干湿交替对土壤团聚体特征的影响

胡旭凯, 陈居田, 朱利霞, 李俐俐

(周口师范学院生命科学与农学学院， 河南 周口 466001)

干湿交替是指土壤经历多次干旱和潮湿循环的过程。降雨、地表径流、蒸发的时空分布变化改变了土壤的水分含量，形成越来越多的干湿交替现象[1]，并对土壤生产力产生重要影响。土壤团聚体作为土壤的基本结构单元，是土壤养分的重要载体，其数量和质量对土壤生产力起决定性作用[2]。土壤团聚体按其粒级大小可分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)，而大团聚体含量的高低可以代表土壤结构稳定性的好坏[3]。土壤团聚体稳定性，即团聚体为了维持原有的形态抵御各种外力作用或者外界环境变化的能力，主要包含机械稳定性和水稳定性[4]。影响土壤团聚体稳定性的因素较多，如降水、干旱、地表水位变化经常会使土壤处于干湿交替状态，干湿交替不仅影响土壤的有机碳矿化和养分含量[5]，而且显著影响土壤团聚体的粒径分布和稳定性[2]。

由于全球气候的变化，极端干旱和强降雨等极端天气逐渐增多，这导致土壤经历强烈干湿交替的频率增加。干湿交替可通过改变土壤孔隙度和水分含量，改变土壤团聚体形成和崩解过程，从而影响大团聚体的含量和团聚体稳定性[6]。然而，不同干湿交替循环和频率对土壤团聚体粒径分布特征以及稳定性的影响，学术界尚未得出一致的结论。Shiel等[7]发现，1次干湿交替后粒径分布有明显改变，而4次循环后土壤各粒级团聚体比例与未进行干湿交替的土壤基本一致；但Mikha等[8]研究发现，前3次干湿交替后团聚体粒径分布没有明显变化，4次之后，土壤团聚体粒径分布有所差异。对于不同土壤类型，干湿交替对土壤团聚体稳定性的影响也不尽相同，邬铃莉等[9]发现，干湿交替破坏黄壤土团聚体的稳定性，而干湿交替可促进变性土团聚体形成，增加土壤团聚体稳定性[10]。因此，研究特定类型土壤在干湿交替作用下的土壤团聚体特征十分必要。近年来，关于黄淮平原潮土区的研究多集中在土壤养分、水分及作物产量等，而不同干湿交替对该区域典型农田土壤团聚体特征的影响研究则较少。因此，本研究以黄淮平原潮土区农田土壤为研究对象，设置不同的干湿交替循环，分析不同干湿交替循环下不同粒级土壤团聚体的含量，比较团聚体的稳定性特征，以期为土壤结构稳定性的维持和农田土壤的可持续管理提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

供试土壤采自河南省周口市的长期耕作农田(N 33°38′，E 114°40′)，土壤类型为潮土，质地黏重，土壤剖面一般由耕作层、犁底层、心土层和底土层组成，且田间调查结果显示，土壤有机碳含量呈现出随土层加深而逐渐减少的趋势，土壤颗粒组成中砂粒、粉粒和黏粒的含量在0—100 cm剖面中有明显变化。因此，在采集土壤样品时分为5层进行采样。此外，该地区位于黄淮平原，属于暖温带半湿润季风气候，冬季少降雪且寒冷，夏季多降雨且炎热，年均温15 ℃左右，年均降水量770 mm左右，降水主要集中于每年6—8月，约占全年降水总量的56%，年均蒸发量1 780 mm左右。在冬小麦生长期内一般分冬灌、返青灌水、拔节灌水、挑旗灌水、开花-灌浆期灌水进行5次灌水，每次灌水后形成一个干湿交替，所以选择0～5次干湿交替进行采样。灌水深度可达冬小麦根系分布的75%左右，而小麦根系的80%一般分布在100 cm以上的土层，所以采集土壤深度达到100 cm。

于2019年3月采集农耕地0—100 cm土层的原状土，每20 cm一层。土壤采集后装入硬质塑料盒中带回实验室，去除土壤中的植物残渣、小石块和其他碎屑，将土样置于阴凉干燥处，自然风干后备用。一部分用于土壤团聚体分级，一部分研磨后过2 mm筛，采用常规土壤分析方法[11]测定土壤基本理化性质，结果见表1。

本试验设定0(DW0)、1(DW1)、3(DW3)和5(DW5)次干湿交替循环，每个处理重复3次。将称好的土壤样品置于滤纸上，采取快速喷淋式喷水使土壤含水量迅速达到田间持水量，放置过夜，模拟土壤吸水湿润过程；干燥过程则将湿润后的土壤放入40 ℃烘箱内48 h使之干燥，如此为一个干湿交替循环。

1.2 土壤团聚体筛选方法

分别采用干筛法和湿筛法对土壤团聚体进行分级，从而分析土壤机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体的分布特征。

采用沙维诺夫法[12]进行干筛，称取100 g风干土样，然后通过一套直径20 cm、高5 cm的振荡筛(套筛直径为5、2、1、0.5和0.25 mm)，底层安放底盒，顶部盖筛盖，用振荡式筛分仪在200次·min-1下振荡2 min。筛取完成后土样分成>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5和<0.25 mm团聚体，分别收集称重。

采用Yoder法的改进版[13]进行湿筛，先将振荡筛的各个筛面按照从上到下的顺序(5、2、1、0.5和0.25 mm)放置好，然后摆放入湿筛桶，称取100 g风干土样平铺于最上层筛面上，然后沿着桶壁缓慢加入去离子水，使最上层筛子中团聚体刚好浸没在水面以下，浸润10 min后，以30次·min-1的频率振荡5 min，之后将各筛面上的水稳定性团聚体分别冲洗至已称重的容器中，40 ℃条件下烘干，称重。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.3 团聚体指标计算方法

>0.25 mm团聚体百分含量(R0.25)[14]、土壤团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction，PAD)[15]、土壤团聚体的平均质量直径(mean weight diameter，MWD)[14]和几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)[14]的计算公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2019、SPSS 24.0进行整理和统计分析，并采用Origin 9.0进行绘图。用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行数据间的比较分析，采用最小显著差法比较其显著性差异，显著性水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 水稳定性团聚体分布特征分析

不同干湿交替处理的土壤水稳定性团聚体分布结果(表2)可知，随土壤层次的加深，各处理不同粒级团聚体呈现出不同的变化趋势，DW0处理的0.5～1和0.25～0.5 mm团聚体含量呈现出逐渐降低的趋势，而DW1、DW3和DW5处理的0.5～1和0.25～0.5 mm团聚体有先增加后降低的趋势；DW0、DW3和DW5处理<0.25 mm团聚体基本呈现出先增加后降低的趋势，DW1的<0.25 mm团聚体含量则先降低后增加而后略微降低。

与DW0相比，干湿交替处理(DW1、DW3和DW5)显著降低0—20 cm土层2～5、1～2、0.5～1和0.25～0.5 mm团聚体含量，对>5和<0.25 mm团聚体的影响随干湿交替次数的不同而不同。与DW0相比，DW1处理显著增加0—20、20—40、40—60和80—100 cm土层中<0.25 mm团聚体含量，其中以0—20 cm土层增幅最大，为112.9%；而DW3处理显著降低60—80 cm及以下土层<0.25 mm团聚体含量；DW5处理显著增加40—60 cm及以上土层<0.25 mm团聚体含量。与DW0相比，DW1显著增加<0.25 mm团聚体含量；与DW1相比，DW3处理显著降低<0.25 mm团聚体含量。

表2 不同干湿交替处理的水稳定性团聚体分布特征Table 2 Proportion of different water-stable aggregate sizes under different dry-wet cycles

2.2 机械稳定性团聚体分布特征分析

不同干湿交替处理的土壤机械稳定性团聚体结果(表3)显示，各干湿交替处理下各土层团聚体粒级分布基本一致，即>5 mm团聚体所占比例最高(均在41%以上)，其次是2～5和1～2 mm团聚体，0.25～0.5与<0.25 mm团聚体所占比例较低。随土壤层次的加深，>5 mm粒级团聚体有逐渐增加的趋势，2～5和1～2 mm粒级团聚体有逐渐降低的趋势。

与DW0相比，干湿交替处理(DW1、DW3和DW5)显著增加各土层>5 mm团聚体含量而显著降低1～2和0.5～1 mm团聚体含量；干湿交替则显著降低0—20、20—40、60—80和80—100 cm土层的2～5 mm团聚体含量。与DW0相比，干湿交替处理显著降低0—20 cm土层0.25～0.5 mm团聚体含量(P<0.05)，DW1和DW3的降幅分别为78.1%和58.5%。与DW0相比，DW1处理显著降低各土层<0.25 mm团聚体含量，而DW5处理显著增加各土层<0.25 mm团聚体含量，DW3处理对<0.25 mm团聚体含量的影响则随土层的变化而不同。

2.3 土壤团聚体的数量稳定性分析

湿筛条件下，不同处理的R0.25有明显差别(表4)。与DW0相比，DW1处理显著降低土壤各土层的水稳定性R0.25，其中0—20 cm土层R0.25降幅最大，达到62%。与DW0相比，DW3处理显著降低0—20 cm土层水稳定性R0.25，而显著增加60—80和80—100 cm土层水稳定性R0.25，在20—40和40—60 cm土层DW3和DW0处理间的水稳定性R0.25无显著差异。与DW0相比，DW5处理显著降低60—80 cm土层及以上土层的水稳定性R0.25，而显著增加60—80 cm土层R0.25，对80—100 cm土层R0.25无显著影响。

表3 不同干湿交替处理的机械稳定性团聚体分布特征Table 3 Proportion of different mechanical-stable aggregate sizes under different dry-wet cycles

干筛法获得团聚体R0.25均在85%以上。与DW0相比，DW1和DW3显著增加0—20和60—80 cm土层R0.25；DW3处理对20—40、40—60和60—80 cm土层R0.25无显著影响，但显著增加0—20和80—100 cm土层R0.25。与DW0相比，DW5处理显著降低各土层R0.25。

团聚体破坏率(PAD)表示湿筛法相比干筛法破碎的团聚体比例，数值越小代表土壤团聚体结构越稳定[16]。由表4可知，不同干湿交替处理对团聚体破坏率的影响差异较大，DW1处理的PAD值最高，均在60%以上，在40—60 cm土层达到80%，DW0和DW3处理在不同土层呈现出不同的变化趋势。与DW0相比，DW1处理显著增加0—20、20—40、40—60和80—100 cm土层的PAD值，而对60—80 cm土层PAD值无显著影响；DW3处理显著增加0—20 cm土层PAD值，而显著降低60—80 cm土层PAD值，DW3和DW5处理对20—40、40—60和80—100 cm土层PAD值无显著影响。

2.4 土壤团聚体的直径稳定性分析

由图1可知，在湿筛条件下，各处理的MWD值在各土层中有明显差异。与DW0相比，DW1处理显著降低各土层的MWD值，其中80—100 cm土层降低幅度最大，为66.7%。与DW0相比，DW3和DW5处理显著增加40—60和60—80 cm土层的MWD值，而对0—20、20—40和80—100 cm土层的MWD值无显著影响。在干筛条件下，各土层不同处理的MWD值介于4.38～7.20 mm之间。与DW0相比，DW1、DW3和DW5处理均显著增加各土层的MWD值，且DW3处理的MWD值在0—20、20—40、60—80和80—100 cm土层均显著高于DW1和DW5处理。

在湿筛条件下，干湿交替显著影响土壤团聚体的GMD值。与DW0相比，DW1处理显著降低各土层GMD值，其中以0—20 cm土层降幅最大，为55.1%；DW3处理显著降低0—20 cm土层GMD值而显著增加80—100 cm土层GMD值；DW5处理显著降低0—20、20—40、40—60和80—100 cm土层GMD值。在干筛条件下，与DW0相比，DW1和DW3处理均显著增加各土层土壤团聚体GMD值，增幅均在20%以上；DW5处理显著增加0—20、20—40和80—100 cm土层GMD值而对40—60和60—80 cm土层GMD值无显著影响。

表4 不同处理土壤大团聚体含量及团聚体破坏率Table 4 Content of soil macro-aggregate (>0.25 mm) and percentage of aggregate destruction

3 讨论

良好的土壤结构需要有较高含量的土壤团聚体和适当的粒径分配，尤其是水稳定性团聚体的数量和稳定性。本研究中干筛法和湿筛法所得土壤团聚体组成和稳定性有所差异，这主要是由于干筛法反映的是原状土中非水稳定性和水稳定性团聚体的总体状况，而湿筛法所反映的是土壤中水稳定性团聚体的分布状况。经过湿筛后土壤中非水稳定性团聚体容易通过外力(水)的挤压作用破碎成更小的团聚体。因此湿筛法获得的水稳定性团聚体，更能真实表现出团聚体分布特征以及稳定性[17]。

干湿交替通过影响胶结剂的稳定性以及团聚体膨胀和收缩，改变土壤团聚体的水稳定性[2]。由于土壤类型、肥力及处理方法的不同，土壤团聚体稳定性结果也会有所差异。Bravo-Garza等[10]研究发现，室内干湿交替会增加变性土>2 mm团聚体的数量，促进水稳定性团聚体的形成；而Denef等[18]研究发现，室内干湿交替会减少粉砂壤土>2 mm团聚体的数量，抑制水稳定性团聚体的形成；在人工模拟降雨条件下，红壤中>0.25 mm团聚体含量明显降低，团聚体破坏率增加[17]。本研究中，在干筛条件下，不同土层、不同处理间R0.25均以DW5处理最小，DW1、DW3和DW5处理则显著增加团聚体MWD值，DW1和DW3处理显著增加土壤团聚体GMD值，DW5处理显著增加0—20、20—40和80—100 cm土层GMD值。这些结果表明，干湿交替会在一定程度上增加土壤团聚体的机械稳定性，这可能是由于试验所用土壤质地较为黏重，在干湿交替处理下土壤易结块，导致土壤机械稳定性增加[19]。湿筛法所得的大团聚体含量均在70%以下，表明供试土壤水稳定性团聚体含量较低，土壤可蚀性较强[12]。在遭遇强降雨时，土壤流失的可能性较大，在今后的耕作管理中应注意改良土壤提高土壤水稳定性团聚体比例。因此，在耕作过程中应注意通过土壤管理改善土壤结构。湿筛条件下，在不同土层，DW1处理显著降低土壤水稳定性R0.25、MWD和GMD值，而DW1处理的PAD值最高；DW3处理显著降低0—20 cm土层GMD值而对20—40和40—60 cm土层GMD值无显著影响，DW3显著增加60—80和80—100 cm土层GMD值；除60—80 cm土层外，DW5显著降低团聚体GMD值。这表明3次干湿交替可以促进水稳定性团聚体的形成，尤其是下层土壤水稳定性团聚体的形成，但1和5次干湿交替不利于土壤水稳定性团聚体的维持。Bravo-Garza等[10]也得到类似结果，即在一定干湿交替范围内，土壤团聚体稳定性随干湿交替次数的增加而增加。然而，邬铃莉等[9]研究发现，干湿交替次数的增加导致土壤团聚体MWD明显下降，干湿交替作用破坏了土壤团聚体的稳定性。因此，干湿交替对土壤团聚体稳定性的影响，可能与土壤类型、干湿交替强度及具体试验方法等有关。

注：同一土层不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异具有显著性。Note: Different small letters of the same soil layer indicate significant difference at P<0.05 level.图1 不同干湿交替处理的土壤团聚体稳定性评价参数Fig.1 Evaluation parameters of soil aggregates under different dry-wet cycles

对于水稳定性团聚体而言，不同处理的大团聚体含量及稳定性在0—60 cm土层随土层加深逐渐降低，这主要是由于表层土壤有大量的有机物质输入，土壤有机质含量较高，且土壤微生物活性较高，而随着土层的加深，有机质含量及微生物活性逐渐降低，导致土壤团聚体的胶结作用降低，进而土壤团聚体稳定性降低[20-21]；在60 cm土层以下，土壤有机质含量较低而铁铝硅氧化物含量较高，促进土壤颗粒的团聚作用，从而增加下层土壤团聚体的稳定性[22]。