冻融条件下土壤抗冲性的变化特征

肖俊波，孙宝洋，李占斌,，马 波，张乐涛(.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 700；.中国科学院/水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 700)

冻融条件下土壤抗冲性的变化特征

肖俊波1，孙宝洋1，李占斌1,2，马 波1，张乐涛2

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院/水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

冻融作用；土壤抗冲性；变化特征

为揭示冻融作用对风沙土抗冲性的影响，以季节性冻融区风沙土为研究对象，通过室内放水冲刷试验对冻融条件下土壤抗冲系数的变化特征进行了研究。结果表明：坡度、放水流量、土壤含水量、冻融循环次数和土层深度对土壤抗冲系数均具有显著影响(P<0.05)，土壤抗冲系数对各因素敏感程度大小为坡度>放水流量>土壤含水量>土层深度>冻融循环次数；土壤抗冲系数随坡度、放水流量、冻融循环次数增加而减小，随土壤含水量的增加先增大后减小，随土层深度的增加先减小后增大。

土壤侵蚀是导致土地退化和生态环境恶化的根本原因，是世界性的重大环境问题，严重威胁着人类的生存与发展[1]。冻融侵蚀是土壤在冻融作用下发生的一种土壤侵蚀现象[2]，作为一种重要的土壤侵蚀类型，在全球分布广泛。冻融作用是指土层由于温度降低和升高而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象[3]，季节性冻融一般表现为冬季冻结、春季消融，一冻一融对土壤的理化和生物学性质均会产生直接或间接影响[4]。因此，冻融作用是春季解冻期坡面、沟道侵蚀发生的主要外营力之一[5]。冬季土壤冻结前的初始含水量、冻融循环次数、土层深度等是影响季节性冻融作用的主要因素[6-8]。由于冻融侵蚀发生环境恶劣、侵蚀过程复杂、监测试验模拟困难等，因此目前的研究多集中在冻融作用对土壤物理和力学性质的影响等方面，在冻融作用对土壤抗蚀性的影响研究中也取得一定进展，但关于冻融作用对土壤抗冲性的影响却鲜有报道。

土壤抗冲性是土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能，其值大小受到土壤质地与结构的影响，是土壤抗侵蚀性能的重要方面[9]。土壤抗冲性不仅决定于自身属性，还受到地形条件、气候因素、人为活动等多重因素的复合影响[9-10]。冬春季交替期间冻融作用的反复进行影响了土壤的容重、渗透性、含水量和稳定性等，改变了土体抗冲性，使其更易遭受侵蚀[5]。目前对冻融侵蚀动力过程及其作用机理的研究尚处于起步阶段，尤其是在季节性冻融现象较为明显的风蚀水蚀交错区，有关季节性冻融与土壤抗侵蚀性能之间关系的研究尚且不足，阻碍了我国在多侵蚀营力复合作用下土壤可蚀性变化的研究。基于此，为揭示冻融作用对风沙土抗冲性的影响，本研究利用人为冻融试验和室内放水冲刷试验，研究冻融作用影响下的风沙土抗冲性变化规律，以期为冻融侵蚀机理的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古东柳沟流域，属于典型的大陆性气候区，年降水量240～360 mm，降雨和径流在年内分布不均，3月份冰雪消融，径流增加，径流量约占年径流量的12%。年均气温6 ℃左右，最高气温40.2 ℃，最低气温-34.5 ℃，尤其是1月份平均气温在0 ℃以下，冬春季都有不同程度的冻融现象发生[11-12]。

1.2 试验设计

在研究区调查采样。试验土壤属风沙土，在当地广泛分布，质地为细沙和粉沙，松散无结构，土层较厚，有机质含量极低，极易发生侵蚀[13]。试验土样的颗粒组成分析结果见表1。

表1 试验土壤颗粒分析

试验选用冻融循环次数、土壤含水量、坡度、放水流量、土层深度5个影响因子，每个因子采用5个水平，采用正交方法，选用不含交互作用的L25(56)正交表进行试验。供试土壤剔除植物根系和杂物后自然风干，然后过2 mm 筛，在60 cm×30 cm×20 cm(长×宽×高)泡沫绝热盒中，采用分层配土方法，每盒分4层，配置成5种不同质量含水量(3%、6%、9%、12%和15%)的土样，将配置好的土样放置在室温静置12 h，使土样内水分混合均匀，并用保鲜膜覆盖防止水分散失，然后将土样放入制冷机中进行交替冻融循环。模拟冻融循环试验中，冻结温度保持在-15 ℃左右，在5～10 ℃室温下融解，解冻时间12 h，按此方法依次进行冻融循环。冻融循环次数分别为1、4、7、10和13次，土层深度分别为0～4、4～8、8～12、12～16、16～20 cm。

土壤抗冲性指标采用室内模拟土壤抗冲试验获取，试验设备见图1。土样完全解冻后，用200 mm×50 mm×40 mm(长×宽×高)的特制取样器分层取样。取样器设有偏刃刀口，以减少取样过程中对土壤的扰动。冲刷装置主要由两部分组成，即冲刷槽和供水槽。冲刷试验开始前，调节坡度(5°、10°、15°、20°、25°)和放水流量(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 L/min)，将装有土样的取样器放入冲刷槽土样室中，当取样器中土壤被剥离1/3时停止冲刷，记录冲刷所用时间t。冲刷过程中，用径流桶收集水流泥沙样，直至冲刷试验结束。冲刷结束后称量各个桶内的径流泥沙量，然后将径流桶静置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上层清液，将剩余泥沙水样转移至铁盒内，置于烘箱中烘干称量，测定冲刷泥沙质量W(g)。每组试验重复3次。

1—储水桶；2—流量计、阀门；3—缓冲水槽；4—冲刷槽；5—土样室；6—取样器；7—可调支架；8—支撑板

图1 试验设备示意

1.3 数据处理

土壤抗冲系数为每冲刷1 g的烘干土所需水量，用AS(anti-scouribility)表示，计算公式为

AS=ft/W

式中：AS为土壤抗冲系数，L/g；f为冲刷流量，L/min；t为冲刷时间，min；W为烘干泥沙质量，g。

土壤抗冲系数越大，土壤的抗冲性越强[4]。利用Excel进行数据处理与绘图，采用SPSS 22.0进行正交设计和方差分析。

2 结果与分析

2.1 冻融条件下土壤抗冲性总体变化特征

为研究在冻融作用下，冻融循环次数、土壤含水量、坡度、放水流量和土层深度与风沙土抗冲性的关系，进行方差分析可知，土壤含水量、坡度、放水流量和土层深度对土壤抗冲系数具有极显著影响(P<0.01)，冻融循环次数对土壤抗冲系数有显著影响(P<0.05)。各因素极差值大小为坡度>放水流量>土层深度>含水量>冻融循环次数(表2)，其中坡度的极差值最大，是其他4个因素极差值的4～6倍。这说明坡度是土壤抗冲性的重要影响因素，土壤含水量、放水流量和土层深度是程度相当的次要影响因素，冻融循环次数影响效应最小。当坡度为5°、土壤含水量为3%、试验放水流量为0.4 L/min、冻融循环次数为1次、土层深度为16～20 cm时，土壤抗冲系数最大。

表2 不同模拟条件下的土壤抗冲系数 L/g

注：M1～M5为各因素1～5水平的均值；R为水平极差，表示因素影响程度。

2.2 坡度与土壤抗冲性的关系

冻融坡面土壤侵蚀量的增加与坡度有直接的关系。绘制土壤抗冲系数与坡度的关系曲线，见图2。冻融条件下风沙土抗冲系数随着坡度的增加呈显著减小的趋势，抗冲系数与坡度呈幂函数关系(R2=0.94)。当坡度由5°增加到10°时，抗冲系数由131.54 L/g急剧减小到16.74 L/g，而当坡度由10°逐渐增加到25°时，抗冲系数降幅明显减少。试验过程中，当坡度为5°时，试验产生土壤被垂直穿透现象耗时15 min，然而当坡度增加到10°时，同样的情况用时明显减少，说明随着坡度的增加，产沙量增大，径流下切穿透土壤用时逐渐减少。其原因是经过冻融后土壤变得疏松多孔，产生大量可蚀物质[13]，坡度增大导致流速增加，径流剪切力和能量也随之增加，土壤更易被冲刷，最终表现为土壤抗冲系数减小。

图2 坡度与土壤抗冲系数的关系曲线

2.3 放水流量与土壤抗冲性的关系

绘制土壤抗冲系数与放水流量的关系曲线，见图3。由图3可知，土壤抗冲系数随着放水流量的增加呈减小趋势，土壤抗冲系数和放水流量呈二次函数关系(R2=0.89)。土壤冻融后容重降低，孔隙度增大，土壤入渗能力增强[3]。当放水流量为0.4 L/min时，水流呈缓流状态，水流在土壤表层下渗，动能减小，产生的泥沙也较少，故试验土壤抗冲系数较大。当放水流量增加至0.6 L/min时，随着放水流量增大，流速变大，入渗水量减少，径流下切穿透土壤用时减少，水冲穴逐渐增大，冲刷产生的泥沙量较多，土壤的抗冲系数较小。当流量增加到1.2 L/min时，坡面径流逐渐过渡到紊流局部急流状态，水流的冲刷能力增强，水流对试验土壤下切能力增加，试验土壤更容易被水流冲刷穿透，甚至开始出现局部坍塌现象，冲刷产生的泥沙增加，试验用时减少，试验土壤抗冲系数呈现急剧减小趋势。

图3 放水流量与土壤抗冲系数关系曲线

2.4 含水量对土壤抗冲性的影响

土壤的冻结程度与土壤在冻融过程中含水量的变化有着直接的关系，因此土壤含水量是影响土壤抗冲系数变化的因素之一。绘制土壤抗冲系数与含水量的关系曲线，见图4。由图4可知，土壤抗冲系数随着土壤含水量的增加先增加后减小，两者呈二次函数关系(R2=0.99)，当含水量为6%时，土壤抗冲系数达到最大值，为50.7 L/g。试验土壤经历的冻结过程是土层由上至下依次冻结并获得下层土体水分补给的过程，土壤水分向上迁移。一般说来，土壤中水分含量越大，冻结过程中水分迁移的有效时间越长，迁移的水分也就越多，从而导致土壤水的再分布。土壤冻结时水分部分相变成冰，对土壤的结构稳定性改变较大，但当土壤含水量较低时，水分迁移并不明显，因此当试验土壤含水量为3%、6%时，土壤抗冲系数变化规律并不明显。另外，当含水量逐渐增大时，土壤孔隙填入更多水分，冻融过程中对土壤结构的改变就更大，坡面土壤也就更易于分散、输移和崩塌，导致土壤的抗冲系数急剧减小。

图4 土壤含水量与土壤抗冲系数关系曲线

2.5 冻融循环次数对土壤抗冲性的影响

绘制土壤抗冲系数与冻融循环次数的关系曲线，见图5。从图5可看出，土壤抗冲系数和冻融循环次数呈较好的线性关系(R2=0.92)。冻融循环1、4、7次时，冻融循环次数对试验土壤抗冲系数变化影响不显著(P>0.05)；当冻融循环次数达7次后，随着冻融循环次数增加，土壤抗冲系数呈明显减小趋势(P<0.05)；但当试验土壤经历10次冻融循环后，土壤抗冲系数逐渐趋于稳定(P>0.05)。不同循环次数的情况下，试验土壤表面会发生不同程度的冻胀开裂、土质疏松等，导致供试土壤容重呈缓慢减小趋势，孔隙度呈缓慢增大趋势。因此，试验土壤抗冲系数随冻融循环次数的增加呈现持续减小趋势，但当循环次数增加到10次时，风沙土抗冲系数变化趋于稳定。这说明在冻融循环次数较多的情况下，冻融循环次数的增加可能对土壤抗冲性不再具有显著影响。

图5 冻融循环次数与土壤抗冲系数关系曲线

2.6 土层深度对土壤抗冲性的影响

绘制土壤抗冲系数与土层深度的关系曲线，见图6。由图6可知，土壤抗冲系数随土层深度的增加先减小后增加，土壤抗冲系数与土层深度呈二次函数关系(R2=0.88)，其中土层深度为4～8 cm时，试验土壤抗冲系数最小。冻结过程中，土层由上至下依次冻结并获得下层土体水分补给。随着土层深度的增加含水量逐渐降低，上层土壤含水量较高，土壤水占据较多土壤孔隙，土壤冻结时水分部分相变成冰，体积增大，导致团聚体内部或团聚体之间压力失衡，团聚体破碎效应剧烈[13]；下层土壤由于水分上移，含水量较小，空气占据大部分孔隙，土壤冻结过程中团聚体之间空气收缩导致的团聚体破碎效应非常微弱[3,13]。表层土壤在冻结过程中，土壤孔隙与空气接触，在表层出现一层薄冰，冻结时水分部分相变成冰，增加的体积和气体收缩接近时，团聚体内部或团聚体之间压力平衡，团聚体物理破碎现象并不明显[13]，故0～4 cm深的土壤抗冲系数大于4～8 cm深的土壤抗冲系数。

图6 土层深度与土壤抗冲系数关系曲线

3 结 论

冻融对土壤的作用属非生物应力，对土壤的理化和生物学性质均会产生直接或间接影响。土壤外部环境的改变影响内部结构的变化，冻融作用会对土壤内部结构产生一定的影响，进而使土壤容重和孔隙度有所变化。经过冻融后土壤变得疏松多孔，产生大量可蚀物质，大大降低了土壤的抗冲性。本研究以季节性冻融区风沙土为研究对象，通过室内放水冲刷试验对冻融条件下土壤抗冲系数的变化特征进行研究。结果表明：

(1)坡度、循环次数、土壤含水量、放水流量、土层深度都不同程度地影响风沙土的抗冲系数(P<0.05)，其中坡度是主导因素，放水流量、土壤含水量、土层深度和冻融循环次数是次要因素。

(2)风沙土抗冲系数随坡度、放水流量、冻融循环次数的增加而减小，随土壤含水量的增加先增大后减小，随土层深度的增加先减小后增大。

(3)冻融循环次数对风沙土抗冲系数变化的影响最小，土壤抗冲系数随冻融循环次数的增加而减小，冻融循环10次以后，土壤抗冲系数趋于稳定。

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(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金重点项目(41330858)；西北农林科技大学博士科研启动基金项目(2452015345)

S157

A

1000-0941(2017)01-0037-04

肖俊波(1990—)，男，云南曲靖市人，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀研究；通信作者李占斌(1962—)，男，河南南阳市人，研究员，博士，博导，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。

2016-04-21