凍融對(duì)伊犁草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響

徐 俏，崔 東，王興磊，朱振華

(1.污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，伊犁師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范學(xué)院生物與地理科學(xué)學(xué)院， 新疆 伊寧 835000； 3.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

草地在人類的生產(chǎn)和生活、自然環(huán)境的保護(hù)與改善中發(fā)揮著其它生態(tài)系統(tǒng)所不可取代的重要作用，而草地土壤質(zhì)量、健康程度和土壤侵蝕對(duì)草地生態(tài)安全顯得尤為重要。土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元是土壤團(tuán)聚體，被認(rèn)為是土壤重要的物理屬性之一[1]，也是土壤健康程度與土壤質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[2]。在生態(tài)系統(tǒng)中許多過(guò)程和功能都與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有著緊密的聯(lián)系，不僅土壤的空隙性、持水性和抗侵蝕性受它影響，土壤質(zhì)量、肥力以及后續(xù)利用等都受到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，土壤團(tuán)聚體對(duì)完善土壤功能、改善土壤的理化環(huán)境也具有重要作用[3-4]。然而人類活動(dòng)和自然因素影響著作為土壤基本結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，如降雨[5]、墾殖[6]、土地利用方式[7]和凍融作用[8]等。

有關(guān)研究表明，凍融作用中土壤初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度對(duì)土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響，會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生不穩(wěn)定效應(yīng)[9]。伊犁河谷夏季短，冬季長(zhǎng)，春季升溫快但不穩(wěn)定，秋季降溫迅速[10]。由于海拔高，氣溫低，冬季凍結(jié)，夏季消融，多年凍土類型少，溫度發(fā)生周期性的正負(fù)變化，產(chǎn)生一系列的應(yīng)力變化，例如在凍土層發(fā)生流變、融沉、凍脹等[11]，同時(shí)一部分土壤存在于一直在發(fā)生位移和相變的凍土層中的地下冰和地下水中[12]，使得伊犁產(chǎn)生季節(jié)性凍融。草地不僅是伊犁生態(tài)系統(tǒng)的主體與伊犁河谷綠色生態(tài)屏障，而且還是畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，草地在伊犁河谷水土保持、防風(fēng)固沙、保持生物多樣性、維持生態(tài)平衡以及生產(chǎn)生物產(chǎn)品，滿足人類物質(zhì)生活中具有重要作用[13]。因此本研究在不同初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度的條件下，初步探究?jī)鋈谧饔脤?duì)伊犁草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響，以期能夠?yàn)橐晾绮莸厣鷳B(tài)保護(hù)建設(shè)以及水土保持提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁哈薩克自治州托乎拉蘇大草原(81°38′22″E，44°14′59″N)海拔1 640 m，年平均氣溫約為9℃，其中最低溫度為-39.5℃，年均有效積溫2 550℃，年均降水量340 mm[14]，年平均日照時(shí)數(shù)為2 900 h，年均蒸發(fā)量為1 621 mm，一整年太陽(yáng)總輻射量為134.5 kW·cm-2，無(wú)霜期為163 d，地下水埋深20～30 m。氣候特征既有極熱的夏季，又有酷寒的冬季，是溫帶大陸性氣候分布區(qū)之一[15]。

1.2 土壤樣品采集與準(zhǔn)備

土壤樣品取自托乎拉蘇大草原，采集多點(diǎn)0～20 cm表層土混合樣，取回后經(jīng)風(fēng)干、去除植物根系殘留等雜質(zhì)后備用。干篩法[16]分離出>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、<0.25 mm共7個(gè)粒徑組團(tuán)聚體，并對(duì)各組粒級(jí)團(tuán)聚體進(jìn)行稱重。其中土壤樣品基本理化性質(zhì)如下：容重1.38 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)65.89 g·kg-1，pH6.0，速效氮145.98 mg·kg-1、速效磷6.80 mg·kg-1、速效鉀124.00 mg·kg-1。土壤質(zhì)地為粘粒36.76%、粉粒35.59%、砂粒27.65%。

1.3 凍融實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按干篩法得到草地土壤各粒徑組團(tuán)聚體質(zhì)量后計(jì)算其所占比例[17]，再將各粒級(jí)團(tuán)聚體按照其所占比例配制成混合均勻且每一組都為50 g的土樣，將每個(gè)50 g混合土樣分別放置在已知規(guī)格為100 mL玻璃燒杯內(nèi)，輕拍燒杯壁，使用規(guī)格為50 mL玻璃燒杯均勻抹平樣品表面并緩緩壓實(shí)燒杯中的土壤樣品[18]，使土壤容重達(dá)1.38 g·cm-3，緊靠著燒杯內(nèi)壁使用裝滿已知體積自來(lái)水的噴壺緩緩注入一定水[19]，用保鮮膜密封燒杯防止水分流失。然后設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，利用DHS20-A型號(hào)土壤水分速測(cè)儀測(cè)定其水分含量，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)M的含水率[20]。獲得不同實(shí)驗(yàn)組模擬含水率所需水量后，將其它已配制好的土樣分別注入相應(yīng)水量，達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初始含水率，再將燒杯放置于可調(diào)節(jié)溫度的冰箱內(nèi)進(jìn)行不同凍融溫度以及不同凍融循環(huán)次數(shù)的處理。其中土壤初始含水率分別設(shè)為10%、20%、30%、40%、50%；凍融循環(huán)次數(shù)分別設(shè)為0、1、3、5、7、9；凍結(jié)溫度分別設(shè)為-5℃、-15℃、-25℃，解凍溫度均為+7℃。最后用濕篩法[21]測(cè)定經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用處理的草地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量[22-24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

圖1為設(shè)置的對(duì)照組，溫度7℃，未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)，觀察在無(wú)凍融作用條件下，不同初始含水率對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體特征的影響。從圖1中可以得出，>5、4～2、2～1 mm三個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在初始含水率不斷提高的狀態(tài)下呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，并且在初始含水率為20%時(shí)形成一個(gè)峰值；5～4 mm這一粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體隨著初始含水率的提高，表現(xiàn)出先增加后降低再增加再降低的波紋變化狀態(tài)；1～0.5、0.5～0.25 mm這兩個(gè)粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚隨著初始含水率的提高呈現(xiàn)先增加后降低再增加的變化趨向。

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬的1次凍融循環(huán)、-25℃的凍結(jié)溫度、7℃的融化溫度條件下，當(dāng)含水率<20%時(shí)，>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5 mm五個(gè)粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)；當(dāng)含水率在20%到30%時(shí)，>5、5～4、4～2、2～1 mm這四個(gè)粒級(jí)的穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，呈現(xiàn)降低趨勢(shì)的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是1～0.5 mm和0.5～0.25 mm兩個(gè)粒徑組。當(dāng)含水率>30%時(shí)，具有逐漸增加趨向的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為0.5～0.25 mm粒徑組；與其相反，>5、5～3、3～2、2～1、1～0.5 mm這五個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量都是隨著初始含水率的提高逐漸呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

圖1 初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=0)

圖2初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；FTC=1)

Fig.2 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

由圖3可知在實(shí)驗(yàn)室模擬凍結(jié)溫度為-25℃、融化溫度為7℃、凍融循環(huán)3次的試驗(yàn)時(shí)，>5 mm粒徑組水穩(wěn)定性團(tuán)聚體先增加后降低，在含水率為30%時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值；5～4、4～2、2～1 mm粒徑組呈現(xiàn)出隨含水率的提高而降低的趨勢(shì)；1～0.5 mm粒徑組表現(xiàn)出不穩(wěn)定的波動(dòng)；而0.5～0.25 mm粒徑組表現(xiàn)出隨著含水率的提高逐漸增加的趨勢(shì)。

如圖4、圖5所示，分別在實(shí)驗(yàn)室模擬凍結(jié)溫度為-25℃、融化溫度為7℃、循環(huán)次數(shù)不同的凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明，循環(huán)5次和循環(huán)7次條件下土壤團(tuán)聚體具有相似變化規(guī)律，>5、5～4、4～2、2～1 mm這四個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體都明顯地隨著含水率的提高而逐漸表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；具有先提高后降低再增加變化趨勢(shì)的是水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為1～0.5 mm和0.5～0.25 mm這兩個(gè)粒徑組。

如圖6所示，在實(shí)驗(yàn)室模擬的凍結(jié)溫度-25℃、融化溫度7℃、凍融循環(huán)9次的處理?xiàng)l件下，具有先增加后降低變化規(guī)律的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是>5 mm、

圖3初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；FTC=3)

Fig.3 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

圖4初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；FTC=5)

Fig.4 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

2～1 mm兩個(gè)粒徑組，并且在初始含水率增長(zhǎng)到20時(shí)形成一個(gè)頂峰；先增加后降低水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是粒徑為4～2 mm的顆粒，在初始含水率為30%時(shí)到達(dá)一個(gè)峰值；5～4 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體整體是在降低，整體上呈現(xiàn)增加變化趨勢(shì)的團(tuán)聚體是1～0.5 mm、0.5～0.25 mm兩個(gè)粒徑組。

圖5 初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；FTC=7)

圖6初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；FTC=9)

Fig.6 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

由圖7可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬的-5℃凍結(jié)溫度、1次的凍融循環(huán)過(guò)程、7℃融化溫度的條件下，初始含水率為30%時(shí)，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量到達(dá)頂峰狀態(tài)的有5～4、4～2、2～1 mm三個(gè)粒徑組，并且隨著初始含水率的提高呈現(xiàn)出先增加后降低的總體變化趨向，與其相反，>5 mm粒徑組的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；隨著初始含水率的逐漸提高，表現(xiàn)出先降低后增加再降低規(guī)律的是1～0.5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，而0.5～0.25 mm這個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體顯現(xiàn)出先增加后降低再增加的波動(dòng)狀態(tài)。

-15℃凍結(jié)溫度、7℃融化溫度、1次凍融循環(huán)的實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，如圖8所示，隨著含水率的提高質(zhì)量逐漸降低的水穩(wěn)性團(tuán)聚體是>5 mm的粒徑組；5～4、4～2、2～1 mm三個(gè)粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，在初始含水率為30%時(shí)達(dá)到峰值，而1～0.5 mm和0.5～0.25 mm這兩個(gè)粒徑組的水穩(wěn)性團(tuán)聚體則表現(xiàn)為波動(dòng)狀態(tài)，但整體上是呈現(xiàn)出增加的趨向。

圖7 初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-5℃；FTC=1)

圖8初始含水率對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-15℃；FTC=1)

Fig.8 Effect of initial water content on soil water stable aggregates

對(duì)于草地土壤而言，>5、5～4、4～2、2～1 mm四個(gè)粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體在初始含水率為20%或者是30%時(shí)達(dá)到頂峰狀態(tài)，其變化趨勢(shì)是隨著初始含水率的提高先增加后降低；1～0.5 mm與0.5～0.25 mm被認(rèn)為是變化不一的兩個(gè)粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體，它們的變化趨勢(shì)是先增加后降低、先降低后增加、先降低后增加再降低或者先增加后降低再增加[25]。

對(duì)于>5、5～4、4～2、2～1 mm四個(gè)粒徑組團(tuán)聚體，當(dāng)含水率<20%時(shí)，團(tuán)聚體的破碎效應(yīng)小于其團(tuán)聚效應(yīng)，因此會(huì)引起水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量的增加，而且隨著含水率增加，團(tuán)聚效應(yīng)更強(qiáng)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量更大，最終造成水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量的增大；同時(shí)含水率增高，土粒間的黏結(jié)力變大，進(jìn)一步促進(jìn)土粒的團(tuán)聚[26]；當(dāng)含水率>30%時(shí)，團(tuán)聚體的破碎效應(yīng)要強(qiáng)于其團(tuán)聚效應(yīng)，且含水率愈高，其破碎效應(yīng)愈顯著，同時(shí)含水率愈高土粒間的黏結(jié)力愈小，引起團(tuán)聚體的崩解。對(duì)于1～0.5 mm，0.5～0.25 mm兩個(gè)粒徑組團(tuán)聚體，由于細(xì)小顆粒團(tuán)聚體同較大顆粒團(tuán)聚體相比，其內(nèi)部空間較小，同一含水率時(shí)，其破碎效應(yīng)要高于團(tuán)聚效應(yīng)，當(dāng)含水率<30%時(shí)，含水率愈高，其破碎效應(yīng)愈顯著，造成團(tuán)聚體的破碎崩解；而當(dāng)含水率>30%時(shí)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量的增大則可能是由較大顆粒團(tuán)聚體破碎崩解為微小的團(tuán)聚體而導(dǎo)致[27]。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

由圖9可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬樣品土壤被凍結(jié)的溫度是-25℃，被融化溫度7℃，并且10%的初始含水率狀態(tài)下，>5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，呈現(xiàn)出先降低后增加再降低的變化趨勢(shì)；1～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體先增加后降低，在凍融循環(huán)為5次的時(shí)候達(dá)到峰值；表現(xiàn)先降低后增加再降低的波形變化，但整體呈升高趨勢(shì)的是0.5～0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體；整體隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加質(zhì)量先增加后降低的是5～4、4～2、2～1 mm三個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

在實(shí)驗(yàn)室模擬的凍結(jié)溫度為-25℃、融化溫度7℃、初始含水率為20%的條件下，如圖10所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，>5 mm、5～4 mm兩個(gè)粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈現(xiàn)出波紋變化，但整體的變化趨勢(shì)是降低；4～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化平緩；2～1 mm，1～0.5 mm及0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體也是波形變化，但整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖9 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；IMC=10%)

圖10凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；IMC=20%)

Fig.10 Effect of freeze-thaw cycles on soil water stable aggregates

如圖11所示，實(shí)驗(yàn)室模擬-25℃的凍結(jié)溫度、7℃的融化溫度、30%初始含水率的基本條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水穩(wěn)性團(tuán)聚體中>5 mm、5～4 mm、4～2 mm粒徑組呈現(xiàn)出波紋變化，但整體的變化趨勢(shì)是降低或保持平緩；而水穩(wěn)性團(tuán)聚體也是波形變化，但整體趨勢(shì)增加的是2～1 mm、1～0.5 mm及0.5～0.25 mm這三個(gè)粒徑組。

如圖12所示，在實(shí)驗(yàn)室模擬凍結(jié)溫度-25℃、融化溫度7℃、含水率40%的條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體先降低后增加；5～4 mm、4～2 mm兩個(gè)粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體逐漸降低；2～1 mm、1～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體先增加后降低，在凍融循環(huán)3次時(shí)形成峰值。

實(shí)驗(yàn)室模擬樣品土壤被-25℃溫度凍結(jié)、7℃融化、50%的初始含水率處理后，如圖13所示，>5、5～4，4～2、2～1 mm四個(gè)粒徑組的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量在凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加的條件下逐漸降低；呈現(xiàn)出整體先增加后降低變化趨勢(shì)的是1～0.5 mm及0.5～0.25 mm這兩個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

圖11 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；IMC=30%)

圖12 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；IMC=40%)

圖13凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FT=-25℃；IMC=50%)

Fig.13 Effect of freeze-thaw cycles on soil water stable aggregates

對(duì)于>5 m、5～4 m、4～2 mm、2～1 mm四個(gè)較大顆粒粒徑組團(tuán)聚體來(lái)說(shuō)，其本身抵抗內(nèi)部收縮力和外部擠壓力的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于較小粒級(jí)的團(tuán)聚體。反復(fù)的凍融作用，使得>5 mm、5～4 mm、4～2 mm、2～1 mm四個(gè)較大顆粒粒徑組團(tuán)聚體不斷經(jīng)受收縮力和擠壓力的作用而破碎崩解，造成水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小[28]；而對(duì)于1～0.5 mm，0.5～0.25 mm兩個(gè)較小顆粒粒徑組團(tuán)聚體，其抵抗收縮力和擠壓力的能力較強(qiáng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍融作用不易崩解破碎，其水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量的增大應(yīng)歸咎于較大顆粒團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融作用所發(fā)生的破碎崩解[29]。因此各粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體在不同處理水平條件下隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而表現(xiàn)出不同的規(guī)律性，有的表現(xiàn)出逐漸降低或先降低后增加、先升高后降低的變化趨勢(shì)，有的呈現(xiàn)出先增后減再增再減、先減后增再減再增的波紋狀變化趨勢(shì)。

2.3 凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

在實(shí)驗(yàn)室模擬初始含水率10%、凍融循環(huán)1次的條件下，如圖14所示，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，>5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體沒(méi)有明顯變化；呈現(xiàn)出逐漸減少趨勢(shì)的是5～4 mm、4～2 mm兩個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體；2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm這三組粒級(jí)團(tuán)聚體峰值都在-15℃，但是其中2～1 mm粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體表現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm兩組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體表現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢(shì)。

由圖15可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬20%的初始含水率、1次凍融循環(huán)的條件下，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，峰值出現(xiàn)的凍結(jié)溫度為-15℃，并且具有先增加后降低的變化趨勢(shì)的是>5 mm、4～2 mm、2～1 mm三組顆粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體；而5～4 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾乎保持穩(wěn)定狀態(tài)，1～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體逐漸增加；相反表現(xiàn)出逐漸降低趨勢(shì)的是0.5～0.25 mm粒徑組。

圖14 凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=1；IMC=10%)

圖15凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=1；IMC=20%)

Fig.15 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

圖16是在實(shí)驗(yàn)室模擬初始含水率30%、凍融循環(huán)1次的條件下，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體>5 mm、0.5～0.25 mm粒徑組呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)；5～4 mm、4～2 mm先增加后降低；2～1 mm逐漸降低；1～0.5 mm先降低后增加。

在實(shí)驗(yàn)室模擬初始含水率40%、凍融循環(huán)1次的條件下，如圖17所示，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，>5 mm先增加后減少；5～4 mm逐漸增加；隨著凍結(jié)溫度的降低而相應(yīng)的呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)的是0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體；4～2 mm、1～0.5 mm逐漸降低；2～1 mm先降低后增加。

圖16 凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=1；IMC=30%)

圖17凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=1；IMC=40%)

Fig.17 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

由圖18可知，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，并且在實(shí)驗(yàn)室模擬50%的初始含水率、1次凍融循環(huán)的條件下，呈現(xiàn)出先降低后增加趨勢(shì)的是5～4、4～2、2～1、0.5～0.25 mm四個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體；表現(xiàn)出逐漸降低變化趨勢(shì)的是>5 mm的粒徑組；1～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體則隨著凍結(jié)溫度的降低而相應(yīng)地呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖18凍結(jié)溫度對(duì)草地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響(FTC=1；IMC=50%)

Fig.18 Effects of freezing temperature on soil water stable aggregates in grassland

對(duì)于草地土壤而言，>5、5～4、4～2、2～1、1～0.5 mm與0.5～0.25 mm這六個(gè)粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低而表現(xiàn)出不盡相同的規(guī)律性，隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低，有的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體呈現(xiàn)出的趨勢(shì)是先降低后增加，有的呈現(xiàn)出逐漸降低趨勢(shì)，有的表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，而有的則是先升高后降低的變化趨勢(shì)。

由于較大顆粒團(tuán)聚體，比如>5 mm和5～4 mm的內(nèi)部孔隙空間要大于相對(duì)而言較小的團(tuán)聚體，所以溫度越是降低，團(tuán)聚體內(nèi)部氣體收縮程度就越大，團(tuán)聚體崩解破碎愈嚴(yán)重；而1～0.5 mm與0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體升高，一方面是由于內(nèi)部氣體收縮引起大顆粒團(tuán)聚體崩解破碎，另一方面是由于較大顆粒團(tuán)聚體在凍融作用下破碎為較小顆粒團(tuán)聚體；4～2 mm與2～1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體并無(wú)顯著影響[31]。

3 結(jié)論與討論

1) 初始水分含量是影響土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的關(guān)鍵因素。由圖1到圖8可以看出在凍融循環(huán)次數(shù)或者凍融溫度一致的條件下隨著土壤初始含水率的提高，>5、5～4、4～2、2～1 mm四個(gè)粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈現(xiàn)出逐漸降低、或先升高后降低的變化趨勢(shì)；1～0.5、0.5～0.25 mm呈現(xiàn)先降低后增加、或先增加后降低再增加的趨勢(shì)。分析發(fā)生這種變化的原因主要是凍結(jié)狀態(tài)下土壤水相變成冰，它的體積增大，并隨之增大了團(tuán)聚體的破碎效應(yīng)；團(tuán)聚體內(nèi)部氣體由于封閉可看作理想氣體，凍結(jié)狀態(tài)下由于冷卻收縮增加了團(tuán)聚體的團(tuán)聚效應(yīng)。

2) 凍融循環(huán)次數(shù)是影響土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的重要因素。如圖9到圖13，在初始含水率和凍結(jié)溫度相同的前提下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體表現(xiàn)出的規(guī)律性不盡相同，>1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體整體有降低趨勢(shì)，1～0.5 mm、0.5～0.25 mm兩組粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體則整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。分析不同粒徑組水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量發(fā)生以上變化的原因可能是在凍融循環(huán)作用過(guò)程中，團(tuán)聚體內(nèi)部及不同團(tuán)聚體之間分別承受著收縮力和擠壓力，最終造成團(tuán)聚體的破碎崩解[30]。

3) 如圖14到圖18可知，凍結(jié)溫度是影響土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的另一重要因素，在初始含水率和凍融循環(huán)次數(shù)一定的條件下，隨著凍結(jié)溫度的降低，>5 mm與5～4 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有降低的趨勢(shì)，1～0.5 mm與0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有升高的趨勢(shì)，4～2 mm與2～1 mm兩個(gè)粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體并無(wú)顯著變化。經(jīng)判斷，很可能是團(tuán)聚體內(nèi)部氣體收縮引起團(tuán)聚體崩解破碎與較大粒級(jí)團(tuán)聚體破碎為較小粒級(jí)團(tuán)聚體二者共同作用而導(dǎo)致[31]，因此，不同粒徑組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體隨著凍結(jié)溫度的逐漸降低而表現(xiàn)出不盡相同的規(guī)律性。

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