孫寶洋，吳志廣，李占斌，劉 晶，肖俊波，程冬兵，任斐鵬，馬建業(yè)，劉晨光，馬 波※

（1. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；3. 水利部科技推廣中心，北京100032；4. 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023）

0 引 言

土壤侵蝕是全球性的主要環(huán)境問(wèn)題之一，已經(jīng)成為限制當(dāng)今人類生存與發(fā)展的主要因素，嚴(yán)重制約著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。土壤分離是土壤侵蝕發(fā)生的初始階段，是指在降雨擊濺或徑流沖刷作用下，土壤表層顆粒從原土體脫離的過(guò)程，是侵蝕泥沙的主要來(lái)源[3-6]。徑流水動(dòng)力學(xué)特性和土壤屬性（土壤類型、容重、團(tuán)聚體含量和土地利用等）是影響徑流驅(qū)動(dòng)下的土壤分離過(guò)程最主要的2 個(gè)因素[3]。已有研究表明，當(dāng)作用于土壤的侵蝕動(dòng)力超過(guò)土壤的臨界剪切力時(shí)，土壤開(kāi)始發(fā)生分離，土壤分離能力隨著侵蝕動(dòng)力或能量的增加而增大[7-8]。土壤分離過(guò)程發(fā)生在徑流和土壤的界面，因此不同的土壤屬性其土壤侵蝕阻力（土壤細(xì)溝可蝕性和臨界剪切力）也有所差異，導(dǎo)致土壤分離過(guò)程顯著不同[9-10]。

近年來(lái)，隨著全球氣候趨暖，高緯度和高海拔地區(qū)凍融作用不斷加劇，在凍融過(guò)程中，土壤未必全部發(fā)生凍融侵蝕，而是影響土壤屬性使其成為其他侵蝕營(yíng)力的有效物質(zhì)源。相對(duì)于凍融侵蝕，這些受凍融影響的松散物質(zhì)分布范圍更廣[11]。解凍期，土壤受到頻繁“夜凍晝?nèi)凇钡淖饔?，凍土從表層開(kāi)始解凍，并伴隨著水熱傳遞過(guò)程，水分發(fā)生固、液、氣三相相變和遷移，導(dǎo)致土壤理化性狀發(fā)生變化[12-13]。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤容重[14]、抗剪強(qiáng)度[15]、水穩(wěn)性團(tuán)聚體[16-18]和有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)發(fā)生不同程度變化，但其變化規(guī)律國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果并不完全一致，這主要與凍融程度和土壤屬性有關(guān)[13]。

目前，隨著凍融作用研究的不斷深入，在侵蝕研究方法和影響規(guī)律等方面均已取得大量研究成果，尤其是凍融強(qiáng)烈的中國(guó)東北黑土區(qū)和青藏高原[19-20]。黃土高原具備凍融作用發(fā)生的氣候和土壤條件，雖然凍融強(qiáng)度相對(duì)較小，但對(duì)其他侵蝕營(yíng)力的貢獻(xiàn)顯著[21]。王隨繼[22]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原北部砒砂巖區(qū)凍融侵蝕產(chǎn)沙量至少可以達(dá)到溝道產(chǎn)沙的1/2 左右，最多可以達(dá)到流域侵蝕產(chǎn)沙量的1/3 左右。室內(nèi)模擬凍融和降雨試驗(yàn)表明，相同降雨強(qiáng)度，凍融坡面產(chǎn)流時(shí)間有所延遲，但產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著增加[23-24]，流失的泥沙顆粒中值粒徑也顯著大于未凍融坡面[25]。在黃土高原解凍期，坡度和流量是影響土壤分離能力最主要因素，但凍融循環(huán)的作用也達(dá)到顯著水平[26]。李強(qiáng)等[27]在野外試驗(yàn)站沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原狀裸土和傳統(tǒng)根密度土樣自然凍融后土壤物理性質(zhì)變化不明顯，而產(chǎn)沙量分別增加了19.41%和6.7%。王長(zhǎng)燕等[28]發(fā)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)賴草和紫花苜蓿地的土壤細(xì)溝可蝕性具有明顯的季節(jié)變化特征，并且與土壤粘結(jié)力、容重和水穩(wěn)性團(tuán)聚體及根系密切相關(guān)。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)與內(nèi)蒙古荒漠高原的交錯(cuò)帶位于風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)，是黃土高原侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū)[29]。該區(qū)在中國(guó)屬于中度凍融區(qū)，季節(jié)性凍融作用強(qiáng)烈，凍融與風(fēng)力、水力和重力相互作用，對(duì)坡面侵蝕，溝道和流域產(chǎn)沙的影響不容忽視。目前，關(guān)于凍融條件下土壤理化性質(zhì)變化和產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律已取得大量研究成果，但關(guān)于該區(qū)凍融對(duì)土壤侵蝕過(guò)程，尤其是侵蝕阻力的影響機(jī)制研究較少。因此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，模擬凍融條件下土壤分離過(guò)程，揭示凍融循環(huán)對(duì)土壤分離能力及侵蝕阻力的影響機(jī)制，對(duì)季節(jié)性凍融區(qū)土壤侵蝕機(jī)理的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)土壤

采樣點(diǎn)位于黃土高原與內(nèi)蒙古荒漠高原的過(guò)渡地帶的榆林市境內(nèi)（110°10′30″E，38°16′08″N），屬于風(fēng)水蝕交錯(cuò)區(qū)，地貌類型以梁、峁?fàn)铧S土丘陵為主，氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)。該區(qū)年平均降水量約為365.7 mm，年內(nèi)分配不均，7—9 月份的降水量占全年降水的61.1%，春季平均最大降水量可達(dá)164.9 mm，平均降水量60.7 mm。多年平均氣溫約為8.1 ℃，冬季多年平均氣溫-5.8 ℃，入春以后，氣溫明顯回升，平均日增溫0.2 ℃左右，春季多年平均氣溫10.9 ℃，3、4 月份最低氣溫在0℃以下的天數(shù)從20 多天減少到6 d，凍融循環(huán)現(xiàn)象頻繁發(fā)生（圖1）。

試驗(yàn)土壤為黃綿土，采自黃土高原北部撂荒地表層20 cm，是此地區(qū)的主要土壤類型，發(fā)育于黃土或次生黃土母質(zhì)上，質(zhì)地均一，其顆粒組成以粉粒占優(yōu)勢(shì)，疏松多孔。根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，黃綿土屬于粉砂壤土，土壤黏粒、粉粒和砂粒占比分別為17.59%、68.63%、13.78%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）凍融處理

將野外取回的土樣根系和石塊剔除后自然風(fēng)干，過(guò)5 mm 篩。根據(jù)野外實(shí)測(cè)含水率，將試驗(yàn)土樣含水率配置為10 %左右，再根據(jù)實(shí)測(cè)土壤表層容重（1.25 g/cm3），在高為5 cm，直徑為10 cm 的圓柱形單面開(kāi)口的PVC 盒中裝填土樣。裝土前塑料盒底部開(kāi)9 個(gè)圓孔（孔徑約5 mm），并鋪一層紗布。土樣裝好后在制冷機(jī)中放置12 h，進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)溫度控制在-10～-5℃左右，然后在室溫（5～10 ℃左右）下放置12 h，模擬自然界夜凍晝?nèi)诂F(xiàn)象。根據(jù)研究區(qū)氣象資料，3 月和4 月份平均氣溫在0 ℃以上，最低氣溫在0 ℃以下的天數(shù)從20 多天減少到6 d（圖1a），凍融循環(huán)次數(shù)最多可達(dá)20 多次，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)梯度為0、1、5 和10 次。

圖1 研究區(qū)1981—2010 年平均月氣溫和降水變化 Fig.1 Variation of monthly temperature and precipitation in the region of research from 1981 to 2010

2）沖刷試驗(yàn)

利用室內(nèi)變坡試驗(yàn)水槽，進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，模擬野外土壤分離過(guò)程，試驗(yàn)裝置如圖2。土壤分離試驗(yàn)裝置主要由4 部分組成，分別為供水部分、穩(wěn)流部分、沖刷部分和收集部分。供水裝置是長(zhǎng)寬高為1.0 m×1.0 m×1.5 m 的鐵皮水箱，通過(guò)水泵將水引入沖刷裝置的穩(wěn)流槽中，利用流量計(jì)調(diào)節(jié)放水流量。穩(wěn)流部分（長(zhǎng) ×寬×深：20 cm×15 cm×20 cm）位于沖刷槽的上部，中間設(shè)有擋板將穩(wěn)流裝置分為2 個(gè)隔間，擋板距穩(wěn)流裝置底部5 cm，水流從供水裝置流出后首先進(jìn)入穩(wěn)流裝置第1 個(gè)隔間，然后從擋板下部進(jìn)入第2 個(gè)隔間。穩(wěn)流裝置主要用于調(diào)節(jié)沖刷水流穩(wěn)定性，使水流進(jìn)入沖刷槽中初始速度為0。沖刷槽（長(zhǎng)×寬×高：400 cm×15 cm×8 cm）為有機(jī)玻璃材料，底部粘有與試驗(yàn)土壤相同的土壤顆粒，使試驗(yàn)水槽表面糙度與野外最大可能相似，沖刷槽的試驗(yàn)段為直徑10 cm，深5 cm 的PVC 土槽，位于沖刷槽中軸線且距沖刷槽尾部30 cm。試驗(yàn)收集裝置位于沖刷槽的尾部，設(shè)計(jì)為椎體，用于收集試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的泥沙。

在放水沖刷前，調(diào)節(jié)沖刷槽坡度和流量，根據(jù)研究區(qū)坡度分布特征和近30 a 的降雨資料，坡度設(shè)計(jì)為：10°和15°，流量設(shè)計(jì)為：12、18、24 L/min。水流穩(wěn)定后利用染色體法測(cè)定流速，測(cè)量區(qū)間位于沖刷槽試驗(yàn)段上部，長(zhǎng)度為2 m，根據(jù)試驗(yàn)水流流態(tài)選擇相應(yīng)流速修正系數(shù)計(jì)算平均流速。沖刷開(kāi)始后，土樣被沖刷2 cm 深度時(shí)停止試驗(yàn)，記錄所用時(shí)間。自產(chǎn)流開(kāi)始用徑流桶收集水流泥沙試樣，直至沖刷結(jié)束。沖刷結(jié)束后，將徑流桶靜置澄清12 h，泥沙沉淀完全后倒掉上層清液，將剩余泥沙樣轉(zhuǎn)移至鋁制料缸內(nèi)，在烘箱中105℃烘干后稱量泥沙質(zhì)量。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，共計(jì)試驗(yàn)72 場(chǎng)。

圖2 模擬沖刷試驗(yàn)裝置示意圖 Fig.2 Schematic diagram of scouring experimental setup

圖3 凍融及土壤分離試驗(yàn)過(guò)程圖 Fig.3 Schematic diagram of freeze thaw and soil detachment

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)定土壤理化性質(zhì)的土樣和用于沖刷土樣在凍融過(guò)程中均采用相同的處理方法，土壤水分和容重采用環(huán)刀烘干法，土壤孔隙度采用環(huán)刀浸透法，土壤質(zhì)地采用激光粒度儀法，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用濕篩法，有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，以上均重復(fù)3 次。土壤抗剪強(qiáng)度采用便攜式剪切儀，土壤硬度采用土壤硬度儀測(cè)試，均重復(fù)6 次[30]。土壤三相結(jié)構(gòu)指數(shù)GSSI（Generalized Soil Structure Index）是表征土壤三相構(gòu)成的參數(shù)，可以用來(lái)量化反應(yīng)土壤因外力作用而引起土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的程度，與土壤含水率、孔隙度和容重密切相關(guān)，通常情況下，旱作土壤的GSSI 越大，結(jié)構(gòu)越優(yōu)[31]，計(jì)算如下：

土壤分離能力是一定坡度和流量條件下，清水分離土壤的最大速率，可用沖刷輸移土樣干質(zhì)量來(lái)計(jì)算（式2）[4-5]，水深利用流量和流速計(jì)算（式3），水流剪切力利用水深、坡度等計(jì)算（式4）

式中Dc 為土壤分離能力，kg/(m2·s)；W 為試驗(yàn)沖刷輸移土樣質(zhì)量，kg；A 為土樣面積，m2；T 為沖刷時(shí)間，s；h為平均水深，m；Q 為流量，m3/s；B 為沖刷槽寬度，m；v 為平均流速，m/s；τ 為水流剪切力，Pa；ρ 為水密度，1 000 kg/m3；g 為重力加速度，本研究取9.8 N/kg；S 為試驗(yàn)坡度的正弦值。

土壤細(xì)溝可蝕性（Kr）和臨界剪切力（τ）是用于反映土壤抵抗侵蝕能力的參數(shù)，被定義為土壤侵蝕阻力。基于WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型，土壤侵蝕阻力為土壤分離能力和水流剪切力線性擬合直線的斜率和在X 軸上截距，可按下式計(jì)算[4-5]

式中Kr為土壤細(xì)溝可蝕性；τ 為水流剪切力，Pa；τc為土壤臨界剪切力，Pa。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)用LSD 法（P<0.05，雙尾）。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對(duì)土壤分離能力貢獻(xiàn)率分析

多因素方差分析結(jié)果表明，凍融條件下，坡度、流量和凍融循環(huán)次數(shù)均對(duì)土壤分離能力有顯著影響（P<0.05，表1），3 個(gè)單因素的貢獻(xiàn)率差異較小，其中流量對(duì)土壤分離能力的貢獻(xiàn)率最大（19.96 %），其次是凍融循環(huán)次數(shù)（18.43 %），坡度的貢獻(xiàn)率最?。?7.94 %）。坡度與流量的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，而凍融循環(huán)次數(shù)與坡度和流量的交互作用，以及3 個(gè)因素同時(shí)交互對(duì)土壤分離能力影響均未達(dá)到顯著水平（P >0.05），且貢獻(xiàn)率均較小，甚至為負(fù)。

2.2 土壤分離能力影響因素分析

除坡面為10°，凍融后流量為12 和18 L/min 的土壤分離能力無(wú)顯著差異外，在凍融前與凍融后坡面，土壤平均分離能力均隨坡度和流量的增加而顯著增大（P<0.05，圖4）。在相同坡度和流量條件下，凍融后土壤平均分離能力（5.28±2.48 g/(cm2·min)）顯著大于凍融前（2.39±1.71 g/(cm2·min)）。隨沖刷流量增加，凍融前15°坡面的土壤分離能力與凍融后10°的差距逐漸減小，當(dāng)流量增加到18 L/min 時(shí)，兩者已無(wú)顯著差異，流量為24 L/min 時(shí)，前者值大于后者。

表1 基于方差分析的各因子對(duì)土壤分離能力影響顯著性及貢獻(xiàn)率分析 Table 1 ANOVA of significance and contribution rate of various factors affecting soil detachment capacity

圖4 不同坡度和流量條件下土壤分離能力 Fig.4 Soil detachment capacity under different slope and flow discharge

凍融前，徑流沖刷流量由12 L/min 增加到18 和24 L/min 時(shí)，不同坡度土壤平均分離能力分別增加了2.70和5.37 倍，而凍融后是1.33 和1.87 倍；凍融前，坡度由10°增加到15°時(shí)，不同流量條件下土壤平均分離能力增加了1.84 倍，而凍融后是1.78 倍?？梢?jiàn)，雖然凍融后土壤分離能力顯著增大，但隨坡度和流量增加幅度顯著小于凍融前。這主要由于凍融與坡度流量交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著影響（表1），再加上坡度和流量較小時(shí)，凍融作用增大了試驗(yàn)結(jié)果基底值，因此，隨坡度和流量增加，凍融后土壤分離能力增幅相對(duì)較小。

經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)（0、1、5 和10 次）后，土壤分離能力均與坡度呈正相關(guān)關(guān)系。除坡度為10°，凍融循環(huán)為10 次的情況，土壤分離能力均隨流量的增加而顯著增大（P<0.05, 圖5）。

圖5 土壤分離能力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化 Fig.5 The relationship between soil detachment and freeze-thaw cycles

不同坡度和流量條件下，凍融1 次后，土壤分離能力均顯著增大（P<0.05），但其隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化趨勢(shì)有明顯差異。坡度為10°時(shí)，凍融循環(huán)1 次后，流量為12、18 和24 L/min 時(shí)的土壤分離能力分別增大了3.28、2.62 和1.83 倍；相對(duì)于第1 次凍融，凍融5 次后，相同流量下土壤分離能力無(wú)顯著變化；而凍融10 次后，相對(duì)于第5 次凍融，除流量為24 L/min 時(shí)土壤分離能力均顯著增大，不同流量間無(wú)顯著差異（P>0.05）。

坡度為15°時(shí)，凍融循環(huán)1 次后，流量為12、18 和24 L/min 時(shí)的土壤分離能力分別增大了4.19、2.07 和1.42倍。流量為12 L/min 時(shí)，隨凍融次數(shù)增加土壤分離能力不再發(fā)生顯著變化（P>0.05）；流量為18 和24 L/min 時(shí)，凍融5 次后土壤分離能力顯著增加，但與凍融10 次后的結(jié)果無(wú)顯著差異（P>0.05）。

2.3 凍融條件下土壤侵蝕阻力變化

不同凍融循環(huán)次數(shù)，土壤分離能力與水流剪應(yīng)力均呈較好的線性相關(guān)關(guān)系（R2≥0.64，P<0.05，圖6）。由式5可知，擬合線性關(guān)系中斜率為土壤細(xì)溝可蝕性（Kr），截距為土壤臨界剪切力（τc）。Kr在凍融循環(huán)1、5 和10 次后，分別顯著增大了1.25、1.66 和1.72 倍，隨凍融次數(shù)的增加不斷增大，并逐漸趨于平穩(wěn)（圖7a）。τc在凍融1、5 和10次后顯著小于凍融前，分別減小了70.12 %、48.75 %和83.56 %，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，變化規(guī)律不明顯（圖7b）。

圖6 土壤分離能力（Dc）與水流剪應(yīng)力（τ）關(guān)系 Fig.6 Relationship between soil detachment capacity and shear stress of flow

2.4 凍融對(duì)土壤侵蝕阻力影響機(jī)制

凍融后土壤機(jī)械組成無(wú)顯著變化，而土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)鋈诤箫@著增加（P<0.05），但隨凍融次數(shù)的變化無(wú)明顯規(guī)律（表2）。凍融前，土壤容重、≥ 0.25 mm 的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、抗剪強(qiáng)度和硬度分別為：1.26 g/cm3、17.98 %、40.66 kPa 和75.00 kPa，在凍融后均顯著降低（P <0.05），分別平均減小了6.61 %、24.77 %、21.35 %和13.56 %。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、抗剪強(qiáng)度和硬度均逐漸減小，且不同凍融循環(huán)次數(shù)間具有顯著差異（P <0.05）。與容重變化相反，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤孔隙度和三相結(jié)構(gòu)指數(shù)均顯著增大（P <0.05），說(shuō)明凍融循環(huán)后，土壤結(jié)構(gòu)一定程度得到了改善。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)土壤侵蝕阻力變化 Fig.7 Changes of soil erosion resistance under different freeze-thaw cycle times

表2 試驗(yàn)土樣凍融前后土壤理化性質(zhì)變化 Table 2 Variation of soil physical and chemical properties before and after freeze-thaw

通過(guò)分析土壤細(xì)溝可蝕性（Kr）和臨界剪切力（τc）在凍融條件下與土壤性質(zhì)間相關(guān)關(guān)系（表3），發(fā)現(xiàn)Kr與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與≥ 0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和抗剪強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他土壤性質(zhì)無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，其中與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相關(guān)系數(shù)最大（0.98）。在凍融條件下未發(fā)現(xiàn)土壤臨界剪切力與實(shí)測(cè)理化性質(zhì)間存在顯著相關(guān)關(guān)系（P>0.05）。

表3 凍融條件下土壤侵蝕阻力與土壤理化性質(zhì)間相關(guān)性 Table 3 Correlation between soil erosion resistance and soil physical and chemical properties under freeze-thaw conditions

3 討 論

坡度和流量的組合決定了坡面徑流水動(dòng)力特征，是影響土壤分離過(guò)程的外因。大量研究表明，土壤分離能力與坡度和流量均呈正相關(guān)關(guān)系，這與本研究?jī)鋈跅l件下的結(jié)果基本一致，但該正相關(guān)關(guān)系是用何種函數(shù)擬合較好與試驗(yàn)所用坡度和流量的大小有關(guān)[7,32]。申楠等[33]認(rèn)為綜合考慮兩個(gè)因子的作用并進(jìn)行多因素分析更有實(shí)際意義。李敏等[34]發(fā)現(xiàn)坡度對(duì)土壤分離能力的貢獻(xiàn)率最大（29.64%），其次是土壤含水率（22.29%）和流量（19.72%），且不同因素的交互作用的貢獻(xiàn)率雖然小于單因素，但對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響均達(dá)到顯著水平。而在本研究中，凍融條件下流量貢獻(xiàn)率最大（19.96%，表1），但與凍融與坡度和流量的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有顯著影響。這可能是由于土壤質(zhì)地不同，凍融循環(huán)的影響有限，在對(duì)風(fēng)沙土的研究中，基于田口方法去噪分析，凍融循環(huán)次數(shù)雖然對(duì)土壤分離能力影響顯著，但貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)小于坡度、流量和含水率[35]。目前關(guān)于凍融增加坡面侵蝕產(chǎn)沙量的結(jié)論國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果較為統(tǒng)一[23,26-27,36]。李強(qiáng)等[27]利用野外沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在15°的裸露黃綿土坡面在經(jīng)歷初春解凍期后產(chǎn)沙量增加了19.41%；Wang 等[25]利用降雨試驗(yàn)，同樣是15°黃綿土坡面，凍融1 次后產(chǎn)沙量增加1.1 倍，均小于本研究中的增加幅度。這除了與測(cè)算指標(biāo)不同有關(guān)外，重塑土樣、人工凍融條件和設(shè)計(jì)流量等差異均是主要影響因素。

徑流驅(qū)動(dòng)的土壤分離能力與水動(dòng)力特性和土壤屬性兩個(gè)方面密切相關(guān)，后者屬于內(nèi)因，在本試驗(yàn)中受控于凍融作用[12]。土壤是由固相、液相和氣相組成的三相物質(zhì)，凍融后，水分的遷移、相變和冰晶生長(zhǎng)，對(duì)土壤顆粒和孔隙產(chǎn)生反作用力，破壞土壤結(jié)構(gòu)，土壤顆粒間的粘聚力逐漸被破壞，顆粒重新排列，直接或間接地導(dǎo)致土壤孔隙度增大，容重、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度等物理和力學(xué)指標(biāo)降低[14-18]，這與本研究中結(jié)果基本一致（表 2）。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤容重、孔隙度和抗剪強(qiáng)度在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后基本上均趨于穩(wěn)定，水穩(wěn)性團(tuán)聚體是影響土壤可蝕性的重要指標(biāo)，其變化最為復(fù)雜[13]。Lehrsch 等[37]發(fā)現(xiàn)表層0～15 mm 黏壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加，凍融3 次后達(dá)到最大值。而Edwards 等[38]以壤土、砂壤土和細(xì)砂壤土水穩(wěn)性團(tuán)聚體為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加均顯著減少，對(duì)于團(tuán)聚體含量較高的壤土和細(xì)砂壤土經(jīng)15 次循環(huán)后，大于4.75 mm 的團(tuán)聚體含量降低，而小于0.5 mm 的團(tuán)聚體含量從19 %增加到70 %。董曉宏等[39]在控制含水量不變的情況下，發(fā)現(xiàn)黃土的抗剪強(qiáng)度在凍融3～5 次后達(dá)到最小值，并逐漸趨于穩(wěn)定。土壤團(tuán)聚體隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律更是受土壤質(zhì)地和凍融程度等多種因素影響，因此得到的結(jié)論差異較大[16-17]。在本研究中，凍融0～10 次時(shí)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性均呈不斷顯著減小趨勢(shì)（表2）。這可能是由于黃綿土以粉粒為主，化學(xué)成分主要是SiO2和CaO，疏松多孔的結(jié)構(gòu)有利于水分的不斷運(yùn)移，再加上比熱小，土溫變化大等特性[27]，因此在10 次凍融循環(huán)范圍內(nèi)能呈不斷減小趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵，其含量同時(shí)受凍融程度、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)的溶解性、膠體攜帶等因素的綜合影響[40]。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，可溶性有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，但是由于其占土壤總碳比例較小，因此凍融對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響不大[41]，這可能也是本文結(jié)果中有機(jī)質(zhì)無(wú)顯著變化的原因。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)重要組成部分，其穩(wěn)定性與抗剪強(qiáng)度均是影響土壤侵蝕阻力的關(guān)鍵因素[27-28,42]。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用土壤細(xì)溝可蝕性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤黏結(jié)力呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，這與本研究基本一致，說(shuō)明凍融條件下團(tuán)聚體和抗剪強(qiáng)度也是影響土壤分離能力的關(guān)鍵因素。一般認(rèn)為土壤黏結(jié)力和團(tuán)聚體通常與容重密切相關(guān)，容重越大，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)，越不容易被分離。但是容重的變化勢(shì)必與孔隙度有關(guān)，Wang 等[10]以黃土高原不同退耕年限土壤為研究對(duì)象，容重與孔隙度呈較好線性相關(guān)關(guān)系（R2=0.73，P=0.04），且均顯著影響土壤分離能力（P<0.05）。而孫龍等[43]發(fā)現(xiàn)黃土高原不同退耕年限刺槐林枯落物的分解使土壤容重降低，但是這并未使細(xì)溝可蝕性增大，土壤細(xì)溝可蝕性與容重呈正相關(guān)關(guān)系，與以往的認(rèn)識(shí)不符。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)枯落物的分解釋放的有機(jī)物質(zhì)增大土壤空隙，改善土壤結(jié)構(gòu)，使抗侵蝕能力增加?？梢?jiàn)，在枯落物的影響下，土壤容重不再是影響細(xì)溝可蝕性的主要因素。在本研究中發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)溝可蝕性與孔隙度和容重相關(guān)系數(shù)相同（0.95），但與孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與容重的關(guān)系未達(dá)顯著水平。這可能是因?yàn)閮鋈跅l件下，頻繁的凍融循環(huán)使土壤水分發(fā)生相變，破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，導(dǎo)致了容重降低，孔隙度的變化能更好地表征土壤細(xì)溝可蝕性。土壤細(xì)溝可蝕性隨凍融次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)與土壤分離能力相同，而土壤臨界剪切力隨凍融次數(shù)增加的變化起伏較明顯，而且與土壤性質(zhì)關(guān)系未達(dá)顯著水平，可見(jiàn)土壤細(xì)溝可蝕性變化對(duì)凍融的響應(yīng)更為敏感。

4 結(jié) 論

1）凍融顯著影響土壤分離能力，貢獻(xiàn)率小于流量而大于坡度。凍融后，土壤分離能力隨坡度和流量增加的增幅小于凍融前。土壤分離能力在坡度和流量均較小或較大時(shí)，與凍融循環(huán)次數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

2）凍融對(duì)土壤侵蝕阻力影響顯著，相對(duì)于凍融前，土壤細(xì)溝可蝕性凍融1 到10 次后，分別增加了1.25 至1.72 倍，隨凍融次數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定，而土壤臨界剪切力分別降低了48.75 %至83.56 %。

3）凍融對(duì)土壤各理化性質(zhì)影響差異較大，其中，土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚和抗剪強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加顯著減小，土壤孔隙度和三相結(jié)構(gòu)指數(shù)的變化與之相反。凍融條件下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和抗剪強(qiáng)度是影響土壤細(xì)溝可蝕性最主要因素，其次是土壤孔隙度。