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冻融作用与土壤理化效应的关系研究

冻融作用与土壤理化效应的关系研究 第23卷第2期 2007年3月 地理与地理信息科学 GeographyandC,eo—InformationScience Vo1.23No.2 March2007 冻融作用与土壤理化效应的关系研究 王洋1,2,刘景双,王国平,周旺明,2 (1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春130012;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:冻融使土壤经历一系列物理,化学和生物变化过程,冻融作用对土壤的影响主要表现为:改变土壤结构,含水 量分布和水热运动,影响微生物活性和以微生物为媒介的有机质矿化作用,改变土壤元素的生物地球化学循环过 程,从而对土壤生态系统结构和功能产生影响.冻融作用对土壤理化性质的作用主要受冻融速率,温度,冻融交替 次数和土壤含水量,pH值,有机质,土壤质地状况等因素的影响.通过冻融作用改善土壤结构,提高土壤微生物活 性和养分的有效性,有利于耕作和促进植物生长,但也可通过含水量的重新分布和径流淋失而导致土壤养分损失. 关键词:土壤;冻融作用;理化效应 中图分类号:X142文献标识码:A文章编号:1672—0504(2007)02—0091—06 土壤是由固体,液体和气体组成的多相分散体 系,与周围环境处于永恒的相互作用中,不断地进行 着物质,能量,信息的循环,转化和交换,同时水,气, 热在土壤内部进行着复杂的运动和迁移.在影响土 壤理化性质的自然因素中,气候是一个重要因素,一 定程度上决定一个地区生态系统状况_1.2J.以往的 研究多集中在土壤水,热状况对生态系统结构和功 能的影响【3,4J,而对气候及环境条件变化所产生的土 壤冻融作用与土壤生态效应之间的关系研究不够深 入.土壤冻融层作为冻融区生态环境下界面,是活 跃的主导影响因子之一,冻融层变化不但会导致土 壤水热条件的改变,直接影响植被的生存环境,而且 会导致土壤理化性质的改变.据研究,地球上中纬 度大部分地区经受季节性冻融过程,在我国东北,西 北及西南的高海拔地区,多年冻土面积约 215万km2,占国土面积的22.3%,冻深大于0.5m 的季节性冻土面积约443万km2,占国土面积的 46.3%,加上季节冻深小于0.5m的江淮和华北地 区,我国冻土面积占国土面积的75%以上5.因此, 土壤冻融作用对陆地生态系统的演替和变异具有重 要作用,同时也对土壤理化性质产生深刻影响. l土壤冻融作用的形成 冻土包括多年冻土和季节冻土,其中季节冻融 土是指年均温高于0℃的暖土冻结,在冬季季节转 换过程中对土壤作用频繁.气象因素的周期性变 化,形成季节冻结和融化层热学性质的差异,导致土 水体系的季节性冻融.我国北方一般从4月开始, 随着气温升高,积雪消融,地表冻土层逐渐融化;约 在11月,随着气温下降,季节融化层冻结,冻结层加 深,土壤冻结期开始,夜间有较浅的冻结层,但白天 处于消融状态,随着温度的进一步降低,冻结层即使 在白天也不消融,此时开始出现季节冻结层且不断 增厚.在开始消融期,白天出现的土壤消融在夜间 又冻结,随着温度的进一步升高,白天的消融即使在 夜间也不会冻结,此时土壤开始出现消融层且消融 层不断增加_6J.因此,在季节冻土层和季节融化层 形成的过程中,冻结和融化不是瞬时形成的,而是因 太阳辐射和土壤周围环境条件的变化,经历了反复 的冻融过程.日平均温度接近0℃的冻结期和消融 期,浅层土壤温度的时间梯度变化较大,土壤温度的 日变化对冻融过程产生显着影响. 2土壤冻融作用的理化效应 冻融是作用于土壤的非生物应力,土壤冻融强 度和冻融交替次数不同,土壤的相态组成比例会发 生变化.非冻结条件下,土壤固相以矿物成分为主, 其组成比例相对稳定;冻结条件下,土体仍属三相体 系,但土体中的固相则是由矿物和固态冰组成,随着 土体温度的改变,液态水会发生相转化,固态物质的 比例也随之变化,因而土体中液态与固态物质组成 呈反比变化,冻融土壤的相变及其伴生现象必然引 起土壤理化性状的变化,主要表现在改变土壤物理 性状,促进或抑制土壤有机质分解和矿化,影响有机 和无机物质的吸附与解吸,形态转化以及微生物活 性等[.冻融作用对土壤理化性质的影响主要取决 收稿日期:2006-11-17;修订日期:2007-01-18 基金项目:国家重点基础研究发展计划973项目(20o4CB4185O7);国家自然科学基金项目(90211oo3) 作者简介:王洋(1970一),男,博士研究生,助理研究员,研究方向为环境生态与生物地球化学过程.E—mail:wangyangw@neigae.ac.Crl 第92页地理与地理信息科学第23卷 于冻融速率,冻融温度,冻融交替次数以及土壤含水 量,容重,质地等土壤理化性质[8,9]. 2.1冻融作用对土壤物理性

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