东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望

张科利，刘宏远

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一。由于复杂的地理环境和人类活动特点，水土流失在强度和机制方面都存在显著的区域差异性。在不同类型区域，水土流失的主导因子也不同。在东部地区，降水径流是土壤侵蚀发生的主导因子;在北部和西北地区，风力作用在土壤侵蚀中影响显著。上述两者均已受到学者的广泛关注并积累大量成果。在青藏高原和东北地区，冻融交替变化改变土壤侵蚀发生机制和过程，对土壤侵蚀影响剧烈;但是相关研究仍不足以支撑相关理论体系的建立和实际工程应用，因此在我国开展冻融侵蚀研究十分必要。作为独立的自然地理单元，东北黑土区是我国最主要的商品粮基地，明确该区域的水土流失机制对国家的粮食安全和社会稳定有着重要作用。东北黑土区地貌以漫岗丘陵为主，坡缓而长，气候低温湿润，冬季积雪深厚。土壤质地黏重、富含有机质，河流水文受春季融雪径流影响严重。区域内部地广人稀、耕地面积大，农作物相对单一。土壤侵蚀过程则表现为多营力耦合、多过程重叠和受冻融交替过程影响显著等特点。因此，在东北黑土区开展冻融侵蚀研究对黑土资源的保护和洪涝灾害的防治具有重要的理论指导意义和实际应用价值。本文通过回顾已有研究，分析总结了冻融交替对土壤侵蚀的影响，指出了今后开展冻融侵蚀研究应该关注的重点方向。

1 冻融作用影响机制

土壤冻融作用指发生在高寒地区由于温度变化，引起土壤中水分发生相变、体积发生变化，导致土体膨胀或收缩，造成土壤结构破坏和性状改变的过程。冻融侵蚀指因冻融作用的存在而导致土壤侵蚀过程改变和水土流失程度的增加。严格地讲，用冻融侵蚀称谓冻融作用对土壤侵蚀的影响并不恰当，因为冻融作用并不能直接导致土壤颗粒搬运和移动，必须在降雨打击、径流冲刷、大风吹扬或重力作用时方可体现。关于冻融侵蚀，需要指出的是真正因冻融循环导致土壤发生位移所造成的水土流失量很小。冻融循环对水土流失量的贡献主要体现在改变土壤性质和阻滞入渗方面。冻融循环通过破坏土壤团聚体、改变土壤容重和黏结性，增大土壤可蚀性，通过阻滞入渗增加地表径流，加剧了融雪或降雨径流造成的水土流失。由于冻融循环直接导致的土粒移动量很小，而通过改变土壤性质和入渗通量而间接导致土壤流失量更大，将冻融侵蚀改成为冻融作用更为恰切。与水蚀区和风蚀区对应的冻融侵蚀区指该区域内冻融作用影响显著。冻融作用通过影响土壤理化性质、坡面水分运移规律来影响坡面侵蚀过程和水土流失强度。同时，冻融交替作用对我国东北地区春季发生的融雪洪涝灾害也有明显的加剧作用。

冻融作用重叠在水蚀过程之上，共同影响着区域水土流失强度，冻融作用可以间接地加剧了水土流失程度。反过来，水蚀结果又会影响冻融作用的程度。冻融作用对土壤侵蚀的影响表现为:1)土壤冻融交替发生改变土壤性质，进而影响降雨过程中的产流产沙过程，最后影响水土流失程度;2)解冻层深度变化，直接影响融雪径流和降雨径流的入渗而影响产流产沙过程;3)冻融交替变化，改变坡面细沟和切沟侵蚀过程，加剧侵蚀强度;4)不同土地利用对冻融交替过程响应的差异性，导致水土流失空间异质性加剧;5)不同下垫面土壤对全球气候变化响应的差异导致区域水土流失格局变化。而水蚀过程对冻融作用的反馈影响表现为:1)水土流失导致土壤表层腐殖质层变薄和土壤有机质含量减少，土壤性质的变化导致土壤对冻融交替过程的响应改变;2)水土流失导致土壤剖面水分运移变化，进而对冻融交替过程的响应改变;3)水土流失导致坡面土壤再分配，进而对冻融交替过程的响应改变。

2 冻融侵蚀研究进展及存在的主要问题

冻融作用改变土壤性质和坡面渗透特性从而影响土壤侵蚀，冻融侵蚀研究在国外开展较早，自20世纪60年代开始就有学者开展关于冻融对土壤孔隙［1］、团聚体［2］和渗透性［3］等方面影响的研究。关于冻融侵蚀的直接研究开始于70年代，Wischmeier等［4］强调位于冻结层之上的解冻层侵蚀潜力巨大，融雪和低强度降雨也能够造成剧烈的水土流失，冻融期的土壤侵蚀可达全年土壤侵蚀量的90%。此后众多学者开展了相关研究取得显著成果［5-6］。国内冻融侵蚀相关研究开展较晚，80年代开始相关工作时主要以引进冻融侵蚀概念和土壤侵蚀类型分类为主［7-8］，90 年代是冻融侵蚀研究的过渡期［9-11］。进入21世纪以来国内冻融侵蚀研究快速发展，在冻融侵蚀的分布、影响因素和作用机制等方面取得很多成果［12-14］。国内外现有关于冻融作用和冻融侵蚀的研究工作主要集中在冻融作用对土壤理化性质的影响、冻融作用对土壤水分温度的影响和冻融作用对土壤侵蚀过程及强度的影响等方面，且多数研究采用室内模拟实验的方法。

2.1 冻融作用对土壤物理性质的影响

齐吉琳等［15］和 Chamberlain 等［16］提出细粒土经过冻融循环后，土壤容重增大，孔隙比减小。刘佳等［17］提出随冻融循环次数的累积，黑土容重减小，孔隙比增大，且变化幅度越来越小直至趋于稳定。Viklander［18］、杨成松等［19］和温美丽等［20］发现冻融循环使本来疏松的土壤变得相对紧实，而使本来紧实的土壤变得相对疏松，即疏松土和紧实土经过若干冻融循环后趋向一个稳定的干容重，这一稳定值与土壤的种类有关，而与土壤的初始干容重无关。很多研究发现冻融导致土壤团聚体稳定性降低［21-23］。而 Richardson［24］和 Lehrsch［25］发现在经过少量的冻融循环后，土壤团聚体稳定性增加。Mostaghimi等［26］、王风等［27］和 Wang 等［28］实验发现在中等含水量条件下冻融循环可增大团聚体稳定性，而过高或过低含水量条件下冻融均导致团聚体稳定性降低。罗小刚等［29］、汪仁和等［30］和杨平等［31］实验发现冻融后黏性原状土的力学性质会发生很大改变，无侧限抗压强度、直剪强度和三轴剪切强度降低、灵敏度降低，而在相同条件下砂土的性质变化却不大。范昊明等［32］认为冻融作用通过改变土壤的容重、渗透性、含水量等性质，可进而影响土壤可蚀性。

2.2 冻融作用对土壤水分温度的影响

Chamberlain［33］表示解冻后土壤比之前更加不稳定，因为土壤在解冻时会立即吸收融水，导致土壤结构强度降低。Formanek等［34］发现美国华盛顿的帕卢斯淤泥壤土在经历冻融循环后抗蚀性接近最低值，越冬后土壤容重下降、导水率升高，并将土壤抗蚀性的降低归因于冻融循环对土壤结构造成的破坏性影响。Mauro［35］对阿尔卑斯山地区冻土活动层进行了研究，分析了300 cm深处地温的变化过程;Gómez等［36］研究了西班牙东南部内华达山脉Corral del Veleta小飞地10 cm、50 cm深处地温变化;吴青柏等［37］利用青藏高原活动层监测数据，从青藏高原冻土及水热过程出发讨论了冻土水热过程与寒区生态环境的关系;潘卫东等［38］应用青藏铁路多年冻土地区典型地段测温孔资料，证实多年来由于气候转暖，已经使冻土层上部(20 m以上)的地温明显上升，影响深度已经波及到了40 m;王绍令等［39］根据4个冻土长期定位观测场地温资料分析地温状况及冻土变化趋势。戴竟波等［40］通过分析实验数据，探究了大兴安岭北部多年冻土区雪盖对地温的影响;顾钟炜等［41］在大兴安岭阿木尔地区的多年冻土特征及其变化研究中发现，在多年冻土的退化中，季节解冻深度至少增加了约30 cm，消融区范围也在不断扩大。景国臣等［42］通过野外实验证明，冻融作用会使土壤水分发生上移。本文第一作者等［43］基于东北黑土区不同下垫面条件下土壤温度和水分实测资料，分析了冻融交替过程和冻结层消退过程。这方面工作多为针对冻土的大尺度研究，针对土壤冻融作用野外实测资料仍然不足，特别是针对不同土壤剖面的观测数据更少。

2.3 冻融作用对土壤侵蚀过程及强度的影响

Zuzel等［5］通过野外监测发现冬季几乎所有的融雪和降雨都形成径流，在观测到的侵蚀事件中，86%与融雪径流和冻融作用有关。McCool等［44］研究了美国西北小麦区沟蚀与冻融作用的关系发现，因土壤冻结形成的不透水层，可强化融雪水导致细沟和切沟侵蚀发生的概率。Formanek等［34］指出，冻土层开始解冻时土壤可蚀性最大，随后会逐渐减小。McCool等［45］和 Kirby 等［6］将土壤根据冻或融的状态分为不同类型，并发现正融土的土壤可蚀性最高，可高于相应土壤夏季土壤可蚀性约一个数量级甚至更高。Ferrick等［46］通过室内实验，定量地研究了冻融作用对细沟形成和坡面侵蚀的影响。Van Klaveren等［47］研究了不同水分张力条件下冻融对土壤可蚀性和临界剪切力的影响，发现冻融条件下，土壤细沟可蚀性与土壤水分张力有关，初始含水量越大则经过冻融后土壤细沟可蚀性越高。Sharratt等［48］实验表明，冬季土壤冻结深度和冻土的解冻深度，都会影响到入渗、地表径流及土壤侵蚀。范昊明等［49］研究表明，解冻深度愈小，坡面产流愈早，侵蚀量愈大。在修订版通用流失方程RUSLE中，通过修订土壤可蚀性K值和降雨侵蚀力R值来体现冻融作用的影响［50］。刘淑珍及其团队长期关注青藏高原的冻融侵蚀问题，在冻融侵蚀基本概念、分类分区方面做出了贡献［51］。刘佳等［52］和周丽丽等［53］实验发现，东北黑土坡面侵蚀强度受土壤含水量、降雨强度和解冻深度等因子的综合影响。Ban等［54］通过室内模拟实验对比研究了冻结状态与解冻状态2种条件下细沟流速差异，发现冻结状态下细沟水流流速显著高于解冻状态的水流流速，且这种差异与冲刷水槽坡度呈正相关。Ban等［55］实验了冻融对坡面径流含沙量的影响，发现经历冻融循环后径流含沙量增大。

2.4 存在的主要问题

近几十年来，国内外学者针对冻融作用和冻融侵蚀开展了大量工作，取得许多有价值的研究成果，并为后来进一步研究奠定了基础，但仍然存在许多问题:1)就方法而言，室内模拟远多于野外原位监测实验，实验条件设计与田间有很大差异，如何将模拟实验研究结果应用于田间条件，仍需大量工作;2)缺乏将冻融作用与坡面产流产沙过程相融合的研究和实验，目前还很难定量评价冻融作用的侵蚀贡献;3)就我国东北黑土区而言，目前相关研究积累更少，过程与机制不明，已有研究工作也基本上没有考虑不同下垫面对冻融交替过程响应程度的差异，更未见冻融作用与水蚀过程耦合机制方面的研究报道。目前关于冻融侵蚀研究，主要进展集中于成因和分级分类等方面，多为间接分析，缺少原位监测数据。关于冻融作用对水土流失的影响机制研究仍然薄弱，目前还很难进行定量评价，在流域尺度上对冻融作用的影响研究更为罕见。

3 东北黑土区冻融侵蚀研究方向及急需解决的关键问题

受气候条件控制，东北黑土区土壤冻融交替现象普遍发生。一方面，冻融交替发生改变土壤原有性状，而冻结层的存在会影响坡面水分运移规律，进而改变土壤侵蚀过程、机制和水土流失强度;另一方面，东北黑土区地形以漫岗漫坡为主，平均坡度小，平均坡长大，导致该地区土壤侵蚀泥沙输移比小，大量泥沙在坡脚或流域底部沉积，造成流域内部强烈的土壤空间再分配，使土壤的空间异质性增大，导致空间上土壤对冻融交替的响应发生变化。因此，东北黑土区冻融作用与水蚀过程互为条件、因果耦合、彼此促进，形成了东北黑土区独特的土壤冻融侵蚀过程和水土流失特点。根据以上分析可围绕以下4方面开展东北黑土区冻融侵蚀研究。

3.1 不同下垫面类型土壤冻融交替变化规律

鉴于农耕地的重要性和水土流失的剧烈程度，优先考虑将农耕地作为研究对象，东北黑土区农耕地坡面在不同地形部位上侵蚀程度显著不同。从坡顶到坡脚，侵蚀强度先由弱变强，再由强变弱，直到最后发生沉积。土壤侵蚀强度的空间变化加剧了下垫面条件的空间异质性，导致不同地形部位土壤冻融循环变化及其对土壤侵蚀的影响也存在空间差异;因此，在东北黑土区开展冻融侵蚀评价时，需要在分析已有研究结果和开展野外调查基础上，根据土壤侵蚀造成的土壤空间再分配状况，将东北黑土区的土壤概化为不同类型，例如发生型、母质型、堆积型和退化型等。发生型指土壤原始剖面遭受弱度侵蚀，土壤发生层尚在，土壤剖面较完整。母质型指土壤原始剖面遭受强度侵蚀，土壤母质出露。堆积型指在原始剖面上发生堆积，表土性状改变，侵蚀在堆积层中发生。退化型指原始土壤剖面中的腐殖质层遭受侵蚀并几乎流失殆尽，土壤有机质含量显著减少。针对上述不同下垫面类型，开展主要类型剖面上土壤温度和土壤水分动态变化过程的连续监测。通过分析土壤温度和水分的动态变化规律，总结每年冻融交替循环变化规律;建立东北黑土区土壤冻结或解冻深度与气温、土壤水分等因子关系，并探讨土壤解冻深度空间变异特征和时间变化规律。

3.2 冻融影响作用评价的因子量化

冻融交替对土壤性状的影响已被证明，但冻融作用对坡面产流产沙的影响评价还需要进一步量化。由于东北黑土区土壤空间异质性大，即使在相同的气象条件下，冻融交替作用的影响效果也存在差异。针对概化出的主要下垫面类型，采集剖面不同深度处的原状土样，根据不同下垫面类型上观测的冻融循环变化规律，设定模拟实验中温度变化条件，在实验室开展不同冻融交替情景下土壤性状的变化特征的模拟研究，建立土壤性状变化响应与土壤质地、水分、结构、有机质含量等指标间的定量关系。通过与未受冻融循环影响的土壤比较，应用已有的土壤性状与入渗、产流以及土壤分离之间的定量关系式就可以估算由于存在冻融交替循环而增加的土壤流失量。需要说明的是，到目前为止不同研究者在世界各地开展的冻融循环模拟研究不少，其优点是实验条件具体明确，并便于控制和重复。不足是许多实验设计，比如温度变化范围和冻融循环次数等设定缺乏足够的实测数据支撑。另一方面，冻融作用对土壤性质、乃至产流产沙的影响都有一个范围，并非随着冻融循环的持续进行，土壤性质会无限制地改变。因此，今后在开展冻融侵蚀研究时，加强野外实测，为模拟实验开展提供依据。同时，也应该关注农地春耕对冻融影响的抑制作用，如果经过春耕后，土壤性质在多年水平上保持一致，那就说明冻融作用对夏季水蚀作用不大，其影响主要表现在春季融雪径流引起的水土流失。也就是说，对冻融作用的影响时段应该明确，否则，东北地区的农耕地已经经过了千万次的冻融交替循环，按照室内模拟结果，土壤性质已经发生了巨大的变化。但实际上，除了水土流失严重的情况，土壤性质的改变没有那么显著。

3.3 冻融作用的水土流失响应

冻融隔水层的存在和土壤性状变化都会影响土壤入渗和坡面产流产沙过程，以及区域侵蚀强度。但已有研究以模拟实验居多，缺乏原位实验。即使设置原位实验，侧重点也多为土壤性质变化，很少涉及对产流产沙的观测实验。尽管有学者将冻融循环模拟和人工模拟降雨实验结合，开展了冻融循环与产流产沙之间的相关实验;但由于实验尺度和冻融效果与田间存在很大差异，实验结果不能代表田间坡面的真实情况。因此，已有研究未能真正建立起冻融影响与水土流失之间的定量关系。在今后研究中，应该加强利用野外径流小区来研究冻融作用的影响，通过分析小区观测资料、模拟实验结果，以及冻融交替影响下不同下垫面土样的分离实验结果，比较有无冻融发生条件下，土壤入渗率、土壤分离速率和土壤可蚀性值的差异，揭示东北黑土区冻融作用对坡面产流产沙的影响规律，建立适合黑土区土壤分离速率和土壤可蚀性值估算公式，为黑土区土壤侵蚀预报模型的建立和应用提供理论支撑。如何从小区观测资料中剥离冻融作用的贡献率是解决问题的关键，同时也是难点。不解决这个难点，对冻融交替循环的侵蚀响应的模拟研究很难准确地评价冻融交替循环对坡面侵蚀的真正贡献。

3.4 冻融作用对流域尺度上土壤侵蚀的贡献

由于东北黑土区地形相对平缓，但坡长相对较长，土壤侵蚀导致的土壤再分配现象普遍存在，即大量侵蚀土壤并不能直接进入河流系统，而是在坡面中下部沉积。即使在坡面尺度上评价了冻融交替循环的影响，也不能用于准确计算冻融作用对河流泥沙的影响。因此，需要基于坡面径流小区和小流域径流泥沙观测数据、以及土地利用和土壤分布资料，研究冻融交替循环对小流域径流泥沙规律影响;建立小流域径流泥沙与降雨侵蚀力、坡度坡长等因子的关系，并通过与无冻融作用影响地区径流泥沙与降雨侵蚀力、坡度坡长等因子关系的比较，剥离出冻融侵蚀或冻融作用对小流域侵蚀产沙的贡献率。由于冻融交替循环对流域产流产沙的影响主要体现在每年最初的几场降雨，可以考虑将每年最初2场产流的径流泥沙资料作为一组，分别分析雨—水—沙之间的定量关系。将每年去掉前2场产流降雨的其他场次的径流泥沙资料作为一组，分别分析雨—水—沙之间的定量关系。通过分析2组数据间定量关系的差异，来确定冻融交替循环对小流域产流产沙的影响以及侵蚀贡献大小。

4 结论与展望

冻融侵蚀是土壤侵蚀研究中的难点，数十年来大量学者通过不懈努力取得了显著成果;然而由于冻融作用和冻融侵蚀影响因素多、过程机制复杂，现有研究仍不足以明确冻融侵蚀过程机制和进行准确预报，且存在着研究工作中以模拟实验居多，针对冻融交替循环方面的原位监测资料匮乏，仍没有利用现有小区观测资料来评价冻融对产流产沙贡献率的方法等问题。鉴于东北黑土区冻融侵蚀与水蚀耦合作用的独特性，考虑冻融交替对东北黑土区坡面及小流域产流产沙过程的重要影响，未来研究应注重田间条件下冻融交替循环规律及影响因素;量化冻融循环对坡面及小流域产流产沙贡献及其合理的评价方法等方面，为冻融区土壤侵蚀模型的建立和完善提供理论依据，为区域水土保持工作的开展和水土保持措施的规划提供技术支撑。

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