李若涵，王春霞，林 萍
（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；
2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；
3.新疆天业(集团)有限公司，新疆 石河子 832000）
团聚体是构成土壤的基本骨架，土壤结构的好坏与土壤的通气性、抗侵蚀性以及持水性都能够由团聚体稳定性反映，被认为是土壤重要的物理属性之一[1]。土壤肥力和养分的保留以及后续利用等也受土壤团聚体稳定性的影响，对作物生长具有重要影响，因此对团聚体的研究至关重要。土壤团聚体分为生物稳定性团聚体、力稳性团聚体和水稳性团聚体。团聚体水稳定性广泛用于评价土壤结构稳定性，目前常用的测定方法为“湿筛法”[2]。由于地温变化导致土体冻结和融化的过程称为冻融作用[3]，冻融过程中土壤水分随温度变化发生相变,进而改变土壤结构，影响土壤稳定性。李述训等[4-6]研究结果表明冻融循环是能量在土壤中输入和输出的过程，影响土壤颗粒的排列和结合，从而影响土壤结构。MOSTAGHIMI[7]发现冻融作用会破坏土壤结构，从而使土壤团聚体的稳定性降低；
WANG E H 等[8]表明冻融循环将大粒径土壤团聚体分解成小粒径团聚体，也因此使它们的稳定性降低。然而，LEHRSCH[9]研究表明，在某些条件下冻融作用可以通过促进团聚体的分解，来提高土壤稳定性。冻融作用对团聚体稳定性的影响是显而易见的，但是不同的处理条件下产生的作用效果又不尽相同。王文刚和CHAI Y J等[10-12]发现冻结和解冻对土壤团聚体稳定性的影响可能随土壤质地、初始团聚体大小、冻结时土壤含水量、冻融循环次数和冻结温度而变化。土壤含水量的变化会对下次冻融作用产生不同程度的影响，土壤理化性质也会随之产生不同程度的变化。冻结过程中土壤中水分变为冰晶，冰晶在土壤孔隙中扩张，从而破坏了土壤颗粒间的黏结力，导致团聚体稳定性降低[13]；
王恩姮[14]研究表明水分条件的差异对典型黑土的团聚体稳定性产生不同影响，无水分补充时，冻融增强了土壤团聚体的水稳定性，有水分补充时结果相反。土壤盐碱程度会对土壤团聚体的结构产生重要影响，造成土壤不稳定效应。王纯研究指出[15]能够影响团聚体稳定性和分布的重要制约参数是盐分的含量，盐溶液进入土壤后首先通过离子的交换，引起胶结剂被溶解，从而致使团聚体破坏[16]。目前基于冻融循环作用对盐碱土团聚体稳定性方向的研究相对较少，有关在冻融循环过程，土壤初始含水量存在差异的情况下，冻融循环次数对不同含盐量土壤的团聚体稳定性会产生哪些变化，是一个值得深入探讨的科学问题。
新疆天山以北绿洲农田是全国主要的经济棉产区，由于土壤盐分含量较高，春播时土壤墒情的保持是农业生产重点关注的问题。冬灌则是保持春播时土壤墒情最常用的方法。由于地处典型季节性冻土区，冬季寒冷漫长，不同冬灌定额后的土壤经历季节性冻融过程后，将会对土壤团聚体产生影响，从而影响土壤水分的保持和盐分的淋洗。因此本文利用室内冻融模拟试验，设定不同的土壤含水量和含盐量情景，模拟土壤经历不同的冻融循环作用后土壤水稳性团聚体的分布特征，为当地确定合理的冬灌定额及土壤地力的提升提供理论依据与技术支撑。
1.1 土壤采集与处理
土壤样品采自石河子大学节水灌溉试验站（85°57′49″E，44°19′28″N）。该试验基地气候为温带大陆干旱气候，试验地平均气温为7.7 ℃，当地平均降水量为207 mm。四季温差明显，夏季少雨而蒸发量大，冬季持久且降雪较为丰富。通常在10月底土壤开始发生冻结，气温的逐渐回升发生在翌年3月下旬至4月中上旬，由于昼夜温差较大，土壤呈现出白天消融解冻，晚上再次冻结的融冻特征[17]。2021年9月，在棉花收获后，在研究区布置4 m×4 m 样地，在布设区域选取了10 个采样点，将采集0～10 cm 的表层原状土壤带回试验室，风干待测。土壤质地为壤土,同时，将原状土样用环刀采集，测定土壤饱和含水率为34.2%（质量含水量）、田间持水量为25.9%（质量含水量）以及土壤容重为1.65 g/cm3。由干筛法得出土壤团聚体＞2、2～1、1～0.25、0.25～0.1、＜0.1 mm 5 种粒径含量，分别为1.69%，17.42%，48.72%，20%，12.17%。试验土壤基本理化性质见表1。
表1 供试土壤的基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of the test soil
1.2 试验设置
基于野外调查与定位监测资料，试验设计4种不同冻融循环次数（T0：冻融循环0 次；
T1：冻融循环1 次；
T3：冻融循环3 次；
T5：冻融循环5 次）。设计4 种不同初始土壤含水量（质量含水率分别为W0：风干含水量1.8%；
W1：50%田间持水量，13.0%；
W2：70%田间持水量，18.13%；
W3：田间持水量，25.9%），其中风干土条件为对照。通过对不同盐碱土矿化度进行鉴定，确定不同的易溶盐含量，其含量的制备分别设为S1：0.3%，S2：0.5%，S3：0.7%。初始土壤含水量的控制通过改良砂盘法进行控制和获得，该方法控制土壤水分吸力（基质势φ），以减少湿润过程中水分对土壤团聚体的耗散和分解。达到设定含水量后，以1.65 g/cm3的设定密度将土壤填充到柱中。将土样放入温度可调控的冻融箱中，调整温度为-15 ℃，解冻温度为10 ℃，为了保证土柱内土壤发生完全的冻结与消融，分别将融化和冻结时间为12 h。试验设置了0，1，3，5次共4个冻融循环处理，每个处理3次重复。
1.3 土壤水稳性团聚体参数测量
当冻融循环处理后，各试样自然风干。采用湿筛法对土壤团聚体分级。具体步骤如下：土样放置于孔径为5 mm 的不锈钢筛上，通过0.1、0.25、1、2、5 mm 的不锈钢筛，室温下蒸馏水中竖直上下振荡50 次，将筛分后的样品在105 ℃下烘干至恒重并称重，从而获取6 个粒级团聚体水稳性质量（＜0.1、0.25～0.1、1～0.25、2～1、5～2、＞5 mm）。
1.4 数据处理与分析
平均质量直径（MWD）计算式如下:
几何平均直径（GMD）计算式如下:0.1 mm 团聚体上升，结果显示大团聚体减少，小团聚体增加，呈现大团聚体破坏为小团聚体趋势。受到初始含水量的影响，土壤团聚体组成特征在不同处理条件下，表现出一定差异性[20]。
土壤含盐量对团聚体粒级组成影响见图1。由图1可见，受到含盐量的影响，土壤团聚体受不同土壤初始含盐量处理的影响，其组成特征产生显著差异的变化规律。随着含盐量的增加，＜0.1 mm 团聚体组成比例逐渐增加。在土壤含盐量为S1、S2和S3的条件下，当初始含水量为W0时，5次冻融循环后，与0次冻融循环次数相比，＜0.1 mm团聚体组成比例变化幅度分别为1.45%、9.7%、11.8%，变化趋势为：S1＜S2＜S3。
式中：ωi为第i级团聚体的平均直径；
为第i级团聚体的质量百分率。
土壤团聚体分形维数D采用杨培岭等提出的土壤分形模型计算[18]：
式中：MT为土壤各粒径团聚体质量总和；
M(r＜)为粒径小于的团聚体的质量；
xˉi为对应级团聚体的平均直径；
xmax是最大粒径团聚体的平均直径。利用公式对试验数据进行数学拟合，即可求得团聚体分形维数D[19]。
本文采用Excel 2016软件对数据进行整理，数据分析使用SPSS 26.0软件，作图使用Origin 2021软件。
2.1 冻融条件下团聚体水稳性组成特性分析
通过观察室内冻融模拟试验，经过5 次冻融循环，4 种不同含水量处理，土壤团聚体各级粒级都产生了明显变化。由图1可见，随着冻融循环次数的增加，当含水量为W0和W1时,＜0.1 mm 的团聚体组成比例变化相同，呈增减交替变化；
当含水量为W2和W3时，呈现出逐渐增加的趋势。以S1为例，随着冻融循环次数的增加，当含水量为W0和W1时,由于较低的含水量，团聚体粒级产生较小的变化幅度；
伴随初始含水量的增大，当初始含水量达到W2时，与第0 次冻融循环相比，5 次冻融循环后，＞0.1 mm 的团聚体组成比例减小30.00%；
而当初始含水量达W3时，经过5 次的冻融循环，＞0.1 mm 的团聚体组成比例减小21.79%。随着冻融循环的次数的增加，初始含水量的变化，＞0.1 mm 的团聚体减小，＜而在土壤含盐量为S2条件下，当初始含水量为W2时，＜0.1 mm 团聚体组成比例变化趋势与S1、S3不同为：T3＞T5＞T1＞T0。在土壤含盐量为S2和S3的条件下，当初始含水量为W3时，＜0.1 mm 团聚体组成比例变化趋势S2、S3与S1不同为：T3＞T5＞T1＞T0。3 种不同土壤含盐量处理下土壤团聚体粒级组成均发生显著性变化。
图1 不同初始含水量土壤团聚体粒径分布随冻融循环次数的变化Fig.1 Changes of particle size distribution of soil aggregates with different initial water content with the number of freeze-thaw cycles
2.2 土壤含水量对土壤团聚体水稳定性特征指标的影响
团聚体稳定性的评价有MWD（土壤团聚体平均质量直径）、GMD（几何平均直径），其值越大，表明土壤团聚体稳定性越强[10]。冻融循环对MWD和GMD影响见图2。在T0条件下，土壤含水量对MWD和GMD影响不明显。在T1、T3、T5条件下，随着含水量的增加MWD和GMD呈先降低后上升的趋势，在含水量为W2时为拐点。W2在T1、T3和T5条件下MWD和GMD比最初有所增加。说明冻融循环过程决定MWD和GMD的重要因素是土壤含水量，当达到一定的土壤含水量(70%田间持水量)，即便冻融循环次数在一定的范围内变化，也可能增强团聚体稳定性。相同冻融循环次数下，MWD和GMD同时呈现W2＞W0＞W1＞W3，说明维持土壤团聚体稳定性的重要条件是适当的土壤含水量；
也说明接近饱和的含水量对团聚体破碎能力最强。为此，为了保证翌年土壤有良好的结构，建议产生冻融前期，调节土壤含水量至70%田间持水量。相同土壤含水率条件下随着冻融循环次数的增加，MWD和GMD呈逐步降低，相同土壤含水量处理MWD和GMD呈以下变化趋势：T1＞T3＞T5，这个结论也被其他学者认可[21,22]。
冻融循环次数对MWD和GMD影响见图2。冻融循环次数不变条件下，MWD和GMD呈现出以下变化趋势：W2＞W0＞W3＞W2，并且T1W2、T2W2和T3W2处理MWD分别比最初0.218 增加了0.06、0.12 和0.15；
其他处理下，冻融循环(1、3 至5 次)过程都降低MWD和GMD。
图2 冻融过程后不同含水量平均质量直径和几何平均直径Fig.2 Average weight diameter and geometric average diameter of different water content after freeze-thaw process
2.3 土壤含盐量对团聚体水稳定性特征指标的影响
经过冻融试验后，土壤含盐量对各级团聚体MWD和GMD影响显著。随着含水量的增加MWD和GMD呈先降低后上升的趋势，在含水量为W2时为拐点。表2仅分析W2处理下不同土壤含盐量及不同冻融循环次数对MWD和GMD的影响。S1、S2和S3处理MWD和GMD分别呈降低趋势，在W2和相同冻融循环次数下,MWD降低的幅度分别为20.23%、16.02%、35.6%，变化趋势为S2＜S1＜S3；
MWD降低的幅度分别为14.29%、18.48%、27.08%，变化趋势为S1＜S2＜S3。且在T1、T2、T3冻融循环条件下，MWD和GMD依次为S1＞S2＞S3，说明随着土壤含盐量的降低有利于维持土壤团聚体稳定性。在土壤含盐量为S2、S3条件下，随冻融循环次数增加(1、3 至5 次)MWD和GMD呈现先增加后降低的趋势：T3＜T1＜T2。
表2 平均质量直径和几何平均直径随起始含盐量的变化Tab.2 Variation of average weight diameter and geometric average diameter with initial salt content
2.4 土壤团聚体分布与分形特征的差异
有关评价土壤团聚体稳定性重要指标，杨培岭[18]提出土壤团粒结构的分形维数是其中之一。土壤的抗侵蚀性、稳定性以及结构的好坏，可由团粒结构分形维数来表示[23]，其越小，土壤结构越好。为了研究土壤团聚体的分形维数的变化，设置了3 个不同含盐量处理和4 个不同含水量处，经过冻融循环，结果呈现分形维数的值为2.90～2.97，土壤含盐量、初始含水率以及冻融循环次数对土壤团聚体分形维数有显著影响(见图3)。室内冻融模拟前，含盐量S1、S2、S3的分形维数为W3＞W1＞W2＞W0；
经过5 次冻融循环之后，发现土壤含水量为W0时，S1、S2、S3条件下分形维数分别增加0.58%、0.16%、0.03%，未产生大幅度变化；
当土壤含水量达到W1、W2、W3时，分形维数较冻融前变化了0.34%～0.88%，产生明显变化，表现分散了团聚体水稳定性，加剧了土壤团聚体稳定性的破坏[24]。
利用相关分析评价平均质量直径、几何平均直径与分形维数的关系，见表3。结果表明MWD、GMD与分形维数呈负相关关系，因此，分形维数可以真实反映团粒结构的形状，进一步说明抗蚀性、肥力以及土壤通透性可以用分形维数来表征指标。
表3 平均质量直径、几何平均直径与分形维数D的相关性Tab.3 Correlation between average weight diameter,geometric average diameter and fractal dimension D
由试验可见，团聚体稳定性受土壤含水率、土壤含盐量以及冻融循环次数等因素的影响。本研究中土壤团聚体粒级受冻融循环作用的影响，＜0.1 mm 粒径级团聚体显著增加，团聚体稳定性显著降低，与BULLOCK M S 等[25]的结论相似。究其原因是冻融循环的本质是土壤水分的体积因温度变化而变化的过程，在温度下降达到冻结温度，土壤水分由液态转换为固态，由于水固态下分子间空间较液态大，因此体积变大；
当温度逐渐上升，水由固态转回液态，体积也因此变小。土壤的大颗粒团聚体被破坏成小团聚的原因正是如此反复的冻结和融化，产生的体积的变化，从而土壤颗粒间原本的胶结随之破坏[8]。在单独考虑土壤初始含水量的影响因素下，含水量越大，冻融的过程水分固液转换越多，冻融循环对土壤的结构影响越大，对土壤之间原有的胶结破坏越大，从而使团聚体稳定性下降[11]。本研究表明，经过5 次冻融循环后，团聚体的稳定性与土壤初始含水量密切相关，MWD和GMD均表现为70%田间持水量＞50%田间持水量的＞田间持水量的关系，当含水量过高占据土壤孔隙时，由于土壤团聚体压力变化增大，导致其压力失衡，团聚体破坏变得更加强烈，这也意味着对持有一定含水量的土壤经过冻融循环可能对结构有利而无害，与LEHRSCH[9]结论相似。而由相关性分析可知，MWD和GMD均与分形维数呈显著负相关。说明分形维数的变化，受MWD和GMD的影响，其越大，分形维数越小，随之土壤团聚体稳定性增强。作为进一步的观点，这些结果表明，季节性冻融下北疆冬灌引起的土壤结构问题，既可影响土壤透气性、持水性和抗蚀性，又对土壤肥力和养分的保留以及后续利用有所影响，可以通过适当的土壤水管理来改变。例如，通过合理的冬灌水量控制冻融期的土壤含水量，可以导致冻融作用下土壤结构稳定性提高。这种结果会影响土壤水分的保持和盐分的淋洗，从而影响春播时土壤墒情。
本研究利用室内模拟试验对冻融循环下土壤团聚体的特征进行了表征。在冻融循环期间，土壤团聚体的稳定性、平均质量直径、平均几何直径和分形维数存在明显差异。
（1）冻融循环下土壤团聚体粒径组成随着土壤初始含水量变大，其粒径组成逐渐变小，同时稳定性逐渐降低且随冻融循环次数的增加变化更加明显；
随着冻融循环次数的增高，在初始含水量W2下，＞0.1 mm 的水稳性团聚体组成比例减小30.00%，团聚体稳定性显著降低。
（2）平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）与初始含水量和初始含盐量显著相关，随着初始含水量的增加MWD和GMD分别呈现先增加再减小的趋势；
随着初始含盐量的增加MWD和GMD分别呈现递减的趋势。
（3）在初始含水量较低时，冻融循环对分形维数没有显著影响，随着初始含水量的增大，土壤粒级团聚体组成发生显著变化，分形维数最高增加0.88%。土壤的平均质量直径和几何平均直径均与分形维数呈显著负相关。
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