春季解凍期棕壤崩解性研究

顧廣賀，范昊明，賈燕鋒，王志濤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

土壤崩解是指土壤在靜水中發(fā)生碎裂解體或強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，它與土壤抗沖性之間存在較密切的冪函數(shù)關(guān)系[1]。土壤崩解速率是評價(jià)土壤可蝕性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]。國內(nèi)外對于土壤崩解的研究相對較少，但仍有一些較有價(jià)值的研究成果：張曉媛等研究指出，土樣崩解速率與土壤含水率的相關(guān)性顯著，而與容重的相關(guān)性不顯著[3]；唐軍等研究發(fā)現(xiàn)，土壤本身的礦物成分、顆粒大小、初始含水率等因素對土樣崩解有重要影響[4]；郭永春等研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)導(dǎo)致含水率的變化是紅層泥巖發(fā)生崩解的主要原因，土壤本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及外界環(huán)境變化會對土壤崩解性產(chǎn)生影響[5]。以往對土壤崩解性的研究多考慮土壤本身性質(zhì)對崩解的影響，很少考慮外營力對土壤崩解性的影響。土壤凍融作用在我國廣泛存在，據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)，我國可發(fā)生凍融侵蝕的面積超過126.98萬km2，約占國土總面積的13.4%[6]。廣泛存在的凍融作用可以改變土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤崩解速率，從而影響土壤抗蝕性。Konrad認(rèn)為反復(fù)凍融能改變土壤結(jié)構(gòu)性，破壞土壤顆粒間的聯(lián)結(jié)力，使土壤顆粒得以重新排列[7]。劉佳等認(rèn)為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤容重減小，孔隙度增大[8]。國內(nèi)外對于凍融作用機(jī)理的研究起步較早，但其對土壤相關(guān)物理、力學(xué)性質(zhì)的研究大多傾向于對工程的影響方面，而研究土壤凍融后其性狀發(fā)生改變對土壤抗蝕性影響的并不多見。本研究以棕壤為研究對象，通過測定不同土壤含水率與凍融循環(huán)次數(shù)條件下棕壤的崩解速率，研究凍融作用對棕壤崩解性的影響，試從機(jī)理上分析凍融作用對土壤抗蝕性的影響規(guī)律，這將對春季解凍期土壤侵蝕預(yù)報(bào)及防治起到重要作用。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與制備

試驗(yàn)選擇占遼寧省土壤面積36.32%的棕壤作為供試土壤，試驗(yàn)土樣取自沈陽市東陵區(qū)天柱山上沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)蠶場與油松林交界處，取土區(qū)域?yàn)榕瘻貛駶檯^(qū)，地貌為中山、低山丘陵，屬典型棕壤區(qū)。2012年4月初，取表層0—20 cm土壤帶回室內(nèi)風(fēng)干備用，同時(shí)采用環(huán)刀法測定土壤自然容重和土壤飽和含水率，用比重計(jì)法測定土壤機(jī)械組成。經(jīng)測定，土壤自然容重為1.35 g/cm3，土壤飽和含水率為37.89%，土壤機(jī)械組成見表1。

待土壤風(fēng)干后，過孔徑5 mm篩，并剔除植物根系及其他雜質(zhì)，制成崩解試樣。具體制備過程如下：將過篩后的土壤填入邊長為5 cm的立方體鐵盒，制成容重為1.35 g/cm3的土壤試樣，土壤含水率分別控制為12%、16%和20%，并用塑料薄膜對土壤試樣進(jìn)行24 h密封以保證土壤具有均勻含水率。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，土壤經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后物理性質(zhì)變化較小[9]，因此本試驗(yàn)將凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)為0(不發(fā)生凍融)、1、3、5、7和10次，每個(gè)凍融循環(huán)歷時(shí)24 h(凍結(jié)12 h，融化12 h)，凍融上限溫度為7 ℃，凍融下限溫度為-15 ℃，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共制作試樣54個(gè)。

表1 棕壤土機(jī)械組成

1.2 試驗(yàn)方法

2012年4月下旬至5月上旬，待崩解試樣達(dá)到設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)后，對凍融后土樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照水利部《土工試驗(yàn)操作規(guī)程》中濕化試驗(yàn)的規(guī)定。試驗(yàn)裝置包括崩解缸(46 cm×16 cm×70 cm)、崩解架(10 cm×10 cm×10 cm)、網(wǎng)板(10 cm×10 cm，孔徑為1 cm)、帶刻度的浮筒(直徑6.5 cm，高25 cm，最小刻度為1 mm)。

試驗(yàn)時(shí)將土樣放在崩解架上，慢慢將崩解架放入水中，當(dāng)土樣底部接觸水時(shí)開始計(jì)時(shí)，手放開裝置時(shí)讀取浮筒的讀數(shù)，用秒表記錄土壤崩解時(shí)間。前2 min每隔10 s記錄一次浮筒讀數(shù)，2—5 min之間每隔30 s記錄一次浮筒讀數(shù)，5 min之后每隔1 min記錄一次浮筒讀數(shù)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)觀察，15 min之后浮筒讀數(shù)不再發(fā)生變化，因此本試驗(yàn)觀測時(shí)間設(shè)定為15 min，如果15 min后未全部崩解，則記錄浮筒讀數(shù)并結(jié)束崩解試驗(yàn)。

根據(jù)浮力的物理計(jì)算公式整理得土壤崩解速率的計(jì)算式為

式中：v為崩解速率，cm3/min；S為浮筒底面積，本試驗(yàn)為33.18 cm2；l0為試樣浸入水中時(shí)浮筒的起始讀數(shù)，cm；lt為試驗(yàn)進(jìn)行至t時(shí)刻浮筒的讀數(shù)，cm；t為崩解時(shí)間，min；Y為土樣容重，取1.35 g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 崩解過程

隨著土壤含水率的變化，棕壤崩解過程表現(xiàn)出一定的異同點(diǎn)：含水率為12%的土樣浸入清水時(shí)，棕壤表面細(xì)小顆粒迅速散落水中，周圍立即混濁，棕壤崩解迅速，一段時(shí)間后，崩解速度逐漸減慢，隨著土壤結(jié)構(gòu)的破壞，棕壤崩解速度有少許提高，但很快崩解速度又減緩直至完全崩解，整個(gè)崩解過程中，棕壤崩解速率變化較大。含水率為16%的土樣浸入清水時(shí)，試驗(yàn)前期棕壤崩解速度緩慢，一段時(shí)間過后，隨著棕壤邊緣結(jié)構(gòu)的破壞，棕壤崩解速度逐漸加快，崩解速度達(dá)到峰值后又逐漸變緩。含水率為20%的土樣浸入清水時(shí)，崩解速度緩慢，只有邊緣處零星的棕壤發(fā)生崩解。不同土壤含水率的棕壤在崩解過程中均有氣泡溢出，崩解進(jìn)行到最后均有一部分難于崩解，隨著土壤含水率的增加崩解殘留物逐漸增多。

棕壤崩解具有階段性，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，崩解速率逐漸減小，各含水率棕壤0—1 min平均崩解速率為30.3 cm3/min，1—5 min平均崩解速率為2.25 cm3/min，5—15 min平均崩解速率為0.35 cm3/min(表2)。棕壤崩解具有邊緣效應(yīng)，崩解并不是無限發(fā)展，而是受浸水邊界的影響，浸水邊界在浸水后發(fā)生崩解，速度由快到慢，崩解進(jìn)行到最后，崩解架上留有一部分棕壤不易崩解，這一點(diǎn)與黃土的邊界效應(yīng)相似[10]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是棕壤發(fā)生崩解時(shí)，邊緣部分先發(fā)生崩解，內(nèi)部土壤有一定時(shí)間進(jìn)行浸潤，由于浸潤作用，內(nèi)部土壤含水率有一定程度提高，土壤顆粒間黏結(jié)力增大，土壤抗崩性增強(qiáng)，崩解速率隨之減小。

表2 不同時(shí)段棕壤崩解速率

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對土壤崩解速率的影響

反復(fù)的凍融循環(huán)會改變土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)[9]。土壤性質(zhì)的改變必然會引起崩解速率的變化。研究結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，棕壤崩解速率總的變化趨勢為先減小后增大(圖1)，經(jīng)歷0、1、3、5、7、10次凍融循環(huán)的棕壤平均崩解速率分別為7.56、4.95、3.51、3.47、5.82、9.87 cm3/min，凍融循環(huán)次數(shù)由0次增加至10次，崩解速率分別變化了-2.61、-1.44、-0.04、2.35、4.06 cm3/min(負(fù)號代表崩解速率減小)。凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，凍融作用的凍脹效應(yīng)使得土壤顆粒發(fā)生破裂、解體，土壤大顆粒變?yōu)樾☆w粒，小顆粒堵塞土壤孔隙阻礙外部水分進(jìn)入土壤，使棕壤崩解速率減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用的累加效應(yīng)逐漸顯露，土壤凍脹越發(fā)嚴(yán)重，凍結(jié)時(shí)土壤水變成冰晶體而體積增大，冰晶體填充土壤孔隙，使得土壤顆粒之間產(chǎn)生推力，從而引起土壤顆粒的位移，土壤孔隙增大；融化過程中又存在水分的遷移，增加土粒之間的推動(dòng)作用，帶走孔隙中的細(xì)小土粒，不斷的凍融循環(huán)迫使土壤孔隙度增大，土壤變得疏松多孔，嚴(yán)重破壞土體結(jié)構(gòu)，崩解速率隨之增大。

圖1 棕壤崩解速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

2.3 含水率對土壤崩解速率的影響

由于土壤含水率直接影響土壤顆粒的連結(jié)狀況，因此土壤初始含水率是影響其發(fā)生崩解的重要因素之一[3]。研究結(jié)果表明：凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小(圖2)，當(dāng)土壤含水率為12%、16%和20%時(shí)，經(jīng)歷凍融作用的棕壤平均崩解速率分別為12.89、3.68和0 cm3/min，土壤含水率由12%增加到16%、由16%增加到20%時(shí)，棕壤平均崩解速率分別減小9.21、3.68 cm3/min。由此可知，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率變化幅度減小，當(dāng)土壤含水率為20%時(shí)，經(jīng)歷凍融作用后，棕壤未發(fā)生崩解。這是因?yàn)殡S著土壤含水率的增加，土壤凍融作用更為強(qiáng)烈，凍脹更為嚴(yán)重，凍融作用的增強(qiáng)一定程度上破壞了土壤原有結(jié)構(gòu)，降低了土壤抗崩性，但同時(shí)隨著土壤含水率的提高，土壤顆粒之間的黏結(jié)力增加，土壤顆?？梢愿喂痰亟Y(jié)合在一起，保持土壤原有結(jié)構(gòu)，黏結(jié)力的增強(qiáng)一定程度上削弱了凍融作用對土壤結(jié)構(gòu)的破壞。隨著土壤含水率的增加，水分浸潤作用增強(qiáng)，土壤顆粒體積增大，增大的體積向孔隙填充，阻礙外部水進(jìn)入土壤內(nèi)部，進(jìn)而增強(qiáng)了棕壤的抗崩性。綜合來看，土壤顆粒間黏結(jié)力的增強(qiáng)、土壤顆粒體積增大對于崩解速率的影響更為顯著，所以隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小。

圖2 棕壤崩解速率隨含水率變化

3 結(jié) 論

(1)棕壤崩解具有階段性，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，棕壤崩解速率逐漸減小，0—1 min平均崩解速率為30.3 cm3/min，1—5 min平均崩解速率為2.25 cm3/min，5—15 min平均崩解速率為0.35 cm3/min，棕壤崩解具有邊緣效應(yīng)。

(2)在凍融循環(huán)次數(shù)一定的條件下，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小，當(dāng)土壤含水率由12%增加到16%時(shí)，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的棕壤平均崩解速率減小了9.21 cm3/min，當(dāng)土壤含水率由16%增加到20%時(shí)，棕壤平均崩解速率減小了3.68 cm3/min。

(3)在土壤含水率一定的條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，棕壤崩解速率先減小后增加，經(jīng)歷0、1、3、5、7、10次凍融循環(huán)的棕壤平均崩解速率分別為7.56、4.95、3.51、3.47、5.82、9.87 cm3/min。

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