凍融條件下生物結(jié)皮覆蓋對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

曾建輝,馬 波,2,郭迎香,張澤宇,李 桂,李占斌,2,*,劉晨光

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水土保持研究所 楊凌 712100

土壤飽和導(dǎo)水率(saturated soil hydraulic conductivity,Ks)是土壤被水飽和時(shí),在單位時(shí)間和水勢梯度下通過單位面積的水量,它是土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布特征的綜合反映,也是重要的土壤水力學(xué)參數(shù)之一,在進(jìn)行土壤水分模擬時(shí)必須考慮[1]。土壤處于飽和狀態(tài)時(shí),孔隙全部充滿水,此時(shí)導(dǎo)水率的數(shù)值近似于土壤穩(wěn)定入滲速率[2]。在水資源匱乏的干旱半干旱地區(qū),飽和導(dǎo)水率影響地表水文變化過程,對水的轉(zhuǎn)化儲存至關(guān)重要。我國西北地區(qū),由于冬春降雨稀少,氣溫驟降且地表植被發(fā)育不良,生態(tài)環(huán)境脆弱,受到凍融作用的影響更劇烈,季節(jié)性凍土廣泛分布。然而季節(jié)性凍土的消融是一個(gè)漫長的過程,土壤溫度的日變化對凍融過程影響顯著,對淺層土的作用尤其明顯[3 ]。研究表明[4—5],凍融作用會影響土壤溫度,改變土壤理化性質(zhì)以及質(zhì)地,伴隨著三相比例變化,土壤的微觀結(jié)構(gòu)在不同凍融次數(shù)下也明顯不同,而凍融循環(huán)過程對表層土壤的影響是最顯著的。生物結(jié)皮(Biological soil crust,BSC)作為寒區(qū)旱區(qū)廣泛存在的地被物,在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用,特別是在土壤理化性質(zhì)和土壤入滲特性方面[6]。然而,凍融作用對結(jié)皮土壤導(dǎo)水率和強(qiáng)度的影響與我們預(yù)期的凍融循環(huán)對無結(jié)皮土壤的作用效果不一致[7],其影響取決于凍融循環(huán)次數(shù),結(jié)皮類型,結(jié)皮理化性質(zhì)等。Assouline[8],Lichner[ 9],Wang[10],以及劉翔等[11]表示BSC能有效減少土壤入滲；而Bu[12]以及Belnap等[13]認(rèn)為BSC通過粗糙表面的滯流作用和物理結(jié)構(gòu)的改善促進(jìn)了降雨的入滲,因此目前生物結(jié)皮對飽和導(dǎo)水率的作用研究結(jié)果仍有分歧。BSC的生長狀態(tài)表現(xiàn)出很大季節(jié)變化,受土壤溫度和濕度影響顯著[14],而BSC厚度影響土壤中濕潤鋒深度,是反映土層中水分入滲的重要參數(shù)[15]。凍融土壤水分入滲特性還受粒徑分布、土壤結(jié)構(gòu),土壤含水量、入滲水溫以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)等影響[16]。何志萍等[17]將凍融土壤導(dǎo)水率的降低原因歸結(jié)于過水?dāng)嗝鏈p少,水通路和水的粘滯性改變以及冰晶透鏡體的存在等原因。在凍融條件下，結(jié)皮覆蓋土壤的飽和導(dǎo)水率影響因素眾多,變化趨勢復(fù)雜且不同于裸土,從生態(tài)學(xué)角度看,凍融條件下土壤的變化影響土壤節(jié)水保肥能力,從而導(dǎo)致水土流失、荒漠化等[4]。目前相關(guān)研究多集中于凍融作用對裸土理化性質(zhì)的影響或是凍融作用對BSC生理生化特征的改變作用,對于凍融條件下結(jié)皮土壤水文特征及水分變化研究尚且不足,因此本研究旨在揭示凍融作用對藍(lán)藻結(jié)皮土壤飽和導(dǎo)水率的影響機(jī)制,以及結(jié)皮土壤在不同凍融交替次數(shù)和含水量下的變化規(guī)律,量化土壤飽和導(dǎo)水率的大小,為春冬季節(jié)寒區(qū)旱區(qū)土壤侵蝕評估和生態(tài)治理提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達(dá)拉特旗十大孔兌的東柳溝流域,是黃土高原北部典型的風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)(39°58′2″—40°12′50″N,110°28′47″—110°31′35″E)。平均海拔995—1480m,年平均降雨量為260—390 mm,且多集中在7—8月。年平均氣溫為6.85℃,冬季平均氣溫為0℃以下,最低可達(dá)-32.5℃,每年十月下旬至次年的四月為封凍期,凍土深度達(dá)到157 cm[18]。每逢入春時(shí)期,研究區(qū)的平均氣溫在0℃上下波動,且受日照影響晝夜溫差可達(dá)20℃,伴隨融雪侵蝕形成了滲透性極弱的隔水層,使融水更易集流并具有沖刷能力[19]。

供試土壤為典型的風(fēng)沙土,主要的構(gòu)成顆粒為細(xì)砂,是干旱半干旱地區(qū)砂性母質(zhì)上形成的幼年土。顆粒間非毛管孔隙大量分布,土壤粘結(jié)性較差,受凍融作用影響使該地區(qū)土壤性質(zhì)發(fā)展不同于其它地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)地表植被稀疏,自然單元內(nèi)生物結(jié)皮主要以藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮居多,并伴有少量地衣,生物結(jié)皮呈現(xiàn)混合生長狀態(tài)。藻結(jié)皮的優(yōu)勢種為小席藻(Phormidiumtenue)、具鞘微鞘藻(Microcoleusvaginatus)和爪哇偽枝藻(Scytonemajavanicum)。地表植被優(yōu)勢群落包括豬毛菜(SalsolacollinaPall.),小蓬草(Conyzacanadensis),狗尾草(Setariaviridis),艾蒿(ArtemisiaargyiH),馬唐(Digitariasanguinalis),少花米口袋(Gueldenstaedtiaverna)以及地錦草(EuphorbiahumifusaWilld)。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

選取研究區(qū)域內(nèi)自然撂荒地上生物結(jié)皮發(fā)育良好且具有代表性的4—6個(gè)退耕地為研究樣地進(jìn)行野外調(diào)查,用100 cm3環(huán)刀在樣區(qū)內(nèi)采集用于測定飽和導(dǎo)水率的藻結(jié)皮土壤和裸土樣品。采集生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下0—5 cm的土樣,分層混合后帶回室內(nèi)用于基本理化性質(zhì)測定。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定,全氮通過凱氏定氮法測定,粘結(jié)力通過土壤剪力測量儀(15.10型袖珍剪切儀CL101)分別測定保留結(jié)皮層粘結(jié)力和去除生物結(jié)皮后下層土壤的粘結(jié)力,測量的結(jié)果除去最大和最小值后取平均,結(jié)果見表1。根據(jù)結(jié)皮蓋度調(diào)查結(jié)果,樣地內(nèi)藻結(jié)皮蓋度普遍在40%—68%左右。

表1 生物結(jié)皮土壤樣品理化性質(zhì)

1.2.2試驗(yàn)方法

選取凍融初始含水量、凍融交替次數(shù)為試驗(yàn)因子,采用析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì),考慮結(jié)皮容重、結(jié)皮厚度、粒徑分布等土壤物理性質(zhì)以及有無結(jié)皮覆蓋對結(jié)果的影響。研究區(qū)內(nèi)解凍期降水少而蒸發(fā)量大,根據(jù)土壤實(shí)測含水量,其最低含水量為2.31%,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明,表層5 cm土壤在較長時(shí)間尺度上的凍融期內(nèi),所達(dá)到的最高和最低含水量差異的均值為15%[20],因此,將凍融模擬初始含水量設(shè)定為：4%,6%,8%,15%。土壤經(jīng)過15次凍融交替后,土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)基本趨于穩(wěn)定[5],為明確持續(xù)凍融作用在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后對土壤滲透性能的影響,因此將凍融交替次數(shù)設(shè)定為：0,1,3,5,7,10,15,20次,共進(jìn)行37組試驗(yàn),每組重復(fù)5次。供試土壤在陰涼處風(fēng)干后,按照既定水分梯度進(jìn)行預(yù)處理,為了最大程度模擬自然條件下土層溫度的傳遞過程,在環(huán)刀外圍包裹隔絕溫度的氣凝膠墊,熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.018 w m-1k-1,將處理好的土樣用保鮮膜覆蓋防止水分蒸發(fā)散失,并在室溫下靜置12 h,待水分分布均勻后放入制冷機(jī)中進(jìn)行凍融交替循環(huán)。根據(jù)研究區(qū)域的氣溫變化和土層晝?nèi)谝箖?晝夜各12 h)的自然狀態(tài)將凍結(jié)溫度設(shè)定為-10—-15℃,并在10—15℃的室溫條件下進(jìn)行融解,冷凍和解凍時(shí)長各12 h。

在凍融交替結(jié)束后測定土壤的濕重和飽和導(dǎo)水率,再從試驗(yàn)樣品中采樣測定結(jié)皮厚度,結(jié)皮層容重,結(jié)皮下層土壤容重以及對土壤顆粒組成進(jìn)行分析。結(jié)皮厚度用游標(biāo)卡尺測量,結(jié)皮容重采用涂膜法[21],結(jié)皮下層土壤容重采用環(huán)刀法測定。通過Mastersizer 2000型激光粒度分析儀進(jìn)行土壤顆粒分析,土壤質(zhì)地的劃分依照美國制土壤分級標(biāo)準(zhǔn),通過恒定水頭法測定土壤的飽和導(dǎo)水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)可以用來定量反映土壤受到外力作用而引起土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的程度,而土壤結(jié)構(gòu)對土壤飽和導(dǎo)水率具有重要影響[22]。根據(jù)土壤顆粒分析、土壤容重和含水率分析的結(jié)果得到土壤三相比,計(jì)算廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)[23]：

GSSI=[(Xs-25)XLXG]0.4769

式中,Xs為土壤固相體積百分比,Xs> 25；XL為土壤液相體積百分比,XG為土壤氣相體積百分比。

土壤顆粒體積分形維數(shù)計(jì)算公式為[24]：

式中,V(r

土壤飽和導(dǎo)水率的計(jì)算公式為[25]：

式中,Kt為溫度為t℃時(shí)的土壤飽和導(dǎo)水率(mm/min),Q/T為單位時(shí)間內(nèi)的出水量(mL/min),L為環(huán)刀中的土層的厚度(mm),A為環(huán)刀橫截面的面積(cm2),h為水頭高度(cm),由于不同溫度下水的粘滯系數(shù)不同,因此為了方便比較,將其換算成10℃下的飽和導(dǎo)水率Ks(mm/min)。

式中,ηt為溫度為t℃下的水粘度(Pa·S),η10為10℃下的水粘度(Pa·S)。

本文采用Excel 2010和 SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,應(yīng)用單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較對結(jié)皮土壤飽和導(dǎo)水率、環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析以及交互作用分析。使用Canoco 5.0進(jìn)行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),并借助Pearson相關(guān)系數(shù)得出飽和導(dǎo)水率與試驗(yàn)因子的相關(guān)性以及表征程度排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融交替作用對結(jié)皮土壤飽和導(dǎo)水率的影響

裸土在不同凍融交替次數(shù)下的土壤飽和導(dǎo)水率如圖1所示,未凍融的裸土(CK)和結(jié)皮土壤的Ks分別為2.583 mm/min和0.669 mm/min。4%含水量條件下,裸土的Ks隨凍融次數(shù)增加而極顯著變化(P<0.01),于3次時(shí)達(dá)到最小值1.447 mm/min,較CK下降44.0%；凍融7次時(shí)達(dá)到較大值,此時(shí)土壤的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈改變,水的凍結(jié)膨脹使土粒間的孔隙擴(kuò)張連接導(dǎo)致土壤垂向滲透性能大幅提高[26],并在10次后逐漸穩(wěn)定,Ks逐漸趨近于1.945 mm/min。而結(jié)皮土壤的Ks最小值較未凍融的結(jié)皮土壤下降70.1%,降幅顯著大于裸土。凍融3次前,裸土較CK的Ks下降幅度大于結(jié)皮土壤,但隨著凍融交替次數(shù)增加,結(jié)皮土壤較CK的降幅大于裸土。裸土的Ks未經(jīng)凍融時(shí),其飽和導(dǎo)水率是結(jié)皮土壤的3.86倍,這是由于生物結(jié)皮的存在,使土壤表面的導(dǎo)水孔隙封閉,隨凍融次數(shù)變化,兩者的差異呈波動上升,并在10次時(shí)裸土的Ks為結(jié)皮覆蓋土壤的10.13倍,差異達(dá)到最大,表明結(jié)皮覆蓋作用使土壤的飽和導(dǎo)水率顯著下降,凍融作用使?jié)B透能力進(jìn)一步降低。結(jié)皮土壤在4%、6%、8%、15%含水量下隨著凍融次數(shù)增加至10以上,Ks分別趨近于0.228 mm/min、0.216 mm/min、0.194 mm/min、0.242 mm/min,存在極顯著差異,說明土壤的初始含水量會顯著影響經(jīng)過多次凍融后的飽和導(dǎo)水率的漸進(jìn)值。

圖1 不同凍融交替次數(shù)下結(jié)皮覆蓋土壤飽和導(dǎo)水率變化Fig.1 Change of saturated hydraulic conductivity of crust-covered soil under different freeze-thaw cycles

在不同的土壤初始含水量條件下,隨凍融交替次數(shù)增加,Ks差異明顯,總體呈現(xiàn)平滑曲線式下降并最終趨于穩(wěn)定。其中,當(dāng)初始含水率為4%,凍融10次時(shí)Ks達(dá)到最小值(0.200 mm/min),相較CK下降了70.09%,而含水量為6%時(shí),Ks的最小值出現(xiàn)在15次(0.181 mm/min),較CK下降73%,含水量為8%和15%時(shí),Ks最小值均出現(xiàn)在第5次(0.061 mm/min、0.143 mm/min)較CK分別下降了90.87%、78.6%；試驗(yàn)條件下,凍融7次時(shí),試驗(yàn)中各含水量條件下的飽和導(dǎo)水率才與CK相比均有顯著差異(P<0.05)。

凍融過程中土壤Ks處于動態(tài)變化過程,不同土壤初始含水量條件下所能達(dá)到的Ks峰值大小為6%>4%>8%>15%,較高初始含水量下,Ks達(dá)到峰值的時(shí)間則相對滯后,且波動幅度減小。通過比較不同含水率和交替次數(shù)下Ks的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn),隨著含水率由4%增加至15%,Ks變異系數(shù)由0.354增加至0.628后降低并在8%時(shí)達(dá)到最大?？傮w上看,試驗(yàn)條件下的所有變異均屬于中等變異,隨凍融交替次數(shù)增加,變異系數(shù)降低,凍融作用對Ks的影響逐漸減弱。凍融7次時(shí),不同含水量下Ks逐漸接近,并在10次時(shí)差異顯著減小,此時(shí)Ks的平均值為0.219 mm/min,變異系數(shù)為0.20。機(jī)械組成和土壤結(jié)構(gòu)的差異在經(jīng)過凍融作用后愈加明顯,影響程度及變化趨勢還需要深入分析。

2.2 凍融條件下土壤結(jié)構(gòu)變化對飽和導(dǎo)水率的影響

土壤中不同形態(tài)和大小的土壤顆粒按照一定的排列組合方式形成土壤結(jié)構(gòu),土壤結(jié)構(gòu)的存在使土壤中水、氣得以儲存和運(yùn)輸,從而影響著土壤中重要的物理和生物過程,也同樣影響著土壤的飽和導(dǎo)水率。廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)是以固、液、氣三相為研究對象,借助柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)構(gòu)建的用以定量有效表達(dá)土壤結(jié)構(gòu)的指標(biāo)[23],而GSSI越高,土壤越接近結(jié)構(gòu)閾值,從而表現(xiàn)出土壤結(jié)構(gòu)改變的臨界狀態(tài)。試驗(yàn)條件下,對土樣初始含水量的處理在一定程度上改變了土壤的三相比。經(jīng)不同次數(shù)的凍融交替作用之后,土壤三項(xiàng)比結(jié)果如圖2所示。一般情況下,旱作土壤三相結(jié)構(gòu)的臨界值是固相50%,氣相和液相各25%[27]。生物結(jié)皮土壤表層具有極復(fù)雜的結(jié)構(gòu)演替特征[28],砂質(zhì)土壤松散,植物假根和菌絲的穿插作用導(dǎo)致其剖面土壤孔隙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連續(xù)拓展,土體孔徑彎曲度不斷增加,結(jié)皮土壤孔隙度降低,相較裸土其土壤中水的通路增加,水分在土層中滯留時(shí)間延長。當(dāng)凍融1次時(shí),由于土壤初始狀態(tài)和物質(zhì)組成的差異導(dǎo)致不同含水量下的土壤結(jié)構(gòu)差異最明顯,而隨著凍融次數(shù)增加至15次以上時(shí),不同含水量間的土壤結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定,且均向臨界值趨近,在圖中表現(xiàn)為向結(jié)構(gòu)閾值中心點(diǎn)聚攏。相同含水量條件下,頻繁的凍融交替促使土壤結(jié)皮層與外界進(jìn)行更多的熱量和物質(zhì)交換,使土壤水分增加并不斷壓縮土壤空氣,土壤氣相顯著減小。土壤結(jié)構(gòu)隨凍融次數(shù)改變具有極顯著差異(P<0.01)(圖2),當(dāng)含水量為8%時(shí),土壤結(jié)構(gòu)的分散程度較大,凍融作用對結(jié)構(gòu)的影響較明顯,15%含水量下土壤結(jié)構(gòu)的改變較小。在解凍期,生物結(jié)皮能夠增加土層未凍水含量[29],水的較高比熱容使土壤在高含水量條件下凍結(jié)和融化過程滯緩,相同時(shí)間內(nèi)土層三相相對穩(wěn)定,因此隨著含水量增加凍融交替對土壤結(jié)構(gòu)的影響減弱,土壤在不同含水量條件下隨著凍融次數(shù)增加其結(jié)構(gòu)均向閾值發(fā)展。

圖2 不同凍融次數(shù)下結(jié)皮土壤三相變化 Fig.2 Three-phase changes of crust soil under different freeze-thaw time

試驗(yàn)中不同土壤初始含水量和凍融交替次數(shù)下的土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)如表2所示,各含水量條件下,凍融7次后的土壤結(jié)構(gòu)與CK相比均有顯著差異,試驗(yàn)條件下,15%含水量在經(jīng)過20次凍融后GSSI逼近于結(jié)構(gòu)閾值,與CK相差24.25,兩者液相與氣相的比值相差0.761。因此,凍結(jié)過程中初始含水量與凍融交替的共同作用會改變土壤三相比,通過減少氣相的比例,使土壤結(jié)構(gòu)顯著改變。由于凍融7次時(shí)土壤結(jié)構(gòu)改變顯著,此時(shí)土壤完全凍結(jié),液態(tài)水體積膨脹減少氣相占比并擠壓土粒；另外,顆粒間的聯(lián)結(jié)和靜電吸附發(fā)生斷裂,降低團(tuán)聚體水穩(wěn)性,顆粒破碎大量發(fā)生[3],使Ks顯著改變。10次時(shí)土壤結(jié)構(gòu)破壞和顆粒粉碎逐漸逼近閾值, 導(dǎo)致Ks第2次發(fā)生顯著變化。

表2 不同凍融初始含水量和交替次數(shù)下結(jié)皮土壤的廣義結(jié)構(gòu)指數(shù)

2.3 結(jié)皮覆蓋土壤粒徑分布對凍融交替的響應(yīng)

土壤飽和導(dǎo)水率受土壤結(jié)構(gòu)影響,而土壤結(jié)構(gòu)是土壤固相顆粒的大小及其空間排列的方式。土壤固相主要由土壤顆粒組成,因此通過研究凍融條件下土壤粒級的變化來探究飽和導(dǎo)水率變化的原因。不同含水量水平下藻結(jié)皮土壤的粒徑分布對凍融次數(shù)的響應(yīng)如圖3所示。按照美國土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單因素方差分析發(fā)現(xiàn),不同試驗(yàn)條件下隨凍融次數(shù)變化,土壤中的極細(xì)砂粒(0.05—0.1 mm)(P<0.01),細(xì)砂粒(0.1—0.25 mm)和中砂粒(0.25—0.5 mm)(P<0.05)差異顯著,而其它粒徑的顆粒無顯著變化。研究表明,土壤由物理結(jié)皮向生物結(jié)皮發(fā)育過程中,下層土壤粘粉粒含量逐漸增大,在水分入滲過程中堵塞非毛管孔隙從而使結(jié)皮土壤入滲性能降低[10,30]。凍融條件下,不同含水量的土壤在凍融后<0.1 mm的顆粒較CK(49.27%)均有增加,尤其在凍融3次和10次時(shí)較明顯,此時(shí)對應(yīng)的飽和導(dǎo)水率較低。凍融過程中,粒徑在不同尺寸之間相互轉(zhuǎn)化,大顆粒崩解為小顆粒后顆粒間的縫隙被填充[17],對飽和導(dǎo)水率有顯著降低作用,主體間效應(yīng)分析表明,凍融條件下有無結(jié)皮覆蓋(P<0.01)對土壤粒徑分布的影響強(qiáng)于凍融次數(shù)(P>0.05)。

圖3 不同凍融交替次數(shù)下藻結(jié)皮土壤粒徑分布Fig.3 Algae crust soil particle size distribution under different freeze-thaw cycles

王艷艷、Ganiyu等人的研究表明[31—32],土壤具有分形特征,由形狀、大小各異的顆粒和孔隙連接而成,并表現(xiàn)出不規(guī)則的幾何形狀,分形理論能定量刻畫土壤結(jié)構(gòu)特征,描述土壤的水力特性。本試驗(yàn)條件下,土壤顆粒分形維數(shù)(Dp)的結(jié)果表明(圖4),凍融交替次數(shù)和凍融初始含水量改變,Dp無顯著差異,未凍融土壤的Dp為2.593；在凍融7次前,凍融交替對不同含水量下土壤幾何形狀的重塑作用一致,但凍融作用對顆粒幾何特征的影響在8%含水量下尤其劇烈,含水量降低使土壤幾何形狀變化幅度減少。含水量15%時(shí),凍融7次后分形維數(shù)隨凍融次數(shù)增加而增大,飽和導(dǎo)水率則呈現(xiàn)相反趨勢。不同含水量和凍融次數(shù)下,變異系數(shù)隨含水量增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢,并在8%時(shí)達(dá)到最大值為0.139,此時(shí)Ks變異最明顯。凍融作用對粒徑在0.05—0.5 mm間的顆粒有一定影響,<0.1 mm的土壤顆粒在凍融3次和10次時(shí)有顯著變化(P<0.05)而處于較大值,飽和導(dǎo)水率相應(yīng)降低。凍融過程中砂粒通過凍脹作用使松散的土壤被壓實(shí)[33],孔隙度顯著降低,由此影響土壤中的三相比值,改變土壤的入滲條件。

圖4 不同凍融初始含水量和交替次數(shù)下土壤顆粒分形維數(shù) Fig.4 Fractal dimension of soil particles under different initial water content of freeze-thaw and alternating times

2.4 凍融條件下土壤飽和導(dǎo)水率影響因素分析

不同初始含水量條件下,結(jié)皮土壤的Ks與凍融交替次數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)、因子交互作用分析結(jié)果(表4)如下：

當(dāng)含水量為8%時(shí),指數(shù)模型能較好的解釋飽和導(dǎo)水率的變化。由擬合結(jié)果顯示,凍融交替次數(shù)能表示飽和導(dǎo)水率變化的34%—88%,模擬效果受初始含水量的影響。通過對結(jié)皮覆蓋,凍融交替次數(shù),初始含水量,結(jié)皮容重,結(jié)皮厚度與Ks的單因素ANOVA分析發(fā)現(xiàn),結(jié)皮覆蓋作用對Ks有極顯著影響,不同凍融交替次數(shù)對應(yīng)的Ks呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)。凍融條件下,結(jié)皮容重、下層土壤容重和初始含水量對Ks的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而不同試驗(yàn)因子間的交互作用對Ks的影響結(jié)果表明,凍融次數(shù)與土壤初始含水量、結(jié)皮層容重、結(jié)皮厚度的交互作用對飽和導(dǎo)水率的影響較大。

凍融交替作用下土壤飽和導(dǎo)水率PCA排序分析表明(圖5),Ks受環(huán)境因子和土壤性質(zhì)影響明顯,環(huán)境因子在第一維度上相關(guān)性大小排序?yàn)椋和寥澜Y(jié)構(gòu)指數(shù)>結(jié)皮厚度>結(jié)皮下層土壤容重>凍融交替次數(shù)>凍融初始含水量>結(jié)皮容重,環(huán)境因子與第二排序軸相關(guān)性大小為：粘粒>細(xì)砂粒>粉砂粒>中砂粒>極細(xì)砂粒。一維排序軸反映環(huán)境和試驗(yàn)因子的信息,而第二排序軸則反映了土壤物理性質(zhì)。因子對Ks的影響程度依次為：凍融交替次數(shù)>土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)>結(jié)皮厚度>結(jié)皮容重>結(jié)皮下層土壤容重>凍融初始含水量。7次凍融交替次數(shù)下各因子處于多度平均值,隨條件改變,樣品多數(shù)集中于二、三象限,且多為凍融10次以上。由樣點(diǎn)間的離散程度得出含水量為8%時(shí)樣點(diǎn)彼此間較分散,因此受到其它因子的影響較明顯。凍融交替作用下,凍融循環(huán)次數(shù)、凍融初始含水量、結(jié)皮容重、結(jié)皮下層土壤容重與飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,但相關(guān)程度有所差異,土壤結(jié)皮厚度與Ks呈正相關(guān)性。

表3 不同凍融初始含水率下土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)與凍融交替次數(shù)(n)擬合關(guān)系

表4 因子間交互作用對飽和導(dǎo)水率(Ks)影響的顯著性分析

圖5 土壤飽和導(dǎo)水率主成分分析排序 Fig.5 Principal component analysis (PCA) ranking of soil saturated hydraulic conductivity 圖中Z1—Z36為試驗(yàn)樣品編號

3 討論

3.1 凍融條件下結(jié)皮層特征對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

結(jié)果顯示裸土的飽和導(dǎo)水率在含水量為4%時(shí)是結(jié)皮覆蓋土壤的的3.86倍,結(jié)皮覆蓋顯著降低了Ks,這與Assouline[8],Lichner[9],Wang[10],以及劉翔等[11]的觀點(diǎn)一致。趙春雷[3],樊貴盛等[16]研究表明土壤飽和導(dǎo)水率經(jīng)凍融循環(huán)后呈現(xiàn)總體減小的趨勢,與本研究中所得結(jié)論一致,隨著凍融次數(shù)增加,裸土和結(jié)皮土壤Ks顯著降低,藻結(jié)皮土壤的飽和導(dǎo)水率明顯低于裸土且隨凍融次數(shù)增加差異逐漸增大,并在10次時(shí)達(dá)到最大,這主要是由于藻類特性和土壤中有機(jī)質(zhì)、顆粒組成、土壤結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致土壤的凍融初始條件不同而引起的。表現(xiàn)為凍融初期,結(jié)皮土壤中的微生物獲得足夠的碳和氮,解凍后變得活躍,通過吸收水分導(dǎo)致拒水性停止[34],而吸水后包裹生物結(jié)皮的膠鞘膨脹堵塞氣孔延緩了水分在結(jié)皮中的入滲[35]導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率逐漸減小,部分細(xì)胞受損破裂以及胞外多糖含量改變,生物結(jié)皮的狀態(tài)差異發(fā)生在凍融4次后[7],因此凍融3—5次時(shí)結(jié)皮層組成成分正發(fā)生不同程度的變化使得前期結(jié)皮土壤的Ks出現(xiàn)波動。隨著凍融次數(shù)增加,嚴(yán)重凍融對結(jié)皮內(nèi)的細(xì)胞造成永久性損害,導(dǎo)致結(jié)皮對Ks的影響減弱,結(jié)皮下層土壤的滲透性逐漸占據(jù)主導(dǎo)。主成分分析結(jié)果表明,凍融循環(huán)、結(jié)皮層容重、結(jié)皮下層土壤容重與Ks呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中凍融交替次數(shù),土壤結(jié)構(gòu)(GSSI)對Ks的影響程度較大。當(dāng)土壤被飽和時(shí),結(jié)皮的斥水性降到最低,由于結(jié)皮容重普遍小于下層土壤容重,結(jié)皮厚度增加使單位體積內(nèi)土壤重量相對減少,也使水分通過下層土壤的通路減少,通過緊實(shí)土層所消耗水的動能降低,單位時(shí)間內(nèi)水通量增加,因此結(jié)皮厚度在凍融條件下與Ks呈現(xiàn)正相關(guān)性。

3.2 土壤三相對凍融交替的響應(yīng)

Cheng等[36]研究認(rèn)為土壤水的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與土壤溫度相互影響,結(jié)果表明,凍融次數(shù)達(dá)到7次時(shí)土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,凍融作用降低了土體的抗蝕性和穩(wěn)定性[37]。研究表明,一季凍融交替結(jié)束后各層土壤飽和度平均增加13.06%[38],本研究中土壤經(jīng)過凍融后飽和度平均增加8.91%,凍融過程中氣態(tài)水部分液化使土壤受到土水勢的影響吸收水分,下層水分向表層聚集,間接增加土壤中的水分含量。Viklander等[39]表示松散土經(jīng)過若干次凍融循環(huán)后孔隙度降低且趨向一個(gè)穩(wěn)定的孔隙比,土壤三相逐漸穩(wěn)定,這與本研究結(jié)果一致。張澤等[40]的研究則表明凍融交替會使土壤顆粒間相互轉(zhuǎn)化并逐漸均勻細(xì)化,<0.1 mm的顆粒組成變化顯著,由于Ks與粘粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,0.1 mm以下顆粒在水分運(yùn)動過程中隨水流動填埋原有孔隙以及凍融作用后新形成的大孔隙[17],松散的風(fēng)沙土經(jīng)過凍融后孔隙比會降低,從而導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率降低。土壤顆粒的轉(zhuǎn)化在凍融6次時(shí)達(dá)到最大,在凍結(jié)過程中,孔隙水變成冰晶導(dǎo)致體積增加約9%,使顆粒的微裂縫向宏觀發(fā)展,顆粒縫隙間的水膜厚度增加導(dǎo)致原生礦物碎裂[41],對于極細(xì)砂粒影響最顯著,細(xì)砂和中砂顆粒變化顯著是中砂顆粒向細(xì)砂顆粒轉(zhuǎn)化所致,后續(xù)的凍融作用使顆粒的棱角度降低,重新排列后粒度逐漸均勻化[4],可能是Ks在凍融7次后逐漸趨向一致的原因。陳卓等[42]通過土柱滲流試驗(yàn)得出土壤飽和滲透率與體積分形維數(shù)呈對數(shù)關(guān)系(R2=0.952),顆粒的體積分形維數(shù)越大,土壤滲透率越小,這能較好的解釋15%含水量下和凍融3—7次時(shí)飽和導(dǎo)水率的變化,而4%、6%、8%的Dp與Ks的變化無明顯規(guī)律可能是由于含水率較低時(shí)土壤孔隙廣泛分布,顆粒變化并非影響Ks的主要原因。

3.3 生物結(jié)皮與凍融的交互作用對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

結(jié)皮的存在一方面改變土壤的理化性質(zhì),使土壤對外界環(huán)境變化的響應(yīng)發(fā)生改變,另一方面是生物結(jié)皮具有生態(tài)功能與凍融產(chǎn)生交互作用使土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)一步變化。本研究結(jié)果表明,結(jié)皮的容重和厚度與凍融次數(shù)存在交互作用,結(jié)皮的熱傳遞性能與土壤不同,結(jié)皮厚度會影響溫度到達(dá)土壤下層的時(shí)間,導(dǎo)致土壤發(fā)生凍融的初始狀態(tài)、時(shí)間有明顯差異,由于結(jié)皮容重顯著小于下層土壤,在溫度降至零下時(shí),植物體細(xì)胞內(nèi)的自由水迅速降低,部分功能散失[43],低溫對生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)的破壞程度大于土壤；同時(shí),結(jié)皮下層土壤中細(xì)粒相較裸土明顯增加[30],且凍融作用對<0.1 mm的土壤顆粒的破壞重塑作用最強(qiáng),因此,生物結(jié)皮間接加劇了凍融作用對土壤結(jié)構(gòu)的破壞從而導(dǎo)致最終飽和導(dǎo)水率顯著減少。凍融條件下,盡管生物結(jié)皮對顆粒組成的影響大于凍融次數(shù),但凍融次數(shù)對土壤飽和導(dǎo)水率起主導(dǎo)作用,結(jié)皮覆蓋對于導(dǎo)水率的影響是有限的。

本研究重點(diǎn)考慮結(jié)皮土壤物理性質(zhì)以及凍融交替對Ks的影響,凍融環(huán)境的長期影響導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率降低,促進(jìn)了地表徑流的形成,下層不透水凍層的存在使表層土壤受侵蝕的幾率增加,結(jié)皮層的存在使下層土壤粘化進(jìn)一步降低了飽和導(dǎo)水率,然而相較結(jié)皮的影響,凍融次數(shù)對土壤飽和導(dǎo)水率起主導(dǎo)作用。此研究為探究春冬季節(jié)干旱半干旱地區(qū)結(jié)皮地表水文過程,土壤侵蝕評估和生態(tài)治理提供了理論基礎(chǔ),而冬季降雨和產(chǎn)流條件下結(jié)皮土壤的侵蝕特征和過程變化,還需要深入研究。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)條件下,風(fēng)沙結(jié)皮土壤的飽和導(dǎo)水率顯著小于裸土,凍融初始含水量顯著影響飽和導(dǎo)水率的波動幅度、漸進(jìn)值、上升峰值以及達(dá)到峰值的時(shí)間。隨凍融交替次數(shù)增加,兩者飽和導(dǎo)水率差距逐漸增大,并在10次時(shí)差距達(dá)到最大值為10.13倍,凍融作用使藻結(jié)皮土壤的飽和導(dǎo)水率呈類指數(shù)型下降并在凍融10次后逐漸穩(wěn)定。

(2)凍融交替通過不斷減少氣相比例和改變風(fēng)沙土壤顆粒組成使土壤三相比和結(jié)構(gòu)顯著改變,其中<0.1mm的顆粒受凍融影響顯著,而結(jié)皮覆蓋作用對風(fēng)沙土壤顆粒組成的影響大于凍融次數(shù)。凍融7次時(shí)土壤結(jié)構(gòu)破壞和顆粒粉碎嚴(yán)重,并在10次時(shí)趨近閾值逐漸穩(wěn)定,含水量為8%時(shí)對土壤結(jié)構(gòu)的影響較顯著。

(3)凍融次數(shù)分別與凍融初始含水量、結(jié)皮層容重、厚度存在交互作用對風(fēng)沙土壤飽和導(dǎo)水率具有顯著影響,不同因子間對土壤飽和導(dǎo)水率大小的影響程度為：凍融交替次數(shù)>土壤結(jié)構(gòu)>結(jié)皮厚度>結(jié)皮容重>下層土壤容重>凍融初始含水量。