季节性冻融前后土壤压实对黑土细沟侵蚀的影响机制及驱动因素研究

推荐：针对机械耕作和冻融作用导致的土壤侵蚀问题，研究人员通过对比冻融期前后不同压实程度黑土的现场侵蚀实验，揭示了压实遗留效应对冻融后侵蚀的跨时空影响机制。结果表明，压实显著增加径流和泥沙量（p<0.05），冻融后虽泥沙量降低1.84%-57.73%，但仍较未压实土壤增加28.59%-148.22%。结构方程模型表明，冻融前土壤性质通过径流冲刷主导泥沙变化，冻融后压实遗留效应降低土壤抗蚀性（团聚体稳定性、土壤强度）并增加径流，是压实土壤侵蚀加剧的主因。该研究为脆弱农田侵蚀防控提供了关键科学依据。

　　

在全球范围内，机械耕作和季节性冻融作用导致的土壤侵蚀已成为威胁农业可持续发展和生态环境的重大问题。黑土区作为重要的粮食生产基地，其土壤侵蚀问题尤为突出。然而，现有研究多聚焦于冻融循环对侵蚀的直接影响，忽视了冻融前土壤压实的遗留效应。这一知识空白限制了人们对冻融期土壤侵蚀动态的全面理解，也制约了针对性防控措施的制定。

为揭示冻融前土壤压实对冻融后侵蚀的跨时空影响机制，中国东北黑土区的研究团队开展了一项系统的田间实验研究。该研究通过对比冻融期前后不同压实程度黑土的侵蚀响应和土壤性质变化，阐明了压实与冻融相互作用的复杂过程及其对侵蚀的协同影响。相关成果发表在《International Soil and Water Conservation Research》上，为季节性冻融区土壤侵蚀防控提供了新视角。

研究团队采用多技术联用的方法：通过不同型号拖拉机（HX2104-c、JOHN DEERE 554、HAISHAN TS-200）模拟1-9次压实处理建立梯度；利用GSP-6温度记录仪监测0-20 cm土层冻融循环次数；采用环刀法和振动筛分法测定土壤容重、孔隙度和团聚体平均重量直径(MWD_dry/MWD_wet)；使用穿透仪(TJSD-750-Ⅳ)和便携式十字板测定土壤强度；通过原位径流小区实验（流量5 L/min）量化侵蚀参数。

3.1 土壤温度特征
研究发现压实加速土壤冻结/融化进程，0-10 cm土层达到冻结点时间较未压实土壤缩短66-95小时。压实土壤经历更多冻融循环（增加1.3-4.0倍），这与较高容重、较低孔隙度和较强导热性相关。

3.2 土壤性质特征
冻融前压实使容重增加至1.50 g/cm³，孔隙度降至39.6%，MWD_dry提升至4.40 mm。冻融后压实土壤容重降低4.6-8.7%，但仍显著高于未压实土壤。冻融循环使团聚体稳定性平均下降59.9%，土壤强度降低4.17-17.40%，表明冻融虽缓解压实但削弱抗蚀性。

3.3-3.4 径流与泥沙变化
冻融前压实使径流和泥沙量分别增加10.8-69.0%和3.8-100.6%。冻融后径流减少31.2-34.3%，但压实土壤径流仍较未压实土壤高0.4-73.4%。泥沙量在冻融后虽降低1.8-57.7%，但较未压实土壤仍增加28.6-148.2%，且沉积物中<0.25 mm微团聚体比例增加47.9%。

3.5 驱动机制
结构方程模型显示：冻融前压实通过改变容重（路径系数0.916）和土壤强度间接增强径流冲刷（系数0.782）；冻融后压实遗留效应与冻融协同作用使土壤抗蚀性降低成为主导因素，径流对泥沙的驱动系数降至0.504。变异分配分析(VPA)表明冻融对泥沙量的贡献达72.9%，高于压实效应。

该研究首次系统阐明了冻融前土壤压实通过"径流增强-抗蚀性降低"双重途径加剧冻融后侵蚀的机制。研究发现压实与冻融存在动态平衡：高强度冻融可缓解压实但显著削弱土壤结构，低强度冻融则对压实缓解有限。这一认识为季节性冻融区农田管理提供了重要启示——应在秋季收获后通过深松耕等措施主动缓解压实，而非依赖自然冻融过程。研究提出的"压实阈值"概念为制定差异化防控策略提供了理论依据，对保障黑土区粮食安全和生态安全具有重要实践价值。