凍融交替后不同尺度黑土結(jié)構(gòu)變化特征

王恩姮，趙雨森，夏祥友，陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 哈爾濱 150040)

凍融交替后不同尺度黑土結(jié)構(gòu)變化特征

王恩姮，趙雨森，夏祥友，陳祥偉*

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 哈爾濱 150040)

凍融交替是改變黑土結(jié)構(gòu)、加劇土壤侵蝕的重要因子。以典型黑土區(qū)耕作土壤為研究對(duì)象，采用野外季節(jié)性?xún)鋈谘h(huán)與室內(nèi)模擬凍融循環(huán)相結(jié)合、X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)與掃描電子顯微鏡(SEM)相結(jié)合的方法，通過(guò)水分物理性質(zhì)、團(tuán)聚體破壞率、孔隙數(shù)目、孔隙面積、孔隙成圓率、孔隙Feret直徑的測(cè)定與分析，研究了凍融交替后0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm 3個(gè)土層以及田間季節(jié)性?xún)鋈诃h(huán)刀、室內(nèi)模擬凍融CT掃描和室內(nèi)模擬凍融SEM3種方式下黑土結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律。結(jié)果表明：凍融交替能夠?qū)Σ煌翆雍筒煌叨鹊母睾谕两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。季節(jié)性?xún)鋈诤螅韺油寥廊葜厣?，非毛管孔隙度和持水能力顯著降低(P<0.05)，40—80 cm土層團(tuán)聚體破壞率增加40.97%(P<0.05)，土壤抗蝕性有所削弱，120—160 cm土壤沒(méi)有受到季節(jié)性?xún)鋈诘娘@著影響。CT掃描尺度上，3個(gè)土層均以1—2 mm徑級(jí)的孔隙數(shù)目為最多，形狀也相對(duì)規(guī)則、接近圓形；凍融循環(huán)沒(méi)有對(duì)表層土壤大孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，卻能夠顯著降低40—80 cm土層范圍內(nèi)大孔隙面積以及Feret直徑(P<0.05)。SEM掃描顯示凍融后土壤表面粗糙度增加，顆粒松散、脫離，孔壁斷裂，證明了凍融交替對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)的破壞作用；同時(shí)結(jié)合電子能譜的元素分析可知凍融交替能夠改變土壤顆粒表面化學(xué)特征。

凍融交替; 土壤微結(jié)構(gòu); CT; SEM

凍融交替現(xiàn)象普遍存在于北半球中、高緯度地區(qū)及高海拔地區(qū)，是影響該區(qū)土壤生態(tài)的重要因素之一[1- 2]。能夠較為強(qiáng)烈地影響土壤物理結(jié)構(gòu)[3- 4]，進(jìn)而改變土壤生物區(qū)系特征[5- 6]，越來(lái)越多的研究也表明凍融交替區(qū)是CO2和N2O等溫室氣體的重要釋放源[7- 8]。同時(shí)，凍融交替對(duì)改善土壤環(huán)境起著積極的作用，能夠調(diào)節(jié)土壤的緊實(shí)度[9]，釋放有效養(yǎng)分，提高土壤的可耕性等[10]。但凍融交替也是改變土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而誘發(fā)土壤侵蝕的主要過(guò)程之一，尤其是在土壤下層存在凍層和滯水層的情況下[11- 14]。凍融循環(huán)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與功能的影響極其復(fù)雜，迄今尚無(wú)共識(shí)的結(jié)論[15]。

我國(guó)黑土區(qū)主要分布在東北松嫩平原東部及北部的山前臺(tái)地，每年經(jīng)歷6—8個(gè)月的季節(jié)性?xún)鋈?，由于傳統(tǒng)耕作方式和理念的限制，大部分耕地在漫長(zhǎng)的冬季幾乎為裸地，與免耕系統(tǒng)以及秸稈還田的耕地相比，凍融強(qiáng)度和頻度有所增強(qiáng)，改變土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律[16]。20世紀(jì)90年代的研究表明，黑土區(qū)侵蝕溝溝頭的溯源侵蝕速率為每年1 m左右，近年在典型黑土區(qū)個(gè)別侵蝕溝的前進(jìn)速度可達(dá)12 m/a[17- 18]。張永光等指出黑土區(qū)初春融雪后地表裸露，在表層土壤解凍以及存在季節(jié)性?xún)鐾翆拥那闆r下，伴隨降雨的共同作用是加劇黑土區(qū)侵蝕的主要原因[19]。胡剛等人也提出了黑土區(qū)“冬季坍塌沉積，春季降雨沖刷”的侵蝕模式[18]。除了表層土壤結(jié)構(gòu)受凍融交替的影響之外，土體內(nèi)部水分運(yùn)移以及熱量的動(dòng)態(tài)變化也將影響下層土壤結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而造成潛在的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)[20]。然而關(guān)于東北黑土區(qū)凍融交替對(duì)土壤結(jié)構(gòu)尤其是對(duì)微結(jié)構(gòu)影響方面的研究至今卻鮮有報(bào)道。

本研究采用野外季節(jié)性?xún)鋈诮惶嬉约笆覂?nèi)模擬凍融循環(huán)相結(jié)合的方法，借助X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影(computerized tomography，CT)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)手段[21- 22]，以期實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán)交替對(duì)不同深度和不同尺度黑土結(jié)構(gòu)的研究，揭示季節(jié)性?xún)鋈趯?duì)黑土結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律，為黑土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的演變以及土壤侵蝕機(jī)理方面的研究提供證據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省西北部克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(chǎng) (48°12′ — 48°23′N(xiāo), 125°8′ — 125°37′E)，屬克拜漫川漫崗地帶，海拔 240 — 340 m，平均坡度 3°。區(qū)域內(nèi)土壤類(lèi)型以粘化濕潤(rùn)均腐土占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只在部分低洼處鑲嵌分布少量的草甸土，屬典型黑土區(qū)[23]。該區(qū)溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，年均氣溫0.9 ℃，≥10 ℃ 有效積溫 2296.2 ℃，年均降水量501.7 mm，年均蒸發(fā)量 1329. 4 mm，無(wú)霜期115 d，土壤凍結(jié)期從10月中旬至翌年6月末，最大凍結(jié)深度可達(dá) 2.5 m。

1.2 樣品采集與制備

為進(jìn)一步證明和解釋典型黑土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)對(duì)季節(jié)性?xún)鋈谘h(huán)的相應(yīng)規(guī)律，以及凍融交替對(duì)誘發(fā)溝蝕、加劇侵蝕溝發(fā)展的潛在影響，于2009年10月初，以黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)13連隊(duì)區(qū)內(nèi)侵蝕溝為研究對(duì)象，沿著土壤剖面層次清晰的侵蝕溝壁，修整取樣剖面。在0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm土層范圍內(nèi)用環(huán)刀(100 cm3)采集原狀土樣，在取樣層內(nèi)再進(jìn)行機(jī)械法分層，每10 cm一層，各取3個(gè)環(huán)刀，每40 cm的取樣層共計(jì)12個(gè)重復(fù)；并在采樣點(diǎn)附近取非原狀土，分別以供季節(jié)性?xún)鋈谇八治锢硇再|(zhì)以及團(tuán)聚體破壞率的測(cè)定。同時(shí)采用自制內(nèi)徑和高分別為10 cm的有機(jī)玻璃管進(jìn)行原裝土柱的取樣，每層重復(fù)取樣3次，以供模擬凍融試驗(yàn)所用。將取于0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm范圍內(nèi)的有機(jī)玻璃管原狀土柱浸泡(水面與有機(jī)玻璃管上沿平齊)在水中12 h進(jìn)行飽和處理，然后將土柱取出平置于3 cm高的沙子層上自然滲水2 h，水分處理后將原狀土柱樣品置于自動(dòng)循環(huán)低溫凍融箱內(nèi)(型號(hào)DRX-Ⅰ)進(jìn)行凍融循環(huán)處理，循環(huán)次數(shù)為6次，每次凍融循環(huán)歷時(shí)15 h，其中凍結(jié)時(shí)間為12 h，解凍時(shí)間為3 h，凍結(jié)最低溫度為-20 ℃，解凍最高溫度為5 ℃。從上至下，3個(gè)土層樣品在進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)的初始平均體積含水量依次為31.71%、34.36%和23.77%。于2010年6月末季節(jié)性?xún)鋈谕耆Y(jié)束后，在侵蝕溝壁第一次采樣點(diǎn)附近進(jìn)行環(huán)刀原狀土和非原狀土取樣，以供季節(jié)性?xún)鋈诤笏治锢硇再|(zhì)以及團(tuán)聚體破壞率的測(cè)定，團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)= 100%×大于0.25 mm水穩(wěn)團(tuán)聚體(g)/大于0.25 mm風(fēng)干團(tuán)聚體(g)[24]。所采土樣質(zhì)地為粘壤土，pH為6.2，3個(gè)土層有機(jī)質(zhì)和粘粒含量至上而下依次為6.5%、4.6%、2.4%和33.1%、39.1%、36.5%。

1.3 CT掃描與處理

1.3.1 CT掃描

試驗(yàn)采用的是黑龍江省中醫(yī)藥大學(xué)CT掃描中心，美國(guó)GE公司生產(chǎn)的Lightspeed16排螺旋CT掃描儀，空間分辨率為0.275 mm。掃描參數(shù)為：電壓140 kV，電流60 mA，掃描間隔1.5 s，掃描層厚2 mm，窗寬(顯示圖像時(shí)所選用的CT值范圍)和窗位(窗寬上、下限CT值的平均數(shù))均為1300。對(duì)每個(gè)土柱樣品進(jìn)行橫斷面掃描，掃描位置為中心線1次，中心線兩側(cè)每隔10 mm掃描1次，各3次，共7次，以下數(shù)據(jù)的分析均采用7次掃描的平均結(jié)果。

1.3.2 圖像處理

將原始的CT圖像以*.JPG文件形式保存(圖1A)，在Photoshop軟件中將每一個(gè)橫斷面CT掃描圖像切割成214×214像素的中心方塊(圖1B)，對(duì)應(yīng)的實(shí)際邊長(zhǎng)為7.55 cm，仍以*.JPG文件形式保存。應(yīng)用ImageTool3.0軟件再次將圖像轉(zhuǎn)化為只有孔隙(黑色)和固體顆粒(白色)的灰度圖像(圖1C)。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，首先對(duì)含有已知大小的大孔隙的原狀土柱進(jìn)行CT掃描，然后手動(dòng)設(shè)定閾值(Processing → Threshold →Manual)，反復(fù)調(diào)試，直至圖像中的孔隙直徑與已知孔隙直徑最相近為宜。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)設(shè)定閾值(Processing → Threshold → Automatic)后的孔隙大小更接近已知孔隙，所以閾值采用自動(dòng)設(shè)置法。閾值設(shè)定后，通過(guò)對(duì)已知孔隙直徑的測(cè)量，設(shè)置度量單位(Setting → Calibrate Spatial Measurement)，作為圖像定量處理的依據(jù)。

圖1 灰度圖像二值化處理Fig.1 Segmentation of gray-scale CT images

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)ImageTool3.0軟件的查找功能(Analysis→Find Objects→Automatic)和分析功能(Analyze Analysis→Object Analysis → Analyze)，獲得每一個(gè)可以識(shí)別的孔隙的定量參數(shù)。以Feret直徑(經(jīng)過(guò)不規(guī)則物體的中心，任意方向每隔10°的36個(gè)直徑平均值)為孔隙徑級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，選擇孔隙數(shù)目、面積和成圓率(4πA/P2，式中A是孔隙面積；P是孔隙周長(zhǎng)，成圓率為1時(shí)，孔隙為圓形)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)原狀土柱內(nèi)不同徑級(jí)(<0.5 mm、0.5—1 mm、1—2 mm、2—5 mm和≥5 mm)孔隙的大小和形狀進(jìn)行分析。采用SPSS11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 SEM掃描與處理

模擬凍融循環(huán)前后，將土柱從有機(jī)玻璃管中小心推出，沿著自然紋理用手將土柱輕輕掰成約為1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的土塊，每個(gè)土塊至少保證一個(gè)面的紋理自然，沒(méi)有受到人為掰修過(guò)程的擠壓。將修整好的土塊放入瑞士BAL-TEC公司生產(chǎn)的SCD 005型離子濺射儀進(jìn)行噴金處理，采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Quanta200型，附帶 X 射線能譜儀的掃描電子顯微鏡觀察不同土層凍融前后微形態(tài)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性?xún)鋈诤蠛谕疗拭娼Y(jié)構(gòu)變化特征(田間環(huán)刀尺度)

季節(jié)性?xún)鋈趯?duì)不同土層結(jié)構(gòu)特征影響程度不同，0—40 cm范圍內(nèi)的土層經(jīng)過(guò)一季的凍融循環(huán)總孔隙度顯著降低，通過(guò)非毛管孔隙/毛管孔隙的比值以及毛管持水量的變化進(jìn)一步可知，季節(jié)性?xún)鋈谘h(huán)能夠顯著減少表層土壤的非毛管孔隙和毛管孔隙的比例，且非孔隙減小的幅度更大，雖然團(tuán)聚體破壞率有所增加，但是差異未達(dá)顯著水平。與表層土壤相比，40—80 cm范圍內(nèi)的土壤對(duì)季節(jié)性?xún)鋈诟鼮槊舾?，容重在季?jié)性?xún)鋈诤箫@著降低，團(tuán)聚體破壞率相對(duì)凍融前提高了40.97%(P<0.05)，由此可見(jiàn)季節(jié)性?xún)鋈谙魅趿嗽搶油寥赖目刮g性。雖然總孔隙度、非毛管/毛管孔隙沒(méi)有明顯變化，但是飽和持水量和毛管持水量顯著提高，這與該層粘粒含量高有關(guān)，增加了比表面積，持水能力增強(qiáng)。當(dāng)土層深超過(guò)120 cm時(shí)，各水分物理性質(zhì)指標(biāo)以及大于0.25mm團(tuán)聚體破壞率沒(méi)有受到季節(jié)性?xún)鋈诘娘@著影響。

表1 模擬凍融循環(huán)前后水分物理性質(zhì)及團(tuán)聚體破壞率

不同大寫(xiě)字母表示同土層凍融前后差異顯著，P<0.05. NCP / CP = Non capillary porosity / capillary porosity, PAD0.25=Percentage of aggregate (> 0.25mm) disruption.

2.2 模擬凍融循環(huán)條件下黑土孔隙結(jié)構(gòu)變化特征(CT掃描尺度)

凍融循環(huán)后，表層0—40 cm范圍土層的大孔隙結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，雖然孔隙數(shù)目、面積和Feret直徑略有降低但并均未達(dá)到顯著水平，成圓率略有增加，孔隙的形狀更加不規(guī)則(表2)。與表層土壤不同，40—80 cm范圍土層于凍融前后大孔隙數(shù)量幾乎沒(méi)有增減，孔隙形狀也沒(méi)有顯著變化，但孔隙大小的變化差異明顯，面積從凍融前的12.22 mm2減小至6.51 mm2，F(xiàn)eret直徑則相應(yīng)從2.31 mm降低至1.91 mm(P<0.05)。對(duì)于120—160 cm范圍土層而言，凍融循環(huán)降低了大孔隙數(shù)目(P<0.05)，但對(duì)孔隙的大小和形狀均無(wú)顯著影響，與田間季節(jié)性?xún)鋈诘慕Y(jié)果一致(表1)。

表2 凍融前后孔隙平均參數(shù)的變化

不同大寫(xiě)字母表示同土層凍融前后差異顯著，P<0.05.

如表3所示，凍融循環(huán)對(duì)40—80 cm土層范圍內(nèi)各個(gè)徑級(jí)的孔隙數(shù)目沒(méi)有顯著影響，但0—40 cm土層內(nèi)≥5 mm的孔隙和120—160 cm土層內(nèi)<1 mm的孔隙數(shù)目則有所減少(P<0.05)。1—5 mm的孔隙數(shù)目在全剖面范圍內(nèi)凍融循環(huán)前后均差異顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)土層在凍融循環(huán)前后均是中間徑級(jí)的孔隙數(shù)目較多，以1—2 mm的孔隙最多，>5 mm的孔隙最少。

表3 凍融前后各徑級(jí)孔隙數(shù)目的變化

不同大寫(xiě)字母表示同土層凍融前后差異顯著，P<0.05

凍融循環(huán)對(duì)各個(gè)徑級(jí)孔隙平均面積的影響如表4所示，僅有40—80 cm土層內(nèi)1—2 mm和>5 mm的孔隙面積變化顯著，分別較凍融循環(huán)以前降低了9.58%和42.19%(P<0.05)，對(duì)其他土層、其他徑級(jí)的孔隙面積沒(méi)有明顯的影響，由此也進(jìn)一步說(shuō)明40—80 cm土層對(duì)季節(jié)性?xún)鋈诮惶娴拿舾谐潭扰c其上下土層相比，更為明顯。

表4 凍融前后各徑級(jí)孔隙平均面積的變化

不同大寫(xiě)字母表示同土層凍融前后差異顯著，P<0.05

成圓率是表示不規(guī)則圖形接近標(biāo)準(zhǔn)圓形的程度，成圓率越接近1說(shuō)明不規(guī)則圖形越近似圓形。由表5可知，凍融循環(huán)處理能夠小幅度改變各個(gè)徑級(jí)孔隙的成圓率，但是都沒(méi)有達(dá)到顯著水平，僅有表層1—2 mm的孔隙成圓率顯著增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，中間徑級(jí)的孔隙成圓率較為接近1，以1—2 mm的孔隙形狀最接近圓形，其次是0.5—1 mm徑級(jí)的孔隙，較大徑級(jí)和較小徑級(jí)的孔隙成圓率與1的差值逐漸增加，說(shuō)明其孔隙形狀越來(lái)越不規(guī)則。

表5 凍融前后徑級(jí)孔隙成圓率的變化

不同大寫(xiě)字母表示凍融前后差異顯著，P<0.05

2.3 模擬凍融循環(huán)條件下黑土微形態(tài)變化特征(SEM掃描尺度)

由凍融前的SEM圖像可以直觀看出黑土剖面不同層次土壤的微結(jié)構(gòu)，并且能夠粗略判斷黑土剖面粘土礦物的類(lèi)型。0—40 cm表層土壤中清晰可見(jiàn)腐殖質(zhì)與絮片狀粘粒物質(zhì)連成松散的團(tuán)聚體和殘存著的半分解有機(jī)質(zhì)，腐殖質(zhì)化較強(qiáng)(圖2a)；次生粘土礦物主要以云母為主，并伴有原生石英的殘存體(圖2b，c)。凍融前紋理清晰，結(jié)構(gòu)性、完整性好，模擬凍融循環(huán)6次以后，則出現(xiàn)明顯的裂隙(圖2d，e)，出現(xiàn)蜂窩狀突起(圖2e，f)，表面粗糙度增加，小骨骼顆粒較凍融前松散，并表現(xiàn)出脫離的跡象。

如圖3所示，40—80 cm土層細(xì)骨骼顆粒排列緊密有序，細(xì)粒物質(zhì)定向性不明顯(圖3b，c)，并伴有非常明顯的片層狀特征(圖3a)，由此也印證了該層粘粒含量相對(duì)較高，比表面積大的特性。凍融循環(huán)后，土體表面出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的裂隙(圖3d，f)，同時(shí)也有疑似孔道的蜂窩狀突起出現(xiàn)(圖3f)并伴隨骨骼顆粒的定向性趨勢(shì)，有較細(xì)顆粒松散脫落或重新排列(圖3)。

圖2 凍融循環(huán)6次后0—40 cm 土層SEM 圖像(a—c 為凍融前；d—f為凍融后)Fig.2 SEM images from 0—40 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles

圖3 凍融循環(huán)6次后40—80 cm土層 SEM 圖像(a—c 為凍融前；d—f為凍融后)Fig.3 SEM images from 40—80 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles

如圖4所示，120—160 cm 土層土壤骨骼顆粒排列更加緊密(圖4a)，絮凝狀特征明顯并伴有團(tuán)聚形體的塊體出現(xiàn)(圖4c)，由于更靠近發(fā)育母質(zhì)，次生礦物和原生礦物結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)(圖4b)。凍融循環(huán)6次以后，絮凝狀表面被破壞(圖4d)，孔道增加，孔壁粗糙(圖4e)，有明顯斷裂和重新排列的特征(圖4f)。

通過(guò)進(jìn)一步分析對(duì)季節(jié)性?xún)鋈诮惶孀顬槊舾械?0—80 cm土層范圍內(nèi)各元素組成比例的變化可知(圖5)，凍融循環(huán)并沒(méi)有對(duì)土壤顆粒表面C元素的含量產(chǎn)生影響，由于典型黑土剖面通體Ca含量較少，也沒(méi)有在凍融前后發(fā)生變化，但其他陽(yáng)離子含量在凍融循環(huán)6次以后均有不同程度的增加，其中以Fe元素增加的幅度為最大，各種陽(yáng)離子總增加量等于氧元素含量的降低量。氧元素與Si、Al、Fe、Mg等元素在土壤層狀硅酸鹽粘土礦物和粘粒氧化物中的組合、結(jié)構(gòu)決定著粘粒礦物的類(lèi)型、表面活性等一系列主要性質(zhì)。在各種陽(yáng)離子與O2-陰離子鍵結(jié)合成的硅酸鹽和氧化物礦物的結(jié)構(gòu)里，陽(yáng)離子都是填充在O2-陰離子的間隙之中[25]，因此，氧元素以及其他元素含量的變化可以作為凍融循環(huán)改變土壤微結(jié)構(gòu)和土壤顆粒表面化學(xué)特征的間接證據(jù)。

圖5 模擬凍融前后40—80 cm土壤元素組成的變化Fig.5 Element change from 40—80 cm before and after freeze and thaw cycles

3 討論與結(jié)論

凍融交替能夠?qū)Σ煌疃群筒煌叨鹊母睾谕两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響。季節(jié)性?xún)鋈诤螅镩g表層(0—40 cm)土壤總孔隙度顯著減少，且非毛管孔隙減小的幅度較大，持水能力迅速減弱；這與溫美麗以及筆者前期的研究結(jié)果一致，即多次凍融循環(huán)能夠使疏松的黑土土壤結(jié)構(gòu)變緊實(shí)，同時(shí)使緊實(shí)的黑土土壤結(jié)構(gòu)變得疏松，使土壤容重趨于一致[26- 27]。40—80 cm土層的土壤孔隙沒(méi)有顯著變化，但是團(tuán)聚體破壞率大幅降低，土壤抗蝕性有所削弱；這可能與該層粘粒含量有關(guān)系，Zhao等在相同區(qū)域的研究結(jié)果表明，相對(duì)表層土壤和1 m以下的土層而言，50—70 cm粘化層土壤對(duì)季節(jié)性?xún)鋈陧憫?yīng)最為強(qiáng)烈，無(wú)論是坡上還是坡下，團(tuán)聚體破壞率均在凍融前后發(fā)生了顯著的變化[28]。而120—160 cm土層的孔隙結(jié)構(gòu)以及團(tuán)聚體破壞率沒(méi)有受到季節(jié)性?xún)鋈诘娘@著影響，這與農(nóng)田黑土水分動(dòng)態(tài)的垂直變化有關(guān)。由于凍結(jié)過(guò)程中土壤水分在垂直方向上的再分配，1 m以?xún)?nèi)的土壤含水量和持水能力會(huì)發(fā)生較大的變化，而120—200 cm或者更深的土層，常年保持濕潤(rùn)狀態(tài)，土壤體積含水量的增減不超過(guò)6%—7%，主要受土壤母質(zhì)的物理作用力控制，受生物-氣候因素的影響較小[29- 30]。

模擬凍融循環(huán)后，CT掃描尺度上， 40—80 cm土層的平均孔隙面積顯著降低，這與田間尺度的研究結(jié)果相吻合，也是導(dǎo)致季節(jié)性?xún)鋈诤蠛谕链怪逼拭嫘耐翆訙脑騕30- 31]。120—160 cm土層的平均孔隙大小與形狀同樣沒(méi)有受到凍融循環(huán)的顯著影響，這可能與樣品本身的孔隙度小、含水量低有關(guān)系；在同一凍融溫差下，低含水量土壤經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后孔隙結(jié)構(gòu)的變化較小[32]。3個(gè)土層范圍內(nèi)雖然隨著孔隙徑級(jí)的增大，相應(yīng)的孔隙面積也逐漸增加，但是卻以中間徑級(jí)1—2 mm孔隙數(shù)目最多，形狀也最規(guī)則、接近圓形，隨著孔隙徑級(jí)的增大或者減小，孔隙數(shù)目和面積逐漸減少，這個(gè)徑級(jí)的孔隙可能是凍融過(guò)程中水分垂直運(yùn)移的主要通道。SEM掃描尺度上，凍融前3個(gè)土層的土壤微結(jié)構(gòu)紋理清晰，結(jié)構(gòu)性、完整性好，凍融后表面粗糙度增加，出現(xiàn)蜂窩狀突起，并伴有小骨骼顆粒松散、脫離的現(xiàn)象，也有明顯的孔壁斷裂和重新排列的特征；雖然不能量化SEM掃描的結(jié)果，但是結(jié)合40—80 cm土層的能譜分析中氧元素以及其他陽(yáng)離子含量的變化，可以間接證明凍融循環(huán)對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)和土壤顆粒表面化學(xué)特征的影響。黑土區(qū)粘土礦物以2∶1型的蒙脫石為主，脹縮性大，凍融過(guò)程中隨著水分的進(jìn)出，晶層脹縮、晶格開(kāi)放，粘土礦物吸附的陽(yáng)離子暴露，致使在能譜分析時(shí)更易捕獲，表現(xiàn)出較高的含量。但凍融循環(huán)是否能夠破壞粘土礦物晶格的基本構(gòu)型，還需從土壤化學(xué)和礦物學(xué)的角度進(jìn)行深入研究。

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Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales

WANG Enheng, ZHAO Yusen, XIA Xiangyou, CHEN Xiangwei*

NortheastForestryUniversity,CollegeofForestry,Harbin150040,China

Alternating freezing and thawing is a critical factor associated with soil structure change and accelerates soil erosion in the black soil region of Northeast China. Based on the soils sampled from fields of the black soil region, the effects of freeze-thaw cycles on soil structure at different soil depths (0—40 cm, 40—80 cm, 120—160 cm) and size scales (field core sampling scale of seasonal freeze-thaw cycles, computerized tomography [CT] scale of artificial freeze-thaw cycles, and scanning electron microscope [SEM] scale of artificial freeze-thaw cycles) were studied. We measured and analyzed the hydro-physical properties, percentage of aggregate disruption (PAD), pore number, pore area, pore roundness, and Feret diameter of pores in the field and lab by using CT and SEM methods. Results showed that: freeze and thaw alternation affected black soil structure from different soil depths and different size scales both in seasonal field condition and artificial freeze and thaw cycles condition. At the scale of seasonal freeze-thaw cycles, bulk density of top soil (0—40 cm) increased, total porosity decreased significantly, with non capillary porosity decreasing dramatically. Water holding capacity decreased consequently(P<0.05). Within the soil depth of 40—80 cm, bulk density and porosity did not change significantly, but PAD increased by 40.97%(P<0.05)resulting in weak erosion resistance. Hydro-physical properties and aggregate breakdown characterization of soils in the depth range of 120—160 cm were not changed significantly by seasonal freeze and thaw cycles. At the size scale of CT, the alternation did not change the characterization of macro pores in 0—40 cm but significantly reduced the average pore area, roundness and diameter after freeze and thaw cycles. While the average area and diameter decreased significantly in the 40—80 cm depth, this might result in poor infiltration and water movement to the subsoil. Pore area of 1—2 mm and >5 mm decreased 9.58% and 42.19% (P<0.05), respectively. Structure of soils from 120—160 cm underwent by artificial freeze-thaw cycles showed similar results as field scale did, were not affected significantly by alternate artificial freeze and thaw cycles. The number of pores with diameter between 1 and 2 mm was predominant the pore size distribution through three soil depths. At the scale of SEM, the roughness of the soil surface and alveolate cells were significantly increased; we also observed micro-aggregate displacement and rearrangement, and disruption of the pore walls. Integrating electron spectroscopy results of 40—80 cm depths, carbon and calcium did not change after 6 freezing and thawing cycles, but oxygen group elements decreased. Magnesium, silicon, aluminum, potassium and iron elements increased to different degrees, and the total increment equaled to the decrease quantity of oxygen group element. The packing arrangement of oxygen group elements and metallic oxide are the key factors to determine the type and surface chemistry of soil clay minerals, so the amount of change in oxygen group and other elements gives indirect evidence that freeze and thaw cycles can affect soil microstructure. But to determine whether or not freeze and thaw cycles would change the crystal lattice structure of clay minerals, further research will be needed and must be approached from the view of soil chemistry and minerology.

Freeze-thaw cycles; Soil microstructure; CT; SEM

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271293)；國(guó)家自然科學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41302222)資助

2013- 07- 03;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201307031829

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenxwnefu@163.com

王恩姮，趙雨森，夏祥友，陳祥偉.凍融交替后不同尺度黑土結(jié)構(gòu)變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6287- 6296.

Wang E H, Zhao Y S, Xia X Y, Chen X W.Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):d.