干湿交替下土壤团聚体稳定性研究进展与展望①

刘 艳，马茂华，吴胜军，冉义国，王小晓，黄 平*



干湿交替下土壤团聚体稳定性研究进展与展望①

刘 艳1,2，马茂华1，吴胜军1，冉义国1,2，王小晓1,2，黄 平1*

(1 中国科学院水库水环境重点实验室，中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2 中国科学院大学，北京 100049)

团聚体是土壤结构的基本单元，对土壤系统功能(如结构稳定和肥力保持等))至关重要。而干湿交替是导致土壤团聚体演变的重要环境因子，显著影响团聚体稳定性。本文回顾了70多年来干湿交替对土壤团聚体稳定性影响的研究历程，总结了干湿交替条件下土壤团聚体粒径分布和水稳性的变化特征，着重阐述了干湿交替对团聚体稳定性的影响机制，以及影响干湿交替条件下团聚体稳定性的主要因素，并比较分析了近80年来土壤团聚体稳定性研究的主要方法。通过梳理发现，尽管目前报道了大量有关干湿交替对不同类型土壤团聚体稳定性的影响，但是相关研究多集中在单一的土壤系统中，鲜有从复合生态系统的角度探索干湿交替复合作用过程与多重影响机制。同时，由于不同研究所采用的方法差异较大，导致其结果往往可比性较差。由此，本文提出了该领域今后潜在的研究方向：①敏感脆弱区干湿交替下土壤团聚体形成和演变机制；②干湿交替对土壤团聚体中化学污染物迁移转化的影响；③新技术，如电子计算机断层扫描技术(computed tomography，CT))等在团聚体研究中的应用；④植物群落与土壤团聚体周转交互作用过程与机理等。

土壤团聚体；结构稳定性；干湿交替；生态系统功能；断层扫描技术

土壤团聚体是由砂粒、粉粒、黏粒在各种有机无机胶结剂的作用下粘结而成的基本土壤结构单元[1]，其稳定性显著影响土壤结构与功能。20世纪下半叶，土壤团聚体的形成机制研究得到了突破性进展，相继提出了Emerson土壤团粒结构模型[2]、微团聚体形成模型[3]、团聚体等级模型[4]。土壤团聚体根据其粒径大小可以分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)，也可根据其抗外力作用分为稳定性团聚体和非稳性团聚体，其中水稳性团聚体是较受关注的一类稳定性团聚体[5-7]。土壤团聚体易受到土壤动物、微生物、植物根系、人类活动及环境变化(如干湿交替、冻融交替、火)等因素影响，其中干湿交替是土壤经历最频繁的水分条件变化过程，对土壤团聚体粒径分布和稳定性等产生重要影响[7]。

干湿交替是土壤经历多次干燥湿润的循环往复过程，是影响土壤颗粒团聚过程的重要环境因子。有关“干湿交替”的研究最早见于20世纪30年代，后由1958年Birch[8]发现干湿交替对土壤呼吸的激发作用而受到广泛关注。自然界中，降雨、物质的扩散流动及冷凝等自然现象的湿润作用，及太阳辐射、风等的干燥作用共同形成了土壤的干湿交替过程[7]。干湿交替通过改变土壤团聚体周围的水环境及孔隙度，使团聚体收缩和膨胀，影响团聚体的形成、粒径分布、结构稳定性，且其对水稳性团聚体理化性质的影响尤为显著[7, 9]。除此之外，干湿交替可通过改变微生物群落及活性，影响团聚体内有机质和营养元素的释放，进而影响土壤肥力。大量研究表明，干湿交替影响团聚体与颗粒有机物、微生物群落之间的关系[10-11]，同时改变土壤养分(如碳[12]、氮[13]、磷[14])循环。

针对干湿交替对团聚体稳定性影响的重要研究历程，本文进行了整理和归纳(图1)。20世纪80年代以前，有关干湿交替对土壤团聚体影响的研究侧重于土壤含水量对团聚体的影响机制，包括降雨、浸湿速率等对土壤团聚体稳定性的影响。例如，Seginer和Morin研究表明，裸露土壤的入渗能力下降与降落在地表的水滴数量有关，而与降雨时间无直接关联；随后，Utomo和Dexter[21]利用去离子水对土壤进行处理，发现干湿交替会促使团聚体中微裂纹的形成，从而降低团聚体的抗拉强度，增加土壤易碎性，降低团聚体稳定性。80年代后，研究方向细化到干湿交替对土壤团聚体养分循环、孔隙结构、气体分布的影响。例如Mikha等[23]研究发现干湿交替可显著减少土壤有机碳矿化量。另外，进入21世纪以来，电子计算机断层扫描技术(CT)也逐渐应用到团聚体微观结构及稳定性研究中，例如Ma等[24]利用基于同步辐射X射线的显微断层扫描技术(SR-μCT)对干湿交替条件下老成土团聚体内部孔隙结构变化的影响进行了研究。

图1 干湿交替对土壤团聚体影响的重要研究历程

不同干湿交替阶段，在团聚体粒径分布和稳定性变化特征方面，目前学者尚未得出一致结论。Shiel等[26]研究发现在干湿交替初期，黏质土(61% 黏粒，33% 粉砂)团聚体粒径下降明显，且经过4次干湿交替后，机械重组后的团聚体和自然状态下的团聚体粒径分布相似；但Mikha等[23]研究表明干湿交替初期，粉砂壤土(22% 黏粒，69% 粉砂，9% 砂粒)团聚体粒径分布没有显著变化，直到第4次干湿交替后，干湿交替对团聚体才有微小影响；Denef等[10]研究了干湿交替对团聚体稳定性及土壤有机质、微生物群落的影响，结果表明，尽管前2次干湿交替会显著降低粉砂壤土(23% 黏粒，36% 粉砂，41% 砂粒)团聚体稳定性，促进团聚体周转，但在团聚体整个崩解和形成周期中，干湿交替对团聚体周转并无较大影响。因此，开展干湿交替条件下土壤团聚体稳定性研究，探究干湿交替对团聚体的作用机理及影响因素，对于农业生产、干湿交替敏感区域(如湿地、河岸带、水库消落带等)的保护及生态恢复具有重要的指导意义。

本文结合近年来国内外研究成果，主要讨论了干湿交替对土壤团聚体的作用过程和机理，比较分析了干、湿过程对土壤团聚体的影响机制，并总结了团聚体稳定性的研究方法，旨在探讨影响团聚体对干湿交替响应的主导因素，及该领域已取得的主要进展、存在的问题以及今后的发展方向，为土壤团聚体研究、农业生产及生态环境脆弱区域管理提供参考。

1 团聚体稳定机制

团聚体稳定性是指在外力作用下，土壤维持其自身结构的能力，其对土壤的水分渗透和侵蚀具有重要影响[27]。早在20世纪初，就有学者对团聚体稳定性进行了研究，多集中在影响因素、衡量指标及方法学的研究上，鲜有深入探讨团聚体稳定机制的研究。到20世纪中叶，尽管土壤有机质、黏粒及铁铝氧化物等胶结剂对团聚体的稳定作用得到了重视，但系统阐述团聚体稳定机制的研究仍然较为鲜见。直至80年代初，各类土壤胶结剂在土壤团聚过程中的作用才得到系统认识。土壤胶结剂是促进团聚体形成和稳定的关键物质，Tisdall和Oades[1]将其分为有机胶结剂和无机胶结剂。目前，受到国内外认可的团聚体稳定机制主要包括：①土壤有机质、根系菌丝及其分泌物等有机胶结剂对团聚体的粘结作用；②黏粒、多价金属离子、氧化物等无机胶结剂与团聚体颗粒间的相互作用力。

有机胶结剂分为临时性胶结剂(temporary binding agents)、瞬时性胶结剂(transient binding agents)、持久性胶结剂(persistent binding agents)[1]，受微生物活动及植物根系影响较大。临时性胶结剂主要包括根系、菌丝和真菌，主要通过物理缠结作用促进团聚体稳定，尤其影响大团聚体的水稳性；瞬时性胶结剂包括微生物和植物产生的多糖，其可将黏粒大小的颗粒粘结成团聚体，但易被微生物快速分解[1]；而持久性胶结剂则主要是由持久性的芳香腐殖质组成，多为土壤黏粒、多价金属及有机质的混合物，非常稳定，不易受快速湿润和人类活动的影响，是保持微团聚体水稳性的重要胶结剂[1]。

无机胶结剂主要包括黏粒、多价金属离子、铝硅酸盐、氧化物(如晶质氧化铁)等[1,28]，受成土母质类型影响。其中，黏粒是重要的无机胶结剂，其膨胀、分散和絮凝均影响团聚体稳定性，尤其对黏土的团聚体稳定性影响明显。团聚体在水化作用下，部分黏粒会慢慢释放，并聚集在团聚体周围，堵塞孔隙，对土壤结构产生不利影响；但部分黏粒会发生絮凝，促进团聚体的形成[29]。黏粒对团聚体稳定性既有促进作用，也有抑制作用，这与土壤电解质碱度、可交换性钠含量等特征有关。而其他无机胶结物(如多价金属离子、氧化物等)影响电解质性质，从而影响颗粒对团聚体的稳定作用。有研究表明，铁、铝倍半氧化物可作为絮凝剂，促进黏粒絮凝，提高微团聚体稳定性[30]。

不同类型或性质的土壤，各类胶结剂的含量不尽相同，其主导的稳定机制往往差异较大。例如，对于有机质含量较低的红壤，无机胶结剂在团聚体稳定过程中起主导作用。闫峰陵[31]研究表明，红壤团聚体稳定性与土壤有机质、腐殖酸等有机胶结剂相关性较低，而与铁铝氧化物及黏粉粒等无机胶结剂含量呈显著正相关关系；Zhang和Horn[32]对第四纪红黏土进行研究，结果再次表明土壤有机质对团聚体的粘结作用要小于由于土壤矿物膨胀或气体产生的压实作用。此外，Jozefaciuk和Czachor[33]利用从黄土(Loessial soil)中提取的4类添加物(有机质、氧化铁、硅胶、氧化铝)人工合成团聚体，研究发现除了氧化铝，其他添加物均能增加大团聚体的水稳性，但当这3类添加物含量较低时降低粒径为1 ~ 2 mm团聚体的稳定性。尽管不同含量的胶结剂对团聚体稳定的贡献大小存在差别，而对于自然土壤，不同胶结剂的共同作用可能导致团聚体稳定性向不同方向变化。从上述作用机理来看，团聚体胶结剂易受到外界环境因子的影响。其中，干湿交替对团聚体稳定影响过程和机制一直以来是土壤团聚体研究的重要内容。

2 干湿交替对土壤团聚体稳定性的影响

2.1 干湿交替对团聚体粒径分布的影响

团聚体形成受干湿交替作用的影响，且不同粒级土壤团聚体在形成的不同阶段，对干湿交替的响应不尽一致。在微团聚体形成初期，由于降雨等因素引起的干湿交替作用会影响黏粒、粉粒、砂粒的悬浮和迁移[8]，以及对颗粒粘结起重要作用的多价阳离子形态，如铁离子[1]；在大团聚体形成过程中，对结构不稳定的土壤进行快速的湿润或浸透，会导致土壤团聚体崩解[34]，进而影响大团聚体稳定性。干湿交替对不同粒径的团聚体影响程度也不同，受团聚体中心离蒸发面距离和孔隙结构的影响[35]。例如，粒径小且多孔的团聚体受到干湿交替作用后，更容易在短时间内干燥和浸湿[35]。干湿交替主要通过改变团聚体间或团聚体内的孔隙结构[36]，使团聚体收缩和膨胀，改变土壤团聚体粒径[37]，其影响机制如图2所示。在干燥过程中，土壤水分蒸发，外界空气进入土壤孔隙，团聚体孔隙间气泡膨胀，团聚体受到挤压而收缩，其粒径减小；在湿润过程中，水进入土壤孔隙，团聚体孔隙间气泡受到挤压，同时团聚体产生一定的抗水化性，并由于吸水发生膨胀，团聚体粒径增大。

干湿交替主要通过自然降雨、灌溉、水位变化、人工模拟降雨试验等实现，国内外针对干湿交替对团聚体粒径的影响尚未得出一致结论，但基本认为干湿交替初期(1 ~ 4次)会降低团聚体粒径，但经过多次干湿交替后，团聚体粒径分布趋向稳定且团聚作用下降(表1)。例如，Degens和Sparling[43]对西澳大利亚珀斯市(Perth，Western Australia)大学农场的灰化土(a lateritic podzol)进行室内干湿交替处理，发现经过最初2次干湿交替后，大团聚体(粒径>2 mm、1 ~ 2 mm、0.25 ~ 0.5 mm)下降48% ~ 65%；经过第3次干湿交替后，团聚体快速恢复到最初的78% ~ 100%，经过第4 ~ 6次干湿交替后，土壤团聚作用下降。而Sarah和Rodeh[42]在自然降雨和模拟降雨条件下对石灰土团聚体研究，发现灌木和无灌木地区微环境的团聚体粒径和稳定性均随降水量的增加而增大，且增加干湿交替次数可提高土壤结构稳定性；在国内，王彬[40]对哈尔滨市宾县黑土进行研究，结果表明干湿交替过程初期对大团聚体破坏作用明显，且干湿交替可促进粒径<0.2 mm的微团聚体向粒径为0.2 ~ 1 mm的团聚体转化，此转化过程存在阈值现象(3次)，一旦达到形成新生团聚体的阈值后其团聚作用随之下降。

(“”代表膨胀，“”代表收缩，土壤为非变性土)

表1 干湿交替对团聚体粒径分布的影响

以上研究表明，尽管国内外有关干湿交替对土壤团聚体粒径分布的影响进行了研究，但由于土壤理化性质、干湿交替试验条件不一致性等原因，研究结果可比性欠缺，对减少土壤侵蚀、提高耕作效率等应用性不强。今后研究需加强不同质地土壤在相同干湿交替条件下的对比研究，需对干湿交替作用尤其是室内试验操作规范化，并逐渐加强干湿交替与其他作用(如植物根系)对团聚体粒径分布的交互作用研究，从而加深干湿交替对团聚体粒径影响的认识。

2.2 干湿交替对团聚体水稳性的影响

干湿交替主要通过影响团聚体膨胀和收缩、胶结剂的稳定性，改变团聚体水稳性。对团聚体快速浸湿，可导致团聚体形成微裂纹[21]，降低颗粒的粘结力，促进水化，降低团聚体水稳性。对团聚体进行干燥，会促进水中悬浮的矿物颗粒粘结，以及可溶性物质(如二氧化硅、碳酸盐和有机分子)聚集，同时胶结物质和可溶性矿物质在颗粒间接触点周围结合，促进团聚体形成，增强土壤粘结力[8]。干湿交替还可通过影响微生物群落分布及活动[11,44]，影响过渡性和暂时性胶结剂的合成和分解。例如，Zhu等[45]研究发现，剧烈的干湿交替作用(8次，每周期3 d，土壤含水量从25% 降到10% 左右)抑制向日葵根际微生物呼吸作用和砂壤土有机质的分解与矿化。但在不同理化性质的土壤中，微生物群落类型和分布特征差异较大，且干湿交替条件下微生物对胶结剂稳定性的影响机制还不明确。

目前，团聚体水稳性研究多集中于对土壤有机碳和土地利用方式(包括耕作、施肥、植被恢复等)的响应上，也有部分学者研究了冻融交替等自然环境因素，以及胶结剂(如根系分泌物)、土壤物理化学性质(如含水率)对团聚体稳定性的影响。尽管进入21世纪以来，有关水稳性团聚体的报道明显增加，但有关干湿交替对团聚体水稳性的影响研究较少。大量研究结果表明，干湿交替影响团聚体水稳性，但针对不同土壤类型，相关结果不尽一致(表2)。总体而言，干湿交替能促进变性土的团聚作用，利于水稳性团聚体的形成；而对红壤、粉砂壤土等一般起抑制作用，且在作用初期(1 ~ 4次)，干湿交替对水稳性团聚体破坏明显。Utomo和Dexter[7]认为干湿交替对水稳性团聚体有显著影响，且免耕土壤在干湿交替的作用下，水稳性团聚体持续减少；对于翻耕地，部分水稳性团聚体起初会逐渐增加到最大值，然后伴随干湿交替过程不断减少。Denef等[10]对粉砂壤土研究发现，干湿交替使大团聚体(>2 mm)数量从占总土壤质量的30%减少到21%，且大团聚体经过了2次干湿交替后具有了抗水化性。而Bravo-Garza等[46]认为，对于变性土，干湿交替促进水稳性团聚体的形成，增加大团聚体的数量。虽然不同研究的干湿交替试验设计和供试土壤性质有所区别，但是可以看出干湿交替影响团聚体水稳性，且作用程度与土壤类型、干湿交替频率有关。因此，需对比不同土壤类型的团聚体稳定性对干湿交替响应机制研究。同时，鉴于干湿交替对土壤团聚体稳定性研究多集中在单一的土壤系统中，今后需加强对干湿交替条件下土壤-植物复合系统中植物根系、群落结构等对团聚体水稳性的影响研究。

表2 干湿交替对团聚体水稳性的影响研究

3 干湿交替下土壤团聚体稳定性的主要影响因素

3.1 土壤理化性质

土壤有机质是参与土壤结构发育的重要物质[50]，直接影响土壤的团聚过程，以及土壤结构稳定性对干湿交替的响应[51-52]。一般认为，土壤有机质通过降低土壤的浸湿程度和增加团聚体的粘聚度来提高团聚体稳定性。例如，微团聚体可在新鲜有机质的粘结作用下形成大团聚体，其水稳性与土壤有机质的动态变化紧密相关，且颗粒态有机质对大团聚体具有直接或间接的稳定作用[53]。除此之外，土壤有机质的减少不仅会导致水稳性大团聚体减少[54]，而且会使可分散性黏粒大量增加，从而导致有机胶结剂氧化，降低土壤团聚体稳定性[52]。但也有学者指出土壤有机质中的有机阴离子，如黄腐酸根、柠檬酸根、草酸根等，会增加黏粒扩散，降低微团聚体稳定性[30]。同时干湿交替可能会导致已有的团聚体中有机物质暴露分解，促进团聚体的形成，并在微生物参与下实现团聚体周转和物质循环[11]。近年来，有关颗粒有机质(particulate organic matter，POM)对团聚体稳定性的作用研究逐渐受到关注。已有研究表明在干湿循环2次左右POM可促进大团聚体的形成[10]，且POM还是微团聚体的重要组分，能免受微生物分解和干湿交替干扰。

影响土壤团聚体对干湿交替响应的理化性质还包括土壤矿物组成及质地、初始含水量、孔隙度等方面。不同矿物组成和质地的土壤，其黏土矿物含量有所差别，且团聚体间的孔隙连通性也不相同，故不同质地的土壤抗干湿交替胁迫能力也不同，从而对团聚体的粒径大小及稳定性的影响也有差异。例如，Gregory等[55]对英国贝德福德郡(Bedfordshire)的钙质土、棕砂土进行对比研究，发现黏土比砂壤土更易受到干湿交替的影响。初始含水量影响土壤团聚体对干湿交替的响应，大部分研究表明初始含水量影响土壤入渗速率及土壤的团聚作用、水化力大小，并在一定程度上决定了团聚体的破碎机制[56-58]。早在20世纪60年代，初始含水量对团聚体稳定性的影响就已经受到关注[59]，但有关其对不同类型土壤的作用还尚未得出一致结论。王彬[40]对黑龙江黑土进行研究，发现初始含水量增加会降低团聚体稳定性；但Zhou等[60]对中国西南喀斯特地区的石漠化土壤进行研究，指出初始含水量的增加有利于团聚体的稳定。团聚体自身的孔隙度是影响其响应干湿交替的重要因素，尤其对于水稳性团聚体，其高孔隙度保证了其渗水能力，减缓干湿交替的破坏作用。

近10年来，有关土壤理化性质影响土壤团聚体对干湿交替响应的研究热度明显上升，主要集中在土壤有机质、初始含水率等。就有机质而言，尽管目前对POM的研究已逐渐深入到其在各类团聚体中的周转及POM中碳、氮赋存规律的研究，但POM在团聚体形成过程中的作用机理和周转，以及与影响POM作用的因素(如黏粒含量、干湿交替)之间的相互作用尚不明晰。鉴于目前有关初始含水量对不同地区、不同特征的土壤团聚体稳定性影响研究的结果不一致性，今后还需加强土壤含水量对团聚体形成和稳定的影响机制研究，以及不同性质土壤间的对比性研究。另外，对于受到强烈人为扰动的土壤，其理化性质影响团聚体对干湿交替响应的机制有待进一步研究。

3.2 植物根系

土壤团聚体与植被根系密不可分，大团聚体水稳性极大地依赖于植被根系和菌丝[4]。植物根系分泌的瞬时性胶结剂(如多聚糖)，并由此衍生的持久性胶结剂(如芳香烃类腐殖质)都有利于团聚体的形成和稳定[52]，增强团聚体抗水化能力。根系分泌物除了可作为胶结剂外，还可为土壤微生物提供营养物质，从而直接或间接影响土壤团聚过程。Niu和Nan[61]研究表明，无芒隐子草的根系可提高砂壤土团聚体的粘聚力和土壤抗水蚀能力；莞亚茹等[62]模拟根系分泌物，证实了低分子量根系分泌物中的葡萄糖组分可促进黑土中微团聚体的形成，且谷氨酸和苹果酸有利于微团聚体胶结成大团聚体。植物根系还可增加土壤团聚体内部的团聚度与孔隙数量，提高土壤渗水能力，降低干湿交替的影响。例如由政等[63]对黄土高原退耕地不同演替阶段的茵陈蒿(前期)、铁杆蒿(中期)、白羊草(后期)的根系与团聚体稳定性之间的关系进行研究，发现植物根系的长度、直径的增加可改善土壤孔隙结构，且表层0.5 ~ 2 mm的根系特征(根长、表面积、生物量)与团聚体稳定性极显著相关；Qu等[64]对中国岷江上游干旱河谷地区的石灰性始成土进行研究，指出在生态系统演替初期，先锋植物(如细裂叶莲蒿)的根系生长有利于形成健康的土壤团聚体，提高土壤结构稳定性，并促进退化生态系统的后续演替。

近年来，国内外有关植物根系对团聚体稳定性的影响主要集中在对作物(如大豆、小麦、玉米)和草本(如白三叶、苜蓿、冰草)研究上，其次是灌木(如柠条、沙棘)和乔木(如刺槐)。植物根系对生态系统的不同演替阶段土壤团聚体的形成与稳定具有重要作用，然而干湿交替条件下，不同演替阶段植物及其根系的适生特征对土壤团聚体稳定性的影响机制尚不明晰，有待进一步研究。

3.3 土壤动物

一般而言，含较多团聚体的土壤中有大量中型动物区系(Mesofauna)和大型动物区系(Macrofauna)的种群[52]。细菌和真菌在微尺度上(μm ~ cm)团聚和稳定土壤结构，而蚯蚓和白蚁在小尺度(mm ~ m)上影响团聚体结构和土壤稳定性[52]。对土壤团聚体粒径分布影响较大的土壤动物主要包括蚯蚓和白蚁[28]。蚯蚓主要通过挖掘洞穴和生成排泄物影响土壤团聚体的形成和稳定[52]，但并非所有的蚯蚓都对团聚体有重要的影响。根据蚯蚓的取食和排泄习性可以将其分为表栖类、深土栖类、内栖类[52]，其中深土栖类和内栖类主要通过内脏消化土壤或落叶等后形成的排泄物影响土壤团聚体形成[52, 65]。蚯蚓可以调节大团聚体和微团聚体的形成，并通过其血管束的粘合作用和肠道的消化作用以及排泄物的固定作用增加土壤团聚体的稳定性[28]，且蚯蚓粪影响着大团聚体的抗水化性[52]。尽管目前白蚁对土壤团聚体的影响机制还不明确，但是有部分研究表明有些白蚁物种可以影响土壤的微团聚体。例如，Six等[28]认为只有富含有机质和可交换阳离子的白蚁物种才可以改善土壤结构，提高稳定性；Jungerius等[66]对肯尼亚埃尔多雷特(Eldoret)南部地区的食土白蚁研究，发现该白蚁通过取食土壤物质，将其在肠道系统内消化，并储存在粪球内排出，促进微团聚体的形成。

目前，有关土壤动物影响团聚体的研究多集中在蚯蚓上，其他动物种类相对较少。尽管蚯蚓对土壤团聚体有着不可忽视的影响，但研究不同地区独特土著动物对土壤结构稳定性的影响也有重要意义，这对改善区域植物生长环境和土壤稳定性有不可忽视的作用。从系统的完整性考虑，土壤动物与其他环境因素(如根系)的相互作用也是今后需要研究的科学问题。此外，土壤动物对干湿环境的适应活动，影响土壤团聚体稳定性，但干湿交替这种对土壤团聚体稳定性的间接影响机制还不清楚。

3.4 微生物群落

微生物群落主要通过影响土壤颗粒粘结以及分解或合成有效胶结剂直接影响团聚体的稳定性[67]。Cosentino等[68]研究表明真菌对土壤的物理缠结、胞外多糖和疏水物质的形成具有重要作用，其生物量与团聚体稳定性之间有较好的相关性。微生物生物量大小和群落组成的差异影响土壤团聚体对干湿交替的响应。例如Denef等[69]对美国科罗拉多州的粉砂壤土进行研究，发现进行杀真菌剂处理后的土壤中没有形成大团聚体，这表明真菌在水稳性大团聚体的形成过程中起着重要作用。另外，多数情况下干湿交替对微生物群落的影响受土地利用方式的限制。Fierer等[70]对美国加利福利亚大学塞奇威克自然保护区土壤进行研究，发现干湿交替影响橡树土壤的细菌群落组成，而对草地影响较小；Gordon等[71]对英国兰开夏郡牧场的棕壤土研究发现，干湿交替极大地降低了微生物生物量碳、真菌磷脂脂肪酸以及真菌细菌的磷脂脂肪酸比值。除此之外，干湿交替对细菌和真菌的影响也有所差别。例如，Butterly等[72]对添加了葡萄糖、淀粉、纤维素的深色淋溶土进行研究，发现干湿交替降低了真菌的含量，而细菌革兰氏阳性菌有所增加。

近10年来，国内有关微生物影响团聚体对干湿交替的响应研究多集中在团聚体养分迁移与转化的机制上，多数研究认为在干湿交替条件下，微生物通过呼吸作用及其对土壤团聚体中养分的矿化作用来影响碳、氮等营养元素的迁移转化；国外除了上述研究方向外，还侧重于干湿交替条件下团聚体与微生物之间的相互作用，如团聚体对微生物的保护机制研究、微生物对团聚体稳定性的影响等。为此，今后需开展干湿交替下不同土壤类型团聚体的响应机制研究，尤其是微生物学机制，以及微生物与其他因素(如根系)对团聚体的交互作用研究。

3.5 土地利用管理措施

土地利用与田间管理方式(如地表覆盖、耕作制度)影响土壤孔隙结构、导水率，及土壤中有机质的分布，从而间接影响土壤团聚体对干湿交替的响应。有研究表明，团聚体粒径分布及稳定性变化的66.6%是由土地利用类型变化引起[73]。目前，不同的耕作制度(包括少耕、传统耕作和免耕)对团聚体的影响是研究热点[74-76]。研究表明不同的耕作制度对团聚体的影响有所差别，免耕更有利于团聚体稳定。例如，Álvaro-Fuentes等[77]对西班牙萨拉戈萨省旱地农田研究，比较了传统耕作、少耕和免耕对土壤团聚作用的影响，发现其对土壤结构的改善作用依次增强，且耕作强度的降低有利于增强团聚体水稳性；Hontoria等[78]对西班牙卡尼亚梅罗红壤地区的表层砂壤土研究发现，与传统耕作相比，免耕土壤在6 a后其表层土壤(<100 mm)的大团聚体含量增加了40%，在退化的红壤地区，免耕比传统耕作更有利于形成和稳定大团聚体。除此之外，施用秸秆等有机物，可显著增加经过湿筛后的土壤团聚体几何平均直径和MWD，调节土壤团聚体分布及稳定性，改善土壤结构[79]。

4 研究方法

从20世纪30年代以来，学者就展开了对土壤团聚体稳定性研究方法的探索，有关团聚体粒径分析及团聚体稳定性评价的研究方法如表3所示。

湿筛法、水滴法及降雨模拟法主要通过衡量团聚体抗水化和抗机械破碎能力来衡量团聚体稳定性。其中，湿筛法简单易行，但耗时耗力；水滴法评价精确度有待提高；模拟降雨法更适于田间试验。20世纪90年代，Le Bissonnais[82]在上述研究方法的基础上，总结了导致团聚体崩解的水化、膨胀、雨滴破碎及物理化学分散四大机制，并提出了统一的评价团聚体稳定性的框架和实验操作步骤。尽管Le Bissonnais法可用于比较不同土壤的团聚体稳定性，但实验步骤复杂。值得注意的是，上述方法均对土壤结构具有破坏性。直至20世纪末，CT的研发与应用使土壤结构可视化成为可能。相比传统研究方法，CT对土壤结构不具有破坏性，并能在微尺度水平观察土壤结构的3D形态特征及液相在土壤结构中的流动。21世纪以来，同步加速器、显微CT技术的出现，以及算法精确度的提高促进了CT在土壤科学上的应用[90]。目前国内外CT在土壤科学上的应用主要包括土壤孔隙和有机质分布、矿物颗粒的空间排列、团聚体粒径分析，同时也运用于土壤液相分布及气体释放特征研究。相比于国外，CT技术在我国的土壤结构定量化研究中的应用仍处于起步阶段。目前国内CT技术主要应用于较大尺度(mm ~ m)的研究，如土壤砂石含量[91]、大孔隙(>5 mm)[92]。尽管近年来部分学者利用CT技术在团聚体尺度开展了一些研究，如周虎等[93]应用同步辐射显微CT对第四纪红黏土母质的水稻土中团聚体结构进行了分析，但是在团聚体和微孔隙尺度上开展的研究较少。

总体而言，土壤团聚体粒径分析和稳定性评价经历从定性描述到定量分析，从人工实验操作到与电脑数字化相结合的发展过程。研究方法的改进降低了人为因素对土壤结构的破坏作用，并逐步实现了土壤团聚体结构分析的可视化，提高了分析结果的精确度和可靠性。目前研究多结合Yoder湿筛法及CT技术对土壤团聚体粒径和稳定性进行分析。CT技术以其对土壤结构不具破坏作用而受到广泛关注，但其图像精确度的提高有赖于算法的改进。且有研究表明，X射线影响团聚体中微生物的数量及代谢活性[94]，这在一定程度上限制了CT技术在团聚体中微生物的分布特征及演变研究上的应用。今后需加强CT技术图像处理的算法研究，提高图像精确度，同时加强低危害性辐射源的开发，减少其对土壤结构中生物的影响，从而促进CT技术在多尺度土壤结构研究中的应用。除此之外，针对不同类型及处于不同环境条件下(如干湿交替、冻融交替等)的土壤，标准的采样方法和土样前处理采样步骤亟待建立，以提高研究结果的可比性。

表3 评价团聚体稳定性的重要研究方法

5 研究展望

干湿交替在自然界中普遍存在，其对土壤团聚体形成和稳定具有重要作用，相关研究越来越受到重视。干湿交替影响胶结剂的合成和分解，并在各类因素的直接或间接作用下，共同影响团聚体稳定性。复合生态系统对团聚体稳定性具有多重影响机制，但目前针对干湿交替影响团聚体的研究多集中在单一土壤系统中，鲜有从复合生态系统的角度探究团聚体的形成过程和机理，且厘清干湿交替下各类因素对团聚体的作用过程和机理是亟待解决的重要科学问题。同时，研究技术的进步，如无损探测，包括CT和同步辐射光源等，为今后团聚体形成及其作用机制的研究提供了新的手段，且有关团聚体粒径分布状况及其周转的研究可以进一步拓展。鉴于团聚体对土壤结构和功能以及对生态系统功能的重要性，今后需加强以下几个方面的研究。

1)敏感脆弱区干湿环境变化下土壤团聚体形成和演变机制。环境因素和人为活动影响土壤团聚体稳定性。有关小尺度区域的环境因子对团聚体的影响研究已逐渐趋于成熟，但大尺度、高频度的人为干扰或环境变化对土壤团聚体的影响研究还比较少见。敏感脆弱区通常对高频度的环境变化响应敏感，但在此条件下土壤团聚体形成和演变机制尚不清晰。水陆交错带是最常见的受干湿交替影响较大的区域，如三峡水库消落带，自2010年正式蓄水后，在水位涨落幅度达30 m的库区岸边带，形成了面积为348.9 km2的消落带，其水位变化受季节和人为控制的影响很大，涉及范围广，规律性强。消落带为新生生态系统，土壤稳定性对于新生系统的演替具有决定性影响，研究此类地区干湿交替条件下土壤团聚体形成和演变机制对于敏感脆弱区的生态恢复具有重要意义。鉴于此，本文提出以下亟需开展的研究方向：①在与干湿交替相关的强干扰的人为因素(如修建水库)或高频次的环境变化(如潮涨潮落)作用下，此类地区(如水陆交错带)土壤团聚体形成的主要机制及团聚体粒径、稳定性等的演变规律；②干湿交替作用强烈地区(如消落带)且处于演替初期的新生生态系统中土壤团聚体的稳定机制及影响因素；③在干湿交替作用下，土壤微生物群落分布、动物迁移对脆弱生态系统土壤团聚体稳定性及其养分循环的影响。

2)干湿交替对土壤团聚体中污染物迁移转化的影响。干湿交替对土壤物理化学性质有重要影响，如氧化还原电位、pH、含水量。但化学污染物包括重金属及各类新型污染物，在土壤团聚体中各粒径的分布规律及在干湿交替条件下其形态转化规律尚不明确。目前，我国土壤污染形势不容乐观，各类新型污染物层出不穷。例如，卤代咔唑(PHCs)是多集中在河流湖泊沉积物及土壤中的新型有机污染物，目前其来源、分布及生态毒理效应尚不清楚[95]。探究污染物迁移转化机制，研究有效的土壤修复方法刻不容缓。探索干湿交替条件下污染物在土壤团聚体中的迁移转化规律，有利于修复处于环境变化条件下受污染的土壤生态系统，改善土壤环境质量。

3)断层扫描技术在团聚体研究中的应用。目前，断层扫描技术的辐射源主要包括X射线、γ射线、光子、中子、正电子，其中X射线、γ射线是最常见的辐射源。由于X射线断层扫描技术对团聚体结构不具有破坏性，并能在微观尺度水平观察土壤结构，这使CT技术在团聚体微生物功能及分布特征研究中的应用成为可能。但由于辐射源的放射性，限制了断层扫描技术在团聚体中微生物研究中的应用。今后需加强断层扫描技术优化研究，减少辐射源对微生物及土壤动物的影响；加强图像算法的研究，提高图像分辨率，促进断层扫描技术在团聚体研究中的应用。

4)植物群落与土壤团聚体间交互作用特征与机理。地下结构功能是近几年的相关研究热点之一，其中植物根系对土壤结构功能的影响越来越受到关注。在生态系统的不同演替阶段，土壤有着不同的特性和功能，并受到环境变化的影响。土壤团聚体的形成对脆弱生态系统恢复具有重要作用，尤其在植物群落演替早期，环境条件处于不稳定状态，大量土壤有机质积累和植物根系生长有利于团聚体的稳定和植物群落形成[96]。最近研究表明，在多样化的植物群落中，一些特定植物功能物种会影响土壤的物理过程[97]。尽管植物根系是植物多样性影响土壤团聚体稳定性的关键途径，但目前生物多样性与地下生态系统功能关系的研究还较少。除此之外，团聚体孔隙大小、粒径分布、稳定性等性质影响植物营养物质吸收及根系分布，从而间接影响植被初级生产力。但目前针对在生态系统不同演替阶段、不同环境条件下(如干湿交替)的土壤团聚体物理化学性质变化规律和特征及其与植物群落之间的交互作用并不明晰。因此，需进一步探索不同演替阶段土壤团聚体和植物群落的交互作用变化特征，及相互作用机制，这有利于完善环境变化下对土壤团聚体和植物群落功能形成的认知，实现脆弱生态系统的生态恢复。另外，在全球环境变化的背景下，干湿交替过程中单一系统的土壤团聚体演变研究应该加强与生态系统过程、功能及其提供的生态系统服务的结合，形成跨尺度和跨系统的综合交叉研究方向。

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Soil Aggregates as Affected by Wetting-Drying Cycle: A Review

LIU Yan1,2, MA Maohua1, WU Shengjun1, RAN Yiguo1,2, WANG Xiaoxiao1,2, HUANG Ping1*

(1 Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Aggregates, as the basic unit of soil structure, play a fundamental role in ecosystem function such as soil stability and fertility. Wetting-drying cycle is the most common environmental factor affecting the properties of soil aggregates, particularly soil aggregate stability. This paper reviewed the research advances in soil aggregates affected by wetting-drying cycle over the past 70 years, and summarized the characteristics of soil aggregate size distribution, dynamics of water stability, influential factors and their function mechanisms. In addition, this review compared the different methods in measuring soil aggregate stability in the last 80 years. Although different soil types were investigated by studies focusing on soil aggregates affected by wetting-drying cycle, most of the studies were conducted focusing on soil system individually and few on influential mechanisms across ecosystems. In addition, because of the difference between study methods, the obtained results are diverse and lacking of comparability. This review also proposed several perspectives in future studies: 1) dynamics of soil aggregate distribution and formation affected by wetting-drying cycle in fragile ecological zones; 2) the influences of wetting-drying cycle on migration and transformation of heavy metals and toxic chemicals during the turnover of soil aggregates; 3) the application of computed tomography (CT) in studying soil aggregates; 4) the interaction between plant community and soil aggregates.

Soil aggregate; Soil structural stability; Wetting-drying cycle; Ecosystem functions; Computed tomography(CT)

国家自然科学基金项目(41401243，41771266，41701247)，重庆市社会事业与民生保障科技创新专项重点研发项目(cstc2017 shms-zdyfX0074)，中国科学院青年创新促进会项目(2017391)，重庆市应用开发计划项目(cstc2014yykfC20002)和土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目(Y412201401)资助。

(huangping@cigit.ac.cn)

刘艳(1992—)，女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事土壤团聚体和生态系统服务研究。E-mail: liuyan1115@mails.ucas.edu.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.001

S152.4

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