季节性冻融对绿洲灌区农田休闲期土壤水稳性团聚体的影响

Effect of seasonal freezing-thawing on soil water-stable aggregates of fallow farmland in Oasis Irrigational Area

摘要

目的 评价季节性冻融对休闲期农田土壤团聚体性质的影响。 方法 在甘肃省石羊河流域民勤地区，以常规田间管理措施和冬灌制度为代表设计不同试验处理，开展了冬季季节性冻融对土壤水稳性团聚体含量及特性指标的影响研究，观测了冻融前后不同土层深度土壤水稳性团聚体的粒径组成，分析了不同田间管理措施及灌溉条件下冻融前后不同粒径大团聚体含量和特性指标变化。 结果 冬季季节性冻融可使耕层土壤水稳性大团聚体各粒径含量显著降低，降幅与冻结前该粒径含量呈显著线性相关，含量越高，降幅越大；各土层平均质量直径MWD、几何质量直径GMD变小，分形维数D变大，变幅与冻结前各粒径含量呈显著线性相关，平均质量直径MWD、几何质量直径GMD受10~5 mm粒径团聚体含量影响较大，分形维数D受2~0.25 mm粒径团聚体含量影响明显。 结论 冬季季节性冻融对土壤大团聚体有破碎作用，显著降低了水稳性大团聚体含量；秋耕能增大水稳性团聚体的含量，但影响在土壤冻结前基本消除；冬灌可促进表层土壤大粒径团聚体的形成。

Abstract

Objective The study was conducted to evaluate the effect of seasonal freezing-thawing on the characteristics of soil aggregates in fallow farmland. Method Different experimental treatments were designed with conventional field management measures and winter irrigation scheme as representatives in Minqin Area of Shiyang River Basin of Gansu Province.The effects of winter freezing-thawing on soil water-stable aggregate content and characteristics were determined.The particle size composition of water-stable aggregates at different soil depths before and after freezing-thawing was observed.The content of aggregates with different size and its characteristic indexs were analyzed under different field management and irrigation measures. Result The seasonal freezing-thawing in winter could significantly reduce the contents of water-stable aggregates in different size.There was a significant linear correlation between the content decrease of aggregates in different size and its content.The higher this content，the greater was the decrease.The mean weight diameter MWD and geometric weight diameter GMD of soil aggregates in each layer declined，while the fractal dimension D got big.The variation amplitude is significantly linearly correlated with the particle content before freezing.The mean weight diameter MWD and geometric weight diameter GMD were significantly affected by the content of 10~5 mm aggregates，and the fractal dimension D was significantly affected by the content of 2~0.25 mm aggregates. Conclusion The seasonal freezing-thawing in winter had a role in crushing soil macro-aggregates and could significantly reduce the content of water-stable macro-aggregates.Autumn tillage could increase the content of water-stable aggregates，but the effect almost disappeared before soil freezing.Winter irrigation could contribute to the formation of macro-aggregates in surface soil.

Graphical abstract

关键词

季节性冻融 / 农田休闲期 / 水稳性团聚体 / 绿洲灌区

Key words

seasonal freezing-thawing / fallow farmland / water stable aggregate / oasis irrigational area

在广大的西北干旱绿洲灌区，农田休闲期要经历一个特殊的跨年气候变化期，即从冬季至春季土壤的冻结与融化过程-季节性冻融期。这一过程对土壤物理性质产生重要影响，如土壤团聚体结构和水稳性的改变、孔隙度和容重的升降以及饱和含水率的高低^［1-4］。研究冻融作用对团聚体结构及不同粒级含量的改变，对于评估土壤适耕性及选择春季适种作物具有重要作用。土壤冻融作用的本质就是土体内水分体积变化引起的土壤特性的变化。冻融作用对土壤团聚体结构及稳定性的影响程度主要取决于冻结温度、速率、交替次数等环境因素和土壤含水量、容重、质地等自身性状^［2-6］。冻结土壤孔隙中冰晶膨胀破坏了颗粒之间的原有联结状态，大粒径团聚体破碎成小粒径团聚体^［5-6］。李慧琳等^［7］研究认为，在-15~-35 ℃冻结温度处理下，冻结温度越低，冻融作用对大团聚体的破坏作用越强，并且越利于向中级团聚体转化。张海鸥等^［8］研究发现，随着冻融交替次数的增加，壤土、砂壤土中>1 mm粒级团聚体占比迅速降低，相应<0.5 mm粒级团聚体占比逐渐升高。孙义秋、王恩姮等对东北黑土的研究认为，冻融循环作用对1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm不同粒级团聚体稳定性有显著影响^［9-14］，随着冻融循环交替次数的增加，>0.2 mm的大团聚体破碎而小团聚体含量增加。初始含水量影响冻融对2~3 mm、3~5 mm粒级团聚体的破坏作用，而对1~2 mm粒级团聚体具有改良结构、增大稳定性作用。土壤含水量显然是影响冻融作用的重要因素，顾汪明等^［15-16］研究认为，无水冻融循环显著降低>5 mm水稳性团聚体的含量，水稳性团聚体的PAD_0.25和PAD_1.0，分别较冻融前增加12.25%和5.52%。有水冻融循环则显著增加<0.5 mm水稳性团聚体的含量，PAD_0.25和PAD_1.0分别较冻融前增加了78.72%~132.31%和81.44%~184.94%。王展等^［17］探讨了冻融交替次数及土壤含水量对冻融理化效应的影响，结果表明：随着冻融次数的增加，0.05~0.25 mm粒级团聚体含量变化受土壤含水量影响较为明显，低含水量（<11.44%）表现为增加趋势，而高含水量（>28.6%）表现为降低趋势。>0.25 mm和<0.05 mm粒级团聚体随着冻融次数的增加，含量变化趋势相反，前者表现为增加趋势，后者表现为降低趋势，且受土壤含水量的影响较小。土壤物理性质对冻融循环的响应总结为，冻融能使大粒径团聚体破碎成小粒径团聚体，细颗粒物表现出向中等大小颗粒物聚集的趋势，水稳性团聚体大颗粒被拆分、破碎^［18-19］。冻结温度越低，冻融作用对大团聚体的破坏作用越强；交替次数增加，破坏程度越大，但最终趋于稳定；冻结前土壤含水量较低时，含水量越高，破碎作用越强，而高含水量则表现为降低趋势^［20］。冻融对团聚体的破碎作用临界粒径与土壤质地等自身性质有关，不同的研究成果反映出在0.25~2 mm之间变化^［21］。耕地休闲期的季节性冻融过程是一个自然循环过程，涉及冻融作用的所有环境因素和土壤自身性状，在这个过程中温度有波动，表层土壤发生多次冻融循环，各土层含水量与性质也有所不同，冻融作用的影响规律性与室内模拟结果完全不同，需进行深入细致地针对性现场试验观测，综合分析其对土壤团聚体结构及稳定性的影响程度，以指导农业生产实际^［21-22］。本研究在甘肃省石羊河流域民勤地区，选择代表性田间管理措施和冬灌处理，研究冬季季节性冻融过程对土壤团聚体粒径构成与性质的影响，测定冻融前后水稳性大团聚体不同粒径含量变化，分析决定团聚体含量和性质指标变化的因素及变化规律，成果对于评估土壤适耕性及选择春季适种作物，制定储水灌溉制度和田间管理措施具有指导作用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃省水利科学研究院民勤节水农业暨生态建设试验示范基地进行。该试验基地位于民勤县大滩乡（E 103°36′，N 39°03′）。属大陆性荒漠干旱区，气候干燥，降雨量少，蒸发强烈，昼夜温差大，日照时间长。多年平均降水量在110 mm左右，且多为作物难以利用的无效降雨，7~9月的降水占全年降水的60%，年蒸发量2 644 mm。日照时数3 010 h以上，大于10 ℃的积温3 147.8 ℃。最大冻土深度1.18 m，地下水埋深18~25 m。试验区土壤以壤质粘土和粘土为主，各层土壤的砂砾、粉粒和粘粒含量相差不大，质地较为类似。试验土壤粒级组成见表1。

1.2 试验设计

根据研究区现状农业种植情况，现场试验共设计6个不同的田间管理措施与灌水处理，其中小麦地4个，免耕覆盖处理2个，秋季深耕2个，玉米地2个，均为免耕覆盖处理。试验处理见表2。

1.3 观测项目与方法

小麦地试验期为2019年7月21日至2020年4月30日，玉米地试验期为2019年9月29日至次年4月30日，试验主要观测项目为粒径10~5 mm、5~2 mm、2~0.25 mm、<0.25 mm水稳性团聚体含量，土壤含水量等其他物理性质在依托项目中也进行了测定。团聚体含量测定深度为0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm，时间为2019年10月27日和11月9日、2020年3月21日和4月30日。测定方法为团聚体分析仪，所有观测项目均在选定地点取3个平行样进行试验分析。

团聚体特性指标常用平质量直径MWD（mm）、几何质量直径GMD（mm）、分形维数D，计算式为：

MWD={\sum }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}{\omega }_i{x}_i（1）

GMD=EXP\left[{\sum }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}{\omega }_i\mathrm{l}\mathrm{n}(x_i)/{\sum }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}{\omega }_i\right]（2）

团聚体分形维数D使用下式计算：

D=3-K（3）

式中：x_i 、ω_i 分别为10~5 mm、5 mm~2 mm、2 mm~0.25 mm、<0.25 mm粒径团聚体的平均直径（mm）和质量分数，（%）。K为lg（ω）与lg（x）回归直线的斜率。

1.4 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 22.0软件进行统计分析和差异显著性检验，对灌水和未灌水进行T检验，图表绘制采用Macrosoft Excel 2016。

2 结果与分析

2.1 冻融对不同粒径团聚体含量的影响

采用SPSS软件对2019年11月9日冻结前不同处理各粒径团聚体含量进行差异显著性分析（表3），在0.05水平下，0~10 cm土层Txm-3处理10~5 mm含量偏小，Tym-1处理5~2 mm和Tym-2处理10~5 mm含量偏大，其他各处理的不同粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异；10~20 cm土层各处理的不同粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异；20~40 cm土层Tym-1处理5~2 mm含量和Tym-2处理10~5 mm含量偏大，其他各处理的不同粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异。小麦地秋耕处理Txm-1、Txm-2 和免耕处理Txm-3、Txm-4之间不存在显著差异。对灌水处理与未灌水处理进行T检验，20~40 cm土层5~2 mm含量存在显著差异，其他无差异。

同理采用SPSS软件对2020年3月21日冻融后不同处理各粒径团聚体含量进行差异显著性分析（表4）。在P=0.05水平下，0~10 cm土层处理的不同粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异；10~20 cm土层Txm-4处理2~0.25 mm含量偏小，Tym-2处理5~2 mm含量偏大，各处理的其他粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异；20~40 cm土层Tym-1处理5~2 mm含量偏大，Tym-2处理10~5 mm含量偏小，各处理的其他粒径团聚体含量处于同一水平，不存在显著差异。小麦地秋耕处理Txm-1、Txm-2 和免耕处理Txm-3、Txm-4各土层不同粒径含量之间不存在显著差异。对灌水处理与未灌水处理进行T检验，0~10 cm土层10~5 mm含量存在极显著差异，其他处于同一水平。

从上述分析可知，小麦地处理（Txm-1，Txm-2，Txm-3，Txm-4）与玉米地处理（Tym-1、Tym-2）在2019年11月9日冻结前期，0~10 cm土层水稳性团聚体含量存在一定差异。为了排除初始值对冻融后不同粒径团聚体含量变化的影响，分别对两种地茬冻融后的变化做显著性检验，结果显示，小麦地冻融循环后0~10 cm土层10~5 mm、5~2 mm粒径团聚体含量略有增加，但变化不显著，2~0.25 mm粒径团聚体含量减小，变化达到极显著水平；10~20 cm土层、20~40 cm土层三种直径团聚体含量均明显减小，且达到极显著水平。玉米地冻融循环后0~10 cm土层10~5 mm、5~2 mm直径团聚体含量略有减小，但变化不显著2~0.25 mm直径团聚体含量减小，变化达到极显著水平；10~20 cm土层、20~40 cm土层三种粒径团聚体含量均明显减小，达到显著或极显著水平。玉米地处理0~10 cm土层10~5 mm、5~2 mm粒径团聚体含量数值上略高于小麦地处理，两种地茬的其他土层及直径的团聚体含量数值上接近，变化规律上一致。两种地茬各土层不同粒径团聚体含量变化对比见图1、图2。

2.2 冻融对土壤团聚体特性指标的影响

利用公式（1）至（3）计算团聚体特性指标平均重量直径MWD（mm）、几何质量直径GMD（mm）、分形维数D，采用SPSS软件对2019年11月9日冻结前不同处理各粒径团聚体进行差异显著性分析，在0.05水平下，0~10 cm土层Tym-1处理与Tym-2等处理的MWD偏大，Txm-3处理GMD偏小，其他无显著差异，处于同一水平；10~20 cm土层各处理MWD、GMD与D均处于同一水平，无显著差异；20~40 cm土层Tym-1处理与Tym-2等处理的MWD偏大，Tym-1处理GMD、D偏大，其他无显著差异，处于同一水平；小麦地秋耕处理Txm-1、Txm-2 和免耕处理Txm-3、Txm-4各指标之间不存在显著差异。对灌水处理与未灌水处理进行T检验，20~40 cm土层分形维数D存在显著差异，其他无差异。分析结果见表5。

同理采用SPSS软件对2020年3月21日冻融后不同处理各粒径团聚体进行差异显著性分析，在0.05水平下，0~10 cm土层各处理MWD、GMD与D均处于同一水平，无显著差异；10~20 cm土层Txm-3处理分形维数D偏大，其他处理MWD、GMD与D均处于同一水平，无显著差异；20~40 cm土层Txm-3处理MWD偏大，其他处理MWD、GMD、D无显著差异，处于同一水平；小麦地秋耕处理Txm-1、Txm-2 和免耕处理Txm-3、Txm-4各指标之间不存在显著差异。对灌水处理与未灌水处理进行T检验，0~10 cm土层平均质量直径MWD存在显著差异，其他无差异。结果见表6。

由表5可以看出，玉米地处理（Tym-1、Tym-2）0~10 cm土层在2019年11月9日冻结前期的MWD、GMD值明显高于小麦地处理（Txm-1~Txm-4），为了排除初值对冻融后指标变化的影响，分别对两种地茬冻融前后的变化做显著性检验，结果见表7、表8。对比两表可以看出，玉米地处理与小麦地处理各土层土壤团聚体特性指标变化规律完全一致，经过季节性冻融后，MWD、GMD值显著减小，D值显著增大，且两种处理各指标在数值上更加接近。

2.3 不同粒径团聚体含量冻融前后变化规律

2.3.1 不同粒径团聚体含量冻融前后变化规律

为了分析引起冻融后各粒径团聚体含量变化的主要因素，对各土层不同粒径团聚体含量冻融前后的变幅进行分析计算，作变幅与10~5 mm、5~2 mm、2~0.25 mm、粒径团聚体冻结前含量的相关分析，结果表明，各粒径团聚体含量的变幅与2019年11月9日冻结前的含量显著相关，与其他粒径含量关系不显著。作0~10、10~20、20~40 cm土层各粒径团聚体含量变幅与冻结前含量的回归关系式，结果见表9。由表可以看出，不同土层各粒径团聚体含量变幅与其冻结前含量成负线性相关，即随冻结前含量增加，减小幅度增大。此即反映出，经过冬季季节性冻融后，各粒径大团聚体均减小，且含量越高减小幅度越大，不同粒径大团聚体在各处理之间趋于均衡。

2.3.2 团聚体统计指标变化规律

对上节计算得到的统计指标分析冻融前后的变化，作指标与不同粒径团聚体冻结前含量的相关分析，结果见表10。由表可以看出，各土层团聚体统计指标冻融后发生了显著变化，与冻结前相比有不同幅度较小。与冻结前10~5、5~2、2~0.25 mm粒径团聚体含量有显著线性相关关系，其中，平均质量直径MWD、几何质量直径GMD受10~5 mm粒径团聚体含量影响最大，分形维数D受2~0.25 mm粒径团聚体含量影响明显。

3 讨论

3.1 冻融对团聚体粒级组成及含量的影响

现有研究结果表明，冻融能使大粒径团聚体破碎成小粒径团聚体，细颗粒物表现出向中等大小颗粒物聚集的趋势，水稳性团聚体大颗粒被拆分、破碎。本次研究成果也充分验证了这一规律，成果反映不同深度土层10~5、5~2、2~0.25 mm粒径团聚体含量有显著降低，<0.25 mm粒径团聚体含量显增加，临界粒径0.25 mm，与顾汪明等^［15-16］、王展等^［17］研究成果一致，与孙义秋等^［9］、牛浩等^［13］研究成果的0.2 mm接近。团聚体性质指标平均质量直径MWD、几何质量直径GMD和分形维数D的变化规律反映出了水稳性团聚体大颗粒被拆分、破碎强烈程度，与文献^［16-17］研究成果一致。冻融对团聚体颗粒的拆分、破碎作用强烈程度与冻融温度、循环次数有关^［9］。以本研究中的Txm-1处理为例绘制冻融期地表温度与土壤温度变化过程见图3、图4。

由图3可以看出，从2019年10月20日地表温度出现负温开始至2020年3月30日负温结束，地表温度出现多次波动，日内温度也变化剧烈。随着土层深度加大，土壤日平均温度变高，受地表温度波动的影响相应减弱，温度过程线变得较为平缓。每次地表温度的波动类似于一次冻融循环，因此越靠近地表的土层，经受的冻融循环的次数越多，受冻融产生的影响越显著。灌水处理在冻结初期和融化期温度略低于未灌水处理，因此造成二者在团聚体含量变化上的微小差异。

3.2 秋耕对团聚体含量及冻融过程的影响

机械作业对土壤结构存在正负两方面效应，即对表层耕作区土壤的疏松改良效果和对耕作层以下土壤的积累压实作用^［11-14］。文献^［23-28］认为，少耕、免耕为代表的各种保护性耕作措施在增加土壤有机质，改善土壤结构，提高土壤各级水稳性团聚体含量等方面具有明显效果。这些研究成果是对耕地耕作的长期效果而言，一次次耕作效果的叠加，使表层土壤的容重降低，土壤的孔隙增加，有利于土壤有机质与微生物活动，增加土壤团聚体含量。从本次研究的观测结果看，同期秋耕土壤，其0~10 cm土层10~5 mm、5~2 mm、2~0.25 mm粒径团聚体含量明显高于免耕处理，说明耕作增大了各粒径团聚体的含量，这种短期效应的结论与文献^［14］结论一致。耕作增加了上层土壤的疏松程度，减小了土壤容重，增加了土壤孔隙，对冻融过程有一定影响。本研究中小麦地秋耕前0~40 cm土层土壤容重1.55~1.65 g/cm³，秋耕后变为1.52~1.58 g/cm³，冻融循环后在1.55~1.60 g/cm³之间变化，小容重变大，大容重略有降低，与免耕处理的容重盐分接近，映证了冻融的拆分和破碎作用使得团聚体粒径更加趋同的结论。

3.3 冬灌对冻融作用及团聚体的影响

土壤含水率决定着冻融土壤的固、液、气相比，进而影响到冻融后的土壤水力特性，是影响冻融作用的重要影响因素。文献^［9］认为，无水冻融循环显著降低>5mm水稳性团聚体的含量，促进大团聚体的破碎作用，有水冻融循环则显著增加<0.5 mm水稳性团聚体的含量，加剧水稳性团聚体拆分的作用，水稳性团聚体的破碎效应有所增强。冻融循环作用对水稳性团聚体的破碎作用随着初始含水量的增加逐渐增强并趋于稳定。本研究的冬灌处理，灌水时间为2019年10月27日，灌水时间晚，冻结前土壤含水率高，各土层平均值为31.0%。从试验结果看，2020年3月21日融化后0~10 cm土层10~5 mm粒径含量、平均质量直径MWD与未灌水处理该土层有明显差异，其他土层和粒径差异不大。主要原因是0~10 cm土层受地表温度波动影响较大，冻融循环交替次数较多，冻融对大团聚体的破碎作用强烈，胶结作用时有发生，因此产生了灌水处理与未灌水处理出现差异的现象。

2019年11月9日冻结前，三个未灌水处理各土层土壤含水率在8.13 %~17.62 %的区间内变化。随着土壤含水量增加，粒径>0.25 mm水稳性大团聚体含量与平均质量直径MWD下降，降幅平均值分别为-20.59%和-15.50%，但对具体某一粒径团聚体而言，规律性不明显。而3个灌水处理水稳性大团聚体含量与平均质量直径MWD的降幅平均值分别为-23.54%与15.16%，降幅与含水量之间相关不强。说明当土壤含水量增加至较高水平时，将不再成为影响冻融后水稳性大团聚体含量与团聚体特性指标的主要因素。

4 结论

冬季季节性冻融对土壤大团聚体有破碎作用，显著降低了水稳性团聚体含量，降幅与冻结前该粒径含量呈显著线性相关，含量越高，降幅越大。冬季季节性冻融可使耕层土壤水稳性大团聚体特性指标显著改变，平均质量直径MWD、几何质量直径GMD 变小，分形维数D变大，变幅与冻结前各粒径含量呈显著线性相关。秋耕能增大同期水稳性团聚体的含量，但影响在土壤冻结前基本消除；冬灌可引起表层土壤大粒径团聚体的形成。

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基金资助

甘肃省重点研发计划“干旱绿洲区农田储水灌溉作用机理评价与节水型储水灌溉技术研究”(18YF1NA031)

甘肃省重点人才计划(甘组通字［2019］39号)

甘肃省省级水资源费项目(甘水资源发［2021］105号)