凍融條件下黏土水理特性研究

摘" 要：土壤是地球表面重要的組成部分，其中水分和養(yǎng)分對農(nóng)作物的生長至關(guān)重要。因此，了解土壤水理特性是農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學等領(lǐng)域的重要課題。目前，關(guān)于黏土的水理特性的研究較少。該研究采用室內(nèi)模擬試驗，對土壤進行反復凍融試驗，分別測定凍融黏土在不同初始含水量、干密度和凍融循環(huán)次數(shù)下的容水度、持水度以及給水度。結(jié)果表明，當土樣干密度相同、土樣初始含水率較低時，容水度和持水度較高；土樣初始含水率上升，土樣容水度和持水度較小，但給水度幾乎沒有發(fā)生改變。當初始含水量相同、干密度較大時，土樣容水度較小、持水度較高并且給水度較低；當干密度減小時，土樣的容水度增大、持水度減少并且給水度升高。經(jīng)歷凍融循環(huán)后，土樣容水度、持水度和給水度減少。當凍融循環(huán)次數(shù)增加到3次后，容水度、持水度和給水度有所上升，但當土樣在經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后，土顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙數(shù)量趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：黏土；初始含水量；水理特性；凍融循環(huán)次數(shù)；凍融條件

中圖分類號：S157" " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0063-04

Abstract： Soil is an important part of the earth's surface， and water and nutrients are crucial to the growth of crops. Therefore， understanding soil hydraulic properties is an important topic in fields such as agriculture and environmental science. At present， there are few studies on the hydraulic characteristics of clay. In this study， indoor simulation tests were used to conduct repeated freeze-thaw tests on soil to measure the water capacity， water holdup and water yield of freeze-thaw clay under different initial water content， dry density and number of freeze-thaw cycles. The results show that when the dry density of the soil samples is the same and the initial moisture content of the soil samples is low， the water capacity and water holdup are higher; the initial moisture content of the soil samples increases， and the water capacity and water holdup of the soil samples are small， but the water supply is almost unchanged. When the initial water content is the same and the dry density is large， the water holding capacity of the soil sample is small， the water holding capacity is high， and the water yield is low; when the dry density is reduced， the water holding capacity of the soil sample increases， the water holding capacity is reduced and the water yield is increased. After undergoing freeze-thaw cycles， the water capacity， water holdup and water supply of the soil samples decreased. When the number of freeze-thaw cycles increased to 3， the water capacity， water holdup and water yield increased， but when the soil sample experienced 7 freeze-thaw cycles， the soil particle structure and pore number tended to be stable.

Keywords： clay; initial water content; water physical characteristics; number of freeze-thaw cycles; freeze-thaw conditions

黑土具有高肥力、高產(chǎn)出、高可塑性等優(yōu)點[1]，在全世界范圍內(nèi)屬于稀缺資源[2]。東北黑土區(qū)對我國的糧食生產(chǎn)的貢獻率占18.9%[3]。我國黑土主要分布在中高緯度地區(qū)[4]，土壤的凍融侵蝕影響較嚴重[5]。由于長期缺乏系統(tǒng)合理的開發(fā)與利用，我國黑土面積急劇減少[6]，已經(jīng)威脅到東三省乃至全國的糧食安全[7-8]。開展關(guān)于黑土層流逝的研究，對于理解黑土退化原因，科學合理地制定黑土資源保護管理措施具有十分重要的意義與價值。

有研究表明，凍融過程就是土壤中的水不斷變相[9]，土體凍脹和融沉現(xiàn)象交替頻發(fā)，改變了土壤理化性質(zhì)及土壤水分運動規(guī)律，影響土壤侵蝕過程。我國的黑土侵蝕研究主要集中在融雪侵蝕監(jiān)測[10-12]、融雪侵蝕影響因素[13-14]，而基于土壤的水理特性的黑土融雪侵蝕研究較少。因此本試驗基于人造冰凍、融解環(huán)境，展開系列室內(nèi)模擬試驗。分析在春季凍融期融雪期間土壤的水理特性，以期深入解析凍融侵蝕的過程，為黑土的科學治理提供科學依據(jù)。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

黑龍江省哈爾濱市（44°04′～46°40′N，125°42′～130°10′E）位于我國東北地區(qū)[15]，處于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均降水量505.4 mm，1月份均溫-19 ℃，7月份均溫23 ℃，年均溫2.3～4.4 ℃，年溫差45 ℃左右[16]，屬于松花江水系[17]。因緯度較高，一年中春秋季節(jié)較短，夏冬季節(jié)較長，有近半年時間平均氣溫在0 ℃以下，雪期長達5～8個月[12]，故研究區(qū)早春季節(jié)土壤溶蝕、凍融現(xiàn)象明顯。

1.2" 試驗設(shè)計

1.2.1" 試驗材料

室內(nèi)模擬試驗于2023年9月—11月在黑龍江大學水利電力學院實驗室進行。試驗設(shè)備包括土樣制備設(shè)備、冷凍儀器、測量儀器。土樣制備設(shè)備主要包括高頻振篩機、土壤烘干箱、冷凍儀。該冷凍設(shè)備最低溫可達到-40 ℃，精確度為±0.1 ℃。土樣測量儀器主要包括鋁盒、量筒、高密濾布、木錘和電子天平等。

1.2.2" 土壤樣本的選取

本試驗以凍融狀態(tài)下黏土為研究對象，選取黑龍江大學呼蘭校區(qū)（126°11′～127°19′E，45°49′～46°25′N）[18]粒徑較小的土壤，取深0～20 cm的土壤樣本，在采集完黑土后剔除殘留雜質(zhì)，將較大土塊粉碎成小土塊[3]。

1.2.3" 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素試驗，選取含水率、干密度、凍融循環(huán)次數(shù)為試驗因素，分別研究三因素對土樣容水度、持水度、給水度的影響規(guī)律，試驗方案見表1。

1.3" 試驗步驟

1.3.1" 取出土壤初步特性測定

為防止試驗土樣中殘留的水分對試驗產(chǎn)生誤差，將篩分后的土樣置于烘箱內(nèi)烘干10 h，烘干溫度為110 ℃，取出土樣稱重后繼續(xù)烘干2 h，取出稱其重量，直至取出后的試驗土樣重量不發(fā)生變化為止，然后將經(jīng)過高溫烘干后土樣置于干燥器內(nèi)冷卻到室溫，稱取鋁盒與土樣質(zhì)量為干土質(zhì)量。根據(jù)上述試驗記錄數(shù)據(jù)計算天然土樣的含水率，其公式為

式中：W為土樣的天然含水率，m0為天然土樣質(zhì)量，md為干土質(zhì)量。

通過密度測定，試驗黏土的天然干密度為1.44 g/m3。通過環(huán)刀法測定土樣的天然密度，公式如下

式中：ρ為土樣天然密度，ρd為土樣的干密度，m0為天然土樣質(zhì)量，V為環(huán)刀容量，W為土樣的天然含水率。

1.3.2" 土壤的進一步處理

1）土樣制備：將從試驗區(qū)采集的土樣用高頻振篩機進行篩分，篩分后的土樣烘干至恒重。冷卻后，根據(jù)試驗方案設(shè)置土壤含水率分別為5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%進行土壤配水操作，并將配置后的土壤裝入試驗桶內(nèi)，封存24 h，保證土壤內(nèi)水分充分轉(zhuǎn)移。

2）土樣凍融：將配置土樣根據(jù)試驗方案設(shè)置含水率和干密度裝入容積為200 mL鋁盒，用木錘對土樣進行壓實處理以及防止試驗過程土樣灑落。根據(jù)試驗方案設(shè)計每種試驗土樣進行3次平行試驗，以便減小試驗誤差。將裝有土樣的鋁盒放入凍結(jié)溫度為-20 ℃的冰柜中，凍結(jié)24 h，冷凍后置于溫度為+20 ℃的實驗室內(nèi)，融化12 h，此時土樣凍融循環(huán)結(jié)束，繼續(xù)進行后續(xù)參數(shù)測定試驗。

3）土樣飽和試驗：將經(jīng)過凍融試驗的裝有土樣的鋁盒置于操作臺面，開始進行飽和試驗。試驗過程中使用蒸餾水進行飽和試驗，將量筒內(nèi)的蒸餾水緩慢注入裝有土樣的鋁盒中，在注入水分前應(yīng)記錄量筒內(nèi)液體容積。隨著液體的注入，鋁盒中的土樣開始濕潤，當土樣表層出現(xiàn)液體時土樣已經(jīng)達到飽和，此時停止倒入蒸餾水并記錄此時量筒內(nèi)所剩蒸餾水的體積，按照公式（4）計算土樣容水度。

4）土樣釋水試驗：將飽和后的土樣從鋁盒中取出，放置于量筒上部，由于土樣底部有高密濾布進行包裹因此防止土樣灑落。此時飽和土樣中的水分在重力作用下開始緩慢釋水，釋放水分注入到量筒內(nèi)，當量筒內(nèi)液體不在發(fā)生變化時，停止試驗并記錄此時量筒內(nèi)蒸餾水的體積，按照公式（5）和公式（6）計算土樣持水度和給水度。

本次試驗數(shù)據(jù)測定土樣凍融后的容水度、持水度和給水度，通過測定的試驗數(shù)據(jù)分析凍融后土樣的水理性質(zhì)。根據(jù)容水度定義即試驗土樣完全飽水時所容納的最大水體積與土體體積的比值，其計算公式如式（4）所示。

式中：n為土樣容水度，Vn為飽和土樣水體積，V為試驗土樣體積。

根據(jù)持水度定義即試驗土樣完全飽水后在重力作用下所持水量與土體體積的比值，其計算公式如式（5）所示。

式中：r為土樣持水度，Vr為土樣持水體積。

根據(jù)給水度定義即飽和試驗土樣在重力作用下所釋放水分體積與土體體積的比值，其計算公式如式（6）所示。

式中：μ為土樣給水度，Vμ為土樣給水體積。

1.4" 試驗數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019軟件和Hiplot可視化平臺對數(shù)據(jù)進行處理，對不同變量（初始含水率、干密度、凍融循環(huán)次數(shù)）對土壤特性的影響進行分析。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 不同初始含水率對黏土水理特性的影響

為研究初始含水率對凍融狀態(tài)下黏土水理特性的影響規(guī)律，選取黏土樣干密度為1.44 g/cm3，通過測量得到如圖1所示結(jié)果，分別控制初始含水率為5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%，并測定不同含水率情況下，黏土的容水度、持水度、給水度。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，當土樣干密度均相同時，當土樣初始含水率為5%時，由于土樣處于干燥狀態(tài)，所以飽和過程吸水量較多，容水度、持水度較高；當土樣初始含水率上升為20%時，土樣內(nèi)含水量越來越多，此時土樣內(nèi)部仍含有較高水分，因此在飽和過程中吸收水分較少，土樣容水度、持水度較小，整體給水度幾乎沒有發(fā)生改變。

2.2" 不同干密度對黏土水理特性的影響

為研究干密度對凍融狀態(tài)下黏土水理特性的影響規(guī)律，選取土壤含水率為10%，測定干密度為1.34、1.39、1.44、1.49、1.54、1.59 g/cm3時的容水度、持水度、給水度如圖2所示。

從圖2可以看出，在干密度較大時，土樣容水度較小、持水度較高、給水度較低，隨著干密度的減小，土樣的容水度增大、持水度減少、給水度升高。這是由于隨著干密度的增大，土體顆粒間孔隙被壓縮，因此土樣容水度、給水度隨干密度的增大而減小，而持水度隨著干密度的增大而增大。

2.3" 不同凍融循環(huán)次數(shù)對黏土水理特性的影響

為研究凍融循環(huán)次數(shù)對凍融黏土水理特性的影響，控制試樣相同初始含水率和干密度，對土樣進行凍融循環(huán)試驗，分析凍融循環(huán)次數(shù)對黏土水理特性的影響規(guī)律，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，黏土容水度、持水度、給水度在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后呈現(xiàn)減小變化，主要是因為黏土土顆粒粒徑較小，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，土顆粒形成的孔隙內(nèi)被細顆粒填充，從而導致土樣在飽和過程中吸收水分很少，土樣容水度、持水度、給水度減少。在凍融循環(huán)次數(shù)增加的過程中，土體結(jié)構(gòu)松散然后土顆粒間孔隙數(shù)量增加，容水性增強，容水度增加。土樣在經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后，土顆粒結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土顆粒間孔隙數(shù)量增加數(shù)量基本不變，因此土樣水理特性也趨于穩(wěn)定。

3" 結(jié)論

本次研究，以哈爾濱地區(qū)凍融黏土為研究對象，通過控制變量法，對不同條件下土壤的容水度、給水度、持水度進行定量分析得到如下結(jié)論。

1）在凍融條件下，黏土的容水度、持水度、給水度都會隨著初始含水率的增大而減小。

2）黏土容水度和給水度隨著干密度增大而減小，但是持水度隨干密度增加而增大。

3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏土的容水度、持水度、給水度變化趨勢基本一致。在剛開始經(jīng)歷凍融循環(huán)時，土體孔隙率較小，當凍融次數(shù)達到3次以后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加土體結(jié)構(gòu)變得松散，孔隙率上升，當凍融次數(shù)達到7次以后，孔隙率變化不大，其容水度、持水度和給水度變化不大。

綜上所述，較低的干密度會導致較高的水分保持能力，而多次凍融循環(huán)會導致水分保持能力下降，造成土壤退化。這些研究結(jié)果對于管理和預測黏土在凍結(jié)和融化條件下的行為至關(guān)重要，為保護東北地區(qū)黑土資源提供理論支持。

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