肖俊波，孫寶洋，李占斌,，馬 波，張樂濤(.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 700；.中國科學(xué)院/水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 700)

凍融條件下土壤抗沖性的變化特征

肖俊波1，孫寶洋1，李占斌1,2，馬 波1，張樂濤2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院/水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

凍融作用；土壤抗沖性；變化特征

為揭示凍融作用對(duì)風(fēng)沙土抗沖性的影響，以季節(jié)性凍融區(qū)風(fēng)沙土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)對(duì)凍融條件下土壤抗沖系數(shù)的變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：坡度、放水流量、土壤含水量、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度對(duì)土壤抗沖系數(shù)均具有顯著影響(P<0.05)，土壤抗沖系數(shù)對(duì)各因素敏感程度大小為坡度>放水流量>土壤含水量>土層深度>凍融循環(huán)次數(shù)；土壤抗沖系數(shù)隨坡度、放水流量、凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，隨土壤含水量的增加先增大后減小，隨土層深度的增加先減小后增大。

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地退化和生態(tài)環(huán)境惡化的根本原因，是世界性的重大環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展[1]。凍融侵蝕是土壤在凍融作用下發(fā)生的一種土壤侵蝕現(xiàn)象[2]，作為一種重要的土壤侵蝕類型，在全球分布廣泛。凍融作用是指土層由于溫度降低和升高而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象[3]，季節(jié)性凍融一般表現(xiàn)為冬季凍結(jié)、春季消融，一凍一融對(duì)土壤的理化和生物學(xué)性質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生直接或間接影響[4]。因此，凍融作用是春季解凍期坡面、溝道侵蝕發(fā)生的主要外營力之一[5]。冬季土壤凍結(jié)前的初始含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、土層深度等是影響季節(jié)性凍融作用的主要因素[6-8]。由于凍融侵蝕發(fā)生環(huán)境惡劣、侵蝕過程復(fù)雜、監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)M困難等，因此目前的研究多集中在凍融作用對(duì)土壤物理和力學(xué)性質(zhì)的影響等方面，在凍融作用對(duì)土壤抗蝕性的影響研究中也取得一定進(jìn)展，但關(guān)于凍融作用對(duì)土壤抗沖性的影響卻鮮有報(bào)道。

土壤抗沖性是土壤抵抗徑流對(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能，其值大小受到土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)的影響，是土壤抗侵蝕性能的重要方面[9]。土壤抗沖性不僅決定于自身屬性，還受到地形條件、氣候因素、人為活動(dòng)等多重因素的復(fù)合影響[9-10]。冬春季交替期間凍融作用的反復(fù)進(jìn)行影響了土壤的容重、滲透性、含水量和穩(wěn)定性等，改變了土體抗沖性，使其更易遭受侵蝕[5]。目前對(duì)凍融侵蝕動(dòng)力過程及其作用機(jī)理的研究尚處于起步階段，尤其是在季節(jié)性凍融現(xiàn)象較為明顯的風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)，有關(guān)季節(jié)性凍融與土壤抗侵蝕性能之間關(guān)系的研究尚且不足，阻礙了我國在多侵蝕營力復(fù)合作用下土壤可蝕性變化的研究。基于此，為揭示凍融作用對(duì)風(fēng)沙土抗沖性的影響，本研究利用人為凍融試驗(yàn)和室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，研究凍融作用影響下的風(fēng)沙土抗沖性變化規(guī)律，以期為凍融侵蝕機(jī)理的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東柳溝流域，屬于典型的大陸性氣候區(qū)，年降水量240～360 mm，降雨和徑流在年內(nèi)分布不均，3月份冰雪消融，徑流增加，徑流量約占年徑流量的12%。年均氣溫6 ℃左右，最高氣溫40.2 ℃，最低氣溫-34.5 ℃，尤其是1月份平均氣溫在0 ℃以下，冬春季都有不同程度的凍融現(xiàn)象發(fā)生[11-12]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在研究區(qū)調(diào)查采樣。試驗(yàn)土壤屬風(fēng)沙土，在當(dāng)?shù)貜V泛分布，質(zhì)地為細(xì)沙和粉沙，松散無結(jié)構(gòu)，土層較厚，有機(jī)質(zhì)含量極低，極易發(fā)生侵蝕[13]。試驗(yàn)土樣的顆粒組成分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒分析

試驗(yàn)選用凍融循環(huán)次數(shù)、土壤含水量、坡度、放水流量、土層深度5個(gè)影響因子，每個(gè)因子采用5個(gè)水平，采用正交方法，選用不含交互作用的L25(56)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。供試土壤剔除植物根系和雜物后自然風(fēng)干，然后過2 mm 篩，在60 cm×30 cm×20 cm(長×寬×高)泡沫絕熱盒中，采用分層配土方法，每盒分4層，配置成5種不同質(zhì)量含水量(3%、6%、9%、12%和15%)的土樣，將配置好的土樣放置在室溫靜置12 h，使土樣內(nèi)水分混合均勻，并用保鮮膜覆蓋防止水分散失，然后將土樣放入制冷機(jī)中進(jìn)行交替凍融循環(huán)。模擬凍融循環(huán)試驗(yàn)中，凍結(jié)溫度保持在-15 ℃左右，在5～10 ℃室溫下融解，解凍時(shí)間12 h，按此方法依次進(jìn)行凍融循環(huán)。凍融循環(huán)次數(shù)分別為1、4、7、10和13次，土層深度分別為0～4、4～8、8～12、12～16、16～20 cm。

土壤抗沖性指標(biāo)采用室內(nèi)模擬土壤抗沖試驗(yàn)獲取，試驗(yàn)設(shè)備見圖1。土樣完全解凍后，用200 mm×50 mm×40 mm(長×寬×高)的特制取樣器分層取樣。取樣器設(shè)有偏刃刀口，以減少取樣過程中對(duì)土壤的擾動(dòng)。沖刷裝置主要由兩部分組成，即沖刷槽和供水槽。沖刷試驗(yàn)開始前，調(diào)節(jié)坡度(5°、10°、15°、20°、25°)和放水流量(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 L/min)，將裝有土樣的取樣器放入沖刷槽土樣室中，當(dāng)取樣器中土壤被剝離1/3時(shí)停止沖刷，記錄沖刷所用時(shí)間t。沖刷過程中，用徑流桶收集水流泥沙樣，直至沖刷試驗(yàn)結(jié)束。沖刷結(jié)束后稱量各個(gè)桶內(nèi)的徑流泥沙量，然后將徑流桶靜置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上層清液，將剩余泥沙水樣轉(zhuǎn)移至鐵盒內(nèi)，置于烘箱中烘干稱量，測(cè)定沖刷泥沙質(zhì)量W(g)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1—儲(chǔ)水桶；2—流量計(jì)、閥門；3—緩沖水槽；4—沖刷槽；5—土樣室；6—取樣器；7—可調(diào)支架；8—支撐板

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤抗沖系數(shù)為每沖刷1 g的烘干土所需水量，用AS(anti-scouribility)表示，計(jì)算公式為

AS=ft/W

式中：AS為土壤抗沖系數(shù)，L/g；f為沖刷流量，L/min；t為沖刷時(shí)間，min；W為烘干泥沙質(zhì)量，g。

土壤抗沖系數(shù)越大，土壤的抗沖性越強(qiáng)[4]。利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行正交設(shè)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融條件下土壤抗沖性總體變化特征

為研究在凍融作用下，凍融循環(huán)次數(shù)、土壤含水量、坡度、放水流量和土層深度與風(fēng)沙土抗沖性的關(guān)系，進(jìn)行方差分析可知，土壤含水量、坡度、放水流量和土層深度對(duì)土壤抗沖系數(shù)具有極顯著影響(P<0.01)，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤抗沖系數(shù)有顯著影響(P<0.05)。各因素極差值大小為坡度>放水流量>土層深度>含水量>凍融循環(huán)次數(shù)(表2)，其中坡度的極差值最大，是其他4個(gè)因素極差值的4～6倍。這說明坡度是土壤抗沖性的重要影響因素，土壤含水量、放水流量和土層深度是程度相當(dāng)?shù)拇我绊懸蛩?，凍融循環(huán)次數(shù)影響效應(yīng)最小。當(dāng)坡度為5°、土壤含水量為3%、試驗(yàn)放水流量為0.4 L/min、凍融循環(huán)次數(shù)為1次、土層深度為16～20 cm時(shí)，土壤抗沖系數(shù)最大。

表2 不同模擬條件下的土壤抗沖系數(shù) L/g

注：M1～M5為各因素1～5水平的均值；R為水平極差，表示因素影響程度。

2.2 坡度與土壤抗沖性的關(guān)系

凍融坡面土壤侵蝕量的增加與坡度有直接的關(guān)系。繪制土壤抗沖系數(shù)與坡度的關(guān)系曲線，見圖2。凍融條件下風(fēng)沙土抗沖系數(shù)隨著坡度的增加呈顯著減小的趨勢(shì)，抗沖系數(shù)與坡度呈冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.94)。當(dāng)坡度由5°增加到10°時(shí)，抗沖系數(shù)由131.54 L/g急劇減小到16.74 L/g，而當(dāng)坡度由10°逐漸增加到25°時(shí)，抗沖系數(shù)降幅明顯減少。試驗(yàn)過程中，當(dāng)坡度為5°時(shí)，試驗(yàn)產(chǎn)生土壤被垂直穿透現(xiàn)象耗時(shí)15 min，然而當(dāng)坡度增加到10°時(shí)，同樣的情況用時(shí)明顯減少，說明隨著坡度的增加，產(chǎn)沙量增大，徑流下切穿透土壤用時(shí)逐漸減少。其原因是經(jīng)過凍融后土壤變得疏松多孔，產(chǎn)生大量可蝕物質(zhì)[13]，坡度增大導(dǎo)致流速增加，徑流剪切力和能量也隨之增加，土壤更易被沖刷，最終表現(xiàn)為土壤抗沖系數(shù)減小。

圖2 坡度與土壤抗沖系數(shù)的關(guān)系曲線

2.3 放水流量與土壤抗沖性的關(guān)系

繪制土壤抗沖系數(shù)與放水流量的關(guān)系曲線，見圖3。由圖3可知，土壤抗沖系數(shù)隨著放水流量的增加呈減小趨勢(shì)，土壤抗沖系數(shù)和放水流量呈二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.89)。土壤凍融后容重降低，孔隙度增大，土壤入滲能力增強(qiáng)[3]。當(dāng)放水流量為0.4 L/min時(shí)，水流呈緩流狀態(tài)，水流在土壤表層下滲，動(dòng)能減小，產(chǎn)生的泥沙也較少，故試驗(yàn)土壤抗沖系數(shù)較大。當(dāng)放水流量增加至0.6 L/min時(shí)，隨著放水流量增大，流速變大，入滲水量減少，徑流下切穿透土壤用時(shí)減少，水沖穴逐漸增大，沖刷產(chǎn)生的泥沙量較多，土壤的抗沖系數(shù)較小。當(dāng)流量增加到1.2 L/min時(shí)，坡面徑流逐漸過渡到紊流局部急流狀態(tài)，水流的沖刷能力增強(qiáng)，水流對(duì)試驗(yàn)土壤下切能力增加，試驗(yàn)土壤更容易被水流沖刷穿透，甚至開始出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，沖刷產(chǎn)生的泥沙增加，試驗(yàn)用時(shí)減少，試驗(yàn)土壤抗沖系數(shù)呈現(xiàn)急劇減小趨勢(shì)。

圖3 放水流量與土壤抗沖系數(shù)關(guān)系曲線

2.4 含水量對(duì)土壤抗沖性的影響

土壤的凍結(jié)程度與土壤在凍融過程中含水量的變化有著直接的關(guān)系，因此土壤含水量是影響土壤抗沖系數(shù)變化的因素之一。繪制土壤抗沖系數(shù)與含水量的關(guān)系曲線，見圖4。由圖4可知，土壤抗沖系數(shù)隨著土壤含水量的增加先增加后減小，兩者呈二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.99)，當(dāng)含水量為6%時(shí)，土壤抗沖系數(shù)達(dá)到最大值，為50.7 L/g。試驗(yàn)土壤經(jīng)歷的凍結(jié)過程是土層由上至下依次凍結(jié)并獲得下層土體水分補(bǔ)給的過程，土壤水分向上遷移。一般說來，土壤中水分含量越大，凍結(jié)過程中水分遷移的有效時(shí)間越長，遷移的水分也就越多，從而導(dǎo)致土壤水的再分布。土壤凍結(jié)時(shí)水分部分相變成冰，對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性改變較大，但當(dāng)土壤含水量較低時(shí)，水分遷移并不明顯，因此當(dāng)試驗(yàn)土壤含水量為3%、6%時(shí)，土壤抗沖系數(shù)變化規(guī)律并不明顯。另外，當(dāng)含水量逐漸增大時(shí)，土壤孔隙填入更多水分，凍融過程中對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改變就更大，坡面土壤也就更易于分散、輸移和崩塌，導(dǎo)致土壤的抗沖系數(shù)急劇減小。

圖4 土壤含水量與土壤抗沖系數(shù)關(guān)系曲線

2.5 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤抗沖性的影響

繪制土壤抗沖系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，見圖5。從圖5可看出，土壤抗沖系數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)呈較好的線性關(guān)系(R2=0.92)。凍融循環(huán)1、4、7次時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試驗(yàn)土壤抗沖系數(shù)變化影響不顯著(P>0.05)；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)7次后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤抗沖系數(shù)呈明顯減小趨勢(shì)(P<0.05)；但當(dāng)試驗(yàn)土壤經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，土壤抗沖系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定(P>0.05)。不同循環(huán)次數(shù)的情況下，試驗(yàn)土壤表面會(huì)發(fā)生不同程度的凍脹開裂、土質(zhì)疏松等，導(dǎo)致供試土壤容重呈緩慢減小趨勢(shì)，孔隙度呈緩慢增大趨勢(shì)。因此，試驗(yàn)土壤抗沖系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，但當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到10次時(shí)，風(fēng)沙土抗沖系數(shù)變化趨于穩(wěn)定。這說明在凍融循環(huán)次數(shù)較多的情況下，凍融循環(huán)次數(shù)的增加可能對(duì)土壤抗沖性不再具有顯著影響。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與土壤抗沖系數(shù)關(guān)系曲線

2.6 土層深度對(duì)土壤抗沖性的影響

繪制土壤抗沖系數(shù)與土層深度的關(guān)系曲線，見圖6。由圖6可知，土壤抗沖系數(shù)隨土層深度的增加先減小后增加，土壤抗沖系數(shù)與土層深度呈二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.88)，其中土層深度為4～8 cm時(shí)，試驗(yàn)土壤抗沖系數(shù)最小。凍結(jié)過程中，土層由上至下依次凍結(jié)并獲得下層土體水分補(bǔ)給。隨著土層深度的增加含水量逐漸降低，上層土壤含水量較高，土壤水占據(jù)較多土壤孔隙，土壤凍結(jié)時(shí)水分部分相變成冰，體積增大，導(dǎo)致團(tuán)聚體內(nèi)部或團(tuán)聚體之間壓力失衡，團(tuán)聚體破碎效應(yīng)劇烈[13]；下層土壤由于水分上移，含水量較小，空氣占據(jù)大部分孔隙，土壤凍結(jié)過程中團(tuán)聚體之間空氣收縮導(dǎo)致的團(tuán)聚體破碎效應(yīng)非常微弱[3,13]。表層土壤在凍結(jié)過程中，土壤孔隙與空氣接觸，在表層出現(xiàn)一層薄冰，凍結(jié)時(shí)水分部分相變成冰，增加的體積和氣體收縮接近時(shí)，團(tuán)聚體內(nèi)部或團(tuán)聚體之間壓力平衡，團(tuán)聚體物理破碎現(xiàn)象并不明顯[13]，故0～4 cm深的土壤抗沖系數(shù)大于4～8 cm深的土壤抗沖系數(shù)。

圖6 土層深度與土壤抗沖系數(shù)關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

凍融對(duì)土壤的作用屬非生物應(yīng)力，對(duì)土壤的理化和生物學(xué)性質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生直接或間接影響。土壤外部環(huán)境的改變影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，凍融作用會(huì)對(duì)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而使土壤容重和孔隙度有所變化。經(jīng)過凍融后土壤變得疏松多孔，產(chǎn)生大量可蝕物質(zhì)，大大降低了土壤的抗沖性。本研究以季節(jié)性凍融區(qū)風(fēng)沙土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)對(duì)凍融條件下土壤抗沖系數(shù)的變化特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：

(1)坡度、循環(huán)次數(shù)、土壤含水量、放水流量、土層深度都不同程度地影響風(fēng)沙土的抗沖系數(shù)(P<0.05)，其中坡度是主導(dǎo)因素，放水流量、土壤含水量、土層深度和凍融循環(huán)次數(shù)是次要因素。

(2)風(fēng)沙土抗沖系數(shù)隨坡度、放水流量、凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，隨土壤含水量的增加先增大后減小，隨土層深度的增加先減小后增大。

(3)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)風(fēng)沙土抗沖系數(shù)變化的影響最小，土壤抗沖系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，凍融循環(huán)10次以后，土壤抗沖系數(shù)趨于穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330858)；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2452015345)

S157

A

1000-0941(2017)01-0037-04

肖俊波(1990—)，男，云南曲靖市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕研究；通信作者李占斌(1962—)，男，河南南陽市人，研究員，博士，博導(dǎo)，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。

2016-04-21