杨俊鹏，周丽丽，范昊明，武 敏

（沈阳农业大学 水利学院，沈阳110866）

春季解冻期冻土层开始解冻，土壤受到“夜冻昼融”的作用，物理力学性质发生改变，且存在未完全解冻层，一般极易发生侵蚀。已有的研究表明，土壤侵蚀在春季解冻期的表现较为强烈［1－6］，占全年水土流失量的绝 大部分［4，7］。前 期 研 究也表明［8－10］，我 国 东北地区土壤侵蚀发展速度较快，春季解冻期土壤侵蚀所占比例较大，且有加剧的趋势。对我国东北黑土春季解冻期土壤侵蚀的已有研究认为［11－12］，该时期降雨侵蚀受未完全解冻层影响较大，降雨的侵蚀能力较强，导致这一时期坡面土壤侵蚀严重。

本研究以我国东北地区草甸土为研究对象，分析试验区的冻融环境，并通过室外人工模拟试验，分析冻融前后土壤含水率以及容重的变化、春季解冻期初始解冻深度和降雨强度对表层土壤降雨侵蚀的影响，为进一步揭示春季解冻期土壤侵蚀机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于沈阳农业大学水利学院综合实验场。气候类型属于温带大陆性季风气候，全年接近1／3的天数在0℃以下，多年平均冻土深度1m。年降水量700mm。试验用土取自该实验场满堂河岸边0—20 cm耕作土壤，土壤类型为我国东北草甸土，其分布比较广泛。试验用土取回后风干，过5mm×5mm的筛，剔除植物根系等杂物。土壤干容重为1.35 g／cm3，土壤饱和含水率为35.76%。为使土壤含水率均匀，不受雨滴击溅及风力侵蚀影响，用不透水材料将过筛后的试验用土盖好。室外试验小区坡长4m，坡宽1.5m，下端连接集流槽，用于收集径流、泥沙样品。降雨试验采用下喷式降雨模拟系统，喷头采用旋转喷射式喷头，喷嘴口径为3mm，有效降雨覆盖面积5m×5m，降雨高度6.4m，降雨均匀度可达80%左右。气象数据来源于国家气象信息中心。

1.2 方 法

试验区冻融环境分析资料为2007年10月初至2008年4月末的日气温极值资料，重点分析日最高气温、日最低气温变化规律，总结试验区冻融环境特点。利用室外自然的冻融环境，建立室外降雨试验小区。在春季解冻期进行降雨试验，考虑初始解冻深度和降雨强度两个因素。试验设计3个初始解冻深度，分别为10，20，30mm。降雨强度设为两个强度，分别为50，60mm／h，试验设计见表1。

表1 试验设计

室外试验小区共6个，设计坡度为8°，2007年10月6日前铺设完成，铺土厚度0.2m。经历1个冬季之后，2008年初春，自然条件下，表层土开始融化至满足试验设计解冻深度要求即开始降雨试验。试验前用环刀在坡面上、中、下部取3个样测定表层土壤容重、含水率。为避免降雨时间过长，受到风力影响，以及土壤冻结层融化过多会影响试验结果，设计降雨历时20min。试验开始，产流后每1min收集一次径流泥沙样品。试验结束后，测量径流泥沙量，烘干泥沙样品。

2 结果与分析

2.1 试验区冻融环境

试验区2007年10月1日至2008年4月30日日平均气温、日气温极值波动曲线如图1所示。试验区受季节性负气温影响，通过地表热交换，土壤形成季节冻结层；到春季气温回升，在0℃上下波动时，土壤开始解冻，形成解冻层。试验区土壤冻结过程是由地表向下单方向进行，土壤融化过程是由地表向下及季节冻结层底面向上双方向进行，而对于表层土壤来说，其冻结和融化主要受地表面向下的热交换影响。一般认为，冻融交替作用使表层土壤发生夜冻昼融现象，其温度条件是日最高气温大于0℃、日最低气温小于0℃。

图1 2007年10月1日至2008年4月30日气温变化曲线

由图1可见，在7个月时间内，温度大体经历了降温（2007年10月9日至2008年1月7日）、稳定（2008年1月8日至2008年2月9日）和升温（2008年2月10日至2008年4月27日）3个阶段，对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程。2007年10月9日最低气温第一次出现了负温，表层土壤开始进入冻融循环状态。此后，平均气温、最高气温、最低气温均呈现波动下降趋势，冻深不断增加。表层土壤在降温阶段的91d持续冻结，满足日最高气温0℃以上、日最低气温0℃以下的天数为46d，也就是表层土壤有50%时间受到冻融作用影响，其中，10月28日至12月6日的40d内，有28d表层土壤经历了冻融交替作用，达到总天数的70%，可见，这一阶段是土壤冻融循环发生较频繁的时段。2008年1月8日之后，日气温极值连续33d均为负温，表层土壤处于稳定冻结状态。2008年2月10日最高气温升至0℃以上，表层土壤进入融化过程，气温开始持续升高，地表土壤受温度日变化影响而处于反复冻融条件中。截至4月27日，表层土壤在78d的升温过程中逐渐融化，而处于冻融状态的天数为33d，其中，2月10日至3月20日的40d内，有26d表层土壤受冻融交替影响，达到总天数的65%。分析结果表明，表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期，尤其是融化过程中的冻融作用，不仅会使土壤性质发生变化，而且在表层融解且存在未完全解冻层的情况下，增加了土壤侵蚀发生的可能，所以，这一时期是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键阶段。

2.2 冻融作用对土壤含水率及容重影响

试验坡面在季节冻结层形成之前铺设完成，并用环刀取样测定表层土壤含水率和容重，作为这两项指标冻融前的值。2008年初春，表土层逐渐融化的过程中，未完全解冻层也开始向下移动。当解冻深度达到降雨设计要求，在进行降雨试验前，同样用环刀取样测定表层土壤含水率和容重，作为这两项指标冻融后的值。通过对试验区冻融环境的分析，表层土壤在冻结过程中有46d受到冻融作用影响，而降雨试验前的融化阶段也有12～15d经历着冻融交替过程。如果1d算做一个冻融循环，降雨试验前，表层土壤已经经历了58～61次循环，这期间土壤水经历着复杂的相变过程和运移过程。因此，在融化阶段，随着土壤温度不断升高，近地表土壤中的冻结水逐渐转化为液态水而蒸发，在得不到及时补充的情况下，致使土壤含水率由冻融前的16.5%减小到冻融后的13.3%，减小幅度达到19%；同样，由于冻融交替作用影响，土壤结构发生变化、体积膨胀，土壤容重由冻融前的1.35g／cm3减小到冻融后的1.23g／cm3，减小幅度达到8.9%。可见，试验区土壤在经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程后，土壤含水率和容重均发生了明显变化，土壤变得更加干燥和疏松，抗蚀能力降低。

2.3 春季解冻期室外降雨侵蚀分析

2008年3月3日至3月6日对满足设计解冻深度、经历了58～61次冻融循环的坡面进行降雨试验。试验中将初始解冻深度和降雨强度作为坡面产流的控制因素。侵蚀速率随时间变化曲线如图2所示。

图2 不同初始解冻深度条件下侵蚀速率变化过程

由图2可见，降雨开始后坡面产流时间较晚，推迟到9min。坡面产流后，侵蚀速率整体表现为增加趋势。当降雨强度I＝50mm／h时，在12～14min出现了侵蚀速率的第一个峰值，这主要是因为坡面汇流迅速发展增大了径流侵蚀力；解冻深度30mm时，15～18min坡面主要以面蚀为主，没有明显的细沟侵蚀，侵蚀速率相对较小，在19～20min细沟剧烈发育导致侵蚀速率突然增加，可以推断如果继续降雨，侵蚀速率会持续增加；解冻深度10mm和20mm时，土壤解冻深度较浅，从产沙开始到降雨结束，侵蚀速率增加幅度不大，解冻土壤达到饱和的过程短，具有一定侵蚀力的径流也更容易形成，土壤粘聚力降低更易于被侵蚀，坡面侵蚀形态以细沟侵蚀为主，多分布于坡面中下部，宽浅型为主。当降雨强度I＝60mm／h时，侵蚀速率波动性增强，一方面是因为径流量随降雨强度递增对土壤的侵蚀能力增大；另一方面是因为解冻深度越浅，冻结层就越容易成为细沟侵蚀的控制面，侵蚀量减少，同时又致使细沟横向发展，容易造成沟壁坍塌增加侵蚀量；最后是因为该组试验中解冻深度20mm处理在11～12min时和解冻深度30mm处理在产流前及13min时均受到了风力影响。

3 结论

温度大体经历了降温、稳定和升温3个阶段，对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化三个过程。表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期，特别是融化阶段是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键时期。

试验区前1年10月铺设的坡面，第2年3月降雨试验前共经历了58～61次冻融循环，土壤含水率减小19%，土壤容重减小8.9%。

对侵蚀速率的分析结果表明，坡面产流后，侵蚀速率表现为增加趋势；降雨强度I＝50mm／h时，土壤解冻深度较浅的处理，侵蚀速率增加幅度不大，坡面侵蚀形态以宽浅型细沟为主；降雨强度I＝60mm／h时，侵蚀速率波动性增强。春季解冻期室外降雨试验容易受到风力影响。

［1］ Chow T L，Rees H W，Monteith J.Seasonal distribution of runoff and soil loss under four tillage treatments in the upper St.John River valley New Brunswick，Canada［J］.Canadian Journal of Soil Science，2000，80（4）：649-660.

［2］ Jane C F，Richard M C，Mohammadreza G.冻融侵蚀机理［J］.水土保持科技情报，2001（3）：26-29.

［3］ Zuzel J F，Allmaras R R，Greenwalt R.Runoff and erosion on frozen soils in northeastern Oregon［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1982，37（6）：351-354.

［4］ Sharratt B S，Lindstrom M J，Benoit G R.Runoff and soil erosion during spring thaw in the northern U.S.Corn Belt［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2000，55（4）：487-494.

［5］ Cruse R M，Mier R，Mize C W.Surface residue effects on erosion of thawing soils［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.，2001，65（1）：178-184.

［6］ 张永光，伍永秋，刘宝元.东北漫岗黑土区春季冻融期浅沟侵蚀［J］.山地学报，2006，24（3）：306-311.

［7］ Sharratt B S，Lindstrom M J.Laboratory simulation of erosion from a partially frozen soil［C］∥Ascough J C，Flanagan D C.Soil Erosion Research for the 21st Century.St.Joseph，MI：ASAE，2001：159-162.

［8］ 范昊明，蔡强国.冻融侵蚀研究进展［J］.中国水土保持科学，2003，1（4）：50-55.

［9］ 张瑞芳，范昊明，王瑄，等.辽宁省冻融侵蚀发生的气候环境分析［J］.水土保持研究，2008，15（2）：8-12.

［10］ 王飞，范昊明，郭成久，等.我国两大冻融侵蚀区气候环境变化对比分析［J］.生态环境，2008，17（1）：173-177.

［11］ 周丽丽，王铁良，范昊明，等.未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响［J］.水土保持学报，2009，23（6）：1-4，37.

［12］ 刘佳，范昊明，周丽丽，等.春季解冻期降雨对黑土坡面侵蚀影响研究［J］.水土保持学报，2009，23（4）：64-67.