肖俊波，孫寶洋，馬建業(yè)，劉晨光，孫艷，王敏，李占斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，530023，南寧;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地退化和生態(tài)環(huán)境惡化的根本原因，是世界性的重大環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展［1-3］。土壤由于溫度降低和升高而產(chǎn)生凍結(jié)和融化，一凍一融對土壤的理化和生物學(xué)性質(zhì)均產(chǎn)生直接或間接影響［2-8］，導(dǎo)致的水土流失，在全球廣泛分布［1，3-5］。季節(jié)性凍融一般表現(xiàn)為冬季凍結(jié)，春季消融，因此，凍融作用是春季解凍期坡面、溝道侵蝕發(fā)生的主要外營力之一［3，6-8］;而冬季土壤凍結(jié)前的初始含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、土層深度等是影響季節(jié)性凍融作用的主要因素［2，5-10］。由于凍融侵蝕發(fā)生環(huán)境惡劣、侵蝕過程復(fù)雜以及監(jiān)測試驗(yàn)?zāi)M困難等原因［7，11］，目前的研究多集中在凍融作用對土壤物理和力學(xué)性質(zhì)的影響以及凍融作用對土壤抗蝕性的影響［2-5］;然而，關(guān)于凍融作用對土壤分離能力的影響目前鮮有報(bào)道。土壤分離是土壤侵蝕發(fā)生的初始階段［12-13］，土壤分離能力則為同一坡度和流量條件下，清水徑流沖刷作用下，單位時(shí)間、單位面積上土壤的流失量［13-15］。國外學(xué)者對土壤分離能力的預(yù)測開展了大量研究，WEPP模型采用水流剪切力［16］，EUROSEM 模型［17］和 LISEM 模型［12］均采用單位水流功率［18-19］，GUEST 模型［14］則采用了有效水流功率。在國內(nèi)，有研究表明土壤分離能力與水流剪切力之間存在線性關(guān)系［17，20］，還有研究表明水流功率是描述土壤分離能力最好的參數(shù)［20］。在坡面沖刷過程中，除考慮水動力學(xué)參數(shù)外，土壤分離能力還受土壤性狀(土壤類型、土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、黏結(jié)力等)的影響，坡面土壤分離過程是由坡面水蝕因子和土壤自身性質(zhì)共同決定的［21］。

目前，國內(nèi)外關(guān)于凍融侵蝕動力過程及其作用機(jī)理的研究尚處于起步階段［3-4］。尤其在季節(jié)性凍融和風(fēng)水復(fù)合侵蝕交錯(cuò)區(qū)，有關(guān)凍融對土壤分離能力影響的研究更是極少。在我國內(nèi)蒙古季節(jié)性凍融區(qū)，初春季節(jié)土壤夜晚凍結(jié)白天融化影響土壤的密度、滲透性、含水量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等，從而改變土壤分離能力，使土壤更易遭受侵蝕［2，6-7］;因此，為揭示凍融條件下影響風(fēng)沙土分離能力因素的效應(yīng)，采用變坡水槽進(jìn)行土壤分離試驗(yàn)，以期為復(fù)合侵蝕區(qū)凍融對水蝕影響的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特旗十大孔兌東柳溝流域，屬于典型大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒而漫長，夏季炎熱而短暫。境內(nèi)年降水量為240～360 mm，降雨和徑流年內(nèi)分布不均，汛期(6—9月)降雨量占全年降水量的82%，且汛期降雨集中，多以暴雨形式出現(xiàn)，洪水陡漲陡落。汛期(6—9月)徑流占66%，3月份，由于冰雪消融，徑流增加，約占全年徑流量的12%。研究區(qū)年平均氣溫為6℃左右，最高氣溫達(dá)40.2℃，最低氣溫－34.5℃。1月平均氣溫＜0℃，冬春季研究區(qū)均有不同程度的凍融現(xiàn)象［22］。

供試土壤屬于風(fēng)沙土，在凍融和風(fēng)水復(fù)合侵蝕交錯(cuò)區(qū)廣泛分布，實(shí)驗(yàn)土樣的顆粒組成分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)土顆粒分析表Tab．1 Gradation test results of sample particles

2 材料與方法

試驗(yàn)選取凍融循環(huán)次數(shù)、土壤含水率、坡度、放水流量、土層深度5個(gè)影響因子，每個(gè)因子設(shè)5個(gè)水平，采用國內(nèi)外廣泛使用的正交科研設(shè)計(jì)法，各因素間不考慮交互作用影響，選用不含交互作用的L25(55)正交試驗(yàn)表作為本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)用表(表2)，共進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。供試土壤剔除植物根系和雜物后自然風(fēng)干，然后過2 mm篩，測定風(fēng)干土含水量為1.1%，運(yùn)用分層配土方法在60 cm×30 cm×20 cm(長×寬×高)泡沫保溫盒中配置成5種不同質(zhì)量含水率的土壤(3%、6%、9%、12%和15%)，將配置好裝有土壤的保溫盒放置在室溫下靜置12 h，用保鮮膜覆蓋防止水分蒸發(fā)散失，然后將土樣放入制冷機(jī)中進(jìn)行交替凍融循環(huán)。模擬夜晚凍結(jié)白天融化，試驗(yàn)中，凍結(jié)溫度保持在－20℃左右，凍結(jié)12 h，然后取出，在室溫中解凍，室溫為5～10℃，解凍時(shí)間12 h。

土壤分離能力指標(biāo)的獲取采用室內(nèi)模擬放水沖刷實(shí)驗(yàn)。用200 mm×50 mm×40 mm(長×寬×高)的特制取樣器，分別在經(jīng)過試驗(yàn)要求凍融循環(huán)次數(shù)的保鮮盒內(nèi)，按照試驗(yàn)要求深度分層采集原狀土，取樣器設(shè)有偏刃刀口，減少取樣過程中對土壤的擾動，每個(gè)處理3次重復(fù)。沖刷裝置主要由2部分組成，即沖刷槽和供水槽。沖刷試驗(yàn)開始前，根據(jù)設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)要求分別調(diào)節(jié)坡度和流量，放水沖刷至土樣器中土樣被剝離3 cm左右［22］，并記錄所用時(shí)間T。沖刷試驗(yàn)開始時(shí)，自產(chǎn)流開始用徑流桶收集水流泥沙樣，直至沖刷試驗(yàn)結(jié)束。沖刷結(jié)束后稱量各個(gè)桶內(nèi)的徑流泥沙量，然后將徑流桶靜置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上層清液，將剩余泥沙水樣轉(zhuǎn)移至鐵盒內(nèi)，置于烘箱中105℃烘干稱量，測定沖刷泥沙質(zhì)量。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及5個(gè)因素及水平Tab．2 Orthogonal design table and five factors and levels

土壤分離能力是指同一坡度和流量條件下，清式中:Dc為土壤分離能力，g/(m2·s);Q為試驗(yàn)沖刷掉土樣質(zhì)量，g;A為土樣面積，cm2;T為沖水時(shí)間，s。

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。水分離土壤的最大速率，可用沖刷掉土樣干質(zhì)量來計(jì)算［13］:

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融條件下土壤分離能力變化特征

采用極差分析方法，分析各因素對風(fēng)沙土分離能力的影響效應(yīng)。如表3所示，影響土壤分離能力的各因素極差順序?yàn)镽1(667.17)＞R3(252.60)＞R2(78.75)＞R4(64.47)＞R5(43.94)，坡度的極差值(R1)最大，其次為流量，而其他3種因素極差值較接近，且比坡度極差小1個(gè)數(shù)量級。這說明坡度和流量是風(fēng)沙土的分離能力主效應(yīng)影響因素，而與凍融相關(guān)的含水量、循環(huán)次數(shù)和土層深度是風(fēng)沙土分離能力的次效應(yīng)影響因素。當(dāng)坡度為25°、土壤含水量為6%、試驗(yàn)放水流量為1.2 L/min、凍融循環(huán)次數(shù)為4次、土層深度為16～20 cm時(shí)，風(fēng)沙土分離能力最大。由方差分析(表4)可知，不同水平的土壤含水量、坡度、放水流量和土層深度對風(fēng)沙土分離能力均具有極顯著影響(P＜0.01)，凍融循環(huán)次數(shù)顯著影響風(fēng)沙土分離能力(P＜0.05)。

表3 不同模擬條件下的土壤分離能力Tab．3 Soil detachment capacity under different conditions

表4 基于方差分析的各因子對土壤分離能力的顯著性Tab．4 Significance of factors'effects on soil detachment capacity based on ANOVA

3.2 土壤分離能力與坡度、流量的關(guān)系

風(fēng)沙土分離能力與坡度和流量的關(guān)系如圖1和圖2，相關(guān)分析的結(jié)果表明風(fēng)沙土分離速率與流量和坡度在0.01水平顯著相關(guān)，凍融條件下土壤分離能力隨著坡度和流量的增加呈線性增加的趨勢，其關(guān)系式分別為:

式中:W為放水流量，L/min;S為坡度，%。

由式(2)和(3)可知，在本研究的凍融試驗(yàn)條件下，產(chǎn)生風(fēng)沙土分離的徑流存在臨界流量0.07 L/min和臨界坡度6.18%，只有當(dāng)流量或坡度大于該值時(shí)，土壤分離才能發(fā)生。這與非凍土土壤分離能力隨流量和坡度變化規(guī)律相一致［13，21，23］。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)坡度為9%時(shí)，土樣被剝離3 cm需要15 min以上，當(dāng)坡度增加到18% ～46%時(shí)，平均用時(shí)為1 min。這說明接近臨界坡度時(shí)土壤不易被剝離，而隨著坡度的增大，徑流剝離3 cm深土樣用時(shí)大幅減少。其主要原因是土壤經(jīng)過凍融循環(huán)后土壤穩(wěn)定性降低，土壤可蝕性增加，坡度增大使流速和徑流剪切力增加，土樣更易被沖刷，導(dǎo)致土壤分離能力增加。

圖1 土壤分離能力與坡度關(guān)系Fig．1 Correlation of soil detachment capacity with slope

圖2 土壤分離能力與流量關(guān)系Fig．2 Correlation of soil detachment capacity with flow discharge

3.3 含水量、循環(huán)次數(shù)對土壤分離能力的影響

由表2可知，相對于坡度，含水量與凍融循環(huán)次數(shù)是風(fēng)沙土分離能力的次影響因素，含水量與循環(huán)次數(shù)對土壤分離能力具有顯著影響(P＜0.05)。由圖3可知，土壤分離能力隨含水量增加呈先增大后減小再增大的變化趨勢。當(dāng)風(fēng)沙土含水量為9%時(shí)，土壤分離能力達(dá)到最小(233.80 g/(m2·s))，當(dāng)含水量為6%，風(fēng)沙土分離能力達(dá)最大值(294.39 g/(m2·s))。凍融主要通過增加土壤可蝕性來改變土壤的分離能力，而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤可蝕性的重要指標(biāo)［24］，含水量過高或過低均破壞土壤穩(wěn)定性［24-26］。由圖3可見，含水量過高或過低的土壤較中等含水量的土壤分離能力大。

由圖3可知，凍融循環(huán)次數(shù)對風(fēng)沙土分離能力的影響最小;但是試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土經(jīng)凍融循環(huán)后，其土壤分離能力有明顯增加，后減小并逐漸趨于平緩的趨勢。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為4時(shí)，風(fēng)沙土分離能力達(dá)到最大，為282.01 g/(m2·s)。隨凍融次數(shù)增加，土壤密度減小，孔隙度增大［28］，各級團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體總量和平均重量直徑降低，導(dǎo)致土壤可蝕性增加［24，27-28］。當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到10以上時(shí)，風(fēng)沙土分離能力的變化減小并逐步趨于平緩，凍融循環(huán)次數(shù)的增加可能對土壤可蝕性的影響能力降低。

圖3 含水量和凍融循環(huán)次數(shù)對土壤分離能力影響Fig．3 Effect of soil moisture and freeze-thaw cycle on soil detachment capacity

3.4 土壤分離能力與土層深度的關(guān)系

由表2可知，土層深度對土壤分離能力影響最小，但對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響(P＜0.05)。由圖4可知，風(fēng)沙土的分離能力隨土層深度增大呈線性增加，線性關(guān)系為

土壤凍結(jié)過程是由上至下逐漸凍結(jié)，在土壤水勢作用下，下層水分向上運(yùn)移，導(dǎo)致土壤含水量由上至下逐漸降低［6，26］。如圖4所示，隨著土層深度的增加，風(fēng)沙土分離能力逐漸增加，但處于中層的土壤，其土壤分離能力最小，為231.68 g/(m2·s)。由此可知，土層深度主要是通過改變土壤水分的再分布來間接影響土壤分離能力，與凍融過程中含水量對土壤分離能力的影響基本一致。

圖4 土壤分離能力和土層深度關(guān)系Fig．4 Correlation of soil detachment capacity with soil depth

4 討論

季節(jié)性凍融對土壤的理化和生物學(xué)性質(zhì)均產(chǎn)生直接或間接影響［2，7］，會對土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，凍融后土壤變得疏松多孔，產(chǎn)生大量可蝕物質(zhì)［28］，大大增加土壤的分離能力。經(jīng)過室內(nèi)模擬凍融試驗(yàn)后，通過室內(nèi)放水試驗(yàn)得出，坡度和放水流量是影響土壤分離能力的主導(dǎo)因素，風(fēng)沙土分離的徑流存在臨界流量(0.07 L/min)和臨界坡度(6.18%)，只有當(dāng)流量或坡度大于該值時(shí)，土壤分離才能發(fā)生。這與非凍土土壤分離能力隨流量和坡度變化規(guī)律相一致［21-23］。

土壤含水量、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度都是通過改變土壤基本性質(zhì)來影響風(fēng)沙土分離能力，相對于水動力條件的影響較弱;然而，外界環(huán)境溫度和土壤水分含量及賦存狀態(tài)制約著凍融的基本過程、作用范圍及程度，不可避免地引起土壤三相組分的改變，并造成土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性的變化［2，6-7］。土壤水分含量過高或過低均能降低土壤團(tuán)聚體含量并破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［2，24］，導(dǎo)致土壤的分離能力加強(qiáng)。另外，凍融循環(huán)會造成土壤水分再分布，導(dǎo)致凍融過程中，土粒擴(kuò)張與收縮這兩個(gè)截然相反的過程作用于土壤的不同部位，分別對土壤穩(wěn)定性的減弱或增加產(chǎn)生影響［24-25，29］。同時(shí)，凍融循環(huán)的反復(fù)作用通過壓實(shí)土壤，又會增加表層土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［24-25］。本研究中發(fā)現(xiàn):凍融循環(huán)次數(shù)對風(fēng)沙土分離能力的影響存在作用臨界，超越10次凍融循環(huán)后，不同土壤水分含量條件下的抗沖系數(shù)都逐漸趨于穩(wěn)定值。鑒于以上研究結(jié)果，我國季節(jié)性凍融區(qū)，在初春季節(jié)出現(xiàn)凍融交替前，為使土壤水分含量維持在合理水平，可采取地膜覆蓋、秸稈覆蓋等措施以維持恒定的地表溫度及土壤含水穩(wěn)定，并避免犁耕翻地等耕作活動，降低凍融交替作用對耕層土壤特性產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)，預(yù)防凍融作用導(dǎo)致的風(fēng)沙土分離能力加強(qiáng)，防治初春降雨及冰雪融水引發(fā)的土壤流失。

5 結(jié)論

1)坡度和流量是影響風(fēng)沙土的分離能力主效應(yīng)因素，而與凍融相關(guān)的含水量、循環(huán)次數(shù)和土層深度是土壤分離能力的次效應(yīng)影響因素。當(dāng)流量＞0.07 L/min或坡度＞6.18%時(shí)，風(fēng)沙土分離才能發(fā)生。凍融坡面風(fēng)沙土分離能力隨坡度、放水流量增大而呈現(xiàn)明顯增大趨勢。

2)凍融過程中土層深度主要是通過土壤水分的再分布量來間接影響風(fēng)沙土分離能力，土壤水分含量過高或過低均能增大風(fēng)沙土分離能力，且隨著土層深度的增加，各層土壤的分離能力逐漸增加，然而中間層土壤的分離能力最小。

3)風(fēng)沙土土壤分離能力隨凍融循環(huán)次數(shù)呈先增加后減小并逐漸趨于平緩的趨勢。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為4時(shí)，風(fēng)沙土分離能力達(dá)到最大，為282.01 g/(m2·s);但是在10次凍融循環(huán)以后，風(fēng)沙土分離能力的變化減小并逐步趨于平緩，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對風(fēng)沙土分離能力的影響能力降低。

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