冻融条件下东北地区3 种土壤抗剪强度差异性分析

范昊明，迟静怡，周丽丽，武 敏，程 龙

（沈阳农业大学 水利学院/辽宁省水土流失防控与生态修复重点实验室，沈阳 110161）

土壤冻融与径流等外力共同作用可造成严重的土壤侵蚀[1]，由于特殊的气候条件，春季解冻期在雨水和融雪的双重作用下，我国东北地区表层解冻的土壤更易发生侵蚀[2]。 冻土层阻碍降雨和融雪水的入渗，由此产生的地表径流具有剥蚀和分离土壤表面颗粒的潜力[3]。 冻融作用可以改变土壤的物理性质，如土壤容重和孔隙度[4]、渗透性[5]、团聚体稳定性[6]和抗剪强度[7-9]等，进一步增加土壤的可蚀性[10]。冻融循环增加土壤水势梯度，降低饱和状态下土壤的抗剪强度[11]。 土壤抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限强度，是衡量土壤可蚀性的重要指标，通常用土壤的黏聚力和内摩擦角来表征土壤的抗剪强度[12]。 冻融作用对土壤抗剪强度的影响因素包括土壤质地、初始团聚体组成、孔隙条件等内在因素，以及土壤含水量、冻融循环次数、冻融温度等外部因素[13]。其中，冻融循环次数和含水量对土壤抗剪强度有显著影响[14-17]。 冻融循环会导致土壤团聚体分裂，孔隙连通扩大，土壤颗粒重新组合[5-6，18]，从而导致土壤从一种稳定状态变为另一种稳定状态。 冻融循环次数的增加对土壤强度有减弱作用[19]。本研究以东北地区常见的3 种土壤为研究对象，进行室内冻融模拟试验，揭示了东北地区3 种土壤在冻融循环次数和含水量条件下的抗剪强度变化，并从土壤性质出发，分析和讨论引起3 种土壤抗剪强度差异的原因。

1 材料与方法

1.1 样品来源

本试验用土为棕壤、白浆土和黑土，分别采自辽宁省沈阳市东陵区天柱山沈阳农业大学蚕场与油松交界处（41°49′45″N，123°34′03″H）、吉林省梅河口市与辽宁省清原市草市镇交界处（42°16′08″N，42°17′58″H）和黑龙江省北安市二井子镇长水河农场附近（48°21′11″N，126°33′23″H）。 采集土样时，首先清除取样区域地表的野草和杂质，选取0～20cm 深的表层土壤，采用比重计法测定土壤的机械组成，环刀法（环刀容积为100cm3）测定土壤容重、孔隙度和饱和含水量，相关参数见表1。 3 种土壤所处区域的气候条件见表2。

表1 3 种土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the three soils

表2 3 种土壤取样区域的气候条件Table 2 Climate conditions in three soil sampling areas

1.2 土样制备和冻融循环处理

将采集的土壤风干，过5mm 筛，剔除植物根系和杂物后备用。 将过筛的土样填充到尺寸为70cm×20cm×10cm 的定制铁皮槽中。 为保证填土的均匀性，按照每层5cm 分4 层填入铁皮槽中，分层压实达到实测容重（棕壤 1．35g·cm-3，白浆土 1．25g·cm-3，黑土 0．90g·cm-3）。 在每层的交界面进行打毛处理，确保土体之间的自然结合。由于融雪效应，春季解冻期的土壤含水量相对较高。 黑土的饱和含水量高于白浆土和棕壤（表1），为了对3 种土壤性质进行横向比较，试验设计土壤含水量为200，300，400g·kg-1共3 个水平。测量风干土样的含水量，计算达到设定含水量所需的水量，用喷壶均匀喷于土壤表面，用保鲜膜密封18h，确保土样含水量均匀。 冻融循环试验由可调控温度的冻融机实现，控制精度为0．1℃。 根据研究区气象资料，设置冻融温度为-25～5℃。 试验采用12h 冻结、12h 融化的缓慢冻结方式，冻融循环周期为 0，1，3，5，7，10 次。 分别取出达到设定冻融循环的试验土样，进行抗剪强度测定。

1.3 土壤抗剪强度的测定

抗剪强度试验采用手动应变控制式直剪仪（南京土壤仪器厂生产），对土样进行不固结不排水、快剪试验。试验土样的制备和直剪试验严格按照土工试验方法标准（GB/T50123-1999）[20]进行。 试验环刀直径为61．8mm，高为 20mm，垂直应力设定 100，200，300，400kPa 共 4 个水平，试验剪切速率为 0．8mm·min-1。 直剪试验开始前，对垂直压力杆进行调平，在剪切盒剪切面上涂抹润滑油，将试验土样放入剪切盒内，调试仪器加载垂直压力，记录手轮的初始位置和百分表的初始读数，打开仪器开关进行试验，记录手轮每旋转一圈的百分表度数，直至试验土样破坏停止试验。 通常试验在3～5min 内完成，读取并记录峰值，试验土样所受抗剪强度τf按式（1）计算[21]：

式中：τf为土壤抗剪强度（kPa）；R 为量力环测表的读数（0．01mm）；C 为量力环校正系数；A0为试验样品受力面积（cm2）；10 为单位换算系数。

依据库伦定律公式（2）计算抗剪强度指标黏聚力C 和内摩擦角φ[22]。

式中：τf为土壤的抗剪强度（kPa）；C 为土壤的黏聚力（kPa）；φ 为土壤的内摩擦角(°)。

1.4 数据处理

采用Hxcel 2010 和SPSS 22．0 软件对数据进行统计分析。采用Pearson 法对不同冻融循环次数和含水量条件下3 种土壤黏聚力及其影响因素进行相关性分析。 利用Origin 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 冻融循环次数和含水量对3 种土壤黏聚力的影响

由图1 可知，3 种土壤黏聚力对冻融循环次数的响应表现出一致的变化趋势， 随着冻融循环次数的增加，土壤黏聚力先减小，经过3～5 次冻融循环后，均趋于稳定。 与未冻融时土壤黏聚力相比，棕壤黏聚力平均减小54．29%；白浆土减小35．19%；黑土减小31．77%。 由此可以发现：冻融循环作用对黑土影响最强烈，白浆土次之，棕壤最小。3 种土壤黏聚力随含水量的增加表现出不同的变化趋势。白浆土和棕壤的黏聚力随着含水量的增加而减小， 与 200g·kg-1含水量相比， 含水量为 400g·kg-1时的土壤黏聚力分别减小 77．34%～97．88%和 61．04%～96．77%，平均减小88．99%和76．67%。而黑土的黏聚力随着含水量的增加先减小后增大。与200g·kg-1含水量相比，当含水量升高到300g·kg-1时，黏聚力平均减小25．73%；当含水量达到400g·kg-1时，黏聚力平均增大144．75%。这一结果与COKCA 等[23]的结论一致，在试验条件下，黑土的含水量接近最佳含水量，故黏聚力呈上升趋势。 由图1a 可知，棕壤黏聚力的变化主要反映在前3 次冻融循环中，然后达到相对稳定的状态。 含水量为300g·kg-1和400g·kg-1的棕壤在1 次冻融循环过后略有增加，然后开始减小，3 次循环过后趋于稳定。随着含水量的增加，棕壤的黏聚力表现出降低的趋势。 由图1b 可知，随着冻融循环次数的增加，白浆土表现出与棕壤大致相同的变化规律，但白浆土的稳定时间比棕壤早。 白浆土和棕壤的黏聚力均随含水量的增加而降低，但白浆土黏聚力的变化范围大于棕壤。当白浆土的含水量为 200g·kg-1时，黏聚力为 20～30kPa，含水量为 300g·kg-1时为 5～10kPa，在含水量为 400g·kg-1时为 0～5kPa；而棕壤的含水量为 200g·kg-1时，黏聚力为 10～15kPa，含水量为 300g·kg-1时为4～7kPa，含水量为400g·kg-1时为0～5kPa，这表明白浆土比棕壤更敏感，其黏聚力对含水量的响应更剧烈。对比图1a～图1c 可知，黑土黏聚力对冻融循环次数的响应规律与上述2 种土壤大致相同，只是稳定时间延迟到5 次循环后。 随着含水量的增加，黑土的变化规律不同于白浆土和棕壤，其黏聚力呈现先减小后逐渐增大的趋势。 白浆土在含水量为200g·kg-1和300g·kg-1时，在冻融前后土壤的黏聚力高于黑土和棕壤。 随着含水量增加到400g·kg-1，黑土的黏聚力高于白浆土和棕壤。

图1 不同冻融循环次数和含水量对3 种土壤黏聚力影响Figure 1 Effects of different freeze-thaw cycles and moisture contents on soil cohesion of three soils

2.2 冻融循环次数和含水量对3 种土内摩擦角的影响

由图2 可知，冻融循环次数和含水量对土壤内摩擦角影响很小。 土壤内摩擦角随冻融循环次数和含水量的变化呈现波动变化。 当含水量为200g·kg-1时， 棕壤内摩擦角从未冻土的10．4°增加到10 次循环过后的12．1°；白浆土内摩擦角从未冻土的 14．4°减小到 11．9°；黑土内摩擦角从 15．8°减小到 12．8°。 当含水量为 300g·kg-1和 400g·kg-1时，与未冻融时相比，3 种土壤内摩擦角的减小都在 1°～2°。 对比图 2a～图 2c 可知，3 种土壤内摩擦角并没有很大的差距，并没有出现3 种土壤间黏聚力差别较大的规律。 随着冻融循环次数的增加，表层土壤水分堆积，使得土颗粒之间的作用力减小，大孔隙数量减少，土壤颗粒之间的接触增多，使得整个过程中，土壤内摩擦角对冻融循环次数和含水量的响应较小。由于冻融作用使得表层含水量增加，3 种土壤均处于高含水条件下，其内摩擦角并未表现出较大差异。

图2 不同冻融循环次数和含水量对3 种土壤内摩擦角影响Figure 2 Effects of different freeze-thaw cycles and moisture contents on soil internal friction angle of three soils

2.3 不同冻融条件下3 种土壤黏聚力及其影响因素的相关性

由表3 可知， 在整个冻融过程中，3 种土壤的含水量与土壤孔隙度和黏聚力之间存在极显著的相关关系（p＜0．01）。 棕壤与白浆土的黏聚力与含水量具有极显著负相关，和土壤孔隙度具有极显著正相关。 而黑土黏聚力与含水量和土壤孔隙度的相关性不同，土壤黏聚力与含水量极显著正相关，与土壤孔隙度极显著负相关。 冻融循环次数与3 种土壤的黏聚力之间存在负相关关系，但未达到统计水平。 这表明在整个冻融过程中，含水量和土壤孔隙度的变化是导致黑土黏聚力不同于其他2 种土壤的主要原因，土壤含水量对土壤结构的响应极大，导致土壤孔隙结构和组成发生改变，从而影响土壤的抗剪强度。

表3 3 种土壤黏聚力与其影响因素的相关性系数Table 3 Correlation coefficients between soil cohesion and its influencing factors

3 讨论与结论

本研究结果表明，在冻融作用下，3 种土壤的黏聚力存在较大差异。 在自然条件下的冻融过程中，随着温度的降低，土壤表层的热量开始流失。 当流失的热量足够大时，土壤中的水开始结冰。 在含水量较低的土壤中，冰晶只会生长在土壤孔隙中，而在含水量较高的土壤中，会产生更多的冰晶来填充土壤的孔隙，孔隙体积的膨胀会对土壤颗粒施加压力，从而挤压土壤变形[24]。 在反复的冻融过程中，冻结阶段孔隙体积的膨胀会加剧土壤的破碎和开裂，而解冻阶段土体骨架的坍塌会破坏土体颗粒之间的胶结作用，导致土体发生位移，土壤黏聚力降低。然而当含水量为300g·kg-1和400g·kg-1时，棕壤和白浆土在1 次冻融循环后，出现了小幅度的增加。这表明含水量对棕壤和白浆土黏聚力的影响可能存在一个最佳值，使得土壤黏聚力升高[25]。这可能与土壤孔隙的大小和形状以及土壤质地有关。 当其他外界条件一致时，冻融循环次数对土壤黏聚力的扰动是有限度的，并且扰动的程度大部分是在前3～5 次冻融循环中完成的。 试验土样是重塑土，尽管仍具有一定的结构性，反复的冻融作用会导致团聚体分裂和土壤结构冻胀破坏。但由于试样较小，结构性的表现相对微弱，降低幅度也不十分明显，从而表现出趋于稳定的状态。 土壤含水量对冻融过程有较大影响，随着含水量的增加，3 种土壤黏聚力表现出不同的变化趋势。 土壤水势梯度的变化导致土壤水分从未冻土向冻土迁移，土壤水分在冻结锋面聚集凝结，使表层土壤含水量升高，土颗粒在外力作用下更易发生相对位移，未冻土和冻土的黏聚力均随着土壤含水量的增加而减小。 黑土属于半水成土，与其他2 种土壤相比，自然含水量和饱和含水量较高，在含水量200g·kg-1～300g·kg-1时，黑土结构松散，故而黏聚力较低。 在含水量为400g·kg-1时，土壤孔隙度随着冻融过程明显增加，孔隙数量明显减少，由于水与冰的相变过程，土壤中部分孔隙相互连通，表层水分积累，使得黑土的含水量接近饱和含水量，增强了土颗粒的牵引作用，黏聚力升高。

对比3 种土壤黏聚力的变化特征，可以发现土壤结构和质地的差异是冻融循环条件下3 种土壤抗剪强度差异的主要原因。这些性状在棕壤、白浆土和黑土中的不同作用，使得3 种土壤在冻融条件下的抗剪强度不同，从而影响春季解冻期土壤侵蚀的发生和发展。土壤质地和含水量是棕壤和白浆土黏聚力差异的主要原因，而独特的团聚体结构和孔隙特征是黑土黏聚力变化的重要原因。 白浆土的成土母质主要是第四纪河湖粘土沉积物[26]，粘粒含量高达53．3%，质地粗糙，受季节性冻层影响，使得白浆土透水性差。此外，高粘粒含量的土壤，以粘粒作为接触介质，逐渐从点接触过渡到面接触。 颗粒间的胶结作用不断增强，使得破坏胶结作用所需的最小外部应力随之增大，从而表现出较大的黏聚力。因此，非饱和条件下白浆土的黏聚力高于其他土壤。随着含水量增加到400g·kg-1，频繁的冻融作用使得表层白浆土达到饱和状态（321．3g·kg-1），土壤质地偏液态，因此未冻土的黏聚力很低。 棕壤属于轻壤土且饱和含水量很小（378．9g·kg-1），使其在高含水量条件下与白浆土具有相似的变化规律，在此条件下的含水量接近黑土的饱和含水量（557．6g·kg-1），此时土壤质地粘重，土颗粒间的牵引作用增强，导致高含水量条件下黑土的黏聚力高于白浆土和棕壤。 黑土是一种在温带湿润气候草甸植被下形成的腐殖质层较深的土壤，富含有机质、孔隙度高。 200～300g·kg-1含水量条件下，黑土黏聚力呈现出与前两种土壤相同的变化趋势，即随着冻融作用的增强，土壤内部团聚体结构被破坏，土壤稳定性降低，导致土壤的黏聚力呈下降趋势[27]；当含水量为400g·kg-1时，土壤黏聚力明显增加，这是由于土壤表层水分的堆积，增加了土壤颗粒之间水膜的润滑作用，使得土颗粒周围的分子膜引力增大，进一步增强了对土壤颗粒的牵引作用[28]。 同时冻融作用大幅度增加了土壤的孔隙度，导致土壤颗粒间水膜相对变薄，增加了土壤颗粒间的摩擦阻力，提高了土壤的黏聚力[23]。综上所述，土壤质地与含水量的共同作用是导致冻融循环过程中棕壤和白浆土黏聚力差异的主要因素，而独特的团聚体结构和孔隙特征是导致黑土黏聚力变化的重要原因。

在冻融过程中，土壤大孔隙的比例随着冻融循环次数的增加而降低，土壤颗粒间接触点的增多使得土壤的内摩擦角增加；此外，反复的冻结-融化过程增加了土壤表层的含水量，土壤中非水稳性胶结键在水分作用下弱化断裂，导致土壤内摩擦角减小。 上述两种相反的效应导致冻融后内摩擦角表现出波动的变化特征[29]。 春季解冻期，土壤表层含水量长期处于饱和状态，土壤孔隙增多，出现连通现象，导致土壤疏松、摩擦减弱，使得冻融循环次数和含水量对3 种土壤内摩擦角的影响远不如黏聚力显著。因此，高含水量是东北3 种土壤春季内摩擦角变化远不如黏聚力的主要原因。冻融作用可以改变土壤的内部结构以及表面的含水情况。使得3 种土壤的黏聚力，随冻融循环次数的增加，先减小后趋于稳定。 与未冻融时相比，3 种土壤黏聚力平均减小54．29%，35．19%，31．77%。 3 种土壤对含水量的响应有一定的差异，即随着初始含水量的升高，白浆土和棕壤的黏聚力呈下降趋势，平均减小88．99%和76．67%；而黑土黏聚力则表现出“V”型变化，黏聚力先降低25．73%后升高144．75%。土壤内摩擦角对冻融循环次数和含水量的响应程度较小，呈现波动变化。 土壤结构和质地的差异是冻融循环条件下3种土壤抗剪强度差异的主要原因。 土壤质地和含水量是棕壤和白浆土黏聚力差异的主要原因，而独特的团聚体结构和孔隙特征是黑土黏聚力变化的重要原因。 高含水量是东北3 种土壤内摩擦角变化远不如黏聚力的主要原因。 分析引起3 种土壤抗剪强度差异的原因，可以为阐明解冻期土壤侵蚀机理，解冻期土壤侵蚀预测模型构建，以及东北地区耕地保护与地力提升等奠定理论基础。