土壤团聚体是保证和协调土壤中的水肥气热，影响土壤酶的种类和活性，维持和稳定土壤疏松熟化层的关键因素^[1]，其稳定性是评价土壤质量的重要指标^[2-3]。同时团聚体稳定性影响着土壤剥离、搬运、结皮及水分入渗等土壤侵蚀的各个过程^[4]，是预测土壤抗侵蚀能力的良好指标^[5-6]。团聚体的稳定性与粒径分布由交换性阳离子、黏土矿物、有机质、铁、铝氧化物等内因和气候、成土过程、生物因素及农业管理措施等外因共同决定^{[3, 7]}。有研究^[8]表明热带土壤中铝氧化物对土壤的团聚作用比有机质更强。有学者^[9]在我国江西发现，铁、铝氧化物是红壤微团聚体(< 0.25mm)的主要胶结物质，有机质是红壤大团聚体(≥0.25~2.00mm)的主要胶结物质。且有研究^[10]也表明铁铝氧化物与有机质含量是影响我国南方土壤团聚体稳定性的主要因素。

酸雨会通过改变土壤的酸碱条件，土壤胶体的稳定性以及土壤胶结物质的数量和性质来影响土壤团聚体^[11]。模拟酸雨淋溶浙江杭州红壤的实验^[12]表明，水稳性大团聚体的含量随酸雨pH值的降低、持续时间的延长而减少且酸雨导致团聚体破坏率增高、稳定性降低。模拟酸雨淋溶紫色土与黄壤的研究^[13]表明，酸雨的酸度愈大、降水时间愈长，土壤微龟裂密度越大、数量越多，从而破坏了微团聚体的结合，使水分运行加快，渗漏和毛管蒸发作用增强。酸雨区与非酸雨区土壤物理性质对比表明，酸雨区土壤孔隙的连续性下降，土壤团聚状况较差^[14]。

重庆市气候湿润多雨，土壤长期被酸雨湿润。虽然自2011年以来重庆市酸雨问题不断好转，但酸雨问题一直存在，2017年均降水pH值为5.59，酸雨频率为15.3%，其中pH值为3~5的降雨占酸性降雨的52%。黄壤是重庆市的重要土地资源，占土地面积的28.78%。目前，有关酸雨对黄壤的影响的研究主要集中在土壤酸化、土壤酸缓冲能力、土壤矿物风化等方面^[15-17]，而针对团聚体稳定性的研究较为薄弱。笔者通过模拟酸雨湿润团聚体实验，采用LB法研究酸雨湿润下不同粒级团聚体稳定性的动态变化，旨在为重庆乃至我国西南地区的水土保持工作提供一定的依据。

供试土壤采集于重庆市缙云山，该区域属中纬度地区，为典型的亚热带季风性气候，年均气温13.6℃，年降水量1611.8mm，年均蒸发量777mm，年均日照时间1293.9h。土壤主要由三叠纪须家河组厚层石英砂岩、灰质页岩和泥质页岩为母质发育形成。黄壤分布面积1382.2hm²，是保存较好的亚热带地带性土壤。

采样地为20世纪60年代砍伐森林后开垦的坡耕地(坡度为9°)，主要作物有玉米(Zea mays)、红薯(Ipomoea batatas)以及蚕豆(Vicia faba)等。土壤发育自泥质页岩，平均深度为80~120cm，剖面构型为耕作层-心土层-母质层。供试土壤样品按照对角线法取样，取耕作层(0~20cm)土壤样品，采样后混匀、风干，并挑出杂物。一部分土样用于土壤理化性质分析(表 1)，采用吸管法测定机械组成，重铬酸钾外加热法测定有机质，乙酸铵交换法测定阳离子交换量，环刀法测定密度，电位法(水土比为2.5:1)测定pH。其余土样干筛制备不同粒级团聚体，并测定团聚体粒径分布(表 2)。采用Le Bissonnais法^[18]测定>5~7mm、>3~5mm、>2~3mm和≥1~2mm团聚体的稳定性。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤基本理化性质 Tab. 1 Basic physical and chemical properties of the soil 机械组成Mechanical composition/% 土壤有机质SOM/(g·kg-1) 阳离子交换量CEC/(coml·kg-1) 密度Bulk density/(g·cm-3) pH 砂粒Sand 粉粒Silt 黏粒Clay 13.69 54.22 32.09 20.78 10.85 1.28 4.78 注：砂粒：>0.050mm；粉粒：≥0.002~0.050mm；黏粒：< 0.002mm。Notes: Sand: >0.050mm; silt: ≥0.002-0.050mm; clay: < 0.002mm. SOM stands for soil organic matter. CEC stands for cation exchange capacity.

表 1 土壤基本理化性质 Tab. 1 Basic physical and chemical properties of the soil

表 2(Tab. 2)

表 2 干筛土壤团聚体粒径分布 Tab. 2 Aggregate size distribution of studied soil according to dry-sieving 团聚体粒级Aggregate size/mm >5~7 >3~5 >2~3 ≥1~2 比例Proportion/% 15.7 26.3 36.6 21.4

表 2 干筛土壤团聚体粒径分布 Tab. 2 Aggregate size distribution of studied soil according to dry-sieving

按照当地酸雨类型^[19]，用分析纯硫酸和硝酸按摩尔比6:1配制母液，之后用去离子水将母液稀释为pH=1、3和5的供试酸性溶液。用去离子水和供试酸性溶液分别湿润初始粒级>5~7mm、>3~5mm、>2~3mm和≥1~2mm土壤团聚体，3次重复。湿润方法采用模拟干湿交替的实验方法^[20]，即在托盘上放置3cm高的PVA海绵，添加溶液至2.5cm (-0.3kPa吸力)，之后将100g土样置于海绵表面并将托盘放入25℃恒温室中，实验期间用相应溶液维持托盘内水头。用去离子水处理的土样在湿润2h后取出烘干(即为1次干湿交替过程)并测定团聚体稳定性，被酸性溶液湿润的土样在实验开始后的第5、10和15天取出烘干并测定稳定性。将用去离子水处理的土样的团聚体稳定性作为本底值，以消除实验过程中干湿交替本身对团聚体稳定性的影响。为方便说明，将被pH=1、pH=3和pH=5酸性溶液湿润的土样分别记作处理T_pH1、处理T_pH3和处理T_pH5。

团聚体稳定性的测定采用Le Bissonnais法^[18]，该方法分别采用快速湿润(fast wetting, FW)，预湿润后震荡(shaking after pre-wetting, WS)和慢速湿润(slow wetting, SW)的方法测定消散作用(slaking)，机械破碎作用(mechanical breakdown)及黏粒非均匀膨胀作用(differential swelling)3种不同破碎机制下团聚体的稳定性。

将待测土样放入40℃烘箱中48h，使土样含水率一致，进行以下处理：

1) 快速湿润：将5~10g土壤团聚体倒入装有50mL去离子水的烧杯中，静置10min后用移液管移出多余的水。

2) 预湿润后震荡：将5~10g土壤团聚体倒入装有50mL体积分数为95%的酒精的烧杯中静置30min，用移液管移出多余酒精并将团聚体倒入装有50mL去离子水的250mL锥形瓶中。在锥形瓶中加去离子水至200mL，塞紧瓶盖，上下颠倒20次，静置30min后用移液管移出多余的水。

3) 慢速湿润：将5~10g团聚体静置于张力为-0.3kPa的滤纸上60min。

将经过以上3种处理的团聚体分别用酒精轻轻冲洗至0.05mm的筛子内，在酒精中螺旋震荡5次(幅度3cm)，之后收集筛子上的团聚体颗粒并在40℃条件下烘干。最后将烘干后>0.05mm的颗粒通过套筛进行筛分(>2.00mm、>1.00~2.00mm、>0.50~1.00mm、>0.25~0.50mm、>0.10~0.25mm、>0.05~0.10mm)并称质量。≤0.05mm的颗粒质量由初始质量减去后>0.05mm的颗粒的质量之和得到。

土壤团聚体稳定性采用平均质量直径(mean weight diameter, MWD)表示：

式中：n为筛子的数量；(r_i-1+r_i)/2为相邻2级团聚体的平均粒径，mm；m_i为第i粒级团聚体占所取土样的比例，%。对于快速湿润、预湿润后震荡和慢速湿润处理下MWD值分别采用MWD_FW、MWD_WS和MWD_SW表示。

为体现酸雨对MWD的影响以及消除干湿交替的作用，采用变化率^[20](即不同pH酸性溶液处理下各粒级土壤团聚体MWD与相应粒级本底值的比值)表示酸雨湿润对团聚体的作用。当变化率>1时，酸雨对团聚体稳定性具有增强作用，反之亦然。

使用Excel 2010和SPSS 25进行数据整理与分析。采用单因素方差分析与LSD检验各处理的差异，显著水平为P < 0.05。

不同破碎机制下，团聚体MWD随粒级的增大而增大(图 1)。各粒级自然黄壤土样MWD_FW < MWD_SW < MWD_WS，且不同破碎机制之下MWD差异显著，这表明消散作用对黄壤团聚体的破坏作用最大，其次是黏粒非均匀膨胀作用，机械破碎作用对团聚体的破坏作用最小。

图 1(Fig. 1)

不同大写字母表示同一处理不同粒径之间MWD差异显著，不同小写字母表示同一粒径自然土壤与本底值差异显。 Different capital letters indicate difference significant in MWD (mean weight diameter) for the same treatment at different soil size classes, and different lowercase letters indicate difference significant in MWD for the same soil classes between natural soil aggregate and background value. MWDFW, MWDWS and MWDSW represent MWD under fast wetting, shaking after pre-wetting, and slow wetting respectively. 图 1 自然土壤团聚体MWD以及本底值 Fig. 1 Natural soil aggregate MWD and the background value

在经过1次干湿交替后，MWD_FW小幅度上升，团聚体稳定性与自然条件下无显著差异，而各粒级团聚体MWD_WS和MWD_SW有不同程度的下降，下降幅度分别为2.4%~32.1%和18.5%~31.2%。干湿交替会影响团聚体内部孔隙，促进狭长孔隙的形成，这类孔隙对土壤中水分和空气的运输具有重要的作用^[21-22]，孔隙结构的改变可能略微提升了团聚体对消散作用的抵抗能力^[19]。在干湿交替过程中，由于土壤矿物颗粒的膨胀和收缩的程度不同产生的微小裂痕会使团聚体在经受WS与SW处理时更加容易破裂^{[18, 23]}。

经酸性溶液湿润后，各粒级团聚体MWD_FW增大(图 2)。实验结束后(15d)，处理T_pH5中初始粒级>5~7mm、>3~5mm、>2~3mm和≥1~2mm团聚体MWD_FW分别上升22.6%、36.2%、53.5%和97.8%。其中除>5~7mm团聚体MWD_FW未显著增大外，其余粒级都有显著增大，且团聚体粒级越小，增大的幅度越大。处理T_pH3中，除了在第5天与第10天>3~5mm团聚体以及在第15天≥1~2mm团聚体MWD_FW显著低于处理T_pH5、T _pH3和T_pH5，2种处理之间无显著差异。对于处理T_pH1，各粒级团聚体MWD_FW随时间迅速上升，在第15天时显著高于其他2种处理。整体来看，MWD_FW在T_pH1、T_pH3和T_pH5 3种处理下的平均变化率为1.99、1.30和1.43。

图 2(Fig. 2)

小写字母不同代表变化率存在显著差异，下同。 Different lowercase letters indicate significant differences in rate of change. The same below. 图 2 酸雨湿润对不同粒级团聚体MWDFW的影响 Fig. 2 Effects of acid rain wetting on aggregate MWDFW among different aggregate sizes

酸雨湿润后团聚体MWD_WS变化情况如图 3所示。总体来看，处理T_pH1、T_pH3和T_pH5下MWD_WS的平均变化率分别为1.03、1.22和1.19。对于T_pH1，各粒级团聚体MWD_WS先降低后上升。T_pH3和T_pH5基本无显著差异，其中>5~7mm、>2~3mm团聚体变化幅度较小(变化率0.85~1.19)，≥1~2mm、>3~5mm团聚体MWD_WS随实验时间逐步增大。在第15天时，处理T_pH3中>3~5mm和≥1~2mm团聚体MWD_WS显著增大40.1%和52.8%；处理T_pH5中>3~5mm和≥1~2mm团聚体MWD_WS显著增大47.4%和52.7%。

图 3(Fig. 3)

图 3 酸雨湿润对不同粒级团聚体MWDWS的影响 Fig. 3 Effects of acid rain wetting on aggregate MWDWS among different aggregate sizes

本实验中，酸雨湿润总体上提升了团聚体抵抗消散作用与机械破碎作用的能力。自然条件下，土壤团聚体MWD_FW与MWD_WS间有显著的正相关关系，且二者与土壤中铁、铝离子含量呈显著的正相关关系^[24]。最近的研究^[25]也表明：MWD_FW与MWD_WS之间相关关系显著，且受无定形与络合铁离子含量影响最为显著。酸性条件会促进土壤中游离态的铁、铝离子向无定形态与络合态转化^{[12, 26]}。黄壤中含有大量的铝元素，酸性环境可能促使土壤铝离子向无定形态与络合态转化，从而提高了T_pH3和T_pH5处理中团聚体抵抗消散作用与机械破碎的能力。此外，根据Wu等^[27]的研究，自然条件下MWD_FW与MWD_WS随土壤pH的降低而升高；Regelink等^[28]也发现土壤pH越低则土壤团聚体稳定性越高。这一现象是因为pH降低增强了水合铁、铝氧化物和黏土矿物对有机质的吸附能力，使矿物表面可以负荷更多的腐殖酸^[29-30]；pH降低还可以降低负电荷物质(黏土矿物、有机质)之间的静电斥力^[31-32]。静电斥力的降低会抑制团聚体分散，提高团聚体的稳定性^[33-34]。因此，酸性溶液也可能降低土壤的pH从而提升团聚体的稳定性。

与FW与WS处理的情况相一致，不同粒级团聚体在相同酸性溶液作用下MWD_SW的变化情况不同(图 4)。处理T_pH3与处理T_pH5下各粒级团聚体变化趋势基本相同，>5~7mm团聚体在第5天显著降低后无显著变化；>3~5mm和>2~3mm团聚体第5天显著降低后在第10~15天时有所上升，在实验结束时与本底值无显著差异；≥1~2mm团聚体无显著变化。这可能是因为酸性环境促进有机质溶解从而降低大团聚体稳定性，也有可能是因为酸的作用改变了黏土矿物的结构^[14]。而在T_pH1中，团聚体MWD_SW变化幅度较大，第10天和第15天时，被pH=1的酸性溶液湿润的团聚体MWD_SW显著高于被pH=3，pH=5湿润的团聚体。总体来看，处理T_pH1、T_pH3和T_pH5下MWD_SW的平均变化率分别为1.48、0.78和0.88。

图 4(Fig. 4)

图 4 酸雨湿润对不同粒级团聚体MWDSW的影响 Fig. 4 Effects of acid rain wetting on aggregate MWDSW among different aggregate sizes

综合3种破碎机制来看，处理T_pH1、T_pH3和T_pH5下MWD平均变化率分别为1.50、1.10和1.16，变化率变异系数为0.45、0.27和0.25。由图 2、3和4可知，在处理T_pH3和T_pH5之间，同一初始粒级团聚体的稳定性基本无显著差异，而在处理T_pH1中，团聚体稳定性变化的幅度远高于处理T_pH3和T_pH5。在pH < 2.5时，土壤矿物被破坏并生成新的矿物，这一过程还伴随着大量阳离子与铁铝离子的溶出^[35-36]，从而极大程度地改变土壤性质。不同粒级团聚体在相同酸性溶液作用下MWD变化情况不同，这一结果可能由于不同粒级团聚体中胶结物质不同^[37-38]，而酸对不同胶结物质的影响不同，其中机理还需深入研究。

有模拟酸雨淋溶赤红壤的实验^[39]表明酸雨显著降低了土壤团聚体在快速湿润处理下的稳定性，略微提升了团聚体抵抗机械破碎和黏粒非均匀膨胀的能力。本实验结果与其结果的差异可能来源于实验方法与土样的不同。本实验采取了酸性溶液湿润团聚体的方法，这样减少了土壤中各元素因淋溶作用的流失，且赤红壤中黏土矿物主要为1:1型的高岭石，而黄壤中含有大量2:1型的蛭石^[40]。

为深入了解酸雨湿润对团聚体稳定性的影响，对酸雨湿润后不同破碎机制下团聚体粒径分布百分比进行分析。在FW处理下(图 5)，处理T_pH3和T_pH5中 < 0.10mm的团聚体质量大幅下降；>0.10~0.25mm团聚体质量显著增加；>1.00~2.00mm团聚体质量有所提升，且团聚体初始粒级越小，这种现象越明显，其余粒级有所波动，但变化不大。以T_pH5处理下>3~5mm团聚体为例，湿润过程中 < 0.10mm的团聚体质量平均下降36.2%；>0.10~0.25mm团聚体增加14.7%；>1.00~2.00mm团聚体增加了4.9%。而处理T_pH1中>1.00mm团聚体质量随实验时间显著提升。

图 5(Fig. 5)

第0天代表本底值。下同。 The value in day 0 represents the background value. The same below. 图 5 酸雨湿润下FW处理团聚体粒径分布 Fig. 5 Aggregate size distribution after FW treatment after acid rain wetted

由图 6可知，在WS处理下酸雨湿润后初始粒级为>5~7mm和>3~5mm的团聚体与初始粒级为>2~3mm和≥1~2mm的团聚体粒径分布出现显著差异。T_pH3和T_pH5处理下初始粒级>2~3mm、≥1~2mm团聚体中>1.00~2.00mm团聚体质量分数大幅增大(平均提高35.3%)，且初始粒级>2~3mm团聚体中>2.00mm团聚体大幅减少，而初始粒级>5~7mm和>3~5mm团聚体中>1.00~2.00mm团聚体质量分数小幅提升(平均提高8.3%)，初始粒级>3~5mm团聚体中>2.00mm的团聚体质量分数随时间逐步上升。处理T_pH3和T_pH5中 < 0.10mm和>0.25~1.00mm团聚体都有所减少。与FW相同，处理T_pH1下>1.00mm团聚体质量随实验时间显著提升。

图 6(Fig. 6)

图 6 酸雨湿润下WS处理团聚体粒径分布 Fig. 6 Aggregate size distribution after WS treatment after acid rain wetted

酸雨湿润后，SW处理下团聚体粒径分布见图 7。对于T_pH3和T_pH5处理，除T_pH5中初始粒级>3~5mm团聚体在第15天>2.00mm团聚体质量分数上升到本底值外，其他处理>2.00mm团聚体质量分数都小于本底值，平均下降15.0%；< 0.10mm团聚体质量分数平均下降9.7%；>0.25~0.10mm团聚体质量分数平均上升13.2%，此外初始粒级>3~5mm团聚体中>1.00~2.00mm团聚体质量提升19.3%，高于其他处理，而>2.00mm团聚体比其他处理下降地更多。

图 7(Fig. 7)

图 7 酸雨湿润下SW处理团聚体粒径分布 Fig. 7 Aggregate size distribution after SW treatment after acid rain wetted

整体来看，酸雨湿润会促进 < 0.10mm的团聚体凝聚，并且>0.10~0.25mm的团聚体在FW和SW处理下稳定性较高。这与Tisdall等^[41]得出的>0.02~0.25mm的团聚体在快速湿润中具有较高的稳定性的结论一致。此外，T_pH3和T_pH5处理下初始粒级>5~7mm、>3~5mm、>2~3mm团聚体中>2.00mm的水稳性团聚体平均变化率分别为0.87、0.98、0.23，初始粒级>2~3mm团聚体中>2.00mm的水稳性团聚体大幅减少。这一现象可能是由于实验土样中>3mm的团聚体与≤3mm团聚体本身所含胶结物质不同。

本实验以重庆坡耕地黄壤为研究对象，对不同粒级团聚体进行模拟酸雨湿润试验后得出以下结论：消散作用是黄壤团聚体破碎的主要机制。酸雨湿润对不同破碎机制下团聚体稳定性的影响不同，此外被同一酸性溶液湿润后，不同粒级团聚体MWD以及粒径分布的变化有所差异。总体来看，被pH值为3、5的酸雨湿润后，黄壤团聚体抵抗消散作用与机械破碎作用的能力提升，而抵抗黏粒非均匀膨胀作用的能力下降，且pH值为3、5的酸雨对团聚体稳定性的影响差异不大。被pH值为1的酸雨湿润后，MWD的变化幅度远高于pH值为3、5的酸雨。酸雨湿润会促进 < 0.10mm的团聚体凝聚，新形成的>0.10~0.25mm的团聚体在快速湿润和慢速湿润处理下稳定性较好。但是酸雨对团聚体MWD_FW、MWD_WS的提升可能是以土壤酸化为代价的，长期的酸雨湿润会使黄壤中的铝活化和释放，从而危害生态环境。