姜 宇 劉 博 范昊明 馬仁明

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 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(qiáng)風(fēng)化作用形式，對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著強(qiáng)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(guó)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(guó)東北地區(qū)分布廣泛，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用也極為重要［5］。因此，研究?jī)鋈谧饔脤?duì)開(kāi)展黑土區(qū)侵蝕機(jī)理研究及合理利用黑土資源具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍融作用對(duì)土體影響的研究起步較早，早在1989年Konrad［6］提出反復(fù)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(xué)性質(zhì)［7］。最初關(guān)于凍融作用的研究多是傾向其對(duì)工程的影響，而對(duì)于凍融作用對(duì)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(lái)很多研究采用不同的試驗(yàn)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(dǎo)水率，并且容重的變化與凍土溫度和土壤含水率密切相關(guān)。鄧西民等［8］認(rèn)為由于負(fù)溫低時(shí)會(huì)有更多的土壤毛管水和吸附水凍結(jié)，還會(huì)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(huì)改變土壤性質(zhì)，如土壤結(jié)構(gòu)、土壤導(dǎo)水性、容重、團(tuán)聚體水穩(wěn)性以及土壤強(qiáng)度等，進(jìn)而影響土壤可蝕性因子［11］。王恩姮等［12］表示，通常認(rèn)為反復(fù)的凍融作用會(huì)使土壤容重減小，低容重和高含水條件會(huì)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(gòu)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(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰值強(qiáng)度逐漸消失［14］。

CT掃描技術(shù)從醫(yī)學(xué)到土壤學(xué)的轉(zhuǎn)移應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了土壤原狀土體孔隙結(jié)構(gòu)的非破壞性研究［15］。CT無(wú)損掃描結(jié)合圖像計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，使得土壤孔隙結(jié)構(gòu)的研究更加直接和定量化。近年來(lái)，很多研究利用CT掃描技術(shù)對(duì)凍土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)特征變化等方面［16］，但對(duì)于黑土區(qū)凍融作用下孔隙特征的研究并不多見(jiàn)。王恩姮等［12］對(duì)不同深度黑土剖面在凍融前后孔隙特征變化進(jìn)行研究，研究表明凍融作用對(duì)表層黑土結(jié)構(gòu)無(wú)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(méi)有對(duì)黏化層原狀土孔隙特征產(chǎn)生顯著影響。凍融作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響尤為重要，而孔隙特征決定了土體的結(jié)構(gòu)，因此相關(guān)研究尤為必要。

本研究應(yīng)用醫(yī)用CT技術(shù)對(duì)凍融條件下原狀土樣的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲取孔隙特征的定量指標(biāo)，進(jìn)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(duì)土壤大孔隙的影響，為進(jìn)一步揭示黑土區(qū)季節(jié)性凍融對(duì)黑土結(jié)構(gòu)的影響奠定基礎(chǔ)，為闡明凍融侵蝕機(jī)理以及合理評(píng)價(jià)、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(diǎn)為黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣，地理坐標(biāo)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(cè)定［18］，土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定，土壤質(zhì)地劃分根據(jù)美國(guó)制劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。供試土樣相關(guān)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(yàn)所用土柱為原狀土柱，設(shè)置30%、40%兩個(gè)含水率，采用0、1、3、5、7、10、15次凍融循環(huán)周期，每個(gè)處理設(shè)置五個(gè)重復(fù)。凍融溫度按照拜泉縣當(dāng)?shù)貧庀筚Y料選取-10～7°C進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)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(yùn)輸和試驗(yàn)過(guò)程中注意防止對(duì)原狀土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。將采回的土柱放置于4°C下恒溫保存，計(jì)算配制指定含水率所需要的水量，用去離子水慢速濕潤(rùn)至土壤中后進(jìn)行18 h以上的悶土，達(dá)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(jī)中，凍融機(jī)中放置溫度探頭，用以連續(xù)觀測(cè)溫度變化來(lái)進(jìn)行不同凍融循環(huán)周期的試驗(yàn)。由于自然界中的土壤夜晚凍結(jié)，白天融化，有一個(gè)凍結(jié)融化的緩慢過(guò)程，因此本試驗(yàn)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(shù)掃描凍融循環(huán)后15 cm的原狀土柱，試驗(yàn)所用CT為Brightspeed16排螺旋CT，設(shè)定掃描參數(shù)如下：管電壓120 kV，管電流400 mA，掃描時(shí)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(cè)器列圍繞著土體旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中，X射線管發(fā)出扇形光束穿過(guò)土樣，位于X射線管對(duì)面的探測(cè)器檢測(cè)衰減的X射線并形成投影，最后投影值重新組合形成一個(gè)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(lái)。應(yīng)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(gòu)特征。

由于土壤動(dòng)物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達(dá)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，參考CT掃描出的土體結(jié)構(gòu)影像從5個(gè)重復(fù)試驗(yàn)的土柱中篩選出3個(gè)土柱用于分析。由于土柱上部及下部在取樣存放處理過(guò)程中不可避免受人為擾動(dòng)，因此取土柱中間段70張影像，即0.625 mm×70進(jìn)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(duì)應(yīng)實(shí)際邊長(zhǎng)為2.38 cm。為準(zhǔn)確提取土壤孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，需要對(duì)圖像進(jìn)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(duì)圖像亮度進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行黑白二值分割。采用全局閾值法對(duì)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(dòng)選定分割閾值時(shí)的不確定性，處理中依據(jù)實(shí)際土壤的孔隙度反復(fù)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(gòu)分析利用Image J軟件中的插件3D object counter來(lái)完成。統(tǒng)計(jì)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(dāng)量直徑分布。根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)量直徑來(lái)確定孔隙形狀因子（F）［21］：

式中，Ae為體積與測(cè)得孔隙體積相等的球體的表面積，A為測(cè)得的孔隙表面積。F=1時(shí)表示孔隙為一個(gè)球體，F(xiàn)值越小，孔隙形狀就越不規(guī)則越接近長(zhǎng)條型。在這項(xiàng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達(dá)十幾甚至幾十厘米，因此可將這一范圍擴(kuò)至＞0.03 mm［25］。本文統(tǒng)計(jì)1.25 mm以上大孔隙，將大孔隙分為兩級(jí)，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(gòu)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(jìn)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(gòu)逐漸疏松。

為了更直接觀察原狀土體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化，利用Image J軟件對(duì)樣品中部土體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)恢復(fù)，圖2為40%含水率下土樣的三維結(jié)構(gòu)，黑色部分為孔隙，白色部分為固體顆粒。三維孔隙結(jié)構(gòu)更直觀的表現(xiàn)出土壤結(jié)構(gòu)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(gòu)圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，原狀土壤結(jié)構(gòu)變得相對(duì)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(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)。

圖2 凍融循環(huán)后土樣的三維孔隙結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jìn)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(zhǎng)。40%含水率土樣的孔隙度高于30%含水率土樣，在6種處理?xiàng)l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(guò)程中呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。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(wú)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(lái)看，RP在凍融循環(huán)過(guò)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(guò)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(wú)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(zhǎng)體積膨脹，對(duì)周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓；融化時(shí)，土骨架部分發(fā)生回落坍塌，這將會(huì)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(wàn)魁和師華強(qiáng)［28］研究表明反復(fù)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(fù)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(guò)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(guò)程中水分遷移的有效時(shí)間越長(zhǎng)，由此遷移的水分越多，進(jìn)一步增加了這種推動(dòng)作用，從而使土壤凍融作用更為強(qiáng)烈，凍脹更為嚴(yán)重，使得孔隙結(jié)構(gòu)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(xiàng)指標(biāo)，對(duì)于孔隙數(shù)量的描述中，由于大多數(shù)孔隙的連通導(dǎo)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(xué)方法在三維圖像的孔隙骨架中找到孔隙連接的結(jié)點(diǎn)，并在結(jié)點(diǎn)處將孔隙分隔開(kāi)，計(jì)算出孔隙分支數(shù)用以更加準(zhǔn)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(jì)算的孔隙數(shù)量隨凍融循環(huán)的變化趨勢(shì)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(dāng)液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰時(shí)，冰晶生長(zhǎng)體積膨脹，對(duì)周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓，這將會(huì)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(shí)也會(huì)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(shuō)明隨著凍融循環(huán)的不斷進(jìn)行，孔隙出現(xiàn)越來(lái)越多的分支，孔隙結(jié)構(gòu)變化越來(lái)越強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)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(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次時(shí)當(dāng)量孔徑顯著增大（P＜0.05）超大孔隙呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，而1.25～3 mm的孔隙呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。對(duì)于1.25～3 mm的孔隙分析可知，經(jīng)過(guò)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(duì)于大于3 mm的孔隙分析可知，經(jīng)過(guò)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(guò)程中，黑土的孔隙分布發(fā)生了明顯變化。這是因?yàn)橥寥浪趦鼋Y(jié)過(guò)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(huì)引起孔隙的形變，冰晶融化時(shí)土體固有的膠結(jié)與黏聚力使孔隙形狀趨于恢復(fù)凍結(jié)前狀態(tài)，而反復(fù)的凍融作用導(dǎo)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?cè)絹?lái)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(gòu)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(shì)而加長(zhǎng)孔隙度呈增大趨勢(shì)。在凍融溫差一定時(shí)，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(guò)對(duì)土壤孔隙度，孔隙數(shù)量、形狀，孔徑，孔隙分支的改變來(lái)影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，其中，凍融循環(huán)次數(shù)與含水率是兩個(gè)重要的影響因素。凍融土壤理化性質(zhì)的研究關(guān)系農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有待從多方面深入研究，應(yīng)試從微觀角度出發(fā)進(jìn)一步研究?jī)鋈跅l件下團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征以及土壤持水、入滲特性，為研究?jī)鋈谇治g機(jī)理、科學(xué)合理評(píng)價(jià)與利用寒區(qū)農(nóng)田提供理論依據(jù)。