凍融作用對黑土區侵蝕溝發育的影響

楊亞娟, 景國臣, 劉緒軍, 楊 薇, 任憲平, 王亞娟

(1.黑龍江省水土保持科學研究所 克山實驗站, 黑龍江 克山 161600; 2.黑龍江省水土保持科學

研究所 齊齊哈爾實驗站, 黑龍江 齊齊哈爾 161006; 3.黑龍江省水土保持科學研究所, 黑龍江 哈爾濱 150070)

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凍融作用對黑土區侵蝕溝發育的影響

楊亞娟1, 景國臣2, 劉緒軍1, 楊 薇3, 任憲平1, 王亞娟1

(1.黑龍江省水土保持科學研究所 克山實驗站, 黑龍江 克山 161600; 2.黑龍江省水土保持科學

研究所 齊齊哈爾實驗站, 黑龍江 齊齊哈爾 161006; 3.黑龍江省水土保持科學研究所, 黑龍江 哈爾濱 150070)

摘要：[目的] 凍融作用是黑土區的主要自然現象之一。研究黑土區凍融作用對侵蝕溝發育的影響,以便防止凍融侵蝕,保護黑土資源。[方法] 采取室內試驗與野外定點定位觀測相結合方法,開展凍融作用對黑土物理性狀、凍脹量以及侵蝕溝岸凍裂融塌的試驗觀測。[結果] 凍融作用使土壤水分增加,容重減小,孔隙度增大,土壤團聚體總量降低,凍脹量加大。[結論] 凍融作用導致土壤抗蝕能力降低,是加劇侵蝕溝發育的主要影響因素之一。

關鍵詞：凍融作用; 侵蝕溝發育; 黑土區

凍融作用是指氣候的日、年和多年變化導致特定氣候區域地球表層一定范圍的土凍結和融化作用,使凍土層中的地下冰和地下水不斷發生相變和位移,產生凍脹、融沉、流變等一系列應力變形[1]。溝壑凍融侵蝕是侵蝕溝發育的一種特殊形式。當侵蝕溝發展到淺溝、切溝階段，凍融作用十分顯著[2]。氣溫變化時,地表面和溝壁形成2個鋒面,正負溫從這2個鋒面同時向土體侵入,形成雙向凍融區,造成溝壑土體發生機械破壞,降低土壤內部的凝聚力和抗剪力,在水力和重力共同作用下發生土壤侵蝕。溝壑凍融侵蝕以溝頭溯源前進和溝壁擴張為主，表現為溝頭溝壁凍裂、融塌、融滑、融瀉等形式。本研究通過野外觀測和室內試驗，探討凍融作用對侵蝕溝發育的影響，旨在防止凍融侵蝕，保護珍貴的黑土資源。

1試驗區概況

試驗區位于典型黑土區的黑龍江省齊齊哈爾市克山縣河北鄉新安小流域，地理坐標為E125°59′—126°03′，N48°05′—48°07′。多年平均氣溫1.1 ℃，1月份平均氣溫-22.9 ℃， 7月份平均氣溫21.3 ℃，平均氣溫年差44.2 ℃，無霜期120 d,土壤凍結深度2.0～2.5 m，多年平均降水量510 mm，地下水埋深在20～30 m。試驗區流域總面積14.63 km2，水土流失面積7.98 km2，占流域總面積的54.5%，有大小侵蝕溝156條，溝壑密度為1.3 km/km2，土壤面蝕和溝蝕均較嚴重。地貌類型屬漫川漫崗臺地，土壤為典型黑土，成土母質為黃土狀亞黏土。

2試驗方法

試驗采取野外定點定位觀測與室內試驗相結合的方法,在野外定點定位觀測的基礎上,通過室內試驗補充驗證野外觀測結果。

2.1　野外試驗設計、觀測項目及方法

2.1.1野外試驗設計在黑龍江省克山縣新安小流域選擇了3條發展侵蝕溝作為定位觀測點，在侵蝕溝附近分別布設氣溫表、分層地溫計、凍深器等儀器，觀測氣溫、不同層次地溫及凍深，同時測定不同凍結深度土壤水分和容重等指標變化，并對侵蝕溝岸凍裂分別編號，觀測凍裂長度、寬度和深度變化。

2.1.2觀測項目及方法氣溫、地溫及凍深觀測：采用氣溫表觀測氣溫，分層地溫表觀測不同層次地溫，凍深器測定土壤凍結深度。在選定的3條侵蝕溝分別布設氣溫表，40，80，120，160和200 cm分層地溫計，2.5 m凍深器。在土壤表層開始凍結至次年全部融化期內，每日8時和14時分別觀測氣溫、地溫及土壤凍結深度并記錄。

土壤水分測定：采用凍土鉆取土，室內烘干法測定土壤水分。在試驗區布設2個取樣點，取樣深度130 cm，每點按10 cm分層2次重復取樣。在冬季土壤開始凍結前，先測定未凍土不同層次的水分含量，土壤開始凍結后直到次年全部融化期間，每隔15 d取樣一次，測定不同層次土壤水分含量。

土壤容重測定：采取環刀法測定土壤容重。土壤封凍前和次年土壤完全解凍后，在0—30 cm耕作層內，用環刀在開挖好的剖面上每10 cm為一層，分別取樣測定不同層次土壤的容重值。

侵蝕溝岸凍裂觀測：在選定侵蝕溝岸，按照順序給每一條凍裂編號，用鋼卷尺結合鐵絲探針分別測量凍裂的長度、寬度和深度并記錄觀測值，自土壤開始凍結后直到次年全部融化期間每日8時觀測一次。

2.2　室內試驗設計、觀測項目及方法

2.2.1試驗設計根據對黑土區多年冬季土壤含水率測定結果，土壤含水量多在20%～40%，考慮極端土壤水分情況，試驗土壤水分選擇17%，20%，25%，30%，35%，40%，45%(重量含水率)共7個處理。其處理制作過程為：將在選擇的觀測點取自然狀態下的0—30 cm原狀黑土，經風干后，配制成含水率分別為17%，20%，25%，30%，35%，40%，45%(重量含水率)的均勻土樣，然后分層將其裝入試塊制作模具中，制成直徑為10.20 cm，高度為15 cm，密度均勻的圓柱體試塊。

將制作好的不同初始含水率試塊放入冷凍箱中，在24 h內將冷凍箱內溫度由0 ℃逐漸降低到-20 ℃，使試塊完全凍結，取出試塊，再經過24 h使試塊逐漸完全融化(根據凍融實際測驗結果確定為24 h)。如此往復5個凍融循環(經多年野外實際觀察，每年凍融變化較大的次數一般在4到5次)。試驗采取半封閉半開放環境，即在試塊底部和周圍用10 cm厚笨板保溫防護，確保凍結和融化過程均由圓柱試塊的頂部開始，逐漸向下凍結和融化，同時在試塊底部放置2層1 cm厚的泡沫作為緩沖層，在每次凍結前向底層泡沫內注入20 ml清水，始終保持試塊底部有一定的水分供應，模擬自然狀態下土壤水的補給。

2.2.2觀測項目及方法

(1) 土壤水分測定。采取破損性試驗終態的土壤含水率方法。在每次試驗中每個處理都設5個試塊，按循環次數粉碎后，分別按0—5 cm，5—10 cm和10—15 cm 3個層次取樣，用恒溫干燥箱烘干測試土樣，用天平稱量濕土樣和烘干土樣重量，計算不同凍融循環周期試塊不同層次的土壤含水率。

(2) 試塊凍脹量測定。采取體積測量法。使用卡尺分別在各凍融周期的完全凍結時，測定試塊的5，10，15 cm處的直徑和試塊高度值，計算各凍融循環周期試塊體積。

(3) 土壤孔隙度測定。土壤孔隙度采用經驗計算公式為：

pt=93.947-32.995ρd[3]

式中：pt——土壤孔隙度(%)；ρd——土壤容重(g/cm3)。

(4) 土壤水穩性團聚體測定。采取濕篩法測定土壤各級水穩性團聚體含量，篩孔直徑分別為5，2，1，0.5，0.25 mm。

3結果與分析

3.1　凍融作用使土壤水分發生遷移

凍融作用使土壤中的水分發生遷移，土體含水量增加[4]。在土壤凍結過程中，由于溫度梯度的變化，使水分場重新分布，水分從暖端向冷端遷移[5]。通過野外定點定位觀測和不同初始含水率室內模擬試驗均表明，除17%和45%兩個極端初始含水率處理外，其余處理土壤在凍結過程中，水分都從下部暖端向上部凍結鋒面遷移，從而增加凍結層的水分(見圖1和表1)。

圖1是新安小流域野外觀測點測定的隨凍結深度增大土壤含水率變化曲線。圖1中2003年10月14日為土壤凍結前不同層次水分情況，其它3個時間是土壤不同凍結深度時的水分情況。隨著時間的變化和土壤凍結深度增大，凍結層土壤含水量均有增加的趨勢，到2003年12月1日凍深50 cm時，0—50 cm各層次土壤的含水量都有不同程度的提高，提高幅度最大的0—10 cm土層含水量增加了2.27個百分點；到2003年12月31凍深100 cm時，提高幅度最大的0—10 cm層次的土壤含水量增加了3.25個百分點，可見含水量增加幅度很大。

圖1　新安小流域觀測點土壤水分曲線

表1是室內試驗土壤水分測定結果，在20%～40%的5個處理中，0—5，5—10，10—15 cm這3個層次土壤水分均有所增加，但增加的幅度差異較大，波動范圍在0.06～41.31%；而從整個試塊看，土壤水分分別增加了21.50%，11.75%，9.25%，11.66%和2.41%，表現出隨土壤初始含水量的增加，土壤水分增加幅度減少的趨勢。而兩個極端處理情況各有不同，17%土壤初始含水率因含水量過低，土壤結構比較松散，土壤吸收底部水分能力弱，所以在凍融循環過程中水分增加幅度很少；45%土壤初始含水率因含水量遠超過土壤田間最大持水量，自由水大量增加，以重力水形式下滲，造成土壤含水率降低。

表1　凍融作用對新安小流域土壤水分遷移影響

注：凍融溫度范圍-20 ℃~20 ℃,5個凍融周期平均值

3.2　凍融作用使土壤容重降低

土壤在凍結過程中由于土壤中冰晶體含量增多，土壤顆粒間發生擠脹作用，試塊體積增大，土壤容重降低。隨著凍融循環次數的進一步增加，土壤密度將降低到一個接近穩定的數值[6]。表2是新安小流域野外觀測點兩條侵蝕溝附近0—30 cm土層土壤凍結前和融化后容重測定結果，可以看出，兩點經1個凍結融化周期后，0—30 cm層次土壤容重都有不同程度的降低，且表層的0—10 cm降低最大，幅度達到1.7%～7.1%，說明凍融作用對表層土壤容重影響最大，土壤變得更疏松分散，粘結力降低，抗沖抗蝕能力減弱。

表2　新安小流域觀測點土壤容重測定結果

圖2是不同初始含水率凍融模擬試驗土壤容重變化曲線。隨著土壤初始含水率的增大，土壤容重降低幅度逐漸增大，到第5凍融循環周期時，初始含水率17%，20%，25%，30%，35%，40%，45%試塊土壤容重分別降低了5.48%，9.83%，10.63%，11.66%，11.98%，12.74%，16.20%，土壤含水量越高，凍融對土壤的疏松作用愈強。隨著凍融周期的增加，土壤容重也逐漸降低，從7種土壤水分處理平均值看，凍融作用后，各周期土壤容重平均值從初始的1.213 g/cm3分別降低為1.177，1.150，1.124，1.096，1.077 g/cm3。

圖2　不同處理各凍融周期土壤容重變化率

3.3　凍融作用使土壤孔隙度增大

在多次凍融循環過程中，黑土的容重和孔隙度都發生變化，且變化的幅度較小[3]。土壤在凍結過程中水分的遷移變化，使土壤中形成的冰晶體增多，土壤體積膨脹，冰晶體充填土壤孔隙，使得土壤顆粒之間產生擠漲和推壓，從而引起土壤顆粒的位移；同時，土壤在融化過程中也存在水分的遷移，相應也會增加土粒之間的推動作用，多次凍融循環迫使土壤孔隙度增大，土壤變得疏松多孔。圖3是通過凍融試驗繪制的土壤孔隙度變化曲線。

隨著土壤初始含水量的增多，凍融前后的土壤孔隙度變化增強。在土壤初始含水率為17%，20%，25%，30%，35%，40%和45%時，到第5凍融周期，土壤孔隙度分別增加3.91%，7.62%，7.94%，8.58%，8.85%，9.41%和12.12%。隨著凍融循環次數的增加，土壤孔隙度逐步增大，從7種土壤水分處理平均值看，凍融作用后，各周期土壤孔隙度由初始的53.75%

分別增大到55.12%，56.00%，56.86%，57.76%和58.42%，分別增加了2.55%，4.19%，5.77%，7.46%和8.69%。

圖3　不同處理各凍融周期土壤孔隙度變化率

3.4　凍融作用影響土壤團聚體穩定性，降低土壤抗蝕抗沖性能

凍融過程中土壤團聚體穩定性受土壤質地、有機質含量、最初團聚體大小、土壤含水量、凍結溫度和凍融循環次數的影響[7-8]。從表3可知，除17%初始含水量外，凍融作用使不同初始含水量土壤土壤團聚體總量(WAS)降低，平均重量直徑(MWD)減小，并且隨初始含水量的增加而增大。當土壤初始含水率20%，25%，30%，35%，40%，45%時，土壤團聚體總量(WAS)與對照相比，分別降低5.09%，5.19%，8.10%，8.28%，9.63%，12.31%，而平均重量直徑(MWD)分別減小8.62%，13.79%，22.41%，27.59%，27.59%，34.48%，說明凍融作用破壞了土壤團聚體，使土壤團聚體穩定性降低，進而降低了土壤的抗蝕抗沖性能。目前不少國內外學者研究土壤抗蝕性時發現土壤團聚體(特別是水穩性團聚體)對土壤侵蝕的影響很大，土壤水穩性團聚體數量與穩定性是制約土壤抗蝕性和抗沖性的重要因子[9]。土壤水穩定性團聚體的含量與土壤可蝕性呈顯著負相關關系[10]。

表3　不同處理凍融作用后土壤團聚體測定結果

3.5　凍融作用使土體發生凍脹破壞

當溫度在0 ℃上下變化時，巖石孔隙或裂縫中的水在凍結成冰時，體積膨脹(增大9%左右)[11]。室內模擬試驗表明，隨著凍融循環次數的增加，不同初始含水率處理試塊的體積均呈增大的趨勢。從圖4可以看出，在初始含水率17%，20%，25%，30%，35%，40%，45%情況下，隨著凍融循環次數的增加，試塊體積逐步增大，當第5凍融循環周期結束時，各初始含水率試塊體積增大的幅度分別為5.79%，10.93%，11.91%，13.23%，13.62%，14.60%，19.39%，平均增大幅度12.78%。說明隨著初始含水率的增大，在凍融循環過程中土壤中冰凌數量增加，凍脹力增大，促使土壤發生膨脹，從而導致土壤的結構、質地等性質發生脆變，降低土壤的抗蝕性。

圖4　不同水分處理土壤凍脹量變化率

3.6　侵蝕溝岸凍裂融塌觀測結果分析

通過對野外觀測點3條發展侵蝕溝13條凍裂觀測結果表明，侵蝕溝岸凍裂寬度隨氣溫的降低呈加大的趨勢，最大凍裂寬發生在1—3月份，一般當凍裂寬小于7 cm左右時，3月份以后逐步變窄直至完全回復；一般當凍裂寬大于7 cm左右時，侵蝕溝岸土體逐漸開始融塌，融塌土方量在0.1～1.4 m3?？傮w來說，侵蝕溝岸凍裂融塌主要與凍裂寬度關系密切，即一般當凍裂寬大于7 cm左右時，侵蝕溝岸土體發生凍裂融塌。

4結 論

(1) 凍融作用使土壤水分向凍結層遷移，增加了凍結土壤的含水量。通過不同初始含水率凍融試驗表明，除17%和45%兩個極端值處理外，其余處理土壤水分都有所增大，平均增加11.31%。

(2) 凍融作用使土壤物理性狀發生改變，降低了土壤抗蝕抗沖性能。凍融作用使土壤容重降低，孔隙度增大，土壤團聚體總量和平均重量直徑減小,從而降低了土壤的粘聚力和剪切力。試驗表明，凍融作用使土壤容重平均降低7.27%；孔隙度平均增大8.35%；土壤團聚體總量平均減少6.09%；土壤平均重量直徑平均減小22.41%。

(3) 凍融作用使土壤發生凍脹破壞。在初始含水率17%～45%的7個處理中，凍融作用使試塊體積增大，到第5凍融循環周期結束時，各初始含水率試塊體積增大的幅度平均為12.78%。

(4) 凍融作用加劇了侵蝕溝的發育。土壤在凍結過程中發生水分遷移,土壤顆粒吸附水量增多,土壤中的冰晶體增大增多,土壤顆粒發生擠脹作用,土壤結構變得松散,土體膨脹變形, 使溝岸土體向溝道一側傾斜,溝岸出現斷裂,多數情況下當凍裂寬度超過7 cm時,裂縫不能回復,使溝岸土體與坡面脫離，造成侵蝕溝頭溯源侵蝕和溝岸擴張，侵蝕溝不斷發育擴大。

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Effects of Freezing and Thawing Cycling on Development of Eroded Gully in Black Soil Area

YANG Yajuan1, JING Guochen2, LIU Xujun1, YANG Wei3, REN Xianping1, WANG Yajuan1

(1.KeshanExperimentStation,HeilongjiangInstituteofSoilandWaterConservation,Keshan,Heilongjiang161600,China; 2.QiqiharExperimentStation,HeilongjiangInstituteofSoilandWaterConservation,Qiqihar,Heilongjiang161006,China; 3.HeilongjiangInstituteofSoilandWaterConservation,Harbin,Heilongjiang150070,China)

Abstract：[Objective] Freezing and thawing is one of the major natural phenomena in the black soil area. The effects of freezing and thawing cycling on eroded gully development were studied to prevent freezing and thawing erosion, and then protect the black soil resources. [Methods] The soil physical properties, variation of soil body and gully bank were measured during freezing and thawing process by field measurements and laboratory simulations. [Results] Freezing and thawing cycling increased soil moisture, porosity and frost heaving amount, and the bulk density and the content of soil aggregate were reduced. [Conclusion] Freezing and thawing cycling results in the decrease of soil erosion resistance, it is the main factor leading to an aggravation of erosion gully development.

Keywords:freezing and thawing; erosion gully development; black soil area

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0001-05

中圖分類號：S157

收稿日期：2014-04-01修回日期：2014-05-06

資助項目：黑龍江省科技計劃管理項目“黑龍江省凍融侵蝕機理研究”(3200632008-01)

第一作者：楊亞娟(1974—),女(漢族),黑龍江省克山縣人,大學本科,高級工程師。主要從事水土保持科學研究及土壤凍融侵蝕工作。E-mail:hksyyj2004@163.com。

試驗研究