收稿日期：2024-09-06
资助项目：国家自然科学基金项目(42071021);内蒙古自治区防沙治沙科技创新重大示范工程项目(2024JBGS0013)
第一作者：李锦荣(1980—),男,乌兰察布人,正高级工程师,博士,硕士研究生导师,主要从事荒漠化防治研究。E-mail:lijinrong918@126.com
通信作者：李锦荣(1980—),男,乌兰察布人,正高级工程师,博士,硕士研究生导师,主要从事荒漠化防治研究。E-mail:lijinrong918@126.com
摘要
[目的]明确冻结作用对沙丘土壤可蚀性及抗蚀性的影响，可加深黄河乌兰布和沙漠段冬季风沙入黄过程机理的认识，并为区域入黄沙量建模与估算提供重要科学依据。[方法]通过流动沙丘迎风坡表层干沙、湿沙及冻结土层的沙粒粒径筛分试验和不同水分冻结前后的土壤进行抗剪强度测试，研究沙丘土壤冻结后抗风蚀能力。[结果]沙丘不同坡位沙粒在水分的黏结作用下粒径增加，粒径峰值由0.15~0.2 mm向0.3~0.355 mm集中，约35.12%细砂颗粒黏结在一起形成较大的中砂颗粒。冻结后出现极细砂，粒径峰值为0.5~0.6 mm，沙粒发生黏结粗化，形成粒径更大的粗砂、极粗砂（52.02%），沙物质易蚀颗粒质量分数降低至23%~36%，较难蚀颗粒质量分数升高至53%~63%，难蚀颗粒升高至2%~17%。随着沙丘土壤水分增加，冻结后土壤的黏聚力显著增大（p<0.05），沙丘土壤内摩擦角呈波动增加趋势，差异不显著（p>0.1），抗剪强度和抗蚀性呈极显著增加（p<0.01）。冻结使得沙丘土壤沙粒黏结发生粗化，较难蚀和难蚀颗粒升高（占70%），抗剪强度提高0.14%~13.07%，抗蚀性增大0.6%~2.2%。冻结可有效提高沙丘土壤抗蚀性，抑制风蚀。[结论]研究结果可为冻结期沙丘风蚀“裸斑”抗风蚀能力，提供理论依据。
材料与方法
所用土样均采自黄河几字弯区域生态环境变化与综合治理野外科学观测研究站（简称几字弯站）流动沙丘，几字弯站位于乌兰布和沙漠东北缘，地处内蒙古乌海市水利枢纽与巴彦淖尔市磴口县三盛公水利枢纽之间（图1）。该区域属于干旱区与半干旱区过渡带，气候干燥，雨量稀少，年平均降水量142.7 mm，主要集中在7~10月。年平均气温8.0℃，冬季最低气温-20.47℃，低于0℃达天数100 d。风沙季节集中在11月至翌年5月之间，平均风速4.8 m/s，年平均大风日数10~32 d，多年平均扬沙日数75~79 d，并伴有沙尘暴现象，全年风向以西北、西风为主。试验场研究区内土壤主要为风沙土，结构松散，有机质质量分数5.52 g/kg，碳酸钙质量分数0.071 5 g/kg，pH为8.87。流动沙丘迎风坡干沙层含水率为0.1%~0.4%，湿沙层/冻结层含水率为1.4%~3.7%。周边植被稀疏，盖度为15%左右，主要以荒漠植被、沙生植被等为主，分布于流动沙丘、丘间低地，常见植物种有梭梭（Haloxylon ammodendron）、柽柳（Tamarix chinensis）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）、油蒿（Artemisia ordosica）等。
2022年1月（冻结期）和3月份（非冻结期）分别在几字弯站内流动沙丘迎风坡坡底、坡中、坡顶采集冻结层和非冻结（干沙层和湿沙层）土样，现场在试验站室外对各土壤样品使用拍击式标准振筛机分别进行筛分，保证土壤处于当时环境温度（1月份气温-10.4℃，3月份气温5.3℃）。每个坡位设3个复土样，共27份。
通过计算每层沙物质颗粒干重的百分比来确定粒径变化，烘干前各层沙物质颗粒占比计算公式为：
不同含水率下冻结前后沙丘土壤抗剪强度的计算公式为：
土壤抗剪强度是土壤外力剪切作用过程中的力学表征，由于一组抗剪强度指标为土样在8个不同法向应力下进行直剪试验获得。因此，需要对施加不同法向应力所得的土壤抗剪强度进行加权平均处理，最终用加权平均抗剪强度来表示该沙丘土壤抗蚀性，其公式为：
结果与分析
由图2可知，干沙层沙物质粒径主要分布在0.3 mm以下，其中，坡底23.21%为中砂粒，74.02%为细砂粒，2.63%为极细砂粒，烘干后，中砂粒占比降至13.67%，细砂粒占比升至83.14%，极细砂粒占比升至3.07%；坡中及坡顶干沙层，中砂粒、细砂粒、极细砂粒占比分别为1.90%~6.62%、87.90%~95.46%、2.56%~5.06%，烘干后，中砂粒占比降至2.83%~6.48%，细砂粒占比升至88.58%~94.24%。各坡位干沙层烘干前后沙物质粒径峰值均为0.15~0.2 mm处，通过非参数配对样本T检验发现，干沙层烘干前后沙物质颗粒粒径变化未达到显著差异（p>0.1），3个坡位干沙层沙物质颗粒粒径未达到显著差异（p>0.1）。
由图3可知，湿沙层沙物质粒径分布在0.45mm以下，其中，坡底9.23%为中砂粒，83.28%为细砂粒，7.27%为极细砂粒，烘干后，中砂占比降至5.65%，细砂粒占比升至86.32%；坡中湿中砂粒占比为65.31%，细砂粒占比为31.17%，极细砂粒占比 为3.43%，烘干后，中砂粒占比降至4.71%，细砂粒与极细砂粒占比分别升至89.80%和5.34%。坡顶湿沙层沙物质与坡中相似，中砂粒、细砂粒、极细砂粒占比分别为51.63%、44.05%、4.23%，烘干后，细砂粒占比升至90.52%，极细砂粒升至7.97%，中砂粒降至1.32%。
由图4可知，由于水分较大且处于冻结状态，坡底、坡中及坡顶3个坡位冻结层均出现极粗砂（>1 mm），占比1.78%±0.09%、11.75%±1.26%、15.93%±2.05%。粗砂粒、中砂粒、细砂粒和极细砂粒占比分别为37.55%~47.85%、31.74%~55.91%、2.19%~5.93%和0.16%~1.02%，沙物质颗粒集中在0.3~0.6 mm间，峰值为0.5~0.6 mm处。将水分烘干后，极粗砂颗粒消失，粗砂粒占比降至0.2%以下，中砂粒占比降至0.91%~11.40%，细砂粒占比升至83.33%~94.95%，极细砂粒占比升至2.17%~5.51%，峰值与干沙层相同，为0.15~0.2 mm处。通过配对样本T检验发现，冻结层沙物质颗粒烘干前后中砂粒占比呈极显著差异（p<0.05）。
由图5可知，自然干沙（CK，水分体积分数0.13%）黏聚力为0.70 kPa，冻结前沙丘土壤水分1%~6%黏聚力比自然干沙增大1.9~15.7倍。冻结后沙丘土壤含水率1%~6%黏聚力比自然干沙增大3.0~24.1 倍。相同水分条件下，冻结后沙丘土壤黏聚力比冻结前沙丘土壤增大51.60%~82.71%，其中水分2%时差异最大，水分每增加1个梯度，沙丘土壤黏聚力增加幅度有增大趋势。配对样本T检验发现，冻结前后沙丘土壤黏聚力呈显著差异水平（p<0.05）。
由图6可知，抗剪强度随着法向应力增加而增大，且不同法向应力下抗剪强度近似于平行状态。冻结前后沙丘土壤抗剪强度在8种法向应力下，随着水分体积分数增加的变化幅度为0.11%~14.03%，随着法向应力增加，变化幅度有减小趋势，各法向应力下沙丘土壤抗剪强度最小值均出现在水分体积分数为1%时。对比8种法向应力下冻结前后沙丘土壤抗剪强度发现，各水分梯度冻结沙丘土壤抗剪强度均比冻结前沙丘土壤高0.14%~13.07%，水分越大差异越大。总体来说，冻结沙丘土壤抗剪强度大于冻结前，配对样本T检验表明，各法向应力下，冻结前后沙丘土壤抗剪强度呈极显著差异水平（p<0.01）。
由图7可知，水分体积分数≤2%冻结前沙丘土壤抗蚀性比自然干沙抗蚀性减小0.46%~4.28%，水分体积分数3%~6%冻结前沙丘土壤抗蚀性比自然干沙抗蚀性增大0.11%~12.08%。冻结后水分体积分数1%时，沙丘土壤抗蚀性比自然干沙抗蚀性减小2.64%，冻结后水分2%~6%沙丘土壤抗蚀性比自然干沙抗蚀性增大0.77%~14.03%。各水分梯度冻结沙丘土壤抗蚀性比冻结前大0.62%~2.22%，配对样本T检验表明二者抗蚀性呈极显著差异（p<0.01）。通过上述结果发现，当水分较小时，沙丘土壤稳定性降低，随着沙丘土壤水分增大，沙丘土壤稳定性逐渐升高，发生冻结后土壤抗蚀性增加。
结论
（1）沙丘迎风坡3个坡位，粒径峰值为0.15~0.2 mm处，干沙粒径差异不显著（p>0.1），土壤水分增加，粒径峰值向0.3~0.355 mm集中，但二者易蚀颗粒质量分数均占99%以上，（较）难蚀颗粒不足1%；沙粒发生冻结后，粒径峰值为0.5~0.6 mm处，沙粒发生粗化，（较）难蚀性颗粒质量分数占70%。冻结使得沙粒黏结形成较难蚀和难蚀颗粒，抵抗风蚀能力增强，当沙丘出现冻结“裸斑”后，可有效降低风蚀的发生。
（2）沙丘土壤随着水分升高，黏聚力增加，内摩擦角波动增加，不同法向应力下抗剪强度及抗蚀性变化趋势相似，在水分体积分数<1%时呈减小趋势，水分体积分数>1%时呈增大趋势。相同水分时，冻结使得沙丘土壤抗剪强度增大0.14%~13.07%，抗蚀性增大0.6%~2.2%，当沙丘出现冻结“裸斑”后，冻结层沙物质抗剪强度较干沙层增大3%~27%，抗蚀性较干沙层增大4.84%。冻结可有效提高沙丘土壤抗蚀性，抑制风蚀。
引用格式
李锦荣,韩兆恩,唐国栋,等.冻结对沙丘土壤抗风蚀能力的影响[J/OL].水土保持学报,2025,39(1):1-8[2024-11-25]. https://doi.org/10.13870/j.cnki.stbcxb.2025.01.014.
编辑：李贤
