冻融对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响

2020-07-22孙宝洋吴志广李占斌肖俊波程冬兵任斐鹏马建业刘晨光

农业工程学报 2020年11期

孙宝洋，吴志广，李占斌，刘晶，肖俊波，程冬兵，任斐鹏，马建业，刘晨光，马波※

（1. 长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；3. 水利部科技推广中心，北京100032；4. 广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 530023）

0 引言

土壤侵蚀是全球性的主要环境问题之一，已经成为限制当今人类生存与发展的主要因素，严重制约着全球社会经济可持续发展[1-2]。土壤分离是土壤侵蚀发生的初始阶段，是指在降雨击溅或径流冲刷作用下，土壤表层颗粒从原土体脱离的过程，是侵蚀泥沙的主要来源[3-6]。径流水动力学特性和土壤属性（土壤类型、容重、团聚体含量和土地利用等）是影响径流驱动下的土壤分离过程最主要的2 个因素[3]。已有研究表明，当作用于土壤的侵蚀动力超过土壤的临界剪切力时，土壤开始发生分离，土壤分离能力随着侵蚀动力或能量的增加而增大[7-8]。土壤分离过程发生在径流和土壤的界面，因此不同的土壤属性其土壤侵蚀阻力（土壤细沟可蚀性和临界剪切力）也有所差异，导致土壤分离过程显著不同[9-10]。

近年来，随着全球气候趋暖，高纬度和高海拔地区冻融作用不断加剧，在冻融过程中，土壤未必全部发生冻融侵蚀，而是影响土壤属性使其成为其他侵蚀营力的有效物质源。相对于冻融侵蚀，这些受冻融影响的松散物质分布范围更广[11]。解冻期，土壤受到频繁“夜冻昼融”的作用，冻土从表层开始解冻，并伴随着水热传递过程，水分发生固、液、气三相相变和迁移，导致土壤理化性状发生变化[12-13]。随冻融循环次数增加，土壤容重[14]、抗剪强度[15]、水稳性团聚体[16-18]和有机质等理化性质发生不同程度变化，但其变化规律国内外研究结果并不完全一致，这主要与冻融程度和土壤属性有关[13]。

目前，随着冻融作用研究的不断深入，在侵蚀研究方法和影响规律等方面均已取得大量研究成果，尤其是冻融强烈的中国东北黑土区和青藏高原[19-20]。黄土高原具备冻融作用发生的气候和土壤条件，虽然冻融强度相对较小，但对其他侵蚀营力的贡献显著[21]。王随继[22]研究发现黄土高原北部砒砂岩区冻融侵蚀产沙量至少可以达到沟道产沙的1/2 左右，最多可以达到流域侵蚀产沙量的1/3 左右。室内模拟冻融和降雨试验表明，相同降雨强度，冻融坡面产流时间有所延迟，但产流产沙量显著增加[23-24]，流失的泥沙颗粒中值粒径也显著大于未冻融坡面[25]。在黄土高原解冻期，坡度和流量是影响土壤分离能力最主要因素，但冻融循环的作用也达到显著水平[26]。李强等[27]在野外试验站冲刷试验发现，原状裸土和传统根密度土样自然冻融后土壤物理性质变化不明显，而产沙量分别增加了19.41%和6.7%。王长燕等[28]发现黄土丘陵区赖草和紫花苜蓿地的土壤细沟可蚀性具有明显的季节变化特征，并且与土壤粘结力、容重和水稳性团聚体及根系密切相关。

黄土高原丘陵沟壑区与内蒙古荒漠高原的交错带位于风水复合侵蚀区，是黄土高原侵蚀最强烈的地区[29]。该区在中国属于中度冻融区，季节性冻融作用强烈，冻融与风力、水力和重力相互作用，对坡面侵蚀，沟道和流域产沙的影响不容忽视。目前，关于冻融条件下土壤理化性质变化和产流产沙规律已取得大量研究成果，但关于该区冻融对土壤侵蚀过程，尤其是侵蚀阻力的影响机制研究较少。因此，本文在前人研究基础上，模拟冻融条件下土壤分离过程，揭示冻融循环对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响机制，对季节性冻融区土壤侵蚀机理的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验土壤

采样点位于黄土高原与内蒙古荒漠高原的过渡地带的榆林市境内（110°10′30″E，38°16′08″N），属于风水蚀交错区，地貌类型以梁、峁状黄土丘陵为主，气候为暖温带大陆性季风气候，春季干燥多风。该区年平均降水量约为365.7 mm，年内分配不均，7—9 月份的降水量占全年降水的61.1%，春季平均最大降水量可达164.9 mm，平均降水量60.7 mm。多年平均气温约为8.1 ℃，冬季多年平均气温-5.8 ℃，入春以后，气温明显回升，平均日增温0.2 ℃左右，春季多年平均气温10.9 ℃，3、4 月份最低气温在0℃以下的天数从20 多天减少到6 d，冻融循环现象频繁发生（图1）。

试验土壤为黄绵土，采自黄土高原北部撂荒地表层20 cm，是此地区的主要土壤类型，发育于黄土或次生黄土母质上，质地均一，其颗粒组成以粉粒占优势，疏松多孔。根据美国制土壤质地分类标准，黄绵土属于粉砂壤土，土壤黏粒、粉粒和砂粒占比分别为17.59%、68.63%、13.78%。

1.2 试验设计

1）冻融处理

将野外取回的土样根系和石块剔除后自然风干，过5 mm 筛。根据野外实测含水率，将试验土样含水率配置为10 %左右，再根据实测土壤表层容重（1.25 g/cm3），在高为5 cm，直径为10 cm 的圆柱形单面开口的PVC 盒中装填土样。装土前塑料盒底部开9 个圆孔（孔径约5 mm），并铺一层纱布。土样装好后在制冷机中放置12 h，进行冻结，冻结温度控制在-10～-5℃左右，然后在室温（5～10 ℃左右）下放置12 h，模拟自然界夜冻昼融现象。根据研究区气象资料，3 月和4 月份平均气温在0 ℃以上，最低气温在0 ℃以下的天数从20 多天减少到6 d（图1a），冻融循环次数最多可达20 多次，冻融循环次数设计梯度为0、1、5 和10 次。

图1 研究区1981—2010 年平均月气温和降水变化 Fig.1 Variation of monthly temperature and precipitation in the region of research from 1981 to 2010

2）冲刷试验

利用室内变坡试验水槽，进行冲刷试验，模拟野外土壤分离过程，试验装置如图2。土壤分离试验装置主要由4 部分组成，分别为供水部分、稳流部分、冲刷部分和收集部分。供水装置是长宽高为1.0 m×1.0 m×1.5 m 的铁皮水箱，通过水泵将水引入冲刷装置的稳流槽中，利用流量计调节放水流量。稳流部分（长 ×宽×深：20 cm×15 cm×20 cm）位于冲刷槽的上部，中间设有挡板将稳流装置分为2 个隔间，挡板距稳流装置底部5 cm，水流从供水装置流出后首先进入稳流装置第1 个隔间，然后从挡板下部进入第2 个隔间。稳流装置主要用于调节冲刷水流稳定性，使水流进入冲刷槽中初始速度为0。冲刷槽（长×宽×高：400 cm×15 cm×8 cm）为有机玻璃材料，底部粘有与试验土壤相同的土壤颗粒，使试验水槽表面糙度与野外最大可能相似，冲刷槽的试验段为直径10 cm，深5 cm 的PVC 土槽，位于冲刷槽中轴线且距冲刷槽尾部30 cm。试验收集装置位于冲刷槽的尾部，设计为椎体，用于收集试验过程中产生的泥沙。

在放水冲刷前，调节冲刷槽坡度和流量，根据研究区坡度分布特征和近30 a 的降雨资料，坡度设计为：10°和15°，流量设计为：12、18、24 L/min。水流稳定后利用染色体法测定流速，测量区间位于冲刷槽试验段上部，长度为2 m，根据试验水流流态选择相应流速修正系数计算平均流速。冲刷开始后，土样被冲刷2 cm 深度时停止试验，记录所用时间。自产流开始用径流桶收集水流泥沙试样，直至冲刷结束。冲刷结束后，将径流桶静置澄清12 h，泥沙沉淀完全后倒掉上层清液，将剩余泥沙样转移至铝制料缸内，在烘箱中105℃烘干后称量泥沙质量。每组试验重复3 次，共计试验72 场。

图2 模拟冲刷试验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of scouring experimental setup

图3 冻融及土壤分离试验过程图 Fig.3 Schematic diagram of freeze thaw and soil detachment

1.3 数据处理与分析

测定土壤理化性质的土样和用于冲刷土样在冻融过程中均采用相同的处理方法，土壤水分和容重采用环刀烘干法，土壤孔隙度采用环刀浸透法，土壤质地采用激光粒度仪法，土壤水稳性团聚体含量采用湿筛法，有机质测定采用重铬酸钾外加热法，以上均重复3 次。土壤抗剪强度采用便携式剪切仪，土壤硬度采用土壤硬度仪测试，均重复6 次[30]。土壤三相结构指数GSSI（Generalized Soil Structure Index）是表征土壤三相构成的参数，可以用来量化反应土壤因外力作用而引起土壤结构发生变化的程度，与土壤含水率、孔隙度和容重密切相关，通常情况下，旱作土壤的GSSI 越大，结构越优[31]，计算如下：

土壤分离能力是一定坡度和流量条件下，清水分离土壤的最大速率，可用冲刷输移土样干质量来计算（式2）[4-5]，水深利用流量和流速计算（式3），水流剪切力利用水深、坡度等计算（式4）

式中Dc 为土壤分离能力，kg/(m2·s)；W 为试验冲刷输移土样质量，kg；A 为土样面积，m2；T 为冲刷时间，s；h为平均水深，m；Q 为流量，m3/s；B 为冲刷槽宽度，m；v 为平均流速，m/s；τ 为水流剪切力，Pa；ρ 为水密度，1 000 kg/m3；g 为重力加速度，本研究取9.8 N/kg；S 为试验坡度的正弦值。

土壤细沟可蚀性（Kr）和临界剪切力（τ）是用于反映土壤抵抗侵蚀能力的参数，被定义为土壤侵蚀阻力。基于WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型，土壤侵蚀阻力为土壤分离能力和水流剪切力线性拟合直线的斜率和在X 轴上截距，可按下式计算[4-5]

式中Kr为土壤细沟可蚀性；τ 为水流剪切力，Pa；τc为土壤临界剪切力，Pa。

试验数据利用SPSS 19.0 进行数理统计分析，差异显著性检验用LSD 法（P<0.05，双尾）。

2 结果与分析

2.1 各因素对土壤分离能力贡献率分析

多因素方差分析结果表明，冻融条件下，坡度、流量和冻融循环次数均对土壤分离能力有显著影响（P<0.05，表1），3 个单因素的贡献率差异较小，其中流量对土壤分离能力的贡献率最大（19.96 %），其次是冻融循环次数（18.43 %），坡度的贡献率最小（17.94 %）。坡度与流量的交互作用对试验结果有显著影响，而冻融循环次数与坡度和流量的交互作用，以及3 个因素同时交互对土壤分离能力影响均未达到显著水平（P >0.05），且贡献率均较小，甚至为负。

2.2 土壤分离能力影响因素分析

除坡面为10°，冻融后流量为12 和18 L/min 的土壤分离能力无显著差异外，在冻融前与冻融后坡面，土壤平均分离能力均随坡度和流量的增加而显著增大（P<0.05，图4）。在相同坡度和流量条件下，冻融后土壤平均分离能力（5.28±2.48 g/(cm2·min)）显著大于冻融前（2.39±1.71 g/(cm2·min)）。随冲刷流量增加，冻融前15°坡面的土壤分离能力与冻融后10°的差距逐渐减小，当流量增加到18 L/min 时，两者已无显著差异，流量为24 L/min 时，前者值大于后者。

表1 基于方差分析的各因子对土壤分离能力影响显著性及贡献率分析 Table 1 ANOVA of significance and contribution rate of various factors affecting soil detachment capacity

图4 不同坡度和流量条件下土壤分离能力 Fig.4 Soil detachment capacity under different slope and flow discharge

冻融前，径流冲刷流量由12 L/min 增加到18 和24 L/min 时，不同坡度土壤平均分离能力分别增加了2.70和5.37 倍，而冻融后是1.33 和1.87 倍；冻融前，坡度由10°增加到15°时，不同流量条件下土壤平均分离能力增加了1.84 倍，而冻融后是1.78 倍。可见，虽然冻融后土壤分离能力显著增大，但随坡度和流量增加幅度显著小于冻融前。这主要由于冻融与坡度流量交互作用对试验结果无显著影响（表1），再加上坡度和流量较小时，冻融作用增大了试验结果基底值，因此，随坡度和流量增加，冻融后土壤分离能力增幅相对较小。

经历不同冻融循环次数（0、1、5 和10 次）后，土壤分离能力均与坡度呈正相关关系。除坡度为10°，冻融循环为10 次的情况，土壤分离能力均随流量的增加而显著增大（P<0.05, 图5）。

图5 土壤分离能力随冻融循环次数的变化 Fig.5 The relationship between soil detachment and freeze-thaw cycles

不同坡度和流量条件下，冻融1 次后，土壤分离能力均显著增大（P<0.05），但其随冻融循环次数增加的变化趋势有明显差异。坡度为10°时，冻融循环1 次后，流量为12、18 和24 L/min 时的土壤分离能力分别增大了3.28、2.62 和1.83 倍；相对于第1 次冻融，冻融5 次后，相同流量下土壤分离能力无显著变化；而冻融10 次后，相对于第5 次冻融，除流量为24 L/min 时土壤分离能力均显著增大，不同流量间无显著差异（P>0.05）。

坡度为15°时，冻融循环1 次后，流量为12、18 和24 L/min 时的土壤分离能力分别增大了4.19、2.07 和1.42倍。流量为12 L/min 时，随冻融次数增加土壤分离能力不再发生显著变化（P>0.05）；流量为18 和24 L/min 时，冻融5 次后土壤分离能力显著增加，但与冻融10 次后的结果无显著差异（P>0.05）。

2.3 冻融条件下土壤侵蚀阻力变化

不同冻融循环次数，土壤分离能力与水流剪应力均呈较好的线性相关关系（R2≥0.64，P<0.05，图6）。由式5可知，拟合线性关系中斜率为土壤细沟可蚀性（Kr），截距为土壤临界剪切力（τc）。Kr在冻融循环1、5 和10 次后，分别显著增大了1.25、1.66 和1.72 倍，随冻融次数的增加不断增大，并逐渐趋于平稳（图7a）。τc在冻融1、5 和10次后显著小于冻融前，分别减小了70.12 %、48.75 %和83.56 %，随冻融循环次数的增加，变化规律不明显（图7b）。

图6 土壤分离能力（Dc）与水流剪应力（τ）关系 Fig.6 Relationship between soil detachment capacity and shear stress of flow

2.4 冻融对土壤侵蚀阻力影响机制

冻融后土壤机械组成无显著变化，而土壤有机质含量冻融后显著增加（P<0.05），但随冻融次数的变化无明显规律（表2）。冻融前，土壤容重、≥ 0.25 mm 的土壤水稳性团聚体含量、抗剪强度和硬度分别为：1.26 g/cm3、17.98 %、40.66 kPa 和75.00 kPa，在冻融后均显著降低（P <0.05），分别平均减小了6.61 %、24.77 %、21.35 %和13.56 %。随冻融循环次数增加，土壤容重、水稳性团聚体含量、抗剪强度和硬度均逐渐减小，且不同冻融循环次数间具有显著差异（P <0.05）。与容重变化相反，随冻融循环次数增加，土壤孔隙度和三相结构指数均显著增大（P <0.05），说明冻融循环后，土壤结构一定程度得到了改善。

图7 不同冻融循环次数土壤侵蚀阻力变化 Fig.7 Changes of soil erosion resistance under different freeze-thaw cycle times

表2 试验土样冻融前后土壤理化性质变化 Table 2 Variation of soil physical and chemical properties before and after freeze-thaw

通过分析土壤细沟可蚀性（Kr）和临界剪切力（τc）在冻融条件下与土壤性质间相关关系（表3），发现Kr与土壤孔隙度呈显著正相关关系，而与≥ 0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量和抗剪强度呈显著负相关关系，与其他土壤性质无显著相关关系，其中与水稳性团聚体含量相关系数最大（0.98）。在冻融条件下未发现土壤临界剪切力与实测理化性质间存在显著相关关系（P>0.05）。

表3 冻融条件下土壤侵蚀阻力与土壤理化性质间相关性 Table 3 Correlation between soil erosion resistance and soil physical and chemical properties under freeze-thaw conditions

3 讨论

坡度和流量的组合决定了坡面径流水动力特征，是影响土壤分离过程的外因。大量研究表明，土壤分离能力与坡度和流量均呈正相关关系，这与本研究冻融条件下的结果基本一致，但该正相关关系是用何种函数拟合较好与试验所用坡度和流量的大小有关[7,32]。申楠等[33]认为综合考虑两个因子的作用并进行多因素分析更有实际意义。李敏等[34]发现坡度对土壤分离能力的贡献率最大（29.64%），其次是土壤含水率（22.29%）和流量（19.72%），且不同因素的交互作用的贡献率虽然小于单因素，但对试验结果的影响均达到显著水平。而在本研究中，冻融条件下流量贡献率最大（19.96%，表1），但与冻融与坡度和流量的交互作用对试验结果没有显著影响。这可能是由于土壤质地不同，冻融循环的影响有限，在对风沙土的研究中，基于田口方法去噪分析，冻融循环次数虽然对土壤分离能力影响显著，但贡献率远小于坡度、流量和含水率[35]。目前关于冻融增加坡面侵蚀产沙量的结论国内外研究结果较为统一[23,26-27,36]。李强等[27]利用野外冲刷试验，发现在15°的裸露黄绵土坡面在经历初春解冻期后产沙量增加了19.41%；Wang 等[25]利用降雨试验，同样是15°黄绵土坡面，冻融1 次后产沙量增加1.1 倍，均小于本研究中的增加幅度。这除了与测算指标不同有关外，重塑土样、人工冻融条件和设计流量等差异均是主要影响因素。

径流驱动的土壤分离能力与水动力特性和土壤属性两个方面密切相关，后者属于内因，在本试验中受控于冻融作用[12]。土壤是由固相、液相和气相组成的三相物质，冻融后，水分的迁移、相变和冰晶生长，对土壤颗粒和孔隙产生反作用力，破坏土壤结构，土壤颗粒间的粘聚力逐渐被破坏，颗粒重新排列，直接或间接地导致土壤孔隙度增大，容重、团聚体稳定性和抗剪强度等物理和力学指标降低[14-18]，这与本研究中结果基本一致（表 2）。国内外研究发现，随冻融循环次数的增加，土壤容重、孔隙度和抗剪强度在经历多次冻融循环后基本上均趋于稳定，水稳性团聚体是影响土壤可蚀性的重要指标，其变化最为复杂[13]。Lehrsch 等[37]发现表层0～15 mm 黏壤水稳性团聚体含量随冻融循环次数增加而增加，冻融3 次后达到最大值。而Edwards 等[38]以壤土、砂壤土和细砂壤土水稳性团聚体为研究对象，发现随冻融循环次数增加均显著减少，对于团聚体含量较高的壤土和细砂壤土经15 次循环后，大于4.75 mm 的团聚体含量降低，而小于0.5 mm 的团聚体含量从19 %增加到70 %。董晓宏等[39]在控制含水量不变的情况下，发现黄土的抗剪强度在冻融3～5 次后达到最小值，并逐渐趋于稳定。土壤团聚体随冻融循环的变化规律更是受土壤质地和冻融程度等多种因素影响，因此得到的结论差异较大[16-17]。在本研究中，冻融0～10 次时，土壤团聚体稳定性均呈不断显著减小趋势（表2）。这可能是由于黄绵土以粉粒为主，化学成分主要是SiO2和CaO，疏松多孔的结构有利于水分的不断运移，再加上比热小，土温变化大等特性[27]，因此在10 次冻融循环范围内能呈不断减小趋势。土壤有机质是土壤团粒结构形成的关键，其含量同时受冻融程度、土壤质地、有机质的溶解性、胶体携带等因素的综合影响[40]。随着冻融循环次数的增加，可溶性有机质含量显著增加，但是由于其占土壤总碳比例较小，因此冻融对土壤总有机碳含量的影响不大[41]，这可能也是本文结果中有机质无显著变化的原因。

土壤团聚体是土壤结构重要组成部分，其稳定性与抗剪强度均是影响土壤侵蚀阻力的关键因素[27-28,42]。Li等[9]研究发现，不同土地利用土壤细沟可蚀性与水稳性团聚体和土壤黏结力呈较好的幂函数关系，这与本研究基本一致，说明冻融条件下团聚体和抗剪强度也是影响土壤分离能力的关键因素。一般认为土壤黏结力和团聚体通常与容重密切相关，容重越大，土壤抗侵蚀能力越强，越不容易被分离。但是容重的变化势必与孔隙度有关，Wang 等[10]以黄土高原不同退耕年限土壤为研究对象，容重与孔隙度呈较好线性相关关系（R2=0.73，P=0.04），且均显著影响土壤分离能力（P<0.05）。而孙龙等[43]发现黄土高原不同退耕年限刺槐林枯落物的分解使土壤容重降低，但是这并未使细沟可蚀性增大，土壤细沟可蚀性与容重呈正相关关系，与以往的认识不符。通过分析发现枯落物的分解释放的有机物质增大土壤空隙，改善土壤结构，使抗侵蚀能力增加。可见，在枯落物的影响下，土壤容重不再是影响细沟可蚀性的主要因素。在本研究中发现土壤细沟可蚀性与孔隙度和容重相关系数相同（0.95），但与孔隙度呈显著正相关关系，而与容重的关系未达显著水平。这可能是因为冻融条件下，频繁的冻融循环使土壤水分发生相变，破坏土壤结构，增加孔隙度，导致了容重降低，孔隙度的变化能更好地表征土壤细沟可蚀性。土壤细沟可蚀性随冻融次数的增加趋于稳定的变化趋势与土壤分离能力相同，而土壤临界剪切力随冻融次数增加的变化起伏较明显，而且与土壤性质关系未达显著水平，可见土壤细沟可蚀性变化对冻融的响应更为敏感。