交替凍融對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響

魏 寧, 魏 霞, Huang Chihua

(1.西北農(nóng)林科技大學 理學院, 陜西 楊陵 712100; 2.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000; 3.Agronomy Dep., Purdue Univ., and USDA-ARS National Soil Erosion Research Lab., 275S Russell St, West Lafayette, IN 47907-2077,USA)

凍融是指土層由于溫度降到0℃以下和升至0℃以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象[1-2]。土壤的凍結(jié)和融化實質(zhì)是土壤水的凍結(jié)和融化，即土壤中水分相態(tài)的變化過程。交替凍融指的是由于季節(jié)或晝夜熱量變化在凍土表層及以下一定深度形成的反復凍結(jié)——融化的土壤過程，它作為一種自然現(xiàn)象普遍存在于高緯度、高海拔地區(qū)以及大多中緯度地區(qū)。交替凍融對土壤物理性質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在水與冰轉(zhuǎn)化過程中體積脹縮對土壤團聚結(jié)構(gòu)的破壞。交替凍融對土壤物理性質(zhì)的影響主要取決于交替凍融的速率、交替凍融溫度、土壤含水率、土壤容重和交替凍融循環(huán)的次數(shù)等[3]。研究表明，交替凍融作用下土壤理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等均會發(fā)生改變，使土壤更容易成為侵蝕的物質(zhì)來源，進而加劇土壤侵蝕程度[3-8]。既然交替凍融作用破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)，降低土壤的團聚體穩(wěn)定性[8-15]，那么必然會影響到土壤的臨界剪切力和土壤細溝可蝕性，進而影響土壤侵蝕量。眾所周知，土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性是表征土壤抗侵蝕能力的兩個重要參數(shù)，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的易損性和敏感性，是影響土壤流失量的內(nèi)在因素和定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)[16-23]。然而，目前有關(guān)凍融的研究主要集中在交替凍融作用對土壤團聚體穩(wěn)定性[8,10-12]、土壤容重[13-14]、土壤抗沖性等[15]方面，對凍融作用影響下的土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性這兩個參數(shù)的研究較少涉及。鑒于此，本文利用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗和變流量放水沖刷試驗，研究凍融作用影響下土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的變化特征，旨在揭示交替凍融作用影響下土壤自身抗侵蝕能力的兩個重要參數(shù)——土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的變化趨勢與規(guī)律，為凍融作用影響下土壤侵蝕的預報提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

本試驗是在美國農(nóng)業(yè)部土壤侵蝕國家重點實驗室進行。供試土壤取自美國印第安納州西拉法葉普渡大學動物科學研究和教育中心(87°00′54″W，40°29′24″N)的表層土壤(0—10 cm)，供試土壤>0.05,0.05～0.002，<0.002 mm的粒徑質(zhì)量百分比為14%，66%，20%。將采集的土壤剔除植物根系和雜物后自然風干，然后過5 mm篩，配置成試驗設(shè)計的土壤質(zhì)量含水率(10%和20%)，放置在凍融循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)中進行交替凍融循環(huán)，將滿足凍融循環(huán)周期設(shè)計的土壤再次風干，作為試驗用土備用。凍融循環(huán)試驗的最高溫度為4℃，最低溫度為-12℃，交替凍融的溫度變化速率分別是-12℃/24 h和4℃/24 h，凍融循環(huán)的周期為1，3,6。該凍融循環(huán)格局(溫度、溫度的變化速率、凍融循環(huán)周期等)的設(shè)計與該土壤所在地區(qū)的主要交替凍融方式相符合。

試驗土槽[22-23]尺寸為3個0.5 m×0.045 m×0.13 m底部開孔的土槽，每個土槽的兩端有一個“V”型通道。裝土前，在土槽下部鋪填一層0.08 m厚的天然砂礫，以保持試驗土的透水狀況接近天然坡面，再在天然沙層上鋪設(shè)一層粗纖維，然后裝填試驗用土，試驗用土的厚度為0.05 m，試驗設(shè)計坡度3%。具體試驗處理見表1，除此之外，為了保證降雨前期土壤初始含水率一致，以不經(jīng)受任何凍融作用的風干土為參照試驗(CK)進行對照。

表1 試驗處理

1.2 變流量人工放水沖刷試驗

小流量的情況下，徑流剪切力小于土壤抗侵蝕的臨界剪切力，幾乎不會發(fā)生土壤侵蝕，當土壤表面徑流的強度增加時，徑流剪切力增加，當超過土壤臨界剪切力時就會產(chǎn)生侵蝕。因此依據(jù)土壤臨界剪切力出現(xiàn)的實際，本試驗設(shè)計從小流量向大流量依次梯度變化。沖刷試驗采用逐漸增大流量的方法進行，在穩(wěn)流水箱與沖刷試驗槽之間安裝小型流量計進行流量控制。試驗過程中，總共有100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,700 ml/min 12個梯級流量。試驗過程中每分鐘接取一個徑流樣品，每種流量下接取3個徑流樣品。沖刷方式為連續(xù)沖刷。

試驗結(jié)束后，將試驗徑流樣品稱重，加入飽和明礬溶液沉淀24 h，然后倒掉上清液，將倒掉清液的徑流泥沙樣放進烘箱，105℃烘24 h，等徹底干燥后，取出稱重，計算徑流泥沙樣品。根據(jù)土壤侵蝕率和水流剪切力的關(guān)系確定土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性。

1.3 土壤臨界剪切力、細溝可蝕性的確定

土壤臨界剪切力計算公式如下[24-26]：

Dr=Kr(τ-τc)

(1)

式中:Dr為土壤分離能力[kg/(m2·s)];Kr為土壤細溝可蝕性(s/m);τ為水流剪切力(Pa);τc為土壤臨界剪切力(Pa)。

水流剪切力計算公式如下[27-28]：

τ=ρgHS

(2)

式中:τ為水流剪切力(Pa);ρ為水的密度(kg/m3);g為重力加速度(m/s2);H為水深(m);S為水槽坡度(%)。

土壤分離能力計算公式如下[29-30]：

(3)

式中:Dr為土壤分離能力[kg/(m2·s)];Ms為時間t內(nèi)被分離的土壤干重(kg);t為坡面徑流沖刷時間(s);A為采樣器面積(m2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(least-significant difference，LSD)比較相同含水率不同凍融循環(huán)周期間的差異。

2 結(jié)果與分析

眾所周知，土壤侵蝕的發(fā)生必須具備兩個條件，即外部營力——侵蝕動力和內(nèi)在物質(zhì)——侵蝕對象。對于水力侵蝕而言，侵蝕的外營力即是降雨及其形成的徑流，侵蝕對象即為地表土壤。徑流在沿坡面梯度方向運動過程中，在其運動方向上有徑流剪切力產(chǎn)生，徑流剪切力是徑流在坡面位置和時間的函數(shù)[24-25]。只有當土壤表面徑流的強度增加，徑流剪切力增加，超過臨界剪切力τc時就會產(chǎn)生侵蝕。與之相伴隨的臨界剪力τc是表征土壤抗侵蝕能力的一個參數(shù)，其值相對比較固定，與土壤的比重、含水率、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，是土壤侵蝕計算式中的一個非常重要的參數(shù)。土壤細溝可蝕性Kr也是表征土壤自身抗侵蝕能力大小的一個重要因子，是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要指標，表示了土壤被侵蝕的難易程度，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的易損性和敏感性。但如何確定τc和Kr，至今仍沒有一個廣為接受的理論或試驗的方法。目前，通常的做法是將侵蝕率與徑流剪應(yīng)力進行回歸分析，取回歸直線在剪應(yīng)力軸上的截距為τc值，取回歸直線的斜率為Kr值。

因此，本文也采用目前比較通用的做法來確定土壤的臨界剪切力τc和土壤細溝可蝕性Kr。土壤侵蝕率采用“V”型水槽的放水沖刷試驗，觀測得到土壤侵蝕量，進而轉(zhuǎn)換得之。徑流剪切力由公式(2)確定。將計算的每種試驗處理，不同交替凍融循環(huán)周期和不同土壤質(zhì)量含水率組合下的土壤的侵蝕率與徑流剪切力點繪在直接坐標系中，見圖1?？梢钥闯?，土壤侵蝕率隨水流剪切力的增大而增大，土壤侵蝕率與水流剪切力呈線性關(guān)系。其函數(shù)的一般形式如下：

y=Ax-B

(4)

式中:y為土壤侵蝕率[g/(m2·s)];x為水流剪切力(Pa);A,B為系數(shù)。

為了進一步分析不同交替凍融循環(huán)周期和不同的土壤質(zhì)量含水率對土壤臨界剪切力的影響，將圖1各種處理下的侵蝕率與徑流剪切力的關(guān)系式(1)進行變形，變形為與公式Dr=Kr(τ-τc)[25]形式一致的關(guān)系式，如下所示：

y=A(x-B/A)

(5)

式中:y為土壤侵蝕率[g/(m2·s)];x為水流剪切力(Pa);A為土壤細溝可蝕性(s/m);B/A為水流臨界剪切力(Pa)。也就是說對于每場試驗,只有當水流剪切力大于相應(yīng)的B/A時,才會有侵蝕發(fā)生,該值也為每種處理下的土壤臨界剪切力值。

2.1 相同土壤含水率條件下凍融循環(huán)對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響

表2列出了根據(jù)圖1中的各個擬合關(guān)系方程計算的土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性值。由表2可知，參照試驗CK的土壤臨界剪切力為0.300 Pa。當土壤質(zhì)量含水率為10%，凍融循環(huán)周期為1,3,6時，對應(yīng)的土壤臨界剪切力的值分別為0.380,0.259,0.267 Pa。當土壤質(zhì)量含水率為20%，凍融循環(huán)周期為1,3,6時，對應(yīng)的土壤臨界剪切力的值分別為0.338,0.238,0.242 Pa。分析發(fā)現(xiàn)，兩種土壤質(zhì)量含水率下，土壤經(jīng)過1個周期的凍融循環(huán)后，土壤臨界剪切力與參照試驗的相應(yīng)值相比有所增大，當土壤經(jīng)過3個周期的凍融循環(huán)后，土壤臨界剪切力顯著降低，隨著土壤的凍融循環(huán)周期增至6時，土壤臨界剪切力又有所增加，但其值仍小于參照試驗CK的土壤臨界剪切力。

圖1 不同試驗處理下土壤侵蝕率與徑流剪切力的關(guān)系

由表2可知，參照試驗CK的土壤細溝可蝕性為0.003 0 s/m，當土壤質(zhì)量含水率為10%，凍融循環(huán)周期為1,3,6時，對應(yīng)的土壤細溝可蝕性的值分別為0.007 9,0.002 7,0.001 5 s/m，即當土壤經(jīng)歷1個周期的凍融循環(huán)后，土壤細溝可蝕性相對參照試驗顯著增大，當土壤經(jīng)歷3個和6個周期的凍融循環(huán)后，土壤臨界剪切力降低，且均小于參照試驗CK的土壤細溝可蝕性值。同理，當土壤質(zhì)量含水率為20%，凍融循環(huán)周期為1,3,6時，對應(yīng)的土壤細溝可蝕性的值分別為0.006 8,0.002 1,0.003 3 s/m，即當土壤經(jīng)歷1個周期的凍融循環(huán)后，土壤細溝可蝕性增大，當土壤繼續(xù)經(jīng)歷凍融循環(huán)作用，其周期增大至3時，土壤細溝可蝕性出現(xiàn)明顯的減小趨勢，當凍融循環(huán)周期增大至6時，土壤細溝可蝕性又有所增加，但凍融循環(huán)周期為3,6時，土壤的細溝可蝕性均小于參照試驗。

表2 不同試驗處理下的土壤臨界剪切力

由以上分析可知，交替凍融循環(huán)周期對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響顯著，且隨著交替凍融循環(huán)周期的不同，土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響趨勢與程度不同。兩種土壤含水率水平下，當交替凍融循環(huán)周期為1時，交替凍融作用使土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性顯著增大，當交替凍融循環(huán)周期為3,6時，交替凍融作用使土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性減小。

2.2 相同交替凍融循環(huán)周期下土壤含水率對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響

由表2可知，當交替凍融循環(huán)周期為1時，10%和20%兩種不同土壤含水率下的土壤臨界剪切力的值分別為0.380,0.338 Pa，均大于參照試驗的0.300 Pa，即在兩種不同含水率下，經(jīng)過1個周期的凍融循環(huán)后，土壤臨界剪切力增大，且低含水率時土壤臨界剪切力增大的幅度較高含水率時土壤臨界剪切力增加的幅度大。當交替凍融循環(huán)周期為3時，10%和20%兩種不同土壤含水率下的土壤臨界剪切力分別為0.259,0.238 Pa，均小于參照試驗的0.300 Pa，且低含水率下的土壤臨界剪切力較高含水率下土壤臨界剪切力的值大。當交替凍融循環(huán)周期為6時，10%和20%兩種不同土壤含水率下的土壤臨界剪切力分別為0.267,0.242 Pa，均小于參照試驗的0.300 Pa，且10%含水率下的土壤臨界剪切力較20%含水率下的土壤臨界剪切力大。

同理，當交替凍融循環(huán)周期為1時，10%和20%兩種不同土壤含水率下的土壤細溝可蝕性分別為0.007 9,0.006 8 s/m，均大于參照試驗的0.003 0 s/m，即在兩種不同含水率處理下，土壤經(jīng)過1個周期的凍融循環(huán)后，土壤細溝可蝕性增大，且低含水率時土壤細溝可蝕性增大的幅度較高含水率時土壤細溝可蝕性增大的幅度大。當交替凍融循環(huán)周期為3時，10%和20%兩種不同土壤含水率下的土壤細溝可蝕性分別為0.002 7,0.002 1 s/m，均小于參照試驗的0.300 Pa，且低含水率下的土壤細溝可蝕性較高含水率下的土壤細溝可蝕性大。當交替凍融循環(huán)周期為6時，10%和20%兩種不同土壤含水率下土壤細溝可蝕性分別為0.001 5,0.003 3 s/m，均小于參照試驗的0.300 s/m，且10%含水率下的土壤細溝可蝕性較20%含水率下的土壤細溝可蝕性大。

綜上可知，不同土壤含水率對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響程度不同，土壤質(zhì)量含水率水平為10%時的土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的變化幅度均大于土壤質(zhì)量含水率水平為20%時的土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的變化幅度。

3 討 論

本研究是探索交替凍融作用對土壤臨界剪切力和細溝可蝕性的影響，結(jié)果表明，交替凍融能夠改變土壤的臨界剪切力和細溝可蝕性。當凍融循環(huán)周期為1時，10%和20%含水量處理下的土壤臨界剪切力和細溝可蝕性相比對照組都顯著增大。隨著凍融循環(huán)周期繼續(xù)增大至3時，兩種含水量處理下的土壤臨界剪切力和細溝可蝕性顯著降低，且明顯低于對照組。當凍融循環(huán)周期繼續(xù)增大至6時，10%含水量的土壤臨界剪切力反而顯著增大，細溝可蝕性顯著減小，但其值小于控制組；20%含水量的土壤臨界剪切力和細溝可蝕性顯著增大。并且隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤臨界剪切力和細溝可蝕性的變化速率減小，即隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤臨界剪切力和細溝可蝕性趨于穩(wěn)定。已有研究結(jié)果也表明，歷經(jīng)一次凍融循環(huán)，土壤的團聚體穩(wěn)定性顯著增大，隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤團聚體的穩(wěn)定性降低，最終趨于穩(wěn)定。

此外，土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性是表征土壤抗侵蝕能力的兩個重要參數(shù)，土壤細溝可蝕性越大，土壤越易侵蝕，土壤臨界剪切力越小，土壤越易侵蝕。從理論上來講，土壤臨界剪切力和細溝可蝕性對交替凍融的響應(yīng)應(yīng)該相反。但本研究的結(jié)果表明，在10%含水量時，隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤臨界剪切力和細溝可蝕性的變化趨勢相反，但在20%含水量時，隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤臨界剪切力和細溝可蝕性的變化趨勢相同。這可能是由于初始凍融含水量相比凍融循環(huán)周期對土壤臨界剪切力和細溝可蝕性影響較大緣故，已有研究也表明，對于同一種土壤，團聚體穩(wěn)定性可能隨著F-T循環(huán)的增加而增加或降低，具體取決于凍融初始土壤含水量[10-12]。

4 結(jié) 論

(1) 交替凍融循環(huán)周期不同，其對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響程度和趨勢也不同，當凍融循環(huán)周期為1時，交替凍融作用使土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性增大，當凍融循環(huán)周期為3,6時，交替凍融作用使土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性減小。

(2) 土壤含水率不同，其對土壤臨界剪切力和土壤細溝可蝕性的影響程度不同，本研究所涉及的兩種土壤質(zhì)量含水率下，當交替凍融循環(huán)周期相同時，低含水率(10%)下的土壤臨界剪切力與土壤細溝可蝕性均大于高含水率(20%)下的土壤臨界剪切力與土壤細溝可蝕性。

(3) 各種試驗處理下的土壤侵蝕率與徑流剪切力之間的關(guān)系仍然呈良好的線性關(guān)系。不同處理下，交替凍融作用對土壤臨界剪切力與土壤細溝可蝕性的影響趨勢相同。

致謝：感謝同在美國農(nóng)業(yè)部土壤侵蝕國家重點實驗室吳秋菊博士和楊韶洋碩士在試驗過程中給予的幫助!