冻融交替作用对黄土高原三种典型土壤可蚀性影响

张泽宇,马波,2,李占斌,2*,曾建辉,孙宝洋,赵玉泉

冻融交替作用对黄土高原三种典型土壤可蚀性影响

张泽宇1,马波1,2,李占斌1,2*,曾建辉1,孙宝洋3,赵玉泉4

1. 西北农林科技大学水土保持研究所,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 2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100 3. 长江科学院水土保持研究所, 湖北 武汉 430010 4. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100

为研究冻融交替作用对黄土高原北部土壤可蚀性的影响，选取黄土高原北部季节性冻融区的三种典型土壤（灌淤土、黄绵土和风沙土）作为研究对象，设计室内冻融模拟试验，利用基于机械组成和有机质含量的EPIC模型与Dg模型估算土壤可蚀性值，系统分析冻融交替作用对土壤机械组成、有机质含量及土壤可蚀性值的影响。结果表明：（1）冻融交替作用使三种供试土壤粘粒含量显著减少（<0.05），土壤质地粗化；（2）土壤有机质含量随冻融交替次数的增加总体呈先增加后减小再增加的趋势；（3）相同冻融条件下，利用EPIC模型与Dg模型估算出的土壤可蚀性值具有显著差异（<0.05），利用EPIC模型估算时，土壤可蚀性值大小表现为风沙土>灌淤土>黄绵土，利用Dg模型的估算结果与之相反。

冻融交替; 高原土壤; 可蚀性

黄土高原北部季节性冻融区的土壤在秋末及初春季节会发生“夜冻昼融”的现象，该现象称为冻融交替作用，其通过影响土壤的理化性质，使土壤更易成为水力侵蚀、风力侵蚀等的侵蚀物质来源，加剧土壤侵蚀，严重影响该区域土壤侵蚀状况及农业生产活动[1-3]。对此，国内外学者做了大量研究，研究发现冻融交替作用能够减小土壤容重[4,5]，增大土体渗透性、使松散土的孔隙减小、密实土的孔隙增大[6]，改变土壤粘聚力和抗剪强度[7]，影响土壤团聚体含量及其稳定性[8]，改变土壤颗粒和机械组成[9]，有机质含量的变化受冻融程度、土壤质地等因素的综合影响[10]。

土壤可蚀性（Soil Erodibility）是指土壤对侵蚀的敏感性，是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要定量化参数，国际上一般采用K值即土壤可蚀性因子来表示[11]。经过几十年国内外学者的大量研究，目前关于土壤可蚀性的测定方法已经比较成熟，土壤理化性质的测定、放水冲刷试验、模拟降雨和小区试验被用于土壤水蚀可蚀性的研究中[12]，并提出诸多模型，其中使用较广泛的模型有USLE、RUSLE、EPIC模型、Dg模型、Torri.D模型等。张科利等[13]将USLE、EPIC模型和Dg模型应用于我国各地区土壤侵蚀，并提出适用于我国的三种模型修正公式。

本研究旨在通过室内模拟冻融试验分析冻融交替作用对土壤机械组成和有机质含量的影响，利用模型及修正式对土壤可蚀性值进行估算，进而研究冻融对土壤可蚀性的影响，对比利用两种模型估算得到的结果，分析其优缺点，为该地区土壤可蚀性研究提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

本研究供试土壤为黄土高原北部季节性冻融区的三种典型土壤：陕西省安塞黄绵土、内蒙古包头市灌淤土和内蒙古鄂尔多斯达拉特旗风沙土，于撂荒地采取0～30 cm土壤。将供试土壤自然风干后去除植物根系秸秆及石块等杂质，过5 mm筛备用。如表1所示为供试土壤基本性质。

表1 三种供试土壤基本性质

1.2 室内模拟冻融试验

将风干过筛后的土样放入绝热泡沫盒（内径长72.5×宽40×深34.9 cm3）中，根据调查和实测容重与预设土壤前期含水量（4%、6%、8%、15%，风沙土增设2%）分层装土并压实。填土完成后，将土壤表面刮平。用保鲜膜覆盖并包裹保温盒，密封放置24 h，以使水分在土体中均匀分布渗透。将配好土样放入调好温度的冰柜中，打开盒盖，用保鲜膜覆盖表层，防止冰柜上盖板冷凝水进入土体，在冰柜中冻结12 h。冻结后取出将保鲜膜揭开，在室温下融化12 h。本研究中，土体冻结12 h然后融化12 h的过程称为一次冻融交替。冻融交替次数设置为：0、1、3、5、7、10、15、20次。土样在室温条件下融化12 h后，采取土体表层（0 ～ 5 cm）土壤于自封袋中，将采集好的土壤自然风干，利用马尔文激光粒度仪测定其机械组成，使用重铬酸钾外加热法测定有机质含量，每组设置3次重复实验。

1.3 土壤可蚀性K值估算与修正

本研究中，利用基于土壤机械组成和有机质含量的EPIC模型和Dg模型估算土壤可蚀性值。1990年Williams等[14]提出的侵蚀-生产力模型EPIC中的值作为衡量土壤可蚀性的指标，见式（1）：

式中：SAN为砂粒含量(%)；SIL为粉粒含量(%)；CLA为粘粒含量(%)；C为有机碳含量(%)；SN1=1-SAN/100。

1984年Shirazi等[15]提出在土壤理化性质资料有限的情况下，建议只考虑土壤几何平均粒径（Dg）来计算土壤可蚀性值，计算公式（2）为：

Dg=e(0.01ålnm)(3)

式中，f为原土壤中第个粒径级的等级质量分数，%；m为第个粒径级两端数值的算术平均值，mm；公式中值的单位是美国制，计算后将值乘0.1317，转化为国际制单位[t·hm2·h /(MJ·m·hm2）]。

本研究利用张科利等在研究我国土壤可蚀性值估算提出的修正式对土壤可蚀性值进行修正转换[13]，修正式如下：EPIC=-0.01383+0.51575williams(=0.613，=0.106) (4)

Dg=-0.00911+0.55066shirazi(=0.705，=0.051) (5)

1.4 相对变化量

本研究中三种土壤质地不同，为方便统一比较冻融交替作用对土壤理化性质的影响，对数据进行归一化，用相对变化量来表征变化程度，计算公式：

其中，未冻融与冻融后指土壤冻融交替前后测得的指标数据。

1.5 数据分析

本研究试验数据利用软件Excel 2019和SPSS 26进行数理统计分析及图表制作，进行方差分析和配对样本检验，用最小显著性差异法（LSD）对试验结果进行多重比较。

2 结果分析

2.1 冻融交替对土壤机械组成的影响

本研究的三种供试土壤中，灌淤土粘粒（<0.002 mm）含量最高，为28.55%，其次是黄绵土粘粒含量为17.59%，风沙土粘粒含量最少，为6.73%；黄绵土粉粒（0.002～0.05 mm）含量最高，为68.63%，其次是灌淤土粉粒含量为44.78%，风沙土粉粒含量最少，为31.96%；风沙土砂粒（0.05～2 mm）含量最高，为61.32%，其次是灌淤土砂粒含量为26.67%，黄绵土砂粒含量最少，为13.78%。在冻融交替过程中三种供试土壤粘粒、粉粒和砂粒含量的变化呈现明显的规律：灌淤土，黄绵土和风沙土粘粒（< 0.002 mm）含量随冻融交替次数的增加均显著减小（<0.05），如图1所示，风沙土粘粒含量降低幅度最大，最大降幅达48.37%，灌淤土和黄绵土粘粒含量的最大降幅分别为19.08%和28.71%。初始含水量越大，冻融交替后粘粒含量减小得越多。黄绵土粉粒（0.002～0.05 mm）含量总体呈减小趋势，灌淤土和风沙土粉粒含量总体呈增加趋势；土壤砂粒（0.05～2 mm）含量总体呈增加趋势，均无显著性差异（> 0.05）。在冻融交替15次后，三种土壤粘粒、粉粒和砂粒含量的总体趋于稳定。

图1 三种土壤粘粒含量相对变化量随冻融交替次数的变化

Fig.1 The relative change of three kinds of soil clay content with the number of freeze-thaw cycles

2.2 冻融交替对土壤有机质含量的影响

本研究中，三种土壤在未进行冻融处理时的有机质含量表现为：灌淤土（12.33 g/kg）>黄绵土（5.38 g/kg）>风沙土（3.31 g/kg）。在冻融过程中，灌淤土有机质含量的变化范围为12.19～12.76 g/kg，黄绵土有机质含量的变化范围为5.25～5.83 g/kg，风沙土有机质含量的变化范围为3.25～3.52 g/kg。随着冻融交替次数的增加，灌淤土、黄绵土和风沙土的有机质含量变化差别较大，但总体呈现先增大后减小再增大的变化规律。黄绵土和风沙土的有机质含量变化幅度逐渐增大，相反，灌淤土的有机质含量变化幅度逐渐减小。如图2所示，灌淤土、黄绵土和风沙土有机质含量分别在第3次和第20次冻融交替后达到最高水平，较未冻融土壤分别增加2.64%、8.28%和5.26%。在冻融交替10次和15次时，不同初始含水量条件下三种土壤的有机质含量均达到最低水平。除初始含水量为4%的风沙土外，不同初始含水量条件下三种土壤经过20次冻融交替后，土壤有机质含量均增加。

图2 三种土壤有机质含量相对变化量随冻融交替次数的变化

Fig.2 The relative change of three kinds of soil organic matter content with the number of freeze-thaw cycles

2.3 冻融交替对土壤可蚀性K值的影响

利用基于土壤机械组成和有机质含量的EPIC模型和Dg模型计算三种土壤在冻融交替条件下的土壤可蚀性值，并用公式（4）和（5）进行修正。配对样本检验结果表明，相同条件下，两种方法估算出的值具有显著差异（<0.05）。利用EPIC模型计算的冻融前后3种土壤值（EPIC）变异系数均大于Dg模型（Dg）。利用 EPIC 模型估算的土壤可蚀性值表现为风沙土>灌淤土>黄绵土，与利用Dg模型的估算结果相反。在冻融过程中，灌淤土、黄绵土和风沙土EPIC在冻融过程中变化范围为0.0068 ～ 0.0091、0.0054 ～ 0.0065和0.0240 ～ 0.0314 t·hm2·h /( MJ·mm·hm2），KDg变化范围为0.0167 ～ 0.0185、0.0179 ～ 0.0187和0.0110 ～ 0.0135 t·hm2·h /( MJ·mm·hm2）。

图3 三种土壤KEPIC和KDg相对变化量随冻融交替次数的变化

Fig.3 The relative changes of KEPIC and KDg of three soils with the number of freeze-thaw cycles

如图3所示，不同含水量条件下，随冻融交替次数的增加，灌淤土和黄绵土EPIC和Dg均呈增加趋势,无显著差异(>0.05)，在15次冻融交替后，EPIC和Dg趋于稳定。风沙土EPIC随冻融交替次数的增加总体呈增加趋势，相反Dg随冻融交替次数的增加呈减小趋势，均无显著差异(>0.05)。灌淤土在冻融交替15次后变化量达到最大，EPIC相对变化量为24.95%，Dg相对变化量为7.69%；黄绵土在冻融交替20次后变化量达到最大，EPIC相对变化量为16.06%，Dg相对变化量为5.29%；风沙土在冻融交替10次后变化量达到最大，EPIC相对变化量为12.51%，Dg相对变化量为18.33%。分析可知，EPIC模型和Dg模型应用于灌淤土和黄绵土时得到的变化趋势总体相近，应用于风沙土时，两种模型得到的结果差别巨大。

3 讨 论

冻融交替过程中，发生“冻后聚熵”的现象，温度变化间接导致土体中水势变化，从而驱动水分运移。在冻结过程中，土壤温度由上至下依次降低，上层土壤温度下降时，水汽压降低，低于下层土壤水汽压，形成汽压梯度，下层土壤中的水汽向上层移动；在融化过程中，土壤温度由上至下依次升高，上层土壤中的水分向下移动。同时，冻融作用会使土壤的孔隙度增大，这为细小颗粒的移动提供了通道。粘粒融化后在水分运动和重力作用下，逐渐向下层移动，使得表层土样的粘粒含量均显著减少，且减小幅度受冻融交替次数和初始含水量影响，冻融交替次数越多，初始含水量越大，冻融程度越大，粘粒含量减少越多。已有研究发现，冻融作用会使土壤的干容重减小，且略小于下层土壤的干容重[16]。究其原因可能为水分在向下运移过程中，会挟带部分细颗粒。表层土壤粉粒和砂粒含量增大，是由于土壤颗粒含量表示为质量分数，当粘粒含量减少，粉粒和砂粒所占比重增加，故含量增大。

使用模型估算土壤可蚀性值时，不同公式的理化性质指标不同，其敏感度也不同，Dg模型以土壤机械组成为基础估算K值，而EPIC模型还需土壤有机质含量，冻融交替对有机质含量有影响，因此，两种模型估算的土壤可蚀性K值结果存在差异。Dg模型公式是土壤可蚀性值关于几何平均粒径Dg的函数关系式，研究发现，当Dg=0.0211 mm时，值最大；当Dg<0.0211 mm时，值与Dg呈正相关关系；当Dg>0.0211 mm时，值与Dg呈负相关关系。在本研究中，黄绵土和灌淤土的几何平均粒径Dg均略小于0.0211 mm，风沙土的几何平均粒径Dg远大于0.0211 mm，故出现风沙土的土壤可蚀性值小于黄绵土和灌淤土的结果。这与王彬等[17]和Romkens等[18]研究相同，土壤过于粘重（Dg减小）或质地过于粗化（Dg增加），均会使土壤可蚀性减小，最大的土壤可蚀性出现在壤质土情况。因此，Dg模型的适用条件受到一定限制，EPIC模型更适合黄土高原季节性冻融区的侵蚀预报与研究。

4 结 论

（1）冻融交替过程中，三种土壤的粘粒含量显著减小（<0.05），土壤质地粗化，灌淤土、黄绵土和风沙土冻融前后相对变化量达到-19.08%、-28.71%和-48.73%；

（2）冻融交替过程中，三种土壤的有机质含量总体呈先增加后减小再增加的趋势；

（3）相同冻融交替条件下，EPIC模型与Dg模型估算出的土壤可蚀性值具有显著差异（<0.05），利用EPIC模型估算时，土壤可蚀性值表现为风沙土>灌淤土>黄绵土，相反，利用Dg模型的估算结果表现为风沙土<灌淤土<黄绵土。

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Influence of Freeze-Thaw Alternation on the Erosibility of Three Typical Soils in the Loess Plateau

ZHANG Ze-yu1, MA Bo1,2, LI Zhan-bin1,2*, ZENG Jian-hui1, SUN Bao-yang3, ZHAO Yu-quan4

1.712100,2.712100,3.430010,4.712100,

In order to study the influence of the alternation of freezing and thawing on the soil erodibility in the northern Loess Plateau, three typical soils (irrigated silt soil, loess soil and aeolian sand soil) in the seasonal freezing and thawing area of the northern Loess Plateau were selected as the research objects, and an indoor freeze-thaw simulation was designed in the experiment, the EPIC model and the Dg model based on mechanical composition and organic matter content are used to estimate the soil erodibilityvalue, and the influence of freeze-thaw alternation on soil mechanical composition, organic matter content and soil erodibilityvalue is systematically analyzed. The results showed that: (1) The freeze-thaw alternation effect significantly reduced the clay content of the three types of soils (<0.05), and the soil texture became coarser; (2) The soil organic matter content increased first and then decreased with the increase in the number of freeze-thaw alternations. (3) Under the same freezing and thawing conditions, the soil erodibilityvalue estimated by the EPIC model and the Dg model are significantly different (<0.05). When the EPIC model is used to estimate the soil erodibility, thevalue of soil erodibility is in the order of aeolian sandy soil> irrigated silt soil> loessal soil, and the estimation result using the Dg model is contrary to this.

Freeze-thaw alternation; plateau soil; erodibility

S155.2+94

A

1000-2324(2021)05-0813-06

2020-12-25

2021-05-12

国家自然科学基金面上项目:黄土高原冻融对水蚀过程的作用机理研究(41771311);中央级公益性科研院所基本业务费项目:冻融作用对长江源区土壤可蚀性影响机制研究(CKSF2019179/TB);中央级公益性科研院所基本业务费项目:江源地区水循环及生态境演变与适应性保护研究(CKSF2019292/SH);西北农林科技大学大学生创新训练项目:冻融交替对土壤抗蚀性的影响研究(S202010712569)

张泽宇(1996-),男,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀研究. E-mail:m18392426454@163.com

通讯作者:Author for correspondence.E-mail:zhanbinli@126.com