎn)量并保障農(nóng)業(yè)機(jī)械化可持續(xù)發(fā)展具有重要的生產(chǎn)實(shí)踐意義[5]。

孔隙和團(tuán)聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要方面,當(dāng)前恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的非生物(耕作)或生物(生物耕作、凍融循環(huán)等)措施中,耕作最常見(jiàn)[5],通過(guò)旋耕或深松可快速破碎壓實(shí)土壤[1,6],但重構(gòu)的土體結(jié)構(gòu)松散[2],分解后的塊狀土仍結(jié)構(gòu)致密并缺乏孔隙[1],只是暫時(shí)創(chuàng)造了適合作物生長(zhǎng)的物理環(huán)境,極易被重新壓實(shí)[7];生物耕作則秉承“大孔隙優(yōu)先”原則,依靠覆蓋作物根系在密實(shí)土壤中穿插,獲得有利于后續(xù)作物生長(zhǎng)的生物孔隙[2, 8-9],優(yōu)先恢復(fù)了與大孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的土壤通氣與滲透性,但與孔隙相關(guān)性不大的結(jié)構(gòu)與功能則恢復(fù)較慢,如團(tuán)聚體,且該方式對(duì)覆蓋作物類型和土壤水分條件要求嚴(yán)[8];凍融循環(huán)等土壤結(jié)構(gòu)自然恢復(fù)方式[10],是利用土壤凍結(jié)時(shí)孔隙中水分發(fā)生相變形成冰晶體積膨脹對(duì)周?chē)┘拥膽?yīng)力[11-12],擠壓土壤顆粒和團(tuán)聚體至變形、開(kāi)裂[13]。JABRO等[14]針對(duì)表土層的研究證明,凍融循環(huán)可以降低壓實(shí)土壤的滲透阻力,改善土壤結(jié)構(gòu),是修復(fù)土壤壓實(shí)的有效方法。且凍融循環(huán)依賴氣候變化,無(wú)需投入,修復(fù)壓實(shí)土壤時(shí)不造成土壤結(jié)構(gòu)二次損失,但周期長(zhǎng)、作用深度淺[5,14-15]。王一菲等[16]認(rèn)為土壤溫度波動(dòng)是土壤凍結(jié)、融化的直接動(dòng)力,因此如何通過(guò)調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng)增強(qiáng)凍融循環(huán)在壓實(shí)土壤中的作用效果,是高效利用凍融循環(huán)等自然恢復(fù)力的關(guān)鍵。

壓實(shí)土壤中,自然恢復(fù)力發(fā)揮作用的方式分為兩大類[7]:自上而下和從局部到整體。自上而下,是單純利用土壤的自然恢復(fù)力(凍融循環(huán)等),優(yōu)先恢復(fù)表面土壤,然后逐步向底層發(fā)展。從局部到整體,是通過(guò)微擾動(dòng)土壤的操作(如生物耕作),首先創(chuàng)建部分大孔隙或裂縫,使之成為后續(xù)自然恢復(fù)力擴(kuò)張孔隙空間、分裂大尺度土壤團(tuán)聚體的基礎(chǔ)。SPOOR等[17]曾建議,利用小尺度刀具在結(jié)構(gòu)受損區(qū)制造裂縫,然后依靠土壤凍融作用完成壓實(shí)土壤修復(fù)。由于缺乏壓實(shí)土壤恢復(fù)數(shù)據(jù)及相應(yīng)機(jī)制研究,該方法一直沒(méi)有得到有效的評(píng)估。但有學(xué)者提出土壤初始結(jié)構(gòu)是凍融作用的主要影響因素之一[10]。MUNKHOLM等[18]的研究顯示,凍融作用下孔隙和裂紋優(yōu)先沿著長(zhǎng)且直的大孔隙空間傳播。根據(jù)KELLER等[7]“從局部到整體”的思想,以及生物耕作提倡的“大孔隙優(yōu)先”理念[2,8],本文提出凍融循環(huán)+大孔隙策略,通過(guò)優(yōu)先在壓實(shí)土壤中創(chuàng)建大孔隙,為凍融循環(huán)擴(kuò)充孔隙空間、分裂壓實(shí)團(tuán)聚體建立基礎(chǔ),達(dá)到調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng),增強(qiáng)土壤凍融作用的目的。

研究?jī)鋈谘h(huán)+大孔隙策略作用時(shí),很難直接利用生物耕作控制根系直徑、長(zhǎng)度、數(shù)量及其生長(zhǎng)方向等,在壓實(shí)土壤中制造大孔隙。眾多研究曾利用人工孔隙微擾動(dòng)土壤的特點(diǎn),模擬大孔隙,研究生物耕作對(duì)后續(xù)作物生長(zhǎng)的影響[8,19-20]。本研究擬采用人工孔隙措施實(shí)現(xiàn)生物耕作目的,在嘗試健全壓實(shí)土壤動(dòng)態(tài)恢復(fù)認(rèn)識(shí)的同時(shí),探討促進(jìn)凍融循環(huán)高效恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的策略及其可行性,明確人工孔隙在凍融循環(huán)過(guò)程中對(duì)調(diào)節(jié)土壤溫度的作用,以及凍融循環(huán)+大孔隙策略對(duì)恢復(fù)壓實(shí)土壤孔隙及團(tuán)聚體等的作用,為壓實(shí)土壤恢復(fù)提供新的思路與方法。

1 材料與方法

選擇沙質(zhì)壤土作為研究對(duì)象,其中沙粒(粒徑 0.02～2 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)62.1%、粉粒(粒徑 0.002～0.02 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.0%、粘粒(粒徑0～0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.9%、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.852%,重塑壓實(shí)土壤并基于人工孔隙措施創(chuàng)建大孔隙后,開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn),同時(shí)利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)土壤溫度波動(dòng),并通過(guò)對(duì)比凍融循環(huán)前后壓實(shí)土壤通氣孔隙與團(tuán)聚體分布情況,明確大孔隙在凍融循環(huán)過(guò)程中調(diào)節(jié)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)的作用。針對(duì)壓實(shí)土壤樣品,試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3方面因素:①有無(wú)人工孔隙。②樣品土壤含水率,包括80%田間持水率(80%Wh)和30%田間持水率(30%Wh)。③凍融循環(huán)次數(shù),分別為3、7、10次。同時(shí)設(shè)置無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤樣品為對(duì)照組,不參與凍融循環(huán)。

1.1 土樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用土壤取自山西省陽(yáng)泉市郊區(qū)河底鎮(zhèn)五架山萬(wàn)麗農(nóng)場(chǎng),玉米收獲后從田間將耕作層土壤(0～15 cm)取回實(shí)驗(yàn)室,剔除根系和石頭后,風(fēng)干、篩分,使土壤團(tuán)聚體粒徑小于2 mm[11]。按照汪攀峰等[21]的方法調(diào)配含水率為15%的土壤,在導(dǎo)熱性較差的PVC樣筒(外徑160 mm,內(nèi)徑150 mm,高度100 mm)中重塑密度為1.6 g/cm3的土壤,代表壓實(shí)土壤[19]。試驗(yàn)重復(fù)3次,共制備39個(gè)土壤樣品。

1.2 人工孔隙

參照李笑吟等[22]的方法,將土壤樣品置于盛水的容器中充分吸水飽和后稱量,將飽和土壤置于鋪有濾紙的干沙上去重力水后稱量,并利用兩者的質(zhì)量差值計(jì)算土壤通氣孔隙度。需要?jiǎng)?chuàng)建人工孔隙的18個(gè)土樣,按照?qǐng)D1所示方法,根據(jù)XIONG等[23]設(shè)置的人工孔隙密度(3 500個(gè)/m2),按照STIRZAKER等[24]提出的大型生物孔隙平均直徑(3.2 mm)選用直徑3 mm的不銹鋼針,完成人工孔隙創(chuàng)建,孔隙長(zhǎng)度為90 mm,數(shù)量為61個(gè)。人工孔隙創(chuàng)建需在土壤完成去重力水稱量后,既避免了人工孔隙在土壤飽和過(guò)程中坍塌,也減少了飽和狀態(tài)流動(dòng)土壤對(duì)人工孔隙的堵塞[25]。隨后,通過(guò)控制質(zhì)量保證所有參與凍融循環(huán)試驗(yàn)的土壤達(dá)到目標(biāo)含水率(80%Wh和30%Wh)后[20],用保鮮膜包裹并置于冷藏環(huán)境保存。人工孔隙的創(chuàng)建只新增了土壤的大孔隙體積,并沒(méi)有改變土壤的體積及總孔隙度[7],且通過(guò)計(jì)算可知,新增人工孔隙的大孔隙度僅為0.56%,可忽略不計(jì)。

圖1 人工孔隙創(chuàng)建示意圖Fig.1 Artificial macropore creating1.人工孔隙模板 2.土壤樣品 3.人工孔隙 4.直徑3 mm不銹鋼針 5.標(biāo)尺

1.3 土壤溫度監(jiān)測(cè)與凍融循環(huán)

開(kāi)始凍融循環(huán)前,首先將制備好的土壤樣品置于直徑160 mm的圓形保溫板上,同時(shí)按圖2a所示方式,將溫度傳感器內(nèi)嵌于保溫板,使傳感器與樣品下表面充分接觸。土壤溫度傳感器型號(hào)為PT100,尺寸7 mm×24 mm×3 mm,量程-60～270℃,保溫板型號(hào)S510,尺寸φ160 mm×30 mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.049 W/(m·K)。隨后,樣品及保溫板整體內(nèi)置于保溫絕熱桶內(nèi)(圖2b),只保留土壤上表面與空氣直接接觸。保溫絕熱桶由雙層鋁箔隔熱膜及保溫棉(保溫棉導(dǎo)熱系數(shù)0.032 W/(m·K))自制而成,以保證凍融循環(huán)試驗(yàn)階段土壤溫度變化均從上表面開(kāi)始。最后將土樣置于溫度可調(diào)的封閉設(shè)備中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)[13],根據(jù)中國(guó)氣象局2000—2023年山西省陽(yáng)泉市冬春季的平均晝夜溫度(圖3),試驗(yàn)采用-9℃凍結(jié)15 h、5℃融化9 h的方式完成凍融循環(huán),利用溫度傳感器及測(cè)試系統(tǒng)記錄土壤溫度波動(dòng),同時(shí)參考LIU等[13]的試驗(yàn)對(duì)相同參數(shù)的試驗(yàn)組樣品分別設(shè)置3、7、10次周期的凍融循環(huán)。

圖2 土壤樣品及溫度測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Soil samples and temperature testing system1.保溫板 2.溫度傳感器 3.土壤樣品 4.置樣保溫桶 5.標(biāo)尺 6.溫控儀

圖3 陽(yáng)泉市2000—2023年1、2月份日平均溫度Fig.3 Average daily temperature in January and February, 2000—2023, in Yangquan City

1.4 土壤通氣孔隙與團(tuán)聚體尺度分布

重復(fù)1.2節(jié)測(cè)量土壤飽和含水率和田間持水率的操作,計(jì)算土壤樣品的通氣孔隙度(有人工孔隙的樣品需減去人工孔隙度)。隨后將每個(gè)樣品完整地從樣筒中頂出,在潮濕的狀態(tài)下沿著土壤結(jié)構(gòu)面輕輕地掰開(kāi)、破碎,然后風(fēng)干。破碎過(guò)程中,注意避免造成土壤團(tuán)聚體的壓實(shí)。為了減少團(tuán)聚體的損失,采用干篩法對(duì)土壤進(jìn)行篩分,篩分尺度分別為 >7 mm、5～7 mm、3～5 mm、1～3 mm、0.25～1 mm、0～0.25 mm[26]。對(duì)各級(jí)團(tuán)聚體稱量后,計(jì)算平均團(tuán)聚體尺度(S,mm)[27]及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)系數(shù)K[26],其中K=A/B,A為尺度0.25～7 mm團(tuán)聚體總質(zhì)量,g;B為尺度大于7 mm或小于0.25 mm團(tuán)聚體總質(zhì)量,g。K值越高,土壤結(jié)構(gòu)越優(yōu),土壤整體的物理性狀越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度變化

整個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)在-9℃凍結(jié)15 h,5℃融化9 h環(huán)境中進(jìn)行,凍融循環(huán)過(guò)程中樣品土壤下表面溫度變化如圖4所示。由圖4可知,試驗(yàn)初期樣品土壤溫度隨環(huán)境溫度下降至0℃左右后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定地維持在0℃附近,且無(wú)人工孔隙土壤比有人工孔隙土壤維持0℃的時(shí)間更長(zhǎng)。高、低兩種含水率狀態(tài)下,有人工孔隙的壓實(shí)土壤分別在第3次和第2次凍融循環(huán)時(shí),土壤溫度開(kāi)始大幅度波動(dòng);而無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤分別到了第7次和第4次凍融循環(huán)時(shí),才發(fā)生溫度的大幅波動(dòng)。圖4a中第10次凍融循環(huán)時(shí),土壤溫度波動(dòng)的幅度才接近圖4b中第3次凍融循環(huán)時(shí)的土壤溫度波動(dòng)。由于水的比熱較大,土壤孔隙中水分在凍結(jié)過(guò)程中從液態(tài)到固態(tài)的相變,需要釋放大量熱量,只有土壤中所有水分全部相變,整體溫度才會(huì)隨環(huán)境溫度繼續(xù)下降。因此,有人工孔隙壓實(shí)土壤底層溫度變化至-4℃左右時(shí),無(wú)人工孔隙壓實(shí)土壤底層還停留在0℃附近,直到第7次凍融循環(huán)時(shí),底層溫度才降低至-3℃(圖4a、4b),實(shí)現(xiàn)了樣品土壤的完全凍結(jié)。對(duì)比 圖4a 與圖4c、圖4b與圖4d,凍融循環(huán)過(guò)程中無(wú)論有、無(wú)人工孔隙,高含水率狀態(tài)下土壤的溫度波動(dòng)均遲于低含水率土壤,說(shuō)明土壤含水率是影響土壤在凍融循環(huán)過(guò)程中溫度變化的關(guān)鍵因素,土壤含水率越高,凍結(jié)階段轉(zhuǎn)化冰晶所需釋放的熱量越多,同等條件下時(shí)間也就越長(zhǎng)。

2.2 通氣孔隙度變化

圖5為凍融循環(huán)前后,壓實(shí)土壤通氣孔隙的變化情況。從圖5可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,壓實(shí)土壤的通氣孔隙度呈增加趨勢(shì),這說(shuō)明凍融循環(huán)具備改善壓實(shí)土壤孔隙的能力,但第7次和第10次凍融循環(huán)之間,土壤通氣孔隙度的差異性并不顯著,這表明凍融循環(huán)過(guò)程也并非無(wú)限制地增加土壤通氣孔隙度。圖5表明,同等條件下高含水率壓實(shí)土壤的通氣孔隙度顯著高于低含水率土壤,但有人工孔隙的壓實(shí)土壤經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,通氣孔隙度顯著高于無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤,且有人工孔隙壓實(shí)土壤3次凍融循環(huán)后的通氣孔隙度均能達(dá)到無(wú)人工孔隙7次凍融循環(huán)的效果。結(jié)合圖4中有人工孔隙樣品土壤溫度波動(dòng)更早、波動(dòng)幅度更大的現(xiàn)象可知,壓實(shí)土壤中的人工孔隙,調(diào)節(jié)了凍融循環(huán)過(guò)程中的土壤溫度波動(dòng),加速了土壤水分相變的速度與程度,更充分地利用冰晶對(duì)土壤顆粒和團(tuán)聚體擠壓,有效擴(kuò)充了壓實(shí)土壤中的孔隙空間。

圖5 土壤通氣孔隙度Fig.5 Soil aeration porosity

2.3 團(tuán)聚體尺度變化

凍融循環(huán)前后,兩種含水率壓實(shí)土壤團(tuán)聚體尺度分布、平均團(tuán)聚體尺度與結(jié)構(gòu)系數(shù)分別如圖6、表1所示。未經(jīng)凍融循環(huán)的壓實(shí)土壤中,尺度大于 7 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84%,平均團(tuán)聚體尺度達(dá)18.91 mm,結(jié)構(gòu)系數(shù)只有0.16。從圖6、表1可知,凍融循環(huán)后,壓實(shí)土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)得到了有效改善。含水率為80%Wh時(shí)壓實(shí)土壤在3次凍融循環(huán)后,大于7 mm團(tuán)聚體在無(wú)人工孔隙和有人工孔隙的壓實(shí)土壤中,均得到了有效分裂,但不同孔隙條件壓實(shí)土壤的團(tuán)聚體尺度分布變化存在較大差異,有人工孔隙狀態(tài)下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%,明顯低于無(wú)人工孔隙狀態(tài)的60%,7次和10次凍融循環(huán)后,有人工孔隙壓實(shí)土壤中大于7 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨近于20%,而無(wú)人工孔隙該級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%和35%。在低含水率條件下,也存在同樣的情況。

表1 凍融循環(huán)前后壓實(shí)土壤的平均團(tuán)聚體尺度與結(jié)構(gòu)系數(shù)Tab.1 Mean aggregate scale and structure coefficient of compacted soils before and after freeze-thaw cycles

圖6 凍融循環(huán)前后壓實(shí)土壤團(tuán)聚體尺度分布Fig.6 Scale distributions of compacted soil aggregates before and after freeze-thaw cycles

圖6顯示,多次凍融循環(huán)后低含水率壓實(shí)土壤內(nèi)0～0.25 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高含水率高,且有人工孔隙土壤比無(wú)人工孔隙土壤變化更明顯。非飽和土壤中水分分布的主要場(chǎng)所是毛管孔隙與非活性孔隙[28-30],高含水率土壤中占據(jù)毛管孔隙的自由水比例較大,低含水率土壤非活性孔隙中束縛水比例較大,基于圖4中低含水率土壤比高含水率土壤在凍融循環(huán)過(guò)程中更早出現(xiàn)溫度大幅波動(dòng)的現(xiàn)象可知,低含水率土壤中土壤水分經(jīng)歷的凍結(jié)、融化次數(shù)更多,因此非活性孔隙等較小孔隙中水分相變對(duì)小尺度土壤團(tuán)聚體的分裂作用更為明顯。且低含水率狀態(tài)下,有人工孔隙壓實(shí)土壤比無(wú)人工孔隙壓實(shí)土壤多經(jīng)歷了2次凍融循環(huán)(圖4),故圖6d中尺度0～0.25 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3次凍融循環(huán)后就達(dá)到6%,圖6c中7次凍融循環(huán)后該尺度團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為7%。

表1顯示,凍融循環(huán)后有人工孔隙的壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)總體優(yōu)于無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤,且團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的顯著改善主要出現(xiàn)在3次和7次凍融循環(huán)后,7次和10次凍融循環(huán)后團(tuán)聚體參數(shù)間的變化并不顯著。凍融循環(huán)改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),主要依靠冰晶擠壓土壤顆粒或團(tuán)聚體形成的新孔隙及裂縫,分裂大尺度團(tuán)聚體。圖5中通氣孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)表明,兩種土壤含水率條件下,有、無(wú)人工孔隙壓實(shí)土壤在7次至10次凍融循環(huán)間,土壤通氣孔隙并無(wú)顯著性變化,這意味著,該階段壓實(shí)土壤內(nèi)部通過(guò)冰晶反復(fù)相變對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)或團(tuán)聚體間的空間擴(kuò)充作用并不明顯,相應(yīng)團(tuán)聚體的分裂也不顯著。KELLER等[7]認(rèn)為,土壤體積不增加,土壤總孔隙度不會(huì)變化,即有限次數(shù)的凍融循環(huán)只能通過(guò)減小更小尺度孔隙的體積,增加土壤通氣孔隙度、分裂團(tuán)聚體。所以,壓實(shí)土壤中的人工孔隙,可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤溫度變化、加速土壤水分相變,強(qiáng)化冰晶對(duì)周?chē)臄D壓作用,并通過(guò)擴(kuò)充土壤團(tuán)聚體內(nèi)或團(tuán)聚體間空間、分裂壓實(shí)團(tuán)聚體,達(dá)到改善壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)及其功能的效果。

表1中的結(jié)構(gòu)系數(shù)變化表明,低含水率壓實(shí)土壤3次凍融循環(huán)后的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),優(yōu)于高含水率壓實(shí)土壤凍融循環(huán)3次后的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),但7次和10次凍融循環(huán)后高含水率土壤結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于低含水率土壤。結(jié)合圖4可知,低含水率狀態(tài)下,有人工孔隙的壓實(shí)土壤在第2次凍融循環(huán)時(shí)就發(fā)生了大幅度的溫度波動(dòng),而同等條件下高含水率壓實(shí)土壤的大幅溫度波動(dòng)則出現(xiàn)在第3次。土壤溫度波動(dòng)是土壤凍結(jié)、融化的直接動(dòng)力[16],當(dāng)高含水率土壤第1次完全被凍結(jié)時(shí),低含水率土壤已經(jīng)在土壤水分與冰晶間相互變化的過(guò)程中完成了2次對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善。但是,土壤含水率是影響凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的主要因素之一,高含水率壓實(shí)土壤經(jīng)多次凍融循環(huán)后的土壤團(tuán)聚體參數(shù)較優(yōu)。

3 討論

凍融循環(huán)具備恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的作用,且土壤含水率是影響凍融循環(huán)改善壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的主要因素之一,這與文獻(xiàn)[5,13-15]的觀點(diǎn)一致。土壤溫度波動(dòng)是凍融循環(huán)發(fā)揮恢復(fù)壓實(shí)土壤作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因?yàn)闇囟仁怯绊懲寥乐兴窒嘧兊闹苯右蛩?凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)土壤的恢復(fù)是利用了土壤水分相變形成冰晶對(duì)周?chē)膽?yīng)力作用[11],大幅土壤溫度波動(dòng)出現(xiàn)越早,越有利于對(duì)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。壓實(shí)土壤中的人工孔隙可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng)的效果,有人工孔隙的壓實(shí)土壤只經(jīng)歷較少的凍融循環(huán)次數(shù),就可達(dá)到較優(yōu)的土壤孔隙及團(tuán)聚體狀態(tài),因此凍融循環(huán)+大孔隙策略首先具備了克服凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤周期長(zhǎng)的能力。

壓實(shí)土壤中的人工孔隙,有助于調(diào)節(jié)更深層土壤的溫度波動(dòng)。有人工孔隙的壓實(shí)土壤下表面更早地開(kāi)始了大幅土壤溫度波動(dòng),這意味著這種溫度波動(dòng)完全可以沿著土壤剖面繼續(xù)向下傳遞,影響更深層土壤的溫度變化,進(jìn)而通過(guò)土壤水分相變改善底層土壤結(jié)構(gòu)。這與MIRANDA-VéLEZ等[10]關(guān)于土壤初始結(jié)構(gòu)是凍融作用強(qiáng)弱的主要影響因素之一的說(shuō)法相符,凍融循環(huán)+大孔隙策略也具備了克服凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤作用深度淺的能力。

人工孔隙在凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤的過(guò)程中,只是起到了調(diào)節(jié)作用,土壤含水率等才是決定結(jié)構(gòu)恢復(fù)效果的關(guān)鍵因素。圖4顯示,低含水率條件下,有人工孔隙的壓實(shí)土壤出現(xiàn)溫度大幅波動(dòng)的時(shí)間最早,但經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后,高含水率條件下壓實(shí)土壤孔隙及團(tuán)聚體恢復(fù)更優(yōu)。因?yàn)閮鋈谘h(huán)過(guò)程中土壤水分相變的體積膨脹,是恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的真正動(dòng)力[13],含水率是影響凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的決定因素,人工孔隙只是通過(guò)調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng)改變凍融循環(huán)在土壤中的作用強(qiáng)度,加速了壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)的進(jìn)程。

此外,壓實(shí)將土壤顆粒從上向下移動(dòng),但土壤結(jié)構(gòu)的恢復(fù)并不意味著必須沿著同樣的路徑將土壤顆粒從下往上運(yùn)輸[7]?？紫逗蛨F(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最重要的兩方面,凍融循環(huán)增大了壓實(shí)土壤的通氣孔隙度,減小了其團(tuán)聚體平均尺度,但土壤的總孔隙度變化卻不大,因?yàn)閮鋈谘h(huán)過(guò)程中壓實(shí)土壤的體積并沒(méi)有變化,即土壤顆粒與團(tuán)聚體沒(méi)有發(fā)生從下往上的運(yùn)動(dòng)。生物耕作過(guò)程中根系對(duì)壓實(shí)土壤的穿插,也與此類似。但耕作利用刀具破碎土壤增加了土壤體積,改變了壓實(shí)土壤的孔隙與團(tuán)聚體分布情況[1-2, 6-7]。

本研究還存在以下不足:①為避免田間原狀土孔隙及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)各向異性對(duì)凍融循環(huán)+大孔隙策略理論基礎(chǔ)研究的影響,選擇使用重塑土進(jìn)行試驗(yàn),后期有必要基于原狀土及田間原位土壤繼續(xù)開(kāi)展研究。②為便于研究,試驗(yàn)只選擇了一種人工孔隙參數(shù),關(guān)于人工孔隙直徑、長(zhǎng)度、密度等參數(shù)對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程中土壤溫度及孔隙、團(tuán)聚體變化的影響,還有待進(jìn)一步明確。③ 凍融循環(huán)+大孔隙策略為凍融循環(huán)在壓實(shí)土壤中擴(kuò)充孔隙空間、分裂大尺度團(tuán)聚體建立了基礎(chǔ),但該策略調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng)、強(qiáng)化凍融循環(huán)作用的機(jī)制仍不明確,亟待探索。

4 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)過(guò)程中,有人工孔隙壓實(shí)土壤在高、低兩種含水率條件下,分別在第3次和第2次凍融循環(huán)時(shí)就開(kāi)始了大幅溫度波動(dòng),相同含水率條件下無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤溫度大幅波動(dòng)則出現(xiàn)在第7次和第4次凍融循環(huán)時(shí),人工孔隙在凍融循環(huán)過(guò)程中起到了調(diào)節(jié)壓實(shí)土壤溫度波動(dòng)的作用,提前了土壤溫度大幅波動(dòng)的時(shí)間。

(2)有人工孔隙的壓實(shí)土壤經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后,通氣孔隙與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的改善顯著優(yōu)于無(wú)人工孔隙的壓實(shí)土壤,甚至有人工孔隙壓實(shí)土壤3次凍融循環(huán)后的通氣孔隙度即可達(dá)到無(wú)人工孔隙7次凍融循環(huán)的效果, 凍融循環(huán)+大孔隙可改善土壤孔隙及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。

(3)土壤含水率是影響凍融循環(huán)恢復(fù)壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的決定因素,人工孔隙通過(guò)調(diào)節(jié)土壤溫度波動(dòng)改變凍融循環(huán)在土壤中的作用強(qiáng)度,加速了壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)進(jìn)程。