土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分，也是土壤结构的基本单元，关系着土壤的孔隙、持水性和通透性，制约着水气、养分的供应与积累的协调，进而影响土壤肥力状况和植物生长^[1-2]。同时研究表明，土壤团聚体影响着土壤侵蚀的各个过程，是影响土壤抗侵蚀能力的重要指标^[3-4]。开垦荒地、降雨降雪以及冻融循环等人类活动和自然因素都会显著影响土壤团聚体的稳定性^[5-7]。其中冻融循环是高纬度、高海拔、气候寒冷区域所特有的土壤变化过程，一般而言，会对土壤产生不稳定性影响，改变土壤团聚体的稳定性。刘绪军等^[8]，Wang D Y等^[9]和OZTAS T等^[10]认为经过冻融循环后，土壤中的水分结晶，自身体积增大，对周围团聚体造成冻胀作用，破坏了土壤结构，促进大颗粒团聚体颗粒破碎，导致了团聚体稳定性下降。但是，Lehrsh G A等^[11]和Perfect E等^[12]认为冻融循环导致土壤中的水分凝结，对土壤团聚体产生挤压作用，从而增大土壤团聚体的稳定性。冻融循环对土壤团聚体的影响受到初始含水量^[8-9]、冻融次数^[13-14]等多方面的影响。

东北黑土区是我国最大的粮食产地，地处高纬度地区，该区夏季较短、炎热多雨，冬季漫长、寒冷干燥，每年的3—5月，0~20cm土层表现出“昼融夜冻”的特点，冻融循环现象强烈^[15]。在冻融循环作用的影响下，土壤密度、水稳性团聚体和土壤抗剪强度等理化性质发生了变化，并进一步引起土壤可蚀性的增加，这是造成该区土壤侵蚀、水土流失的主要驱动因子之一。目前，相对于水力侵蚀与风力侵蚀等侵蚀类型而言，有关冻融循环作用的相关研究较少，严重制约了对东北黑土区侵蚀过程的认识与侵蚀治理的研究。因此，笔者以东北典型黑土区土壤为研究对象，基于室内模拟冻融试验方法，围绕众多学者争执的焦点，研究对土壤水稳性团聚体随冻融循环次数和初始含水量的变化，进一步探讨冻融循环对黑土区土壤侵蚀的影响，旨在为黑土区水土保持提供理论依据。

取样点位于黑龙江省克山县克山农场(E 125°08′~125°37′，N 48°12′~48°23′)。克山农场属于漫川漫岗地带，平均坡度3°~5°，海拔240~340m。区域内土壤类型以黑钙土为主，分布少量的草甸土，属典型黑土区，主要以种植大豆、玉米为主。温带季风气候特征明显，年均气温2.4℃，年均降水量500mm左右，年均蒸发量1189.7mm，无霜期122d，日照时间较短，气温日较差大。

2018年6月，春季解冻期之后，在克山农场布设1m×1m的样地，在样地内随机布设5点，采集0~10cm表层混合土样约12kg，带回实验室，风干、去除植物根系残留等杂质后备用。同时，用环刀法采集试验土壤，测定密度、饱和含水量以及田间持水量等指标。试验土壤基本理化性质见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 试验土壤的基本理化性质 Tab. 1 Physical and chemical properties of the tested soils 土壤类型 Soil type 有机质 Organic matter (SOM)/% pH 土壤密度Soil bulk density/ (g·cm-3) 风干团聚体组成 Air-dried aggregate composition/% >5mm 2~5mm 1~2mm 0.5~1mm 0.25~0.5mm < 0.25mm 黑钙土Chernozem 6.21 6.36 1.28 14.28 43.48 17.44 11.09 7.73 5.98

表 1 试验土壤的基本理化性质 Tab. 1 Physical and chemical properties of the tested soils

按照干筛法所得到的土壤各粒级团聚体所占比例配制50g混合的均匀土样，将混合土样分别放置在已知规格为100mL铝盒内，并控制土壤密度为1.28g/cm³。同时，为确保湿润土壤团聚体时不受“气爆”作用的影响，采用控制土壤水分吸力(基质势ψ)的方法，通过改进沙盘法对土壤团聚体初始含水量进行控制，以达到实验设计含水率，再将土样放置于控温冰箱内进行不同冻融循环次数的处理^[16-18]。根据田间测定的实际情况，将土壤的初始含水率分别设为饱和含水量(43.39%质量含水率)、田间持水量(32.25%质量含水率)、田间持水量的70%(22.57%质量含水率)以及风干土含水量(3.34%质量含水率)，其中风干土含水量作为无水对照。每年3—5月，0~20cm土层温度在0℃变动，表现出“昼融夜冻”的特点^[15]。结合当地实际气象资料，设置冻结温度设为－15℃，解冻温度均为+6℃。冻融周期为30d左右，冻融循环次数分别设为0、1、3、5、7、10、15、20、30，为确保冻融完全，在－15℃冻结12h，+6℃环境融化12h，一冻一融共24h，称为1次冻融循环。每个处理3次重复，最后采用湿筛法^[5]测定经过冻融循环后样品的水稳性团聚体质量。

土壤团聚体选取5、2、1、0.5和0.25mm组成的套筛，分别采用湿筛法进行测定。在此基础上，计算平均质量直径^[19]、>0.25mm团聚体的破坏率(PAD_0.25)、>1mm团聚体的破坏率(PAD_1.0)^[20-21]和分形维数^[22]等团聚体特征指标。笔者采用杨培岭等^[22]提出的特征模型计算。

经过室内模拟冻融实验后，4种水分处理下土壤团聚体粒级组成均发生显著性变化，由表 2可见，受到初始含水量的制约，不同处理土壤水稳性团聚体组成特征的变化规律表现出一定差异性。当初始含水量为风干土含水量时，初始含水量较低，变化幅度小。而随着初始含水量的增加，当初始含水量为田间持水量的70%时，30次冻融循环后，>1mm的水稳性团聚体组成比例减小90.81%，< 1mm水稳性团聚体组成比例上升194.41%，土壤水稳性团聚体组成比例发生显著变化。而当初始含水量达到田间持水量和饱和含水量时，30次冻融循环后，>1mm的水稳性团聚体组成比例减小96.92%和97.44%，0.5~1mm的水稳性团聚体组成比例分别降低34.05%和41.06%，< 0.5mm的团聚体组成比例显著上升，涨幅分别为112.29%和122.38%。在有水初始含水量条件下，随着冻融循环的次数的增加，>1mm的水稳性团聚体减小，< 0.5mm水稳性团聚体上升，表现出大团聚体被破坏成小团聚体的趋势。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同处理下土壤水稳性团聚体粒级组成特征 Tab. 2 Particle size composition characteristics of soil water-stable aggregates under different treatments 处理 Treatment 冻融次数 Freeze-thaw cycles 土壤水稳性团聚体粒级组成 Soil water-stable aggregate size composition (mean±SD)/% >5mm 2~5mm 1~2mm 0.5~1mm 0.25~0.5mm FG 0 4.33±0.19 Aa 15.17±0.57 Cab 23.19±0.72 Abc 25.69±0.31 Acd 13.04±0.54 Aa 1 2.27±0.29 Bb 14.73±0.55 Aab 24.65±0.89 Aab 26.70±3.75 Bbc 12.53±0.97 Bb 3 2.31±0.10 Bb 16.16±1.68 Aa 23.64±3.22 Ab 27.00±3.64 Bbc 11.77±3.34 Bbc 5 2.05±0.45 Ab 15.54±1.57 Aab 25.57±2.01 Aab 27.17±2.49 Bbc 11.23±1.04 Ccd 7 2.17±0.41 Ab 13.74±0.65 Ac 22.52±0.54 Acd 28.48±3.12 Ba 13.18±3.02 Ca 10 2.30±0.22 Ab 13.84±0.52 Ac 22.36±0.63 Acd 28.56±4.20 Ba 12.22±3.47 Cb 15 2.51±0.26 Ab 15.73±0.91 Aab 21.36±1.10 Ad 26.80±5.20 Bbc 12.59±0.49 Cb 20 2.62±0.21 Ab 15.09±0.54 Aab 24.68±0.75 Aab 26.06±1.30 Bcd 11.17±0.51 Cd 30 2.47±0.37 Ab 14.89±2.82 Ab 24.60±1.74 Aab 22.97±2.24 Be 11.41±0.51 Ccd TS 0 3.70±0.33 Bb 29.71±4.20 Aa 17.55±0.80 Bb 17.75±0.41 Bg 6.97±0.59 Bg 1 4.49±0.37 Aa 15.54±2.05 Ab 24.23±6.08 Aa 20.45±1.02 Cf 11.22±0.68 Bf 3 3.20±0.18 Ac 9.11±0.49 Bc 16.31±3.71 Bc 29.40±2.91 Be 15.54±3.14 Ad 5 1.50±0.09 Bd 7.92±0.38 Bd 15.78±1.34 Bc 33.52±4.46 Ac 14.51±0.66 Be 7 1.52±0.50 Bd 4.30±0.29 Be 8.82±4.72 Bd 35.30±0.84 Ab 19.69±4.81 Bc 10 0.98±0.57 Be 3.47±0.12 Bf 7.55±2.44 Be 35.52±3.12 Ab 20.34±1.21 Bc 15 0.39±0.22 Bf 3.49±0.20 Bf 6.13±1.80 Bf 36.85±6.58 Aa 20.36±0.42 Bc 20 0.00±0.00 Bf 2.58±0.41 Bg 6.19±0.85 Bf 33.57±2.37 Ac 22.31±4.29 Bb 30 0.00±0.00 Bf 1.30±0.25 Bh 3.38±0.39 Bg 32.10±1.67 Ad 24.47±1.12 Ba TJ 0 3.59±0.25 Ba 22.77±4.53 Ba 15.84±1.06 Ba 19.06±0.35 Bd 11.56±1.81 Ae 1 0.41±0.09 Cb 6.68±0.34 Bb 15.88±1.41 Ca 35.28±1.89 Aab 12.65±1.67 Be 3 0.00±0.00 Cc 2.68±0.33 Cc 9.46±3.20 Db 37.27±4.71 Aa 16.46±3.04 Ad 5 0.00±0.00 Cc 1.42±0.27 Cd 8.66±1.65 Cc 35.07±2.21 Aab 20.55±2.45 Ac 7 0.00±0.00 Cc 1.13±0.13 Cd 3.45±0.37 Cd 33.08±6.05 Ab 25.34±1.68 Ab 10 0.00±0.00 Cc 0.98±0.04 Cde 2.31±0.75 Ce 25.99±2.12 Cc 26.78±2.70 Ab 15 0.00±0.00 Cc 0.61±0.07 Ce 2.15±0.56 Cef 18.58±2.64 Cd 31.34±2.43 Aa 20 0.00±0.00 Bc 0.51±0.16 Cef 1.73±0.71 Cfg 15.27±0.59 Ce 29.91±1.23 Aa 30 0.00±0.00 Bc 0.00±0.00 Cf 1.30±0.04 Cg 12.57±0.76 Cf 30.35±0.56 Aa BH 0 2.61±0.48 Ca 20.48±0.78 Ba 11.16±1.76 Cb 24.43±1.41 Ad 12.28±2.08 Af 1 0.57±0.07 Cb 5.37±0.74 Db 20.94±4.20 Ba 24.68±0.85 Bd 14.40±2.88 Ae 3 0.00±0.00 Cc 2.19±0.24 Cc 11.74±0.91 Cb 34.07±0.42 Aa 15.62±0.53 Ad 5 0.00±0.00 Cc 1.60±0.09 Cd 6.44±0.19 Dc 29.89±0.42 Bb 24.75±3.81 Ab 7 0.00±0.00 Cc 0.94±0.11 Ce 2.95±0.09 Cd 28.86±0.72 Bc 23.16±0.84 Ac 10 0.00±0.00 Cc 0.79±0.16 Cef 1.89±0.29 Ce 24.28±1.74 Cd 25.35±2.73 Ab 15 0.00±0.00 Cc 0.61±0.06 Cfg 1.96±0.26 Ce 21.29±2.45 Ce 22.38±2.53 Bc 20 0.00±0.00 Bc 0.46±0.07 Cg 1.21±0.16 Cef 15.31±1.85 Cf 26.70±2.05 Ba 30 0.00±0.00 Bc 0.00±0.00 Ch 0.88±0.12 Cf 14.40±0.46 Cg 25.16±1.08 Bb 注：不同大写字母表示不同含水量处理间差异显著(P=0.05)，不同小写字母表示不同冻融次数间差异显著(P=0.05)。FG代表风干土含水量，TS代表田间持水量的70%，TJ代表田间持水量，BH代表饱和含水量, 下同。Notes: Different capital letters indicate significant differences among treatments with different water content (P=0.05), and different lower-case letters indicate significant differences among different freeze-thaw cycles (P=0.05). FG represents the moisture content of air-dried soil, TS represents 70% of the field water-holding capacity, TJ represents the field water-holding capacity, and BH represents the saturated water content. The same below.

表 2 不同处理下土壤水稳性团聚体粒级组成特征 Tab. 2 Particle size composition characteristics of soil water-stable aggregates under different treatments

以往的研究常将PAD_0.25作为土壤团聚体水稳定性的重要评价指标，而周一杨等^[21]、杨培岭^[22]和王恩姮等^[23]在研究黑土区土壤溅蚀过程中发现1mm粒径是土壤颗粒损耗与富集特征的分界限，为了进一步探究冻融循环过程中团聚体粒级的变化，本文同时采用PAD_0.25和PAD_1.0作为评价土壤团聚体的水稳定性及其抵抗冻融循环作用的指标(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同处理团聚体破坏率 Fig. 1 Percentage of soil aggregate disruption (PAD) under different treatments

在未冻融条件下，PAD_1.0随初始含水量的增加呈现出先降低后增加的趋势，其中田间持水量70%处理条件下PAD_1.0最低，为32.21%(图 1a)。PAD_0.25随初始含水量的增加而显著增加，在风干土含水量时为最小值13.36%，在饱和含水量时为最大值56.87%(图 1b)。

当初始含水量为风干土含水量时，PAD_0.25和PAD_1.0随着冻融循环次数的增加呈现出相对稳定的趋势，在30次冻融后分别变化了12.25%和5.52%，变化不显著(图 1)。同时研究表明，冻融次数对其余3种初始含水量处理下的PAD_0.25和PAD_1.0变化影响均显著(P < 0.05)，PAD_0.25和PAD_1.0均随冻融次数的增加而提高，较冻融前分别增加78.72%~132.31%和81.44%~184.94%。当初始含水量为田间持水量70%时，PAD_1.0在前15次冻融间均发生显著变化，15~30次冻融间变化不显著；PAD_0.25在0~10次冻融间均发生显著变化，10~20次冻融间变化不显著，20~30次冻融后较之前发生了显著变化。

以往研究中常将平均质量直径作为土壤团聚体状况的整体指标之一，其值越大表示土壤的团聚度越高，团聚体越稳定，抵抗侵蚀的能力就越强^[24]。本研究分析室内模拟冻融实验中平均质量直径的动态变化，结果表明冻融次数以及初始含水量对土壤团聚体的平均质量直径均有显著影响(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同处理团聚体平均质量直径 Fig. 2 Mean weight diameter of soil aggregate under different treatments

由图 2可知，经过室内模拟冻融实验后，水稳性团聚体的平均质量直径都较冻融前均有所降低。当初始含水量为风干土含水量时，30次冻融循环次数后，土壤团聚体平均质量直径与初始状态相比降低了6.01%，变化幅度相对较小。随着初始含水量的增加，其他不同初始含水量处理下，经过30次冻融循环后土壤团聚体平均质量直径与初始状态相比均出现了显著下降(P < 0.05)，平均质量直径分别从1.708、1.468和1.316mm下降到0.525、0.367和0.364mm，降幅均＞60%。

土壤团粒结构的分形维数^[25]是评价土壤团聚体稳定性的一项重要指标，团粒结构分形维数越小，土壤的结构和稳定性越好，抗蚀能力越强。因此，本研究比较不同处理条件下土壤团聚体的分形维数动态变化，结果发现分形维数的值介于2.45~2.84之间，冻融次数以及初始含水率对土壤团聚体的平均质量直径均有显著影响(图 3)。室内模拟冻融实验前，土壤分形维数随着初始含水量的增加而增加。经过室内模拟冻融实验后，发现在风干土含水量条件下，经过30次冻融后增加1.61%，未出现显著变化。其他3种初始含水量处理条件下的分形维数较冻融前变化了6.03%~8.83%(P < 0.05)，表现出促进水稳性团聚体拆分的作用，加剧了水稳性大团聚体的分散。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同处理团聚体分形维数 Fig. 3 Fractal dimension of soil aggregate under different treatments

从室内模拟冻融实验结果可以看出，黑土团聚体粒级受冻融循环作用的影响，稳定性发生显著降低(图 2和图 3)。与Bullock M S等^[26]的结论相似，笔者认为冻融循环的本质是由于土壤水分受到温度变化的影响导致体积发生变化的过程，当温度降低时，土壤中的水分凝结，由液态变为固态，体积膨胀，随着温度的升高冰融化成水，体积变小，土壤水分发生反复的膨胀与收缩^[13]，破环土颗粒之间原始固有胶结，导致大颗粒团聚体崩解破碎成小颗粒团聚体，< 1mm粒径级团聚体都显著增加^[18]，团聚体水稳性降低^[27]。

由图 2和图 3可见，经过30次冻融循环后，平均质量直径和分形维数均存在饱和含水量≈田间持水量＞田间持水量的70%＞风干土含水量的关系。显示初始含水量与冻融循环对团聚体的影响密切相关^[19]。刘佳等^[2]学者认为在不考虑其他因素情况下，随着初始含水量的增加，冻结过程中迁移的水分越多，迁移的时间越长，从而使土壤冻融作用更为强烈，冻胀更为严重，土粒间的黏结力变小，团聚体破碎效应显著，团聚体稳定性明显下降。当含水量过高占据所有孔隙时，团聚体之间或团聚体内部的压力失衡导致团聚体破碎效应最为剧烈，随着初始含水量的进一步增加，团聚体的破碎效应逐渐稳定，由初始含水量变化引起的团聚体稳定性变化差异逐渐减小，这与Sigrun H K等^[13]学者的研究结果一致。

土壤团聚体稳定性会随着冻融循环次数的增加逐渐降低并趋于稳定，这与Edwards L W^[17]研究的结果类似。这是因为随着冻融循环次数的增多，土壤孔隙度增大，不规则孔隙度增大，孔隙结构变化强烈，孔隙出现越来越多的分支。孔隙的变化导致土壤结构上不规则且更易破碎变形，因此随着冻融循环次数的增多，冻融的破碎作用逐渐增强，大团聚体破碎，团聚体水稳性下降。

1) 冻融循环对土壤水稳性团聚体有显著影响。本研究发现经过冻融循环后，>1mm水稳性团聚体组成比例和土壤团聚体平均质量直径显著降低(P < 0.05)，降低幅度分别为90.81%~97.43%和69.26%~75.06%，团聚体破坏率(PAD_0.25，PAD_1.0)与分形维数显著升高(P < 0.05)，并以PAD_1.0涨幅较大，达到91.78%~98.82%，可见，冻融循环现象削弱土壤的抗溅蚀能力，并且降低土壤团聚体的水稳定性。

2) 初始含水量是冻融循环的关键影响因素，在初始含水量较低为风干土含水量时，经过冻融循环后，冻融循环对水稳性团聚体平均质量直径与分形维数没有显著影响。随着初始含水量的增加，土壤粒级团聚体组成发生显著变化，>1mm的水稳性团聚体组成比例显著减小，平均质量直径降低69.26%，分形维数增加6.03%，冻融循环对水稳性团聚体起破碎作用。当初始含水量为田间持水量时，随着初始含水量进一步增加，冻融循环对土壤水稳性团聚体的破碎作用逐渐趋于稳定。

3) 冻融循环次数也是影响冻融循环中土壤团聚体稳定性的关键因素。随着冻融循环次数的增加，PAD_0.25，PAD_1.0显著上升，土壤团聚体颗粒破碎，平均质量直径逐渐降低，分形维数逐渐上升，10次冻融后，PAD_1.0达到87.04%~96.43%，均接近100%，平均质量直径降低了62.35%~71.18%，随着冻融循环次数的进一步增加，平均质量直径与分形维数逐渐趋于平缓，表明土壤团聚体稳定性会随着冻融循环次数的增加逐渐降低并趋于稳定。