凍融作用對松嫩平原草甸土物理性質(zhì)的影響

李 輝

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

凍融是指由于日最高氣溫超過0 ℃和最低氣溫低于0 ℃而產(chǎn)生融化和凍結(jié)的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象，凍融可顯著改變土壤物理性質(zhì)[1]。研究表明，頻繁的凍融交替對土壤團聚體穩(wěn)定性[2-3]、水鹽運移[4]、容重、孔隙度[5]及滲透性[6]等均有顯著影響。凍融的實質(zhì)為土壤水的凍結(jié)與融化過程[7]，液態(tài)水變成固態(tài)水體積增大9%，土體內(nèi)水分體積的變化勢必引起土壤結(jié)構(gòu)的改變[8]，導(dǎo)致土體疏松，土壤易蝕程度加劇。松嫩平原地處風(fēng)蝕、水蝕交互影響區(qū)，受土壤侵蝕影響，土壤退化嚴(yán)重。

由于外界自然環(huán)境條件的差異，凍融作用對土壤物理性質(zhì)的影響除了與土壤自身的性質(zhì)有關(guān)[9]，與凍融循環(huán)次數(shù)、凍融速率和凍融方式等也存在密切聯(lián)系[10-12]。本文以松嫩平原草甸土凍融作用下各物理指標(biāo)為依據(jù)，探討不同含水率條件下凍融強度、凍融循環(huán)次數(shù)對土壤物理指標(biāo)的影響。與前人研究不同，本文實驗所用土壤為野外取回的原狀土，而非過篩后預(yù)制的擾動土；以往研究凍融作用對土壤性質(zhì)的影響，大多集中在凍融循環(huán)次數(shù)上，而已有研究表明，凍融強度通過改變土壤水勢，對土壤容重、孔隙度、團聚體穩(wěn)定性也有顯著影響[13]，因此，本文基于前人的研究成果，增設(shè)凍融強度(凍結(jié)時溫度的差異)處理，進(jìn)一步研究季節(jié)性凍土的物理性質(zhì)變化規(guī)律，為繼續(xù)深入研究凍融循環(huán)作用對土壤侵蝕過程的影響奠定基礎(chǔ)，為布設(shè)區(qū)域水土保持措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原西南部長嶺縣草甸草原，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，具有典型的大陸性季風(fēng)氣候，春季風(fēng)大少雨，夏季炎熱多雨，秋季降雨均勻，冬季嚴(yán)寒干燥。冬春之交，受溫度影響該區(qū)土壤頻繁發(fā)生凍融現(xiàn)象。

草甸土容重為1.33 g/cm3，土層較厚，有堿格子存在，有機質(zhì)含量為15.59 g/kg，pH值為9.16。

1.2 野外取樣

取樣時間定為2014年8月—10月中旬。選取地勢平坦、無人為干擾且植被分布均勻的草甸土作為取樣樣地，取樣前除去地表植被及表層腐殖層，用取土刀取表層20 cm厚的原狀土壤(2份)，裝進(jìn)大小為30 cm×10 cm×20 cm的有機玻璃盒中，另用環(huán)刀取60個土樣，同時取部分均勻土壤裝進(jìn)自封袋內(nèi)用于測定原狀土初始含水率、土壤有機質(zhì)和pH值等物理性質(zhì)指標(biāo)。

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)試驗需求，配置土壤含水率梯度為初始含水率(低含水率，6.5%，Lw)和50%田間含水率(高含水率，17%，Hw)的土樣，靜置24 h。將配置好的土樣放入凍融機內(nèi)進(jìn)行凍融試驗。依據(jù)冬春季晝夜溫度將凍融強度設(shè)置為-15～25 ℃(FTI1)和-5～25 ℃(FTI2)，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0(對照)、1、3、5次，即每次凍融循環(huán)在-15 ℃或-5 ℃溫度下凍結(jié)6 h，25 ℃溫度下融化6 h，每次實驗重復(fù)3次。試驗設(shè)計如表1所示。

1.4 數(shù)據(jù)獲取及分析方法

土壤飽和導(dǎo)水率測定采用定水頭一維土柱入滲法(LY/T 1218-1999《森林土壤滲透性的測定》)，依據(jù)原理為達(dá)西定律換算，得到飽和導(dǎo)水率ks，如式(1)～式(2)所示：

(1)

式中：ks為飽和導(dǎo)水率，cm/s；V為滲透速度，mm/min；L為土層厚度，cm；h為水層厚度，cm。

(2)

式中：Qn為第n次滲出的水量，ml；tn為間隔時間，min；s為環(huán)刀橫截面積，cm2。

含水量和容重分別采用烘干法和環(huán)刀法測定，孔隙度利用土壤容重計算[14]，如式(3)所示：

ρ=93 947-32 995γ

(3)

式中：ρ為土壤孔隙度；γ為土壤容重，g/cm3。

土壤團聚體含量采用濕篩法，利用土壤平均質(zhì)量粒徑(MWD)描述[15]，如式(4)所示：

(4)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件，繪圖采用Excel 2007。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用下草甸土容重、孔隙度的變化特征

2.1.1 凍融強度對草甸土容重、孔隙度的影響

凍融的實質(zhì)是土壤水的凍結(jié)與融化，以往研究表明不同含水率土壤經(jīng)歷凍融作用后土壤容重、孔隙度均有顯著變化。

如圖1、圖2所示，與對照組相比凍融強度對土壤容重、孔隙度并沒有產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。凍融強度對土壤容重、孔隙度的影響幅度均有減小的趨勢，表現(xiàn)為土壤容重和孔隙度與對照組相比均呈現(xiàn)逐級遞減的減小趨勢，F(xiàn)TI1較FTI2作用明顯，且高含水率土壤更易受凍融強度影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是土體經(jīng)歷凍融過程，改變了土體內(nèi)原有顆粒之間的固有排列，土體內(nèi)顆粒的重新分布與排列使土壤呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，導(dǎo)致土壤容重減小，孔隙度增加。而凍融強度越大，即凍結(jié)溫度越低、凍結(jié)時間越長，土體所受的機構(gòu)破壞程度也越重，土壤容重減小的越明顯[16]。土壤含水率只有達(dá)到一定界限后，才有凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生[17]，而低含水率土壤相對于高含水率土壤因為含水量較少，所以在液態(tài)水凍結(jié)成固態(tài)水體積變大的過程中，凍融作用對土壤造成的變形效應(yīng)較弱，即含水率較低時凍融強度作用差異不明顯。另外，土壤經(jīng)歷凍融作用后土壤容重、孔隙度均沒有達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著差異水平的原因也可能是試驗用土為原狀土，土體內(nèi)有植物根系和堿格子的存在，在一定程度上起到了緩沖作用，因此變化相對較小。

圖1 凍融作用對草甸土容重的影響

圖2 凍融作用對草甸土孔隙度的影響

2.1.2 凍融循環(huán)次數(shù)對草甸土容重、孔隙度的影響

凍融過程中，土壤結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)次數(shù)影響顯著，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其影響逐漸趨于穩(wěn)定，其中大多數(shù)研究結(jié)果表明：土壤經(jīng)歷5～7次凍融循環(huán)后，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定[18]。由圖1和圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤容重和孔隙度分別呈現(xiàn)出減小和增大的趨勢，且減小和增大的幅度越來越小，容重和孔隙度均趨于穩(wěn)定值，與以往研究結(jié)果一致[19]，但均沒有達(dá)到統(tǒng)計學(xué)顯著差異水平(P>0.05)。

低含水率土壤經(jīng)過3次凍融循環(huán)時土壤容重最低而土壤孔隙度最大，其中FTI1和FTI2土壤容重分別減少了0.0551 g/cm3和0.0465 g/cm3，而土壤孔隙度分別增加了0.8185和1.5327；高含水率土壤經(jīng)過5次凍融循環(huán)時土壤容重最低而孔隙度最大，其中FTI1和FTI2土壤容重分別減少了0.1389 g/cm3和0.1116 g/cm3，而土壤孔隙度分別增加了4.5822和3.6818。與低含水量土壤相比高含水量土壤容重減小幅度更大。這是因為土壤含水量越高，凍結(jié)時間就越長，土壤所受凍融作用就越強烈。因此，容重和孔隙度的變化幅度較大。

2.2 凍融作用下土壤團聚體穩(wěn)定性變異特征

2.2.1 凍融強度對草甸土團聚體穩(wěn)定性的影響

如表2所示，凍融強度和土壤含水率對土壤團聚體穩(wěn)定性均有顯著影響(P<0.05)。

表2 凍融作用對草甸土團聚體穩(wěn)定性影響的

由圖3可知，土壤經(jīng)歷凍融作用后，土壤團聚體平均重量粒徑(MWD)減小，且FTI1較FTI2作用明顯。土壤團聚體穩(wěn)定性不僅受外界因素影響，與自身性質(zhì)也密切相關(guān)。如圖3所示，相對于低含水率土壤，高含水率土壤受凍融作用更明顯，表現(xiàn)為土壤MWD明顯偏小，即土壤團聚體穩(wěn)定性降低。

圖3 凍融作用對草甸土團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤在經(jīng)歷凍融作用之前，土壤MWD為0.127。經(jīng)歷凍融作用后，低含水率時，土壤MWD的平均值在FTI1和FTI2條件下分別降低了14.03%和2.60%；高含水率時，土壤MWD的平均值在FTI1和FTI2條件下分別降低了14.03%和5.26%。其原因主要是土壤凍結(jié)時土壤孔隙中冰晶的擴張減弱了顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，破壞土壤團聚體穩(wěn)定性，凍融交替作用有效的將土壤大團聚體破碎成小團聚體或細(xì)小顆粒，使土壤顆粒組成發(fā)生變化。相對于較高的凍結(jié)強度，較低的凍融強度更容易降低土壤團聚體穩(wěn)定性，與Oztas等人研究結(jié)果一致。

2.2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對草甸土團聚體穩(wěn)定性的影響

如表2所示，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤團聚體穩(wěn)定性有顯著影響(P<0.05)。土壤MWD隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加顯著減小，3～5次凍融循環(huán)時基本趨于穩(wěn)定，與以往研究結(jié)果一致[20]。

由圖3可以看出，F(xiàn)TI1和FTI2條件下土壤MWD分別在第5次和第3次凍融循環(huán)時趨于穩(wěn)定，且1～3次凍融循環(huán)時土壤團聚體穩(wěn)定性變化趨勢明顯，與Formanek等人研究結(jié)果一致[21]，說明凍結(jié)溫度越低，土壤團聚體穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定所需凍融循環(huán)次數(shù)越多。其主要原因是凍結(jié)溫度越低，土壤凍脹越嚴(yán)重，土壤團聚體結(jié)構(gòu)所受破壞也就越嚴(yán)重，土壤融化時土壤團聚體不能及時吸收周圍水分以及小顆粒聚集成原團聚體大小，因此需要較多次的凍融循環(huán)才能夠使土壤團聚體穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。

2.3 凍融作用下草甸土飽和導(dǎo)水率的變化特征

2.3.1 凍融強度對草甸土飽和導(dǎo)水率的影響

如表3所示，凍融強度和土壤含水率對土壤飽和導(dǎo)水率均有顯著影響(P<0.05)。由圖4可以看出，土壤經(jīng)歷凍融作用后，土壤飽和導(dǎo)水率顯著增加，與以往研究結(jié)果一致[22-23]。

低含水率時，雖然FTI1和FTI2都使土壤飽和導(dǎo)水率增大，但二者影響差距不大，對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生的效果接近；高含水率時，F(xiàn)TI1和FTI2同樣使土壤飽和導(dǎo)水率增大，但二者之間卻有明顯差距。FTI1對土壤飽和導(dǎo)水率的影響更顯著，土壤飽和導(dǎo)水率增加的幅度更大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是土壤經(jīng)歷凍融的過程中，由于凍脹和融沉導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)大孔隙或結(jié)構(gòu)裂隙[24]，而土壤含水率越高、凍結(jié)強度越大，土壤所受凍脹作用也就越嚴(yán)重。融沉過程中，土壤無法在短時間內(nèi)恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率增大。

2.3.2 凍融循環(huán)次數(shù)對草甸土飽和導(dǎo)水率的影響

如表3所示，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤飽和導(dǎo)水率有顯著影響(P<0.05)。由圖4可知，土壤飽和導(dǎo)水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。鄧西民[22]研究凍融作用對犁底層土壤飽和導(dǎo)水率的影響時，也得到一致結(jié)論。

土壤飽和導(dǎo)水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且高含水率增大幅度明顯高于低含水率。高含水率時土壤飽和導(dǎo)水率雖然較小，但經(jīng)歷凍融作用后，隨著凍融循環(huán)的增加，土壤飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)出較前一次凍融循環(huán)明顯增大的趨勢。其中經(jīng)過5次凍融循環(huán)后FTI1和FTI2條件下土壤飽和導(dǎo)水率分別增加了115.60%和97.06%。導(dǎo)致上述變化的原因是，凍融作用改變了土壤的結(jié)構(gòu)，小孔隙變粗大，甚至可能出現(xiàn)裂隙，土體變得疏松，使?jié)B透性能增強，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤飽和導(dǎo)水率逐漸增大，最后基本上趨于一個穩(wěn)定值。相同凍融作用條件下，土壤含水率對土壤飽和導(dǎo)水率影響顯著，如表3所示。表現(xiàn)為土壤飽和導(dǎo)水率隨著土壤含水率增大而明顯減小，這主要是因為凍融過程中，凍融作用破壞了土壤顆粒之間的固有結(jié)構(gòu)，土壤大團聚體破碎成細(xì)小顆粒，填充并堵塞部分土壤孔隙，使得土體內(nèi)部孔隙度減小，水分在土體內(nèi)的流通性能降低，最后造成土壤導(dǎo)水特性減小，土壤飽和導(dǎo)水率降低。

表3 凍融作用對草甸土飽和導(dǎo)水率影響的

圖4 凍融作用對草甸土飽和導(dǎo)水率的影響

以上結(jié)果表明，凍融作用與土壤物理特性變化有緊密聯(lián)系，松嫩平原草甸土在冬春與秋冬交替之際受凍融作用影響土壤物理特性發(fā)生頻繁改變，土壤容重減小孔隙度增大，結(jié)構(gòu)在一定程度上得到改善，且土壤飽和導(dǎo)水率也相對增大，這說明凍融作用有利于該區(qū)土壤水鹽運移，但實際上，松嫩平原草甸土鹽堿化嚴(yán)重，土壤表層以下普遍存在堿格子，地表植被退化，甚至出現(xiàn)大面積的堿斑，土地生產(chǎn)力下降，土壤侵蝕嚴(yán)重[25]。這可能與該區(qū)多風(fēng)少雨的氣候條件有關(guān)，針對該現(xiàn)象可以采取秸稈覆蓋方式蓄水保土，同時適當(dāng)減少放牧。本研究結(jié)果表明，土壤容重、孔隙度和土壤團聚體在經(jīng)過5次凍融循環(huán)時基本趨于穩(wěn)定，但土壤飽和導(dǎo)水率仍隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，因此還需增加凍融循環(huán)次數(shù)驗證其臨界值。另外，本研究所用土壤內(nèi)含有植物根系，其在凍融實驗中所起到的作用并沒有明確的分析，因此在野外觀測調(diào)查中，此問題還有待解決。

3 結(jié) 論

(1)凍融作用改變土壤容重，進(jìn)而改變土壤孔隙度。凍融作用減小土壤容重，增大土壤孔隙度，且FTI1較FTI2作用明顯；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤容重和孔隙度減小和增大的幅度越來越小，容重和孔隙度逐漸趨于穩(wěn)定值。低含水率土壤經(jīng)過3次凍融循環(huán)時土壤容重最低而土壤孔隙度最大，高含水率土壤經(jīng)過5次凍融循環(huán)時土壤容重最低而孔隙度最大；相同凍融條件下，高含水率時土壤更易受凍融強度影響。

(2)凍融強度、凍融循環(huán)次數(shù)和土壤含水率對土壤團聚體穩(wěn)定性均有顯著影響(P<0.05)。土壤經(jīng)歷凍融作用后，土壤團聚體平均重量粒徑(MWD)減小，相對于FTI2，F(xiàn)TI1更容易降低土壤團聚體穩(wěn)定性；FTI1和FTI2條件下土壤團聚體MWD隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加顯著減小，經(jīng)過5次凍融循環(huán)和3次凍融循環(huán)時基本趨于穩(wěn)定，說明凍結(jié)溫度越低，土壤團聚體穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定所需凍融循環(huán)次數(shù)越多；土壤團聚體穩(wěn)定性不僅受外界因素影響，與自身性質(zhì)也密切相關(guān)，高含水率土壤受凍融作用更明顯。

(3)凍融強度、凍融循環(huán)次數(shù)和土壤含水率對土壤飽和導(dǎo)水率均有顯著影響(P<0.05)。土壤經(jīng)歷凍融作用后，土壤飽和導(dǎo)水率顯著增加。低含水率時，F(xiàn)TI1和FTI2對土壤飽和導(dǎo)水率的影響差距不大，高含水率時FTI1對土壤飽和導(dǎo)水率的影響更顯著，土壤飽和導(dǎo)水率增加的幅度更大；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤飽和導(dǎo)水率逐漸增大，高含水率時增幅明顯較大；土壤初始含水率對土壤飽和導(dǎo)水率影響明顯，隨著土壤含水率增大，土壤飽和導(dǎo)水率明顯減小。