凍融交替作用對(duì)表層黑土結(jié)構(gòu)的影響

劉緒軍,景國(guó)臣,楊亞娟,王亞娟,任憲平

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究所,150070,哈爾濱)

凍融交替作用對(duì)表層黑土結(jié)構(gòu)的影響

劉緒軍,景國(guó)臣,楊亞娟,王亞娟,任憲平

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究所,150070,哈爾濱)

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M凍融交替作用,研究?jī)鋈诮惶孀饔脤?duì)表層黑土結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:1)凍融作用使表層黑土體積增大,導(dǎo)致表層黑土密度降低,土壤大團(tuán)聚體破碎為小團(tuán)聚體,團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑減小,團(tuán)聚體穩(wěn)定性能降低;2)土壤含水率大小、凍融循環(huán)次數(shù)是土壤結(jié)構(gòu)破壞程度的重要影響因素;3)凍融作用破壞了表層黑土物理性狀,降低了黑土黏聚力和抗沖能力,致黑土區(qū)春季產(chǎn)生嚴(yán)重的凍融侵蝕。

表層黑土;凍融作用;結(jié)構(gòu)

凍融作用是指氣候的日、年和多年變化導(dǎo)致特定氣候區(qū)域地球表層一定范圍的土凍結(jié)和融化作用,使凍土層中的地下冰和地下水不斷發(fā)生相變和位移,產(chǎn)生凍脹、融沉、流變等一系列應(yīng)力變形[1]。地球上受凍融交替作用影響的土地面積約占全球陸地面積的70%左右,主要分布在環(huán)北極地區(qū)及中、低緯度的高山、高原地區(qū)。我國(guó)凍融作用影響的土地面積約占國(guó)土陸地面積的98%,主要分布在青藏高原、西部高山和東北地區(qū)的大、小興安嶺等區(qū)域[2]。凍融作用可以改變土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì),改變土壤的水熱運(yùn)動(dòng),對(duì)土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)礦化作用產(chǎn)生積極的影響[3];但是,反復(fù)的凍融交替作用對(duì)土體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞,降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致土壤侵蝕[4]。

黑土區(qū)位于松嫩平原及其四周山前臺(tái)地、低山丘陵區(qū),由集中連片的黑土、黑鈣土和草甸黑土組成,是國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地。該區(qū)地處中高緯度,具有寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征,四季分明,冬季漫長(zhǎng)、寒冷干燥,夏季較短、炎熱多雨。年平均氣溫-2～5℃,最高氣溫38℃,最低氣溫-45℃,無(wú)霜期110～130 d。正是這一氣候特征,導(dǎo)致黑土區(qū)產(chǎn)生顯著的凍融交替作用,對(duì)黑土的形成、發(fā)育產(chǎn)生了至關(guān)重要的作用,對(duì)黑土物理性狀產(chǎn)生了很大的影響,也導(dǎo)致了每年春季經(jīng)常發(fā)生凍融侵蝕和融雪水侵蝕。研究資料表明,凍融交替作用影響土壤的物理性質(zhì),破壞土體結(jié)構(gòu),降低團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[5],其中,凍融作用對(duì)表層土壤的影響最大;因此,筆者根據(jù)典型黑土區(qū)氣候特點(diǎn)及凍融交替特征,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M凍融交替作用,探索凍融作用對(duì)表層黑土物理結(jié)構(gòu)的影響,旨在為研究黑土形成、保護(hù)改良和凍融侵蝕提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黑土采自于黑龍江省克山縣西大溝小流域,取樣點(diǎn)為西北向坡耕地,采集0～30 cm表層土壤混合樣。該流域位于克山縣克山鎮(zhèn)和古北鄉(xiāng),地理坐標(biāo)E125°56′～126°01′,N48°02′～48°07′。多年平均氣溫1.1℃,1月份平均氣溫-22.9℃,7月份平均氣溫21.3℃,無(wú)霜期120 d,土壤凍結(jié)深度2.0～2.5 m,多年平均降水量510 mm。土壤為黑土,母質(zhì)層為黃土狀亞黏土,淺水層在10～15 m之間。

1.2 試驗(yàn)處理

根據(jù)黑龍江省水保所克山實(shí)驗(yàn)站具體實(shí)驗(yàn)觀測(cè)及有關(guān)資料,典型黑土區(qū)土壤含水率大致分布在20% ～40%范圍內(nèi)[6];因此,試驗(yàn)設(shè)置了 20%、25%、30%、35%、40%等5個(gè)不同的土壤含水率處理。其處理制作過(guò)程如下:

1)在選擇的觀測(cè)點(diǎn)取自然狀態(tài)下的0～30 cm原狀黑土,經(jīng)風(fēng)干后,配制成含水率分別為20%、25%、30%、35%、40%(質(zhì)量含水率)的均勻土樣,攪拌均勻后用保鮮膜將土樣包裹24 h,使土壤顆粒充分吸水;

2)壓制試塊時(shí),根據(jù)計(jì)算出的不同含水率土樣質(zhì)量,稱取土樣后分3層將其裝入試塊制作模具中,填裝各層土樣后均進(jìn)行初步壓制以接近計(jì)算高度,最后逐漸制成直徑為10.20 cm、高度為15 cm,密度均勻的圓柱體試塊;

3)試驗(yàn)時(shí),將制作好的不同初始含水率試塊放入冷凍箱中,在24 h內(nèi)將冷凍箱內(nèi)溫度由0℃逐漸降低到-20℃,使試塊完全凍結(jié),取出試塊,在20℃室溫下,經(jīng)過(guò)24 h使試塊逐漸完全融化(因?qū)嶒?yàn)?zāi)M的是凍融作用的結(jié)果,根據(jù)多次凍融實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果,確定24 h內(nèi)在實(shí)驗(yàn)溫度內(nèi)可實(shí)現(xiàn)完全凍結(jié)和融化,為加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度采取了該種方法);

4)如此往復(fù)5個(gè)凍融循環(huán)(經(jīng)多年野外實(shí)際觀察,每年凍融變化較大的次數(shù)一般在4到5次);

5)試驗(yàn)采取半封閉半開放環(huán)境,即在試塊底部和周圍用10 cm厚笨板(聚苯乙烯滄沫板)保溫防護(hù),確保凍結(jié)和融化過(guò)程均由圓柱試塊的頂部開始,逐漸向下凍結(jié)和融化,同時(shí)在試塊底部放置2層1 cm厚的泡沫作為緩沖層,在每次凍結(jié)前向底層泡沫內(nèi)注入20 mL清水,始終保持試塊底部有一定的水分供應(yīng),模擬自然狀態(tài)下土壤水的補(bǔ)給。

1.3 測(cè)試方法

1)試塊凍脹量。采取體積測(cè)量法。使用卡尺分別在各個(gè)凍融循環(huán)周期的完全凍結(jié)時(shí),測(cè)定試塊的5、10和15 cm處的直徑(試塊周圍為臨空面造成土體橫向變化,若自然狀態(tài)有臨空面時(shí)也會(huì)發(fā)生此種變化)和試塊高度值,計(jì)算各凍融循環(huán)周期試塊體積。

2)土壤密度。根據(jù)各個(gè)凍融循環(huán)周期的體積測(cè)定值和試塊干土質(zhì)量,計(jì)算不同凍融循環(huán)周期試塊密度。

3)土壤孔隙度。土壤孔隙度采用經(jīng)驗(yàn)公式[7]

pt=93.947-32.995d。式中:pt為土壤孔隙度,%;d為土壤密度,g/cm3。

4)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。采取濕篩法測(cè)定土壤各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù),篩孔直徑分別為5、2、1、0.5和0.25 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融交替作用對(duì)黑土體積的影響

凍融作用使土壤中的水分發(fā)生遷移,土體含水量增加[2]。在土壤凍結(jié)過(guò)程中,由于溫度梯度的變化,使水分場(chǎng)重新分布,水分從暖端向冷端遷移[8]。由于水分的遷移運(yùn)動(dòng),使土壤在凍結(jié)過(guò)程中冰晶體含量增多,土壤顆粒間發(fā)生擠脹作用,致使試塊體積增大。

凍融交替作用下黑土體積變化結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?凍融循環(huán)中平均凍脹幅度達(dá)到了7.11%,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試塊體積不斷增大,從第1到第5凍融循環(huán)周期,試塊體積分別增加了2.72%、4.93%、7.10%、9.44%、11.38%。試塊凍脹體積變化率與含水率大小呈正相關(guān),即隨著初始含水率的增大,試塊體積增大幅度加大,當(dāng)?shù)?凍融循環(huán)周期結(jié)束時(shí),從20%到40%含水率處理分別較未凍結(jié)前體積增加了 9.85%、10.64%、11.69%、11.98%、12.74%。說(shuō)明在凍融循環(huán)過(guò)程中,土壤中冰凌數(shù)量增加,凍脹力增大,促使土體發(fā)生膨脹,從而導(dǎo)致土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等性質(zhì)發(fā)生脆變,降低了土體的抗蝕性能。結(jié)果表明,凍融交替作用會(huì)使黑土體積膨脹增大。

表1 凍融交替作用下土壤體積變化Tab.1 Changes in soil volume in the freezing and thawing action

2.2 凍融交替作用對(duì)黑土密度的影響

在土壤凍結(jié)過(guò)程中,水分會(huì)變成冰晶而致自身體積膨脹,由此造成周邊土體顆粒間發(fā)生擠脹作用,使土體膨脹疏松,而當(dāng)土體融化后,土壤顆?？孔陨眇そY(jié)力不能完全恢復(fù)到凍脹前狀態(tài),導(dǎo)致土壤密度降低。凍融過(guò)程中土壤密度變化與凍融周期和土壤含水率關(guān)系密切。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,土壤密度將降低到一個(gè)接近穩(wěn)定的數(shù)值[9]。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?凍融循環(huán)中的土壤密度比未凍結(jié)前平均減小了7.17%,從第1到第5凍融周期,土壤密度分別減小了 2.79%、5.09%、 7.06%、9.52%、11.33%,密度減小幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加大。土壤密度降低程度還與含水率密切相關(guān),從20%到40%含水率處理來(lái)看,土壤密度分別較初始值分別降低了 5.48%、6.89%、7.44%、7.44%、8.6%,說(shuō)明土壤密度隨著初始含水率的增加而呈降低趨勢(shì)。由此可見(jiàn),凍融循環(huán)中的土壤密度與凍融次數(shù)、初始含水率成反比關(guān)系,到第5凍融周期時(shí),土壤密度降低幅度最大,不同含水率處理分別比初始時(shí)降低了 9.68%、10.66%、11.57%、12.4%、12.4%。結(jié)果表明,凍融交替作用導(dǎo)致黑土密度降低。

表2 凍融試驗(yàn)土壤密度測(cè)定結(jié)果Tab.2 Bulk density of soil in freezing and thawing test

2.3 凍融交替作用對(duì)黑土孔隙度的影響

在多次凍融循環(huán)過(guò)程中,黑土的密度和孔隙度都發(fā)生變化[7]。由于水分在凍結(jié)過(guò)程中由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?土體中水分形成很多的冰晶體,當(dāng)冰晶體充填滿土壤孔隙后,將會(huì)對(duì)土壤顆粒之間產(chǎn)生擠漲和推壓作用,從而土壤變得疏松多孔。

根據(jù)土壤孔隙度經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得出不同處理的土壤孔隙度見(jiàn)表3?？梢钥闯?凍融作用使土壤孔隙度平均增大5.34%,并且土壤孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增大,從第1到第5凍融周期,土壤孔隙度比初始時(shí)分別增大了2.08%、3.79%、 5.26%、7.10%、8.45%。在不同含水率處理中,土壤孔隙度隨著初始含水率的增大也呈增加趨勢(shì),到第5凍融周期末,土壤孔隙度最大,從20%到40%含水率處理看,孔隙度分別比初始值增加了7.45%、7.97%、8.53%、9.14%、9.14%。結(jié)果表明,凍融交替作用使黑土孔隙度增大。

2.4 凍融作用對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

凍融過(guò)程中土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、最初團(tuán)聚體大小、土壤含水量、凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)的影響[10-12]。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4?？芍?經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量較對(duì)照出現(xiàn)了明顯的減少,土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑也大幅度減小。其中,土壤團(tuán)聚體總量比對(duì)照平均減少了7.26%,土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑僅為0.46 mm,比對(duì)照平均減小了20%。隨著土壤初始含水率的增大,土壤團(tuán)聚體總量減少幅度和土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑減小的幅度呈增加的趨勢(shì)。說(shuō)明土壤含水率大小是影響土壤團(tuán)聚體的非常關(guān)鍵的因素,不同含水率處理的土壤團(tuán)聚體總量分別比對(duì)照減少了 5.11%、5.19%、8.08%、8.28%、9.63%,不同含水率的處理平均質(zhì)量直徑分別較對(duì)照減小了 8.62%、13.79%、22.41%、 27.59%、27.59%。

表3 凍融試驗(yàn)土壤孔隙度測(cè)定結(jié)果Tab.3 Soil porosity in freezing and thawing test

從表4還可以看出,試驗(yàn)中不同粒徑的團(tuán)聚體含量出現(xiàn)了兩極分化現(xiàn)象,其中＞1 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照平均減小了45.9%,而＜1 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照平均增加了11.1%。這說(shuō)明在凍融交替作用下,土壤結(jié)構(gòu)遭到了破壞,促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體顆粒破碎,大團(tuán)聚體在凍融作用下不斷的分解為小團(tuán)聚體,土壤平均質(zhì)量直徑減小,進(jìn)而使土壤團(tuán)聚體總量減少,降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。結(jié)果表明,凍融作用減少了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

表4 凍融作用下土壤團(tuán)聚體測(cè)定結(jié)果Tab.4 Soil aggregate in freezing and thawing action

3 結(jié)論

1)凍融作用使黑土體積膨脹增大。凍融試驗(yàn)中,黑土試塊體積因凍脹作用而平均增大7.11%,試塊體積隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加,體積變化率與含水率大小呈正相關(guān)。

2)黑土密度因凍融作用而減小。凍融作用使黑土密度平均減小了7.17%,并且隨著凍融循環(huán)周期的增加和含水率增加而不斷減小。

3)土壤孔隙度在凍融交替影響下而增大。凍融周期中,土壤孔隙度較未凍結(jié)前平均增加了5.34%,并隨著凍融周期增加、初始含水率的增大而增大。

4)凍融交替作用使土壤團(tuán)聚體總量減少,降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。在凍融循環(huán)周期中,不同處理平均土壤團(tuán)聚體總量比對(duì)照平均減少了7.26%,土壤平均質(zhì)量直徑比對(duì)照平均減小20%。土壤含水率大小是影響土壤團(tuán)聚體的非常關(guān)鍵的因素。

5)凍融作用對(duì)表層黑土結(jié)構(gòu)的影響較大,它破壞了土壤物理性狀,降低了土壤黏聚力和抗沖抗蝕能力,從而加劇了土壤侵蝕。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Effects of alternate freezing and thawing on the structure of black topsoil

Liu Xujun,Jing Guochen,Yang Yajuan,Wang Yajuan,Ren Xianping
(Heilongjiang Institute of Soil and Water Conservation,150070,Harbin,China)

A laboratory simulation of alternate freezing and thawing was carried out to investigate its effect on the structure of black topsoil.The results showed that:1)Freezing and thawing action increases topsoil volume and decreases its density,and as a result,the big soil aggregates were split into smaller ones and their average weight,size and stability decreased;2)Structural deterioration to soil was mainly affected by soil moisture and times of freeze-thaw;3)Freezing and thawing action destroyed physical properties of the black topsoil and decreased cohesion and anti-scouribility of black soil,which is the major reason for serious freeze-thawing erosion in black soil region in spring time.

black topsoil;freezing and thawing action;structure

S157.1

A

1672-3007(2015)01-0042-05

2014- 04- 10

2014- 10- 26

項(xiàng)目名稱:黑龍江省財(cái)政資助項(xiàng)目“黑龍江省凍融侵蝕機(jī)理研究”(3200632008 -01)

劉緒軍(1971—),男,學(xué)士,高級(jí)工程師。主要研究方向:水土保持措施和凍融侵蝕。E-mail:kslxj5100@163. com