冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征

王恩姮，赵雨森，夏祥友，陈祥伟

(东北林业大学 林学院， 哈尔滨 150040)

冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征

王恩姮，赵雨森，夏祥友，陈祥伟*

(东北林业大学 林学院， 哈尔滨 150040)

冻融交替是改变黑土结构、加剧土壤侵蚀的重要因子。以典型黑土区耕作土壤为研究对象，采用野外季节性冻融循环与室内模拟冻融循环相结合、X射线计算机断层摄影(CT)与扫描电子显微镜(SEM)相结合的方法，通过水分物理性质、团聚体破坏率、孔隙数目、孔隙面积、孔隙成圆率、孔隙Feret直径的测定与分析，研究了冻融交替后0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm 3个土层以及田间季节性冻融环刀、室内模拟冻融CT扫描和室内模拟冻融SEM3种方式下黑土结构特征的变化规律。结果表明：冻融交替能够对不同土层和不同尺度的耕地黑土结构产生不同程度的影响。季节性冻融后，表层土壤容重升高，非毛管孔隙度和持水能力显著降低(P<0.05)，40—80 cm土层团聚体破坏率增加40.97%(P<0.05)，土壤抗蚀性有所削弱，120—160 cm土壤没有受到季节性冻融的显著影响。CT扫描尺度上，3个土层均以1—2 mm径级的孔隙数目为最多，形状也相对规则、接近圆形；冻融循环没有对表层土壤大孔隙结构产生影响，却能够显著降低40—80 cm土层范围内大孔隙面积以及Feret直径(P<0.05)。SEM扫描显示冻融后土壤表面粗糙度增加，颗粒松散、脱离，孔壁断裂，证明了冻融交替对土壤微结构的破坏作用；同时结合电子能谱的元素分析可知冻融交替能够改变土壤颗粒表面化学特征。

冻融交替; 土壤微结构; CT; SEM

冻融交替现象普遍存在于北半球中、高纬度地区及高海拔地区，是影响该区土壤生态的重要因素之一[1- 2]。能够较为强烈地影响土壤物理结构[3- 4]，进而改变土壤生物区系特征[5- 6]，越来越多的研究也表明冻融交替区是CO2和N2O等温室气体的重要释放源[7- 8]。同时，冻融交替对改善土壤环境起着积极的作用，能够调节土壤的紧实度[9]，释放有效养分，提高土壤的可耕性等[10]。但冻融交替也是改变土壤结构进而诱发土壤侵蚀的主要过程之一，尤其是在土壤下层存在冻层和滞水层的情况下[11- 14]。冻融循环对土壤结构与功能的影响极其复杂，迄今尚无共识的结论[15]。

我国黑土区主要分布在东北松嫩平原东部及北部的山前台地，每年经历6—8个月的季节性冻融，由于传统耕作方式和理念的限制，大部分耕地在漫长的冬季几乎为裸地，与免耕系统以及秸秆还田的耕地相比，冻融强度和频度有所增强，改变土壤结构，影响土壤侵蚀的发生发展规律[16]。20世纪90年代的研究表明，黑土区侵蚀沟沟头的溯源侵蚀速率为每年1 m左右，近年在典型黑土区个别侵蚀沟的前进速度可达12 m/a[17- 18]。张永光等指出黑土区初春融雪后地表裸露，在表层土壤解冻以及存在季节性冻土层的情况下，伴随降雨的共同作用是加剧黑土区侵蚀的主要原因[19]。胡刚等人也提出了黑土区“冬季坍塌沉积，春季降雨冲刷”的侵蚀模式[18]。除了表层土壤结构受冻融交替的影响之外，土体内部水分运移以及热量的动态变化也将影响下层土壤结构的变化，进而造成潜在的侵蚀风险[20]。然而关于东北黑土区冻融交替对土壤结构尤其是对微结构影响方面的研究至今却鲜有报道。

本研究采用野外季节性冻融交替以及室内模拟冻融循环相结合的方法，借助X射线计算机断层摄影(computerized tomography，CT)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)手段[21- 22]，以期实现冻融循环交替对不同深度和不同尺度黑土结构的研究，揭示季节性冻融对黑土结构的影响程度和规律，为黑土结构质量的演变以及土壤侵蚀机理方面的研究提供证据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验地点位于黑龙江省西北部克山县境内的克山农场 (48°12′ — 48°23′N, 125°8′ — 125°37′E)，属克拜漫川漫岗地带，海拔 240 — 340 m，平均坡度 3°。区域内土壤类型以粘化湿润均腐土占绝对优势，只在部分低洼处镶嵌分布少量的草甸土，属典型黑土区[23]。该区温带大陆性季风气候特征明显，年均气温0.9 ℃，≥10 ℃ 有效积温 2296.2 ℃，年均降水量501.7 mm，年均蒸发量 1329. 4 mm，无霜期115 d，土壤冻结期从10月中旬至翌年6月末，最大冻结深度可达 2.5 m。

1.2 样品采集与制备

为进一步证明和解释典型黑土区土壤结构对季节性冻融循环的相应规律，以及冻融交替对诱发沟蚀、加剧侵蚀沟发展的潜在影响，于2009年10月初，以黑龙江省克山农场13连队区内侵蚀沟为研究对象，沿着土壤剖面层次清晰的侵蚀沟壁，修整取样剖面。在0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm土层范围内用环刀(100 cm3)采集原状土样，在取样层内再进行机械法分层，每10 cm一层，各取3个环刀，每40 cm的取样层共计12个重复；并在采样点附近取非原状土，分别以供季节性冻融前水分物理性质以及团聚体破坏率的测定。同时采用自制内径和高分别为10 cm的有机玻璃管进行原装土柱的取样，每层重复取样3次，以供模拟冻融试验所用。将取于0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm范围内的有机玻璃管原状土柱浸泡(水面与有机玻璃管上沿平齐)在水中12 h进行饱和处理，然后将土柱取出平置于3 cm高的沙子层上自然渗水2 h，水分处理后将原状土柱样品置于自动循环低温冻融箱内(型号DRX-Ⅰ)进行冻融循环处理，循环次数为6次，每次冻融循环历时15 h，其中冻结时间为12 h，解冻时间为3 h，冻结最低温度为-20 ℃，解冻最高温度为5 ℃。从上至下，3个土层样品在进行冻融循环时的初始平均体积含水量依次为31.71%、34.36%和23.77%。于2010年6月末季节性冻融完全结束后，在侵蚀沟壁第一次采样点附近进行环刀原状土和非原状土取样，以供季节性冻融后水分物理性质以及团聚体破坏率的测定，团聚体破坏率(PAD0.25)= 100%×大于0.25 mm水稳团聚体(g)/大于0.25 mm风干团聚体(g)[24]。所采土样质地为粘壤土，pH为6.2，3个土层有机质和粘粒含量至上而下依次为6.5%、4.6%、2.4%和33.1%、39.1%、36.5%。

1.3 CT扫描与处理

1.3.1 CT扫描

试验采用的是黑龙江省中医药大学CT扫描中心，美国GE公司生产的Lightspeed16排螺旋CT扫描仪，空间分辨率为0.275 mm。扫描参数为：电压140 kV，电流60 mA，扫描间隔1.5 s，扫描层厚2 mm，窗宽(显示图像时所选用的CT值范围)和窗位(窗宽上、下限CT值的平均数)均为1300。对每个土柱样品进行横断面扫描，扫描位置为中心线1次，中心线两侧每隔10 mm扫描1次，各3次，共7次，以下数据的分析均采用7次扫描的平均结果。

1.3.2 图像处理

将原始的CT图像以*.JPG文件形式保存(图1A)，在Photoshop软件中将每一个横断面CT扫描图像切割成214×214像素的中心方块(图1B)，对应的实际边长为7.55 cm，仍以*.JPG文件形式保存。应用ImageTool3.0软件再次将图像转化为只有孔隙(黑色)和固体颗粒(白色)的灰度图像(图1C)。在转化过程中，首先对含有已知大小的大孔隙的原状土柱进行CT扫描，然后手动设定阈值(Processing → Threshold →Manual)，反复调试，直至图像中的孔隙直径与已知孔隙直径最相近为宜。在调试过程中发现，自动设定阈值(Processing → Threshold → Automatic)后的孔隙大小更接近已知孔隙，所以阈值采用自动设置法。阈值设定后，通过对已知孔隙直径的测量，设置度量单位(Setting → Calibrate Spatial Measurement)，作为图像定量处理的依据。

图1 灰度图像二值化处理Fig.1 Segmentation of gray-scale CT images

1.3.3 数据处理

通过ImageTool3.0软件的查找功能(Analysis→Find Objects→Automatic)和分析功能(Analyze Analysis→Object Analysis → Analyze)，获得每一个可以识别的孔隙的定量参数。以Feret直径(经过不规则物体的中心，任意方向每隔10°的36个直径平均值)为孔隙径级分类标准，选择孔隙数目、面积和成圆率(4πA/P2，式中A是孔隙面积；P是孔隙周长，成圆率为1时，孔隙为圆形)3个指标进一步对原状土柱内不同径级(<0.5 mm、0.5—1 mm、1—2 mm、2—5 mm和≥5 mm)孔隙的大小和形状进行分析。采用SPSS11.5进行统计分析。

1.4 SEM扫描与处理

模拟冻融循环前后，将土柱从有机玻璃管中小心推出，沿着自然纹理用手将土柱轻轻掰成约为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的土块，每个土块至少保证一个面的纹理自然，没有受到人为掰修过程的挤压。将修整好的土块放入瑞士BAL-TEC公司生产的SCD 005型离子溅射仪进行喷金处理，采用美国FEI公司生产的Quanta200型，附带 X 射线能谱仪的扫描电子显微镜观察不同土层冻融前后微形态特征。

2 结果与分析

2.1 季节性冻融后黑土剖面结构变化特征(田间环刀尺度)

季节性冻融对不同土层结构特征影响程度不同，0—40 cm范围内的土层经过一季的冻融循环总孔隙度显著降低，通过非毛管孔隙/毛管孔隙的比值以及毛管持水量的变化进一步可知，季节性冻融循环能够显著减少表层土壤的非毛管孔隙和毛管孔隙的比例，且非孔隙减小的幅度更大，虽然团聚体破坏率有所增加，但是差异未达显著水平。与表层土壤相比，40—80 cm范围内的土壤对季节性冻融更为敏感，容重在季节性冻融后显著降低，团聚体破坏率相对冻融前提高了40.97%(P<0.05)，由此可见季节性冻融削弱了该层土壤的抗蚀性。虽然总孔隙度、非毛管/毛管孔隙没有明显变化，但是饱和持水量和毛管持水量显著提高，这与该层粘粒含量高有关，增加了比表面积，持水能力增强。当土层深超过120 cm时，各水分物理性质指标以及大于0.25mm团聚体破坏率没有受到季节性冻融的显著影响。

表1 模拟冻融循环前后水分物理性质及团聚体破坏率

不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著，P<0.05. NCP / CP = Non capillary porosity / capillary porosity, PAD0.25=Percentage of aggregate (> 0.25mm) disruption.

2.2 模拟冻融循环条件下黑土孔隙结构变化特征(CT扫描尺度)

冻融循环后，表层0—40 cm范围土层的大孔隙结构没有发生明显变化，虽然孔隙数目、面积和Feret直径略有降低但并均未达到显著水平，成圆率略有增加，孔隙的形状更加不规则(表2)。与表层土壤不同，40—80 cm范围土层于冻融前后大孔隙数量几乎没有增减，孔隙形状也没有显著变化，但孔隙大小的变化差异明显，面积从冻融前的12.22 mm2减小至6.51 mm2，Feret直径则相应从2.31 mm降低至1.91 mm(P<0.05)。对于120—160 cm范围土层而言，冻融循环降低了大孔隙数目(P<0.05)，但对孔隙的大小和形状均无显著影响，与田间季节性冻融的结果一致(表1)。

表2 冻融前后孔隙平均参数的变化

不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著，P<0.05.

如表3所示，冻融循环对40—80 cm土层范围内各个径级的孔隙数目没有显著影响，但0—40 cm土层内≥5 mm的孔隙和120—160 cm土层内<1 mm的孔隙数目则有所减少(P<0.05)。1—5 mm的孔隙数目在全剖面范围内冻融循环前后均差异显著。同时发现，各个土层在冻融循环前后均是中间径级的孔隙数目较多，以1—2 mm的孔隙最多，>5 mm的孔隙最少。

表3 冻融前后各径级孔隙数目的变化

不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著，P<0.05

冻融循环对各个径级孔隙平均面积的影响如表4所示，仅有40—80 cm土层内1—2 mm和>5 mm的孔隙面积变化显著，分别较冻融循环以前降低了9.58%和42.19%(P<0.05)，对其他土层、其他径级的孔隙面积没有明显的影响，由此也进一步说明40—80 cm土层对季节性冻融交替的敏感程度与其上下土层相比，更为明显。

表4 冻融前后各径级孔隙平均面积的变化

不同大写字母表示同土层冻融前后差异显著，P<0.05

成圆率是表示不规则图形接近标准圆形的程度，成圆率越接近1说明不规则图形越近似圆形。由表5可知，冻融循环处理能够小幅度改变各个径级孔隙的成圆率，但是都没有达到显著水平，仅有表层1—2 mm的孔隙成圆率显著增加。同时发现，中间径级的孔隙成圆率较为接近1，以1—2 mm的孔隙形状最接近圆形，其次是0.5—1 mm径级的孔隙，较大径级和较小径级的孔隙成圆率与1的差值逐渐增加，说明其孔隙形状越来越不规则。

表5 冻融前后径级孔隙成圆率的变化

不同大写字母表示冻融前后差异显著，P<0.05

2.3 模拟冻融循环条件下黑土微形态变化特征(SEM扫描尺度)

由冻融前的SEM图像可以直观看出黑土剖面不同层次土壤的微结构，并且能够粗略判断黑土剖面粘土矿物的类型。0—40 cm表层土壤中清晰可见腐殖质与絮片状粘粒物质连成松散的团聚体和残存着的半分解有机质，腐殖质化较强(图2a)；次生粘土矿物主要以云母为主，并伴有原生石英的残存体(图2b，c)。冻融前纹理清晰，结构性、完整性好，模拟冻融循环6次以后，则出现明显的裂隙(图2d，e)，出现蜂窝状突起(图2e，f)，表面粗糙度增加，小骨骼颗粒较冻融前松散，并表现出脱离的迹象。

如图3所示，40—80 cm土层细骨骼颗粒排列紧密有序，细粒物质定向性不明显(图3b，c)，并伴有非常明显的片层状特征(图3a)，由此也印证了该层粘粒含量相对较高，比表面积大的特性。冻融循环后，土体表面出现纵横交错的裂隙(图3d，f)，同时也有疑似孔道的蜂窝状突起出现(图3f)并伴随骨骼颗粒的定向性趋势，有较细颗粒松散脱落或重新排列(图3)。

图2 冻融循环6次后0—40 cm 土层SEM 图像(a—c 为冻融前；d—f为冻融后)Fig.2 SEM images from 0—40 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles

图3 冻融循环6次后40—80 cm土层 SEM 图像(a—c 为冻融前；d—f为冻融后)Fig.3 SEM images from 40—80 cm before (a—c) and after (d—f) freeze and thaw cycles

如图4所示，120—160 cm 土层土壤骨骼颗粒排列更加紧密(图4a)，絮凝状特征明显并伴有团聚形体的块体出现(图4c)，由于更靠近发育母质，次生矿物和原生矿物结构清晰可见(图4b)。冻融循环6次以后，絮凝状表面被破坏(图4d)，孔道增加，孔壁粗糙(图4e)，有明显断裂和重新排列的特征(图4f)。

通过进一步分析对季节性冻融交替最为敏感的40—80 cm土层范围内各元素组成比例的变化可知(图5)，冻融循环并没有对土壤颗粒表面C元素的含量产生影响，由于典型黑土剖面通体Ca含量较少，也没有在冻融前后发生变化，但其他阳离子含量在冻融循环6次以后均有不同程度的增加，其中以Fe元素增加的幅度为最大，各种阳离子总增加量等于氧元素含量的降低量。氧元素与Si、Al、Fe、Mg等元素在土壤层状硅酸盐粘土矿物和粘粒氧化物中的组合、结构决定着粘粒矿物的类型、表面活性等一系列主要性质。在各种阳离子与O2-阴离子键结合成的硅酸盐和氧化物矿物的结构里，阳离子都是填充在O2-阴离子的间隙之中[25]，因此，氧元素以及其他元素含量的变化可以作为冻融循环改变土壤微结构和土壤颗粒表面化学特征的间接证据。

图5 模拟冻融前后40—80 cm土壤元素组成的变化Fig.5 Element change from 40—80 cm before and after freeze and thaw cycles

3 讨论与结论

冻融交替能够对不同深度和不同尺度的耕地黑土结构产生不同程度的影响。季节性冻融后，田间表层(0—40 cm)土壤总孔隙度显著减少，且非毛管孔隙减小的幅度较大，持水能力迅速减弱；这与温美丽以及笔者前期的研究结果一致，即多次冻融循环能够使疏松的黑土土壤结构变紧实，同时使紧实的黑土土壤结构变得疏松，使土壤容重趋于一致[26- 27]。40—80 cm土层的土壤孔隙没有显著变化，但是团聚体破坏率大幅降低，土壤抗蚀性有所削弱；这可能与该层粘粒含量有关系，Zhao等在相同区域的研究结果表明，相对表层土壤和1 m以下的土层而言，50—70 cm粘化层土壤对季节性冻融响应最为强烈，无论是坡上还是坡下，团聚体破坏率均在冻融前后发生了显著的变化[28]。而120—160 cm土层的孔隙结构以及团聚体破坏率没有受到季节性冻融的显著影响，这与农田黑土水分动态的垂直变化有关。由于冻结过程中土壤水分在垂直方向上的再分配，1 m以内的土壤含水量和持水能力会发生较大的变化，而120—200 cm或者更深的土层，常年保持湿润状态，土壤体积含水量的增减不超过6%—7%，主要受土壤母质的物理作用力控制，受生物-气候因素的影响较小[29- 30]。

模拟冻融循环后，CT扫描尺度上， 40—80 cm土层的平均孔隙面积显著降低，这与田间尺度的研究结果相吻合，也是导致季节性冻融后黑土垂直剖面心土层滞水的原因[30- 31]。120—160 cm土层的平均孔隙大小与形状同样没有受到冻融循环的显著影响，这可能与样品本身的孔隙度小、含水量低有关系；在同一冻融温差下，低含水量土壤经过冻融循环后孔隙结构的变化较小[32]。3个土层范围内虽然随着孔隙径级的增大，相应的孔隙面积也逐渐增加，但是却以中间径级1—2 mm孔隙数目最多，形状也最规则、接近圆形，随着孔隙径级的增大或者减小，孔隙数目和面积逐渐减少，这个径级的孔隙可能是冻融过程中水分垂直运移的主要通道。SEM扫描尺度上，冻融前3个土层的土壤微结构纹理清晰，结构性、完整性好，冻融后表面粗糙度增加，出现蜂窝状突起，并伴有小骨骼颗粒松散、脱离的现象，也有明显的孔壁断裂和重新排列的特征；虽然不能量化SEM扫描的结果，但是结合40—80 cm土层的能谱分析中氧元素以及其他阳离子含量的变化，可以间接证明冻融循环对土壤微结构和土壤颗粒表面化学特征的影响。黑土区粘土矿物以2∶1型的蒙脱石为主，胀缩性大，冻融过程中随着水分的进出，晶层胀缩、晶格开放，粘土矿物吸附的阳离子暴露，致使在能谱分析时更易捕获，表现出较高的含量。但冻融循环是否能够破坏粘土矿物晶格的基本构型，还需从土壤化学和矿物学的角度进行深入研究。

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Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales

WANG Enheng, ZHAO Yusen, XIA Xiangyou, CHEN Xiangwei*

NortheastForestryUniversity,CollegeofForestry,Harbin150040,China

Alternating freezing and thawing is a critical factor associated with soil structure change and accelerates soil erosion in the black soil region of Northeast China. Based on the soils sampled from fields of the black soil region, the effects of freeze-thaw cycles on soil structure at different soil depths (0—40 cm, 40—80 cm, 120—160 cm) and size scales (field core sampling scale of seasonal freeze-thaw cycles, computerized tomography [CT] scale of artificial freeze-thaw cycles, and scanning electron microscope [SEM] scale of artificial freeze-thaw cycles) were studied. We measured and analyzed the hydro-physical properties, percentage of aggregate disruption (PAD), pore number, pore area, pore roundness, and Feret diameter of pores in the field and lab by using CT and SEM methods. Results showed that: freeze and thaw alternation affected black soil structure from different soil depths and different size scales both in seasonal field condition and artificial freeze and thaw cycles condition. At the scale of seasonal freeze-thaw cycles, bulk density of top soil (0—40 cm) increased, total porosity decreased significantly, with non capillary porosity decreasing dramatically. Water holding capacity decreased consequently(P<0.05). Within the soil depth of 40—80 cm, bulk density and porosity did not change significantly, but PAD increased by 40.97%(P<0.05)resulting in weak erosion resistance. Hydro-physical properties and aggregate breakdown characterization of soils in the depth range of 120—160 cm were not changed significantly by seasonal freeze and thaw cycles. At the size scale of CT, the alternation did not change the characterization of macro pores in 0—40 cm but significantly reduced the average pore area, roundness and diameter after freeze and thaw cycles. While the average area and diameter decreased significantly in the 40—80 cm depth, this might result in poor infiltration and water movement to the subsoil. Pore area of 1—2 mm and >5 mm decreased 9.58% and 42.19% (P<0.05), respectively. Structure of soils from 120—160 cm underwent by artificial freeze-thaw cycles showed similar results as field scale did, were not affected significantly by alternate artificial freeze and thaw cycles. The number of pores with diameter between 1 and 2 mm was predominant the pore size distribution through three soil depths. At the scale of SEM, the roughness of the soil surface and alveolate cells were significantly increased; we also observed micro-aggregate displacement and rearrangement, and disruption of the pore walls. Integrating electron spectroscopy results of 40—80 cm depths, carbon and calcium did not change after 6 freezing and thawing cycles, but oxygen group elements decreased. Magnesium, silicon, aluminum, potassium and iron elements increased to different degrees, and the total increment equaled to the decrease quantity of oxygen group element. The packing arrangement of oxygen group elements and metallic oxide are the key factors to determine the type and surface chemistry of soil clay minerals, so the amount of change in oxygen group and other elements gives indirect evidence that freeze and thaw cycles can affect soil microstructure. But to determine whether or not freeze and thaw cycles would change the crystal lattice structure of clay minerals, further research will be needed and must be approached from the view of soil chemistry and minerology.

Freeze-thaw cycles; Soil microstructure; CT; SEM

国家自然科学基金项目(41271293)；国家自然科学青年科学基金项目(41302222)资助

2013- 07- 03;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201307031829

*通讯作者Corresponding author.E-mail: chenxwnefu@163.com

王恩姮，赵雨森，夏祥友，陈祥伟.冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征.生态学报,2014,34(21):6287- 6296.

Wang E H, Zhao Y S, Xia X Y, Chen X W.Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):d.