冻融循环对土壤团聚体与微生物特性影响研究进展

冻融循环是高纬度、高海拔等气候寒冷地区特有的自然现象,通过改变土壤水热平衡对土壤理化性质、土壤微生物造成影响。研究土壤冻融循环可以预测土壤结构与生态的发展趋势,并为研究全球变暖背景下冻融循环与土壤团聚体、微生物的相互作用机制提供一定理论依据。本文通过查阅文献,综合分析了近年来国内外学者对冻融循环及其对土壤团聚体、微生物特性的影响等研究成果,探讨了土壤团聚体与微生物的相互作用关系,总结了冻融作用下土壤团聚体粒径分布、稳定性和孔隙结构的变化,阐述了冻融循环对土壤微生物及其群落结构的影响,并对本领域的研究方向进行了展望,旨在为研究冻融循环背景下土壤团聚体与微生物的响应提供新的思路。     

冬季积雪与冻融对土壤团聚体稳定性的影响

以长白山地区3种不同林型土壤为研究对象,利用野外采样观测与室内模拟培养相结合的方式,研究积雪与冻融过程对土壤团聚体稳定性的影响。结果表明:1)冬季冻融过程使白桦成熟林土壤团聚体稳定性(MWD)出现显著下降(P<, 0.01),但并未显著影响白桦幼龄林和阔叶红松成熟林。冬季冻结及春季冻融过程都能显著影响团聚体MWD值(P<, 0.01), 2)提前雪盖能够防止土壤秋冬季冻融及冬季土壤结冻,并能够显著增加团聚体MWD值,但并不能防止春季融雪冻融阶段团聚体MWD值下降。3)土壤团聚体在冻融过程中受到不同冻融次数、不同林型以及不同含水率影响,差异显著。本文的研究结果表明,气候变暖、冬季降水格局变化这些全球变化因素能够影响到雪盖、土壤温度、湿度等因素,从而影响土壤团聚体稳定性。      

植被恢复对退化红壤水稳性团聚体有机碳的影响

为从微观角度揭示植被恢复对土壤结构的影响,采用野外调查与室内分析相结合的方法,研究南方红壤退化地3种典型植被恢复类型[马尾松与阔叶复层林(PB)、木荷×马尾松混交林(SP)、阔叶林(BF)]土壤(0~60 cm土层)水稳性团聚体有机碳分布特征及其对总有机碳的贡献率。结果表明:土壤水稳性团聚体含量及其有机碳贡献率随团聚体粒径的减小总体呈"W"或"N"字分布;不同粒径水稳性团聚体含量以粒径<0.05 mm占优势,而大粒径团聚体含量在湿筛过程中大幅降低,表明大粒径团聚体在水的浸润中更易受到影响;上层土壤(0~40 cm)水稳性大团聚体(粒径>0.25 mm)总含量均以PB最高,而在下层土壤(40~60 cm)3种植被恢复类型较为接近(48.80%~51.64%)。土壤总有机碳和水稳性团聚体有机碳含量大小顺序均表现为PB>SP>BF,随着土层深度的增加,两者均呈下降趋势;水稳性大团聚体有机碳含量总体高于微团聚体(粒径<0.25 mm),说明有机碳对水稳性大团聚体的形成具有积极作用。不同林分土壤团聚体有机碳贡献率均以粒径0.05~0.25 mm最小,且PB中粒径>2.00 mm的团聚体有机碳贡献率显著高于SP和BF(P<0.05)。保留密度大、灌木(草)层盖度高的马尾松与阔叶复层林土壤水稳性大团聚体与团聚体有机碳含量更高,对土壤结构改善与功能恢复效果更好。     

冻融作用对退化高寒草原土壤团聚体有机碳的影响

在三江源区具有典型退化特征的高寒草原设置研究样地,采集土样进行冻融处理,探讨冻融循环对退化高寒草原土壤团聚体有机碳的影响。结果表明：土壤有机碳含量与<0.25 mm、0.5~1 mm、1~2 mm、  2~10 mm粒级土壤团聚体有机碳含量均随冻融循环次数的增加而减少,且各粒级土壤团聚体有机碳含量与土壤有机碳含量间正相关,相关系数0.991~0.344。0.25~0.5 mm粒级土壤团聚体有机碳含量的变化随冻融循环次数的增加而增加,且与土壤有机碳含量呈负相关关系,相关系数-0.226~-0.547;与未冻融处理相比,冻融循环14次土壤团聚体有机碳含量随团聚体粒级的增大而增大;随高寒草原退化程度加剧,2~10 mm粒级土壤团聚体有机碳含量分别减少57.6%、64.9%、61.4%、75.2%。土壤冻融循环次数增加与草地退化等是导致土壤各粒级团聚体有机碳变化的因素,不利于高寒草原草地生态系统的稳定。     

黄浦江上游水源涵养林土壤团聚体组成及其碳、氮分布特征

作为土壤结构的基本单元,土壤团聚体是反映土壤肥力的一项重要指标。不同土层各粒级团聚体在营养元素的保存、传递和转化等方面发挥着不同的作用。试验选取了上海城市森林生态系统定位观测研究站黄浦江上游水源涵养林观测点的四块典型阔叶混交林,研究其不同土层土壤团聚体组成及其有机碳和全氮的分布特征,进一步探究不同土层各粒级团聚体对土壤的养分贡献率。结果表明:(1)土壤团聚体含量随其粒径的减小而增加,53μm粒径土壤团聚体在分布中占主导地位,同时大团聚体含量与土层深度呈负相关;(2)有机碳含量随团聚体粒径的减小而减少,随土层深度的增加而降低;(3)土壤团聚体全氮含量变化规律与有机碳趋于一致,但大团聚体的碳氮比均显著高于微团聚体;(4)粒径250μm的微团聚体对土壤的有机碳和全氮贡献率高达85%以上。研究结果在一定程度上揭示了黄浦江上游水源涵养林土壤团聚体的组成及其碳、氮元素分布特征,为衡量和改善区域土壤质量提供了理论依据。     

连续种植不同绿肥作物耕层的土壤团聚体特征

【目的】为探明连续种植绿肥对土壤团聚体的影响。【方法】以箭筈豌豆(Vicia sativa L.)、肥田萝卜(Raphanus sativus L.)、蓝花苕子(Vicia cracca L.)、毛叶苕子(Vicia villosa Roth)、光叶苕子(Vicia villosa var.)为对象,研究连续种植不同绿肥对耕层土壤团聚体组成、直径的影响。【结果】连续种植光叶苕子主要提高 5 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、2～0. 25 mm粒径的水稳性团聚体含量,肥田萝卜主要提高5～2 mm粒径的机械稳定性团聚体含量、 5 mm粒径的水稳性团聚体含量,蓝花苕子和毛叶苕子主要提高2～0. 25 mm粒径的机械稳定性团聚体含量。 5 mm粒级的土壤水稳性团聚体增加有利于水稳性大团聚体的积累,其中肥田萝卜的土壤水稳性大团聚体含量最高。连续种植肥田萝卜、毛叶苕子有利于耕层土壤平均重量直径、几何平均直径的提升,而光叶苕子降低了土壤团聚体直径。土壤水稳性团聚体含量越高,土壤平均重量直径、几何平均直径越大,土壤结构的团聚度越高。【结论】连续种植绿肥能够提高不同粒径土壤机械稳定性、水稳性团聚体含量,有利于土壤水稳性大聚体( 0. 25 mm)的形成,对土壤团聚体直径的影响表现不同。     

膨润土对镉污染土壤团聚体结构特征及有机碳含量的影响

通过4年田间原位钝化修复定位试验,研究施用膨润土钝化修复重金属镉污染菜地过程中,膨润土对土壤团聚体结构、稳定性以及有机碳含量变化特征。结果表明,与对照相比,施加膨润土后2～5 mm和5～8 mm粒径土壤团聚体数量增加,而2 mm的粒径团聚体数量则有所降低。投加膨润土提高了土壤团聚体稳定性,其几何平均直径(Geometric mean diameter, GMD)和平均质量直径(Mean weight diameter, MWD)分别增加9.57%～33.48%和4.74%～31.39%。与对照相比,全土和各粒径团聚体中有机碳含量随膨润土投加量增加而增加,而颗粒有机碳的含量则相反,最大降低了11.64%。投加膨润土提高了2～5 mm粒级团聚体对土壤有机碳含量的贡献率,0.5 mm粒级团聚体对土壤有机碳含量贡献率降低。投加膨润土后土壤烯烃类、烷烃类和酚类官能团含量有所增加,与对照相比,增加幅度分别为1.52%～4.55%、2.60%～36.28%和2.06%～10.98%。     

结构改良剂对(土娄)土团聚体分布的影响

用2种土壤结构改良剂处理<土娄>土,对不同粒径土壤团聚体的影响表明,PAM和CMC处理,使大于3 mm以上的土壤团聚体数量普遍增加,小于1 mm以下的土壤团聚体数量普遍减少;而且两者形成土壤团聚体的机理有所不同,PAM在促进土壤大团聚体(大于10 mm)形成的同时,主要促使较小团聚体(1-5 mm)的形成和稳定,而CMC主要促使粒径较大团聚体的形成.     

基于质量和数量方法的不同粒径土壤团聚体水稳性评价

【目的】研究湿筛后不同粒径土壤团聚体质量和数量分布特征以及水稳性,为土壤结构的改良提供科学依据。【方法】以黄土丘陵区不同撂荒年限(7,14和34年)的草地和坡耕地土壤(对照,CK)为研究对象,从质量和数量的角度探讨了不同恢复年限和不同粒径土壤团聚体湿筛后粒径分布特征,选取粒径大于0.25mm团聚体含量(R0.25)以及平均质量直径(MWD)2个指标评价不同粒径团聚体的水稳性。【结果】(1)随着植被恢复年限的延长,土壤中粒径1mm的团聚体质量分数增加,粒径为0.25～1mm的团聚体质量分数增加不明显;团聚体数量与质量变化规律一致,但数量变化量随粒径减小而成倍的增加。(2)不同粒径土壤团聚体湿筛后,粒径0.25mm微团聚体的质量分数最高;团聚体数量则表现为随粒径的减小而成倍增加。(3)当粒径为0.25～5mm时,随着粒径的增大,土壤团聚体的水稳性降低,其中粒径2～5mm团聚体的水稳性最差。(4)当粒径为0.25～5mm时,有机质含量随粒径的减小呈增加趋势,各粒径团聚体有机质含量与MWD减小比例呈负相关,与R0.25呈正相关。【结论】用数量方法评价团聚体分布特征的结果与用质量方法评价的结果存在差异,小粒径团聚体的水稳性更强。     

加筋作用对冻融后土体性质变化规律的影响

为探究初始含水率、压实度、加筋间距、冻融次数、冻结温度和上部荷载等因素对土体冻融作用强弱的影响,以沈阳地区粉质黏土为研究对象,采用25组室内冻融循环正交试验分别测得各因素组合下土体上、中、下3个部位冻融后土体含水率,利用SPSS软件拟合不同影响因素组合下各高度处的含水率的回归方程,分析了各因素在垂直方向上对含水率变化规律的影响。结果表明:冻融循环为1次且冻结温度分别为-5,-10,-15℃或冻融循环为3次且冻结温度分别为-5,-10,-15,-20,-25℃时,冻融后土体上部含水率较大,其他加筋方式均呈现下部含水率较大。其中,当加筋间距为150mm和200mm时,冻融后土体含水率值呈现为下部中部上部。土体内加入格栅有利于冻融后液态水的下渗。当初始含水率相同时,冻融后土体各高度处的含水率随冻融次数的增加而增加。加筋间距对冻融后土体中部和下部含水率的影响最为显著,与冻融次数的交互作用对中部含水率有着显著影响。因此,较小的初始含水率和较小的加筋间距有利于增强冻融后土体的强度,为季冻区实际工程的施工提供理论基础,使加筋材料能够更合理化和高效化的利用。     

东北典型黑土区积雪-冻融耦合作用下的包气带水热运移模拟

积雪-冻融耦合作用可改变黑土内部水热分布,进而影响其营养组分。为探究典型黑土区积雪-冻融条件下的水热运移规律,以吉林省公主岭市为例,基于野外原位观测试验,开展了典型黑土区积雪-冻融耦合作用下的包气带水热运移模拟,利用Morris筛选法进行了参数敏感性分析,并模拟分析了不同外界温度和积雪覆盖情景对黑土水分运移的影响。结果表明：研究区春季融雪水可使深在20 cm以上的黑土含水率增加约12%;基于野外观测构建的模型对60～80 cm的土层模拟效果最佳;敏感性分析的5个参数中残余土壤含水量θr的敏感度最高,其灵敏度系数为2.954 6;外界温度影响土壤含水率突降的时间,积雪覆盖条件主要影响含水率大小及水分保持。     

聚丙烯酰胺对紫色土水稳性团聚体的改良效果

通过室内土柱培养,研究PAM对紫色土水稳性团聚体的改良效果,并探讨其作用机理和合理的施用浓度.结果表明,在浓度为15～60g/500L时,PAM均可促进土壤＞0.25mm水稳性团聚体的形成,并有效降低土壤团聚体分形维数,改善土壤结构;方差分析表明,PAM能够将＜0.25mm的水稳性团聚体聚合为更大粒径的水稳性团聚体,使＞0.5mm的水稳性团聚体含量增加.PAM改良紫色土水稳性团聚体达到显著水平时的浓度也不相同,其适宜浓度为60g/500L.土壤的黏粒含量和有机质含量可能是影响PAM对不同土壤的水稳性团聚体的改良效果差异的主要原因.     

季节性冻融对机械压实黑土微团聚体特征的影响

采用田间模拟机械压实的方法,通过对连续两季季节性冻融后不同深度(表层0~20 cm、亚表层20~40 cm和下层40~80 cm)不同压实次数(0、3和12次)土壤水稳性微团聚体组成(≥0.25 mm、0.25~0.05 mm、0.05~0.02 mm、0.02~0.002 mm、＜0.002 mm粒级)、分形维数(D)和分散系数等特征指标的测定、计算与分析,研究了两季季节性冻融对黑土区0~80 cm土层范围内土壤微团聚体特征的影响,讨论了季节性冻融与机械压实的交互作用。结果表明:季节性冻融对不同深度黑土微团聚体组成及稳定性的影响不同,主要表现为增加表层土壤微团聚体的稳定性,降低亚表层和下层土壤微团聚体的稳定性,且连续两季冻融对黑土微团聚体组成及稳定性的影响也存在差异,1季冻融主要显著增加无压实土壤微团聚体的稳定性,而2季冻融却显著降低无压实土壤微团聚体的稳定性;两季冻融结束后,3次压实土壤微团聚体D值和分散系数均高于对照(P＜0.05),尽管12次压实土壤分散系数同样高于对照(P＜0.05),但土壤微团聚体D值与对照相比无显著差异,季节性冻融与机械压实的交互作用主要表现为季节性冻融加剧少次压实土壤微团聚体的破坏、降低其稳定性,而对多次压实土壤微团聚体的组成及稳定性有一定的恢复作用。      

塑料污染对农田土壤团聚体稳定性的影响

为探究塑料污染对农田土壤团聚体的影响，本研究在全国范围内，针对被塑料污染的土壤和未被塑料污染的土壤进行配对采样，经干筛法和湿筛法测定团聚体组成，利用土壤团聚体稳定性指标[团聚体破坏率（Percentage of aggregate destruction，PAD）、平均重量直径（Mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（Geometric mean diameter，GMD）和标准化平均重量直径（Normalized mean weight diameter，NMWD）]体系的差异，研究了塑料污染对农田土壤团聚体稳定性的影响。结果表明：从团聚体组成来看，农田土壤塑料输入增加了>5 mm机械稳定性大团聚体比例，降低了<0.25 mm机械稳定性团聚体比例；塑料输入降低了>2 mm水稳性大团聚体比例，增加了<0.053 mm土壤颗粒的比例。农田土壤塑料污染显著增加了机械稳定性团聚体的MWD和GMD，但对水稳性团聚体直径无影响。农田土壤塑料污染显著增加了团聚体的PAD，降低了土壤结构的稳定性。研究表明，农田土壤塑料污染会明显增加土壤大团聚体的机械稳定性，略降低团聚体的水稳定性。     

冻融循环对农田黑土可溶性氮组分的调控效应

为深入了解非生长季农田黑土氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究不同冻融因子[冻融温度(冻结温度:-3、-6、-9、-12、-15℃;融化温度:2、5℃)、冻融循环次数(1、3、6、10、15;在-3℃冻结6 d、2℃融化1 d为1个冻融循环次数)、水分含量(10%、20%、30%)]对农田黑土可溶性氮组分含量的影响。结果表明,较大的冻融温差(-15～-12℃/2～5℃)、适宜的冻融循环次数(1～3)和水分含量(20%～30%)是影响农田黑土可溶性氮组分含量的主要驱动因子。随着冻结温度降低,冻融土壤可溶性无机氮(DIN,NH_4~+-N+NO_3~--N)和可溶性全氮(DTN)含量均显著增加,以-15℃冻结时最大分别为89.84、101.99 mg/kg,而可溶性有机氮(DON)含量的变化行为受融化温度的协同影响。随着融化温度升高,冻融土壤DIN、DON和DTN含量均无显著性变化。随着冻融循环次数增加,冻融土壤DIN含量显著降低,以循环次数15时最小(83.21 mg/kg),而DON和DTN含量均先升高后降低,分别在循环次数6和3时达到最大值。随着水分含量增加,冻融土壤DON和DTN含量均显著增加,以水分含量30%时最大,分别为20.57、107.62 mg/kg,而DIN含量无显著性变化。可见冻融作用显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮的累积。     

杭嘉湖平原桑园生态系统的土壤结构状况及其与土壤肥力的关系

研究了杭嘉湖平原桑园生态系统的土壤结构状况及其与土壤肥力的关系。结果表明高产桑园土壤>0.25mm的水稳性团聚体含量较高,团聚体组成以粒径1～0.25mm为主,且土壤养分贮量丰富,速效养分充足,三相比例协调,生物活动活跃。高肥土壤各级水稳性团聚体的有机碳含量比低肥土壤高,且以2～1、1～0.25mm粒级团聚体有机碳含量较高,统计分析结果表明粒径以2～1、1～0.25,>0.25mm团聚体含量与有机碳呈极显著相关。建立一个稳定合理的农业生态结构,增施有机肥料,合理耕作以及冬季塘泥培土和套种绿肥是恢复和改善桑园土壤结构状况的有效措施。在施用有机肥的同时养殖蚯蚓改善土壤结构效果显著;中耕可创造临时性0.25～3mm的土壤团聚体,降低>5mm的大团聚体。     

不同水土保持植被对典型黑土微团聚体稳定性的影响

以典型黑土区落叶松人工林、水曲柳人工林和草地等水土保持植被以及耕地土壤为研究对象,通过土壤微团聚体分散系数、粒径组成以及不同粒径微团聚体有机碳质量分数的测定计算和分析。结果表明:(1)与耕地相比,所研究的3种水土保持植被均可显著增加(0.05 mmd≤0.25 mm)大粒径微团聚体组成比例、降低(d≤0.002 mm)小粒径微团聚体组成比例(P0.05),并表现出乔木植被对增加土壤大粒径微团聚体比例的作用显著强于草地植被(P0.05);(2)所研究的3种水土保持植被总体上均不同程度地较耕地增加了土壤微团聚体有机碳质量分数,尤其是乔木植被显著增加了土壤中各个粒径的微团聚体有机碳质量分数,且增加幅度显著高于草地植被(P0.05);(3)水土保持植被均显著降低了土壤分散系数(P0.05)。可以认为,水土保持植被通过改善土壤微结构和增加微团聚体有机碳质量分数,进而实现增强微团聚体的稳定性,以微团聚体有机碳质量分数增加的贡献大于微团聚体组成的改变。     

干湿交替对土壤团聚体特征的影响

为了研究河南省周口市长期耕作土壤团聚体的分布特征和稳定性，设计不同循环的干湿交替，分别为0、1、3和5次。采用干筛法和湿筛法测定不同土层各粒级土壤团聚体含量、平均重量直径（mean weight diameter，MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）。结果表明，干筛条件下，5次干湿交替显著降低>0.25 mm团聚体含量，干湿交替显著增加各土层MWD值，且1和3次干湿交替显著增加各土层GMD值。湿筛条件下，干湿交替在不同土层对>0.25 mm团聚体含量影响不同，1次干湿交替显著降低各土层的MWD和GMD值；3和5次干湿交替显著增加40-60和60-80 cm土层MWD值；3次干湿交替显著增加80-100 cm土层GMD值，5次干湿交替显著降低0-20、20-40、40-60和80-100 cm土层的GMD值。1次干湿交替的团聚体破坏率显著高于其他处理。综上，干湿交替影响了土壤团聚体状况，且主要表现为>0.25 mm团聚体比例下降。结果对于黄淮地区农田土壤结构稳定性的维持提供一定理论参考价值。     

土壤团聚体形成和稳定机理研究进展

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，是反映土壤结构的重要指标。保持良好的土壤结构对农业的可持续性至关重要，这取决于团聚体的稳定性。本文综述了土壤团聚体形成、稳定机理和分析方法的研究进展。不同粒径的团聚体具有不同的团聚机理，其稳定性受土壤有机质、土壤微生物、胶结物质和土地利用方式的影响，破碎机理包括“水爆”和“气爆”两种主流观点，研究方法包括干湿筛、土壤CT扫描等。     

植被混凝土边坡土壤团聚体的稳定性与可蚀性

以湖北省宜昌市内恢复年限为1、3、5、18a的植被混凝土生态修复边坡土壤为研究对象,采用Le Bissonnais法分析快速湿润(FW)、慢速湿润(SW)和机械扰动(WS)等3种处理条件下土壤团聚体的稳定性和可蚀性。结果表明：SW处理下土壤团聚体以≥5.00 mm粒径为主,WS处理下土壤以≥5.00 mm粒径团聚体的占比最高,但其值低于SW处理的,FW处理下<0.25 mm的土壤团聚体粒径占比最高,说明土壤团聚体经FW处理后破碎程度大,SW处理后破碎程度小;土壤团聚体平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值均表现为SW处理中的最高,FW处理中的最低,而土壤可蚀性值(K)则与其相反,同一恢复年限的边坡土壤的相对消散指数均大于其相对机械破碎指数,说明快速湿润引起的消散作用是土壤团聚体破碎的主要机制;SW和WS处理下已恢复18 a的边坡土壤的粒径≥2.00 mm的团聚体占比最高,<0.25 mm的占比最低,MWD和GMD值最大,K值最小。可见,大暴雨冲刷可能会导致植被混凝土边坡土壤结构不稳定并发生侵蚀,且随着恢复年限的增加植被混凝土边坡土壤结构逐渐趋于稳定。