《Journal of Environmental Management》：Effectiveness of humic-acid-based composite amendments in mitigating soil cracking and erosion in cold black soil regions under climate variability
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研究黑土区冻融裂隙发育规律及其与外源改良剂（腐殖酸、木质素磺酸盐、聚丙烯酰胺单用或联用）的互馈关系，分析裂隙形态、分形特征与泥沙流失响应，揭示低浓度H有效抑制裂隙扩展，而H-L/P复合施用通过协同增强结构稳定性显著降低侵蚀量，为寒区坡耕地侵蚀防控提供理论依据。
徐冷|强富|李天晓|吴迪|杨学晨|肖兆兴|李默|侯仁杰
东北农业大学水利与土木工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市，150030
摘要
冻融作用引起的裂缝发展是寒冷地区黑土农田复合侵蚀的关键驱动因素。为了明确外源改良剂的调节效果，本研究使用人工气候室和降雨模拟器，考察了单独施用腐殖酸（H）以及与木质素磺酸盐（L）或聚丙烯酰胺（P）联合施用时裂缝形态、分形特征和沉积物产量的变化。在裸土处理（CK）条件下，裂缝宽度最大，沉积物产量也最高，其多重分形谱呈现“低峰值-窄宽度”模式。当腐殖酸浓度为1%时，可减少裂缝宽度并降低侵蚀程度；而当浓度为2%时，虽然会松动土壤结构，但裂缝强度和沉积物产量分别增加了43.84%和28.54%。腐殖酸与木质素磺酸盐或聚丙烯酰胺联合施用通过形成细小裂缝网络显著降低了裂缝宽度，从而提高了分形维数并拓宽了多重分形谱。尽管HL1和HP1处理下的裂缝面积较大，沉积物产量分别下降了96.22%和99.62%。此外，木质素磺酸盐或聚丙烯酰胺浓度的增加会逐渐拓宽分形谱宽度。主成分分析表明，HP3和HP2组合显著抑制了裂缝扩展和侵蚀强度，显示出最强的协同调节作用。总体而言，腐殖酸-木质素磺酸盐和腐殖酸-聚丙烯酰胺组合相比单独使用腐殖酸或裸土处理，显著提高了土壤结构稳定性和抗侵蚀能力。这些结果为冻融裂缝调节机制提供了新的见解，并为寒冷地区坡地农田的土壤改良和水土保持提供了实际指导。
引言
冻融过程是寒冷和季节性冻结地区土壤结构退化的主要驱动因素，在调节表层土壤水热条件（Yang和Wang，2019）、结构演变（Liu等人，2023a）以及土壤侵蚀（Liu等人，2024c）方面起着关键作用。在中国东北的黑土区域，冬季低温与春季升温的交替导致频繁且剧烈的冻融循环，这容易引起土壤结构破坏、团聚体分解和裂缝形成（Wang等人，2025b；Wei等人，2024b）。作为冻融过程最直接的表现，裂缝的形成和演变强烈影响地表径流汇集路径、入渗动态、对雨滴冲击的敏感性以及侵蚀起始阈值（Wang等人，2018）。先前的研究表明，更复杂的裂缝空间分布对应更高的分形维数，反映了更加破碎的土壤结构和更强的空间异质性（Shang等人，2021）。因此，深入理解冻融循环下裂缝动态与侵蚀响应之间的耦合机制对于制定寒冷地区的土壤和水资源保护策略以及指导农田管理和坡地修复至关重要。冻融过程通过冻胀、解冻沉降和干燥收缩的连锁机制破坏土壤结构，导致土壤体积波动，引发裂缝扩展，增强裂缝连通性，并增加表面粗糙度（Li等人，2023）。这一过程是累积的且基本上不可逆的：连续的冻融循环会逐渐加宽裂缝，增加其偏转程度和表面积，从而降低土壤的抗侵蚀能力（Wang等人，2024；Wei等人，2024b）。此外，裂缝为降雨径流创造了优先流动路径，加剧了地表水动力响应，降低了入渗能力，最终促进了颗粒脱落、搬运和坡地侵蚀。因此，冻融、裂缝形成和侵蚀的综合机制构成了寒冷地区农田侵蚀易感性的基本框架。
为了减轻冻融引起的侵蚀风险，近期研究探索了使用外源土壤改良剂来调节冻融循环后的土壤结构演变（Leng等人，2026）。腐殖酸（H）、木质素磺酸盐（L）和聚丙烯酰胺（P）因其强大的胶结能力、吸附性能和水稳性而被广泛用于土壤结构调节、水分保持和侵蚀控制（Khajeh等人，2024；Liu等人，2024a；Mamedov等人，2021）。从风化褐煤中提取的腐殖酸是有机质的重要来源。腐殖酸可增加土壤中的有机胶体含量，增强颗粒间的凝聚力，改善土壤孔隙结构，从而抑制裂缝扩展（Liu等人，2020）。木材工业产生的副产品木质素磺酸盐具有黏附性和亲水性，能够在颗粒表面形成致密涂层，从而降低颗粒迁移的风险（Dong等人，2023）。相比之下，合成聚合物聚丙烯酰胺由于其长链分子结构，可以显著增强团聚体稳定性并有效阻塞径流路径（Ji等人，2023）。通过修改冻融退化早期的内部应力传递和表面响应行为，这些改良剂成为开发抗裂缝和侵蚀土壤结构的关键调节剂。
然而，单独使用改良剂往往存在性能局限。例如，腐殖酸虽然能改善孔隙结构并增加有机质含量，但其胶结能力有限（Antu等人，2025）。木质素磺酸盐虽然具有很强的胶结能力，但保水能力较差（Alazigha等人，2018）。聚丙烯酰胺虽然具有显著的裂缝抑制效果，但可能降低土壤通气性（Huang等人，2016）。因此，近期研究越来越强调“复合改良剂策略”（Gao等人，2013；Zhao等人，2024），即以协同比例施用不同的改良剂，通过结构强化、孔隙调节和裂缝限制三种机制实现冻融裂缝抑制和侵蚀控制的协调优化。特别是在裂缝形态和分布、分形几何特征以及侵蚀响应方面，复合改良剂显示出超过单一改良剂的协同效应（Jin等人，2022a；Sadeghi等人，2020；Shu等人，2025）。
尽管先前的研究已经考察了冻融循环后的土壤结构、水力性质和改良剂的调节效果，但裂缝几何演变、多重分形响应和径流侵蚀过程之间的耦合机制尚未得到充分量化和系统分析。具体来说，裂缝的几何参数（如宽度、偏转程度和强度）表征了其空间发展，而分形维数和多重分形谱揭示了其跨尺度的复杂性和异质性。这些因素共同决定了沉积物产量强度、溅蚀脱落和表面粗糙度的演变（Liu等人，2024b，2025；Wang等人，2025a）。因此，基于形态-分形-侵蚀框架，深入研究不同改良剂比例如何调节裂缝结构和侵蚀响应对于评估其生态适宜性和应用潜力至关重要。
基于此，本研究重点关注冻融循环引起的裂缝发展，并详细研究了不同改良剂处理（包括不同浓度的腐殖酸、腐殖酸-木质素磺酸盐组合和腐殖酸-聚丙烯酰胺组合）对裂缝几何参数（宽度、偏转程度、强度）、分形特征（分形维数、多重分形谱）以及由此产生的降雨侵蚀响应（如径流沉积物产量、溅蚀脱落和表面粗糙度）的影响。通过比较分析，本研究阐明了这些改良剂调节裂缝发展的结构响应机制，并确定了它们在减少沉积物产量、抑制溅蚀和稳定表面粗糙度方面的协同效益。这些发现为复合侵蚀控制、环保改良剂应用和寒冷地区坡地土壤保护提供了理论见解和技术指导。
土壤样本采集自中国黑龙江省哈尔滨市阿城区典型黑土层的20厘米耕作层（45°31′N，127°03′E）。该地区位于松嫩平原向张光才山脉残余山脉过渡的丘陵平原地带，具有温带大陆性季风气候，年平均温度为3–4°C，年降水量为550–650毫米，无霜期为130–140天。
由于冻融引起的微结构损伤以及随后的干燥收缩，土壤表面形成了多尺度裂缝网络（图3a）。经过13次冻融循环和干燥后，裸土处理（CK）条件下的裂缝强度、最大宽度和迂曲度分别达到了0.12、56和1.47（图3c–e）。添加改良剂通过改善土壤孔隙度和通气性，以及通过吸附和粘结作用有效减少了裂缝宽度。
冻融循环通过反复的水相变化和相关的体积变化从根本上改变了土壤结构（Shu等人，2025）。在冻结过程中，孔隙水固化成冰，由此产生的体积膨胀引发了冻裂的形成（Li等人，2023）。此外，在温度梯度的驱动下，未冻结的水向冻结前沿迁移，促进了冰透镜的形成（Niggemann等人，2024）。
本研究系统地阐明了冻融循环下土壤裂缝结构的演变及其对径流侵蚀的响应，明确了单独使用腐殖酸（H）以及与木质素磺酸盐（L）或聚丙烯酰胺（P）联合使用的调节效果。结果表明，冻融过程增加了裂缝复杂性并显著提高了侵蚀风险。低浓度的腐殖酸有效抑制了裂缝扩展并减少了沉积物产量，而高浓度的腐殖酸则导致了...
徐冷：撰写 – 原始草稿、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
强富：资源获取、方法论、调查、概念化。
李天晓：软件使用、资源获取、资金申请。
吴迪：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。
杨学晨：撰写 – 审稿与编辑。
肖兆兴：撰写 – 审稿与编辑。
李默：正式分析。
侯仁杰：撰写 – 审稿与编辑。
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本项目得到了中国国家自然科学基金（52579033、42577373、52539003）、中国“十四五”规划重点研发项目（2025YFD1500105）以及黑龙江省杰出青年科学基金（JQ2025E001）的支持。
