凍融條件下東北地區(qū)3 種土壤抗剪強度差異性分析

范昊明，遲靜怡，周麗麗，武 敏，程 龍

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院/遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，沈陽 110161）

土壤凍融與徑流等外力共同作用可造成嚴重的土壤侵蝕[1]，由于特殊的氣候條件，春季解凍期在雨水和融雪的雙重作用下，我國東北地區(qū)表層解凍的土壤更易發(fā)生侵蝕[2]。 凍土層阻礙降雨和融雪水的入滲，由此產(chǎn)生的地表徑流具有剝蝕和分離土壤表面顆粒的潛力[3]。 凍融作用可以改變土壤的物理性質(zhì)，如土壤容重和孔隙度[4]、滲透性[5]、團聚體穩(wěn)定性[6]和抗剪強度[7-9]等，進一步增加土壤的可蝕性[10]。凍融循環(huán)增加土壤水勢梯度，降低飽和狀態(tài)下土壤的抗剪強度[11]。 土壤抗剪強度是土體抵抗剪切破壞的極限強度，是衡量土壤可蝕性的重要指標，通常用土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角來表征土壤的抗剪強度[12]。 凍融作用對土壤抗剪強度的影響因素包括土壤質(zhì)地、初始團聚體組成、孔隙條件等內(nèi)在因素，以及土壤含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、凍融溫度等外部因素[13]。其中，凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對土壤抗剪強度有顯著影響[14-17]。 凍融循環(huán)會導(dǎo)致土壤團聚體分裂，孔隙連通擴大，土壤顆粒重新組合[5-6，18]，從而導(dǎo)致土壤從一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)。 凍融循環(huán)次數(shù)的增加對土壤強度有減弱作用[19]。本研究以東北地區(qū)常見的3 種土壤為研究對象，進行室內(nèi)凍融模擬試驗，揭示了東北地區(qū)3 種土壤在凍融循環(huán)次數(shù)和含水量條件下的抗剪強度變化，并從土壤性質(zhì)出發(fā)，分析和討論引起3 種土壤抗剪強度差異的原因。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

本試驗用土為棕壤、白漿土和黑土，分別采自遼寧省沈陽市東陵區(qū)天柱山沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)蠶場與油松交界處（41°49′45″N，123°34′03″H）、吉林省梅河口市與遼寧省清原市草市鎮(zhèn)交界處（42°16′08″N，42°17′58″H）和黑龍江省北安市二井子鎮(zhèn)長水河農(nóng)場附近（48°21′11″N，126°33′23″H）。 采集土樣時，首先清除取樣區(qū)域地表的野草和雜質(zhì)，選取0～20cm 深的表層土壤，采用比重計法測定土壤的機械組成，環(huán)刀法（環(huán)刀容積為100cm3）測定土壤容重、孔隙度和飽和含水量，相關(guān)參數(shù)見表1。 3 種土壤所處區(qū)域的氣候條件見表2。

表1 3 種土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the three soils

表2 3 種土壤取樣區(qū)域的氣候條件Table 2 Climate conditions in three soil sampling areas

1.2 土樣制備和凍融循環(huán)處理

將采集的土壤風(fēng)干，過5mm 篩，剔除植物根系和雜物后備用。 將過篩的土樣填充到尺寸為70cm×20cm×10cm 的定制鐵皮槽中。 為保證填土的均勻性，按照每層5cm 分4 層填入鐵皮槽中，分層壓實達到實測容重（棕壤 1．35g·cm-3，白漿土 1．25g·cm-3，黑土 0．90g·cm-3）。 在每層的交界面進行打毛處理，確保土體之間的自然結(jié)合。由于融雪效應(yīng)，春季解凍期的土壤含水量相對較高。 黑土的飽和含水量高于白漿土和棕壤（表1），為了對3 種土壤性質(zhì)進行橫向比較，試驗設(shè)計土壤含水量為200，300，400g·kg-1共3 個水平。測量風(fēng)干土樣的含水量，計算達到設(shè)定含水量所需的水量，用噴壺均勻噴于土壤表面，用保鮮膜密封18h，確保土樣含水量均勻。 凍融循環(huán)試驗由可調(diào)控溫度的凍融機實現(xiàn)，控制精度為0．1℃。 根據(jù)研究區(qū)氣象資料，設(shè)置凍融溫度為-25～5℃。 試驗采用12h 凍結(jié)、12h 融化的緩慢凍結(jié)方式，凍融循環(huán)周期為 0，1，3，5，7，10 次。 分別取出達到設(shè)定凍融循環(huán)的試驗土樣，進行抗剪強度測定。

1.3 土壤抗剪強度的測定

抗剪強度試驗采用手動應(yīng)變控制式直剪儀（南京土壤儀器廠生產(chǎn)），對土樣進行不固結(jié)不排水、快剪試驗。試驗土樣的制備和直剪試驗嚴格按照土工試驗方法標準（GB/T50123-1999）[20]進行。 試驗環(huán)刀直徑為61．8mm，高為 20mm，垂直應(yīng)力設(shè)定 100，200，300，400kPa 共 4 個水平，試驗剪切速率為 0．8mm·min-1。 直剪試驗開始前，對垂直壓力桿進行調(diào)平，在剪切盒剪切面上涂抹潤滑油，將試驗土樣放入剪切盒內(nèi)，調(diào)試儀器加載垂直壓力，記錄手輪的初始位置和百分表的初始讀數(shù)，打開儀器開關(guān)進行試驗，記錄手輪每旋轉(zhuǎn)一圈的百分表度數(shù)，直至試驗土樣破壞停止試驗。 通常試驗在3～5min 內(nèi)完成，讀取并記錄峰值，試驗土樣所受抗剪強度τf按式（1）計算[21]：

式中：τf為土壤抗剪強度（kPa）；R 為量力環(huán)測表的讀數(shù)（0．01mm）；C 為量力環(huán)校正系數(shù)；A0為試驗樣品受力面積（cm2）；10 為單位換算系數(shù)。

依據(jù)庫倫定律公式（2）計算抗剪強度指標黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ[22]。

式中：τf為土壤的抗剪強度（kPa）；C 為土壤的黏聚力（kPa）；φ 為土壤的內(nèi)摩擦角(°)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Hxcel 2010 和SPSS 22．0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用Pearson 法對不同凍融循環(huán)次數(shù)和含水量條件下3 種土壤黏聚力及其影響因素進行相關(guān)性分析。 利用Origin 2018 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對3 種土壤黏聚力的影響

由圖1 可知，3 種土壤黏聚力對凍融循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)表現(xiàn)出一致的變化趨勢， 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤黏聚力先減小，經(jīng)過3～5 次凍融循環(huán)后，均趨于穩(wěn)定。 與未凍融時土壤黏聚力相比，棕壤黏聚力平均減小54．29%；白漿土減小35．19%；黑土減小31．77%。 由此可以發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)作用對黑土影響最強烈，白漿土次之，棕壤最小。3 種土壤黏聚力隨含水量的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢。白漿土和棕壤的黏聚力隨著含水量的增加而減小， 與 200g·kg-1含水量相比， 含水量為 400g·kg-1時的土壤黏聚力分別減小 77．34%～97．88%和 61．04%～96．77%，平均減小88．99%和76．67%。而黑土的黏聚力隨著含水量的增加先減小后增大。與200g·kg-1含水量相比，當含水量升高到300g·kg-1時，黏聚力平均減小25．73%；當含水量達到400g·kg-1時，黏聚力平均增大144．75%。這一結(jié)果與COKCA 等[23]的結(jié)論一致，在試驗條件下，黑土的含水量接近最佳含水量，故黏聚力呈上升趨勢。 由圖1a 可知，棕壤黏聚力的變化主要反映在前3 次凍融循環(huán)中，然后達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 含水量為300g·kg-1和400g·kg-1的棕壤在1 次凍融循環(huán)過后略有增加，然后開始減小，3 次循環(huán)過后趨于穩(wěn)定。隨著含水量的增加，棕壤的黏聚力表現(xiàn)出降低的趨勢。 由圖1b 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，白漿土表現(xiàn)出與棕壤大致相同的變化規(guī)律，但白漿土的穩(wěn)定時間比棕壤早。 白漿土和棕壤的黏聚力均隨含水量的增加而降低，但白漿土黏聚力的變化范圍大于棕壤。當白漿土的含水量為 200g·kg-1時，黏聚力為 20～30kPa，含水量為 300g·kg-1時為 5～10kPa，在含水量為 400g·kg-1時為 0～5kPa；而棕壤的含水量為 200g·kg-1時，黏聚力為 10～15kPa，含水量為 300g·kg-1時為4～7kPa，含水量為400g·kg-1時為0～5kPa，這表明白漿土比棕壤更敏感，其黏聚力對含水量的響應(yīng)更劇烈。對比圖1a～圖1c 可知，黑土黏聚力對凍融循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)規(guī)律與上述2 種土壤大致相同，只是穩(wěn)定時間延遲到5 次循環(huán)后。 隨著含水量的增加，黑土的變化規(guī)律不同于白漿土和棕壤，其黏聚力呈現(xiàn)先減小后逐漸增大的趨勢。 白漿土在含水量為200g·kg-1和300g·kg-1時，在凍融前后土壤的黏聚力高于黑土和棕壤。 隨著含水量增加到400g·kg-1，黑土的黏聚力高于白漿土和棕壤。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對3 種土壤黏聚力影響Figure 1 Effects of different freeze-thaw cycles and moisture contents on soil cohesion of three soils

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對3 種土內(nèi)摩擦角的影響

由圖2 可知，凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對土壤內(nèi)摩擦角影響很小。 土壤內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)和含水量的變化呈現(xiàn)波動變化。 當含水量為200g·kg-1時， 棕壤內(nèi)摩擦角從未凍土的10．4°增加到10 次循環(huán)過后的12．1°；白漿土內(nèi)摩擦角從未凍土的 14．4°減小到 11．9°；黑土內(nèi)摩擦角從 15．8°減小到 12．8°。 當含水量為 300g·kg-1和 400g·kg-1時，與未凍融時相比，3 種土壤內(nèi)摩擦角的減小都在 1°～2°。 對比圖 2a～圖 2c 可知，3 種土壤內(nèi)摩擦角并沒有很大的差距，并沒有出現(xiàn)3 種土壤間黏聚力差別較大的規(guī)律。 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表層土壤水分堆積，使得土顆粒之間的作用力減小，大孔隙數(shù)量減少，土壤顆粒之間的接觸增多，使得整個過程中，土壤內(nèi)摩擦角對凍融循環(huán)次數(shù)和含水量的響應(yīng)較小。由于凍融作用使得表層含水量增加，3 種土壤均處于高含水條件下，其內(nèi)摩擦角并未表現(xiàn)出較大差異。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對3 種土壤內(nèi)摩擦角影響Figure 2 Effects of different freeze-thaw cycles and moisture contents on soil internal friction angle of three soils

2.3 不同凍融條件下3 種土壤黏聚力及其影響因素的相關(guān)性

由表3 可知， 在整個凍融過程中，3 種土壤的含水量與土壤孔隙度和黏聚力之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（p＜0．01）。 棕壤與白漿土的黏聚力與含水量具有極顯著負相關(guān)，和土壤孔隙度具有極顯著正相關(guān)。 而黑土黏聚力與含水量和土壤孔隙度的相關(guān)性不同，土壤黏聚力與含水量極顯著正相關(guān)，與土壤孔隙度極顯著負相關(guān)。 凍融循環(huán)次數(shù)與3 種土壤的黏聚力之間存在負相關(guān)關(guān)系，但未達到統(tǒng)計水平。 這表明在整個凍融過程中，含水量和土壤孔隙度的變化是導(dǎo)致黑土黏聚力不同于其他2 種土壤的主要原因，土壤含水量對土壤結(jié)構(gòu)的響應(yīng)極大，導(dǎo)致土壤孔隙結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生改變，從而影響土壤的抗剪強度。

表3 3 種土壤黏聚力與其影響因素的相關(guān)性系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between soil cohesion and its influencing factors

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在凍融作用下，3 種土壤的黏聚力存在較大差異。 在自然條件下的凍融過程中，隨著溫度的降低，土壤表層的熱量開始流失。 當流失的熱量足夠大時，土壤中的水開始結(jié)冰。 在含水量較低的土壤中，冰晶只會生長在土壤孔隙中，而在含水量較高的土壤中，會產(chǎn)生更多的冰晶來填充土壤的孔隙，孔隙體積的膨脹會對土壤顆粒施加壓力，從而擠壓土壤變形[24]。 在反復(fù)的凍融過程中，凍結(jié)階段孔隙體積的膨脹會加劇土壤的破碎和開裂，而解凍階段土體骨架的坍塌會破壞土體顆粒之間的膠結(jié)作用，導(dǎo)致土體發(fā)生位移，土壤黏聚力降低。然而當含水量為300g·kg-1和400g·kg-1時，棕壤和白漿土在1 次凍融循環(huán)后，出現(xiàn)了小幅度的增加。這表明含水量對棕壤和白漿土黏聚力的影響可能存在一個最佳值，使得土壤黏聚力升高[25]。這可能與土壤孔隙的大小和形狀以及土壤質(zhì)地有關(guān)。 當其他外界條件一致時，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤黏聚力的擾動是有限度的，并且擾動的程度大部分是在前3～5 次凍融循環(huán)中完成的。 試驗土樣是重塑土，盡管仍具有一定的結(jié)構(gòu)性，反復(fù)的凍融作用會導(dǎo)致團聚體分裂和土壤結(jié)構(gòu)凍脹破壞。但由于試樣較小，結(jié)構(gòu)性的表現(xiàn)相對微弱，降低幅度也不十分明顯，從而表現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。 土壤含水量對凍融過程有較大影響，隨著含水量的增加，3 種土壤黏聚力表現(xiàn)出不同的變化趨勢。 土壤水勢梯度的變化導(dǎo)致土壤水分從未凍土向凍土遷移，土壤水分在凍結(jié)鋒面聚集凝結(jié)，使表層土壤含水量升高，土顆粒在外力作用下更易發(fā)生相對位移，未凍土和凍土的黏聚力均隨著土壤含水量的增加而減小。 黑土屬于半水成土，與其他2 種土壤相比，自然含水量和飽和含水量較高，在含水量200g·kg-1～300g·kg-1時，黑土結(jié)構(gòu)松散，故而黏聚力較低。 在含水量為400g·kg-1時，土壤孔隙度隨著凍融過程明顯增加，孔隙數(shù)量明顯減少，由于水與冰的相變過程，土壤中部分孔隙相互連通，表層水分積累，使得黑土的含水量接近飽和含水量，增強了土顆粒的牽引作用，黏聚力升高。

對比3 種土壤黏聚力的變化特征，可以發(fā)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地的差異是凍融循環(huán)條件下3 種土壤抗剪強度差異的主要原因。這些性狀在棕壤、白漿土和黑土中的不同作用，使得3 種土壤在凍融條件下的抗剪強度不同，從而影響春季解凍期土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展。土壤質(zhì)地和含水量是棕壤和白漿土黏聚力差異的主要原因，而獨特的團聚體結(jié)構(gòu)和孔隙特征是黑土黏聚力變化的重要原因。 白漿土的成土母質(zhì)主要是第四紀河湖粘土沉積物[26]，粘粒含量高達53．3%，質(zhì)地粗糙，受季節(jié)性凍層影響，使得白漿土透水性差。此外，高粘粒含量的土壤，以粘粒作為接觸介質(zhì)，逐漸從點接觸過渡到面接觸。 顆粒間的膠結(jié)作用不斷增強，使得破壞膠結(jié)作用所需的最小外部應(yīng)力隨之增大，從而表現(xiàn)出較大的黏聚力。因此，非飽和條件下白漿土的黏聚力高于其他土壤。隨著含水量增加到400g·kg-1，頻繁的凍融作用使得表層白漿土達到飽和狀態(tài)（321．3g·kg-1），土壤質(zhì)地偏液態(tài)，因此未凍土的黏聚力很低。 棕壤屬于輕壤土且飽和含水量很?。?78．9g·kg-1），使其在高含水量條件下與白漿土具有相似的變化規(guī)律，在此條件下的含水量接近黑土的飽和含水量（557．6g·kg-1），此時土壤質(zhì)地粘重，土顆粒間的牽引作用增強，導(dǎo)致高含水量條件下黑土的黏聚力高于白漿土和棕壤。 黑土是一種在溫帶濕潤氣候草甸植被下形成的腐殖質(zhì)層較深的土壤，富含有機質(zhì)、孔隙度高。 200～300g·kg-1含水量條件下，黑土黏聚力呈現(xiàn)出與前兩種土壤相同的變化趨勢，即隨著凍融作用的增強，土壤內(nèi)部團聚體結(jié)構(gòu)被破壞，土壤穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致土壤的黏聚力呈下降趨勢[27]；當含水量為400g·kg-1時，土壤黏聚力明顯增加，這是由于土壤表層水分的堆積，增加了土壤顆粒之間水膜的潤滑作用，使得土顆粒周圍的分子膜引力增大，進一步增強了對土壤顆粒的牽引作用[28]。 同時凍融作用大幅度增加了土壤的孔隙度，導(dǎo)致土壤顆粒間水膜相對變薄，增加了土壤顆粒間的摩擦阻力，提高了土壤的黏聚力[23]。綜上所述，土壤質(zhì)地與含水量的共同作用是導(dǎo)致凍融循環(huán)過程中棕壤和白漿土黏聚力差異的主要因素，而獨特的團聚體結(jié)構(gòu)和孔隙特征是導(dǎo)致黑土黏聚力變化的重要原因。

在凍融過程中，土壤大孔隙的比例隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，土壤顆粒間接觸點的增多使得土壤的內(nèi)摩擦角增加；此外，反復(fù)的凍結(jié)-融化過程增加了土壤表層的含水量，土壤中非水穩(wěn)性膠結(jié)鍵在水分作用下弱化斷裂，導(dǎo)致土壤內(nèi)摩擦角減小。 上述兩種相反的效應(yīng)導(dǎo)致凍融后內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出波動的變化特征[29]。 春季解凍期，土壤表層含水量長期處于飽和狀態(tài)，土壤孔隙增多，出現(xiàn)連通現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤疏松、摩擦減弱，使得凍融循環(huán)次數(shù)和含水量對3 種土壤內(nèi)摩擦角的影響遠不如黏聚力顯著。因此，高含水量是東北3 種土壤春季內(nèi)摩擦角變化遠不如黏聚力的主要原因。凍融作用可以改變土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及表面的含水情況。使得3 種土壤的黏聚力，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，先減小后趨于穩(wěn)定。 與未凍融時相比，3 種土壤黏聚力平均減小54．29%，35．19%，31．77%。 3 種土壤對含水量的響應(yīng)有一定的差異，即隨著初始含水量的升高，白漿土和棕壤的黏聚力呈下降趨勢，平均減小88．99%和76．67%；而黑土黏聚力則表現(xiàn)出“V”型變化，黏聚力先降低25．73%后升高144．75%。土壤內(nèi)摩擦角對凍融循環(huán)次數(shù)和含水量的響應(yīng)程度較小，呈現(xiàn)波動變化。 土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地的差異是凍融循環(huán)條件下3種土壤抗剪強度差異的主要原因。 土壤質(zhì)地和含水量是棕壤和白漿土黏聚力差異的主要原因，而獨特的團聚體結(jié)構(gòu)和孔隙特征是黑土黏聚力變化的重要原因。 高含水量是東北3 種土壤內(nèi)摩擦角變化遠不如黏聚力的主要原因。 分析引起3 種土壤抗剪強度差異的原因，可以為闡明解凍期土壤侵蝕機理，解凍期土壤侵蝕預(yù)測模型構(gòu)建，以及東北地區(qū)耕地保護與地力提升等奠定理論基礎(chǔ)。