冻融作用对松嫩平原草甸土物理性质的影响

李 辉

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

冻融是指由于日最高气温超过0 ℃和最低气温低于0 ℃而产生融化和冻结的一种物理地质作用和现象，冻融可显著改变土壤物理性质[1]。研究表明，频繁的冻融交替对土壤团聚体稳定性[2-3]、水盐运移[4]、容重、孔隙度[5]及渗透性[6]等均有显著影响。冻融的实质为土壤水的冻结与融化过程[7]，液态水变成固态水体积增大9%，土体内水分体积的变化势必引起土壤结构的改变[8]，导致土体疏松，土壤易蚀程度加剧。松嫩平原地处风蚀、水蚀交互影响区，受土壤侵蚀影响，土壤退化严重。

由于外界自然环境条件的差异，冻融作用对土壤物理性质的影响除了与土壤自身的性质有关[9]，与冻融循环次数、冻融速率和冻融方式等也存在密切联系[10-12]。本文以松嫩平原草甸土冻融作用下各物理指标为依据，探讨不同含水率条件下冻融强度、冻融循环次数对土壤物理指标的影响。与前人研究不同，本文实验所用土壤为野外取回的原状土，而非过筛后预制的扰动土；以往研究冻融作用对土壤性质的影响，大多集中在冻融循环次数上，而已有研究表明，冻融强度通过改变土壤水势，对土壤容重、孔隙度、团聚体稳定性也有显著影响[13]，因此，本文基于前人的研究成果，增设冻融强度(冻结时温度的差异)处理，进一步研究季节性冻土的物理性质变化规律，为继续深入研究冻融循环作用对土壤侵蚀过程的影响奠定基础，为布设区域水土保持措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于松嫩平原西南部长岭县草甸草原，属中温带半干旱大陆性气候，具有典型的大陆性季风气候，春季风大少雨，夏季炎热多雨，秋季降雨均匀，冬季严寒干燥。冬春之交，受温度影响该区土壤频繁发生冻融现象。

草甸土容重为1.33 g/cm3，土层较厚，有碱格子存在，有机质含量为15.59 g/kg，pH值为9.16。

1.2 野外取样

取样时间定为2014年8月—10月中旬。选取地势平坦、无人为干扰且植被分布均匀的草甸土作为取样样地，取样前除去地表植被及表层腐殖层，用取土刀取表层20 cm厚的原状土壤(2份)，装进大小为30 cm×10 cm×20 cm的有机玻璃盒中，另用环刀取60个土样，同时取部分均匀土壤装进自封袋内用于测定原状土初始含水率、土壤有机质和pH值等物理性质指标。

1.3 试验设计

根据试验需求，配置土壤含水率梯度为初始含水率(低含水率，6.5%，Lw)和50%田间含水率(高含水率，17%，Hw)的土样，静置24 h。将配置好的土样放入冻融机内进行冻融试验。依据冬春季昼夜温度将冻融强度设置为-15～25 ℃(FTI1)和-5～25 ℃(FTI2)，冻融循环次数分别为0(对照)、1、3、5次，即每次冻融循环在-15 ℃或-5 ℃温度下冻结6 h，25 ℃温度下融化6 h，每次实验重复3次。试验设计如表1所示。

1.4 数据获取及分析方法

土壤饱和导水率测定采用定水头一维土柱入渗法(LY/T 1218-1999《森林土壤渗透性的测定》)，依据原理为达西定律换算，得到饱和导水率ks，如式(1)～式(2)所示：

(1)

式中：ks为饱和导水率，cm/s；V为渗透速度，mm/min；L为土层厚度，cm；h为水层厚度，cm。

(2)

式中：Qn为第n次渗出的水量，ml；tn为间隔时间，min；s为环刀横截面积，cm2。

含水量和容重分别采用烘干法和环刀法测定，孔隙度利用土壤容重计算[14]，如式(3)所示：

ρ=93 947-32 995γ

(3)

式中：ρ为土壤孔隙度；γ为土壤容重，g/cm3。

土壤团聚体含量采用湿筛法，利用土壤平均质量粒径(MWD)描述[15]，如式(4)所示：

(4)

数据统计分析采用SPSS19.0统计软件，绘图采用Excel 2007。

2 结果与分析

2.1 冻融作用下草甸土容重、孔隙度的变化特征

2.1.1 冻融强度对草甸土容重、孔隙度的影响

冻融的实质是土壤水的冻结与融化，以往研究表明不同含水率土壤经历冻融作用后土壤容重、孔隙度均有显著变化。

如图1、图2所示，与对照组相比冻融强度对土壤容重、孔隙度并没有产生显著影响(P>0.05)。冻融强度对土壤容重、孔隙度的影响幅度均有减小的趋势，表现为土壤容重和孔隙度与对照组相比均呈现逐级递减的减小趋势，FTI1较FTI2作用明显，且高含水率土壤更易受冻融强度影响。产生这种现象的原因可能是土体经历冻融过程，改变了土体内原有颗粒之间的固有排列，土体内颗粒的重新分布与排列使土壤呈现疏松状态，导致土壤容重减小，孔隙度增加。而冻融强度越大，即冻结温度越低、冻结时间越长，土体所受的机构破坏程度也越重，土壤容重减小的越明显[16]。土壤含水率只有达到一定界限后，才有冻胀现象产生[17]，而低含水率土壤相对于高含水率土壤因为含水量较少，所以在液态水冻结成固态水体积变大的过程中，冻融作用对土壤造成的变形效应较弱，即含水率较低时冻融强度作用差异不明显。另外，土壤经历冻融作用后土壤容重、孔隙度均没有达到统计学显著差异水平的原因也可能是试验用土为原状土，土体内有植物根系和碱格子的存在，在一定程度上起到了缓冲作用，因此变化相对较小。

图1 冻融作用对草甸土容重的影响

图2 冻融作用对草甸土孔隙度的影响

2.1.2 冻融循环次数对草甸土容重、孔隙度的影响

冻融过程中，土壤结构受冻融循环次数影响显著，但随着冻融循环次数的增加，其影响逐渐趋于稳定，其中大多数研究结果表明：土壤经历5～7次冻融循环后，土壤结构趋于稳定[18]。由图1和图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，土壤容重和孔隙度分别呈现出减小和增大的趋势，且减小和增大的幅度越来越小，容重和孔隙度均趋于稳定值，与以往研究结果一致[19]，但均没有达到统计学显著差异水平(P>0.05)。

低含水率土壤经过3次冻融循环时土壤容重最低而土壤孔隙度最大，其中FTI1和FTI2土壤容重分别减少了0.0551 g/cm3和0.0465 g/cm3，而土壤孔隙度分别增加了0.8185和1.5327；高含水率土壤经过5次冻融循环时土壤容重最低而孔隙度最大，其中FTI1和FTI2土壤容重分别减少了0.1389 g/cm3和0.1116 g/cm3，而土壤孔隙度分别增加了4.5822和3.6818。与低含水量土壤相比高含水量土壤容重减小幅度更大。这是因为土壤含水量越高，冻结时间就越长，土壤所受冻融作用就越强烈。因此，容重和孔隙度的变化幅度较大。

2.2 冻融作用下土壤团聚体稳定性变异特征

2.2.1 冻融强度对草甸土团聚体稳定性的影响

如表2所示，冻融强度和土壤含水率对土壤团聚体稳定性均有显著影响(P<0.05)。

表2 冻融作用对草甸土团聚体稳定性影响的

由图3可知，土壤经历冻融作用后，土壤团聚体平均重量粒径(MWD)减小，且FTI1较FTI2作用明显。土壤团聚体稳定性不仅受外界因素影响，与自身性质也密切相关。如图3所示，相对于低含水率土壤，高含水率土壤受冻融作用更明显，表现为土壤MWD明显偏小，即土壤团聚体稳定性降低。

图3 冻融作用对草甸土团聚体稳定性的影响

土壤在经历冻融作用之前，土壤MWD为0.127。经历冻融作用后，低含水率时，土壤MWD的平均值在FTI1和FTI2条件下分别降低了14.03%和2.60%；高含水率时，土壤MWD的平均值在FTI1和FTI2条件下分别降低了14.03%和5.26%。其原因主要是土壤冻结时土壤孔隙中冰晶的扩张减弱了颗粒之间的联结力，破坏土壤团聚体稳定性，冻融交替作用有效的将土壤大团聚体破碎成小团聚体或细小颗粒，使土壤颗粒组成发生变化。相对于较高的冻结强度，较低的冻融强度更容易降低土壤团聚体稳定性，与Oztas等人研究结果一致。

2.2.2 冻融循环次数对草甸土团聚体稳定性的影响

如表2所示，冻融循环次数对土壤团聚体稳定性有显著影响(P<0.05)。土壤MWD随着冻融循环次数的增加显著减小，3～5次冻融循环时基本趋于稳定，与以往研究结果一致[20]。

由图3可以看出，FTI1和FTI2条件下土壤MWD分别在第5次和第3次冻融循环时趋于稳定，且1～3次冻融循环时土壤团聚体稳定性变化趋势明显，与Formanek等人研究结果一致[21]，说明冻结温度越低，土壤团聚体稳定性趋于稳定所需冻融循环次数越多。其主要原因是冻结温度越低，土壤冻胀越严重，土壤团聚体结构所受破坏也就越严重，土壤融化时土壤团聚体不能及时吸收周围水分以及小颗粒聚集成原团聚体大小，因此需要较多次的冻融循环才能够使土壤团聚体稳定性趋于稳定。

2.3 冻融作用下草甸土饱和导水率的变化特征

2.3.1 冻融强度对草甸土饱和导水率的影响

如表3所示，冻融强度和土壤含水率对土壤饱和导水率均有显著影响(P<0.05)。由图4可以看出，土壤经历冻融作用后，土壤饱和导水率显著增加，与以往研究结果一致[22-23]。

低含水率时，虽然FTI1和FTI2都使土壤饱和导水率增大，但二者影响差距不大，对土壤饱和导水率产生的效果接近；高含水率时，FTI1和FTI2同样使土壤饱和导水率增大，但二者之间却有明显差距。FTI1对土壤饱和导水率的影响更显著，土壤饱和导水率增加的幅度更大。产生这种现象的主要原因是土壤经历冻融的过程中，由于冻胀和融沉导致土壤结构内部出现大孔隙或结构裂隙[24]，而土壤含水率越高、冻结强度越大，土壤所受冻胀作用也就越严重。融沉过程中，土壤无法在短时间内恢复原有结构，因此导致土壤饱和导水率增大。

2.3.2 冻融循环次数对草甸土饱和导水率的影响

如表3所示，冻融循环次数对土壤饱和导水率有显著影响(P<0.05)。由图4可知，土壤饱和导水率随着冻融循环次数的增加，表现出逐渐增大的趋势。邓西民[22]研究冻融作用对犁底层土壤饱和导水率的影响时，也得到一致结论。

土壤饱和导水率随着冻融循环次数的增加而增大，且高含水率增大幅度明显高于低含水率。高含水率时土壤饱和导水率虽然较小，但经历冻融作用后，随着冻融循环的增加，土壤饱和导水率均表现出较前一次冻融循环明显增大的趋势。其中经过5次冻融循环后FTI1和FTI2条件下土壤饱和导水率分别增加了115.60%和97.06%。导致上述变化的原因是，冻融作用改变了土壤的结构，小孔隙变粗大，甚至可能出现裂隙，土体变得疏松，使渗透性能增强，随着冻融循环次数的增加，土壤饱和导水率逐渐增大，最后基本上趋于一个稳定值。相同冻融作用条件下，土壤含水率对土壤饱和导水率影响显著，如表3所示。表现为土壤饱和导水率随着土壤含水率增大而明显减小，这主要是因为冻融过程中，冻融作用破坏了土壤颗粒之间的固有结构，土壤大团聚体破碎成细小颗粒，填充并堵塞部分土壤孔隙，使得土体内部孔隙度减小，水分在土体内的流通性能降低，最后造成土壤导水特性减小，土壤饱和导水率降低。

表3 冻融作用对草甸土饱和导水率影响的

图4 冻融作用对草甸土饱和导水率的影响

以上结果表明，冻融作用与土壤物理特性变化有紧密联系，松嫩平原草甸土在冬春与秋冬交替之际受冻融作用影响土壤物理特性发生频繁改变，土壤容重减小孔隙度增大，结构在一定程度上得到改善，且土壤饱和导水率也相对增大，这说明冻融作用有利于该区土壤水盐运移，但实际上，松嫩平原草甸土盐碱化严重，土壤表层以下普遍存在碱格子，地表植被退化，甚至出现大面积的碱斑，土地生产力下降，土壤侵蚀严重[25]。这可能与该区多风少雨的气候条件有关，针对该现象可以采取秸秆覆盖方式蓄水保土，同时适当减少放牧。本研究结果表明，土壤容重、孔隙度和土壤团聚体在经过5次冻融循环时基本趋于稳定，但土壤饱和导水率仍随着冻融循环次数的增加而增大，因此还需增加冻融循环次数验证其临界值。另外，本研究所用土壤内含有植物根系，其在冻融实验中所起到的作用并没有明确的分析，因此在野外观测调查中，此问题还有待解决。

3 结 论

(1)冻融作用改变土壤容重，进而改变土壤孔隙度。冻融作用减小土壤容重，增大土壤孔隙度，且FTI1较FTI2作用明显；随着冻融循环次数的增加，土壤容重和孔隙度减小和增大的幅度越来越小，容重和孔隙度逐渐趋于稳定值。低含水率土壤经过3次冻融循环时土壤容重最低而土壤孔隙度最大，高含水率土壤经过5次冻融循环时土壤容重最低而孔隙度最大；相同冻融条件下，高含水率时土壤更易受冻融强度影响。

(2)冻融强度、冻融循环次数和土壤含水率对土壤团聚体稳定性均有显著影响(P<0.05)。土壤经历冻融作用后，土壤团聚体平均重量粒径(MWD)减小，相对于FTI2，FTI1更容易降低土壤团聚体稳定性；FTI1和FTI2条件下土壤团聚体MWD随着冻融循环次数的增加显著减小，经过5次冻融循环和3次冻融循环时基本趋于稳定，说明冻结温度越低，土壤团聚体稳定性趋于稳定所需冻融循环次数越多；土壤团聚体稳定性不仅受外界因素影响，与自身性质也密切相关，高含水率土壤受冻融作用更明显。

(3)冻融强度、冻融循环次数和土壤含水率对土壤饱和导水率均有显著影响(P<0.05)。土壤经历冻融作用后，土壤饱和导水率显著增加。低含水率时，FTI1和FTI2对土壤饱和导水率的影响差距不大，高含水率时FTI1对土壤饱和导水率的影响更显著，土壤饱和导水率增加的幅度更大；随着冻融循环次数的增加，土壤饱和导水率逐渐增大，高含水率时增幅明显较大；土壤初始含水率对土壤饱和导水率影响明显，随着土壤含水率增大，土壤饱和导水率明显减小。