冻融循环作用对东北农田黑土团聚体及有机碳的影响

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0080

中国农学通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (23): 53-59.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0080

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冻融循环作用对东北农田黑土团聚体及有机碳的影响

朱帅¹(), 李仕勇¹, 姜泊宇¹, 赵文熠¹, 赵茂杰¹, 陈一民², 隋跃宇², 焦晓光¹()

¹ 黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080
² 中国科学院东北地理与农业生态研究所，中国科学院大学，哈尔滨 150081

收稿日期:2024-01-22 修回日期:2024-06-24 出版日期:2024-08-09 发布日期:2024-08-09
通讯作者:
焦晓光，女，1976年出生，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，主要从事土壤生态学、植物营养学方面的研究。通信地址：150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号黑龙江大学，Tel：0451-86604720，E-mail：2004086@hlju.edu.cn。
作者简介:
朱帅，男，2000年出生，黑龙江大庆人，硕士研究生，研究方向：土壤生态。通信地址：150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号黑龙江大学，Tel：0451-86604720，E-mail：zs18846913564@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目“冻融作用下秸秆还田后氮转化对农田黑土氮库更新机制的研究”(42077081); 科技基础资源调查专项“中国东北黑土区农田土壤资源与健康状况调查”(2021FY100400); 国家重点研发计划“黑土典型区土壤资源保护利用技术精准配置与示范”(2023YFD1500105)

Effect of Freeze-thaw Cycles on Distribution of Soil Aggregates and Their Organic Carbon Content in Arable Mollisol

ZHU Shuai¹(), LI Shiyong¹, JIANG Boyu¹, ZHAO Wenyi¹, ZHAO Maojie¹, CHEN Yimin², SUI Yueyu², JIAO Xiaoguang¹()

¹ College of Modern Agriculture and Ecological Environment, Heilongjiang University, Harbin 150080
² Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081

Received:2024-01-22 Revised:2024-06-24 Published:2024-08-09 Online:2024-08-09

摘要/Abstract

摘要：

为研究冻融循环作用对东北农田黑土土壤团聚体及结合碳的影响，本研究以黑龙江省海伦市农田黑土为研究对象，利用室内培养试验研究了-9、-18、-26℃ 3个温度下冻融频次对农田黑土团聚体及有机碳含量的影响。结果表明：随着冻融循环次数的增加，1~0.5 mm和0.25~0.053 mm团聚体含量在3种冻融温度下均发生了显著变化(P<0.05)。与冻融循环1次相比，在相同温度下冻融循环17次后1~ 0.5 mm团聚体含量在-9、-18、-26℃下分别降低了68.53%、10.91%和40.96%，0.25~0.053 mm团聚体含量分别升高了10.93%、40.89%和99.72%。在-9℃下土壤团聚体分形维数显著升高(P<0.05)，由2.09增加到2.74，在-18、-26℃下则变化幅度较小，分别变化了0.1和0.05。土壤团聚体结合碳随着冻融频次的增加没有出现显著的变化(P>0.05)，在-18℃和-26℃下，<0.053 mm团聚体有逐渐降低的趋势，在冻融循环17次后分别降低了10.31%和13.73%。冻融作用会显著降低东北农田黑土土壤团聚体的稳定性，冻融作用会显著降低1~0.5 mm团聚体含量并提高0.25~0.053 mm团聚体含量(P<0.05)；冻融次数和冻融温度均是影响土壤团聚体稳定性的重要因素。

关键词: 冻融循环, 土壤团聚体, 团聚体稳定性, 团聚体有机碳, 冻融作用, 有机碳, 土壤理化性质, 土壤管理, 生态系统恢复

Abstract:

To investigate the impact of freeze-thaw cycles on soil aggregates and bound carbon in arable mollisol, this study took arable mollisol in Hailun, Heilongjiang Province as the research object. Incubation experiments were conducted to investigate the impact of freeze-thaw frequency on soil aggregates and organic carbon content of arable mollisol at three temperatures: -9, -18 and -26℃. The results indicated that the content of 1-0.5 mm and 0.25-0.053 mm aggregates exhibited significant changes at all three freeze-thaw temperatures with an increase of freeze-thaw frequencies (P<0.05). Compared with single freeze-thaw cycle, after 17 freeze-thaw cycles at the same temperature, the content of 1-0.5 mm aggregates decreased by 68.53%, 10.91% and 40.96% at -9, -18 and -26℃, respectively. The content of 0.25-0.053 mm aggregates increased by 10.93%, 40.89% and 99.72%, respectively. At -9℃, the fractal dimension of soil aggregates significantly increased (P<0.05) from 2.09 to 2.74, while at -18℃ and -26℃, the changes were small, with changes of 0.1 and 0.05, respectively. The bound carbon of soil aggregates did not show significant changes with the increase of freeze-thaw frequency (P>0.05). At -18℃ and -26℃, the <0.053 mm aggregate showed a gradual decreasing trend, with a decrease of 10.31% and 13.73% after 17 freeze-thaw cycles, respectively. The freeze-thaw impact could significantly reduce the stability of soil aggregates in arable mollisol. The increasing freeze-thaw cycles can significantly reduce the content of aggregates by 1-0.5 mm and increase the content of aggregates by 0.25-0.053 mm(P<0.05). Both freeze-thaw frequency and temperature were important factors affecting the stability of soil aggregates.

Key words: freeze-thaw cycles, soil aggregates, aggregates stability, aggregates bound organic carbon, freeze-thaw action, organic carbon, soil physicochemical properties, soil management, ecosystem restoration

朱帅, 李仕勇, 姜泊宇, 赵文熠, 赵茂杰, 陈一民, 隋跃宇, 焦晓光. 冻融循环作用对东北农田黑土团聚体及有机碳的影响[J]. 中国农学通报, 2024, 40(23): 53-59.

ZHU Shuai, LI Shiyong, JIANG Boyu, ZHAO Wenyi, ZHAO Maojie, CHEN Yimin, SUI Yueyu, JIAO Xiaoguang. Effect of Freeze-thaw Cycles on Distribution of Soil Aggregates and Their Organic Carbon Content in Arable Mollisol[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2024, 40(23): 53-59.

图/表 5

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冻融温度/ ℃	冻融循环次数/次	团聚体含量
冻融温度/ ℃	冻融循环次数/次	>2 mm	2~1 mm	1~0.5 mm	0.5~0.25 mm	0.25~0.053 mm	<0.053 mm
-9	1	0.89±0.01b	11.14±1.36a	28.57±1.12a	19.12±1.39a	22.05±0.61bc	18.24±0.48b
	3	0.92±0.03b	3.68±0.03b	7.33±0.47b	18.20±1.36b	27.14±1.92a	42.72±1.02c
	5	0.60±0.17bc	6.31±2.05b	9.86±2.23b	15.11±1.48bc	20.64±0.59c	47.47±2.42a
	9	0.42±0.03c	4.96±0.14b	8.38±1.87b	13.75±2.31c	22.95±0.86bc	49.55±3.13a
	17	1.75±0.30a	4.74±0.37b	8.99±1.12b	11.91±0.81c	24.46±0.88ab	48.14±0.11a
-18	1	2.63±0.26b	4.04±0.23d	19.8±0.46b	11.31±1.17b	13.50±1.12b	48.71±1.43a
	3	4.64±0.91a	8.72±0.57a	17.10±0.20ab	23.29±5.56a	11.23±1.34b	35.02±2.94cd
	5	1.20±0.27c	5.46±0.19c	14.20±3.40b	20.95±2.09a	19.39±2.14a	38.80±0.71b
	9	4.05±0.33b	6.43±0.47b	18.48±0.11ab	21.67±1.23a	15.35±1.03ab	34.02±1.10d
	17	0.60±0.06c	5.50±0.54c	17.64±0.20ab	19.53±3.24a	19.02±3.54a	37.71±0.69bc
-26	1	0.59±0.16c	4.52±0.82b	22.61±0.07a	21.59±1.29a	14.53±0.52c	36.15±0.01a
	3	2.90±0.34b	5.74±0.59a	12.01±1.91d	25.11±0.27a	20.12±0.17b	34.13±1.74a
	5	1.78±1.24bc	3.36±0.03c	16.86±1.18b	24.36±2.70a	21.49±2.26b	32.15±1.85bc
	9	9.67±0.47a	4.65±0.19b	14.73±0.89bc	23.55±3.09a	18.57±0.59b	28.81±2.90c
	17	1.35±0.24bc	2.85±0.04c	13.35±0.30cd	25.65±4.06a	29.02±2.83a	27.79±1.20c

冻融温度/ ℃	冻融循环次数/次	团聚体含量
冻融温度/ ℃	冻融循环次数/次	>2 mm	2~1 mm	1~0.5 mm	0.5~0.25 mm	0.25~0.053 mm	<0.053 mm
-9	1	0.89±0.01b	11.14±1.36a	28.57±1.12a	19.12±1.39a	22.05±0.61bc	18.24±0.48b
	3	0.92±0.03b	3.68±0.03b	7.33±0.47b	18.20±1.36b	27.14±1.92a	42.72±1.02c
	5	0.60±0.17bc	6.31±2.05b	9.86±2.23b	15.11±1.48bc	20.64±0.59c	47.47±2.42a
	9	0.42±0.03c	4.96±0.14b	8.38±1.87b	13.75±2.31c	22.95±0.86bc	49.55±3.13a
	17	1.75±0.30a	4.74±0.37b	8.99±1.12b	11.91±0.81c	24.46±0.88ab	48.14±0.11a
-18	1	2.63±0.26b	4.04±0.23d	19.8±0.46b	11.31±1.17b	13.50±1.12b	48.71±1.43a
	3	4.64±0.91a	8.72±0.57a	17.10±0.20ab	23.29±5.56a	11.23±1.34b	35.02±2.94cd
	5	1.20±0.27c	5.46±0.19c	14.20±3.40b	20.95±2.09a	19.39±2.14a	38.80±0.71b
	9	4.05±0.33b	6.43±0.47b	18.48±0.11ab	21.67±1.23a	15.35±1.03ab	34.02±1.10d
	17	0.60±0.06c	5.50±0.54c	17.64±0.20ab	19.53±3.24a	19.02±3.54a	37.71±0.69bc
-26	1	0.59±0.16c	4.52±0.82b	22.61±0.07a	21.59±1.29a	14.53±0.52c	36.15±0.01a
	3	2.90±0.34b	5.74±0.59a	12.01±1.91d	25.11±0.27a	20.12±0.17b	34.13±1.74a
	5	1.78±1.24bc	3.36±0.03c	16.86±1.18b	24.36±2.70a	21.49±2.26b	32.15±1.85bc
	9	9.67±0.47a	4.65±0.19b	14.73±0.89bc	23.55±3.09a	18.57±0.59b	28.81±2.90c
	17	1.35±0.24bc	2.85±0.04c	13.35±0.30cd	25.65±4.06a	29.02±2.83a	27.79±1.20c

指标	温度	循环次数	温度×循环次数
>2 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
2~1 mm	P<0.05^*	P<0.01^**	P<0.01^**
1~0.5 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
0.5~0.25 mm	P<0.01^**	0.252	P<0.05^*
0.25~0.053 mm	P<0.01^**	P<0.05^*	P<0.01^**
<0.053 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
分形维数	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
SOC_{>2 mm}	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
SOC_{2~1 mm}	0.995	0.77	0.754
SOC_{1~0.5 mm}	0.235	0.891	0.822
SOC_{0.5~0.25 mm}	0.284	0.528	0.843
SOC_{0.25~0.053 mm}	P<0.01**	P<0.05*	P<0.01**
SOC_{<0.053 mm}	0.83	0.996	0.767

指标	温度	循环次数	温度×循环次数
>2 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
2~1 mm	P<0.05^*	P<0.01^**	P<0.01^**
1~0.5 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
0.5~0.25 mm	P<0.01^**	0.252	P<0.05^*
0.25~0.053 mm	P<0.01^**	P<0.05^*	P<0.01^**
<0.053 mm	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
分形维数	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
SOC_{>2 mm}	P<0.01^**	P<0.01^**	P<0.01^**
SOC_{2~1 mm}	0.995	0.77	0.754
SOC_{1~0.5 mm}	0.235	0.891	0.822
SOC_{0.5~0.25 mm}	0.284	0.528	0.843
SOC_{0.25~0.053 mm}	P<0.01**	P<0.05*	P<0.01**
SOC_{<0.053 mm}	0.83	0.996	0.767

温度/℃	团聚体粒级/mm
温度/℃	>2	2~1	1~0.5	0.5~0.25	0.25~0.053	<0.053
-9	0.036	-0.893^**	-0.983^**	-0.650^*	0.26	0.988^**
-18	-0.184	-0.505	0.274	-0.924^**	-0.232	0.991^**
-26	-0.134	0.502	0.257	-0.575^*	-0.518	0.843^**

冻融循环作用对东北农田黑土团聚体及有机碳的影响

Effect of Freeze-thaw Cycles on Distribution of Soil Aggregates and Their Organic Carbon Content in Arable Mollisol

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