凍融交替作用對黃土高原三種典型土壤可蝕性影響

張澤宇,馬波,2,李占斌,2*,曾建輝,孫寶洋,趙玉泉

凍融交替作用對黃土高原三種典型土壤可蝕性影響

張澤宇1,馬波1,2,李占斌1,2*,曾建輝1,孫寶洋3,趙玉泉4

1. 西北農林科技大學水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100 2. 中國科學院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100 3. 長江科學院水土保持研究所, 湖北 武漢 430010 4. 西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100

為研究凍融交替作用對黃土高原北部土壤可蝕性的影響，選取黃土高原北部季節性凍融區的三種典型土壤（灌淤土、黃綿土和風沙土）作為研究對象，設計室內凍融模擬試驗，利用基于機械組成和有機質含量的EPIC模型與Dg模型估算土壤可蝕性值，系統分析凍融交替作用對土壤機械組成、有機質含量及土壤可蝕性值的影響。結果表明：（1）凍融交替作用使三種供試土壤粘粒含量顯著減少（<0.05），土壤質地粗化；（2）土壤有機質含量隨凍融交替次數的增加總體呈先增加后減小再增加的趨勢；（3）相同凍融條件下，利用EPIC模型與Dg模型估算出的土壤可蝕性值具有顯著差異（<0.05），利用EPIC模型估算時，土壤可蝕性值大小表現為風沙土>灌淤土>黃綿土，利用Dg模型的估算結果與之相反。

凍融交替; 高原土壤; 可蝕性

黃土高原北部季節性凍融區的土壤在秋末及初春季節會發生“夜凍晝融”的現象，該現象稱為凍融交替作用，其通過影響土壤的理化性質，使土壤更易成為水力侵蝕、風力侵蝕等的侵蝕物質來源，加劇土壤侵蝕，嚴重影響該區域土壤侵蝕狀況及農業生產活動[1-3]。對此，國內外學者做了大量研究，研究發現凍融交替作用能夠減小土壤容重[4,5]，增大土體滲透性、使松散土的孔隙減小、密實土的孔隙增大[6]，改變土壤粘聚力和抗剪強度[7]，影響土壤團聚體含量及其穩定性[8]，改變土壤顆粒和機械組成[9]，有機質含量的變化受凍融程度、土壤質地等因素的綜合影響[10]。

土壤可蝕性（Soil Erodibility）是指土壤對侵蝕的敏感性，是評價土壤對侵蝕敏感程度的重要定量化參數，國際上一般采用K值即土壤可蝕性因子來表示[11]。經過幾十年國內外學者的大量研究，目前關于土壤可蝕性的測定方法已經比較成熟，土壤理化性質的測定、放水沖刷試驗、模擬降雨和小區試驗被用于土壤水蝕可蝕性的研究中[12]，并提出諸多模型，其中使用較廣泛的模型有USLE、RUSLE、EPIC模型、Dg模型、Torri.D模型等。張科利等[13]將USLE、EPIC模型和Dg模型應用于我國各地區土壤侵蝕，并提出適用于我國的三種模型修正公式。

本研究旨在通過室內模擬凍融試驗分析凍融交替作用對土壤機械組成和有機質含量的影響，利用模型及修正式對土壤可蝕性值進行估算，進而研究凍融對土壤可蝕性的影響，對比利用兩種模型估算得到的結果，分析其優缺點，為該地區土壤可蝕性研究提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本研究供試土壤為黃土高原北部季節性凍融區的三種典型土壤：陜西省安塞黃綿土、內蒙古包頭市灌淤土和內蒙古鄂爾多斯達拉特旗風沙土，于撂荒地采取0～30 cm土壤。將供試土壤自然風干后去除植物根系秸稈及石塊等雜質，過5 mm篩備用。如表1所示為供試土壤基本性質。

表1 三種供試土壤基本性質

1.2 室內模擬凍融試驗

將風干過篩后的土樣放入絕熱泡沫盒（內徑長72.5×寬40×深34.9 cm3）中，根據調查和實測容重與預設土壤前期含水量（4%、6%、8%、15%，風沙土增設2%）分層裝土并壓實。填土完成后，將土壤表面刮平。用保鮮膜覆蓋并包裹保溫盒，密封放置24 h，以使水分在土體中均勻分布滲透。將配好土樣放入調好溫度的冰柜中，打開盒蓋，用保鮮膜覆蓋表層，防止冰柜上蓋板冷凝水進入土體，在冰柜中凍結12 h。凍結后取出將保鮮膜揭開，在室溫下融化12 h。本研究中，土體凍結12 h然后融化12 h的過程稱為一次凍融交替。凍融交替次數設置為：0、1、3、5、7、10、15、20次。土樣在室溫條件下融化12 h后，采取土體表層（0 ～ 5 cm）土壤于自封袋中，將采集好的土壤自然風干，利用馬爾文激光粒度儀測定其機械組成，使用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質含量，每組設置3次重復實驗。

1.3 土壤可蝕性K值估算與修正

本研究中，利用基于土壤機械組成和有機質含量的EPIC模型和Dg模型估算土壤可蝕性值。1990年Williams等[14]提出的侵蝕-生產力模型EPIC中的值作為衡量土壤可蝕性的指標，見式（1）：

式中：SAN為砂粒含量(%)；SIL為粉粒含量(%)；CLA為粘粒含量(%)；C為有機碳含量(%)；SN1=1-SAN/100。

1984年Shirazi等[15]提出在土壤理化性質資料有限的情況下，建議只考慮土壤幾何平均粒徑（Dg）來計算土壤可蝕性值，計算公式（2）為：

Dg=e(0.01?lnm)(3)

式中，f為原土壤中第個粒徑級的等級質量分數，%；m為第個粒徑級兩端數值的算術平均值，mm；公式中值的單位是美國制，計算后將值乘0.1317，轉化為國際制單位[t·hm2·h /(MJ·m·hm2）]。

本研究利用張科利等在研究我國土壤可蝕性值估算提出的修正式對土壤可蝕性值進行修正轉換[13]，修正式如下：EPIC=-0.01383+0.51575williams(=0.613，=0.106) (4)

Dg=-0.00911+0.55066shirazi(=0.705，=0.051) (5)

1.4 相對變化量

本研究中三種土壤質地不同，為方便統一比較凍融交替作用對土壤理化性質的影響，對數據進行歸一化，用相對變化量來表征變化程度，計算公式：

其中，未凍融與凍融后指土壤凍融交替前后測得的指標數據。

1.5 數據分析

本研究試驗數據利用軟件Excel 2019和SPSS 26進行數理統計分析及圖表制作，進行方差分析和配對樣本檢驗，用最小顯著性差異法（LSD）對試驗結果進行多重比較。

2 結果分析

2.1 凍融交替對土壤機械組成的影響

本研究的三種供試土壤中，灌淤土粘粒（<0.002 mm）含量最高，為28.55%，其次是黃綿土粘粒含量為17.59%，風沙土粘粒含量最少，為6.73%；黃綿土粉粒（0.002～0.05 mm）含量最高，為68.63%，其次是灌淤土粉粒含量為44.78%，風沙土粉粒含量最少，為31.96%；風沙土砂粒（0.05～2 mm）含量最高，為61.32%，其次是灌淤土砂粒含量為26.67%，黃綿土砂粒含量最少，為13.78%。在凍融交替過程中三種供試土壤粘粒、粉粒和砂粒含量的變化呈現明顯的規律：灌淤土，黃綿土和風沙土粘粒（< 0.002 mm）含量隨凍融交替次數的增加均顯著減小（<0.05），如圖1所示，風沙土粘粒含量降低幅度最大，最大降幅達48.37%，灌淤土和黃綿土粘粒含量的最大降幅分別為19.08%和28.71%。初始含水量越大，凍融交替后粘粒含量減小得越多。黃綿土粉粒（0.002～0.05 mm）含量總體呈減小趨勢，灌淤土和風沙土粉粒含量總體呈增加趨勢；土壤砂粒（0.05～2 mm）含量總體呈增加趨勢，均無顯著性差異（> 0.05）。在凍融交替15次后，三種土壤粘粒、粉粒和砂粒含量的總體趨于穩定。

圖1 三種土壤粘粒含量相對變化量隨凍融交替次數的變化

Fig.1 The relative change of three kinds of soil clay content with the number of freeze-thaw cycles

2.2 凍融交替對土壤有機質含量的影響

本研究中，三種土壤在未進行凍融處理時的有機質含量表現為：灌淤土（12.33 g/kg）>黃綿土（5.38 g/kg）>風沙土（3.31 g/kg）。在凍融過程中，灌淤土有機質含量的變化范圍為12.19～12.76 g/kg，黃綿土有機質含量的變化范圍為5.25～5.83 g/kg，風沙土有機質含量的變化范圍為3.25～3.52 g/kg。隨著凍融交替次數的增加，灌淤土、黃綿土和風沙土的有機質含量變化差別較大，但總體呈現先增大后減小再增大的變化規律。黃綿土和風沙土的有機質含量變化幅度逐漸增大，相反，灌淤土的有機質含量變化幅度逐漸減小。如圖2所示，灌淤土、黃綿土和風沙土有機質含量分別在第3次和第20次凍融交替后達到最高水平，較未凍融土壤分別增加2.64%、8.28%和5.26%。在凍融交替10次和15次時，不同初始含水量條件下三種土壤的有機質含量均達到最低水平。除初始含水量為4%的風沙土外，不同初始含水量條件下三種土壤經過20次凍融交替后，土壤有機質含量均增加。

圖2 三種土壤有機質含量相對變化量隨凍融交替次數的變化

Fig.2 The relative change of three kinds of soil organic matter content with the number of freeze-thaw cycles

2.3 凍融交替對土壤可蝕性K值的影響

利用基于土壤機械組成和有機質含量的EPIC模型和Dg模型計算三種土壤在凍融交替條件下的土壤可蝕性值，并用公式（4）和（5）進行修正。配對樣本檢驗結果表明，相同條件下，兩種方法估算出的值具有顯著差異（<0.05）。利用EPIC模型計算的凍融前后3種土壤值（EPIC）變異系數均大于Dg模型（Dg）。利用 EPIC 模型估算的土壤可蝕性值表現為風沙土>灌淤土>黃綿土，與利用Dg模型的估算結果相反。在凍融過程中，灌淤土、黃綿土和風沙土EPIC在凍融過程中變化范圍為0.0068 ～ 0.0091、0.0054 ～ 0.0065和0.0240 ～ 0.0314 t·hm2·h /( MJ·mm·hm2），KDg變化范圍為0.0167 ～ 0.0185、0.0179 ～ 0.0187和0.0110 ～ 0.0135 t·hm2·h /( MJ·mm·hm2）。

圖3 三種土壤KEPIC和KDg相對變化量隨凍融交替次數的變化

Fig.3 The relative changes of KEPIC and KDg of three soils with the number of freeze-thaw cycles

如圖3所示，不同含水量條件下，隨凍融交替次數的增加，灌淤土和黃綿土EPIC和Dg均呈增加趨勢,無顯著差異(>0.05)，在15次凍融交替后，EPIC和Dg趨于穩定。風沙土EPIC隨凍融交替次數的增加總體呈增加趨勢，相反Dg隨凍融交替次數的增加呈減小趨勢，均無顯著差異(>0.05)。灌淤土在凍融交替15次后變化量達到最大，EPIC相對變化量為24.95%，Dg相對變化量為7.69%；黃綿土在凍融交替20次后變化量達到最大，EPIC相對變化量為16.06%，Dg相對變化量為5.29%；風沙土在凍融交替10次后變化量達到最大，EPIC相對變化量為12.51%，Dg相對變化量為18.33%。分析可知，EPIC模型和Dg模型應用于灌淤土和黃綿土時得到的變化趨勢總體相近，應用于風沙土時，兩種模型得到的結果差別巨大。

3 討 論

凍融交替過程中，發生“凍后聚熵”的現象，溫度變化間接導致土體中水勢變化，從而驅動水分運移。在凍結過程中，土壤溫度由上至下依次降低，上層土壤溫度下降時，水汽壓降低，低于下層土壤水汽壓，形成汽壓梯度，下層土壤中的水汽向上層移動；在融化過程中，土壤溫度由上至下依次升高，上層土壤中的水分向下移動。同時，凍融作用會使土壤的孔隙度增大，這為細小顆粒的移動提供了通道。粘粒融化后在水分運動和重力作用下，逐漸向下層移動，使得表層土樣的粘粒含量均顯著減少，且減小幅度受凍融交替次數和初始含水量影響，凍融交替次數越多，初始含水量越大，凍融程度越大，粘粒含量減少越多。已有研究發現，凍融作用會使土壤的干容重減小，且略小于下層土壤的干容重[16]。究其原因可能為水分在向下運移過程中，會挾帶部分細顆粒。表層土壤粉粒和砂粒含量增大，是由于土壤顆粒含量表示為質量分數，當粘粒含量減少，粉粒和砂粒所占比重增加，故含量增大。

使用模型估算土壤可蝕性值時，不同公式的理化性質指標不同，其敏感度也不同，Dg模型以土壤機械組成為基礎估算K值，而EPIC模型還需土壤有機質含量，凍融交替對有機質含量有影響，因此，兩種模型估算的土壤可蝕性K值結果存在差異。Dg模型公式是土壤可蝕性值關于幾何平均粒徑Dg的函數關系式，研究發現，當Dg=0.0211 mm時，值最大；當Dg<0.0211 mm時，值與Dg呈正相關關系；當Dg>0.0211 mm時，值與Dg呈負相關關系。在本研究中，黃綿土和灌淤土的幾何平均粒徑Dg均略小于0.0211 mm，風沙土的幾何平均粒徑Dg遠大于0.0211 mm，故出現風沙土的土壤可蝕性值小于黃綿土和灌淤土的結果。這與王彬等[17]和Romkens等[18]研究相同，土壤過于粘重（Dg減小）或質地過于粗化（Dg增加），均會使土壤可蝕性減小，最大的土壤可蝕性出現在壤質土情況。因此，Dg模型的適用條件受到一定限制，EPIC模型更適合黃土高原季節性凍融區的侵蝕預報與研究。

4 結 論

（1）凍融交替過程中，三種土壤的粘粒含量顯著減小（<0.05），土壤質地粗化，灌淤土、黃綿土和風沙土凍融前后相對變化量達到-19.08%、-28.71%和-48.73%；

（2）凍融交替過程中，三種土壤的有機質含量總體呈先增加后減小再增加的趨勢；

（3）相同凍融交替條件下，EPIC模型與Dg模型估算出的土壤可蝕性值具有顯著差異（<0.05），利用EPIC模型估算時，土壤可蝕性值表現為風沙土>灌淤土>黃綿土，相反，利用Dg模型的估算結果表現為風沙土<灌淤土<黃綿土。

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Influence of Freeze-Thaw Alternation on the Erosibility of Three Typical Soils in the Loess Plateau

ZHANG Ze-yu1, MA Bo1,2, LI Zhan-bin1,2*, ZENG Jian-hui1, SUN Bao-yang3, ZHAO Yu-quan4

1.712100,2.712100,3.430010,4.712100,

In order to study the influence of the alternation of freezing and thawing on the soil erodibility in the northern Loess Plateau, three typical soils (irrigated silt soil, loess soil and aeolian sand soil) in the seasonal freezing and thawing area of the northern Loess Plateau were selected as the research objects, and an indoor freeze-thaw simulation was designed in the experiment, the EPIC model and the Dg model based on mechanical composition and organic matter content are used to estimate the soil erodibilityvalue, and the influence of freeze-thaw alternation on soil mechanical composition, organic matter content and soil erodibilityvalue is systematically analyzed. The results showed that: (1) The freeze-thaw alternation effect significantly reduced the clay content of the three types of soils (<0.05), and the soil texture became coarser; (2) The soil organic matter content increased first and then decreased with the increase in the number of freeze-thaw alternations. (3) Under the same freezing and thawing conditions, the soil erodibilityvalue estimated by the EPIC model and the Dg model are significantly different (<0.05). When the EPIC model is used to estimate the soil erodibility, thevalue of soil erodibility is in the order of aeolian sandy soil> irrigated silt soil> loessal soil, and the estimation result using the Dg model is contrary to this.

Freeze-thaw alternation; plateau soil; erodibility

S155.2+94

A

1000-2324(2021)05-0813-06

2020-12-25

2021-05-12

國家自然科學基金面上項目:黃土高原凍融對水蝕過程的作用機理研究(41771311);中央級公益性科研院所基本業務費項目:凍融作用對長江源區土壤可蝕性影響機制研究(CKSF2019179/TB);中央級公益性科研院所基本業務費項目:江源地區水循環及生態境演變與適應性保護研究(CKSF2019292/SH);西北農林科技大學大學生創新訓練項目:凍融交替對土壤抗蝕性的影響研究(S202010712569)

張澤宇(1996-),男,碩士研究生,主要從事土壤侵蝕研究. E-mail:m18392426454@163.com

通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zhanbinli@126.com