春季解凍期棕壤崩解性研究

顧廣賀，范昊明，賈燕鋒，王志濤

(沈陽農業大學 水利學院，遼寧 沈陽 110866)

土壤崩解是指土壤在靜水中發生碎裂解體或強度減弱的現象，它與土壤抗沖性之間存在較密切的冪函數關系[1]。土壤崩解速率是評價土壤可蝕性的一項重要指標[2]。國內外對于土壤崩解的研究相對較少，但仍有一些較有價值的研究成果：張曉媛等研究指出，土樣崩解速率與土壤含水率的相關性顯著，而與容重的相關性不顯著[3]；唐軍等研究發現，土壤本身的礦物成分、顆粒大小、初始含水率等因素對土樣崩解有重要影響[4]；郭永春等研究發現，干濕循環導致含水率的變化是紅層泥巖發生崩解的主要原因，土壤本身的結構、性質及外界環境變化會對土壤崩解性產生影響[5]。以往對土壤崩解性的研究多考慮土壤本身性質對崩解的影響，很少考慮外營力對土壤崩解性的影響。土壤凍融作用在我國廣泛存在，據第二次全國土壤侵蝕遙感調查資料統計，我國可發生凍融侵蝕的面積超過126.98萬km2，約占國土總面積的13.4%[6]。廣泛存在的凍融作用可以改變土壤結構，影響土壤崩解速率，從而影響土壤抗蝕性。Konrad認為反復凍融能改變土壤結構性，破壞土壤顆粒間的聯結力，使土壤顆粒得以重新排列[7]。劉佳等認為隨著凍融循環次數的增加，土壤容重減小，孔隙度增大[8]。國內外對于凍融作用機理的研究起步較早，但其對土壤相關物理、力學性質的研究大多傾向于對工程的影響方面，而研究土壤凍融后其性狀發生改變對土壤抗蝕性影響的并不多見。本研究以棕壤為研究對象，通過測定不同土壤含水率與凍融循環次數條件下棕壤的崩解速率，研究凍融作用對棕壤崩解性的影響，試從機理上分析凍融作用對土壤抗蝕性的影響規律，這將對春季解凍期土壤侵蝕預報及防治起到重要作用。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與制備

試驗選擇占遼寧省土壤面積36.32%的棕壤作為供試土壤，試驗土樣取自沈陽市東陵區天柱山上沈陽農業大學蠶場與油松林交界處，取土區域為暖溫帶濕潤區，地貌為中山、低山丘陵，屬典型棕壤區。2012年4月初，取表層0—20 cm土壤帶回室內風干備用，同時采用環刀法測定土壤自然容重和土壤飽和含水率，用比重計法測定土壤機械組成。經測定，土壤自然容重為1.35 g/cm3，土壤飽和含水率為37.89%，土壤機械組成見表1。

待土壤風干后，過孔徑5 mm篩，并剔除植物根系及其他雜質，制成崩解試樣。具體制備過程如下：將過篩后的土壤填入邊長為5 cm的立方體鐵盒，制成容重為1.35 g/cm3的土壤試樣，土壤含水率分別控制為12%、16%和20%，并用塑料薄膜對土壤試樣進行24 h密封以保證土壤具有均勻含水率。課題組前期研究發現，土壤經歷10次凍融循環后物理性質變化較小[9]，因此本試驗將凍融循環次數設為0(不發生凍融)、1、3、5、7和10次，每個凍融循環歷時24 h(凍結12 h，融化12 h)，凍融上限溫度為7 ℃，凍融下限溫度為-15 ℃，每個處理設3個重復，共制作試樣54個。

表1 棕壤土機械組成

1.2 試驗方法

2012年4月下旬至5月上旬，待崩解試樣達到設定凍融循環次數后，對凍融后土樣進行崩解試驗。試驗方法參照水利部《土工試驗操作規程》中濕化試驗的規定。試驗裝置包括崩解缸(46 cm×16 cm×70 cm)、崩解架(10 cm×10 cm×10 cm)、網板(10 cm×10 cm，孔徑為1 cm)、帶刻度的浮筒(直徑6.5 cm，高25 cm，最小刻度為1 mm)。

試驗時將土樣放在崩解架上，慢慢將崩解架放入水中，當土樣底部接觸水時開始計時，手放開裝置時讀取浮筒的讀數，用秒表記錄土壤崩解時間。前2 min每隔10 s記錄一次浮筒讀數，2—5 min之間每隔30 s記錄一次浮筒讀數，5 min之后每隔1 min記錄一次浮筒讀數。根據前期預試驗觀察，15 min之后浮筒讀數不再發生變化，因此本試驗觀測時間設定為15 min，如果15 min后未全部崩解，則記錄浮筒讀數并結束崩解試驗。

根據浮力的物理計算公式整理得土壤崩解速率的計算式為

式中：v為崩解速率，cm3/min；S為浮筒底面積，本試驗為33.18 cm2；l0為試樣浸入水中時浮筒的起始讀數，cm；lt為試驗進行至t時刻浮筒的讀數，cm；t為崩解時間，min；Y為土樣容重，取1.35 g/cm3。

2 結果與分析

2.1 崩解過程

隨著土壤含水率的變化，棕壤崩解過程表現出一定的異同點：含水率為12%的土樣浸入清水時，棕壤表面細小顆粒迅速散落水中，周圍立即混濁，棕壤崩解迅速，一段時間后，崩解速度逐漸減慢，隨著土壤結構的破壞，棕壤崩解速度有少許提高，但很快崩解速度又減緩直至完全崩解，整個崩解過程中，棕壤崩解速率變化較大。含水率為16%的土樣浸入清水時，試驗前期棕壤崩解速度緩慢，一段時間過后，隨著棕壤邊緣結構的破壞，棕壤崩解速度逐漸加快，崩解速度達到峰值后又逐漸變緩。含水率為20%的土樣浸入清水時，崩解速度緩慢，只有邊緣處零星的棕壤發生崩解。不同土壤含水率的棕壤在崩解過程中均有氣泡溢出，崩解進行到最后均有一部分難于崩解，隨著土壤含水率的增加崩解殘留物逐漸增多。

棕壤崩解具有階段性，隨著試驗的進行，崩解速率逐漸減小，各含水率棕壤0—1 min平均崩解速率為30.3 cm3/min，1—5 min平均崩解速率為2.25 cm3/min，5—15 min平均崩解速率為0.35 cm3/min(表2)。棕壤崩解具有邊緣效應，崩解并不是無限發展，而是受浸水邊界的影響，浸水邊界在浸水后發生崩解，速度由快到慢，崩解進行到最后，崩解架上留有一部分棕壤不易崩解，這一點與黃土的邊界效應相似[10]。產生這種現象的主要原因是棕壤發生崩解時，邊緣部分先發生崩解，內部土壤有一定時間進行浸潤，由于浸潤作用，內部土壤含水率有一定程度提高，土壤顆粒間黏結力增大，土壤抗崩性增強，崩解速率隨之減小。

表2 不同時段棕壤崩解速率

2.2 凍融循環次數對土壤崩解速率的影響

反復的凍融循環會改變土壤容重、孔隙度等物理性質[9]。土壤性質的改變必然會引起崩解速率的變化。研究結果表明：隨著凍融循環次數的增加，棕壤崩解速率總的變化趨勢為先減小后增大(圖1)，經歷0、1、3、5、7、10次凍融循環的棕壤平均崩解速率分別為7.56、4.95、3.51、3.47、5.82、9.87 cm3/min，凍融循環次數由0次增加至10次，崩解速率分別變化了-2.61、-1.44、-0.04、2.35、4.06 cm3/min(負號代表崩解速率減小)。凍融循環次數較少時，凍融作用的凍脹效應使得土壤顆粒發生破裂、解體，土壤大顆粒變為小顆粒，小顆粒堵塞土壤孔隙阻礙外部水分進入土壤，使棕壤崩解速率減小。隨著凍融循環次數的增加，凍融作用的累加效應逐漸顯露，土壤凍脹越發嚴重，凍結時土壤水變成冰晶體而體積增大，冰晶體填充土壤孔隙，使得土壤顆粒之間產生推力，從而引起土壤顆粒的位移，土壤孔隙增大；融化過程中又存在水分的遷移，增加土粒之間的推動作用，帶走孔隙中的細小土粒，不斷的凍融循環迫使土壤孔隙度增大，土壤變得疏松多孔，嚴重破壞土體結構，崩解速率隨之增大。

圖1 棕壤崩解速率隨凍融循環次數的變化

2.3 含水率對土壤崩解速率的影響

由于土壤含水率直接影響土壤顆粒的連結狀況，因此土壤初始含水率是影響其發生崩解的重要因素之一[3]。研究結果表明：凍融循環次數一定時，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小(圖2)，當土壤含水率為12%、16%和20%時，經歷凍融作用的棕壤平均崩解速率分別為12.89、3.68和0 cm3/min，土壤含水率由12%增加到16%、由16%增加到20%時，棕壤平均崩解速率分別減小9.21、3.68 cm3/min。由此可知，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率變化幅度減小，當土壤含水率為20%時，經歷凍融作用后，棕壤未發生崩解。這是因為隨著土壤含水率的增加，土壤凍融作用更為強烈，凍脹更為嚴重，凍融作用的增強一定程度上破壞了土壤原有結構，降低了土壤抗崩性，但同時隨著土壤含水率的提高，土壤顆粒之間的黏結力增加，土壤顆粒可以更牢固地結合在一起，保持土壤原有結構，黏結力的增強一定程度上削弱了凍融作用對土壤結構的破壞。隨著土壤含水率的增加，水分浸潤作用增強，土壤顆粒體積增大，增大的體積向孔隙填充，阻礙外部水進入土壤內部，進而增強了棕壤的抗崩性。綜合來看，土壤顆粒間黏結力的增強、土壤顆粒體積增大對于崩解速率的影響更為顯著，所以隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小。

圖2 棕壤崩解速率隨含水率變化

3 結 論

(1)棕壤崩解具有階段性，隨著試驗的進行，棕壤崩解速率逐漸減小，0—1 min平均崩解速率為30.3 cm3/min，1—5 min平均崩解速率為2.25 cm3/min，5—15 min平均崩解速率為0.35 cm3/min，棕壤崩解具有邊緣效應。

(2)在凍融循環次數一定的條件下，隨著土壤含水率的增加，棕壤崩解速率逐漸減小，當土壤含水率由12%增加到16%時，經歷不同凍融循環次數的棕壤平均崩解速率減小了9.21 cm3/min，當土壤含水率由16%增加到20%時，棕壤平均崩解速率減小了3.68 cm3/min。

(3)在土壤含水率一定的條件下，隨著凍融循環次數的增加，棕壤崩解速率先減小后增加，經歷0、1、3、5、7、10次凍融循環的棕壤平均崩解速率分別為7.56、4.95、3.51、3.47、5.82、9.87 cm3/min。

[參考文獻]

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[3] 張曉媛,范昊明,楊曉珍,等.容重與含水率對砂質黏壤土靜水崩解速率影響研究[J].土壤學報,2013,50(1):214-218.

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[5] 郭永春,謝強,文江泉,等.紅層泥巖崩解特性室內試驗研究[J].路基工程,2008,13(2):53-55.

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[10] 李喜安,黃潤秋,彭建兵.黃土崩解性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(1):3207-3213.