1、 基金项目： 国家自 然科学基金项目 (41401243， 41771266)，重庆市应用开发计划项目 (cstc2014yykfC20002)， 土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金（ Y412201401）共同资 助。 * 通讯作者 () 作者简介：刘艳（ 1992 ），女，湖北荆州人，硕士研究生， 主要从事土壤团聚体和生态系统服务研究 。 E-mail: . 干湿交替下土壤团聚体稳定性研究进展与展望 刘艳 1,2， 马茂华 1，吴胜军 1，冉义国 1,2，王小晓 1,2， 黄平 1* (1 中国科学院水库水环境重点实验室， 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714； 2
2、 中国科学院大学，北京 100049) 摘 要 : 团聚体是土壤 结构 的基本单元，对土壤系统功能 （如结构稳定和肥力保持等） 至关重要。 而干湿交替是导致土壤团聚体演变 的 重要环境因子 ，显著影响团聚体稳定性 。本文回顾了 70 多年来 干湿交替对土壤团聚体 稳定性影响 的 研究 历程 ， 总结了 干湿交替条件下土壤团聚体粒径分布和水稳 性 的 变化 特征 ， 着重阐述了干湿交替对团聚体稳定性的影响机制 ， 以及 影响 干湿交替条件下 团聚体稳定性的 主要 因素， 并 比较分析了 近 80 年来 土壤 团聚体稳定性研究 的主要 方法 。 通过梳理发现， 尽管目前 报道了大量有关 干 湿交替
3、对 不同类型土壤 团聚体稳定性的影响，但是相关研究多集中在单一的土壤系统 中 ， 鲜有从复合生态系统的角度探索干湿交替复合作用过程与多重影响机制 。 同时，由于 不同 研究 所采用的 方法 差异较大 ， 导致 其结果 往往 可比性 较 差 。 由此 ， 本文提出了该领域 今后 潜在 的研究方向 ：（ 1）敏感脆弱区干湿 交替 下土壤团聚体形成和演变机制；（ 2）干湿交替 对土壤团聚体中化学污染物迁移转化的影响；（ 3） 新技术，如 CT 等 技术在团聚体 研究 中的应用 ；（ 4） 植物群落与土壤团聚体间交互作用 特征与机理 等 。 关键词 : 土壤团聚体 ； 结构 稳定性 ； 干湿交替 ；
4、生态系统功能 ； 断层扫描技术 中图分类号 : S152.4 文献标识码 : B 土壤团聚体是由砂粒、粉粒、粘粒在各种有机无机 胶结剂 的作用下粘结而成的基本土壤结构单元 1，其 稳定性 显著 影响土壤结构与功能 。 20 世纪下半叶，土壤团聚体的形成机制研究得到了突破性进展，相继提出了 Emerson 土壤团粒结构模型 2、微团聚体形成模 型 3、团聚体等级模型 4。土壤团聚体根据其粒径大小可以分为大团聚体 （ 0.25 mm） 和微团聚体 （ 2 mm, 12 mm, 0.250.5 mm） 下降4865%； 经过第 3 次干湿交替后，团聚体快速恢复到最初的 78100%，经过第 46 次
5、干湿交替后，土壤 团聚作用下降。 而 Sarah 和 Rodeh42在自然降雨和模拟降雨条件下对石灰土 团聚体 研究，发现灌木和无灌木地区微环境的团聚体粒径和稳定性均随降水量的增加而增大，且 增加 干湿交替次数 可提高土壤结构稳定性； 在国内， 王彬 40对哈尔滨市宾县黑土进行研究，结果表明干湿交替过程初期对大团聚体破 坏作用明显，且干湿交替可促进 粒径 2 mm）数量从占总土壤质量的 30%减少到 21%，且大团聚体经过了两次干湿交替后具有了抗水化性。而 Bravo-Garza 等 46认为，对于变性土，干湿交替促进水稳性团聚体的形成，增加大团聚体的数量。 虽然 不同 研究 的 干湿交替实验
6、 设计 和 供试 土壤性质有所区别，但 是 可以看出干湿交替影响团聚体水稳性，且作用程度与土壤类型、 干湿交替频率有关 。 因此， 需对比 不同 土壤类型 的团聚体稳定性对干湿交替响应 机制 研究。 同时 ， 鉴于 干湿交替对土壤团聚体稳定性研究多集中在单一 的土壤 系统中， 今后需加强对 干湿交替条件下 土壤 -植物复合系统 中植物 根系、 群落结构 等对团聚体水稳性的影响研究 。 表 2 干湿交替对团聚体水稳性的影响研究 Table 2 Effect of wetting and drying cycles on soil aggregate water stability 作者（日期）
7、地点 土壤类型与质地 干湿交替描述 主要结论 Bravo-Garza 等 （ 2010） 46 墨西哥利纳雷斯 变性土 室内干湿 交替 实验 1.干湿交替促进水稳性团聚体形成，增加大大团聚体 （ 2 mm） 数量。 陈晓燕等 （ 2010） 47 中国重庆 灰棕紫泥 人工模拟 降雨 1.水稳性土壤团聚体 （ 0.25 mm）含量的变化特征与降雨强度有密切关系 。 范云涛等 （ 2008） 48 中国陕西 ； 湖北 ； 黑龙江 黄土 ； 红壤 ； 黑土 ； 农耕地 Yoder 湿筛 1.红壤的团聚体稳定性最好 ， 其次 为黑土 ， 黄土 ； 2.不同湿润速度对红壤 MWD 的影响差异均显著；快速
8、湿润对黑土 、黄土 MWD 影响显著 。 Denef 等 （ 2001） 10 美国科罗拉多 粉砂壤土 室内干湿 交替实验 1.干湿交替降低大 大 团聚体数量 ； 2.经 2 次干湿交替后 大团聚体 具有抗水化性。 Barzegar 等 （ 1995） 49 澳大利亚 淋溶土 ； 变性土 室内干湿 交替实验 1.增加干湿交替次数，团聚体稳定性增强。 Utomo 和 Dexter （ 1982） 7 澳大利亚 细砂壤土 ； 红棕壤 室内干湿 交替实验 1.干湿交替对水稳性团聚体有显著影响 ； 2.经 2-4 次 干湿交替 后 ，免耕地团聚体的水稳性显著下降 ； 3.干湿交替 影响 土壤团聚体水稳
9、性 ，且与 耕作措施有关。 3 干湿交替下土壤团聚体稳定性的主要影响因素 第 7 页， 共 16 页 3.1 土壤理化性质 土壤有机质是参与土壤结构发育的重要物质 50， 直接 影响土壤的团聚过程，以及土壤结构稳定性对干湿交替的响应 51, 52。 一般认为，土壤有机质通过 降低土壤的浸湿程度和增加团聚体的粘聚度来提高团聚体稳定性。 例如， 微团聚体可在新鲜有机质的粘结作用下形成 大团聚体 ， 其水稳性与土壤有机质的动态变化紧密相 关 ，且颗粒态有机质对大团聚体具有直接或间接 的稳定 作用 53。除此之外， 土壤有机质的减少不仅会导致水稳性大团聚体减少 54， 而且会使可分散性粘粒大量增加 ，
10、从而导致有机 胶结剂 氧化，降低土壤团聚体稳定性 52。但也有学者指出土壤有机质中的有机阴离子，如黄腐酸根、柠檬酸根、草酸根等，会增加粘粒扩散，降低微团聚体稳定性 30。 同时干湿交替可能会导致已有的团聚体中有 机物质暴露分解 ， 促进团聚体的形成 ， 并在微生物参与下实现团聚体周转和物质的循环 11。 近些年，有关颗粒有机质 （ Particulate Organic Matter, POM） 对团聚体稳定性的作用研究逐渐受到关注。已有研究表明在干湿循环 2 次左右 POM 可促进大团聚体的形成 10， 且 POM 还是微团聚体中的重要组分 ，能免受微生物分解和干湿交替干扰。 影响 土壤团聚
11、体对干湿交替响应的 理化性质 还包括 土壤矿物组成及质地、初始含水量、 孔隙度等方面 。 不同矿物组成和质地 的土壤， 其 粘土矿物含量有所差别， 且 团聚体间的孔隙连通性也不 相同 ， 故不同质地的土壤 抗干湿交替胁迫能力 也 不同， 从而对 团聚体的粒径大小及稳定性 的影响也有差异 。 例如 ， Gregory 等 55对英国贝德福德郡（ Bedfordshire） 的 钙质土、棕砂土 进行 对比 研究， 发现粘土比砂壤土更易受到干湿交替的影响。 初始含水量影响土壤团聚体对干湿交替的响应， 大部分研究表明 初始含水量影响土壤入渗速率及土壤的团聚作用 、 水化力大小， 并在 一定程度上决定了
12、团聚体的破碎机制 56-58。 早在 20 世纪 60 年代， 初始含水 量 对团聚体稳定性的影响 就已经受到关注 59，但 有关 其对不同类型土壤的作用还尚未 得出一致结论。王彬 40对黑龙江黑土进行研究，发现初始含水量增加会降低团聚体稳定性；但周杰等 60对中国西南喀斯特地貌的石漠化土壤进行研究，指出初始含水量的增加有利于团聚体的稳定。 团聚体自身的孔隙度是影响其响应干湿交替的重要因素， 尤其对于 水稳性团聚体 ，其高孔隙度保证了其渗水能力 ，减缓干湿交替的破坏作用。 近 十 年来 ， 有关 土壤理化性质影响 土壤团聚体对干湿交替响应的 研 究 热度明显上升 ，主要集中在土壤有机质、初始含
13、水率 的影响。 就有机质而言， 尽管目前对 POM 的研究已逐渐深入到其在各类团聚体中的周转及 POM 中碳 、氮 赋 存 规律的研究 ， 但 POM 在团聚体形成过程中的作用机理和 周转 ，以及与影响 POM 作用的 因素 （如粘粒含量、干湿交替） 之间的相互作用 尚 不明晰。 鉴于目前 有关 初始含水量对不同地区 、 不同特征的土壤团聚体稳定性影响 研究的 结果的不一致性， 今后还需加强 土壤含水量对团聚体形成和稳定的 影响机制研究，以及不同性质土壤间的对比性研究 。 另外，对于 受到强烈人为活动干扰地区的土壤，其理化性质影响团聚体对干湿交替响应的机制及特征也有待研究。 3.2 植物根系
14、土壤团聚体与植被根系密不可分 ， 大团聚体水稳性极大地依赖于植被根系和菌丝 4。 植 物 根系分泌 的 过渡性胶结剂 （如多聚糖） ， 并由此衍生的持久性胶结剂（如芳香烃类腐殖质） 都有利于团聚体的形成和稳定 52，增强团聚体抗水化能力 。 根系分泌物 除了可作为胶结剂外，还可为土壤微生物提供营养物质，从而 直接或间接 影响土壤团聚过程。 Niu 等 61研究表明， 无芒隐子草的根系可提高砂壤土团聚体的粘聚力和土壤 抗水蚀能力 ； 莞亚茹 等 62模拟 根系分泌物， 证 实 了 低分子量根系分泌物中的葡萄糖组分可促进黑土中微团聚体的形成， 且 谷氨酸和苹果酸有利于微团聚体胶结成大 团聚体。 植
15、物根系 还 可增加土壤团聚体内部的团聚度与孔隙数量， 提高土 壤渗水能力 ， 降低 干湿交替的影响。例如 由政等 63对黄土高原退耕地不同演替阶段的 茵陈蒿（前期）、铁杆蒿（中期）、白羊草（后期）的 根系与团聚体稳定性之间的关系 进行研究 ，发现 植物根系的长度、直径的增加可改善土壤孔隙结构，且 表层 0.52 mm 的根系特征（根长、表面积、生物量）与团聚体稳定性极显著相关 ；第 8 页， 共 16 页 Qu 等 64对中国岷江上游干旱河谷地区的石灰性始成土进行研究，指出在生态系统演替初期，先锋植物 （ 如细裂叶莲蒿 ） 的根系生长有利于 形成 健康的土壤团聚体， 提高土壤 结构 稳定性，并
16、促进 退化生态 系统的后续演替 。 近年来 ，国内 外有关 植物根系对 团聚体稳定性的影响主要集中在 对 作物 （ 如大豆、小麦、玉米 ）和 草本 （ 如 白三叶 、 苜蓿、冰草 ） 研究 上 ， 其次是 灌木（如 柠条、沙棘 ）和 乔木（如刺槐） 。 植物根系对生态系统的不同演替阶段土壤团聚体的形成与稳定具有重要作用 ， 然而 干湿交替条件下， 不同演替阶段植物及其根系的适生特征对土壤团聚体稳定性的影响机制尚不明晰 ， 有待进一步研究。 3.3 土壤动物 一般而言 ，含较多团聚体的土壤中有大量中型动物区系 （ Mesofauna） 和广动物区系（ Macrofauna）的种群 52。细菌和真
17、菌在 微 尺度上（ mcm）团聚和 稳定土壤结构，而蚯蚓和白蚁在 小 尺度（ mmm）上影响团聚体结构和土壤稳定性 52。对土壤团聚体粒径 分布 影响 较大 的土壤 动物 主要 包括蚯蚓和白蚁 28。蚯蚓主要通过挖掘洞穴和生成排泄物影响 土壤 团聚体的形成和稳定 52，但 并 非 所有的蚯蚓都对团聚体有重要的影响。根据蚯蚓的取食和排泄习性可以将其分为表栖类、深土栖类、内栖类 52，其中深土栖类和内栖类主要通过内脏消化土壤或落叶等后形成的排泄物 影响 土壤团聚体 形成 52, 65。蚯蚓可以调节大团聚体和微团聚体的形成，并通过其血管束的粘合作用和肠道的消化作用以及排泄物的固定作用增加土壤团聚体的
18、稳定性 28，且蚯蚓粪影响着大团聚体的抗水化性 52。尽管目前白蚁对土壤团聚体的影响机制还不明确，但 是 有部分研究表明有些白蚁物种可以影响土壤的微团聚体。例如， Six 等 28认为仅仅只有富含有机质和可交换阳离子的白蚁物种才可以改善土壤结构，提高稳定性； Jungerius 等 66对 肯尼亚的埃尔多雷特（ Eldoret）南部地区的 食土白蚁 研究，发现该白蚁 通过取食土壤物质，将其在肠道系统内消化， 并储存在粪球内排出，促进微团聚体的形成 。 目前， 有关土壤动物影响团聚体的研究多集中在蚯蚓 的研究上，其它动物 种类相对 较少。 尽管蚯蚓对土壤团聚体有着不可忽视的影响，但研究不同地区
19、独特 土著动物对土壤结构稳定性的影响也有重要意义， 这对改善 区域 植物生长环境和土壤稳定性有不可忽视的作用 。从系统的完整性考虑，土壤动物 与其他环境因素（如根系）的相互作用也是今后需要研究的科学问题。此外，土壤动物 对干湿环境的适应活动，影响土壤团聚体 稳定性 ，但干湿交替这种对土壤团聚体稳定性的间接影响机制还不清楚。 3.4 微生物群落 微生物群落主要通过影响土壤颗粒粘结以及分解或合成有效 胶结剂 直接 影响团聚体的稳定性67。 Cosentino 等 68研究表明真菌对土壤的物理缠结、 胞外多糖和疏水物质的形成具有重要作用 ，其生物量与团聚体稳定性之间有较好的相关性。 微生物生物量大小
20、和群落组成的差异影响土壤 团聚体对干湿交替的 响应 。 例如 Denef 等 69对美国科罗拉多州 的 粉砂壤土进行 研究 ，发现进行杀真菌剂处理后的土壤中没有形成大 大 团聚体 ，这表明 真菌 在水稳性大团聚体的形成过程中起着重要作用 。另外， 多数情况下干湿交替对微生物群落的影响 受 土地利用 方式 的限制 。 Fierer 等 9对美国加利福利亚大学塞奇威克自然保护区 土壤 进行研究，发现 干湿交替影响 橡树土 壤的细菌群落组成， 而对草地影响较小 ； Gordon 等 11对英国兰开夏郡牧场的 棕壤 土 研究发现，干湿交替极大地减少了微生物生物量碳、真菌磷脂脂肪酸以及真菌细菌的磷脂脂肪
21、酸比值。 除此之外 ，干湿交替对细菌和真菌的影响也有所差别。 例如， Butterly 等 70对添加了葡萄糖 、淀粉、纤维素 的深色淋溶土进行研究 ， 发现 干湿交替降低了真菌的含量，而 细菌 革兰氏阳性菌有所增加 。 近十年来，国内有关微生物影响团聚体对干湿交替的响应研究多集中在团聚体养分 迁移与转化的机制上，多数研究认为在干湿交替条件下，微生物通过呼吸作用及 其 对土 壤团聚体中养分的矿化作用来影响 C、 N 等 营养元素的迁移转化 ；国外 除了上述研究方向外，还 侧重于 干湿交替条件下团第 9 页， 共 16 页 聚体与微生物之间的 相互 作用 ，如团聚体对微生物的保护机制研究、微生物
22、对团聚体稳定性的影响等 。 为此， 今后需 开展干湿交替下 不同土壤 类型 团聚体的响应机制研究， 尤其是微生物学机制， 以及 微生物与其它因素（如根系）对团聚体的 交互 作用研究。 3.5 土地利用管理措施 土地利用 与田间管理 方式 （如地表覆盖、耕作制度）影响土壤的孔隙结构、导水率，及土壤中有机质的分布，从而 间接 影响土壤团聚体对干湿交替的响应。 有研究表明，团聚体 粒 径分布及稳定性 变化的 66.6%是由土地利用类型变化引起 71。 目前，不同的耕作制度（包括少耕 、 传统耕作 和 免耕）对团聚体的影响是研究热点 72-74。 研究表明 不同的耕作制度对团聚体的影响有所差别，免耕更
23、有利于团聚体稳定。 例如， lvaro-Fuentes 等 75对西班牙萨拉戈萨省旱地农田研究，比较了传统耕作、少耕 和 免耕对土壤团聚作用的影响，发现其对土壤结构的改善作用依次增强，且耕作强度的降低有利于增强团聚体水稳性 ； Hontoria 等 76对西班牙卡尼亚梅罗 红壤 地区的 表层 砂壤土 研究发现 ， 与传统耕作相比， 免耕 土壤在 6 年后 其 表层土壤（ 5 mm） 90。尽管近年来部分学者利用 CT 技术在团聚体尺度开展 了一些研究，如周虎等 91应用同步辐射显微 CT 对第四纪红黏土母质的水稻土中团聚体结构进行了分析 ，但是 在团聚体和微孔隙尺度上开展的研究较少。 总体而言
24、，土壤团聚体粒径分析和稳定性评价 经历 从定性描述到定量分析，从人工实验操作到与电脑数字化 相 结合 的发展过程。研究方法的改进 降低 了人为因素对土壤结构的破坏作用， 并 逐步实现了土壤团聚体结构分析的可视化，提高了分析结果的精确度和可靠性。 目前研究多结合 Yoder湿筛法及 CT 技术对土壤团聚体粒径和稳定性进行分析 。 CT 技术以其对土壤结构不具破坏作用而受到广泛关注，但 其 图像精 确度的提高有赖于算法的改进。且有研究表明， X 射线影响团聚体中微生物的数量及代谢活性 92，这在一定程度上限制了 CT 技术在团聚体 中微生物的 分布特征及演变 研究上的应用。今后需加强 CT 技术图
25、像处理的算法研究，提高图像精确度 ，同时 加强 低危害性辐射源第 10 页， 共 16 页 的开发 ，减少其对土壤结构中生物的影响， 从而促进 CT 技术在多尺度土壤结构研究中的应用 。除此之外，针对不同类型及处于不同环境条件下（如干湿交替、冻融交替等）的土壤，标准的采样方法和土样前处理采样步骤亟待建立， 以提高研究结果的可比性 。 表 3评价 团聚体稳定性的重要研究方法 Table 3 Important researches of the critical methodologies on analyzing soil aggregate size distribution and sta
26、bility 研究方法 作者 衡量参数 特点 外力 分散类 Yoder 湿筛法 78 Yoder（ 1936） MWD 1.破坏水稳性团聚体； 2.团聚体分析基于水化特性。 水滴法 15 McCalla（ 1944） 水滴数 1.水滴影响团聚体膨胀，易形成致密层； 2.与水滴对团聚 体的击打程度 及水滴温度、大小 有关 ，且 受土壤温度和湿度影响。 人工降雨模拟法 79 Young（ 1984） MWD 1.通过描述土壤对侵蚀力的敏感度来评价团聚体稳定性； 2.相对于田间实验，简单易行； Le Bissonnais 法 80 Le Bissonnais（ 1996） 块度分布， MWD 1.考
27、虑各种团聚体崩解机制，包括水化，膨胀，雨滴破碎，物理化学分散； 2.可用于比较不同土壤或气候条件下土样的团聚体稳定性。 数字 设备类 超声波法 81,82 North（ 1976） Zhu 等 （ 2009） 球面直径 2 mm 颗粒的重量百分率 1.产生稳定的悬浊液，不会显著影响土壤悬浊液的 PH 和导电性； 2.尤其适用于石灰性土壤和含有大量蒙脱土和有机质的土壤。 双能量 X 射线断层扫描技术 83 Rogasik 等（ 1999） 异质度 Hounsfield 单位的加权平均数标准差 1.使土壤结构可视化，不破坏团聚体结构； 2.可观察微尺度水平土壤结构的 3D 形态； 3.使用两种不同
28、能级进行扫描，减小含水量对含有粘粒矿物土壤结构的影响； 单光子发射计算机化断层显像技术（ SPECT） 84 Perret 等（ 2000） 放射性 1.示踪物空间分布定量化； 2.定量描述无干扰的土柱优势流空间分布； 3.可用于实时分析。 激光衍射法 85,86 Shein 等（ 2006） Eshel 等（ 2004） 土壤颗粒的体积百分比；折射率（ Refractive Index） 1.测量激光散射角度分析团聚体粒径分布； 2.计算出的粘粒含量小于移液管计算的含量，但砂粒含量高于移液管法计算的含量。 其它 转移矩阵法 87 Niewczas 和 Witkowska-Walczak（ 2003） 团聚体稳定指数 1.随机 性； 2.包含不同方法测得的团聚体稳定性结果； 3.适用于评价不同粒径的团聚体稳定性。 5 研究 展望 干湿交替在自然界中普遍存在， 其对土壤团聚体形成和稳定具有关键作用 ， 相关研究 越来越受到重视。 干湿交替影响胶结剂的合成和分解， 并在各类因素的直接或间接作用下，共同影响团聚体稳定性。复合生态系统 对团聚体稳定性具有 多重影响机制， 但目前针对干湿交替影响团聚体的研究
