凍融交替作用對土壤理化性質的影響研究進展

張海歐

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710021；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710021)

凍融循環(huán)作用是我國高海拔地區(qū)以及中、高緯度區(qū)域普遍存在的一種自然環(huán)境現(xiàn)象，其是由于冬季外界氣溫較低，導致土體表層溫度處于0℃左右變化，土層出現(xiàn)了凍結和融化的一種物理地質作用和現(xiàn)象[1]。通常是由于秋末或初春季節(jié)，外界溫度的白天和夜晚差異較大，土體表層土壤產(chǎn)生了晝夜凍融交替過程，即凍融循環(huán)作用。相關研究結果表明，凍融交替作用對土壤物理性質具有重要的影響，凍融交替能夠影響土壤結構組成及其穩(wěn)定性，土壤大團粒結構經(jīng)凍融循環(huán)作用后破碎為小粒級團粒結構，使得土壤團粒結構的顆粒組成發(fā)生變化[2,3]，還能夠改變土壤導水率、土壤容重和土壤強度等土壤性質[4]。與此同時，凍融交替對改善土壤環(huán)境起著積極的作用，能夠調(diào)節(jié)土壤的緊實度[5]，釋放N、P、有機碳等養(yǎng)分，進而提高土壤的可耕性等[6]。凍融循環(huán)作用對土壤結構和土壤養(yǎng)分釋放的影響極其復雜，由于凍融條件和土壤類型的差異，關于凍融交替作用對土壤特性的影響迄今無共識結論。

1 凍融交替作用與土壤團聚體穩(wěn)定性

土壤團聚體是土壤肥力的物質基礎，其組成及穩(wěn)定性作為衡量土壤發(fā)育程度和可持續(xù)利用的重要評價指標[7,8]。團聚體是在礦物顆粒和有機物等成分參與下，有機質在微團粒結構中絆纏，而后形成大團粒結構的核，并且在干濕凍融交替等自然物理過程中形成大小不同的多孔單元。土壤團聚體的穩(wěn)定性是指團粒結構抵抗外部環(huán)境變化或外力作用而保持其原有形態(tài)的能力，對土壤肥力、質量和土壤的可持續(xù)利用等具有重要的作用[7]。凍融交替對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響將直接或間接影響土壤物理結構、化學環(huán)境、土壤微生物的生長、繁殖與活動，進而影響土壤保水保肥能力[8-11]，國內(nèi)外關于凍融交替作用對土壤團聚體穩(wěn)定性的相關研究較多，但研究結果不盡相同。有些研究指出凍融交替作用降低土壤團聚體的穩(wěn)定性[12,2]，另有研究認為會增加土壤團聚體的穩(wěn)定性[13]。較多研究指出，凍融交替作用能夠降低土壤團聚體的穩(wěn)定性[14,15]。

2 凍融交替作用對土壤團聚體的影響國內(nèi)外研究進展

Perfect等[16]研究結果顯示，土壤質地不同，凍融交替作用對土壤結構的影響不同，研究指出凍融交替作用能夠促進質地為粉壤土的土壤團粒結構的形成，提高其團聚體的穩(wěn)定性。Lehrsch等[17]研究指出，土壤團粒結構穩(wěn)定性受凍融頻率和粘粒含量等因素的影響較大，粘粒含量越高凍融交替作用對團聚體結構破壞作用越小，并且低的凍融周期能夠增強表層土壤團聚體的穩(wěn)定性。Schjnning等[18]研究指出，凍融交替作用對土體表層土壤團粒結構的形成具有促進作用，并且能夠提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。王鳳等[19]提出凍融過程中土壤團聚體含量在一定條件下呈現(xiàn)出絕對增加和相對減少的統(tǒng)一，在接近田間持水量的情況下經(jīng)凍融循環(huán)后，黑土土壤團粒結構的穩(wěn)定性較好，其經(jīng)凍融交替后土壤團粒結構含量呈現(xiàn)出絕對增加，含水量過高和過低會引起團聚體的破碎，尤其是高含水量。因此，為了降低凍融交替作用對土壤團聚體的破壞，提高土壤團聚體穩(wěn)定性，可以在季節(jié)性凍結發(fā)生前將土壤含水量調(diào)節(jié)至接近田間持水量的水平。王恩姮等[20]研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融循環(huán)作用對典型黑土區(qū)表層土壤機械穩(wěn)定性團聚體具有破壞作用，然而提高了水穩(wěn)性團聚體的形成，增加了>0.25mm水穩(wěn)性團聚體的含量，顯著降低了其破壞率，提高了團聚體的穩(wěn)定性。王展等[21]認為，土壤經(jīng)凍融循環(huán)處理后，不同粒級團聚體含量的變化趨勢不盡相同，凍融頻率對各級團聚體含量均達到了顯著或極顯著影響，少次凍融循環(huán)提高了土壤微團聚體的穩(wěn)定性，但多次凍融循環(huán)后土壤團聚體結構受到破壞，土壤團聚體穩(wěn)定性降低。金萬鵬等[22]指出，凍融頻率能夠改變不同粒徑團聚體含量，凍融處理使土壤團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先增強后減弱的趨勢，然而適宜的土壤含水量能夠提高土壤團粒結構穩(wěn)定性。

另有許多研究顯示，凍融循環(huán)作用對土壤團聚體穩(wěn)定性具有消極作用。Lehrsch等[23]指出，土壤團聚體穩(wěn)定性的變化主要取決于冰凍作用，當土壤處于凍結狀況時，土壤樣品會分為濕潤部分和干燥部分，濕潤土壤樣品的內(nèi)部凍結時，土壤孔隙中的冰晶粒因擴張打破了顆粒間的結合力，從而使得土壤團聚體破碎；干燥的土壤內(nèi)部能夠使得土粒收縮，增強顆粒與顆粒之間的聯(lián)結作用，因此膨脹與收縮作用，即2個截然相反的力存在于土體的不同部位，對土壤結構穩(wěn)定性起到了降低或者增強的作用，因此，要準確衡量土壤結構穩(wěn)定性的狀態(tài)，需要判定這2個截然相反過程的變化。因此，眾多研究凍融交替作用對土壤理化性質的影響，由于凍融頻率、土壤含水量、凍融溫度及團聚體分級標準等因素的差異，研究結果不盡相同。Lehrsch[24]指出，凍結時由于冰晶在土壤孔隙中的擴張，從而破壞了顆粒之間的相互結合力，使得土壤大團粒結構破碎成了中小粒級團粒結構，降低了土壤結構的穩(wěn)定性。Six等[25]研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用對土壤團粒結構的物理破碎呈現(xiàn)出累積作用，其破壞大團粒結構的現(xiàn)象更為顯著，其可導致大團聚體破碎為中小粒級團聚體，從而降低團聚體的穩(wěn)定性。凍融循環(huán)過程中土壤含水率對土壤結構穩(wěn)定性有顯著影響，凍融對含水率高的土壤樣品中>0.25mm的團聚體破壞強度更大[26]。Edward等[27]研究了凍融循環(huán)作用與土壤質地之間的關系，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)周期的增加，壤土、砂壤土和細砂壤土的團聚體穩(wěn)定性均顯著減少。凍融循環(huán)頻率的增加或者是凍融溫度的降低促進了土壤大團粒結構的破碎，降低土壤團聚體的穩(wěn)定性。然而提高土壤有機質含量和粘粒含量，能夠增強土壤團粒結構的穩(wěn)定性[28,29]。

3 凍融交替作用對土壤有機質的影響

土壤有機質是植物生長的重要營養(yǎng)庫，土壤團粒結構的形成必須有賴于土壤中的有機物質，有機質通過自身的礦化作用釋放的養(yǎng)分有效地促進了土壤團聚體的形成，提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性[30]。因此，提升土壤有機質含量，對于增強土壤團聚化作用和改善土壤結構穩(wěn)定性具有重要的意義。土壤團粒結構的粒級大小不同，其對土壤營養(yǎng)元素的提供、維持及轉化能力等作用也不同[28,31]。在凍融循環(huán)過程中，通過凍融引起的土壤物理、化學和生物等方面的變化的來改變土壤有機質，改變土壤顆粒大小，調(diào)控土壤有機質的礦化[32]。劉淑霞等[33]研究結果證實，凍融交替作用對土壤可溶性有機質含量具有顯著影響，其隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但是凍融交替作用對有機碳總量及易氧化有機碳的影響不大。有機碳總量受到凍融頻率、成土母質、土壤含水率、有機質的溶解性和膠體物質的攜帶等多因素的共同影響[34]。粘粒對土壤有機碳具有保護作用，粘土中植物殘體的分解速率直接影響了土壤有機質的礦化程度[35]。

土壤團聚體是有機質儲存的主要場所，土壤有機質含量與土壤團粒結構穩(wěn)定性有關[23]，有機質含量越高，土壤團粒結構穩(wěn)定性越大。Zhang等[36]研究指出，有機質的膠結對紅壤水穩(wěn)性大團粒結構的形成起主要作用，二者呈顯著的正相關關系。唐曉紅等[37]、章明奎等[38]研究表明，紫色土、紅壤水穩(wěn)性團粒結構的數(shù)量和穩(wěn)定性均與土壤有機質含量成正相關。凍融交替作用下土壤有機質的變化主要來源于土壤中微生物的變化，凍融循環(huán)初期有機質含量增加，這是由于凍融初期劇烈的凍結溫度使一些微生物死亡，這些被殺死的微生物在分解過程中釋放出來一些小分子有機質，從而使土壤有機質含量增加；凍融作用打破了土壤團粒結構穩(wěn)定性，使得被土壤包裹吸附著的有機質提前解聚出來，土壤有機質含量增加。多次凍融循環(huán)后，土壤中有機質含量逐漸降低，是由于微生物已經(jīng)適應了外界環(huán)境的溫度變化，其絕對死亡量逐漸減少，相應的微生物釋放出來的有機質含量也在減少。土壤的礦化作用對有機質的影響，隨著凍融循環(huán)過程土壤中存活的微生物逐漸分解利用土壤中原有的有機質，導致了土壤中有機質含量的降低。

4 凍融交替作用對土壤氮素的影響

土壤有機質和氮素是土壤肥力總體狀況的重要指標，其可以改善土壤物理、化學和生物性質[30]。土壤有機質含有植物需要的多種養(yǎng)分，特別是氮素存在的主要場地[31]。土壤全氮能夠綜合反映土壤的氮素狀況，標志土壤氮素的總量，其包括所有形式的有機氮和無機氮素，其是提供土壤有效氮素的源和庫。土壤有機質和氮素是各國土壤分析和實驗室測定的例行項目，其含量及動態(tài)平衡不僅直接影響著土壤質量和土地生產(chǎn)力，而且對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)有重要意義[32]。

氮素作為土壤肥力提升的最基本化學元素，對于植物的生長發(fā)育必不可少，土壤中有機氮含量超過95%，其余是無機氮，其中能夠直接被植物吸收利用的是一些可溶性有機氮，然而，通常有機氮被轉化為無機氮后才能被植物有效利用[39,40]。氮礦化過程對于土壤氮素遷移轉化乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)均十分重要，氮礦化所產(chǎn)生的NH4+和NO3-是土壤和一些植物所需氮素的主要來源[41]。凍融交替作用通過影響土壤理化性質和生物學性狀進而影響土壤氮素轉化過程，特別是在以土壤微生物為媒介的土壤元素循環(huán)等方面[42]。

目前關于凍融交替對土壤氮礦化方面的研究已經(jīng)具有大量成果，相關研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)的發(fā)生對于土壤中氮礦化具有積極的促進作用[43,44]。土壤中氮礦化作用主要產(chǎn)生于微生物，這主要是由于凍融循環(huán)作用使土壤中微生物的細胞發(fā)生破裂，微生物死亡，釋放出礦質氮。Freppaz等[45]通過研究凍融循對氮素的影響，發(fā)現(xiàn)凍融交替作用能夠增加土壤銨態(tài)氮含量，但其過程與微生物量氮的釋放并不同步。凍融循環(huán)作用分散了土壤團聚體結構，使得土壤中可溶性的礦質態(tài)氮和有機物質釋放出來[46]。常宗強等[42]對青海云杉林和高山灌叢林土壤中有機氮在凍融過程中的變化特征研究發(fā)現(xiàn)，通過42次凍融循環(huán)作用后，土壤中有機氮質量分數(shù)顯著提高，凍融頻率是土壤有機氮礦化的關鍵影響因素之一。凍融循環(huán)作用對土壤中的氮素含量起到積極還是消極作用，隨著研究區(qū)域、土壤類型及研究模式的不同，研究結論也尚不一致。一些研究[47]認為，凍融交替增加了土壤中氮素的含量，然而部分學者發(fā)現(xiàn)[48]，凍融循環(huán)作用過程使土壤氮素含量降低。

5 結論

凍融循環(huán)作用對土壤結構和土壤養(yǎng)分釋放的影響極其復雜，由于凍融條件和土壤類型的差異，關于凍融交替作用對土壤特性的影響迄今無共識結論。凍融交替作用對土壤性狀的影響主要與成土母質、初始含水量、凍結溫度和凍融頻率等因素有關。國內(nèi)外關于凍融作用對土壤結構和養(yǎng)分的影響研究目前相對比較成熟，但結論仍有差異，因成土母質、研究區(qū)域和分析模式等因素的差異而尚無普適性的結論。