张海欧

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710021)

冻融循环作用是我国高海拔地区以及中、高纬度区域普遍存在的一种自然环境现象，其是由于冬季外界气温较低，导致土体表层温度处于0℃左右变化，土层出现了冻结和融化的一种物理地质作用和现象[1]。通常是由于秋末或初春季节，外界温度的白天和夜晚差异较大，土体表层土壤产生了昼夜冻融交替过程，即冻融循环作用。相关研究结果表明，冻融交替作用对土壤物理性质具有重要的影响，冻融交替能够影响土壤结构组成及其稳定性，土壤大团粒结构经冻融循环作用后破碎为小粒级团粒结构，使得土壤团粒结构的颗粒组成发生变化[2,3]，还能够改变土壤导水率、土壤容重和土壤强度等土壤性质[4]。与此同时，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[5]，释放N、P、有机碳等养分，进而提高土壤的可耕性等[6]。冻融循环作用对土壤结构和土壤养分释放的影响极其复杂，由于冻融条件和土壤类型的差异，关于冻融交替作用对土壤特性的影响迄今无共识结论。

1 冻融交替作用与土壤团聚体稳定性

土壤团聚体是土壤肥力的物质基础，其组成及稳定性作为衡量土壤发育程度和可持续利用的重要评价指标[7,8]。团聚体是在矿物颗粒和有机物等成分参与下，有机质在微团粒结构中绊缠，而后形成大团粒结构的核，并且在干湿冻融交替等自然物理过程中形成大小不同的多孔单元。土壤团聚体的稳定性是指团粒结构抵抗外部环境变化或外力作用而保持其原有形态的能力，对土壤肥力、质量和土壤的可持续利用等具有重要的作用[7]。冻融交替对土壤团聚体组成及稳定性的影响将直接或间接影响土壤物理结构、化学环境、土壤微生物的生长、繁殖与活动，进而影响土壤保水保肥能力[8-11]，国内外关于冻融交替作用对土壤团聚体稳定性的相关研究较多，但研究结果不尽相同。有些研究指出冻融交替作用降低土壤团聚体的稳定性[12,2]，另有研究认为会增加土壤团聚体的稳定性[13]。较多研究指出，冻融交替作用能够降低土壤团聚体的稳定性[14,15]。

2 冻融交替作用对土壤团聚体的影响国内外研究进展

Perfect等[16]研究结果显示，土壤质地不同，冻融交替作用对土壤结构的影响不同，研究指出冻融交替作用能够促进质地为粉壤土的土壤团粒结构的形成，提高其团聚体的稳定性。Lehrsch等[17]研究指出，土壤团粒结构稳定性受冻融频率和粘粒含量等因素的影响较大，粘粒含量越高冻融交替作用对团聚体结构破坏作用越小，并且低的冻融周期能够增强表层土壤团聚体的稳定性。Schjnning等[18]研究指出，冻融交替作用对土体表层土壤团粒结构的形成具有促进作用，并且能够提高土壤水稳性团聚体的稳定性。王凤等[19]提出冻融过程中土壤团聚体含量在一定条件下呈现出绝对增加和相对减少的统一，在接近田间持水量的情况下经冻融循环后，黑土土壤团粒结构的稳定性较好，其经冻融交替后土壤团粒结构含量呈现出绝对增加，含水量过高和过低会引起团聚体的破碎，尤其是高含水量。因此，为了降低冻融交替作用对土壤团聚体的破坏，提高土壤团聚体稳定性，可以在季节性冻结发生前将土壤含水量调节至接近田间持水量的水平。王恩姮等[20]研究发现，季节性冻融循环作用对典型黑土区表层土壤机械稳定性团聚体具有破坏作用，然而提高了水稳性团聚体的形成，增加了>0.25mm水稳性团聚体的含量，显著降低了其破坏率，提高了团聚体的稳定性。王展等[21]认为，土壤经冻融循环处理后，不同粒级团聚体含量的变化趋势不尽相同，冻融频率对各级团聚体含量均达到了显著或极显著影响，少次冻融循环提高了土壤微团聚体的稳定性，但多次冻融循环后土壤团聚体结构受到破坏，土壤团聚体稳定性降低。金万鹏等[22]指出，冻融频率能够改变不同粒径团聚体含量，冻融处理使土壤团聚体的稳定性呈现出先增强后减弱的趋势，然而适宜的土壤含水量能够提高土壤团粒结构稳定性。

另有许多研究显示，冻融循环作用对土壤团聚体稳定性具有消极作用。Lehrsch等[23]指出，土壤团聚体稳定性的变化主要取决于冰冻作用，当土壤处于冻结状况时，土壤样品会分为湿润部分和干燥部分，湿润土壤样品的内部冻结时，土壤孔隙中的冰晶粒因扩张打破了颗粒间的结合力，从而使得土壤团聚体破碎；干燥的土壤内部能够使得土粒收缩，增强颗粒与颗粒之间的联结作用，因此膨胀与收缩作用，即2个截然相反的力存在于土体的不同部位，对土壤结构稳定性起到了降低或者增强的作用，因此，要准确衡量土壤结构稳定性的状态，需要判定这2个截然相反过程的变化。因此，众多研究冻融交替作用对土壤理化性质的影响，由于冻融频率、土壤含水量、冻融温度及团聚体分级标准等因素的差异，研究结果不尽相同。Lehrsch[24]指出，冻结时由于冰晶在土壤孔隙中的扩张，从而破坏了颗粒之间的相互结合力，使得土壤大团粒结构破碎成了中小粒级团粒结构，降低了土壤结构的稳定性。Six等[25]研究发现，冻融循环作用对土壤团粒结构的物理破碎呈现出累积作用，其破坏大团粒结构的现象更为显著，其可导致大团聚体破碎为中小粒级团聚体，从而降低团聚体的稳定性。冻融循环过程中土壤含水率对土壤结构稳定性有显著影响，冻融对含水率高的土壤样品中>0.25mm的团聚体破坏强度更大[26]。Edward等[27]研究了冻融循环作用与土壤质地之间的关系，发现随冻融循环周期的增加，壤土、砂壤土和细砂壤土的团聚体稳定性均显著减少。冻融循环频率的增加或者是冻融温度的降低促进了土壤大团粒结构的破碎，降低土壤团聚体的稳定性。然而提高土壤有机质含量和粘粒含量，能够增强土壤团粒结构的稳定性[28,29]。

3 冻融交替作用对土壤有机质的影响

土壤有机质是植物生长的重要营养库，土壤团粒结构的形成必须有赖于土壤中的有机物质，有机质通过自身的矿化作用释放的养分有效地促进了土壤团聚体的形成，提高了土壤团聚体的稳定性[30]。因此，提升土壤有机质含量，对于增强土壤团聚化作用和改善土壤结构稳定性具有重要的意义。土壤团粒结构的粒级大小不同，其对土壤营养元素的提供、维持及转化能力等作用也不同[28,31]。在冻融循环过程中，通过冻融引起的土壤物理、化学和生物等方面的变化的来改变土壤有机质，改变土壤颗粒大小，调控土壤有机质的矿化[32]。刘淑霞等[33]研究结果证实，冻融交替作用对土壤可溶性有机质含量具有显著影响，其随着冻融循环次数的增加而增加，但是冻融交替作用对有机碳总量及易氧化有机碳的影响不大。有机碳总量受到冻融频率、成土母质、土壤含水率、有机质的溶解性和胶体物质的携带等多因素的共同影响[34]。粘粒对土壤有机碳具有保护作用，粘土中植物残体的分解速率直接影响了土壤有机质的矿化程度[35]。

土壤团聚体是有机质储存的主要场所，土壤有机质含量与土壤团粒结构稳定性有关[23]，有机质含量越高，土壤团粒结构稳定性越大。Zhang等[36]研究指出，有机质的胶结对红壤水稳性大团粒结构的形成起主要作用，二者呈显著的正相关关系。唐晓红等[37]、章明奎等[38]研究表明，紫色土、红壤水稳性团粒结构的数量和稳定性均与土壤有机质含量成正相关。冻融交替作用下土壤有机质的变化主要来源于土壤中微生物的变化，冻融循环初期有机质含量增加，这是由于冻融初期剧烈的冻结温度使一些微生物死亡，这些被杀死的微生物在分解过程中释放出来一些小分子有机质，从而使土壤有机质含量增加；冻融作用打破了土壤团粒结构稳定性，使得被土壤包裹吸附着的有机质提前解聚出来，土壤有机质含量增加。多次冻融循环后，土壤中有机质含量逐渐降低，是由于微生物已经适应了外界环境的温度变化，其绝对死亡量逐渐减少，相应的微生物释放出来的有机质含量也在减少。土壤的矿化作用对有机质的影响，随着冻融循环过程土壤中存活的微生物逐渐分解利用土壤中原有的有机质，导致了土壤中有机质含量的降低。

4 冻融交替作用对土壤氮素的影响

土壤有机质和氮素是土壤肥力总体状况的重要指标，其可以改善土壤物理、化学和生物性质[30]。土壤有机质含有植物需要的多种养分，特别是氮素存在的主要场地[31]。土壤全氮能够综合反映土壤的氮素状况，标志土壤氮素的总量，其包括所有形式的有机氮和无机氮素，其是提供土壤有效氮素的源和库。土壤有机质和氮素是各国土壤分析和实验室测定的例行项目，其含量及动态平衡不仅直接影响着土壤质量和土地生产力，而且对生态系统中碳氮循环有重要意义[32]。

氮素作为土壤肥力提升的最基本化学元素，对于植物的生长发育必不可少，土壤中有机氮含量超过95%，其余是无机氮，其中能够直接被植物吸收利用的是一些可溶性有机氮，然而，通常有机氮被转化为无机氮后才能被植物有效利用[39,40]。氮矿化过程对于土壤氮素迁移转化乃至整个生态系统的氮循环均十分重要，氮矿化所产生的NH4+和NO3-是土壤和一些植物所需氮素的主要来源[41]。冻融交替作用通过影响土壤理化性质和生物学性状进而影响土壤氮素转化过程，特别是在以土壤微生物为媒介的土壤元素循环等方面[42]。

目前关于冻融交替对土壤氮矿化方面的研究已经具有大量成果，相关研究发现冻融循环的发生对于土壤中氮矿化具有积极的促进作用[43,44]。土壤中氮矿化作用主要产生于微生物，这主要是由于冻融循环作用使土壤中微生物的细胞发生破裂，微生物死亡，释放出矿质氮。Freppaz等[45]通过研究冻融循对氮素的影响，发现冻融交替作用能够增加土壤铵态氮含量，但其过程与微生物量氮的释放并不同步。冻融循环作用分散了土壤团聚体结构，使得土壤中可溶性的矿质态氮和有机物质释放出来[46]。常宗强等[42]对青海云杉林和高山灌丛林土壤中有机氮在冻融过程中的变化特征研究发现，通过42次冻融循环作用后，土壤中有机氮质量分数显著提高，冻融频率是土壤有机氮矿化的关键影响因素之一。冻融循环作用对土壤中的氮素含量起到积极还是消极作用，随着研究区域、土壤类型及研究模式的不同，研究结论也尚不一致。一些研究[47]认为，冻融交替增加了土壤中氮素的含量，然而部分学者发现[48]，冻融循环作用过程使土壤氮素含量降低。

5 结论

冻融循环作用对土壤结构和土壤养分释放的影响极其复杂，由于冻融条件和土壤类型的差异，关于冻融交替作用对土壤特性的影响迄今无共识结论。冻融交替作用对土壤性状的影响主要与成土母质、初始含水量、冻结温度和冻融频率等因素有关。国内外关于冻融作用对土壤结构和养分的影响研究目前相对比较成熟，但结论仍有差异，因成土母质、研究区域和分析模式等因素的差异而尚无普适性的结论。