冻融循环对黑土区土壤结皮形成与风蚀的调控机制及其生态效应

针对冻融循环(FTCs)加剧黑土区风蚀的生态问题，研究人员通过风洞模拟实验，系统研究了初始含水量(M)和冻融次数对团聚体分布(MWD)、结皮强度及风蚀率(W)的影响。发现冻融首次循环即显著改变MWD(p < 0.05)，结皮强度与冻融次数呈指数负相关(R2 > 0.70)，而结皮形成可使风蚀降低79.15%-107.23%。该研究为寒区春季风蚀防控提供了理论依据。

　　

在中国东北黑土区，春季频发的风蚀现象正日益威胁着"耕地中的大熊猫"——黑土层的可持续利用。这片占全球黑土面积1/4的珍贵农田，近年来面临着一个鲜为人知的生态杀手：冻融循环(FTCs)与风蚀的协同破坏。每年冬春交替时节，土壤经历反复冻结融化，原本肥沃的表土变得松散脆弱，成为风蚀的"最佳猎物"。更棘手的是，这个过程中土壤结皮的"保护膜"角色始终充满争议——它究竟是抵御风蚀的盾牌，还是加速土壤崩溃的帮凶？

为了揭开这个谜团，来自中国科学院东北地理与农业生态研究所的研究团队开展了一项创新性研究。他们发现，当土壤初始含水量(M)超过12%时，干燥过程中会自然形成约1毫米厚的物理结皮，这种结皮能使风蚀量锐减70%-107%。但令人意外的是，冻融循环会像"隐形锤"般持续削弱结皮强度，经过6次冻融后，结皮强度趋于稳定在4.27 kPa(D_0.5–1)-2.82 kPa(D_<0.25)，保护效能大打折扣。该成果发表于《International Soil and Water Conservation Research》，为全球寒区农田风蚀防控提供了关键理论支撑。

研究团队采用四大关键技术：1) 多梯度冻融模拟系统(-8°C/10°C交替)；2) 分级筛分法获取1-2 mm(D_1–2)、0.5-1 mm(D_0.5–1)等4种粒径团聚体；3) 可调风速风洞(8-16 m s^?1)定量风蚀率；4) 数字剪切仪测定结皮强度。所有样本均采自黑龙江嫩江九三水土保持实验站典型黑土。

【3.1 团聚体分布变化特征】
通过平均重量直径(MWD)分析发现，冻融对团聚体的破坏存在"0.25 mm分界点"现象：>0.25 mm团聚体以破碎为主，首次冻融即使MWD显著降低(p < 0.05)，其中D_1–2在M_16%时破碎率高达36%；而<0.25 mm微团聚体反而发生聚合，MWD增加10.78%(M_16%)。这种粒径选择性响应揭示了风蚀物质来源的转化机制。

【3.2 结皮强度变化规律】
结皮强度与冻融次数呈现"指数衰减-平台"双阶段模式，拟合方程y = Ae^(?x/t) + B的R²>0.70。值得注意的是，D_{<1 mm}样本在M≥12%时形成结皮，其初始强度比无结皮表面高0.28-0.89 kPa，但经历30次冻融后，所有结皮强度均趋近于无结皮状态，说明冻融的"均质化"破坏效应。

【3.3 风蚀率动态响应】
风洞数据显示两个矛盾现象：一方面，D_1–2因破碎导致风蚀率飙升108.42%(M_16%)；另一方面，D_<0.25因聚合和结皮形成使风蚀降低70.13%。这种粒径依赖性表明，0.25-1 mm才是风蚀关键粒径区间。

【3.5 路径分析】
构建的因果模型显示，初始含水量通过影响团聚体变异(贡献率49.2%)和结皮属性间接调控风蚀，而冻融循环主要通过破坏结皮强度(贡献率30.4%)加剧风蚀。

这项研究首次阐明了黑土区冻融-结皮-风蚀的三角关系，揭示了两个关键阈值：12%的初始含水量是结皮形成的临界点，6次冻融是结皮保护效能的转折点。实践层面提示，春季农田管理需在保墒(维持结皮形成条件)与减冻(降低冻融频次)之间寻求平衡。理论层面则创新性提出了"团聚体粒径-结皮强度-风蚀率"的三维响应模型，为全球气候变化背景下的土壤风蚀预测提供了新范式。正如研究者强调的，这项发现不仅解释了为什么东北黑土区春季风蚀特别严重，更指明了覆盖保护可能是打破"冻融加剧风蚀"恶性循环的关键措施。