季节性冻融对色季拉森林土壤团聚体稳定性的影响

丁慧慧, 陈文盛, 李江荣

(1.西藏农牧学院高原生态研究所, 西藏 林芝 860000; 2.西藏高原森林生态教育部重点实验室,西藏 林芝 860000; 3.西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站,西藏 林芝 860000; 4.西藏自治区高寒植被生态安全重点实验室, 西藏 林芝 860000)

季节性冻融是指由于一年四季与昼夜温度的变化，反映在多尺度土层上反复冻结—融冻的过程[1]，这种情况主要出现在高纬度地区如我国东北地区[2-3]以及高海拔地区如我国青藏高原地区[4]，是全球普遍存在的一种自然现象。秋冬季节，温度降低，土层普遍由上至下冻结，春夏季节，温度升高，土层普遍由上至下冻融[5]。季节性冻融变化作为气候变化的一个指示器，其通过对地表能量、水和碳循环的影响，从而在局地和全球气候及陆地生态系统中发挥作用[5-6]。

土壤团聚体不仅是土壤结构的基础单位，也是土壤的主要组成元素和土壤营养物质的主要来源，同时也是评价土壤质量和健康状况的重要标志[7-9]。通过土壤对外界挤压作用大小判断土壤结构的稳定与否，其中主要包括土壤结构的机械稳定性和土壤结构的水稳性[10]。土壤团聚体作为评价土壤侵蚀性的重要因素之一[9]，提高土壤团聚体水稳性和土壤团聚体的数量、质量可以增强土壤抗侵蚀能力[11]。就目前来看，土壤含水量(SWC)，0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数D、可蚀性K值等是衡量土壤团聚体稳定性的一个重要指标[12-13]。一般认为，随着0.25 mm水稳性团聚体含量，平均质量直径、平均几何直径指数的增加，土壤团粒的分布情况和稳定性都会相应的降低与提高[2,14]。此外，分形维数愈低，则愈有利于土壤结构的稳定及耐侵蚀能力[15]。土壤使用模式会改变土壤结构、有机胶结物质和土壤微生物的活性，从而使土壤有机质重新分布，进而对土壤的稳定性产生不利的影响[16-17]。

本文通过对比3个不同处理类型土壤STF-Un(未经季节性冻融)，STF-One(经一年季节性冻融)，STF-Ys(经多年季节性冻融)，分别探讨0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm深度土壤在冻融作用下土壤水稳性团聚体所受到的影响，主要分析各个深度土壤粒径团粒含量的分布情况，以及冻融对土壤水稳性团粒含量、平均质量直径、平均几何直径、分形维数D和土壤可蚀性K值的变化趋势进行比较分析。研究季节性冻融对土壤稳定性的影响，为研究冻融环境下土壤侵蚀的预报提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

色季拉山(93°12′—95°35′E,29°10′—30°15′N)位于青藏高原东南部西藏自治区林芝市巴宜区境内，属念青唐古拉山脉与喜马拉雅山脉的交汇处，是尼洋河流域与雅鲁藏布江的分水岭，呈东北—西南走向，最高海拔约5 200 m。该地区气候主要受印度洋西南季风的影响[18]，冬暖夏凉，干湿季节区分明显。降雨主要集中在6—9月，占全年降雨量的75%～82%，年均相对湿度78.83%，年均气温-0.73℃，最热月(7月)均温9.23℃，最冷月(1月)均温-13.98℃，年日照时数1 151 h，其中日照时数最高的出现12月(151.7 h)[19]。研究区土壤为棕壤，土层较厚，pH值的变化范围在4～6，偏酸性[20]。

1.2 样品采集

在利用不同的海拔气候条件下，进行3种不同类型土壤对比，在海拔4 300 m处取样作为经多年季节性冻融土壤(SFT-Ys)，在海拔3 500 m处取样作为未经季节性冻融土壤(STF-Un)类型，利用PVC管(直径20 cm，深度35 cm)将3 500 m处土壤搬移至4 300 m处进行野外控制性试验持续时间为1 a，并随机选取4个样品作为一年季节性冻融(STF-One)。样点用地类型为林地，取样时间为2021年6月22日1个冻融期结束。每个海拔分3个样地，每个样地取4个样，共84个样。取样时，要仔细清除地表上的植物和杂草，取样深度分别为0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，所取的原状土带回实验室，并用硬塑料盒子装好避免在途中发生破坏。对于STF-One处理类型土壤取样，在4 300 m海拔处4个样地中各取一个PVC管进行对比。

1.3 分析方法

试验中，用湿筛法进行了土壤团聚体试验。通过对砂砾石、侵入体和粗有机质的捡除，并在自然风干过程中沿着土壤断裂面上，进行将其分拣为直径10 mm大小的土块。在土壤样品充分干燥后，对其中的一部分进行湿筛法分离用于研究土壤团聚体水稳性[21-22]。筛分时，将50 g干燥的土壤称重，放入5 mm的土筛中，用蒸馏水浸泡5 min，接着用3 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm土筛让土样依次通过[23]。然后，以30次/min的频率上下振动10 min，把残留在每一个筛网上的泥土冲入铝盒，进行烘干和称重[24]。每个样品重复检测3次取平均值。

土壤含水量SWC采用便捷式土壤水分、温度检测仪(Moisture Meter type HH2)。另外水稳性团聚体百分含量WSA、团聚体平均质量直径MWD、团聚体几何平均直径 GMD和分形维数D、土壤可蚀性K值，指标的具体计算公式如下：

(1)

式中:Mr>0.25为粒径>0.25 mm团聚体累计质量;MT为土壤各粒径团聚体质量之和[10-11];

(2)

式中:Xi表示每层团聚体的平均直径(mm)；Wi表示每层团聚体粒级的团聚体质量所占百分比比例[25]。

(3)

式中:Xi表示每层团聚体的平均直径(mm)；Wi表示每层团聚体粒级的团聚体质量所占百分比比例[26]。

分形维数计算方法采用杨培玲[27]推导的分形维数

(4)

对上式两边取对数可得公式如下：

(5)

Shiriza等建议在没有充足土壤资料的情况下[28]，可采用公式(6)计算土壤可蚀性K值，公式如下：

(6)

式中:GMD为公式(3)中所求出的值。

1.4 数据分析

数据采用 Microsoft Excel 2019进行数据处理；采用IBM SPSS Statistics 25对土壤含水量和团聚体性质进行相关性分析，并使用Origin 2021进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤各粒径团粒变化情况

如图1所示，在STF-Un类型土壤中，各团粒含量占比在不同土层中的比较，其中10～5 mm和0.25～0 mm粒径团粒含量所占比例最大，范围在10%～37%，3～2 mm和0.5～0.25 mm粒径团粒含量所占比例较低。在1～0.5 mm，0.5～0.25 mm粒径范围在不同深度土壤中，差异较为明显(p<0.05)，在其余粒径范围中差异不明显(p>0.05)。

在STF-One类型土壤中，各团粒含量占比在不同土层中进行比较，其中2～1 mm，1～0.5 mm和0.25～0 mm粒径团粒含量所占比例较大，分布范围在13～34%，3～2 mm粒径团粒含量分布比例较少。在不同土层深度，10～5 mm，3～2 mm团粒差异不显著(p>0.05)，5～3 mm粒径中10—20 cm深度的含量占比较多，2～1 mm粒径中0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm并且差异显著(p<0.05)，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒径中0—10 cm深度含量最低， 0.25～0 mm粒径中0—10 cm深度含量最高。

在STF-Ys类型土壤中，各团粒含量占比在不同土层深度比较，其中0.25～0 mm粒径团粒含量所占比例较大，分布范围在26%～51%，10～5 mm粒径团粒含量占比较小。在不同土层深度中，0.25～0 mm粒径中0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm并且差异显著(p<0.05)，在其余粒径范围中各土层有较为显著的差异(p<0.05)。

同一土层不同处理差异性分析，在0—10 cm深度土层10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，0.25～0 mm粒径团粒含量占比之间无显著差异(p>0.05)，2～1 mm粒径团粒含量中STF-Ys含量较高，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm粒径团粒含量占比中，STF-Un含量较少。在10—20 cm深度土壤中，在1～0.5 mm粒径范围中STF-Un>STF-Ys>STF-One，在0.5～0.25 mm粒径范围里STF-Ys>STF-One>STF-Un并且差异显著(p<0.05)，在其余粒径中也存在较为显著的差异(p<0.05)。在20—30 cm深度的土壤中，在2～1 mm粒径范围里STF-One>STF-Un>STF-Ys，在0.25～0 mm粒径范围中STF-Ys>STF-Un>STF-One且差异显著(p<0.05)。

注：(1) STF-Un为未经季节性冻融土壤；STF-One为经一年季节性冻融土壤；STF-Ys为经多年季节性冻融土壤。(2) 同列数据后标不同小写字母表示同一土壤处理类型不同土层之间差异显著(p<0.05)；同列数据后标不同大写字母表示同一土层不同土壤处理类型之间差异显著(p<0.05)，下同。

2.2 不同类型土壤不同土层各指标间变化分析

由表1可得，从同一处理类型土壤不同土层分析，未冻融土壤类型中，SWC，WSA，MWD，GMD、分形维数D、可蚀性K值6个指标在三层土层深度中均无显著差异(p>0.05)。在经一年季节性冻融土中，SWC在20—30 cm深度土壤含量最大并且不同土层深度之间差异显著(p<0.05)，WSA在三层土壤中0—10 cm深度含量最小并且不同土层差异显著(p<0.05)，其余指标在不同土层中无显著差异(p>0.05)。在经多年季节性冻融土中，6个指标在不同土层中均有显著差异性(p<0.05)。

从同一土层不同土壤处理类型进行分析，在0—10 cm深度土层中，SWC在3个不同类型土壤之间皆差异显著(p<0.05)，其余指标在不同类型土壤之间无显著差异(p>0.05)。在10—20 cm，20—30 cm土层中，6个指标在不同处理类型土壤中均存在显著差异(p<0.05)。

2.3 土壤团粒组成与各参数间相关性分析

相关性结果表明，在SFT-Un处理中(表2)，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm粒径含量分别于指标WSA，MWD，GMD呈显著正相关，与D值、K值呈显著负相关。随着各粒径团粒含量的增加，WSA，MWD，GMD就越大，D和K值就越小。2～1 mm粒径团粒含量与WSA呈正相关。1～0.5 mm粒径含量与SWC呈正相关。1～0.5 mm，0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒径含量与MWD，GMD呈显著负相关，与D值均呈正相关。0.25～0 mm粒径含量与WSA呈负相关，与K值呈正相关。

表1 不同类型土壤不同土层各指标间变化分析

在SFT-One处理中(表3)，10～5 mm，5～3 mm粒径含量与指标MWD，GMD呈显著正相关，与D值、K值呈显著负相关。随着10～5 mm，5～3 mm粒径含量的增加，MWD，GMD呈增加趋势，而D值、K值呈减少趋势。5～3 mm粒径含量与WSA呈正相关。3～2 mm粒径团粒含量与WSA呈正相关，与K值呈负相关。2～1 mm粒径含量与SWC，WSA，GMD呈显著正相关，与D值、K值呈显著负相关。1～0.5 mm粒径团粒含量与SWC，WSA均呈正相关。0.5～0.25 mm粒径团粒含量与SWC呈正相关，与MWD呈负相关。0.25～0 mm粒径团粒含量与6个指标均有相关关系，其中与SWC，WSA，MWD，GMD均呈负相关，与D值、K值呈正相关。说明随着0.25～0 mm粒径团粒含量的增加SWC，WSA，MWD，GMD呈减少趋势，D值、K值呈增加趋势。

在SFT-Ys处理中(表4)，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm粒径含量与指标WSA，MWD，GMD呈显著正相关，与D值、K值呈显著负相关。而0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒径团粒含量与指标WSA，MWD，GMD呈显著负相关，与D值、K值呈显著正相关。其正负相关性以0.5 mm团粒粒级为界。

在3个不同处理类型土壤中，SWC，WSA，MWD，GMD，D，K这6个指标间的相关关系皆一致。首先SWC与其余5个指标之间无显著相关。WSA与MWD和GMD均呈显著正相关，MWD与GMD呈显著正相关关系，D值与K值呈正相关关系。其次WSA，MWD和GMD均与D值与K值呈负相关，说明土壤团聚体的WSA，MWD和GMD越大，D值与K值就越小。

表2 SFT-Un处理下不同类型土壤各粒径团粒含量与各指标间的相关性分析

表3 SFT-One处理下不同类型土壤各粒径团粒含量与各指标间的相关性分析

表4 SFT-Ys处理下不同类型土壤各粒径团粒含量与各指标间的相关性分析

3 讨 论

3.1 团粒结构与含水量

土壤团聚体各团粒组成是影响土壤肥力的重要因素[7]。在土壤各深度土层中， SFT-Un类型土壤团聚体多集中在10～5 mm，2～1 mm与0.25～0 mm粒径中。SFT-One类型土壤中团聚体主要集中在2～1 mm与0.25～0 mm的粒径范围中，SFT-Ys类型土壤中团聚体主要集中在2～1 mm，1～0.5 mm与0.25～0 mm粒径范围中。0.25～0 mm粒径团粒含量占比在10—20 cm与20—30 cm深度中3种处理类型土壤具有显著差异。这主要是由于冻融会对土壤团粒结构产生一定的破解作用，造成土壤中大团粒结构含量减少，而小粒级团粒含量增加[29]。Oztas等[30]认为冻融促进了土壤团聚体的破碎，从而降低了团聚体的稳定性。牛浩等[31]2020年在对黑龙江地区冻土与肖东辉等[32]对冻融情况下黄土的研究发现，随着冻融过程的变化土壤结构中较大粒径组团粒呈逐渐减小的趋势，而较小颗粒粒径组团粒则呈增加趋势，其结果与本文研究结果基本一致。而文晶在对长江源北麓河流域冻土进行研究时发现[33]，冻融导致表层土壤团粒出现粗粒化现象，得出的结论与本文结论相反，其原因可能是文晶的研究主要集中在草甸区域的多年冻土，其主要原因可能是研究区域的植被类型不同。

在土壤含水量与土壤团聚体(0—30 cm)的相关分析中表明，SFT-Un类型土壤中与1～0.5 mm粒径含量呈正相关。SFT-One类型土壤SWC与2～1 mm，1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒径团粒含量呈正相关，与0.25～0 mm粒径团粒含量呈负相关。SFT-Ys类型土壤中SWC与各粒径含量均无显著相关。在赵恒策，王展等[29,34]的研究中表明，SWC与土壤粒级团聚体含量会达到显著相关水平，与本研究结果相似。在SFT-Un类型土壤中，3个深度土层之间的SWC指标差异不显著，在SFT-One与SFT-Ys类型土壤中3个深度土层之间的SWC差异显著。可能的原因是冰雪的融化以及冰雪的冻结阻碍了水分在土壤中的流动等因素造成了温度升高冰雪融化土壤含水量的增加[35]。分别在三层不同深度土层中，将3种处理类型的土壤进行比较时，均具有显著差异。王洋等[36]研究发现冻融过程使得土壤水分显著提高，并且对土壤结构和水分分布特征具有明显影响[37]，与本文结果一致。

3.2 0.25 mm水稳性团聚体、土壤团聚体直径指标

许多研究表明[14,25]， 0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA)和土壤团聚体直径指标(MWD，GMD)的值越大说明土壤团聚体稳定性越好。在0—10 cm深度土层中，3种类型土壤WSA大小表现为， SFT-Ys>SFT-One>SFT-Un但其差异并不显著。文晶等[33]得出冻融会增加表层土壤团聚体稳定性的结论与该结论相一致。在0—30 cm深度土层中SFT-One，SFT-Un两种类型WSA大小均表现为SFT-One>SFT-Un。在10—20 cm，20—30 cm深度土层中，3种处理类型土壤表现为：SFT-One>SFT-Un>SFT-Ys说明经过一年季节性冻融的土壤，WSA有所增加，一定程度上增加了10—20 cm深度土壤团聚体稳定性，经多年季节性冻融的WSA显著低于其他两个类型。多年季节性冻融会降低WSA，从而降低了土壤团聚体的稳定性。Oztas等[30]研究认为，在湿筛处理下，当土壤冻融次数在一定范围内，其土壤增强土壤团聚体的稳定性。杨梅学等[38]通过在西藏那曲地区长时间监测得出这样的结论表明了土壤的冻融交替过程对不同深度土层的影响是不同的。

3个处理类型下，0—10 cm深度中MWD，GMD指标差异均不显著，在10—30 cm深度中MWD，GMD指标SFT-Ys子集小于SFT-One、 SFT-Un子集间，差异显著。在SFT-Ys类型土壤中随深度的加深，MWD，GMD呈逐渐减少的趋势，土壤稳定性逐渐减弱。表明土壤经过多年季节性冻融后，MWD，GMD数值变小，土壤稳定性变差，这与刘绪军等[39]研究结果基本一致。而与李嘉[40]的研究结果相反，其研究发现经过季节性冻融华北落叶松林和云杉 ×华北落叶松混交林MWD和 GMD显著增加，从而增加了土壤稳定性。此外王恩姮等[41]研究发现季节性冻融促进了典型黑土区土壤水稳性团聚体的团聚，提高了土壤团聚体水稳定性，这也与本文得出的结果相反，原因可能是色季拉山海拔高冻结温度更低，冻结程度较大，植被类型的不同，枯落物厚度的不同，另外研究区的土壤类型也有所不同，已有相关研究表明土壤团聚体水稳定性会随土壤黏粒的变化而变化[42]。

3.3 分形维数D与可蚀性K值

土壤分形维数(D)能够反映土壤的质地、均匀性、物理特性和肥力特性等，通过分析不同粒径团粒分布情况，得到的D值大小可以说明大团粒含量对土壤结构和稳定性的影响，D值越高，其土壤稳定性就越差[13]。土壤可蚀性K值作为评价土壤抵抗水蚀能力大小的重要指标，其中K值越小说明土壤抵抗侵蚀的能力越强，反之则土壤抗侵蚀能力越弱[43]。本研究表明3种不同处理下分形维数D与可蚀性K值，SFT-Ys子集大于SFT-One、 SFT-Un子集间，差异显著，表明经多年季节性冻融的影响，D值与K值显著增大，土壤稳定性变差，土壤的抗侵蚀能力减弱。在SFT-Ys类型土壤中随深度的加深，D值、K值呈逐渐增加的趋势，土壤稳定性逐渐减弱。这与赵恒策[29]、缪驰远[44]等对东北典型黑土等的研究结果一致。

其中在SFT-Ys类型土壤中各粒径含量与指标之间的相关性分析，10～5 mm，5～3 mm，3～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm粒径含量与指标WSA，MWD，GMD呈显著正相关，与D值，K值呈显著负相关，而0.5～0.25 mm，0.25～0 mm粒径团粒含量与指标WSA，MWD，GMD呈显著负相关，与D值、K值呈显著正相关。其正负相关性以0.5 mm团粒粒级为界，说明在冻融作用下土壤团聚体变化过程中，0.5 mm粒级是关键的临界点。牛浩等[25,31]也研究认为0.5 mm粒级在土壤结构变化中起到重要的作用，从而进一步土壤团聚体稳定性。在SFT-Un，SFT-One类型土壤中团粒与各指标的正负性主要是以1 mm粒级为分界线。

在3个不同处理类型土壤中，SWC，WSA，MWD，GMD，D，K共6个指标间的相关关系皆一致。其中SWC与其余5个指标之间无显著相关。WSA与MWD和GMD均呈显著正相关，MWD与GMD呈显著正相关关系，D值与K值呈正相关关系。而WSA，MWD和GMD均与D值、K值呈负相关，说明土壤团聚体的WSA，MWD和GMD越大，D值与K值就越小。

4 结 论

(1) 季节性冻融作用导致土壤团粒结构产生一定破解作用，土壤中大团粒结构分布减少，而小粒级团粒含量分布增加。季节性冻融增加了土壤含水量，在SFT-Un，SFT-One两种类型土壤中SWC与粒径团粒含量间总体呈显著正相关。

(2) 季节性冻融作用使得MWD，GMD数值总体上变小，D值与K值变大，土壤团聚体稳定性有所降低。在SFT-Ys类型土壤中随采样深度增加，土壤稳定性逐渐降低，抗侵蚀能力也呈逐渐减弱的趋势。

(3) 相关性分析结果表明，3种类型土壤中WSA，MWD和GMD均与D值与K值呈负相关。在SFT-Ys类型土壤中土壤结构变化，0.5 mm粒级是重要临界点。

(4) 一年的冻融周期下，WSA值有所增加，土壤稳定性相对增强。但SFT-One与SFT-Un其余指标间均无显著差异，可能的原因是一年的冻融期时间较短，对土壤团聚体稳定性的影响较小，需持续进行试验进行长期观测研究。