中国典型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙特征的定量关系

彭 珏，陈家赢，王军光，蔡崇法

中国典型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙特征的定量关系

彭 珏，陈家赢，王军光※，蔡崇法

（华中农业大学水土保持研究中心，农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉 430070）

团聚体结构和稳定性关系着一系列土壤过程。为探明不同类型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙结构变化规律及二者关系，该研究以中国温带与亚热带地区5种地带性土壤（黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤）为研究对象，结合CT扫描、湿筛法和Le Bissonnais（LB）法，量化孔隙结构，测定各地带性土壤团聚体平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）。结果表明：团聚体水稳性受到土壤类型和土层深度的综合影响，从大到小依次为黄褐土、褐土、棕壤、黑土和红壤；基于LB法测定的团聚体平均质量直径排序为MWDsw（慢速湿润）>MWDws（预湿润震荡）>MWDfw（快速湿润），即5种团聚体的主要破碎机制是快速湿润引起的消散作用；5种地带性土壤团聚体不同当量直径孔隙度由北至南呈“U”型变化，且这种变化程度随土层深度增加而减弱；团聚体孔隙大小均以30～<75m孔隙为主，孔隙形状以细长型孔隙为主。细长型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趋势，不规则型和规则型孔隙度变化趋势相反；偏最小二乘回归表明，规则型孔隙度、孔隙平均形状因子、75～100m孔隙度和细长型孔隙度与团聚体水稳性显著相关，细长型孔隙起正向作用；规则型孔隙、细长型孔隙、75～100m孔隙度和>100m孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。研究结果有助于加深土壤团聚体与孔隙特征关系的认识，从而更好地揭示土壤过程作用机制。

团聚体；土壤；孔隙；稳定性；结构；地带性

0 引 言

土壤结构是土壤水气和养分贮存运输的场所[1]，健康的土壤结构可以有效提升土壤肥力，促进作物高产。土壤结构愈稳定，土体坍塌的可能性愈小，也越利于阻控水土流失。团聚体是土壤结构和功能的基本单元。团聚体稳定性决定了团聚体破碎的程度和可能性，影响着土壤的通气性、透水性和抗蚀性，是衡量土壤结构稳定性的一个重要指标[2-3]。研究指出，土壤团聚体稳定性越大，抗蚀性能越佳，在侵蚀过程中形成沉积性结皮的概率越低，侵蚀泥沙粒径更大[4]。地表结皮的结构特性会对土壤侵蚀过程和坡面流水力学特性产生影响[5]。因此，认识团聚体稳定性机理对于调控土壤功能具有重要意义。

团聚体稳定性是多因素综合作用的结果，主要包括土壤自身性质（机械组成、成土母质、土壤质地、矿物组成、胶结物质类型和数量分布）、气候环境（干湿交替、冻融循环）、生物性质（动植物、微生物分解）、人为作用（土地管理和耕作措施）[6-7]。其中，土壤性质可以直接影响团聚体稳定性，其他因素往往通过改变土壤性质来间接调控团聚体稳定性变化的方向与强度。已有研究表明，团聚体稳定性受胶结物质和孔隙结构共同影响[8-11]。稳定性强的大团聚体的形成主要依靠有机质的胶结作用[12]。铁铝氧化物与有机质形成的有机-无机复合体是团聚体形成和稳定的基础[6]。孔隙大小、数量、体积和弯曲度均会影响团聚体在消散作用和机械外力下的破碎程度[13-14]。团聚体的脆性破坏主要由裂隙逐渐发展导致土体强度突然减弱引起的，与孔隙分布、连通性和空间各向异性密切相关[15-17]。第四纪红黏土发育红壤的团聚体稳定性随着超微孔隙（0.1～5m）的增加而增大[9]。Menon等[10]通过X射线显微断层扫描技术提取了耕地、草地和林地的团聚体孔径大小分布，发现草地与林地团聚体表现更为稳定，且其孔隙分布在水中持续浸没后无明显变化，证明稳定的孔隙结构具有容纳水气储存和运输的弹性，使团聚体不易发生结构性破坏。同时，土壤孔隙还可以通过胶结物质间接对团聚体稳定性造成影响。Wu等[18]分析了亚热带强风化土壤，指出土壤胶结物质和孔隙特征间存在显著的交互作用，非晶态铁氧化物与超微孔隙的结合对团聚体稳定性影响更为显著。

在气候与地形的综合影响下，水热条件由北至南逐渐变化，中国土壤呈纬度地带性分布，土壤风化程度逐渐增强，土壤类型具有多样性。尽管孔隙结构的复杂性决定了团聚体稳定性的变化，但关于不同类型地带性土壤孔隙结构特征与团聚体稳定性关系方面的研究仍存在局限。鉴于此，本文根据土壤发生学，选取中国温带与亚热带地区质地接近、发育程度不同的地带性土壤（黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤）为研究对象，综合同步辐射显微计算机断层扫描（Synchrotron-based X-ray Micro-computed Tomography，SR-μCT)、湿筛法和Le Bissonnais 法（LB），分析了不同类型地带性土壤团聚体孔隙结构特点及团聚体稳定性，探讨孔隙结构对团聚体稳定性的影响机制，以期为完善土壤结构形成、稳定和变化机理，深入理解土壤过程和功能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国东亚季风气候区，受气候影响，该区土壤呈纬度地带性分布，由北至南土壤类型依次为黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤。黑土样点位于黑龙江省海伦市（47º43'N、126º49'E），属温带大陆性季风气候，四季分明，降水集中，年均气温2 ℃，年均降水量550 mm，地形为低丘缓岗，成土母质为第四纪更新世的黏质黄土；棕壤样点位于辽宁省沈阳市（41º89'N、113º58'E），属温带半湿润大陆性季风气候，年均气温7.9 ℃，年均降水量716.2 mm，降水集中在夏季，温差较大，地形为岗地，成土母质为第四纪更新世的黏质黄土；褐土样点位于河南省洛阳市（34º45'N、112º37'E），属暖温带亚湿润季风气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷少雨雪，年均气温14.86 ℃，年均降水量578.2 mm，地形为岗地为主，成土母质为马兰黄土。黄褐土样点位于湖北省襄阳市（32º10'N、112º14'E），属北亚热带季风气候，年均气温15.0 ℃，年均降水量828 mm，地形为岗地丘陵，成土母质为第四纪更新统黄土母质（下蜀黄土）；红壤样点位于湖南省长沙市（28º41'N、114º15'E），属中亚热带湿热季风气候，年均气温16.8 ℃，年均降水量1 361 mm，地势以丘陵为主，成土母质为第四纪红黏土。

表1 采样点基本信息

1.2 样品采集

本文采样点均为未扰动多年生林地。采样时间为2019年7月。土壤按其发生层次采集淋溶层（A）、淀积层（B）和母质层（C）。淋溶层土壤按照“S”形进行采集，下层土壤在挖取的典型剖面上采集。在选定50 m×50 m区域内随机选取10个小地块进行采样，后将样品混合均匀装袋，以减小同一土样间的差异与人为主观因素的干扰。所取土样部分过10 mm筛进行团聚体稳定性测定。对用于CT扫描的土壤团聚体的制备，应选择较大土块并用特制塑料盒密封运回实验室，以减少孔隙结构在运输过程中的破坏，并于干燥阴凉处自然风干后沿脆弱带轻轻掰开过3～5 mm筛。剩余土壤需保存备用。

1.3 分析方法与指标计算

1.3.1 团聚体稳定性

团聚体稳定性综合参考干筛、湿筛法和LB法[19-20]。干筛法通过四分法称取500 g原状土，于5、2、1、0.5和0.25 mm套筛上进行土样分级，根据比例配成50 g样品，用于后续湿筛法。湿筛法通过团聚体分析仪进行，将土样置于分析仪套筛（筛孔直径5、2、1、0.5、0.25 mm）顶部，震荡分级后将各筛层团聚体分别洗入烧杯，并于105 ℃烘箱中烘干，称取各级团聚体质量。LB法测定首先需将3～5 mm风干团聚体置于40 ℃烘箱内烘干24 h以统一各样品初始含水率，后分别称取5 g团聚体，进行快速湿润（模拟暴雨条件下团聚体的消散过程）、慢速湿润（模拟土壤不均匀膨胀对团聚体的破坏作用）、预湿润振荡（模拟机械外力对团聚体的破坏作用）3种处理[21]，分别用FW、SW、WS表示。各处理后的团聚体需烘干，过2、1、0.5、0.25、0.10、0.05 mm筛，称取各级团聚体质量。以上试验重复3次。

平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）表征团聚体稳定性。MWDdry和MWDwet分别为干筛和湿筛条件下的MWD。相对消散指数（Relative Slaking Index，RSI）和相对机械破碎指数（Relative Mechanical Breakdown Index，RMI）表征团聚体破碎机制。RSI和RMI越大，团聚体稳定性越差[22]。

式中r为第个筛的孔径，mm；0=1，r=r+1；m为第个筛上的破碎团聚体百分比，%；为筛子的数量，=7。

式中MWDfw、MWDsw和MWDws分别为在快速湿润、慢速湿润和机械震荡条件下的MWD。

1.3.2 CT扫描与处理

CT装置为天津三英精密仪器股份有限公司的Geoscan 200 CT scanner。由于束流时间的限制，每个处理随机选择3个3～5 mm近球形团聚体样品进行扫描。设备光子能量100 keV，曝光时间0.33 s，分辨率5.95m（、、轴一致）。每次扫描约采集2 000张图像切片，利用天津三英 CT Program 软件进行图像重建，采用背投影算法重建获得约800张大小为1 052×1 052像素的团聚体图片序列，再将其转存为8位tiff格式的灰度图像，灰度值范围为0～255。

团聚体三维孔隙结构的可视化及孔隙指标的定量化在Image J软件中完成[23]。为避免边缘效应，选取团聚体中间部分500×500×500体元区域作为特征域进行图像分析。之后对图像进行归一化、去噪、平滑、阈值分割。处理后各土壤团聚体三维可视化结果见图1。孔隙度、孔隙大小分布、孔隙数量通过插件3D object counter计算得到。参考Ma等[15]将孔隙当量直径划分为4个等级：<30、30～<75、75～100和>100m。根据孔隙形状系数（）将孔隙形状分为：规则型（≥0.5），不规则型（0.2<<0.5）和细长型（≤0.2）。值为孔隙等体积球体表面积与孔隙实测表面积比值，值越小，孔隙形状越不规则，值越接近1，孔隙形状越接近球体[24]。

注：长方体内绿色部分为孔隙，黑色部分为土壤基质。

1.4 数据分析

所有图通过Origin 2021生成，数据统计分析均在SPSS 25.0上进行。不同土壤类型和不同土层间的显著差异利用双因素方差分析法确定（<0.05），并用Duncan法进行多重比较。团聚体稳定性指标与孔隙特征指标的相关性分析采用Pearson法进行评价，显著性水平为0.05和0.01。选用多元逐步回归和偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression，PLSR）进行变量的筛选。判断变量进入逐步回归模型和移除的显著性水平分别为0.05和0.01。在PLSR模型中，利用模型拟合度2（模型对的拟合度）来提取每个模型中适当的成分个数，当模型中所有主成分的2>0.5，模型预测性较为可靠[25]。变量投影重要性指标（Variable Importance In Projection，VIP）和回归系数（Regression Coefficient，RCS）用来评价团聚体孔隙特征对团聚体稳定性的作用效果，VIP用于衡量自变量对因变量的解释能力，RCS用于解释自变量对因变量的作用方向和强度[26]。VIP>1，表明自变量对因变量的解释作用最强，VIP=1说明作用相等，VIP介于0.5～1表明作用一般，VIP<0.5表明无作用。若VIP<0.8，代表该变量对模型的贡献较小。

2 结果与分析

2.1 地带性团聚体稳定性与破碎机制

团聚体稳定性受土壤类型和土壤层次综合作用影响。MWD常作为土壤团聚体状况的指标，其值越大表示团聚体稳定性越强[27]。MWDdry变化范围为2.88～4.75 mm（图2）。除棕壤和褐土外，MWDdry随土层深度逐渐增加；各土壤MWDwet明显低于MWDdry，MWDwet变化范围为0.18～1.57 mm，各类型土壤团聚体水稳性均随土层深度增加而逐渐减小，与MWDdry变化趋势相反。从黑土到黄褐土，MWDwet逐渐减小，在红壤中达到最大值。在所有土壤层次中，红壤淋溶层MWDwet最高（1.49 mm），黄褐土母质层MWDwet值最低（0.19 mm）。

注：A代表淋溶层，B代表淀积层，C代表母质层。

由图3可知，供试土样在不同处理下团聚体稳定性差异显著，由大至小依次为慢速湿润、预湿润震荡、快速湿润，说明消散作用和机械破坏作用是5种土壤团聚体的主要破碎机制。MWDfw变化范围为0.32～1.39 mm，在3个预处理中最小，即5种地带性土壤团聚体对快速湿润的敏感性最大。除红壤外，其余土壤MWDfw均随土层深度增大而减小，而红壤母质层MWDfw高于淀积层。自北（黑土）向南（红壤），MWDfw先减小后增大，其中褐土和黄褐土稳定性最差，红壤最高；MWDsw变化范围为0.73～1.98 mm，在5个预处理中最大，即5种地带性土壤团聚体对慢速湿润的敏感性最小。自北向南，MWDsw变化趋势与MWDfw相似。根据土层深度，MWDsw由大到小表现为淋溶层、淀积层和母质层，但棕壤不同（母质层MWDsw高于淀积层）。对比各层次土壤MWDsw，黄褐土母质层MWDsw最小，红壤淋溶层表现最佳；MWDws变化范围为0.35～1.79 mm，团聚体对预湿润震荡的敏感性居中。所有土壤中，黄褐土MWDws最低，为0.32～0.73 mm；黑土、红壤团聚体稳定性较高，分别为0.99～1.48和1.19～1.74 mm。MWDws大体上自北向南逐渐减小后增大。5种土壤MWDws从大到小均按照淋溶层、淀积层、母质层的顺序排列。总体上，各类土壤在3种预处理下的团聚体 MWD 自北向南逐渐减小后增大，随土壤层次的增大而减小。

a. 快速湿润a. Fast Wetting (FW)b.慢速湿润b. Slow Wetting (SW)c. 预湿润震荡c.Pre-wetting and Stirring (WS)

RSI和RMI代表了团聚体破碎程度的大小，团聚体破碎程度随二者值升高而增大。由图4可知，RSI普遍大于RMI，说明机械破坏作用对团聚体破碎程度的影响普遍低于消散作用。RSI和RMI从黑土到红壤整体上呈逐渐增加后减小的趋势（10.73%～56.43%），说明团聚体抵抗消散和破碎的能力自北向南逐渐减小后增大。褐土和黄褐土RMI明显高于其他土壤，表明其对机械破碎作用更为敏感。就层次而言，除棕壤和褐土外，淋溶层RSI和RMI高于母质层和淀积层，棕壤和褐土表现为淀积层RSI和RMI相对其他层次较小，红壤表现相反。

2.2 土壤团聚体孔隙特征分析

团聚体孔隙结构特征的量化结果见表2。受分辨率的限制，本文中总孔隙度均指>5.95m的孔隙。结果显示，除黄褐土外，其余土壤团聚体的总孔隙度均随土层深度增加而减少，黑土淋溶层最高（20.67%），大部分土层孔隙度低于10%。孔隙数量表现为黄褐土淋溶层最低（1 749），黑土淋溶层最高（8 264），且随土层深度增加而减少。黄褐土团聚体总孔隙度和孔隙平均当量直径较另四种土壤团聚体差异显著（<0.05），存在明显粗长孔隙，可能与其原生土壤颗粒的排列方式和土壤中黏土矿物有关。团聚体孔隙大小分布在五种土壤中均以30～75m孔隙为主，其次为>100m孔隙和<30m孔隙。而黄褐土团聚体以>100m孔隙为主，这可能与土壤在风化过程中产生的长条状孔隙和不规则孔隙发展成大孔隙有关。整体上，不同当量直径孔隙度自北向南呈先降低后增加的“U”型变化趋势，淋溶层尤为明显，且此种规律性变化程度随土层深度增加而逐渐减弱。

图4 不同类型土壤团聚体相对消散指数（RSI）和相对机械破碎指数（RMI）

了解土壤孔隙的形态特征利于深入理解孔隙形状对土壤持水能力的作用[28]。根据表2结果，各类型土壤团聚体孔隙形状以细长型孔隙为主，其次为不规则型孔隙和规则型孔隙。细长型孔隙自北向南先下降后上升，规则型和规则型孔隙变化趋势相反。随着土层深度的增加，细长型孔隙比例逐渐减小，规则型孔隙和不规则型孔隙比例逐渐增加。

2.3 团聚体孔隙特征与团聚体稳定性的定量关系

土壤团聚体稳定性与团聚体孔隙特征间的相关关系见图5。结果显示，MWDdry与孔隙数量呈显著负相关（<0.05），与>100m孔隙度和规则型孔隙度呈极显著负相关（<0.01）。总体上，MWDdry与孔隙特征间联系较小。MWDwet不同，整体与孔隙特征间存在较强的相关性，其中，与总孔隙度、孔隙数量、细长型孔隙度及不同当量直径下孔隙度间呈极显著正相关，与孔隙平均当量直径、规则型孔隙度、不规则型孔隙度间呈显著负相关（<0.01）。MWDwet与细长型孔隙度关系最密切。LB法处理下团聚体稳定性（MWDsw、 MWDws和MWDfw）与总孔隙度、孔隙数量、孔隙形态及不同当量直径下孔隙度间有密切联系。其中与总孔隙度、孔隙数量、细长型孔隙度、<30m孔隙度、30～<75m孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度呈极显著正相关，与规则型孔隙度、不规则型孔隙度呈极显著负相关（<0.01）。综合所有指标，MWDfw与规则型孔隙度和细长型孔隙度间关系最密切（作用方向相反），其次为>100m孔隙度。MWDsw与细长型孔隙度和>100m孔隙度间具有最密切的正相关关系（<0.01）。MWDws与细长型孔隙度关系最密切。

表2 不同类型地带性土壤团聚体孔隙结构特征参数

注：大写字母不同表示不同类型土壤间存在显著差异（<0.05），小写字母不同表示土壤不同层次之间存在显著差异（<0.05）。

Note: Different capital letters indicate that there are significant differences between different types of soil (<0.05), and different lowercase letters indicate that there are significant differences between different layers of soil (<0.05).

本文将11个孔隙特征参数作为自变量，5个团聚体稳定性指标作为因变量，利用PLSR法探讨孔隙结构特征对团聚体稳定性的具体影响。不同处理下的团聚体稳定性选取的最优成分见表3。其中，MWDdry不论选择几个成分，2与调整后2仍小于0.5，可见MWDdry与孔隙结构指标的拟合度不高，模型不成立。MWDwet和LB法处理下的MWD与孔隙特征拟合度较高（所有2与2均大于0.5），符合相关性结果，故于后续分析中只选取这些处理下的团聚体稳定性进行描述。

表3 团聚体稳定性偏最小二乘模型概述

注：MWDdry、MWDwet、MWDfw、MWDsw和MWDws分别表示在干筛、湿筛、快速湿润、慢速湿润和预湿润震荡处理下的土壤团聚体平均重量直径。

表4列出了4个因变量的VIP和RCS。MWDwet模型中VIP>1的孔隙特征参数为规则型孔隙度、孔隙平均形状因子、75～100m孔隙度和细长型孔隙度，说明这些孔隙参数与团聚体水稳性的相关性显著。总孔隙度、30～<75m孔隙度和>100m孔隙度VIP介于0.8～1之间，表明其对团聚体水稳性影响较为重要。根据RCS，总孔隙度、孔隙数量、细长型孔隙度、<30m孔隙度、30～75m孔隙度和>100m孔隙度与团聚体水稳性间呈正相关，团聚体遇水不轻易分散，团聚结构不容易破碎。MWDfw模型VIP>1的有规则型孔隙度、细长型孔隙度和<75～100m孔隙度，证明其对MWDfw有显著影响。结合RCS，发现细长型孔隙度、<30m孔隙度、>100m孔隙度、孔隙平均当量直径和孔隙数量对MWDfw有积极影响，即这些孔隙特征参数在快速湿润条件下与团聚体稳定性相关性好，其余孔隙指标作用相反。MWDsw模型VIP>1的孔隙参数有规则型孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度，即这3个孔隙特征参数对MWDsw有显著影响。结合RCS，孔隙平均当量直径、孔隙数量、细长型孔隙度和>100m孔隙度可以促进慢速湿润处理下的团聚体稳定性，即提高团聚体在发生不均匀膨胀情况时的稳定性。MWDws模型VIP>1的孔隙参数为规则型孔隙度、75～100m孔隙度、>100m孔隙度和细长型孔隙度，证明以上孔隙特征参数对MWDws影响最为重要。孔隙平均当量直径、细长型孔隙度、>100m孔隙度和孔隙数量与预湿润震荡条件下的团聚体稳定性间呈正比，表明这4个孔隙参数在团聚体发生机械破碎条件下可以更好地表征团聚体稳定性。

表4 团聚体稳定性的回归系数值与变量投影重要性

3 讨 论

湿筛法结果可以反映团聚体水稳性，是最为常见的团聚体稳定性测定方法。本文中5种土壤团聚体MWDwet均随土层深度增加而递减，这与表层土壤直接与植被接触有关。发达的植物根系和枯枝落叶层的分解可以促进有机质的累积。有机质通过增加土壤斥水性和黏聚力来提高团聚体稳定性[29]。而下层土壤性质主要取决于土壤母质本身，有机质含量低，团聚体稳定性主要受土壤质地和氧化物的影响。从黑土到红壤，MWDwet呈先降低后增加的趋势。黑土与红壤MWDwet较高，黄褐土最低，这与赵玉明等[30]研究结果一致。黑土在温带气候条件下生物量大，低温条件限制了微生物对有机物的分解，使得黑土腐殖质累积强度增大，利于土粒胶结。强烈的淋溶作用致红壤高度发育，易形成结晶良好的铁铝氧化物。土壤中的铁铝氧化物一方面可以充当键桥结合黏粒，产生较难分散的团聚体[31]；另一方面可呈胶膜状包被在土粒表面，增大胶结作用，使得胶膜状态改变后的团聚体水稳性更高。黄褐土水稳性最低，这可能与其黏土矿物组成中的蛭石有关，蛭石在湿润状态下可以通过水化膨胀作用来降低团聚体稳定性。

传统的湿筛法将所有破碎机制囊括其中，多用于土壤全样的团聚体稳定性评价，但难以判断团聚体发生破碎的主要机制。LB法克服了此缺点，可以很好地将消散作用、机械破碎作用及黏粒不均匀胀缩进行区分[32]。通过LB法测定的土壤团聚体的MWD由大至小依次为MWDsw、MWDws、MWDfw，可见快速湿润使得团聚体内气体爆破导致的消散作用与外界应力引起的机械破碎作用是团聚体破碎的主要原因，此结果与Ma等[15]一致。原因在于快速湿润条件下，水分可以迅速的入侵团聚体并占据其内部孔隙空间，存在于孔隙中的空气因容纳空间减小而向团聚体外逃逸，并于此过程中对团聚体产生压力，当此压力超过团聚体可承受范围，团聚体便会发生“气爆”。与此同时，土壤颗粒间胶结作用因水分进入而减弱，进一步导致团聚体破裂。而团聚体在预湿润震荡条件下，受乙醇影响，破碎仅与机械外力（震荡、摇晃）产生的破坏作用有关，故消散作用对团聚体的破坏力最强[32]。综合LB法的团聚体稳定性测定结果发现，5种土壤团聚体MWD大体上均呈先降低后增加的趋势，这是因为自北向南土壤中高岭石含量逐渐增加，而2∶1型黏土矿物含量（蛭石和水云母）逐渐降低，导致了MWD的变化。然而针对特定土壤，其他学者表示持不同观点。梁春林等[33]认为基于黑土黏土矿物易吸水膨胀与机械破坏作用不如团聚体胶结作用强度等因素，可能导致MWDsw小于MWDws。

团聚体稳定性取决于胶结物质数量和类型、孔隙结构发育特征及二者间的交互用。根据孔隙特征参数与团聚体稳定性指标的相关性分析结果可知，孔隙度、孔隙数量、细长型孔隙度与团聚体稳定性间呈正相关关系。这与赵冬[34]的结论一致，其结果表明，在一定范围内，团聚体孔隙度越大，团聚体通透性越佳，团聚体稳定性随之提高。同时，快速湿润条件下，团聚体孔隙度的大小决定了能够容纳迅速进入团聚体内部的空气体积，增加孔隙体积与连通性或减缓湿润速率可以降低团聚体内部空气达到饱和的速率，减小孔隙膨胀压力，进而提高团聚体稳定性[35]。研究表明，孔隙有机质含量越高的土壤，孔隙更为稳固，而低有机质的土壤中的新生孔隙较为不稳定[8]。有机质可以促进团聚体中小孔隙的相互融合以及建立团聚体的拒水性来降低水的润湿作用[36]，进而减小孔隙内部气体所受压力，使空气在团聚体所能承载压强范围内缓慢释放，间接提高团聚体的稳定性，故有机质含量高的土壤（黑土、棕壤）团聚体稳定性相对更高。而一些学者持不同观点，王文刚等[37]认为团聚体水稳性随冻融循环次数增加而下降的主要原因在于土壤孔隙丰度的增大。梁春林等[33]探讨了表层与亚表层黑土于不同破碎机制下团聚体稳定性与土壤孔隙率的关系，发现土壤孔隙率与 MWDfw、MWDsw和MWDst均呈显著负相关关系（0.05）。究其原因在于不同类型土壤于不同外界环境下所遭受的侵蚀类型具有差异。黑土孔隙度的增加是在冻融作用影响下产生的，冰晶的冻胀导致土壤孔隙结构的不可逆变形，导致团聚体水稳性的下降[38]。在红壤中，高含量的铁铝氧化物起主要胶结作用，通过其较大的比表面积和表面电荷来粘结反应性弱的土壤颗粒，从而增大团聚体孔隙度，同时由于非膨胀性黏土矿物（如高岭石）的存在，使得红壤团聚体在水中不易消散[39]，故红壤团聚体孔隙度与水稳性成正比关系。黄褐土在风化过程中易形成裂隙，在团聚体尺度上则表现为存在较多不规则、细长状孔隙，但总孔隙度少。黄褐土黏土矿物类型主要为2∶1型，此类矿物具有较强的膨胀收缩特征，利于团聚体中细长孔隙的发育[11]，也易发生水化作用从而减弱土壤颗粒间的黏结力，故黄褐土团聚体总孔隙度小，团聚体稳定性低。综合而言，土壤颗粒的排列方式和胶结物质对孔隙结构发育的贡献可能是导致孔隙度对团聚体稳定性影响存在差异的原因之一。因此，结合孔隙结构发育的原因来探究团聚体稳定性机制差异性是至关重要的。在不同破碎机制下，各项孔隙特征参数的VIP与RCS表现出不同的作用效果。除了规则型孔隙度、细长型孔隙度、75～100m孔隙度VIP在1以上，对团聚体稳定性影响显著。<75m孔隙度还对MWDwet和MWDfw起正向作用，对MWDsw和MWDws起负向作用。消散作用在前文中已被确认为主要破碎机制，故<75m孔隙度对MWDwet的正向作用是3种机制的综合作用结果。在气候条件、土壤类型和土层深度的影响下，孔隙特征参数对不同破碎机制下团聚体稳定性作用方向和强度存在差异。因此，针对导致不同模式下团聚体破坏机制与土壤团聚体孔隙结构特征间响应变化的更详尽的原因需进行进一步探究。

4 结 论

本文围绕中国温带与亚热带地区5种地带性土壤（黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤），开展了团聚体孔隙结构和稳定性研究，结论如下：

1）团聚体水稳性受到土壤类型和土层深度的综合影响，由小至大依次为黄褐土、褐土、棕壤、黑土和红壤；对于团聚体破碎机制，不同地带性土壤团聚体在不同预处理条件下稳定性存在差异，由大到小总体按照慢速湿润、预湿润震荡、快速湿润的顺序，说明消散作用和机械破坏作用是团聚体破碎的主要机制；由北至南，各地带性土壤团聚体抵抗消散和破碎的能力逐渐减小后增加，且消散作用对团聚体破坏程度的影响大于机械破坏作用。

2）各类土壤团聚体不同当量直径孔隙度由北至南呈“U”型变化，且这种变化趋势随土层深度增加而减弱；孔隙度和孔隙数量以黑土团聚体最高，黄褐土团聚体最低，随土层深度的增加孔隙度逐渐减少；5种地带性土壤团聚体孔隙均以30～<75m孔隙为主，其次为>100m孔隙和<30m孔隙，团聚体孔隙形状以细长型孔隙为主，其次为不规则型孔隙和规则型孔隙，细长型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趋势，不规则型和规则型孔隙度变化趋势相反。

3）规则型孔隙度、孔隙平均形状因子、75～100m孔隙度和细长型孔隙度与团聚体水稳性显著相关，细长型孔隙度起正向作用；规则型孔隙度、细长型孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。团聚体孔隙度越大，孔隙结构更为复杂，含有较多大孔隙的团聚体可抵抗更大的外界应力作用。

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Linking aggregate stability to the characteristics of pore structure in different soil types along a climatic gradient in China

Peng Jue, Chen Jiaying, Wang Junguang※, Cai Chongfa

((,,,430070,)

Aggregate structure and stability are related to a series of soil processes. However, it is still lacking in the microstructure and aggregate stability for the different types of zonal soil aggregates. In order to explore the changes of aggregate stability and pore structure for the different types of zonal soil aggregates and their relationship, this study aims to explore aggregate stability and its relevance to the pore structure characteristics in the different types of zonal soil. Five types of typical soils (Black, Brown, Cinnamon, Yellow-cinnamon, and Red soil) were selected as the research objects using geogenesis. The soil samples were collected separately from the Hailun (Heilongjiang), Shenyang (Liaoning), Luoyang (Henan), Xiangyang (Hubei), Changsha (Hunan), and Haikou (Hainan), according to the latitudinal direction zonality of soil distribution. The pore structure and MWD of aggregates were quantified using the CT scanning, wet sieving, and Le Bissonnais method..The results indicated that the water stability of aggregates was affected by the soil type and soil depth, and the values from low to high were Yellow-cinnamon soil, Cinnamon soil, Brown soil, Black soil and Red soil. The eluvial horizon in the Red soil was the highest (1.49 mm), and the parent material horizon in Yellow-cinnamon soil was the lowest (0.19 mm). The average mass diameter of the aggregates measured by LB method was ranked as MWDsw(slow wetting) >MWDws(shaking) >MWDfw(fast wetting), indicating that the dissipation and external mechanical failure were the main fragmentation mechanisms of aggregates. The resistance of soil aggregates to dissipation and fragmentation gradually decreased and then increased from north to south. Significant differences were found in the aggregate microstructure of different soil types. The porosity of the five zonal soil aggregates with different equivalent diameters showed a U-shaped variation from north to south, and the degree of variation decreased with the increase of soil depth. The total porosity and pore number were the highest for the Black soil aggregates and the lowest for the Yellow-cinnamon soil aggregates. The pore sizes in most aggregates were observed to be 30-<75m. However, the pores larger than 100m were dominated in the Yellow-cinnamon soil, which was connected with the original particle arrangement and the low content of cementing material in the soil. The aggregate pore morphology was dominated by elongated pores with a few regular and irregular pores. The elongated pores decreased first and then increased from north to south. By contrast, an opposite trend was found in the irregular and regular pores. The aggregates stability showed significant positive correlations with the total porosity, total pore numbers, elongated porosity, <30, 30-75, 75-100, and >100m porosity, while inversely correlated with the regular and irregular porosity (<0.01). Partial least squares regression (PLSR) showed that the water stability of aggregates was significantly correlated with the regular porosity,,mean pore shape factor, 75-100m porosity, and elongated porosity. The regular porosity, elongated porosity, 75-100m porosity and >100m porosity were proved to be the main controlling factors of MWDfw, MWDwsand MWDsw. These results will help to deepen the understanding of the relationship between soil aggregates and pore characteristics, and better reveal the mechanism of soil processes.

aggregates; soils; pores; stability; structure; zonality

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.012

S126

A

1002-6819(2022)-18-0113-09

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Peng Jue, Chen Jiaying, Wang Junguang, et al. Linking aggregate stability to the characteristics of pore structure in different soil types along a climatic gradient in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 113-121. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.012 http://www.tcsae.org

2022-04-29

2022-08-17

国家重点研发计划项目（2021YFD1500703）；国家自然科学基金（42177317）

彭珏，博士生，研究方向为土壤侵蚀机理。Email：pengj12345@mail.hzau.edu.cn

王军光，博士，副教授，研究方向为土壤侵蚀机理。Email：jgwang@mail.hzau.edu.cn