中國典型地帶性土壤團聚體穩定性與孔隙特征的定量關系

彭 玨，陳家贏，王軍光，蔡崇法

中國典型地帶性土壤團聚體穩定性與孔隙特征的定量關系

彭 玨，陳家贏，王軍光※，蔡崇法

（華中農業大學水土保持研究中心，農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

團聚體結構和穩定性關系著一系列土壤過程。為探明不同類型地帶性土壤團聚體穩定性與孔隙結構變化規律及二者關系，該研究以中國溫帶與亞熱帶地區5種地帶性土壤（黑土、棕壤、褐土、黃褐土和紅壤）為研究對象，結合CT掃描、濕篩法和Le Bissonnais（LB）法，量化孔隙結構，測定各地帶性土壤團聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）。結果表明：團聚體水穩性受到土壤類型和土層深度的綜合影響，從大到小依次為黃褐土、褐土、棕壤、黑土和紅壤；基于LB法測定的團聚體平均質量直徑排序為MWDsw（慢速濕潤）>MWDws（預濕潤震蕩）>MWDfw（快速濕潤），即5種團聚體的主要破碎機制是快速濕潤引起的消散作用；5種地帶性土壤團聚體不同當量直徑孔隙度由北至南呈“U”型變化，且這種變化程度隨土層深度增加而減弱；團聚體孔隙大小均以30～<75m孔隙為主，孔隙形狀以細長型孔隙為主。細長型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趨勢，不規則型和規則型孔隙度變化趨勢相反；偏最小二乘回歸表明，規則型孔隙度、孔隙平均形狀因子、75～100m孔隙度和細長型孔隙度與團聚體水穩性顯著相關，細長型孔隙起正向作用；規則型孔隙、細長型孔隙、75～100m孔隙度和>100m孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。研究結果有助于加深土壤團聚體與孔隙特征關系的認識，從而更好地揭示土壤過程作用機制。

團聚體；土壤；孔隙；穩定性；結構；地帶性

0 引 言

土壤結構是土壤水氣和養分貯存運輸的場所[1]，健康的土壤結構可以有效提升土壤肥力，促進作物高產。土壤結構愈穩定，土體坍塌的可能性愈小，也越利于阻控水土流失。團聚體是土壤結構和功能的基本單元。團聚體穩定性決定了團聚體破碎的程度和可能性，影響著土壤的通氣性、透水性和抗蝕性，是衡量土壤結構穩定性的一個重要指標[2-3]。研究指出，土壤團聚體穩定性越大，抗蝕性能越佳，在侵蝕過程中形成沉積性結皮的概率越低，侵蝕泥沙粒徑更大[4]。地表結皮的結構特性會對土壤侵蝕過程和坡面流水力學特性產生影響[5]。因此，認識團聚體穩定性機理對于調控土壤功能具有重要意義。

團聚體穩定性是多因素綜合作用的結果，主要包括土壤自身性質（機械組成、成土母質、土壤質地、礦物組成、膠結物質類型和數量分布）、氣候環境（干濕交替、凍融循環）、生物性質（動植物、微生物分解）、人為作用（土地管理和耕作措施）[6-7]。其中，土壤性質可以直接影響團聚體穩定性，其他因素往往通過改變土壤性質來間接調控團聚體穩定性變化的方向與強度。已有研究表明，團聚體穩定性受膠結物質和孔隙結構共同影響[8-11]。穩定性強的大團聚體的形成主要依靠有機質的膠結作用[12]。鐵鋁氧化物與有機質形成的有機-無機復合體是團聚體形成和穩定的基礎[6]。孔隙大小、數量、體積和彎曲度均會影響團聚體在消散作用和機械外力下的破碎程度[13-14]。團聚體的脆性破壞主要由裂隙逐漸發展導致土體強度突然減弱引起的，與孔隙分布、連通性和空間各向異性密切相關[15-17]。第四紀紅黏土發育紅壤的團聚體穩定性隨著超微孔隙（0.1～5m）的增加而增大[9]。Menon等[10]通過X射線顯微斷層掃描技術提取了耕地、草地和林地的團聚體孔徑大小分布，發現草地與林地團聚體表現更為穩定，且其孔隙分布在水中持續浸沒后無明顯變化，證明穩定的孔隙結構具有容納水氣儲存和運輸的彈性，使團聚體不易發生結構性破壞。同時，土壤孔隙還可以通過膠結物質間接對團聚體穩定性造成影響。Wu等[18]分析了亞熱帶強風化土壤，指出土壤膠結物質和孔隙特征間存在顯著的交互作用，非晶態鐵氧化物與超微孔隙的結合對團聚體穩定性影響更為顯著。

在氣候與地形的綜合影響下，水熱條件由北至南逐漸變化，中國土壤呈緯度地帶性分布，土壤風化程度逐漸增強，土壤類型具有多樣性。盡管孔隙結構的復雜性決定了團聚體穩定性的變化，但關于不同類型地帶性土壤孔隙結構特征與團聚體穩定性關系方面的研究仍存在局限。鑒于此，本文根據土壤發生學，選取中國溫帶與亞熱帶地區質地接近、發育程度不同的地帶性土壤（黑土、棕壤、褐土、黃褐土和紅壤）為研究對象，綜合同步輻射顯微計算機斷層掃描（Synchrotron-based X-ray Micro-computed Tomography，SR-μCT)、濕篩法和Le Bissonnais 法（LB），分析了不同類型地帶性土壤團聚體孔隙結構特點及團聚體穩定性，探討孔隙結構對團聚體穩定性的影響機制，以期為完善土壤結構形成、穩定和變化機理，深入理解土壤過程和功能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國東亞季風氣候區，受氣候影響，該區土壤呈緯度地帶性分布，由北至南土壤類型依次為黑土、棕壤、褐土、黃褐土和紅壤。黑土樣點位于黑龍江省海倫市（47o43'N、126o49'E），屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，降水集中，年均氣溫2 ℃，年均降水量550 mm，地形為低丘緩崗，成土母質為第四紀更新世的黏質黃土；棕壤樣點位于遼寧省沈陽市（41o89'N、113o58'E），屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫7.9 ℃，年均降水量716.2 mm，降水集中在夏季，溫差較大，地形為崗地，成土母質為第四紀更新世的黏質黃土；褐土樣點位于河南省洛陽市（34o45'N、112o37'E），屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，夏季炎熱多雨、冬季寒冷少雨雪，年均氣溫14.86 ℃，年均降水量578.2 mm，地形為崗地為主，成土母質為馬蘭黃土。黃褐土樣點位于湖北省襄陽市（32o10'N、112o14'E），屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.0 ℃，年均降水量828 mm，地形為崗地丘陵，成土母質為第四紀更新統黃土母質（下蜀黃土）；紅壤樣點位于湖南省長沙市（28o41'N、114o15'E），屬中亞熱帶濕熱季風氣候，年均氣溫16.8 ℃，年均降水量1 361 mm，地勢以丘陵為主，成土母質為第四紀紅黏土。

表1 采樣點基本信息

1.2 樣品采集

本文采樣點均為未擾動多年生林地。采樣時間為2019年7月。土壤按其發生層次采集淋溶層（A）、淀積層（B）和母質層（C）。淋溶層土壤按照“S”形進行采集，下層土壤在挖取的典型剖面上采集。在選定50 m×50 m區域內隨機選取10個小地塊進行采樣，后將樣品混合均勻裝袋，以減小同一土樣間的差異與人為主觀因素的干擾。所取土樣部分過10 mm篩進行團聚體穩定性測定。對用于CT掃描的土壤團聚體的制備，應選擇較大土塊并用特制塑料盒密封運回實驗室，以減少孔隙結構在運輸過程中的破壞，并于干燥陰涼處自然風干后沿脆弱帶輕輕掰開過3～5 mm篩。剩余土壤需保存備用。

1.3 分析方法與指標計算

1.3.1 團聚體穩定性

團聚體穩定性綜合參考干篩、濕篩法和LB法[19-20]。干篩法通過四分法稱取500 g原狀土，于5、2、1、0.5和0.25 mm套篩上進行土樣分級，根據比例配成50 g樣品，用于后續濕篩法。濕篩法通過團聚體分析儀進行，將土樣置于分析儀套篩（篩孔直徑5、2、1、0.5、0.25 mm）頂部，震蕩分級后將各篩層團聚體分別洗入燒杯，并于105 ℃烘箱中烘干，稱取各級團聚體質量。LB法測定首先需將3～5 mm風干團聚體置于40 ℃烘箱內烘干24 h以統一各樣品初始含水率，后分別稱取5 g團聚體，進行快速濕潤（模擬暴雨條件下團聚體的消散過程）、慢速濕潤（模擬土壤不均勻膨脹對團聚體的破壞作用）、預濕潤振蕩（模擬機械外力對團聚體的破壞作用）3種處理[21]，分別用FW、SW、WS表示。各處理后的團聚體需烘干，過2、1、0.5、0.25、0.10、0.05 mm篩，稱取各級團聚體質量。以上試驗重復3次。

平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）表征團聚體穩定性。MWDdry和MWDwet分別為干篩和濕篩條件下的MWD。相對消散指數（Relative Slaking Index，RSI）和相對機械破碎指數（Relative Mechanical Breakdown Index，RMI）表征團聚體破碎機制。RSI和RMI越大，團聚體穩定性越差[22]。

式中r為第個篩的孔徑，mm；0=1，r=r+1；m為第個篩上的破碎團聚體百分比，%；為篩子的數量，=7。

式中MWDfw、MWDsw和MWDws分別為在快速濕潤、慢速濕潤和機械震蕩條件下的MWD。

1.3.2 CT掃描與處理

CT裝置為天津三英精密儀器股份有限公司的Geoscan 200 CT scanner。由于束流時間的限制，每個處理隨機選擇3個3～5 mm近球形團聚體樣品進行掃描。設備光子能量100 keV，曝光時間0.33 s，分辨率5.95m（、、軸一致）。每次掃描約采集2 000張圖像切片，利用天津三英 CT Program 軟件進行圖像重建，采用背投影算法重建獲得約800張大小為1 052×1 052像素的團聚體圖片序列，再將其轉存為8位tiff格式的灰度圖像，灰度值范圍為0～255。

團聚體三維孔隙結構的可視化及孔隙指標的定量化在Image J軟件中完成[23]。為避免邊緣效應，選取團聚體中間部分500×500×500體元區域作為特征域進行圖像分析。之后對圖像進行歸一化、去噪、平滑、閾值分割。處理后各土壤團聚體三維可視化結果見圖1。孔隙度、孔隙大小分布、孔隙數量通過插件3D object counter計算得到。參考Ma等[15]將孔隙當量直徑劃分為4個等級：<30、30～<75、75～100和>100m。根據孔隙形狀系數（）將孔隙形狀分為：規則型（≥0.5），不規則型（0.2<<0.5）和細長型（≤0.2）。值為孔隙等體積球體表面積與孔隙實測表面積比值，值越小，孔隙形狀越不規則，值越接近1，孔隙形狀越接近球體[24]。

注：長方體內綠色部分為孔隙，黑色部分為土壤基質。

1.4 數據分析

所有圖通過Origin 2021生成，數據統計分析均在SPSS 25.0上進行。不同土壤類型和不同土層間的顯著差異利用雙因素方差分析法確定（<0.05），并用Duncan法進行多重比較。團聚體穩定性指標與孔隙特征指標的相關性分析采用Pearson法進行評價，顯著性水平為0.05和0.01。選用多元逐步回歸和偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）進行變量的篩選。判斷變量進入逐步回歸模型和移除的顯著性水平分別為0.05和0.01。在PLSR模型中，利用模型擬合度2（模型對的擬合度）來提取每個模型中適當的成分個數，當模型中所有主成分的2>0.5，模型預測性較為可靠[25]。變量投影重要性指標（Variable Importance In Projection，VIP）和回歸系數（Regression Coefficient，RCS）用來評價團聚體孔隙特征對團聚體穩定性的作用效果，VIP用于衡量自變量對因變量的解釋能力，RCS用于解釋自變量對因變量的作用方向和強度[26]。VIP>1，表明自變量對因變量的解釋作用最強，VIP=1說明作用相等，VIP介于0.5～1表明作用一般，VIP<0.5表明無作用。若VIP<0.8，代表該變量對模型的貢獻較小。

2 結果與分析

2.1 地帶性團聚體穩定性與破碎機制

團聚體穩定性受土壤類型和土壤層次綜合作用影響。MWD常作為土壤團聚體狀況的指標，其值越大表示團聚體穩定性越強[27]。MWDdry變化范圍為2.88～4.75 mm（圖2）。除棕壤和褐土外，MWDdry隨土層深度逐漸增加；各土壤MWDwet明顯低于MWDdry，MWDwet變化范圍為0.18～1.57 mm，各類型土壤團聚體水穩性均隨土層深度增加而逐漸減小，與MWDdry變化趨勢相反。從黑土到黃褐土，MWDwet逐漸減小，在紅壤中達到最大值。在所有土壤層次中，紅壤淋溶層MWDwet最高（1.49 mm），黃褐土母質層MWDwet值最低（0.19 mm）。

注：A代表淋溶層，B代表淀積層，C代表母質層。

由圖3可知，供試土樣在不同處理下團聚體穩定性差異顯著，由大至小依次為慢速濕潤、預濕潤震蕩、快速濕潤，說明消散作用和機械破壞作用是5種土壤團聚體的主要破碎機制。MWDfw變化范圍為0.32～1.39 mm，在3個預處理中最小，即5種地帶性土壤團聚體對快速濕潤的敏感性最大。除紅壤外，其余土壤MWDfw均隨土層深度增大而減小，而紅壤母質層MWDfw高于淀積層。自北（黑土）向南（紅壤），MWDfw先減小后增大，其中褐土和黃褐土穩定性最差，紅壤最高；MWDsw變化范圍為0.73～1.98 mm，在5個預處理中最大，即5種地帶性土壤團聚體對慢速濕潤的敏感性最小。自北向南，MWDsw變化趨勢與MWDfw相似。根據土層深度，MWDsw由大到小表現為淋溶層、淀積層和母質層，但棕壤不同（母質層MWDsw高于淀積層）。對比各層次土壤MWDsw，黃褐土母質層MWDsw最小，紅壤淋溶層表現最佳；MWDws變化范圍為0.35～1.79 mm，團聚體對預濕潤震蕩的敏感性居中。所有土壤中，黃褐土MWDws最低，為0.32～0.73 mm；黑土、紅壤團聚體穩定性較高，分別為0.99～1.48和1.19～1.74 mm。MWDws大體上自北向南逐漸減小后增大。5種土壤MWDws從大到小均按照淋溶層、淀積層、母質層的順序排列。總體上，各類土壤在3種預處理下的團聚體 MWD 自北向南逐漸減小后增大，隨土壤層次的增大而減小。

a. 快速濕潤a. Fast Wetting (FW)b.慢速濕潤b. Slow Wetting (SW)c. 預濕潤震蕩c.Pre-wetting and Stirring (WS)

RSI和RMI代表了團聚體破碎程度的大小，團聚體破碎程度隨二者值升高而增大。由圖4可知，RSI普遍大于RMI，說明機械破壞作用對團聚體破碎程度的影響普遍低于消散作用。RSI和RMI從黑土到紅壤整體上呈逐漸增加后減小的趨勢（10.73%～56.43%），說明團聚體抵抗消散和破碎的能力自北向南逐漸減小后增大。褐土和黃褐土RMI明顯高于其他土壤，表明其對機械破碎作用更為敏感。就層次而言，除棕壤和褐土外，淋溶層RSI和RMI高于母質層和淀積層，棕壤和褐土表現為淀積層RSI和RMI相對其他層次較小，紅壤表現相反。

2.2 土壤團聚體孔隙特征分析

團聚體孔隙結構特征的量化結果見表2。受分辨率的限制，本文中總孔隙度均指>5.95m的孔隙。結果顯示，除黃褐土外，其余土壤團聚體的總孔隙度均隨土層深度增加而減少，黑土淋溶層最高（20.67%），大部分土層孔隙度低于10%。孔隙數量表現為黃褐土淋溶層最低（1 749），黑土淋溶層最高（8 264），且隨土層深度增加而減少。黃褐土團聚體總孔隙度和孔隙平均當量直徑較另四種土壤團聚體差異顯著（<0.05），存在明顯粗長孔隙，可能與其原生土壤顆粒的排列方式和土壤中黏土礦物有關。團聚體孔隙大小分布在五種土壤中均以30～75m孔隙為主，其次為>100m孔隙和<30m孔隙。而黃褐土團聚體以>100m孔隙為主，這可能與土壤在風化過程中產生的長條狀孔隙和不規則孔隙發展成大孔隙有關。整體上，不同當量直徑孔隙度自北向南呈先降低后增加的“U”型變化趨勢，淋溶層尤為明顯，且此種規律性變化程度隨土層深度增加而逐漸減弱。

圖4 不同類型土壤團聚體相對消散指數（RSI）和相對機械破碎指數（RMI）

了解土壤孔隙的形態特征利于深入理解孔隙形狀對土壤持水能力的作用[28]。根據表2結果，各類型土壤團聚體孔隙形狀以細長型孔隙為主，其次為不規則型孔隙和規則型孔隙。細長型孔隙自北向南先下降后上升，規則型和規則型孔隙變化趨勢相反。隨著土層深度的增加，細長型孔隙比例逐漸減小，規則型孔隙和不規則型孔隙比例逐漸增加。

2.3 團聚體孔隙特征與團聚體穩定性的定量關系

土壤團聚體穩定性與團聚體孔隙特征間的相關關系見圖5。結果顯示，MWDdry與孔隙數量呈顯著負相關（<0.05），與>100m孔隙度和規則型孔隙度呈極顯著負相關（<0.01）。總體上，MWDdry與孔隙特征間聯系較小。MWDwet不同，整體與孔隙特征間存在較強的相關性，其中，與總孔隙度、孔隙數量、細長型孔隙度及不同當量直徑下孔隙度間呈極顯著正相關，與孔隙平均當量直徑、規則型孔隙度、不規則型孔隙度間呈顯著負相關（<0.01）。MWDwet與細長型孔隙度關系最密切。LB法處理下團聚體穩定性（MWDsw、 MWDws和MWDfw）與總孔隙度、孔隙數量、孔隙形態及不同當量直徑下孔隙度間有密切聯系。其中與總孔隙度、孔隙數量、細長型孔隙度、<30m孔隙度、30～<75m孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度呈極顯著正相關，與規則型孔隙度、不規則型孔隙度呈極顯著負相關（<0.01）。綜合所有指標，MWDfw與規則型孔隙度和細長型孔隙度間關系最密切（作用方向相反），其次為>100m孔隙度。MWDsw與細長型孔隙度和>100m孔隙度間具有最密切的正相關關系（<0.01）。MWDws與細長型孔隙度關系最密切。

表2 不同類型地帶性土壤團聚體孔隙結構特征參數

注：大寫字母不同表示不同類型土壤間存在顯著差異（<0.05），小寫字母不同表示土壤不同層次之間存在顯著差異（<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).

本文將11個孔隙特征參數作為自變量，5個團聚體穩定性指標作為因變量，利用PLSR法探討孔隙結構特征對團聚體穩定性的具體影響。不同處理下的團聚體穩定性選取的最優成分見表3。其中，MWDdry不論選擇幾個成分，2與調整后2仍小于0.5，可見MWDdry與孔隙結構指標的擬合度不高，模型不成立。MWDwet和LB法處理下的MWD與孔隙特征擬合度較高（所有2與2均大于0.5），符合相關性結果，故于后續分析中只選取這些處理下的團聚體穩定性進行描述。

表3 團聚體穩定性偏最小二乘模型概述

注：MWDdry、MWDwet、MWDfw、MWDsw和MWDws分別表示在干篩、濕篩、快速濕潤、慢速濕潤和預濕潤震蕩處理下的土壤團聚體平均重量直徑。

表4列出了4個因變量的VIP和RCS。MWDwet模型中VIP>1的孔隙特征參數為規則型孔隙度、孔隙平均形狀因子、75～100m孔隙度和細長型孔隙度，說明這些孔隙參數與團聚體水穩性的相關性顯著。總孔隙度、30～<75m孔隙度和>100m孔隙度VIP介于0.8～1之間，表明其對團聚體水穩性影響較為重要。根據RCS，總孔隙度、孔隙數量、細長型孔隙度、<30m孔隙度、30～75m孔隙度和>100m孔隙度與團聚體水穩性間呈正相關，團聚體遇水不輕易分散，團聚結構不容易破碎。MWDfw模型VIP>1的有規則型孔隙度、細長型孔隙度和<75～100m孔隙度，證明其對MWDfw有顯著影響。結合RCS，發現細長型孔隙度、<30m孔隙度、>100m孔隙度、孔隙平均當量直徑和孔隙數量對MWDfw有積極影響，即這些孔隙特征參數在快速濕潤條件下與團聚體穩定性相關性好，其余孔隙指標作用相反。MWDsw模型VIP>1的孔隙參數有規則型孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度，即這3個孔隙特征參數對MWDsw有顯著影響。結合RCS，孔隙平均當量直徑、孔隙數量、細長型孔隙度和>100m孔隙度可以促進慢速濕潤處理下的團聚體穩定性，即提高團聚體在發生不均勻膨脹情況時的穩定性。MWDws模型VIP>1的孔隙參數為規則型孔隙度、75～100m孔隙度、>100m孔隙度和細長型孔隙度，證明以上孔隙特征參數對MWDws影響最為重要。孔隙平均當量直徑、細長型孔隙度、>100m孔隙度和孔隙數量與預濕潤震蕩條件下的團聚體穩定性間呈正比，表明這4個孔隙參數在團聚體發生機械破碎條件下可以更好地表征團聚體穩定性。

表4 團聚體穩定性的回歸系數值與變量投影重要性

3 討 論

濕篩法結果可以反映團聚體水穩性，是最為常見的團聚體穩定性測定方法。本文中5種土壤團聚體MWDwet均隨土層深度增加而遞減，這與表層土壤直接與植被接觸有關。發達的植物根系和枯枝落葉層的分解可以促進有機質的累積。有機質通過增加土壤斥水性和黏聚力來提高團聚體穩定性[29]。而下層土壤性質主要取決于土壤母質本身，有機質含量低，團聚體穩定性主要受土壤質地和氧化物的影響。從黑土到紅壤，MWDwet呈先降低后增加的趨勢。黑土與紅壤MWDwet較高，黃褐土最低，這與趙玉明等[30]研究結果一致。黑土在溫帶氣候條件下生物量大，低溫條件限制了微生物對有機物的分解，使得黑土腐殖質累積強度增大，利于土粒膠結。強烈的淋溶作用致紅壤高度發育，易形成結晶良好的鐵鋁氧化物。土壤中的鐵鋁氧化物一方面可以充當鍵橋結合黏粒，產生較難分散的團聚體[31]；另一方面可呈膠膜狀包被在土粒表面，增大膠結作用，使得膠膜狀態改變后的團聚體水穩性更高。黃褐土水穩性最低，這可能與其黏土礦物組成中的蛭石有關，蛭石在濕潤狀態下可以通過水化膨脹作用來降低團聚體穩定性。

傳統的濕篩法將所有破碎機制囊括其中，多用于土壤全樣的團聚體穩定性評價，但難以判斷團聚體發生破碎的主要機制。LB法克服了此缺點，可以很好地將消散作用、機械破碎作用及黏粒不均勻脹縮進行區分[32]。通過LB法測定的土壤團聚體的MWD由大至小依次為MWDsw、MWDws、MWDfw，可見快速濕潤使得團聚體內氣體爆破導致的消散作用與外界應力引起的機械破碎作用是團聚體破碎的主要原因，此結果與Ma等[15]一致。原因在于快速濕潤條件下，水分可以迅速的入侵團聚體并占據其內部孔隙空間，存在于孔隙中的空氣因容納空間減小而向團聚體外逃逸，并于此過程中對團聚體產生壓力，當此壓力超過團聚體可承受范圍，團聚體便會發生“氣爆”。與此同時，土壤顆粒間膠結作用因水分進入而減弱，進一步導致團聚體破裂。而團聚體在預濕潤震蕩條件下，受乙醇影響，破碎僅與機械外力（震蕩、搖晃）產生的破壞作用有關，故消散作用對團聚體的破壞力最強[32]。綜合LB法的團聚體穩定性測定結果發現，5種土壤團聚體MWD大體上均呈先降低后增加的趨勢，這是因為自北向南土壤中高嶺石含量逐漸增加，而2∶1型黏土礦物含量（蛭石和水云母）逐漸降低，導致了MWD的變化。然而針對特定土壤，其他學者表示持不同觀點。梁春林等[33]認為基于黑土黏土礦物易吸水膨脹與機械破壞作用不如團聚體膠結作用強度等因素，可能導致MWDsw小于MWDws。

團聚體穩定性取決于膠結物質數量和類型、孔隙結構發育特征及二者間的交互用。根據孔隙特征參數與團聚體穩定性指標的相關性分析結果可知，孔隙度、孔隙數量、細長型孔隙度與團聚體穩定性間呈正相關關系。這與趙冬[34]的結論一致，其結果表明，在一定范圍內，團聚體孔隙度越大，團聚體通透性越佳，團聚體穩定性隨之提高。同時，快速濕潤條件下，團聚體孔隙度的大小決定了能夠容納迅速進入團聚體內部的空氣體積，增加孔隙體積與連通性或減緩濕潤速率可以降低團聚體內部空氣達到飽和的速率，減小孔隙膨脹壓力，進而提高團聚體穩定性[35]。研究表明，孔隙有機質含量越高的土壤，孔隙更為穩固，而低有機質的土壤中的新生孔隙較為不穩定[8]。有機質可以促進團聚體中小孔隙的相互融合以及建立團聚體的拒水性來降低水的潤濕作用[36]，進而減小孔隙內部氣體所受壓力，使空氣在團聚體所能承載壓強范圍內緩慢釋放，間接提高團聚體的穩定性，故有機質含量高的土壤（黑土、棕壤）團聚體穩定性相對更高。而一些學者持不同觀點，王文剛等[37]認為團聚體水穩性隨凍融循環次數增加而下降的主要原因在于土壤孔隙豐度的增大。梁春林等[33]探討了表層與亞表層黑土于不同破碎機制下團聚體穩定性與土壤孔隙率的關系，發現土壤孔隙率與 MWDfw、MWDsw和MWDst均呈顯著負相關關系（0.05）。究其原因在于不同類型土壤于不同外界環境下所遭受的侵蝕類型具有差異。黑土孔隙度的增加是在凍融作用影響下產生的，冰晶的凍脹導致土壤孔隙結構的不可逆變形，導致團聚體水穩性的下降[38]。在紅壤中，高含量的鐵鋁氧化物起主要膠結作用，通過其較大的比表面積和表面電荷來粘結反應性弱的土壤顆粒，從而增大團聚體孔隙度，同時由于非膨脹性黏土礦物（如高嶺石）的存在，使得紅壤團聚體在水中不易消散[39]，故紅壤團聚體孔隙度與水穩性成正比關系。黃褐土在風化過程中易形成裂隙，在團聚體尺度上則表現為存在較多不規則、細長狀孔隙，但總孔隙度少。黃褐土黏土礦物類型主要為2∶1型，此類礦物具有較強的膨脹收縮特征，利于團聚體中細長孔隙的發育[11]，也易發生水化作用從而減弱土壤顆粒間的黏結力，故黃褐土團聚體總孔隙度小，團聚體穩定性低。綜合而言，土壤顆粒的排列方式和膠結物質對孔隙結構發育的貢獻可能是導致孔隙度對團聚體穩定性影響存在差異的原因之一。因此，結合孔隙結構發育的原因來探究團聚體穩定性機制差異性是至關重要的。在不同破碎機制下，各項孔隙特征參數的VIP與RCS表現出不同的作用效果。除了規則型孔隙度、細長型孔隙度、75～100m孔隙度VIP在1以上，對團聚體穩定性影響顯著。<75m孔隙度還對MWDwet和MWDfw起正向作用，對MWDsw和MWDws起負向作用。消散作用在前文中已被確認為主要破碎機制，故<75m孔隙度對MWDwet的正向作用是3種機制的綜合作用結果。在氣候條件、土壤類型和土層深度的影響下，孔隙特征參數對不同破碎機制下團聚體穩定性作用方向和強度存在差異。因此，針對導致不同模式下團聚體破壞機制與土壤團聚體孔隙結構特征間響應變化的更詳盡的原因需進行進一步探究。

4 結 論

本文圍繞中國溫帶與亞熱帶地區5種地帶性土壤（黑土、棕壤、褐土、黃褐土和紅壤），開展了團聚體孔隙結構和穩定性研究，結論如下：

1）團聚體水穩性受到土壤類型和土層深度的綜合影響，由小至大依次為黃褐土、褐土、棕壤、黑土和紅壤；對于團聚體破碎機制，不同地帶性土壤團聚體在不同預處理條件下穩定性存在差異，由大到小總體按照慢速濕潤、預濕潤震蕩、快速濕潤的順序，說明消散作用和機械破壞作用是團聚體破碎的主要機制；由北至南，各地帶性土壤團聚體抵抗消散和破碎的能力逐漸減小后增加，且消散作用對團聚體破壞程度的影響大于機械破壞作用。

2）各類土壤團聚體不同當量直徑孔隙度由北至南呈“U”型變化，且這種變化趨勢隨土層深度增加而減弱；孔隙度和孔隙數量以黑土團聚體最高，黃褐土團聚體最低，隨土層深度的增加孔隙度逐漸減少；5種地帶性土壤團聚體孔隙均以30～<75m孔隙為主，其次為>100m孔隙和<30m孔隙，團聚體孔隙形狀以細長型孔隙為主，其次為不規則型孔隙和規則型孔隙，細長型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趨勢，不規則型和規則型孔隙度變化趨勢相反。

3）規則型孔隙度、孔隙平均形狀因子、75～100m孔隙度和細長型孔隙度與團聚體水穩性顯著相關，細長型孔隙度起正向作用；規則型孔隙度、細長型孔隙度、75～100m孔隙度和>100m孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。團聚體孔隙度越大，孔隙結構更為復雜，含有較多大孔隙的團聚體可抵抗更大的外界應力作用。

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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

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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

彭玨，陳家贏，王軍光，等. 中國典型地帶性土壤團聚體穩定性與孔隙特征的定量關系[J]. 農業工程學報，2022，38(18)：113-121.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.012 http://www.tcsae.org

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

國家重點研發計劃項目（2021YFD1500703）；國家自然科學基金（42177317）

彭玨，博士生，研究方向為土壤侵蝕機理。Email：pengj12345@mail.hzau.edu.cn

王軍光，博士，副教授，研究方向為土壤侵蝕機理。Email：jgwang@mail.hzau.edu.cn