張科利，劉宏遠(yuǎn)

我國(guó)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。由于復(fù)雜的地理環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)特點(diǎn)，水土流失在強(qiáng)度和機(jī)制方面都存在顯著的區(qū)域差異性。在不同類(lèi)型區(qū)域，水土流失的主導(dǎo)因子也不同。在東部地區(qū)，降水徑流是土壤侵蝕發(fā)生的主導(dǎo)因子;在北部和西北地區(qū)，風(fēng)力作用在土壤侵蝕中影響顯著。上述兩者均已受到學(xué)者的廣泛關(guān)注并積累大量成果。在青藏高原和東北地區(qū)，凍融交替變化改變土壤侵蝕發(fā)生機(jī)制和過(guò)程，對(duì)土壤侵蝕影響劇烈;但是相關(guān)研究仍不足以支撐相關(guān)理論體系的建立和實(shí)際工程應(yīng)用，因此在我國(guó)開(kāi)展凍融侵蝕研究十分必要。作為獨(dú)立的自然地理單元，東北黑土區(qū)是我國(guó)最主要的商品糧基地，明確該區(qū)域的水土流失機(jī)制對(duì)國(guó)家的糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定有著重要作用。東北黑土區(qū)地貌以漫崗丘陵為主，坡緩而長(zhǎng)，氣候低溫濕潤(rùn)，冬季積雪深厚。土壤質(zhì)地黏重、富含有機(jī)質(zhì)，河流水文受春季融雪徑流影響嚴(yán)重。區(qū)域內(nèi)部地廣人稀、耕地面積大，農(nóng)作物相對(duì)單一。土壤侵蝕過(guò)程則表現(xiàn)為多營(yíng)力耦合、多過(guò)程重疊和受凍融交替過(guò)程影響顯著等特點(diǎn)。因此，在東北黑土區(qū)開(kāi)展凍融侵蝕研究對(duì)黑土資源的保護(hù)和洪澇災(zāi)害的防治具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)回顧已有研究，分析總結(jié)了凍融交替對(duì)土壤侵蝕的影響，指出了今后開(kāi)展凍融侵蝕研究應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)方向。

1 凍融作用影響機(jī)制

土壤凍融作用指發(fā)生在高寒地區(qū)由于溫度變化，引起土壤中水分發(fā)生相變、體積發(fā)生變化，導(dǎo)致土體膨脹或收縮，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞和性狀改變的過(guò)程。凍融侵蝕指因凍融作用的存在而導(dǎo)致土壤侵蝕過(guò)程改變和水土流失程度的增加。嚴(yán)格地講，用凍融侵蝕稱(chēng)謂凍融作用對(duì)土壤侵蝕的影響并不恰當(dāng)，因?yàn)閮鋈谧饔貌⒉荒苤苯訉?dǎo)致土壤顆粒搬運(yùn)和移動(dòng)，必須在降雨打擊、徑流沖刷、大風(fēng)吹揚(yáng)或重力作用時(shí)方可體現(xiàn)。關(guān)于凍融侵蝕，需要指出的是真正因凍融循環(huán)導(dǎo)致土壤發(fā)生位移所造成的水土流失量很小。凍融循環(huán)對(duì)水土流失量的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在改變土壤性質(zhì)和阻滯入滲方面。凍融循環(huán)通過(guò)破壞土壤團(tuán)聚體、改變土壤容重和黏結(jié)性，增大土壤可蝕性，通過(guò)阻滯入滲增加地表徑流，加劇了融雪或降雨徑流造成的水土流失。由于凍融循環(huán)直接導(dǎo)致的土粒移動(dòng)量很小，而通過(guò)改變土壤性質(zhì)和入滲通量而間接導(dǎo)致土壤流失量更大，將凍融侵蝕改成為凍融作用更為恰切。與水蝕區(qū)和風(fēng)蝕區(qū)對(duì)應(yīng)的凍融侵蝕區(qū)指該區(qū)域內(nèi)凍融作用影響顯著。凍融作用通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)、坡面水分運(yùn)移規(guī)律來(lái)影響坡面侵蝕過(guò)程和水土流失強(qiáng)度。同時(shí)，凍融交替作用對(duì)我國(guó)東北地區(qū)春季發(fā)生的融雪洪澇災(zāi)害也有明顯的加劇作用。

凍融作用重疊在水蝕過(guò)程之上，共同影響著區(qū)域水土流失強(qiáng)度，凍融作用可以間接地加劇了水土流失程度。反過(guò)來(lái)，水蝕結(jié)果又會(huì)影響凍融作用的程度。凍融作用對(duì)土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為:1)土壤凍融交替發(fā)生改變土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響降雨過(guò)程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，最后影響水土流失程度;2)解凍層深度變化，直接影響融雪徑流和降雨徑流的入滲而影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程;3)凍融交替變化，改變坡面細(xì)溝和切溝侵蝕過(guò)程，加劇侵蝕強(qiáng)度;4)不同土地利用對(duì)凍融交替過(guò)程響應(yīng)的差異性，導(dǎo)致水土流失空間異質(zhì)性加劇;5)不同下墊面土壤對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的差異導(dǎo)致區(qū)域水土流失格局變化。而水蝕過(guò)程對(duì)凍融作用的反饋影響表現(xiàn)為:1)水土流失導(dǎo)致土壤表層腐殖質(zhì)層變薄和土壤有機(jī)質(zhì)含量減少，土壤性質(zhì)的變化導(dǎo)致土壤對(duì)凍融交替過(guò)程的響應(yīng)改變;2)水土流失導(dǎo)致土壤剖面水分運(yùn)移變化，進(jìn)而對(duì)凍融交替過(guò)程的響應(yīng)改變;3)水土流失導(dǎo)致坡面土壤再分配，進(jìn)而對(duì)凍融交替過(guò)程的響應(yīng)改變。

2 凍融侵蝕研究進(jìn)展及存在的主要問(wèn)題

凍融作用改變土壤性質(zhì)和坡面滲透特性從而影響土壤侵蝕，凍融侵蝕研究在國(guó)外開(kāi)展較早，自20世紀(jì)60年代開(kāi)始就有學(xué)者開(kāi)展關(guān)于凍融對(duì)土壤孔隙［1］、團(tuán)聚體［2］和滲透性［3］等方面影響的研究。關(guān)于凍融侵蝕的直接研究開(kāi)始于70年代，Wischmeier等［4］強(qiáng)調(diào)位于凍結(jié)層之上的解凍層侵蝕潛力巨大，融雪和低強(qiáng)度降雨也能夠造成劇烈的水土流失，凍融期的土壤侵蝕可達(dá)全年土壤侵蝕量的90%。此后眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究取得顯著成果［5-6］。國(guó)內(nèi)凍融侵蝕相關(guān)研究開(kāi)展較晚，80年代開(kāi)始相關(guān)工作時(shí)主要以引進(jìn)凍融侵蝕概念和土壤侵蝕類(lèi)型分類(lèi)為主［7-8］，90 年代是凍融侵蝕研究的過(guò)渡期［9-11］。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)凍融侵蝕研究快速發(fā)展，在凍融侵蝕的分布、影響因素和作用機(jī)制等方面取得很多成果［12-14］。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于凍融作用和凍融侵蝕的研究工作主要集中在凍融作用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響、凍融作用對(duì)土壤水分溫度的影響和凍融作用對(duì)土壤侵蝕過(guò)程及強(qiáng)度的影響等方面，且多數(shù)研究采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法。

2.1 凍融作用對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

齊吉琳等［15］和 Chamberlain 等［16］提出細(xì)粒土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，土壤容重增大，孔隙比減小。劉佳等［17］提出隨凍融循環(huán)次數(shù)的累積，黑土容重減小，孔隙比增大，且變化幅度越來(lái)越小直至趨于穩(wěn)定。Viklander［18］、楊成松等［19］和溫美麗等［20］發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)使本來(lái)疏松的土壤變得相對(duì)緊實(shí)，而使本來(lái)緊實(shí)的土壤變得相對(duì)疏松，即疏松土和緊實(shí)土經(jīng)過(guò)若干凍融循環(huán)后趨向一個(gè)穩(wěn)定的干容重，這一穩(wěn)定值與土壤的種類(lèi)有關(guān)，而與土壤的初始干容重?zé)o關(guān)。很多研究發(fā)現(xiàn)凍融導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低［21-23］。而 Richardson［24］和 Lehrsch［25］發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)少量的凍融循環(huán)后，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加。Mostaghimi等［26］、王風(fēng)等［27］和 Wang 等［28］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在中等含水量條件下凍融循環(huán)可增大團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而過(guò)高或過(guò)低含水量條件下凍融均導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。羅小剛等［29］、汪仁和等［30］和楊平等［31］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍融后黏性原狀土的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大改變，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度和三軸剪切強(qiáng)度降低、靈敏度降低，而在相同條件下砂土的性質(zhì)變化卻不大。范昊明等［32］認(rèn)為凍融作用通過(guò)改變土壤的容重、滲透性、含水量等性質(zhì)，可進(jìn)而影響土壤可蝕性。

2.2 凍融作用對(duì)土壤水分溫度的影響

Chamberlain［33］表示解凍后土壤比之前更加不穩(wěn)定，因?yàn)橥寥涝诮鈨鰰r(shí)會(huì)立即吸收融水，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。Formanek等［34］發(fā)現(xiàn)美國(guó)華盛頓的帕盧斯淤泥壤土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后抗蝕性接近最低值，越冬后土壤容重下降、導(dǎo)水率升高，并將土壤抗蝕性的降低歸因于凍融循環(huán)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成的破壞性影響。Mauro［35］對(duì)阿爾卑斯山地區(qū)凍土活動(dòng)層進(jìn)行了研究，分析了300 cm深處地溫的變化過(guò)程;Gómez等［36］研究了西班牙東南部?jī)?nèi)華達(dá)山脈Corral del Veleta小飛地10 cm、50 cm深處地溫變化;吳青柏等［37］利用青藏高原活動(dòng)層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從青藏高原凍土及水熱過(guò)程出發(fā)討論了凍土水熱過(guò)程與寒區(qū)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系;潘衛(wèi)東等［38］應(yīng)用青藏鐵路多年凍土地區(qū)典型地段測(cè)溫孔資料，證實(shí)多年來(lái)由于氣候轉(zhuǎn)暖，已經(jīng)使凍土層上部(20 m以上)的地溫明顯上升，影響深度已經(jīng)波及到了40 m;王紹令等［39］根據(jù)4個(gè)凍土長(zhǎng)期定位觀測(cè)場(chǎng)地溫資料分析地溫狀況及凍土變化趨勢(shì)。戴竟波等［40］通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究了大興安嶺北部多年凍土區(qū)雪蓋對(duì)地溫的影響;顧鐘煒等［41］在大興安嶺阿木爾地區(qū)的多年凍土特征及其變化研究中發(fā)現(xiàn)，在多年凍土的退化中，季節(jié)解凍深度至少增加了約30 cm，消融區(qū)范圍也在不斷擴(kuò)大。景國(guó)臣等［42］通過(guò)野外實(shí)驗(yàn)證明，凍融作用會(huì)使土壤水分發(fā)生上移。本文第一作者等［43］基于東北黑土區(qū)不同下墊面條件下土壤溫度和水分實(shí)測(cè)資料，分析了凍融交替過(guò)程和凍結(jié)層消退過(guò)程。這方面工作多為針對(duì)凍土的大尺度研究，針對(duì)土壤凍融作用野外實(shí)測(cè)資料仍然不足，特別是針對(duì)不同土壤剖面的觀測(cè)數(shù)據(jù)更少。

2.3 凍融作用對(duì)土壤侵蝕過(guò)程及強(qiáng)度的影響

Zuzel等［5］通過(guò)野外監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)冬季幾乎所有的融雪和降雨都形成徑流，在觀測(cè)到的侵蝕事件中，86%與融雪徑流和凍融作用有關(guān)。McCool等［44］研究了美國(guó)西北小麥區(qū)溝蝕與凍融作用的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，因土壤凍結(jié)形成的不透水層，可強(qiáng)化融雪水導(dǎo)致細(xì)溝和切溝侵蝕發(fā)生的概率。Formanek等［34］指出，凍土層開(kāi)始解凍時(shí)土壤可蝕性最大，隨后會(huì)逐漸減小。McCool等［45］和 Kirby 等［6］將土壤根據(jù)凍或融的狀態(tài)分為不同類(lèi)型，并發(fā)現(xiàn)正融土的土壤可蝕性最高，可高于相應(yīng)土壤夏季土壤可蝕性約一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。Ferrick等［46］通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，定量地研究了凍融作用對(duì)細(xì)溝形成和坡面侵蝕的影響。Van Klaveren等［47］研究了不同水分張力條件下凍融對(duì)土壤可蝕性和臨界剪切力的影響，發(fā)現(xiàn)凍融條件下，土壤細(xì)溝可蝕性與土壤水分張力有關(guān)，初始含水量越大則經(jīng)過(guò)凍融后土壤細(xì)溝可蝕性越高。Sharratt等［48］實(shí)驗(yàn)表明，冬季土壤凍結(jié)深度和凍土的解凍深度，都會(huì)影響到入滲、地表徑流及土壤侵蝕。范昊明等［49］研究表明，解凍深度愈小，坡面產(chǎn)流愈早，侵蝕量愈大。在修訂版通用流失方程RUSLE中，通過(guò)修訂土壤可蝕性K值和降雨侵蝕力R值來(lái)體現(xiàn)凍融作用的影響［50］。劉淑珍及其團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期關(guān)注青藏高原的凍融侵蝕問(wèn)題，在凍融侵蝕基本概念、分類(lèi)分區(qū)方面做出了貢獻(xiàn)［51］。劉佳等［52］和周麗麗等［53］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，東北黑土坡面侵蝕強(qiáng)度受土壤含水量、降雨強(qiáng)度和解凍深度等因子的綜合影響。Ban等［54］通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了凍結(jié)狀態(tài)與解凍狀態(tài)2種條件下細(xì)溝流速差異，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)下細(xì)溝水流流速顯著高于解凍狀態(tài)的水流流速，且這種差異與沖刷水槽坡度呈正相關(guān)。Ban等［55］實(shí)驗(yàn)了凍融對(duì)坡面徑流含沙量的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融循環(huán)后徑流含沙量增大。

2.4 存在的主要問(wèn)題

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍融作用和凍融侵蝕開(kāi)展了大量工作，取得許多有價(jià)值的研究成果，并為后來(lái)進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，但仍然存在許多問(wèn)題:1)就方法而言，室內(nèi)模擬遠(yuǎn)多于野外原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)與田間有很大差異，如何將模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果應(yīng)用于田間條件，仍需大量工作;2)缺乏將凍融作用與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程相融合的研究和實(shí)驗(yàn)，目前還很難定量評(píng)價(jià)凍融作用的侵蝕貢獻(xiàn);3)就我國(guó)東北黑土區(qū)而言，目前相關(guān)研究積累更少，過(guò)程與機(jī)制不明，已有研究工作也基本上沒(méi)有考慮不同下墊面對(duì)凍融交替過(guò)程響應(yīng)程度的差異，更未見(jiàn)凍融作用與水蝕過(guò)程耦合機(jī)制方面的研究報(bào)道。目前關(guān)于凍融侵蝕研究，主要進(jìn)展集中于成因和分級(jí)分類(lèi)等方面，多為間接分析，缺少原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。關(guān)于凍融作用對(duì)水土流失的影響機(jī)制研究仍然薄弱，目前還很難進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，在流域尺度上對(duì)凍融作用的影響研究更為罕見(jiàn)。

3 東北黑土區(qū)凍融侵蝕研究方向及急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

受氣候條件控制，東北黑土區(qū)土壤凍融交替現(xiàn)象普遍發(fā)生。一方面，凍融交替發(fā)生改變土壤原有性狀，而凍結(jié)層的存在會(huì)影響坡面水分運(yùn)移規(guī)律，進(jìn)而改變土壤侵蝕過(guò)程、機(jī)制和水土流失強(qiáng)度;另一方面，東北黑土區(qū)地形以漫崗漫坡為主，平均坡度小，平均坡長(zhǎng)大，導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕泥沙輸移比小，大量泥沙在坡腳或流域底部沉積，造成流域內(nèi)部強(qiáng)烈的土壤空間再分配，使土壤的空間異質(zhì)性增大，導(dǎo)致空間上土壤對(duì)凍融交替的響應(yīng)發(fā)生變化。因此，東北黑土區(qū)凍融作用與水蝕過(guò)程互為條件、因果耦合、彼此促進(jìn)，形成了東北黑土區(qū)獨(dú)特的土壤凍融侵蝕過(guò)程和水土流失特點(diǎn)。根據(jù)以上分析可圍繞以下4方面開(kāi)展東北黑土區(qū)凍融侵蝕研究。

3.1 不同下墊面類(lèi)型土壤凍融交替變化規(guī)律

鑒于農(nóng)耕地的重要性和水土流失的劇烈程度，優(yōu)先考慮將農(nóng)耕地作為研究對(duì)象，東北黑土區(qū)農(nóng)耕地坡面在不同地形部位上侵蝕程度顯著不同。從坡頂?shù)狡履_，侵蝕強(qiáng)度先由弱變強(qiáng)，再由強(qiáng)變?nèi)酰钡阶詈蟀l(fā)生沉積。土壤侵蝕強(qiáng)度的空間變化加劇了下墊面條件的空間異質(zhì)性，導(dǎo)致不同地形部位土壤凍融循環(huán)變化及其對(duì)土壤侵蝕的影響也存在空間差異;因此，在東北黑土區(qū)開(kāi)展凍融侵蝕評(píng)價(jià)時(shí)，需要在分析已有研究結(jié)果和開(kāi)展野外調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤侵蝕造成的土壤空間再分配狀況，將東北黑土區(qū)的土壤概化為不同類(lèi)型，例如發(fā)生型、母質(zhì)型、堆積型和退化型等。發(fā)生型指土壤原始剖面遭受弱度侵蝕，土壤發(fā)生層尚在，土壤剖面較完整。母質(zhì)型指土壤原始剖面遭受強(qiáng)度侵蝕，土壤母質(zhì)出露。堆積型指在原始剖面上發(fā)生堆積，表土性狀改變，侵蝕在堆積層中發(fā)生。退化型指原始土壤剖面中的腐殖質(zhì)層遭受侵蝕并幾乎流失殆盡，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著減少。針對(duì)上述不同下墊面類(lèi)型，開(kāi)展主要類(lèi)型剖面上土壤溫度和土壤水分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析土壤溫度和水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，總結(jié)每年凍融交替循環(huán)變化規(guī)律;建立東北黑土區(qū)土壤凍結(jié)或解凍深度與氣溫、土壤水分等因子關(guān)系，并探討土壤解凍深度空間變異特征和時(shí)間變化規(guī)律。

3.2 凍融影響作用評(píng)價(jià)的因子量化

凍融交替對(duì)土壤性狀的影響已被證明，但凍融作用對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響評(píng)價(jià)還需要進(jìn)一步量化。由于東北黑土區(qū)土壤空間異質(zhì)性大，即使在相同的氣象條件下，凍融交替作用的影響效果也存在差異。針對(duì)概化出的主要下墊面類(lèi)型，采集剖面不同深度處的原狀土樣，根據(jù)不同下墊面類(lèi)型上觀測(cè)的凍融循環(huán)變化規(guī)律，設(shè)定模擬實(shí)驗(yàn)中溫度變化條件，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展不同凍融交替情景下土壤性狀的變化特征的模擬研究，建立土壤性狀變化響應(yīng)與土壤質(zhì)地、水分、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)間的定量關(guān)系。通過(guò)與未受凍融循環(huán)影響的土壤比較，應(yīng)用已有的土壤性狀與入滲、產(chǎn)流以及土壤分離之間的定量關(guān)系式就可以估算由于存在凍融交替循環(huán)而增加的土壤流失量。需要說(shuō)明的是，到目前為止不同研究者在世界各地開(kāi)展的凍融循環(huán)模擬研究不少，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)條件具體明確，并便于控制和重復(fù)。不足是許多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，比如溫度變化范圍和凍融循環(huán)次數(shù)等設(shè)定缺乏足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。另一方面，凍融作用對(duì)土壤性質(zhì)、乃至產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響都有一個(gè)范圍，并非隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，土壤性質(zhì)會(huì)無(wú)限制地改變。因此，今后在開(kāi)展凍融侵蝕研究時(shí)，加強(qiáng)野外實(shí)測(cè)，為模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供依據(jù)。同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注農(nóng)地春耕對(duì)凍融影響的抑制作用，如果經(jīng)過(guò)春耕后，土壤性質(zhì)在多年水平上保持一致，那就說(shuō)明凍融作用對(duì)夏季水蝕作用不大，其影響主要表現(xiàn)在春季融雪徑流引起的水土流失。也就是說(shuō)，對(duì)凍融作用的影響時(shí)段應(yīng)該明確，否則，東北地區(qū)的農(nóng)耕地已經(jīng)經(jīng)過(guò)了千萬(wàn)次的凍融交替循環(huán)，按照室內(nèi)模擬結(jié)果，土壤性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。但實(shí)際上，除了水土流失嚴(yán)重的情況，土壤性質(zhì)的改變沒(méi)有那么顯著。

3.3 凍融作用的水土流失響應(yīng)

凍融隔水層的存在和土壤性狀變化都會(huì)影響土壤入滲和坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，以及區(qū)域侵蝕強(qiáng)度。但已有研究以模擬實(shí)驗(yàn)居多，缺乏原位實(shí)驗(yàn)。即使設(shè)置原位實(shí)驗(yàn)，側(cè)重點(diǎn)也多為土壤性質(zhì)變化，很少涉及對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。盡管有學(xué)者將凍融循環(huán)模擬和人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)結(jié)合，開(kāi)展了凍融循環(huán)與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)實(shí)驗(yàn);但由于實(shí)驗(yàn)尺度和凍融效果與田間存在很大差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能代表田間坡面的真實(shí)情況。因此，已有研究未能真正建立起凍融影響與水土流失之間的定量關(guān)系。在今后研究中，應(yīng)該加強(qiáng)利用野外徑流小區(qū)來(lái)研究?jī)鋈谧饔玫挠绊?，通過(guò)分析小區(qū)觀測(cè)資料、模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及凍融交替影響下不同下墊面土樣的分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較有無(wú)凍融發(fā)生條件下，土壤入滲率、土壤分離速率和土壤可蝕性值的差異，揭示東北黑土區(qū)凍融作用對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響規(guī)律，建立適合黑土區(qū)土壤分離速率和土壤可蝕性值估算公式，為黑土區(qū)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立和應(yīng)用提供理論支撐。如何從小區(qū)觀測(cè)資料中剝離凍融作用的貢獻(xiàn)率是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)也是難點(diǎn)。不解決這個(gè)難點(diǎn)，對(duì)凍融交替循環(huán)的侵蝕響應(yīng)的模擬研究很難準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)凍融交替循環(huán)對(duì)坡面侵蝕的真正貢獻(xiàn)。

3.4 凍融作用對(duì)流域尺度上土壤侵蝕的貢獻(xiàn)

由于東北黑土區(qū)地形相對(duì)平緩，但坡長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，土壤侵蝕導(dǎo)致的土壤再分配現(xiàn)象普遍存在，即大量侵蝕土壤并不能直接進(jìn)入河流系統(tǒng)，而是在坡面中下部沉積。即使在坡面尺度上評(píng)價(jià)了凍融交替循環(huán)的影響，也不能用于準(zhǔn)確計(jì)算凍融作用對(duì)河流泥沙的影響。因此，需要基于坡面徑流小區(qū)和小流域徑流泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)、以及土地利用和土壤分布資料，研究?jī)鋈诮惶嫜h(huán)對(duì)小流域徑流泥沙規(guī)律影響;建立小流域徑流泥沙與降雨侵蝕力、坡度坡長(zhǎng)等因子的關(guān)系，并通過(guò)與無(wú)凍融作用影響地區(qū)徑流泥沙與降雨侵蝕力、坡度坡長(zhǎng)等因子關(guān)系的比較，剝離出凍融侵蝕或凍融作用對(duì)小流域侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)率。由于凍融交替循環(huán)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響主要體現(xiàn)在每年最初的幾場(chǎng)降雨，可以考慮將每年最初2場(chǎng)產(chǎn)流的徑流泥沙資料作為一組，分別分析雨—水—沙之間的定量關(guān)系。將每年去掉前2場(chǎng)產(chǎn)流降雨的其他場(chǎng)次的徑流泥沙資料作為一組，分別分析雨—水—沙之間的定量關(guān)系。通過(guò)分析2組數(shù)據(jù)間定量關(guān)系的差異，來(lái)確定凍融交替循環(huán)對(duì)小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響以及侵蝕貢獻(xiàn)大小。

4 結(jié)論與展望

凍融侵蝕是土壤侵蝕研究中的難點(diǎn)，數(shù)十年來(lái)大量學(xué)者通過(guò)不懈努力取得了顯著成果;然而由于凍融作用和凍融侵蝕影響因素多、過(guò)程機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)有研究仍不足以明確凍融侵蝕過(guò)程機(jī)制和進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，且存在著研究工作中以模擬實(shí)驗(yàn)居多，針對(duì)凍融交替循環(huán)方面的原位監(jiān)測(cè)資料匱乏，仍沒(méi)有利用現(xiàn)有小區(qū)觀測(cè)資料來(lái)評(píng)價(jià)凍融對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率的方法等問(wèn)題。鑒于東北黑土區(qū)凍融侵蝕與水蝕耦合作用的獨(dú)特性，考慮凍融交替對(duì)東北黑土區(qū)坡面及小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的重要影響，未來(lái)研究應(yīng)注重田間條件下凍融交替循環(huán)規(guī)律及影響因素;量化凍融循環(huán)對(duì)坡面及小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙貢獻(xiàn)及其合理的評(píng)價(jià)方法等方面，為凍融區(qū)土壤侵蝕模型的建立和完善提供理論依據(jù)，為區(qū)域水土保持工作的開(kāi)展和水土保持措施的規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

［1］ KRUMBACH A W，WHITE D P．Moisture，pore space，and bulk density changes in frozen soil［J］．Soil Science Society of America Journal，1964，28(3):422．

［2］ BISAL F，NIELSEN K F．Effect of frost action on the size of soil aggregates［J］．Soil Science，1967，104(4):268．

［3］ STOECKELER J H，WEITZMAN S．Infiltration rates in frozen soils in northern Minnesota［J］．Soil Science Society of America Journal，1960，24(2):137．

［4］ WISCHMEIER W H，SMITH D D．Predicting rainfall erosion losses:A guide to conservation planning［J］．United States．Dept．of Agriculture．a(chǎn)griculture Handbook，1978，537．

［5］ ZUZEL JF，ALLMARASR R，GREENWALTR．Runoff and erosion on frozen soils in northeastern Oregon［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1982，37(6):351．

［6］ KIRBY P C，MEHUYS G R．Seasonal variation of soil erodibilities in southwestern Quebec［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1987，42(3):211．

［7］ 文啟愚．四川省土壤侵蝕類(lèi)型的探討［J］．西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1983(4):79．WEN Qiyu．Discussion on the soil erosion types in Sichuan Province［J］．Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition)，1983(4):79．

［8］ 王云信．關(guān)于土壤侵蝕分類(lèi)的商榷［J］．中國(guó)水土保持，1984(6):28．WANG Yunxin．Discussion on soil erosion classification［J］．Soil and Water Conservation in China，1984(6):28．

［9］ 劉緒軍，景國(guó)臣，齊恒玉．克拜黑土區(qū)溝壑凍融侵蝕主要形態(tài)特征初探［J］．水土保持應(yīng)用技術(shù)，1999(1):28．LIU Xujun，JINGGuochen，QIHenyu．Preliminary study on the main morphology of freeze-thaw erosion in Gobi Region of Kobaiba Area［J］．Technology of Soil and Water Conservation，1999(1):28．

［10］孫中峰，宋朝峰，李文淑，等．淺析凍融侵蝕機(jī)理與防治對(duì)策［J］．黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，1999，26(3):34．SUN Zhongfeng，SONG Chaofeng，LI Wenshu，et al．A-nalysis of the mechanisms and prevention measures of freeze-thaw erosion［J］．Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering College，1999，26(3):34．

［11］吳平，朱福民．阿爾山市凍融侵蝕區(qū)人為水土流失防治對(duì)策［J］．中國(guó)水土保持，1999(1):32．WU Ping，ZHU Fumin．Prevention and cure measures of soil and water loss made by human beings in freeze-thaw erosion area of Aershan City［J］．Soil and Water Conservation in China，1999(1):32．

［12］景國(guó)臣，劉丙友，榮建東，等．黑龍江省凍融侵蝕分布及其特征［J］．水土保持通報(bào)，2016，36(4):320．JING Guochen，LIU Binyou，RONGJiandong，et al．The distribution and characteristics of freeze-thaw erosion in Heilongjiang Province［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，2016，36(4):320．

［13］郭兵，姜琳．基于多源地空耦合數(shù)據(jù)的青藏高原凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)［J］．水土保持通報(bào)，2017，37(4):12．GUO Bing，JIANG Lin．Evaluation of erosion and thawing strength of Qinghai-Tibet Plateau based on multisource ground-ocean coupled data［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，2017，37(4):12．

［14］王轉(zhuǎn)，沙占江，馬玉軍，等．基于GIS的高寒草原區(qū)土壤凍融侵蝕強(qiáng)度及空間分布特征［J］．地球環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，8(1):55．WANG Zhuan， SHA Zhanjiang， MA Yujun， et al．Freeze-thaw erosion intensity and spatial distribution based on GISin Alpine Prairie［J］．Journal of Earth Environment，2017，8(1):55．

［15］齊吉琳，程國(guó)棟，VERMEER P A．凍融作用對(duì)土工程性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(8):887．QI Jilin，CHENG Guodong，VERMEER P A．State-ofthe-art of influence of freeze-thaw on engineering properties of soil［J］．Advances in Earth Science，2005，20(8):887．

［16］ CHAMBERLAIN E J，GOW A J．Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils［J］．Engineering Geology，1979，1(13):73．

［17］劉佳，范昊明，周麗麗，等．凍融循環(huán)對(duì)黑土容重和孔隙度影響的試驗(yàn)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(6):186．LIU Jia，F(xiàn)AN Haomin，ZHOU Lili，et al．Experimental study on influence of freezing and thawing cycles on bulk density and porosity of black soil［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2009，23(6):186．

［18］ VIKLANDER P．Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw［J］．Canadian Geotechnical Journal，1998，35(3):471．

［19］楊成松，何平，成國(guó)棟，等．凍融作用對(duì)土體干容重和含水量影響的試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(增刊2):2695．YANG Chengsong，HE Ping，CHENG Guodong，et al．Testing study on influence of freezing and thawing on dry density and water content of soil［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(Suppl．2):2695．

［20］溫美麗，劉寶元，魏欣，等．凍融作用對(duì)東北黑土容重的影響［J］．土壤通報(bào)，2009，40(3):492．WEN Meili，LIU Baoyuan，WEI Xin，et al．Effects of freeze-thaw on the bulk density of black soil in Northeast China［J］．Chinese Journal of Soil Science，2009，40(3):492．

［21］KVRN SH，YGARDEN L．The influence of freezethaw cycles and soil moisture on aggregate stability of three soils in Norway［J］．Catena，2006，67(3):175．

［22］STARICKA J A，BENOIT G R．Freeze-drying effects on wet and dry soil aggregate stability［J］．Soil Science Society of America，1995，59(1):218．

［23］WANG E H，CRUSE，R M，CHEN X W，et al．Effects of moisture condition and freeze/thaw cycles on surface soil aggregate size distribution and stability［J］．Canadian Journal of Soil Science，2017，92(3):529．

［24］ RICHARDSON S J．Effect of artificial weathering cycles on the structural stability of a dispersed silt soil［J］．Journal of Soil Science，1976，27(3):287．

［25］ LEHRSCH GA．Freeze-thaw cycles increase near-surface aggregate stability［J］．Soil Science，1998，163(1):63．

［26］ MOSTAGHIMI S，YOUNG R A，WILTS A R，et al．Effects of frost action on soil aggregate stability［J］．A-merican Society of Agricultural Engineers，1987，31(2):0435．

［27］王風(fēng)，韓曉增，李良皓，等．凍融過(guò)程對(duì)黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響［J］．冰川凍土，2009，31(5):915．WANG Feng，HAN Xiaozeng，LI Lianghao，et al．Effect of freeze-thaw on water-stable aggregates of black soil［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，2009，31(5):915．

［28］ WANG F，HAN X Z，LI L H，et al．How freezing and thawing processes affect black-soil aggregate stability in northeastern China［J］．Sciences in Cold and Arid Regions，2010，2(1):67．

［29］羅小剛，陳湘生，吳成義．凍融對(duì)土工參數(shù)影響的試驗(yàn)研究［J］．建井技術(shù)，2000，21(2):24．LUO Xiaogang，CHEN Xiangsheng，WU Chengyi．Testing study on influence of freezing and thawing on geotechnical engineering parameters［J］．Mine Construction Technology，2000，21(2):24．

［30］汪仁和，張世銀，秦國(guó)秀．凍融土工程特性的試驗(yàn)研究［J］．淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21(4):85．WANG Renhe，ZHANG Shiyin，QIN Guoxiu．Effects on rheologic properties of fresh concrete by fine ground slag［J］．Jounal of Huainan Institute of Technology，2001，21(4):85．

［31］楊平，張婷．人工凍融土物理力學(xué)性能研究［J］．冰川凍土，2002，24(5):665．YANG Ping，ZHANG Ting．The physical and the mechanical properties of original and frozen-thawed soil［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24(5):665．

［32］范昊明，蔡強(qiáng)國(guó)．凍融侵蝕研究進(jìn)展［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2003，1(4):50．FAN Haoming，CAI Qiangguo．Review of research progress in freeze-thaw erosion［J］．Science of Soil and Water Conservation，2003，1(4):50．

［33］ CHAMBERLAIN E J．Frost susceptibility of soil［M］．CRREL Monograph，1981，vol．81 －2．CRREL，Hanover，NH．121 pp．

［34］ FORMANEK G E，MCCOOl D K ，PAPENDICK R I．Freeze-thaw and consolidation effects on strength of a wet silt loam［J］．Transaction of ASABE，1984，27(6):1749．

［35］ MAURO G．Observations on permafrost ground thermal regimes from Antarctica and the Italian Alps，and their relevance to global climate change［J］．Global and Planetary Change，2004，40(1-2):159．

［36］GMEZ A，PALACIOSD，RAMOSM，et al．Location of permafrost in marginal regions:Corral del Veleta，Sierra Nevada，Spain［J］．Permafrost and Periglacial Process，2001，12(1):93．

［37］吳青柏，沈永平，施斌．青藏高原凍土及水熱過(guò)程與寒區(qū)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系［J］．冰川凍土，2003，25(3):250．WU Qingbai，SHEN Yongping，SHI Bin．Relationship between frozen soil together with its water-heat process and ecological environment in the Tibetan Plateau［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，2003，25(3):250．

［38］潘衛(wèi)東，余紹水，賈海鋒，等．青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)地溫場(chǎng)變化規(guī)律［J］．冰川凍土，2002，24(6):774．PAN Weidong，YU Shaoshui，JIA Haifeng，et al．Variation of the ground temperature field in permafrost regions along the Qinghai-Tibetan railway［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24(6):774．

［39］王紹令，趙新民．青藏高原多年凍土區(qū)地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析［J］．冰川凍土，1999，21(2):159．WANG Shaoling，ZHAO Xinmin．Analysis of the ground temperatures monitored in permafrost regions on the Tibetan Plateau［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，1999，21(2):159．

［40］戴競(jìng)波，李恩英．大興安嶺北部多年凍土地區(qū)雪蓋對(duì)地溫的影響［J］．冰川凍土，1981，3(1):10．DAI Jingbo，LI Anying．Influence of snow cover to the ground temperature in the permafrost region in the northern part of the Great Xin'an Mountian［J］．Journal of Glaciology and Geocryology，1981，3(1):10．

［41］顧鐘煒，周幼吾．氣候變暖和人為擾動(dòng)對(duì)大興安嶺北坡多年凍土的影響［J］．地理學(xué)報(bào)，1994，49(2):182．GU Zhongwei，ZHOU Youwu．The effects of climate warming and human turbulence on the permafrost in the northward slope of MT．Da Hinggan Ling—take a sample from Amur area［J］．Acta Geographica Sinica，1994，49(2):182．

［42］景國(guó)臣，任憲平，劉緒軍，等．東北黑土區(qū)凍融作用與土壤水分的關(guān)系［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(5):32．JING Guochen，REN Xianping，LIU Xujun，et al．Relationship between freeze-thaw action and soil moisture for Northeast black soil region of China［J］．Science of Soil and Water Conservation，2008，6(5):32．

［43］張科利，彭文英，王龍，等．東北黑土區(qū)土壤剖面地溫和水分變化規(guī)律［J］．地理研究，2007，26(2):314．ZHANG Keli，PENGWenying，WANGLong，et al．Variation of soil temperature and soil moisture on black soil profile in seasonal frozen area of Northeast China［J］．Geographical Research，2007，26(2):314．

［44］MCCOOL D K，WILLIAMSJ D．Freeze/thaw effects on rill and gully erosion in the northwestern wheat and range region［J］．International Journal of Sediment Research，2005，20(3):202．

［45］ MCCOOL D K，DUN S，WU JQ，et al．Seasonal change of WEPP erodibility parameters for two fallow plots on a Palouse Silt Loam［J］．Transactions of the ASABE，2013，56(2):711．

［46］FERRICK M G，GATTO LW．Quantifying the effect of a freeze-thaw cycle on soil erosion:laboratory experiments［J］．Earth Surface Process Landforms，2005，30:1305．

［47］VAN KLAVEREN RW，MCCOOL D K．Freeze-thaw and water tension effects on soil detachment［J］．Soil Science Society of America Journal，2010，74(4):1327．

［48］ SHARRATT B S，LINDSTROM M J，BENOIT G R．Runoff and soil erosion during spring thaw in the northern UScornbelt［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2000，55(4):487．

［49］范昊明，張瑞芳，武敏，等．草甸土近地表解凍深度對(duì)坡面降雨侵蝕影響研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(3):5．FAN Haoming，ZHANG Ruifang，WU Min，et al．Study on sloping land rainfall erosion affected by thaw depth of near-surface meadow soil［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(3):5．

［50］RENARD K G，F(xiàn)ORSTER GR，WEESIESGA．Predicting soil erosion by water:A guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)［M］．USDA Agricultural Handbook:No．703．Washington DC:USDA，1997．

［51］張建國(guó)，劉淑珍，楊思全．西藏凍融侵蝕分級(jí)評(píng)價(jià)［J］．地理學(xué)報(bào)，2006，61(9):911．ZHANG Jianguo，LIU Shuzhen，YANG Siquan．Classification and assessment of freeze-thaw erosion in Tibet［J］．Acta Geographica Sinica，2006，61(9):911．

［52］劉佳，范昊明，周麗麗，等．春季解凍期降雨對(duì)黑土坡面侵蝕影響研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(4):64．LIU Jia，F(xiàn)AN Haomin，ZHOU Lili，et al．Study on the influence of spring rainfall on the black soil slope erosion［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2009，23(4):64．

［53］周麗麗，范昊明，武敏，等．白漿土春季解凍期降雨侵蝕模擬［J］．土壤學(xué)報(bào)，2010，47(3):574．ZHOU Lili，F(xiàn)AN Haomin，WU Min，et al．Simulation of rainfall erosion of albic soil in thawing period［J］．Acta Pedologica Sinica，2010，47(3):574．

［54］ BAN Y，LEI T，LIU Z，et al．Comparison of rill flow velocity over frozen and thawed slopes with electrolyte tracer method［J］．Journal of Hydrology，2016，534:630．

［55］ BAN Y，LEI T，LIU Z，et al．Comparative study of erosion processes of thawed and non-frozen soil by concentrated meltwater flow［J］．Catena，2017，148:153．