冻融作用对原状棕壤抗剪强度和崩解特性的影响

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辽河平原是我国温带农田生态系统的重要组成部分,棕壤是该地区的主要土壤类型。该地区表土层季节性冻融循环现象强烈,冻融作用通过影响颗粒间摩擦和连结效果、颗粒大小及分布、结构特征和结构稳定性等,进而对土壤可蚀性产生重要影响。介于此,本研究以5~7 cm和25~27 cm两个深度的原状棕壤为研究对象,选取5个不同冻融次数(0、1、5、10和15)及5个不同初始土壤含水率(10%、15%、20%、25%和35%)的土样。进行模拟冻融循环试验,随后进行直剪试验、崩解试验和压汞试验。以期为揭示冻融作用对棕壤的影响奠定基础,为阐明土壤侵蚀的机理提供依据。在本研究中,冻融条件下原状棕壤抗剪强度的研究结果表明,随着含水率增加冻融作用将对土壤黏聚力产生不同影响,而内摩擦角是较为稳定的土壤属性,不易受冻融影响。冻融循环对10%含水率土样产生超固结效应,两深度土样黏聚力在15次冻融后分别增加74.36%和60.08%。初次冻融作用对25%和35%含水率土样破坏效果强烈。35%含水率两深度土样多次冻融后发生强烈融沉降,黏聚力在15次冻融后分别增加14.63%和26.15%。同时,10%含水率的两深度土样内摩擦角受1次冻融影响较小,多次冻融后呈减小趋势。35%含水率的两深度土样内摩擦角最为稳定,分别在18.57°±(0.88°)和12.86°±(1.14°)之间变化。同时,在崩解特性方面,土样崩解过程可依次分为四个阶段,其中指数崩解阶段是崩解的主要阶段。较高含水率将抑制土壤崩解,冻融作用主要影响指数崩解阶段的时间长度和崩解速率。25%和35%含水率两深度土样的最终崩解率很难达到20%。10%和15%含水率两深度土样的指数崩解速率均因冻融过程孔隙极化分布增加,指数崩解时均因此缩短。含水率25%和35%条件下,冻融作用导致土壤内发生沉降堵塞,降低气、水交换能力,两深度土样总崩解量也随之减少。此外,4μm孔隙是冻融条件下土壤孔隙变化的临界值,各分段孔隙占比影响土壤可蚀性参数。10%含水率条件下,冻结边缘的负孔隙压力造成较小孔径孔隙的体积收缩。25%和35%含水率,冻融作用导致两深度土样总孔隙体积随着>4μm孔径百分比的增加而增加。而在15%和20%含水率,总孔隙体积波动趋势主要受>4μm孔径影响。根据冗余分析的结果,冻融条件下,0.1-4μm孔隙含量增加,反映内摩擦角增加;4-25μm孔隙含量减小,反映黏聚力和总崩解量增加。论文主要创新点在于对冻融条件下原状棕壤可蚀性参数进行探究,获取了变化规律较为复杂的试验结果。通过土壤孔隙分布的微观结构变化探究土壤抗剪强度和崩解特性等宏观性质差异。试验结果为土壤侵蚀研究提供了新思路。
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