凍融循環恢復土壤壓實過程中大孔隙作用研究

賀亭峰 張慧清 張冬梅 劉化濤 孔 猛 丁啟朔

(1.山西農業大學山西有機旱作農業研究院, 太原 030031; 2.農業農村部有機旱作農業重點實驗室(省部共建), 太原 030031;3.泰國經貿大學管理學院, 巴吞他尼 12160; 4.有機旱作山西省重點實驗室, 太原 030031;5.南京農業大學工學院, 南京 210031)

0 引言

快速的農機化進程引起大面積農田土壤壓實,破壞了土壤結構,導致土壤物理肥力損失,空氣、水分、營養物質在土壤中存儲、運移效率降低,造成了作物大幅減產[1-2]。從經濟發展和社會效益層面,農機壓實土壤的問題幾乎無法避免[3-4]。因此,研究壓實土壤結構的恢復問題,對改善農田土壤質量、保證作物產量并保障農業機械化可持續發展具有重要的生產實踐意義[5]。

孔隙和團聚體是表征土壤結構的兩個重要方面,當前恢復壓實土壤結構的非生物(耕作)或生物(生物耕作、凍融循環等)措施中,耕作最常見[5],通過旋耕或深松可快速破碎壓實土壤[1,6],但重構的土體結構松散[2],分解后的塊狀土仍結構致密并缺乏孔隙[1],只是暫時創造了適合作物生長的物理環境,極易被重新壓實[7];生物耕作則秉承“大孔隙優先”原則,依靠覆蓋作物根系在密實土壤中穿插,獲得有利于后續作物生長的生物孔隙[2, 8-9],優先恢復了與大孔隙結構直接相關的土壤通氣與滲透性,但與孔隙相關性不大的結構與功能則恢復較慢,如團聚體,且該方式對覆蓋作物類型和土壤水分條件要求嚴[8];凍融循環等土壤結構自然恢復方式[10],是利用土壤凍結時孔隙中水分發生相變形成冰晶體積膨脹對周圍施加的應力[11-12],擠壓土壤顆粒和團聚體至變形、開裂[13]。JABRO等[14]針對表土層的研究證明,凍融循環可以降低壓實土壤的滲透阻力,改善土壤結構,是修復土壤壓實的有效方法。且凍融循環依賴氣候變化,無需投入,修復壓實土壤時不造成土壤結構二次損失,但周期長、作用深度淺[5,14-15]。王一菲等[16]認為土壤溫度波動是土壤凍結、融化的直接動力,因此如何通過調節土壤溫度波動增強凍融循環在壓實土壤中的作用效果,是高效利用凍融循環等自然恢復力的關鍵。

壓實土壤中,自然恢復力發揮作用的方式分為兩大類[7]:自上而下和從局部到整體。自上而下,是單純利用土壤的自然恢復力(凍融循環等),優先恢復表面土壤,然后逐步向底層發展。從局部到整體,是通過微擾動土壤的操作(如生物耕作),首先創建部分大孔隙或裂縫,使之成為后續自然恢復力擴張孔隙空間、分裂大尺度土壤團聚體的基礎。SPOOR等[17]曾建議,利用小尺度刀具在結構受損區制造裂縫,然后依靠土壤凍融作用完成壓實土壤修復。由于缺乏壓實土壤恢復數據及相應機制研究,該方法一直沒有得到有效的評估。但有學者提出土壤初始結構是凍融作用的主要影響因素之一[10]。MUNKHOLM等[18]的研究顯示,凍融作用下孔隙和裂紋優先沿著長且直的大孔隙空間傳播。根據KELLER等[7]“從局部到整體”的思想,以及生物耕作提倡的“大孔隙優先”理念[2,8],本文提出凍融循環+大孔隙策略,通過優先在壓實土壤中創建大孔隙,為凍融循環擴充孔隙空間、分裂壓實團聚體建立基礎,達到調節土壤溫度波動,增強土壤凍融作用的目的。

研究凍融循環+大孔隙策略作用時,很難直接利用生物耕作控制根系直徑、長度、數量及其生長方向等,在壓實土壤中制造大孔隙。眾多研究曾利用人工孔隙微擾動土壤的特點,模擬大孔隙,研究生物耕作對后續作物生長的影響[8,19-20]。本研究擬采用人工孔隙措施實現生物耕作目的,在嘗試健全壓實土壤動態恢復認識的同時,探討促進凍融循環高效恢復壓實土壤結構的策略及其可行性,明確人工孔隙在凍融循環過程中對調節土壤溫度的作用,以及凍融循環+大孔隙策略對恢復壓實土壤孔隙及團聚體等的作用,為壓實土壤恢復提供新的思路與方法。

1 材料與方法

選擇沙質壤土作為研究對象,其中沙粒(粒徑 0.02～2 mm)質量分數62.1%、粉粒(粒徑 0.002～0.02 mm)質量分數26.0%、粘粒(粒徑0～0.002 mm)質量分數11.9%、有機質質量分數2.852%,重塑壓實土壤并基于人工孔隙措施創建大孔隙后,開展凍融循環試驗,同時利用溫度傳感器監測土壤溫度波動,并通過對比凍融循環前后壓實土壤通氣孔隙與團聚體分布情況,明確大孔隙在凍融循環過程中調節壓實土壤結構恢復的作用。針對壓實土壤樣品,試驗設計了3方面因素:①有無人工孔隙。②樣品土壤含水率,包括80%田間持水率(80%Wh)和30%田間持水率(30%Wh)。③凍融循環次數,分別為3、7、10次。同時設置無人工孔隙的壓實土壤樣品為對照組,不參與凍融循環。

1.1 土樣準備

試驗所用土壤取自山西省陽泉市郊區河底鎮五架山萬麗農場,玉米收獲后從田間將耕作層土壤(0～15 cm)取回實驗室,剔除根系和石頭后,風干、篩分,使土壤團聚體粒徑小于2 mm[11]。按照汪攀峰等[21]的方法調配含水率為15%的土壤,在導熱性較差的PVC樣筒(外徑160 mm,內徑150 mm,高度100 mm)中重塑密度為1.6 g/cm3的土壤,代表壓實土壤[19]。試驗重復3次,共制備39個土壤樣品。

1.2 人工孔隙

參照李笑吟等[22]的方法,將土壤樣品置于盛水的容器中充分吸水飽和后稱量,將飽和土壤置于鋪有濾紙的干沙上去重力水后稱量,并利用兩者的質量差值計算土壤通氣孔隙度。需要創建人工孔隙的18個土樣,按照圖1所示方法,根據XIONG等[23]設置的人工孔隙密度(3 500個/m2),按照STIRZAKER等[24]提出的大型生物孔隙平均直徑(3.2 mm)選用直徑3 mm的不銹鋼針,完成人工孔隙創建,孔隙長度為90 mm,數量為61個。人工孔隙創建需在土壤完成去重力水稱量后,既避免了人工孔隙在土壤飽和過程中坍塌,也減少了飽和狀態流動土壤對人工孔隙的堵塞[25]。隨后,通過控制質量保證所有參與凍融循環試驗的土壤達到目標含水率(80%Wh和30%Wh)后[20],用保鮮膜包裹并置于冷藏環境保存。人工孔隙的創建只新增了土壤的大孔隙體積,并沒有改變土壤的體積及總孔隙度[7],且通過計算可知,新增人工孔隙的大孔隙度僅為0.56%,可忽略不計。

圖1 人工孔隙創建示意圖Fig.1 Artificial macropore creating1.人工孔隙模板 2.土壤樣品 3.人工孔隙 4.直徑3 mm不銹鋼針 5.標尺

1.3 土壤溫度監測與凍融循環

開始凍融循環前,首先將制備好的土壤樣品置于直徑160 mm的圓形保溫板上,同時按圖2a所示方式,將溫度傳感器內嵌于保溫板,使傳感器與樣品下表面充分接觸。土壤溫度傳感器型號為PT100,尺寸7 mm×24 mm×3 mm,量程-60～270℃,保溫板型號S510,尺寸φ160 mm×30 mm,導熱系數0.049 W/(m·K)。隨后,樣品及保溫板整體內置于保溫絕熱桶內(圖2b),只保留土壤上表面與空氣直接接觸。保溫絕熱桶由雙層鋁箔隔熱膜及保溫棉(保溫棉導熱系數0.032 W/(m·K))自制而成,以保證凍融循環試驗階段土壤溫度變化均從上表面開始。最后將土樣置于溫度可調的封閉設備中進行凍融循環試驗[13],根據中國氣象局2000—2023年山西省陽泉市冬春季的平均晝夜溫度(圖3),試驗采用-9℃凍結15 h、5℃融化9 h的方式完成凍融循環,利用溫度傳感器及測試系統記錄土壤溫度波動,同時參考LIU等[13]的試驗對相同參數的試驗組樣品分別設置3、7、10次周期的凍融循環。

圖2 土壤樣品及溫度測試系統Fig.2 Soil samples and temperature testing system1.保溫板 2.溫度傳感器 3.土壤樣品 4.置樣保溫桶 5.標尺 6.溫控儀

圖3 陽泉市2000—2023年1、2月份日平均溫度Fig.3 Average daily temperature in January and February, 2000—2023, in Yangquan City

1.4 土壤通氣孔隙與團聚體尺度分布

重復1.2節測量土壤飽和含水率和田間持水率的操作,計算土壤樣品的通氣孔隙度(有人工孔隙的樣品需減去人工孔隙度)。隨后將每個樣品完整地從樣筒中頂出,在潮濕的狀態下沿著土壤結構面輕輕地掰開、破碎,然后風干。破碎過程中,注意避免造成土壤團聚體的壓實。為了減少團聚體的損失,采用干篩法對土壤進行篩分,篩分尺度分別為 >7 mm、5～7 mm、3～5 mm、1～3 mm、0.25～1 mm、0～0.25 mm[26]。對各級團聚體稱量后,計算平均團聚體尺度(S,mm)[27]及團聚體結構系數K[26],其中K=A/B,A為尺度0.25～7 mm團聚體總質量,g;B為尺度大于7 mm或小于0.25 mm團聚體總質量,g。K值越高,土壤結構越優,土壤整體的物理性狀越好。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度變化

整個凍融循環試驗在-9℃凍結15 h,5℃融化9 h環境中進行,凍融循環過程中樣品土壤下表面溫度變化如圖4所示。由圖4可知,試驗初期樣品土壤溫度隨環境溫度下降至0℃左右后較長時間內相對穩定地維持在0℃附近,且無人工孔隙土壤比有人工孔隙土壤維持0℃的時間更長。高、低兩種含水率狀態下,有人工孔隙的壓實土壤分別在第3次和第2次凍融循環時,土壤溫度開始大幅度波動;而無人工孔隙的壓實土壤分別到了第7次和第4次凍融循環時,才發生溫度的大幅波動。圖4a中第10次凍融循環時,土壤溫度波動的幅度才接近圖4b中第3次凍融循環時的土壤溫度波動。由于水的比熱較大,土壤孔隙中水分在凍結過程中從液態到固態的相變,需要釋放大量熱量,只有土壤中所有水分全部相變,整體溫度才會隨環境溫度繼續下降。因此,有人工孔隙壓實土壤底層溫度變化至-4℃左右時,無人工孔隙壓實土壤底層還停留在0℃附近,直到第7次凍融循環時,底層溫度才降低至-3℃(圖4a、4b),實現了樣品土壤的完全凍結。對比 圖4a 與圖4c、圖4b與圖4d,凍融循環過程中無論有、無人工孔隙,高含水率狀態下土壤的溫度波動均遲于低含水率土壤,說明土壤含水率是影響土壤在凍融循環過程中溫度變化的關鍵因素,土壤含水率越高,凍結階段轉化冰晶所需釋放的熱量越多,同等條件下時間也就越長。

2.2 通氣孔隙度變化

圖5為凍融循環前后,壓實土壤通氣孔隙的變化情況。從圖5可知,隨著凍融循環次數的增加,壓實土壤的通氣孔隙度呈增加趨勢,這說明凍融循環具備改善壓實土壤孔隙的能力,但第7次和第10次凍融循環之間,土壤通氣孔隙度的差異性并不顯著,這表明凍融循環過程也并非無限制地增加土壤通氣孔隙度。圖5表明,同等條件下高含水率壓實土壤的通氣孔隙度顯著高于低含水率土壤,但有人工孔隙的壓實土壤經過凍融循環后,通氣孔隙度顯著高于無人工孔隙的壓實土壤,且有人工孔隙壓實土壤3次凍融循環后的通氣孔隙度均能達到無人工孔隙7次凍融循環的效果。結合圖4中有人工孔隙樣品土壤溫度波動更早、波動幅度更大的現象可知,壓實土壤中的人工孔隙,調節了凍融循環過程中的土壤溫度波動,加速了土壤水分相變的速度與程度,更充分地利用冰晶對土壤顆粒和團聚體擠壓,有效擴充了壓實土壤中的孔隙空間。

圖5 土壤通氣孔隙度Fig.5 Soil aeration porosity

2.3 團聚體尺度變化

凍融循環前后,兩種含水率壓實土壤團聚體尺度分布、平均團聚體尺度與結構系數分別如圖6、表1所示。未經凍融循環的壓實土壤中,尺度大于 7 mm 團聚體質量分數為84%,平均團聚體尺度達18.91 mm,結構系數只有0.16。從圖6、表1可知,凍融循環后,壓實土壤的團聚體結構得到了有效改善。含水率為80%Wh時壓實土壤在3次凍融循環后,大于7 mm團聚體在無人工孔隙和有人工孔隙的壓實土壤中,均得到了有效分裂,但不同孔隙條件壓實土壤的團聚體尺度分布變化存在較大差異,有人工孔隙狀態下的質量分數為51%,明顯低于無人工孔隙狀態的60%,7次和10次凍融循環后,有人工孔隙壓實土壤中大于7 mm團聚體的質量分數趨近于20%,而無人工孔隙該級團聚體的質量分數分別為30%和35%。在低含水率條件下,也存在同樣的情況。

表1 凍融循環前后壓實土壤的平均團聚體尺度與結構系數Tab.1 Mean aggregate scale and structure coefficient of compacted soils before and after freeze-thaw cycles

圖6 凍融循環前后壓實土壤團聚體尺度分布Fig.6 Scale distributions of compacted soil aggregates before and after freeze-thaw cycles

圖6顯示,多次凍融循環后低含水率壓實土壤內0～0.25 mm團聚體的質量分數較高含水率高,且有人工孔隙土壤比無人工孔隙土壤變化更明顯。非飽和土壤中水分分布的主要場所是毛管孔隙與非活性孔隙[28-30],高含水率土壤中占據毛管孔隙的自由水比例較大,低含水率土壤非活性孔隙中束縛水比例較大,基于圖4中低含水率土壤比高含水率土壤在凍融循環過程中更早出現溫度大幅波動的現象可知,低含水率土壤中土壤水分經歷的凍結、融化次數更多,因此非活性孔隙等較小孔隙中水分相變對小尺度土壤團聚體的分裂作用更為明顯。且低含水率狀態下,有人工孔隙壓實土壤比無人工孔隙壓實土壤多經歷了2次凍融循環(圖4),故圖6d中尺度0～0.25 mm團聚體的質量分數3次凍融循環后就達到6%,圖6c中7次凍融循環后該尺度團聚體的質量分數僅為7%。

表1顯示,凍融循環后有人工孔隙的壓實土壤結構總體優于無人工孔隙的壓實土壤,且團聚體結構的顯著改善主要出現在3次和7次凍融循環后,7次和10次凍融循環后團聚體參數間的變化并不顯著。凍融循環改善土壤團聚體結構,主要依靠冰晶擠壓土壤顆?；驁F聚體形成的新孔隙及裂縫,分裂大尺度團聚體。圖5中通氣孔隙度隨凍融循環次數的變化趨勢表明,兩種土壤含水率條件下,有、無人工孔隙壓實土壤在7次至10次凍融循環間,土壤通氣孔隙并無顯著性變化,這意味著,該階段壓實土壤內部通過冰晶反復相變對團聚體內或團聚體間的空間擴充作用并不明顯,相應團聚體的分裂也不顯著。KELLER等[7]認為,土壤體積不增加,土壤總孔隙度不會變化,即有限次數的凍融循環只能通過減小更小尺度孔隙的體積,增加土壤通氣孔隙度、分裂團聚體。所以,壓實土壤中的人工孔隙,可通過調節土壤溫度變化、加速土壤水分相變,強化冰晶對周圍的擠壓作用,并通過擴充土壤團聚體內或團聚體間空間、分裂壓實團聚體,達到改善壓實土壤結構及其功能的效果。

表1中的結構系數變化表明,低含水率壓實土壤3次凍融循環后的團聚體結構,優于高含水率壓實土壤凍融循環3次后的團聚體結構,但7次和10次凍融循環后高含水率土壤結構明顯優于低含水率土壤。結合圖4可知,低含水率狀態下,有人工孔隙的壓實土壤在第2次凍融循環時就發生了大幅度的溫度波動,而同等條件下高含水率壓實土壤的大幅溫度波動則出現在第3次。土壤溫度波動是土壤凍結、融化的直接動力[16],當高含水率土壤第1次完全被凍結時,低含水率土壤已經在土壤水分與冰晶間相互變化的過程中完成了2次對土壤結構的改善。但是,土壤含水率是影響凍融循環恢復壓實土壤結構的主要因素之一,高含水率壓實土壤經多次凍融循環后的土壤團聚體參數較優。

3 討論

凍融循環具備恢復壓實土壤結構的作用,且土壤含水率是影響凍融循環改善壓實土壤結構的主要因素之一,這與文獻[5,13-15]的觀點一致。土壤溫度波動是凍融循環發揮恢復壓實土壤作用的關鍵環節,因為溫度是影響土壤中水分相變的直接因素,凍融循環對壓實土壤的恢復是利用了土壤水分相變形成冰晶對周圍的應力作用[11],大幅土壤溫度波動出現越早,越有利于對壓實土壤結構的恢復。壓實土壤中的人工孔隙可實現調節土壤溫度波動的效果,有人工孔隙的壓實土壤只經歷較少的凍融循環次數,就可達到較優的土壤孔隙及團聚體狀態,因此凍融循環+大孔隙策略首先具備了克服凍融循環恢復壓實土壤周期長的能力。

壓實土壤中的人工孔隙,有助于調節更深層土壤的溫度波動。有人工孔隙的壓實土壤下表面更早地開始了大幅土壤溫度波動,這意味著這種溫度波動完全可以沿著土壤剖面繼續向下傳遞,影響更深層土壤的溫度變化,進而通過土壤水分相變改善底層土壤結構。這與MIRANDA-VéLEZ等[10]關于土壤初始結構是凍融作用強弱的主要影響因素之一的說法相符,凍融循環+大孔隙策略也具備了克服凍融循環恢復壓實土壤作用深度淺的能力。

人工孔隙在凍融循環恢復壓實土壤的過程中,只是起到了調節作用,土壤含水率等才是決定結構恢復效果的關鍵因素。圖4顯示,低含水率條件下,有人工孔隙的壓實土壤出現溫度大幅波動的時間最早,但經歷多次凍融循環作用后,高含水率條件下壓實土壤孔隙及團聚體恢復更優。因為凍融循環過程中土壤水分相變的體積膨脹,是恢復壓實土壤結構的真正動力[13],含水率是影響凍融循環恢復壓實土壤結構的決定因素,人工孔隙只是通過調節土壤溫度波動改變凍融循環在土壤中的作用強度,加速了壓實土壤結構恢復的進程。

此外,壓實將土壤顆粒從上向下移動,但土壤結構的恢復并不意味著必須沿著同樣的路徑將土壤顆粒從下往上運輸[7]?？紫逗蛨F聚體是土壤結構最重要的兩方面,凍融循環增大了壓實土壤的通氣孔隙度,減小了其團聚體平均尺度,但土壤的總孔隙度變化卻不大,因為凍融循環過程中壓實土壤的體積并沒有變化,即土壤顆粒與團聚體沒有發生從下往上的運動。生物耕作過程中根系對壓實土壤的穿插,也與此類似。但耕作利用刀具破碎土壤增加了土壤體積,改變了壓實土壤的孔隙與團聚體分布情況[1-2, 6-7]。

本研究還存在以下不足:①為避免田間原狀土孔隙及團聚體結構各向異性對凍融循環+大孔隙策略理論基礎研究的影響,選擇使用重塑土進行試驗,后期有必要基于原狀土及田間原位土壤繼續開展研究。②為便于研究,試驗只選擇了一種人工孔隙參數,關于人工孔隙直徑、長度、密度等參數對凍融循環過程中土壤溫度及孔隙、團聚體變化的影響,還有待進一步明確。③ 凍融循環+大孔隙策略為凍融循環在壓實土壤中擴充孔隙空間、分裂大尺度團聚體建立了基礎,但該策略調節土壤溫度波動、強化凍融循環作用的機制仍不明確,亟待探索。

4 結論

(1)凍融循環過程中,有人工孔隙壓實土壤在高、低兩種含水率條件下,分別在第3次和第2次凍融循環時就開始了大幅溫度波動,相同含水率條件下無人工孔隙的壓實土壤溫度大幅波動則出現在第7次和第4次凍融循環時,人工孔隙在凍融循環過程中起到了調節壓實土壤溫度波動的作用,提前了土壤溫度大幅波動的時間。

(2)有人工孔隙的壓實土壤經過多次凍融循環后,通氣孔隙與團聚體結構的改善顯著優于無人工孔隙的壓實土壤,甚至有人工孔隙壓實土壤3次凍融循環后的通氣孔隙度即可達到無人工孔隙7次凍融循環的效果, 凍融循環+大孔隙可改善土壤孔隙及團聚體結構。

(3)土壤含水率是影響凍融循環恢復壓實土壤結構的決定因素,人工孔隙通過調節土壤溫度波動改變凍融循環在土壤中的作用強度,加速了壓實土壤結構恢復進程。