季节性冻融对东柳沟流域风沙土分离能力的影响

肖俊波，孙宝洋，马建业，刘晨光，孙艳，王敏，李占斌

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.广西壮族自治区水利科学研究院，530023，南宁;3.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

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［1-3］。土壤由于温度降低和升高而产生冻结和融化，一冻一融对土壤的理化和生物学性质均产生直接或间接影响［2-8］，导致的水土流失，在全球广泛分布［1，3-5］。季节性冻融一般表现为冬季冻结，春季消融，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［3，6-8］;而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［2，5-10］。由于冻融侵蚀发生环境恶劣、侵蚀过程复杂以及监测试验模拟困难等原因［7，11］，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以及冻融作用对土壤抗蚀性的影响［2-5］;然而，关于冻融作用对土壤分离能力的影响目前鲜有报道。土壤分离是土壤侵蚀发生的初始阶段［12-13］，土壤分离能力则为同一坡度和流量条件下，清水径流冲刷作用下，单位时间、单位面积上土壤的流失量［13-15］。国外学者对土壤分离能力的预测开展了大量研究，WEPP模型采用水流剪切力［16］，EUROSEM 模型［17］和 LISEM 模型［12］均采用单位水流功率［18-19］，GUEST 模型［14］则采用了有效水流功率。在国内，有研究表明土壤分离能力与水流剪切力之间存在线性关系［17，20］，还有研究表明水流功率是描述土壤分离能力最好的参数［20］。在坡面冲刷过程中，除考虑水动力学参数外，土壤分离能力还受土壤性状(土壤类型、土壤团聚结构、黏结力等)的影响，坡面土壤分离过程是由坡面水蚀因子和土壤自身性质共同决定的［21］。

目前，国内外关于冻融侵蚀动力过程及其作用机理的研究尚处于起步阶段［3-4］。尤其在季节性冻融和风水复合侵蚀交错区，有关冻融对土壤分离能力影响的研究更是极少。在我国内蒙古季节性冻融区，初春季节土壤夜晚冻结白天融化影响土壤的密度、渗透性、含水量和团聚体稳定性等，从而改变土壤分离能力，使土壤更易遭受侵蚀［2，6-7］;因此，为揭示冻融条件下影响风沙土分离能力因素的效应，采用变坡水槽进行土壤分离试验，以期为复合侵蚀区冻融对水蚀影响的研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区达拉特旗十大孔兑东柳沟流域，属于典型大陆性气候，冬季严寒而漫长，夏季炎热而短暂。境内年降水量为240～360 mm，降雨和径流年内分布不均，汛期(6—9月)降雨量占全年降水量的82%，且汛期降雨集中，多以暴雨形式出现，洪水陡涨陡落。汛期(6—9月)径流占66%，3月份，由于冰雪消融，径流增加，约占全年径流量的12%。研究区年平均气温为6℃左右，最高气温达40.2℃，最低气温－34.5℃。1月平均气温＜0℃，冬春季研究区均有不同程度的冻融现象［22］。

供试土壤属于风沙土，在冻融和风水复合侵蚀交错区广泛分布，实验土样的颗粒组成分析结果见表1。

表1 试验土颗粒分析表Tab．1 Gradation test results of sample particles

2 材料与方法

试验选取冻融循环次数、土壤含水率、坡度、放水流量、土层深度5个影响因子，每个因子设5个水平，采用国内外广泛使用的正交科研设计法，各因素间不考虑交互作用影响，选用不含交互作用的L25(55)正交试验表作为本次试验设计用表(表2)，共进行25组实验，每组实验重复3次。供试土壤剔除植物根系和杂物后自然风干，然后过2 mm筛，测定风干土含水量为1.1%，运用分层配土方法在60 cm×30 cm×20 cm(长×宽×高)泡沫保温盒中配置成5种不同质量含水率的土壤(3%、6%、9%、12%和15%)，将配置好装有土壤的保温盒放置在室温下静置12 h，用保鲜膜覆盖防止水分蒸发散失，然后将土样放入制冷机中进行交替冻融循环。模拟夜晚冻结白天融化，试验中，冻结温度保持在－20℃左右，冻结12 h，然后取出，在室温中解冻，室温为5～10℃，解冻时间12 h。

土壤分离能力指标的获取采用室内模拟放水冲刷实验。用200 mm×50 mm×40 mm(长×宽×高)的特制取样器，分别在经过试验要求冻融循环次数的保鲜盒内，按照试验要求深度分层采集原状土，取样器设有偏刃刀口，减少取样过程中对土壤的扰动，每个处理3次重复。冲刷装置主要由2部分组成，即冲刷槽和供水槽。冲刷试验开始前，根据设计的正交实验要求分别调节坡度和流量，放水冲刷至土样器中土样被剥离3 cm左右［22］，并记录所用时间T。冲刷试验开始时，自产流开始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105℃烘干称量，测定冲刷泥沙质量。

表2 正交试验设计表及5个因素及水平Tab．2 Orthogonal design table and five factors and levels

土壤分离能力是指同一坡度和流量条件下，清式中:Dc为土壤分离能力，g/(m2·s);Q为试验冲刷掉土样质量，g;A为土样面积，cm2;T为冲水时间，s。

利用Excel进行数据处理与绘图，采用SPSS 22.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验。水分离土壤的最大速率，可用冲刷掉土样干质量来计算［13］:

3 结果与分析

3.1 冻融条件下土壤分离能力变化特征

采用极差分析方法，分析各因素对风沙土分离能力的影响效应。如表3所示，影响土壤分离能力的各因素极差顺序为R1(667.17)＞R3(252.60)＞R2(78.75)＞R4(64.47)＞R5(43.94)，坡度的极差值(R1)最大，其次为流量，而其他3种因素极差值较接近，且比坡度极差小1个数量级。这说明坡度和流量是风沙土的分离能力主效应影响因素，而与冻融相关的含水量、循环次数和土层深度是风沙土分离能力的次效应影响因素。当坡度为25°、土壤含水量为6%、试验放水流量为1.2 L/min、冻融循环次数为4次、土层深度为16～20 cm时，风沙土分离能力最大。由方差分析(表4)可知，不同水平的土壤含水量、坡度、放水流量和土层深度对风沙土分离能力均具有极显著影响(P＜0.01)，冻融循环次数显著影响风沙土分离能力(P＜0.05)。

表3 不同模拟条件下的土壤分离能力Tab．3 Soil detachment capacity under different conditions

表4 基于方差分析的各因子对土壤分离能力的显著性Tab．4 Significance of factors'effects on soil detachment capacity based on ANOVA

3.2 土壤分离能力与坡度、流量的关系

风沙土分离能力与坡度和流量的关系如图1和图2，相关分析的结果表明风沙土分离速率与流量和坡度在0.01水平显著相关，冻融条件下土壤分离能力随着坡度和流量的增加呈线性增加的趋势，其关系式分别为:

式中:W为放水流量，L/min;S为坡度，%。

由式(2)和(3)可知，在本研究的冻融试验条件下，产生风沙土分离的径流存在临界流量0.07 L/min和临界坡度6.18%，只有当流量或坡度大于该值时，土壤分离才能发生。这与非冻土土壤分离能力随流量和坡度变化规律相一致［13，21，23］。在试验过程中，当坡度为9%时，土样被剥离3 cm需要15 min以上，当坡度增加到18% ～46%时，平均用时为1 min。这说明接近临界坡度时土壤不易被剥离，而随着坡度的增大，径流剥离3 cm深土样用时大幅减少。其主要原因是土壤经过冻融循环后土壤稳定性降低，土壤可蚀性增加，坡度增大使流速和径流剪切力增加，土样更易被冲刷，导致土壤分离能力增加。

图1 土壤分离能力与坡度关系Fig．1 Correlation of soil detachment capacity with slope

图2 土壤分离能力与流量关系Fig．2 Correlation of soil detachment capacity with flow discharge

3.3 含水量、循环次数对土壤分离能力的影响

由表2可知，相对于坡度，含水量与冻融循环次数是风沙土分离能力的次影响因素，含水量与循环次数对土壤分离能力具有显著影响(P＜0.05)。由图3可知，土壤分离能力随含水量增加呈先增大后减小再增大的变化趋势。当风沙土含水量为9%时，土壤分离能力达到最小(233.80 g/(m2·s))，当含水量为6%，风沙土分离能力达最大值(294.39 g/(m2·s))。冻融主要通过增加土壤可蚀性来改变土壤的分离能力，而土壤团聚体稳定性是土壤可蚀性的重要指标［24］，含水量过高或过低均破坏土壤稳定性［24-26］。由图3可见，含水量过高或过低的土壤较中等含水量的土壤分离能力大。

由图3可知，冻融循环次数对风沙土分离能力的影响最小;但是试验过程中发现，风沙土经冻融循环后，其土壤分离能力有明显增加，后减小并逐渐趋于平缓的趋势。当循环次数为4时，风沙土分离能力达到最大，为282.01 g/(m2·s)。随冻融次数增加，土壤密度减小，孔隙度增大［28］，各级团聚体含量、团聚体总量和平均重量直径降低，导致土壤可蚀性增加［24，27-28］。当循环次数增加到10以上时，风沙土分离能力的变化减小并逐步趋于平缓，冻融循环次数的增加可能对土壤可蚀性的影响能力降低。

图3 含水量和冻融循环次数对土壤分离能力影响Fig．3 Effect of soil moisture and freeze-thaw cycle on soil detachment capacity

3.4 土壤分离能力与土层深度的关系

由表2可知，土层深度对土壤分离能力影响最小，但对试验结果有显著影响(P＜0.05)。由图4可知，风沙土的分离能力随土层深度增大呈线性增加，线性关系为

土壤冻结过程是由上至下逐渐冻结，在土壤水势作用下，下层水分向上运移，导致土壤含水量由上至下逐渐降低［6，26］。如图4所示，随着土层深度的增加，风沙土分离能力逐渐增加，但处于中层的土壤，其土壤分离能力最小，为231.68 g/(m2·s)。由此可知，土层深度主要是通过改变土壤水分的再分布来间接影响土壤分离能力，与冻融过程中含水量对土壤分离能力的影响基本一致。

图4 土壤分离能力和土层深度关系Fig．4 Correlation of soil detachment capacity with soil depth

4 讨论

季节性冻融对土壤的理化和生物学性质均产生直接或间接影响［2，7］，会对土壤内部结构产生一定的影响，冻融后土壤变得疏松多孔，产生大量可蚀物质［28］，大大增加土壤的分离能力。经过室内模拟冻融试验后，通过室内放水试验得出，坡度和放水流量是影响土壤分离能力的主导因素，风沙土分离的径流存在临界流量(0.07 L/min)和临界坡度(6.18%)，只有当流量或坡度大于该值时，土壤分离才能发生。这与非冻土土壤分离能力随流量和坡度变化规律相一致［21-23］。

土壤含水量、冻融循环次数和土层深度都是通过改变土壤基本性质来影响风沙土分离能力，相对于水动力条件的影响较弱;然而，外界环境温度和土壤水分含量及赋存状态制约着冻融的基本过程、作用范围及程度，不可避免地引起土壤三相组分的改变，并造成土壤有机质含量、团聚体含量及其稳定性的变化［2，6-7］。土壤水分含量过高或过低均能降低土壤团聚体含量并破坏土壤结构的稳定性［2，24］，导致土壤的分离能力加强。另外，冻融循环会造成土壤水分再分布，导致冻融过程中，土粒扩张与收缩这两个截然相反的过程作用于土壤的不同部位，分别对土壤稳定性的减弱或增加产生影响［24-25，29］。同时，冻融循环的反复作用通过压实土壤，又会增加表层土壤团聚体的稳定性［24-25］。本研究中发现:冻融循环次数对风沙土分离能力的影响存在作用临界，超越10次冻融循环后，不同土壤水分含量条件下的抗冲系数都逐渐趋于稳定值。鉴于以上研究结果，我国季节性冻融区，在初春季节出现冻融交替前，为使土壤水分含量维持在合理水平，可采取地膜覆盖、秸秆覆盖等措施以维持恒定的地表温度及土壤含水稳定，并避免犁耕翻地等耕作活动，降低冻融交替作用对耕层土壤特性产生的负面效应，预防冻融作用导致的风沙土分离能力加强，防治初春降雨及冰雪融水引发的土壤流失。

5 结论

1)坡度和流量是影响风沙土的分离能力主效应因素，而与冻融相关的含水量、循环次数和土层深度是土壤分离能力的次效应影响因素。当流量＞0.07 L/min或坡度＞6.18%时，风沙土分离才能发生。冻融坡面风沙土分离能力随坡度、放水流量增大而呈现明显增大趋势。

2)冻融过程中土层深度主要是通过土壤水分的再分布量来间接影响风沙土分离能力，土壤水分含量过高或过低均能增大风沙土分离能力，且随着土层深度的增加，各层土壤的分离能力逐渐增加，然而中间层土壤的分离能力最小。

3)风沙土土壤分离能力随冻融循环次数呈先增加后减小并逐渐趋于平缓的趋势。当循环次数为4时，风沙土分离能力达到最大，为282.01 g/(m2·s);但是在10次冻融循环以后，风沙土分离能力的变化减小并逐步趋于平缓，冻融循环次数的增加对风沙土分离能力的影响能力降低。

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