冻融条件下黏土水理特性研究

2024-11-11闫芃森白彦臣陈一阁高宇聂堂哲陈末

科技创新与应用 2024年32期

关键词：黏土

摘" 要：土壤是地球表面重要的组成部分，其中水分和养分对农作物的生长至关重要。因此，了解土壤水理特性是农业和环境科学等领域的重要课题。目前，关于黏土的水理特性的研究较少。该研究采用室内模拟试验，对土壤进行反复冻融试验，分别测定冻融黏土在不同初始含水量、干密度和冻融循环次数下的容水度、持水度以及给水度。结果表明，当土样干密度相同、土样初始含水率较低时，容水度和持水度较高；土样初始含水率上升，土样容水度和持水度较小，但给水度几乎没有发生改变。当初始含水量相同、干密度较大时，土样容水度较小、持水度较高并且给水度较低；当干密度减小时，土样的容水度增大、持水度减少并且给水度升高。经历冻融循环后，土样容水度、持水度和给水度减少。当冻融循环次数增加到3次后，容水度、持水度和给水度有所上升，但当土样在经历7次冻融循环后，土颗粒结构和孔隙数量趋于稳定。

关键词：黏土；初始含水量；水理特性；冻融循环次数；冻融条件

中图分类号：S157" " " "文献标志码：A" " " " " " "文章编号：2095-2945（2024）32-0063-04

Abstract： Soil is an important part of the earth's surface， and water and nutrients are crucial to the growth of crops. Therefore， understanding soil hydraulic properties is an important topic in fields such as agriculture and environmental science. At present， there are few studies on the hydraulic characteristics of clay. In this study， indoor simulation tests were used to conduct repeated freeze-thaw tests on soil to measure the water capacity， water holdup and water yield of freeze-thaw clay under different initial water content， dry density and number of freeze-thaw cycles. The results show that when the dry density of the soil samples is the same and the initial moisture content of the soil samples is low， the water capacity and water holdup are higher; the initial moisture content of the soil samples increases， and the water capacity and water holdup of the soil samples are small， but the water supply is almost unchanged. When the initial water content is the same and the dry density is large， the water holding capacity of the soil sample is small， the water holding capacity is high， and the water yield is low; when the dry density is reduced， the water holding capacity of the soil sample increases， the water holding capacity is reduced and the water yield is increased. After undergoing freeze-thaw cycles， the water capacity， water holdup and water supply of the soil samples decreased. When the number of freeze-thaw cycles increased to 3， the water capacity， water holdup and water yield increased， but when the soil sample experienced 7 freeze-thaw cycles， the soil particle structure and pore number tended to be stable.

Keywords： clay; initial water content; water physical characteristics; number of freeze-thaw cycles; freeze-thaw conditions

黑土具有高肥力、高产出、高可塑性等优点[1]，在全世界范围内属于稀缺资源[2]。东北黑土区对我国的粮食生产的贡献率占18.9%[3]。我国黑土主要分布在中高纬度地区[4]，土壤的冻融侵蚀影响较严重[5]。由于长期缺乏系统合理的开发与利用，我国黑土面积急剧减少[6]，已经威胁到东三省乃至全国的粮食安全[7-8]。开展关于黑土层流逝的研究，对于理解黑土退化原因，科学合理地制定黑土资源保护管理措施具有十分重要的意义与价值。

有研究表明，冻融过程就是土壤中的水不断变相[9]，土体冻胀和融沉现象交替频发，改变了土壤理化性质及土壤水分运动规律，影响土壤侵蚀过程。我国的黑土侵蚀研究主要集中在融雪侵蚀监测[10-12]、融雪侵蚀影响因素[13-14]，而基于土壤的水理特性的黑土融雪侵蚀研究较少。因此本试验基于人造冰冻、融解环境，展开系列室内模拟试验。分析在春季冻融期融雪期间土壤的水理特性，以期深入解析冻融侵蚀的过程，为黑土的科学治理提供科学依据。

1" 材料与方法

1.1" 研究区概况

黑龙江省哈尔滨市（44°04′～46°40′N，125°42′～130°10′E）位于我国东北地区[15]，处于温带大陆性季风气候区，年平均降水量505.4 mm，1月份均温-19 ℃，7月份均温23 ℃，年均温2.3～4.4 ℃，年温差45 ℃左右[16]，属于松花江水系[17]。因纬度较高，一年中春秋季节较短，夏冬季节较长，有近半年时间平均气温在0 ℃以下，雪期长达5～8个月[12]，故研究区早春季节土壤溶蚀、冻融现象明显。

1.2" 试验设计

1.2.1" 试验材料

室内模拟试验于2023年9月—11月在黑龙江大学水利电力学院实验室进行。试验设备包括土样制备设备、冷冻仪器、测量仪器。土样制备设备主要包括高频振筛机、土壤烘干箱、冷冻仪。该冷冻设备最低温可达到-40 ℃，精确度为±0.1 ℃。土样测量仪器主要包括铝盒、量筒、高密滤布、木锤和电子天平等。

1.2.2" 土壤样本的选取

本试验以冻融状态下黏土为研究对象，选取黑龙江大学呼兰校区（126°11′～127°19′E，45°49′～46°25′N）[18]粒径较小的土壤，取深0～20 cm的土壤样本，在采集完黑土后剔除残留杂质，将较大土块粉碎成小土块[3]。

1.2.3" 试验设计

本试验采用单因素试验，选取含水率、干密度、冻融循环次数为试验因素，分别研究三因素对土样容水度、持水度、给水度的影响规律，试验方案见表1。

1.3" 试验步骤

1.3.1" 取出土壤初步特性测定

为防止试验土样中残留的水分对试验产生误差，将筛分后的土样置于烘箱内烘干10 h，烘干温度为110 ℃，取出土样称重后继续烘干2 h，取出称其重量，直至取出后的试验土样重量不发生变化为止，然后将经过高温烘干后土样置于干燥器内冷却到室温，称取铝盒与土样质量为干土质量。根据上述试验记录数据计算天然土样的含水率，其公式为

式中：W为土样的天然含水率，m0为天然土样质量，md为干土质量。

通过密度测定，试验黏土的天然干密度为1.44 g/m3。通过环刀法测定土样的天然密度，公式如下

式中：ρ为土样天然密度，ρd为土样的干密度，m0为天然土样质量，V为环刀容量，W为土样的天然含水率。

1.3.2" 土壤的进一步处理

1）土样制备：将从试验区采集的土样用高频振筛机进行筛分，筛分后的土样烘干至恒重。冷却后，根据试验方案设置土壤含水率分别为5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%进行土壤配水操作，并将配置后的土壤装入试验桶内，封存24 h，保证土壤内水分充分转移。

2）土样冻融：将配置土样根据试验方案设置含水率和干密度装入容积为200 mL铝盒，用木锤对土样进行压实处理以及防止试验过程土样洒落。根据试验方案设计每种试验土样进行3次平行试验，以便减小试验误差。将装有土样的铝盒放入冻结温度为-20 ℃的冰柜中，冻结24 h，冷冻后置于温度为+20 ℃的实验室内，融化12 h，此时土样冻融循环结束，继续进行后续参数测定试验。

3）土样饱和试验：将经过冻融试验的装有土样的铝盒置于操作台面，开始进行饱和试验。试验过程中使用蒸馏水进行饱和试验，将量筒内的蒸馏水缓慢注入装有土样的铝盒中，在注入水分前应记录量筒内液体容积。随着液体的注入，铝盒中的土样开始湿润，当土样表层出现液体时土样已经达到饱和，此时停止倒入蒸馏水并记录此时量筒内所剩蒸馏水的体积，按照公式（4）计算土样容水度。

4）土样释水试验：将饱和后的土样从铝盒中取出，放置于量筒上部，由于土样底部有高密滤布进行包裹因此防止土样洒落。此时饱和土样中的水分在重力作用下开始缓慢释水，释放水分注入到量筒内，当量筒内液体不在发生变化时，停止试验并记录此时量筒内蒸馏水的体积，按照公式（5）和公式（6）计算土样持水度和给水度。

本次试验数据测定土样冻融后的容水度、持水度和给水度，通过测定的试验数据分析冻融后土样的水理性质。根据容水度定义即试验土样完全饱水时所容纳的最大水体积与土体体积的比值，其计算公式如式（4）所示。

式中：n为土样容水度，Vn为饱和土样水体积，V为试验土样体积。

根据持水度定义即试验土样完全饱水后在重力作用下所持水量与土体体积的比值，其计算公式如式（5）所示。

式中：r为土样持水度，Vr为土样持水体积。

根据给水度定义即饱和试验土样在重力作用下所释放水分体积与土体体积的比值，其计算公式如式（6）所示。

式中：μ为土样给水度，Vμ为土样给水体积。

1.4" 试验数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件和Hiplot可视化平台对数据进行处理，对不同变量（初始含水率、干密度、冻融循环次数）对土壤特性的影响进行分析。

2" 结果与讨论

2.1" 不同初始含水率对黏土水理特性的影响

为研究初始含水率对冻融状态下黏土水理特性的影响规律，选取黏土样干密度为1.44 g/cm3，通过测量得到如图1所示结果，分别控制初始含水率为5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%，并测定不同含水率情况下，黏土的容水度、持水度、给水度。

从图1可以发现，当土样干密度均相同时，当土样初始含水率为5%时，由于土样处于干燥状态，所以饱和过程吸水量较多，容水度、持水度较高；当土样初始含水率上升为20%时，土样内含水量越来越多，此时土样内部仍含有较高水分，因此在饱和过程中吸收水分较少，土样容水度、持水度较小，整体给水度几乎没有发生改变。

2.2" 不同干密度对黏土水理特性的影响

为研究干密度对冻融状态下黏土水理特性的影响规律，选取土壤含水率为10%，测定干密度为1.34、1.39、1.44、1.49、1.54、1.59 g/cm3时的容水度、持水度、给水度如图2所示。

从图2可以看出，在干密度较大时，土样容水度较小、持水度较高、给水度较低，随着干密度的减小，土样的容水度增大、持水度减少、给水度升高。这是由于随着干密度的增大，土体颗粒间孔隙被压缩，因此土样容水度、给水度随干密度的增大而减小，而持水度随着干密度的增大而增大。

2.3" 不同冻融循环次数对黏土水理特性的影响

为研究冻融循环次数对冻融黏土水理特性的影响，控制试样相同初始含水率和干密度，对土样进行冻融循环试验，分析冻融循环次数对黏土水理特性的影响规律，试验结果如图3所示。

从图3可以看出，黏土容水度、持水度、给水度在经历3次冻融循环后呈现减小变化，主要是因为黏土土颗粒粒径较小，在经历冻融循环后，土颗粒形成的孔隙内被细颗粒填充，从而导致土样在饱和过程中吸收水分很少，土样容水度、持水度、给水度减少。在冻融循环次数增加的过程中，土体结构松散然后土颗粒间孔隙数量增加，容水性增强，容水度增加。土样在经历7次冻融循环后，土颗粒结构趋于稳定，土颗粒间孔隙数量增加数量基本不变，因此土样水理特性也趋于稳定。

3" 结论

本次研究，以哈尔滨地区冻融黏土为研究对象，通过控制变量法，对不同条件下土壤的容水度、给水度、持水度进行定量分析得到如下结论。

1）在冻融条件下，黏土的容水度、持水度、给水度都会随着初始含水率的增大而减小。

2）黏土容水度和给水度随着干密度增大而减小，但是持水度随干密度增加而增大。

3）随着冻融循环次数的增加，黏土的容水度、持水度、给水度变化趋势基本一致。在刚开始经历冻融循环时，土体孔隙率较小，当冻融次数达到3次以后，随着冻融循环次数的增加土体结构变得松散，孔隙率上升，当冻融次数达到7次以后，孔隙率变化不大，其容水度、持水度和给水度变化不大。

综上所述，较低的干密度会导致较高的水分保持能力，而多次冻融循环会导致水分保持能力下降，造成土壤退化。这些研究结果对于管理和预测黏土在冻结和融化条件下的行为至关重要，为保护东北地区黑土资源提供理论支持。

参考文献：

[1] 张立彬.从国土资源管理角度加强对黑土资源保护的措施[J].吉林农业，2018（23）：61.

[2] 杨昊轩.基于不同时相信息的典型黑土区土壤类型空间识别研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2020.

[3] 王伦，郑粉莉，师宏强，等.壤中流和土壤解冻深度对黑土坡面

融雪侵蚀的影响[J].应用生态学报，2021，32（12）：4177-4185.

[4] 王子龙，滕怀淏，姜秋香，等.积雪变化对东北农田黑土盐基离子及有效硅铝含量的影响[J].水土保持学报，2024，38（2）：147-156，164.