土壤压实作用及季节性冻融循环对黑钙土微观结构演变及团聚体稳定性的影响

《Soils and Foundations》：Impact of soil compaction and seasonal freeze-thaw cycles on the microstructural evolution and aggregate stability of Mollisol

本研究在东北黑土区通过X射线CT和实验室方法，评估了不同压实水平与冻融循环对土壤孔隙结构和团聚体稳定性的影响，揭示了孔隙连通性、分形维度及不同粒径孔隙率对稳定性的主导作用，为可持续农业管理提供新见解。

　　土壤健康是农业生态系统中一个重要的议题，尤其是在现代农业高度集约化发展的背景下。土壤压实作为农业生产中常见的问题，对土壤结构和生态功能产生深远影响。同时，季节性的冻融循环作为一种自然机制，能够有效缓解土壤压实带来的负面效应。然而，目前对于土壤压实与冻融循环共同作用下土壤微结构演变及其对土壤团聚体稳定性的影响，仍缺乏系统的分析和理解。因此，有必要深入探讨这两种因素在实际农业环境中的交互作用，以期为土壤退化管理提供科学依据。

本研究选取了中国东北地区典型的黑土区域作为实验地点，该区域是中国重要的粮食生产基地之一，同时也是生态安全的重要组成部分。黑土因其高自然肥力而具有重要的农业价值，但随着过度耕作和农业机械化的加剧，土壤退化问题日益严重。此外，该地区由于地处高纬度地带，每年经历约120至220天的季节性冻融循环，这种自然现象与人为活动的交互作用进一步加剧了土壤结构的变化。研究的主要目标是评估土壤压实和冻融循环对土壤孔隙结构演变以及团聚体稳定性的影响，并进一步分析这些外部因素如何改变土壤孔隙参数，从而影响土壤的整体稳定性。

在实验过程中，研究团队采用了多种方法来评估土壤孔隙结构和团聚体稳定性。首先，利用X射线计算机断层扫描（CT）技术对土壤孔隙结构进行了三维可视化分析，以揭示压实和冻融循环对孔隙网络的影响。CT扫描技术因其非破坏性测量、多参数获取和三维重建的优势，成为研究土壤结构变化的有效工具。其次，结合实验室土壤测量，对土壤的孔隙特征、团聚体稳定性等参数进行了定量分析。这些方法能够提供关于土壤微结构变化的直观信息，有助于理解压实和冻融循环对土壤物理性质的长期影响。

研究结果表明，土壤压实会导致土壤孔隙结构的明显变化。首先，压实使土壤孔隙网络呈现出明显的分层结构，孔隙之间的连通性显著降低。其次，压实会显著减少总孔隙度、大孔隙、连通孔隙、配位数和分形维度（p < 0.05）。值得注意的是，小型拖拉机在第一次通过后对这些参数的影响更为显著，而中型和大型拖拉机在重复压实过程中则表现出不同的变化趋势。具体而言，中型和大型拖拉机在重复压实后，会导致小孔隙（<80 μm）数量和孔隙度的显著增加，而小型拖拉机则没有显著变化。这一发现揭示了不同农机具在压实过程中对土壤结构的差异化影响，为农业机械的选择和使用提供了参考依据。

此外，土壤压实对团聚体稳定性的影响也较为显著。研究发现，低程度压实虽然能够提高团聚体的平均重量直径（MWD_dry），但对水稳定性团聚体的平均重量直径（MWD_wet）影响不大。然而，随着压实次数的增加，小型拖拉机在五次通过后，水稳定性团聚体的平均重量直径显著增加，而中大型拖拉机则在九次通过后才表现出类似的趋势。这一结果表明，压实对团聚体稳定性的影响具有一定的累积效应，并且不同农机具的作用机制存在差异。

在自然条件下，冻融循环对土壤结构的改变同样具有重要影响。冻融循环通过水的收缩膨胀作用，能够破坏土壤团聚体并改变土壤颗粒的排列和结合方式，从而形成更加疏松和连通的孔隙网络。这种自然机制在缓解土壤压实方面发挥着关键作用，能够促进土壤的自我修复能力。然而，冻融循环对土壤孔隙结构的影响并非单一，而是受到土壤压实程度的显著影响。例如，未压实的土壤在经历冻融循环后，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性均有所降低，但总孔隙数和小孔隙（<80 μm）数量和孔隙度则有所增加。相反，压实的土壤在冻融循环后则表现出相反的趋势，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性增加，而总孔隙数和小孔隙数量和孔隙度减少。这一现象表明，土壤压实与冻融循环之间的相互作用对土壤孔隙结构的演变具有重要的调控作用。

团聚体稳定性是土壤质量退化的重要指标之一，其变化能够反映土壤结构的破坏程度。研究发现，团聚体稳定性在经历冻融循环后总体下降，表明冻融循环对土壤团聚体稳定性具有一定的破坏作用。然而，冻融循环对土壤团聚体稳定性的影响程度与压实的相互作用更为显著。具体而言，土壤压实和冻融循环对团聚体稳定性的影响分别为19.75%和28.89%，而两者的交互作用则高达51.36%，对团聚体稳定性的影响更为显著。这一结果表明，土壤压实与冻融循环的交互作用在调控团聚体稳定性方面具有关键作用。

进一步分析表明，土壤团聚体稳定性主要受到分形维度、30–80 μm孔隙度和<30 μm孔隙度的影响。这些参数能够反映土壤微结构的变化，进而影响团聚体的稳定性。研究还发现，土壤压实和冻融循环对团聚体稳定性的影响机制存在差异。例如，土壤压实主要通过压缩大孔隙、改变土壤颗粒的排列方式来降低团聚体稳定性，而冻融循环则通过破坏团聚体、促进孔隙网络的重新构建来改善团聚体稳定性。这一发现为理解土壤结构变化与团聚体稳定性的关系提供了新的视角。

本研究的发现对于农业土壤管理具有重要的实践意义。首先，研究揭示了土壤压实与冻融循环在调控土壤孔隙结构和团聚体稳定性方面的协同作用，表明在季节性冻融条件下，土壤压实对土壤结构的影响更为复杂。其次，研究还表明，不同农机具在压实过程中的作用机制存在差异，小型拖拉机在初次通过后对土壤结构的影响更为显著，而中大型拖拉机在重复压实过程中则表现出不同的趋势。这一结果为农业机械的选择和使用提供了科学依据，有助于减少土壤压实带来的负面影响。

此外，研究还发现，土壤压实和冻融循环对土壤团聚体稳定性的影响具有一定的累积效应。例如，随着压实次数的增加，团聚体稳定性会逐渐下降，而冻融循环则能够在一定程度上缓解这种下降趋势。然而，这种缓解作用受到土壤压实程度的显著影响，即压实越严重，冻融循环对团聚体稳定性的改善作用越有限。这一发现表明，土壤压实与冻融循环的交互作用在调控土壤结构和团聚体稳定性方面具有重要的意义。

本研究的另一个重要发现是，土壤压实和冻融循环对土壤孔隙结构的影响具有显著的异质性。例如，未压实的土壤在经历冻融循环后，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性均有所降低，但总孔隙数和小孔隙（<80 μm）数量和孔隙度则有所增加。相反，压实的土壤在冻融循环后则表现出相反的趋势，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性增加，而总孔隙数和小孔隙数量和孔隙度减少。这一现象表明，土壤压实与冻融循环的交互作用对土壤孔隙结构的演变具有重要的调控作用，能够显著影响土壤的物理性质和生态功能。

研究还发现，土壤压实对团聚体稳定性的影响具有一定的方向性。例如，低程度压实虽然能够提高团聚体的平均重量直径（MWD_dry），但对水稳定性团聚体的平均重量直径（MWD_wet）影响不大。然而，随着压实次数的增加，小型拖拉机在五次通过后，水稳定性团聚体的平均重量直径显著增加，而中大型拖拉机则在九次通过后才表现出类似的趋势。这一结果表明，压实对团聚体稳定性的影响具有一定的累积效应，并且不同农机具的作用机制存在差异。

此外，研究还发现，土壤压实和冻融循环对土壤孔隙结构的影响具有一定的时空异质性。例如，未压实的土壤在经历冻融循环后，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性均有所降低，但总孔隙数和小孔隙（<80 μm）数量和孔隙度则有所增加。相反，压实的土壤在冻融循环后则表现出相反的趋势，孔隙分布密度、总孔隙度和连通性增加，而总孔隙数和小孔隙数量和孔隙度减少。这一现象表明，土壤压实与冻融循环的交互作用对土壤孔隙结构的演变具有重要的调控作用，能够显著影响土壤的物理性质和生态功能。

研究还发现，土壤压实和冻融循环对土壤团聚体稳定性的影响具有一定的协同效应。例如，土壤压实和冻融循环共同作用下，团聚体稳定性会受到更显著的影响。具体而言，土壤压实和冻融循环对团聚体稳定性的影响分别为19.75%和28.89%，而两者的交互作用则高达51.36%，对团聚体稳定性的影响更为显著。这一结果表明，土壤压实与冻融循环的交互作用在调控团聚体稳定性方面具有关键作用，能够显著影响土壤的物理性质和生态功能。

本研究的发现对于农业土壤管理具有重要的实践意义。首先，研究揭示了土壤压实与冻融循环在调控土壤孔隙结构和团聚体稳定性方面的协同作用，表明在季节性冻融条件下，土壤压实对土壤结构的影响更为复杂。其次，研究还表明，不同农机具在压实过程中的作用机制存在差异，小型拖拉机在初次通过后对土壤结构的影响更为显著，而中大型拖拉机在重复压实过程中则表现出不同的趋势。这一结果为农业机械的选择和使用提供了科学依据，有助于减少土壤压实带来的负面影响。

此外，研究还发现，土壤压实和冻融循环对土壤孔隙结构的影响具有一定的累积效应。例如，随着压实次数的增加，团聚体稳定性会逐渐下降，而冻融循环则能够在一定程度上缓解这种下降趋势。然而，这种缓解作用受到土壤压实程度的显著影响，即压实越严重，冻融循环对团聚体稳定性的改善作用越有限。这一发现表明，土壤压实与冻融循环的交互作用对土壤孔隙结构的演变具有重要的意义，能够显著影响土壤的物理性质和生态功能。

研究还发现，土壤压实和冻融循环对土壤团聚体稳定性的影响具有一定的方向性。例如，低程度压实虽然能够提高团聚体的平均重量直径（MWD_dry），但对水稳定性团聚体的平均重量直径（MWD_wet）影响不大。然而，随着压实次数的增加，小型拖拉机在五次通过后，水稳定性团聚体的平均重量直径显著增加，而中大型拖拉机则在九次通过后才表现出类似的趋势。这一结果表明，压实对团聚体稳定性的影响具有一定的累积效应，并且不同农机具的作用机制存在差异。

综上所述，本研究通过结合X射线计算机断层扫描（CT）技术和实验室土壤测量，对土壤压实和冻融循环对土壤孔隙结构和团聚体稳定性的影响进行了系统分析。研究结果表明，土壤压实和冻融循环在调控土壤孔隙结构和团聚体稳定性方面具有重要的协同作用，且不同农机具在压实过程中的作用机制存在差异。这些发现为理解土壤结构变化与团聚体稳定性的关系提供了新的视角，并为农业土壤管理提供了科学依据。通过优化农业机械的使用方式，减少土壤压实的负面影响，同时合理利用自然条件下的冻融循环，有助于提高土壤质量，促进农业可持续发展。