《Journal of Environmental Management》：Assessing the impacts of wetting and drying cycles on soil aggregate structure. A global meta-analysis study
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湿干循环（WDCs）显著降低土壤团聚体稳定性，平均降幅达28.45%（MWD）、17.13%（GMD）和13.43%（WSA），且高温高湿环境加剧破坏。研究通过元分析整合26项研究659组数据，揭示有机碳含量＞10g/kg和黏土含量与结构稳定性正相关，WDCs增加孔隙数量和孔隙率。
Gratien Nsabimana|Yuhai Bao|Xiubin He|Jean de Dieu Nambajimana|Bernard Musana Segatagara|Haozhe Zhang|Nsharwasi Leon Nabahungu|Dil Khurram
中国科学院山地灾害与环境研究所山地表面过程与生态调控重点实验室，中国四川省成都市，610299
摘要
湿润-干燥循环（WDCs）通过直接影响土壤结构退化，进而加剧土壤侵蚀和温室气体排放，引发严重的环境问题。多项研究评估了WDCs对土壤结构特性的影响，但研究结果存在不一致性。通过对26项研究中的659组观测数据进行元分析，旨在统一理解WDCs对土壤结构的影响，并探讨其在不同土壤特性和气候条件下的变化规律。总体而言，WDCs显著降低了土壤团聚体的稳定性，平均粒径（MWD）、几何平均粒径（GMD）和水分稳定团聚体（WSA）的稳定性分别降低了28.45%、17.13%和13.43%。此外，WDCs导致大团聚体（>0.25 mm）比例显著减少（-24.57%），而小团聚体（<0.25 mm）比例增加（17.32%，p < 0.001）。在高年平均降水量（MAP）和高年平均温度（MAT）条件下，WDCs对土壤团聚体稳定性的负面影响更为显著，其中[10–15]次WDCs导致的降低幅度最大，分别为-52.87%和-64.1%；而在MAP >1000 mm/year和MAT >15°C的条件下，这一影响相对较小，分别为-16.48%和-15.04%。在有机碳含量（SOC）>10 g/kg的土壤中，WDCs对MWD和大团聚体的降低作用相对较弱。粘粒含量与WDCs对土壤结构的影响呈正相关（p < 0.05）。WDCs对总孔隙数（TPoN）和总孔隙度（TPo）具有积极作用，表明其能增加孔隙度和孔隙数量。本研究表明WDCs会破坏土壤结构，可能对周围环境产生负面影响，从而加剧土壤侵蚀。因此，应持续采取可持续的土壤保护措施（如覆盖物和农林复合系统）来控制土壤退化，提升土壤团聚体的韧性。
引言
土壤结构通常指的是由不同形态和大小的土壤颗粒组成的排列（Yudina等，2022）。土壤结构的破坏会产生土壤团聚体，而土壤团聚体的结合则形成多种形状的结构（Liu等，2025；Márquez等，2019；Srivastava等，2018）。
当吸引力超过破坏作用时，土壤团聚体得以形成。土壤团聚体的稳定性在维持其抵抗水文和机械应力方面起着关键作用，对土壤质量和健康至关重要（Rieke等，2022）。土壤团聚体稳定性与潜在的环境退化过程（如表面侵蚀、植物生长抑制和碳封存）密切相关（Poeplau等，2024）。因此，土壤团聚体稳定性可作为环境模型和计算机程序中预测土壤侵蚀和有机碳稳定性的指标（Cantón等，2009）。
土壤团聚体的排列形成了团聚体之间的孔隙。团聚体内部的孔隙和固体物质是土壤结构的互补组成部分（Rabot等，2018）。内部因素（如粘粒类型和含量、有机质、氧化铁等）和外部因素（如耕作制度、微生物活动、冻融循环、干湿循环）共同影响土壤孔隙和团聚体的动态。反复的湿润-干燥过程称为湿润-干燥循环（WDCs）。全球大部分地表土壤都受到自然降雨和灌溉导致的WDCs的影响（Jesús Melej等，2024）。多项室内实验模拟了WDCs对团聚体稳定性和孔隙结构的影响（Degens和Sparling，1995；Denef等，2001；Cosen-tino等，2006）。
关于WDCs对土壤结构影响的研究结果存在矛盾。Pires等（2005）发现WDCs增加了总孔隙度，而Conventional Tillage和Non-Tillage处理后12次WDCs后孔隙度减少了约50%（Pires等，2025）。Ma等（2015）则观察到WDCs显著增加了孔隙度并减少了孔隙总数。先前的研究也显示WDCs改变了土壤团聚体的分布和稳定性。有研究表明WDCs影响有机质的变化，进而影响团聚体的形成（Denef等，2001）。总体而言，WDCs的影响结果不一致：一些研究显示其具有增强作用（Bravo-Garza等，2009），而另一些则认为其会降低土壤结构特性（Pillai和McGarry，1999）。不同数量的WDCs也导致不同的研究结果，低数量和高数量的WDCs分别表现出不同的稳定性。Hu等（2018）发现前两次WDCs后MWD增加了5%、7%和8%，而15次WDCs后分别减少了36%、36%、44%和15%；相反，Hu等（2020）观察到WDCs增加了表层土壤的团聚体稳定性。文献中的普遍观察结果表明WDCs对土壤结构的影响存在显著差异。这些矛盾的结果可能源于不同的土壤预处理方法和实验室测定团聚体稳定性及孔隙特性的程序。此外，不同研究区域的气候和土壤特性也可能影响WDCs的影响。单独进行一项研究以评估不同气候和土壤条件下WDCs对土壤团聚体特性的影响既昂贵又耗时。利用现有结果可以较为全面地理解WDCs的影响，因为不同研究可能考虑了不同的土壤和气候条件。然而，目前尚无系统性的研究来揭示WDCs对土壤团聚体稳定性和孔隙结构影响的趋势。因此，开展一项结合多种气候和土壤特性的综合实验研究，将有助于全面分析WDCs的影响。
鉴于元分析作为一种统计方法在整合矛盾结果方面的优势，本研究汇总并综合分析了不同WDCs数量下土壤结构动态变化的相关研究。研究目的包括：（1）揭示湿润-干燥循环对土壤团聚体大小分布、稳定性、孔隙数和孔隙度的普遍影响；（2）评估气候因素和土壤特性作为调节因素对WDCs影响的作用。
数据提取
湿润-干燥循环对土壤团聚体大小分布和稳定性的影响
多种湿润-干燥循环（WDCs）显著影响了土壤团聚体的稳定性（图1f）。元回归分析显示WDCs与MWD的对数减少率（lnRR）之间存在显著负相关（图S3）。团聚体对湿润-干燥循环的响应也表现出显著变化
不同湿润-干燥循环对土壤团聚体和孔隙特性的影响
本元分析全面评估了湿润-干燥循环（WDCs）的影响，发现它们显著降低了土壤团聚体的稳定性（图1）。相关实验也证实了WDCs会导致土壤团聚体稳定性下降（Denef等，2001；Hu等，2018；Utomo和Dexter，1982；Zhang等，2022）。
结论
本元分析总结了湿润-干燥循环（WDCs）对土壤团聚体稳定性、大小分布、总孔隙数和总孔隙度的影响。结果显示WDCs降低了土壤团聚体的稳定性和大团聚体的比例。WDCs次数越多，土壤团聚体的分解越严重，这可能说明稳定性的下降与WDCs次数的增加有关。WDCs削弱了土壤颗粒间的结合力
作者贡献声明
Gratien Nsabimana：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析、概念构建。Yuhai Bao：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、方法论设计、概念构建。Xiubin He：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目监督、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构建。Jean de Dieu Nambajimana：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、方法论设计。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
作者声明在撰写本文过程中未使用任何生成式AI和AI辅助技术。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFF1305203）和四川省科技计划（项目编号：2023ZYD0150）的资助。Gratien NSABIMANA感谢“Alliance for International Science Organizations (ANSO)”提供的研究生学习资助。
