姜 宇 劉 博 范昊明 馬仁明

（沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，沈陽 110866）

凍融循環(huán)作為一種溫度變化的具體形式，可以被理解為一種特殊的強風化作用形式，對土的物理力學性質(zhì)有著強烈的影響［1-4］。地球上中緯度大部分地區(qū)經(jīng)受季節(jié)性凍融作用，在我國的東北、西北及西南的高海拔地區(qū)，土壤均不同程度地受到凍融作用的影響。黑土在我國東北地區(qū)分布廣泛，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用也極為重要［5］。因此，研究凍融作用對開展黑土區(qū)侵蝕機理研究及合理利用黑土資源具有重要意義。

國內(nèi)外關于凍融作用對土體影響的研究起步較早，早在1989年Konrad［6］提出反復凍融破壞了土壤顆粒間的聯(lián)結(jié)力，使土壤顆粒重新排列，從而改變土的力學性質(zhì)［7］。最初關于凍融作用的研究多是傾向其對工程的影響，而對于凍融作用對寒區(qū)耕地的土壤性質(zhì)以及凍融侵蝕的影響研究較少。近年來很多研究采用不同的試驗方法，表明凍融作用可以顯著降低土壤容重、增加孔隙度、提高飽和導水率，并且容重的變化與凍土溫度和土壤含水率密切相關。鄧西民等［8］認為由于負溫低時會有更多的土壤毛管水和吸附水凍結(jié)，還會引起水分由暖端向冷端遷移聚集凍結(jié)，使容重和孔隙度發(fā)生更大的變化。Lawrence［9］與Taskin和Ferhan［10］提出凍融作用會改變土壤性質(zhì)，如土壤結(jié)構、土壤導水性、容重、團聚體水穩(wěn)性以及土壤強度等，進而影響土壤可蝕性因子［11］。王恩姮等［12］表示，通常認為反復的凍融作用會使土壤容重減小，低容重和高含水條件會使土壤表面更易遭受分散和輸移，土壤黏結(jié)力減小，土壤分散力增大，抗蝕性降低。凍融循環(huán)使原狀土的結(jié)構性得到顯著的弱化，這表現(xiàn)在凍融循環(huán)可以使原狀土的先期固結(jié)壓力減?。?3］、三軸不排水剪切應力應變曲線上的峰值強度逐漸消失［14］。

CT掃描技術從醫(yī)學到土壤學的轉(zhuǎn)移應用，實現(xiàn)了土壤原狀土體孔隙結(jié)構的非破壞性研究［15］。CT無損掃描結(jié)合圖像計算機處理技術的發(fā)展，使得土壤孔隙結(jié)構的研究更加直接和定量化。近年來，很多研究利用CT掃描技術對凍土的微細觀結(jié)構進行研究，研究主要集中在凍融作用后凍脹裂隙、孔隙率、結(jié)構特征變化等方面［16］，但對于黑土區(qū)凍融作用下孔隙特征的研究并不多見。王恩姮等［12］對不同深度黑土剖面在凍融前后孔隙特征變化進行研究，研究表明凍融作用對表層黑土結(jié)構無顯著性影響。夏祥友等［17］的研究表明不同凍融循環(huán)次數(shù)沒有對黏化層原狀土孔隙特征產(chǎn)生顯著影響。凍融作用對土體結(jié)構的影響尤為重要，而孔隙特征決定了土體的結(jié)構，因此相關研究尤為必要。

本研究應用醫(yī)用CT技術對凍融條件下原狀土樣的三維結(jié)構進行分析，獲取孔隙特征的定量指標，進而分析凍融條件下不同凍融循環(huán)周期以及不同含水率對土壤大孔隙的影響，為進一步揭示黑土區(qū)季節(jié)性凍融對黑土結(jié)構的影響奠定基礎，為闡明凍融侵蝕機理以及合理評價、利用寒區(qū)農(nóng)田提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

取土地點為黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣，地理坐標為126°18′43.7796″E，47°27′42.0726″N。土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定［18］，土壤機械組成采用吸管法測定，土壤質(zhì)地劃分根據(jù)美國制劃分標準，土壤容重、飽和持水量、田間持水量和總孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定。供試土樣相關理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土樣理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of studied black soil

1.2 材料與方法

本試驗所用土柱為原狀土柱，設置30%、40%兩個含水率，采用0、1、3、5、7、10、15次凍融循環(huán)周期，每個處理設置五個重復。凍融溫度按照拜泉縣當?shù)貧庀筚Y料選取-10～7°C進行試驗。

試驗采用內(nèi)徑為4.8 cm，高為15 cm的PVC管采集0～15 cm土層范圍的原狀土體。采樣方式為原位靜壓法，土柱的上下兩端均用保鮮膜封閉，防止土壤水分散失后干裂，在采集、運輸和試驗過程中注意防止對原狀土體結(jié)構的擾動。將采回的土柱放置于4°C下恒溫保存，計算配制指定含水率所需要的水量，用去離子水慢速濕潤至土壤中后進行18 h以上的悶土，達到所要控制的質(zhì)量含水率，誤差范圍控制在3%以內(nèi)。在悶土期間用保鮮膜覆蓋土樣以減少含水率的變化。將裝有原狀土的PVC管放置于連接溫控儀溫度可調(diào)控的凍融機中，凍融機中放置溫度探頭，用以連續(xù)觀測溫度變化來進行不同凍融循環(huán)周期的試驗。由于自然界中的土壤夜晚凍結(jié)，白天融化，有一個凍結(jié)融化的緩慢過程，因此本試驗采取的是12 h凍結(jié)，12 h融化的緩慢凍結(jié)。

1.3 CT掃描與圖像重建

利用CT掃描技術掃描凍融循環(huán)后15 cm的原狀土柱，試驗所用CT為Brightspeed16排螺旋CT，設定掃描參數(shù)如下：管電壓120 kV，管電流400 mA，掃描時間7.4 s，掃描層厚度0.625 mm，獲取二維圖像分辨率為1.25 mm。將原狀土體水平放置在CT掃描儀的支撐板上，X射線管和探測器列圍繞著土體旋轉(zhuǎn)360°的過程中，X射線管發(fā)出扇形光束穿過土樣，位于X射線管對面的探測器檢測衰減的X射線并形成投影，最后投影值重新組合形成一個圖像。原狀土體中不同密度的物質(zhì)將以不同亮度表示，土壤孔隙就可以清晰的顯示出來。應用Image J軟件定量分析凍融循環(huán)后原狀土體的孔隙結(jié)構特征。

由于土壤動物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達十幾甚至幾十厘米［19-20］，因此少量土柱中出現(xiàn)特大孔隙孔洞，為減少其對實驗結(jié)果的干擾，參考CT掃描出的土體結(jié)構影像從5個重復試驗的土柱中篩選出3個土柱用于分析。由于土柱上部及下部在取樣存放處理過程中不可避免受人為擾動，因此取土柱中間段70張影像，即0.625 mm×70進行分析。為了避免邊界部分的影響，用Image J軟件將土柱的CT掃描橫斷面切割成19×19像素的中心方塊，對應實際邊長為2.38 cm。為準確提取土壤孔隙結(jié)構數(shù)據(jù)，需要對圖像進行二值分割，但是不同CT切片圖像間亮度差別較大，需利用Image J軟件Enhance Contrast功能中的Normalize命令對圖像亮度進行歸一化處理，然后進行黑白二值分割。采用全局閾值法對灰度圖像作分割處理以獲取孔隙（白色）和固體顆粒（黑色）的黑白二值圖像。為避免人工或自動選定分割閾值時的不確定性，處理中依據(jù)實際土壤的孔隙度反復調(diào)試以確定全局閾值。圖1為40%含水率下不同次數(shù)凍融循環(huán)后土樣的二維切片。

圖1 凍融循環(huán)后土樣的二維切片圖像Fig. 1 2D images of slices of the soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

1.4 孔隙特征分析方法

土壤孔隙結(jié)構分析利用Image J軟件中的插件3D object counter來完成。統(tǒng)計孔隙的信息，包括孔隙的數(shù)量（TNP）、孔隙度、孔隙骨架和孔隙當量直徑分布。根據(jù)計算出的當量直徑來確定孔隙形狀因子（F）［21］：

式中，Ae為體積與測得孔隙體積相等的球體的表面積，A為測得的孔隙表面積。F=1時表示孔隙為一個球體，F(xiàn)值越小，孔隙形狀就越不規(guī)則越接近長條型。在這項研究中，將孔隙分類為規(guī)則孔隙（F≥0.5），不規(guī)則孔隙（0.2＜F＜0.5）和加長孔隙（F≤0.2）［22-23］，各類孔隙體積占總孔隙體積的百分比為規(guī)則孔隙度（RP），不規(guī)則孔隙度（IRP）和加長孔隙度（EP）。

Beven和Germann［24］曾給出大孔隙的孔徑變化范圍大致為0.03～3 mm，但土壤動物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達十幾甚至幾十厘米，因此可將這一范圍擴至＞0.03 mm［25］。本文統(tǒng)計1.25 mm以上大孔隙，將大孔隙分為兩級，1.25 mm～3 mm的大孔隙及＞3 mm的超大孔隙。

2 結(jié) 果

2.1 土壤結(jié)構可視化

圖1分別為40%含水率下0次、1次、3次、5次、7次、10次、15次凍融循環(huán)處理后的二維圖像。從二維圖像可以觀察到，隨著凍融循環(huán)的進行，孔隙數(shù)量不斷增多，孔隙面積增大且形狀不規(guī)則，由此推斷土體隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加結(jié)構逐漸疏松。

為了更直接觀察原狀土體內(nèi)部微結(jié)構的變化，利用Image J軟件對樣品中部土體進行三維結(jié)構恢復，圖2為40%含水率下土樣的三維結(jié)構，黑色部分為孔隙，白色部分為固體顆粒。三維孔隙結(jié)構更直觀的表現(xiàn)出土壤結(jié)構在凍融循環(huán)作用下的變化特征。結(jié)合二維和三維結(jié)構圖像進行分析，發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，原狀土壤結(jié)構變得相對疏松，大孔隙體積明顯增大，孔隙間連通性得到改善，土體呈現(xiàn)明顯的復雜多孔結(jié)構。

圖2 凍融循環(huán)后土樣的三維孔隙結(jié)構Fig. 2 Three-dimensional images of pore structure of the soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

2.2 原狀土孔隙特征

兩組不同含水率土樣在凍融循環(huán)處理下的孔隙的基本特征如表2所示。由表2可以看出，凍融循環(huán)處理下的原狀土體孔隙結(jié)構參數(shù)發(fā)生了顯著的變化。兩組土樣的孔隙度均增加，這與劉佳［26］、鄭鄖［27］等研究結(jié)果相似。隨著凍融循環(huán)的進行，40%含水率土樣孔隙度增加程度均高于30%含水量土樣，其中在完成7次凍融循環(huán)后，30%含水率的土樣的孔隙度增加85.81%，40%含水率土樣的孔隙度增加108.5%；在完成15次凍融循環(huán)后，30%含水率的土樣的孔隙度增加294.8%，40%含水率土樣的孔隙度增加369.6%，孔隙度持續(xù)增長。40%含水率土樣的孔隙度高于30%含水率土樣，在6種處理條件下孔隙度分別高出39.82%、7.78%、2.57%、12.22%、65.00%和18.97%。

TNP在凍融循環(huán)處理過程中呈現(xiàn)出減少的趨勢。在完成7次凍融循環(huán)后，30%含水率的土樣TNP減少32.35%，40%含水率土樣TNP減少29.41%；在完成15次凍融循環(huán)后TNP顯著減少（P＜0.05），30%含水率的土樣TNP減少67.65%，40%含水率土樣TNP減少59.80%。兩組含水率土樣在TNP上并無顯著差異。

表2 凍融循環(huán)后土樣的孔隙特征Table 2 General characteristics of the soil pore systems in the soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

從孔隙形態(tài)來看，RP在凍融循環(huán)過程中顯著減少（P＜0.05）。在完成15次凍融循環(huán)后30%含水率土樣RP減少92.24%、40%含水率土樣RP減少92.79%；30%含水率土樣IRP減少95.59%、40%含水率土樣IRP減少93.15%；30%含水率土樣EP增加147.05%、40%含水率土樣EP增加145.23%。RP在凍融循環(huán)過程中顯著減少（P＜0.05），兩組含水率土樣在孔隙規(guī)則度上并無顯著差異。

以上結(jié)果表明在相同含水率條件下凍融循環(huán)后土壤孔隙度增大，不規(guī)則孔隙度增大。凍融初期，土體快速凍結(jié)，冰晶生長體積膨脹，對周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓；融化時，土骨架部分發(fā)生回落坍塌，這將會破壞土顆粒之間的膠結(jié)，使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形［27］。倪萬魁和師華強［28］研究表明反復凍融作用使黃土顆粒之間原始固有膠結(jié)逐漸減弱，造成黏聚力不斷降低。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，被冰晶擠壓而產(chǎn)生形變的孔隙恢復能力逐漸減弱，因此孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。同一凍融溫差條件下，高含水率土壤經(jīng)過凍融循環(huán)后較之低含水率土壤孔隙度更大，但兩者數(shù)值變化并不顯著。在不考慮溫差等其他因素情況下，土體中水分含量越大，凍結(jié)過程中水分遷移的有效時間越長，由此遷移的水分越多，進一步增加了這種推動作用，從而使土壤凍融作用更為強烈，凍脹更為嚴重，使得孔隙結(jié)構變化的幅度更大一些［26］。

孔隙數(shù)量與孔隙度是分析孔隙特征經(jīng)典的兩項指標，對于孔隙數(shù)量的描述中，由于大多數(shù)孔隙的連通導致孔隙數(shù)量的確定存在模糊區(qū)域，在此引入孔隙骨架用于分析，利用數(shù)學方法在三維圖像的孔隙骨架中找到孔隙連接的結(jié)點，并在結(jié)點處將孔隙分隔開，計算出孔隙分支數(shù)用以更加準確的描述孔隙數(shù)量。由表3可以看出包含分支的孔隙數(shù)量與傳統(tǒng)計算的孔隙數(shù)量隨凍融循環(huán)的變化趨勢相同，但孔隙分支數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加比重不斷增大，表明原有孔隙在凍融作用下產(chǎn)生裂隙出現(xiàn)分支，固態(tài)冰的體積比等質(zhì)量液態(tài)水的體積大，當液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰時，冰晶生長體積膨脹，對周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓，這將會破壞土顆粒之間的膠結(jié)，使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形，同時也會改變孔隙的形態(tài)［2-3,28-29］，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，孔隙分支所占比例不斷增大，說明隨著凍融循環(huán)的不斷進行，孔隙出現(xiàn)越來越多的分支，孔隙結(jié)構變化越來越強烈，結(jié)構上不規(guī)則且更易破碎變形。

表3 凍融循環(huán)后土樣的分支數(shù)量變化Table 3 Variation of number of pore branches in for soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

由圖3表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，當凍融循環(huán)次數(shù)達到15次時當量孔徑顯著增大（P＜0.05）超大孔隙呈現(xiàn)遞增趨勢，而1.25～3 mm的孔隙呈現(xiàn)遞減趨勢。對于1.25～3 mm的孔隙分析可知，經(jīng)過1次凍融循環(huán)后30%含水率的土樣孔隙度增加15.92%，40%含水率的土樣孔隙度增加49.68%；凍融循環(huán)1次以上孔隙度逐漸減小，7次凍融循環(huán)后，30%含水率的土樣孔隙度減小24.20%，40%含水率的土樣孔隙度減小12.74%；完成15次凍融循環(huán)后30%含水率土樣孔隙度減小64.33%，40%含水率土樣減小48.41%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，30%含水率的土樣1.25～3 mm孔隙的孔隙度下降比率高于40%含水率的土樣。

對于大于3 mm的孔隙分析可知，經(jīng)過1次凍融循環(huán)后30%含水率的土樣孔隙度增加28.90%，40%含水率的土樣孔隙度增加86.71%；凍融循環(huán)1次以上孔隙度依然增加，7次凍融循環(huán)后，30%含水率的土樣孔隙度增加143.2%，40%含水率土樣孔隙度增加171.8%；完成15次凍融循環(huán)后30%含水率土樣孔隙度增加481.7%，40%含水率土樣增加587.7%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，40%含水率的土樣大于3 mm孔隙的孔隙度上升比率高于30%含水率的土樣。

以上結(jié)果表明在多次凍融循環(huán)過程中，黑土的孔隙分布發(fā)生了明顯變化。這是因為土壤水在凍結(jié)過程中，由于變成冰晶體而使土體體積膨脹，冰晶體充填土壤孔隙，使得土壤顆粒之間產(chǎn)生推力，從而會引起孔隙的形變，冰晶融化時土體固有的膠結(jié)與黏聚力使孔隙形狀趨于恢復凍結(jié)前狀態(tài)，而反復的凍融作用導致土體固有膠結(jié)逐漸減弱，黏聚力下降，一次凍融循環(huán)后的孔隙形變越來越大，因此隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔徑不斷增大，大于3 mm的超大孔隙數(shù)量持續(xù)增長，1.25～3 mm的大孔隙數(shù)量減少。而高含水率的超大孔隙數(shù)量增長高于低含水率土樣，主要是由于土壤含水量越高，冰晶體積越大，對土顆粒的推移作用越大。

圖3 凍融循環(huán)后供試土樣的孔隙分布Fig. 3 Pore size distributions in soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

3 結(jié) 論

凍融作用下土壤孔隙結(jié)構的改變受凍融循環(huán)次數(shù)和含水率的影響呈規(guī)律性變化。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，土壤孔隙度不斷增大，孔隙數(shù)量減少?？讖诫S凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大，孔徑大于3 mm的孔隙孔隙度不斷增大而1.25～3 mm的孔隙孔隙度減小。此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，規(guī)則孔隙度持續(xù)減小，不規(guī)則孔隙度呈減小趨勢而加長孔隙度呈增大趨勢。在凍融溫差一定時，凍融循環(huán)后高含水率土壤比低含水率土壤的上述孔隙特征變化更為顯著。凍融作用通過對土壤孔隙度，孔隙數(shù)量、形狀，孔徑，孔隙分支的改變來影響土壤孔隙結(jié)構，其中，凍融循環(huán)次數(shù)與含水率是兩個重要的影響因素。凍融土壤理化性質(zhì)的研究關系農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有待從多方面深入研究，應試從微觀角度出發(fā)進一步研究凍融條件下團聚體孔隙結(jié)構特征以及土壤持水、入滲特性，為研究凍融侵蝕機理、科學合理評價與利用寒區(qū)農(nóng)田提供理論依據(jù)。