春季解冻期棕壤崩解性研究

2014-04-03顾广贺范昊明贾燕锋王志涛

中国水土保持 2014年12期

顾广贺，范昊明，贾燕锋，王志涛

(沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳 110866)

土壤崩解是指土壤在静水中发生碎裂解体或强度减弱的现象，它与土壤抗冲性之间存在较密切的幂函数关系[1]。土壤崩解速率是评价土壤可蚀性的一项重要指标[2]。国内外对于土壤崩解的研究相对较少，但仍有一些较有价值的研究成果：张晓媛等研究指出，土样崩解速率与土壤含水率的相关性显著，而与容重的相关性不显著[3]；唐军等研究发现，土壤本身的矿物成分、颗粒大小、初始含水率等因素对土样崩解有重要影响[4]；郭永春等研究发现，干湿循环导致含水率的变化是红层泥岩发生崩解的主要原因，土壤本身的结构、性质及外界环境变化会对土壤崩解性产生影响[5]。以往对土壤崩解性的研究多考虑土壤本身性质对崩解的影响，很少考虑外营力对土壤崩解性的影响。土壤冻融作用在我国广泛存在，据第二次全国土壤侵蚀遥感调查资料统计，我国可发生冻融侵蚀的面积超过126.98万km2，约占国土总面积的13.4%[6]。广泛存在的冻融作用可以改变土壤结构，影响土壤崩解速率，从而影响土壤抗蚀性。Konrad认为反复冻融能改变土壤结构性，破坏土壤颗粒间的联结力，使土壤颗粒得以重新排列[7]。刘佳等认为随着冻融循环次数的增加，土壤容重减小，孔隙度增大[8]。国内外对于冻融作用机理的研究起步较早，但其对土壤相关物理、力学性质的研究大多倾向于对工程的影响方面，而研究土壤冻融后其性状发生改变对土壤抗蚀性影响的并不多见。本研究以棕壤为研究对象，通过测定不同土壤含水率与冻融循环次数条件下棕壤的崩解速率，研究冻融作用对棕壤崩解性的影响，试从机理上分析冻融作用对土壤抗蚀性的影响规律，这将对春季解冻期土壤侵蚀预报及防治起到重要作用。

1 材料与方法

1.1 土样采集与制备

试验选择占辽宁省土壤面积36.32%的棕壤作为供试土壤，试验土样取自沈阳市东陵区天柱山上沈阳农业大学蚕场与油松林交界处，取土区域为暖温带湿润区，地貌为中山、低山丘陵，属典型棕壤区。2012年4月初，取表层0—20 cm土壤带回室内风干备用，同时采用环刀法测定土壤自然容重和土壤饱和含水率，用比重计法测定土壤机械组成。经测定，土壤自然容重为1.35 g/cm3，土壤饱和含水率为37.89%，土壤机械组成见表1。

待土壤风干后，过孔径5 mm筛，并剔除植物根系及其他杂质，制成崩解试样。具体制备过程如下：将过筛后的土壤填入边长为5 cm的立方体铁盒，制成容重为1.35 g/cm3的土壤试样，土壤含水率分别控制为12%、16%和20%，并用塑料薄膜对土壤试样进行24 h密封以保证土壤具有均匀含水率。课题组前期研究发现，土壤经历10次冻融循环后物理性质变化较小[9]，因此本试验将冻融循环次数设为0(不发生冻融)、1、3、5、7和10次，每个冻融循环历时24 h(冻结12 h，融化12 h)，冻融上限温度为7 ℃，冻融下限温度为-15 ℃，每个处理设3个重复，共制作试样54个。

表1 棕壤土机械组成

1.2 试验方法

2012年4月下旬至5月上旬，待崩解试样达到设定冻融循环次数后，对冻融后土样进行崩解试验。试验方法参照水利部《土工试验操作规程》中湿化试验的规定。试验装置包括崩解缸(46 cm×16 cm×70 cm)、崩解架(10 cm×10 cm×10 cm)、网板(10 cm×10 cm，孔径为1 cm)、带刻度的浮筒(直径6.5 cm，高25 cm，最小刻度为1 mm)。

试验时将土样放在崩解架上，慢慢将崩解架放入水中，当土样底部接触水时开始计时，手放开装置时读取浮筒的读数，用秒表记录土壤崩解时间。前2 min每隔10 s记录一次浮筒读数，2—5 min之间每隔30 s记录一次浮筒读数，5 min之后每隔1 min记录一次浮筒读数。根据前期预试验观察，15 min之后浮筒读数不再发生变化，因此本试验观测时间设定为15 min，如果15 min后未全部崩解，则记录浮筒读数并结束崩解试验。

根据浮力的物理计算公式整理得土壤崩解速率的计算式为

式中：v为崩解速率，cm3/min；S为浮筒底面积，本试验为33.18 cm2；l0为试样浸入水中时浮筒的起始读数，cm；lt为试验进行至t时刻浮筒的读数，cm；t为崩解时间，min；Y为土样容重，取1.35 g/cm3。

2 结果与分析

2.1 崩解过程

随着土壤含水率的变化，棕壤崩解过程表现出一定的异同点：含水率为12%的土样浸入清水时，棕壤表面细小颗粒迅速散落水中，周围立即混浊，棕壤崩解迅速，一段时间后，崩解速度逐渐减慢，随着土壤结构的破坏，棕壤崩解速度有少许提高，但很快崩解速度又减缓直至完全崩解，整个崩解过程中，棕壤崩解速率变化较大。含水率为16%的土样浸入清水时，试验前期棕壤崩解速度缓慢，一段时间过后，随着棕壤边缘结构的破坏，棕壤崩解速度逐渐加快，崩解速度达到峰值后又逐渐变缓。含水率为20%的土样浸入清水时，崩解速度缓慢，只有边缘处零星的棕壤发生崩解。不同土壤含水率的棕壤在崩解过程中均有气泡溢出，崩解进行到最后均有一部分难于崩解，随着土壤含水率的增加崩解残留物逐渐增多。

棕壤崩解具有阶段性，随着试验的进行，崩解速率逐渐减小，各含水率棕壤0—1 min平均崩解速率为30.3 cm3/min，1—5 min平均崩解速率为2.25 cm3/min，5—15 min平均崩解速率为0.35 cm3/min(表2)。棕壤崩解具有边缘效应，崩解并不是无限发展，而是受浸水边界的影响，浸水边界在浸水后发生崩解，速度由快到慢，崩解进行到最后，崩解架上留有一部分棕壤不易崩解，这一点与黄土的边界效应相似[10]。产生这种现象的主要原因是棕壤发生崩解时，边缘部分先发生崩解，内部土壤有一定时间进行浸润，由于浸润作用，内部土壤含水率有一定程度提高，土壤颗粒间黏结力增大，土壤抗崩性增强，崩解速率随之减小。

表2 不同时段棕壤崩解速率

2.2 冻融循环次数对土壤崩解速率的影响

反复的冻融循环会改变土壤容重、孔隙度等物理性质[9]。土壤性质的改变必然会引起崩解速率的变化。研究结果表明：随着冻融循环次数的增加，棕壤崩解速率总的变化趋势为先减小后增大(图1)，经历0、1、3、5、7、10次冻融循环的棕壤平均崩解速率分别为7.56、4.95、3.51、3.47、5.82、9.87 cm3/min，冻融循环次数由0次增加至10次，崩解速率分别变化了-2.61、-1.44、-0.04、2.35、4.06 cm3/min(负号代表崩解速率减小)。冻融循环次数较少时，冻融作用的冻胀效应使得土壤颗粒发生破裂、解体，土壤大颗粒变为小颗粒，小颗粒堵塞土壤孔隙阻碍外部水分进入土壤，使棕壤崩解速率减小。随着冻融循环次数的增加，冻融作用的累加效应逐渐显露，土壤冻胀越发严重，冻结时土壤水变成冰晶体而体积增大，冰晶体填充土壤孔隙，使得土壤颗粒之间产生推力，从而引起土壤颗粒的位移，土壤孔隙增大；融化过程中又存在水分的迁移，增加土粒之间的推动作用，带走孔隙中的细小土粒，不断的冻融循环迫使土壤孔隙度增大，土壤变得疏松多孔，严重破坏土体结构，崩解速率随之增大。

图1 棕壤崩解速率随冻融循环次数的变化

2.3 含水率对土壤崩解速率的影响

由于土壤含水率直接影响土壤颗粒的连结状况，因此土壤初始含水率是影响其发生崩解的重要因素之一[3]。研究结果表明：冻融循环次数一定时，随着土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐渐减小(图2)，当土壤含水率为12%、16%和20%时，经历冻融作用的棕壤平均崩解速率分别为12.89、3.68和0 cm3/min，土壤含水率由12%增加到16%、由16%增加到20%时，棕壤平均崩解速率分别减小9.21、3.68 cm3/min。由此可知，随着土壤含水率的增加，棕壤崩解速率变化幅度减小，当土壤含水率为20%时，经历冻融作用后，棕壤未发生崩解。这是因为随着土壤含水率的增加，土壤冻融作用更为强烈，冻胀更为严重，冻融作用的增强一定程度上破坏了土壤原有结构，降低了土壤抗崩性，但同时随着土壤含水率的提高，土壤颗粒之间的黏结力增加，土壤颗粒可以更牢固地结合在一起，保持土壤原有结构，黏结力的增强一定程度上削弱了冻融作用对土壤结构的破坏。随着土壤含水率的增加，水分浸润作用增强，土壤颗粒体积增大，增大的体积向孔隙填充，阻碍外部水进入土壤内部，进而增强了棕壤的抗崩性。综合来看，土壤颗粒间黏结力的增强、土壤颗粒体积增大对于崩解速率的影响更为显著，所以随着土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐渐减小。