凍融條件下黑土大孔隙結構特征研究*

姜 宇 劉 博 范昊明 馬仁明

（沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866）

凍融循環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風化作用形式，對土的物理力學性質有著強烈的影響［1-4］。地球上中緯度大部分地區經受季節性凍融作用，在我國的東北、西北及西南的高海拔地區，土壤均不同程度地受到凍融作用的影響。黑土在我國東北地區分布廣泛，對工農業生產的作用也極為重要［5］。因此，研究凍融作用對開展黑土區侵蝕機理研究及合理利用黑土資源具有重要意義。

國內外關于凍融作用對土體影響的研究起步較早，早在1989年Konrad［6］提出反復凍融破壞了土壤顆粒間的聯結力，使土壤顆粒重新排列，從而改變土的力學性質［7］。最初關于凍融作用的研究多是傾向其對工程的影響，而對于凍融作用對寒區耕地的土壤性質以及凍融侵蝕的影響研究較少。近年來很多研究采用不同的試驗方法，表明凍融作用可以顯著降低土壤容重、增加孔隙度、提高飽和導水率，并且容重的變化與凍土溫度和土壤含水率密切相關。鄧西民等［8］認為由于負溫低時會有更多的土壤毛管水和吸附水凍結，還會引起水分由暖端向冷端遷移聚集凍結，使容重和孔隙度發生更大的變化。Lawrence［9］與Taskin和Ferhan［10］提出凍融作用會改變土壤性質，如土壤結構、土壤導水性、容重、團聚體水穩性以及土壤強度等，進而影響土壤可蝕性因子［11］。王恩姮等［12］表示，通常認為反復的凍融作用會使土壤容重減小，低容重和高含水條件會使土壤表面更易遭受分散和輸移，土壤黏結力減小，土壤分散力增大，抗蝕性降低。凍融循環使原狀土的結構性得到顯著的弱化，這表現在凍融循環可以使原狀土的先期固結壓力減小［13］、三軸不排水剪切應力應變曲線上的峰值強度逐漸消失［14］。

CT掃描技術從醫學到土壤學的轉移應用，實現了土壤原狀土體孔隙結構的非破壞性研究［15］。CT無損掃描結合圖像計算機處理技術的發展，使得土壤孔隙結構的研究更加直接和定量化。近年來，很多研究利用CT掃描技術對凍土的微細觀結構進行研究，研究主要集中在凍融作用后凍脹裂隙、孔隙率、結構特征變化等方面［16］，但對于黑土區凍融作用下孔隙特征的研究并不多見。王恩姮等［12］對不同深度黑土剖面在凍融前后孔隙特征變化進行研究，研究表明凍融作用對表層黑土結構無顯著性影響。夏祥友等［17］的研究表明不同凍融循環次數沒有對黏化層原狀土孔隙特征產生顯著影響。凍融作用對土體結構的影響尤為重要，而孔隙特征決定了土體的結構，因此相關研究尤為必要。

本研究應用醫用CT技術對凍融條件下原狀土樣的三維結構進行分析，獲取孔隙特征的定量指標，進而分析凍融條件下不同凍融循環周期以及不同含水率對土壤大孔隙的影響，為進一步揭示黑土區季節性凍融對黑土結構的影響奠定基礎，為闡明凍融侵蝕機理以及合理評價、利用寒區農田提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

取土地點為黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣，地理坐標為126°18′43.7796″E，47°27′42.0726″N。土壤理化性質采用常規方法測定［18］，土壤機械組成采用吸管法測定，土壤質地劃分根據美國制劃分標準，土壤容重、飽和持水量、田間持水量和總孔隙度采用環刀法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定。供試土樣相關理化性質如表1所示。

表1 供試土樣理化性質Table 1 Physical and chemical properties of studied black soil

1.2 材料與方法

本試驗所用土柱為原狀土柱，設置30%、40%兩個含水率，采用0、1、3、5、7、10、15次凍融循環周期，每個處理設置五個重復。凍融溫度按照拜泉縣當地氣象資料選取-10～7°C進行試驗。

試驗采用內徑為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、運輸和試驗過程中注意防止對原狀土體結構的擾動。將采回的土柱放置于4°C下恒溫保存，計算配制指定含水率所需要的水量，用去離子水慢速濕潤至土壤中后進行18 h以上的悶土，達到所要控制的質量含水率，誤差范圍控制在3%以內。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控的凍融機中，凍融機中放置溫度探頭，用以連續觀測溫度變化來進行不同凍融循環周期的試驗。由于自然界中的土壤夜晚凍結，白天融化，有一個凍結融化的緩慢過程，因此本試驗采取的是12 h凍結，12 h融化的緩慢凍結。

1.3 CT掃描與圖像重建

利用CT掃描技術掃描凍融循環后15 cm的原狀土柱，試驗所用CT為Brightspeed16排螺旋CT，設定掃描參數如下：管電壓120 kV，管電流400 mA，掃描時間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射線管和探測器列圍繞著土體旋轉360°的過程中，X射線管發出扇形光束穿過土樣，位于X射線管對面的探測器檢測衰減的X射線并形成投影，最后投影值重新組合形成一個圖像。原狀土體中不同密度的物質將以不同亮度表示，土壤孔隙就可以清晰的顯示出來。應用Image J軟件定量分析凍融循環后原狀土體的孔隙結構特征。

由于土壤動物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達十幾甚至幾十厘米［19-20］，因此少量土柱中出現特大孔隙孔洞，為減少其對實驗結果的干擾，參考CT掃描出的土體結構影像從5個重復試驗的土柱中篩選出3個土柱用于分析。由于土柱上部及下部在取樣存放處理過程中不可避免受人為擾動，因此取土柱中間段70張影像，即0.625 mm×70進行分析。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，對應實際邊長為2.38 cm。為準確提取土壤孔隙結構數據，需要對圖像進行二值分割，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命令對圖像亮度進行歸一化處理，然后進行黑白二值分割。采用全局閾值法對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。為避免人工或自動選定分割閾值時的不確定性，處理中依據實際土壤的孔隙度反復調試以確定全局閾值。圖1為40%含水率下不同次數凍融循環后土樣的二維切片。

圖1 凍融循環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

土壤孔隙結構分析利用Image J軟件中的插件3D object counter來完成。統計孔隙的信息，包括孔隙的數量（TNP）、孔隙度、孔隙骨架和孔隙當量直徑分布。根據計算出的當量直徑來確定孔隙形狀因子（F）［21］：

式中，Ae為體積與測得孔隙體積相等的球體的表面積，A為測得的孔隙表面積。F=1時表示孔隙為一個球體，F值越小，孔隙形狀就越不規則越接近長條型。在這項研究中，將孔隙分類為規則孔隙（F≥0.5），不規則孔隙（0.2＜F＜0.5）和加長孔隙（F≤0.2）［22-23］，各類孔隙體積占總孔隙體積的百分比為規則孔隙度（RP），不規則孔隙度（IRP）和加長孔隙度（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，但土壤動物（如蚯蚓、螞蟻等）形成的孔隙直徑可達十幾甚至幾十厘米，因此可將這一范圍擴至＞0.03 mm［25］。本文統計1.25 mm以上大孔隙，將大孔隙分為兩級，1.25 mm～3 mm的大孔隙及＞3 mm的超大孔隙。

2 結 果

2.1 土壤結構可視化

圖1分別為40%含水率下0次、1次、3次、5次、7次、10次、15次凍融循環處理后的二維圖像。從二維圖像可以觀察到，隨著凍融循環的進行，孔隙數量不斷增多，孔隙面積增大且形狀不規則，由此推斷土體隨凍融循環次數的增加結構逐漸疏松。

為了更直接觀察原狀土體內部微結構的變化，利用Image J軟件對樣品中部土體進行三維結構恢復，圖2為40%含水率下土樣的三維結構，黑色部分為孔隙，白色部分為固體顆粒。三維孔隙結構更直觀的表現出土壤結構在凍融循環作用下的變化特征。結合二維和三維結構圖像進行分析，發現在凍融循環作用下，原狀土壤結構變得相對疏松，大孔隙體積明顯增大，孔隙間連通性得到改善，土體呈現明顯的復雜多孔結構。

圖2 凍融循環后土樣的三維孔隙結構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，凍融循環處理下的原狀土體孔隙結構參數發生了顯著的變化。兩組土樣的孔隙度均增加，這與劉佳［26］、鄭鄖［27］等研究結果相似。隨著凍融循環的進行，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%，孔隙度持續增長。40%含水率土樣的孔隙度高于30%含水率土樣，在6種處理條件下孔隙度分別高出39.82%、7.78%、2.57%、12.22%、65.00%和18.97%。

TNP在凍融循環處理過程中呈現出減少的趨勢。在完成7次凍融循環后，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上并無顯著差異。

表2 凍融循環后土樣的孔隙特征Table 2 General characteristics of the soil pore systems in the soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

從孔隙形態來看，RP在凍融循環過程中顯著減少（P＜0.05）。在完成15次凍融循環后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在凍融循環過程中顯著減少（P＜0.05），兩組含水率土樣在孔隙規則度上并無顯著差異。

以上結果表明在相同含水率條件下凍融循環后土壤孔隙度增大，不規則孔隙度增大。凍融初期，土體快速凍結，冰晶生長體積膨脹，對周圍的土顆粒產生擠壓；融化時，土骨架部分發生回落坍塌，這將會破壞土顆粒之間的膠結，使土顆粒發生位移甚至破碎變形［27］。倪萬魁和師華強［28］研究表明反復凍融作用使黃土顆粒之間原始固有膠結逐漸減弱，造成黏聚力不斷降低。隨著凍融循環次數的增加，被冰晶擠壓而產生形變的孔隙恢復能力逐漸減弱，因此孔隙度隨凍融循環次數的增加而增大。同一凍融溫差條件下，高含水率土壤經過凍融循環后較之低含水率土壤孔隙度更大，但兩者數值變化并不顯著。在不考慮溫差等其他因素情況下，土體中水分含量越大，凍結過程中水分遷移的有效時間越長，由此遷移的水分越多，進一步增加了這種推動作用，從而使土壤凍融作用更為強烈，凍脹更為嚴重，使得孔隙結構變化的幅度更大一些［26］。

孔隙數量與孔隙度是分析孔隙特征經典的兩項指標，對于孔隙數量的描述中，由于大多數孔隙的連通導致孔隙數量的確定存在模糊區域，在此引入孔隙骨架用于分析，利用數學方法在三維圖像的孔隙骨架中找到孔隙連接的結點，并在結點處將孔隙分隔開，計算出孔隙分支數用以更加準確的描述孔隙數量。由表3可以看出包含分支的孔隙數量與傳統計算的孔隙數量隨凍融循環的變化趨勢相同，但孔隙分支數隨著凍融循環次數的增加比重不斷增大，表明原有孔隙在凍融作用下產生裂隙出現分支，固態冰的體積比等質量液態水的體積大，當液態水轉變為固態冰時，冰晶生長體積膨脹，對周圍的土顆粒產生擠壓，這將會破壞土顆粒之間的膠結，使土顆粒發生位移甚至破碎變形，同時也會改變孔隙的形態［2-3,28-29］，隨著凍融循環次數的增多，孔隙分支所占比例不斷增大，說明隨著凍融循環的不斷進行，孔隙出現越來越多的分支，孔隙結構變化越來越強烈，結構上不規則且更易破碎變形。

表3 凍融循環后土樣的分支數量變化Table 3 Variation of number of pore branches in for soil samples after rounds of freeze-thaw cycle

由圖3表明隨著凍融循環次數的增加，當凍融循環次數達到15次時當量孔徑顯著增大（P＜0.05）超大孔隙呈現遞增趨勢，而1.25～3 mm的孔隙呈現遞減趨勢。對于1.25～3 mm的孔隙分析可知，經過1次凍融循環后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1次以上孔隙度逐漸減小，7次凍融循環后，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%。隨著凍融循環次數的增多，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。

對于大于3 mm的孔隙分析可知，經過1次凍融循環后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1次以上孔隙度依然增加，7次凍融循環后，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%。隨著凍融循環次數的增多，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。

以上結果表明在多次凍融循環過程中，黑土的孔隙分布發生了明顯變化。這是因為土壤水在凍結過程中，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生推力，從而會引起孔隙的形變，冰晶融化時土體固有的膠結與黏聚力使孔隙形狀趨于恢復凍結前狀態，而反復的凍融作用導致土體固有膠結逐漸減弱，黏聚力下降，一次凍融循環后的孔隙形變越來越大，因此隨著凍融循環次數的增加，孔徑不斷增大，大于3 mm的超大孔隙數量持續增長，1.25～3 mm的大孔隙數量減少。而高含水率的超大孔隙數量增長高于低含水率土樣，主要是由于土壤含水量越高，冰晶體積越大，對土顆粒的推移作用越大。

圖3 凍融循環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 論

凍融作用下土壤孔隙結構的改變受凍融循環次數和含水率的影響呈規律性變化。隨著凍融循環次數的增多，土壤孔隙度不斷增大，孔隙數量減少。孔徑隨凍融循環次數的增多而增大，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，隨著凍融循環次數的增加，規則孔隙度持續減小，不規則孔隙度呈減小趨勢而加長孔隙度呈增大趨勢。在凍融溫差一定時，凍融循環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。凍融作用通過對土壤孔隙度，孔隙數量、形狀，孔徑，孔隙分支的改變來影響土壤孔隙結構，其中，凍融循環次數與含水率是兩個重要的影響因素。凍融土壤理化性質的研究關系農業的可持續發展，有待從多方面深入研究，應試從微觀角度出發進一步研究凍融條件下團聚體孔隙結構特征以及土壤持水、入滲特性，為研究凍融侵蝕機理、科學合理評價與利用寒區農田提供理論依據。