冻融作用对黑土表层抗剪强度变化特征的影响

Effects of freeze-thaw cycles on variation characteristics of shear strength in black soil surface layer

摘要

目的 探究冻融作用下黑土抗剪强度变化，验证风力土壤应力仪测定土壤抗剪强度的适用性。 方法 采用磨蚀与直剪试验，在不同前期土壤含水量（16.5%，24.8%和33.0%）下，量化黑土表层（0—2 cm）抗剪强度随冻融循环次数（0，1，3，5，7，10次）的变化，分析基于不同方法的抗剪强度关系。 结果 （1）黑土抗剪强度随冻融循环次数增加先增大后减小，在3次冻融循环时最大，分别较0~1次和5~10次冻融循环大3.8~47.0 Pa和6.8~34.9 Pa。（2）黑土抗剪强度随前期土壤含水量增加先减小后增大，在 24.8% 前期含水量下最小，分别较16.5% 和33.0% 前期含水量下小21.1~41.9 Pa和0.9~13.9 Pa。（3）黑土抗剪强度随磨蚀时间增加呈对数变化（τ_f=0.01lnt+28.5， R²≥0.60，p<0.05）。冻融作用影响下，τ_f 与直接剪切试验测定的抗剪强度τ_s 线性相关（τ_f=0.002τ_s+28.5，R²=0.81，p<0.05）。 结论 研究结果为土壤抗剪强度的过程变化测定提供方法支撑，也为土壤风蚀过程中抗蚀性的动态量化提供思路。未来研究中，应构建基于抗剪强度的土壤抗蚀性因子量化方法，服务于土壤风蚀准确估算与预报。

Abstract

Objective This study aims to investigate changes in the shear strength of black soil under freeze-thaw cycles and to verify the applicability of a wind soil stress analyzer for measuring soil shear strength. Methods Using abrasion and direct shear tests， this study quantified changes in the shear strength of the black soil surface layer （0—2 cm） under different initial soil moisture contents （16.5%， 24.8%， and 33.0%） and varying numbers of freeze-thaw cycles （0， 1， 3， 5， 7， and 10）， and analyzed the relationship of shear strength measured by different methods. Results （1） The shear strength of the black soil first increased and then decreased as the number of freeze-thaw cycles increased， reaching a maximum at three freeze-thaw cycles. It was 3.8~47.0 Pa and 6.8~34.9 Pa larger than that under 0~1 cycle and 5~10 cycles， respectively. （2） The shear strength of the black soil first decreased and then increased as the initial soil moisture content increased， reaching a minimum at 24.8%. It was 21.1~41.9 Pa and 0.9~13.9 Pa lower than that at 16.5% and 33.0% initial soil moisture contents， respectively. （3） The correlation between shear strength （τ_f） and the abrasion time （t） follows a logarithmic function （τ_f=0.01lnt+28.5， R²≥0.60， p<0.05）. The shear strength of the black soil measured by abrasion test （τ_f） was linearly correlated to the values （τ_s） measured according to the direct shear tests （τ_f=0.002τ_s+28.5， R²=0.81， p<0.05）. Conclusion This study provided an approach for determining the change process of soil shear strength and offered insights for the dynamic quantification of soil anti-erodibility during wind erosion. In future research， a quantitative method for soil anti-erodibility factors based on shear strength should be established to support the accurate estimation and prediction of soil wind erosion.

Graphical abstract

关键词

磨蚀率 / 抗剪强度 / 冻融循环 / 挟沙气流 / 风力土壤应力仪

Key words

abrasion rate / shear strength / freeze-thaw cycle / sand-laden airflow / wind soil stress analyzer

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，对保障国家粮食安全具有重要意义^［1］。然而，水力、风力、冻融的交替和叠加作用，导致土壤侵蚀严重，黑土变薄变瘦，威胁黑土资源的可持续利用^［2］。黑土黏粒含量高、胀缩性强，冻融作用导致黑土容重减小、团聚体破碎、孔隙度增大、黏聚力减小，抗蚀性降低，侵蚀加剧^［3］。因此，明晰冻融作用对黑土抗蚀性的影响对揭示复合侵蚀机理具有重要意义。

土壤抗蚀性可用土壤的物理化学性质或动力学特征参数表示^［4］。采用土壤容重、粒径、含水量、有机质含量等土壤性质表征土壤抗蚀性是目前常用的方法^［5］。然而，不同的研究选用的土壤理化性质不同，导致目前尚无普遍认可的土壤抗蚀性算法。土壤抗剪强度从力学特性角度阐释了土壤抗蚀性，为土壤侵蚀速率估算提供了更准确的抗蚀性因子计算方法^［6］。目前土壤抗剪强度主要采用三轴、直接剪切、十字板剪切等荷载式或贯入式扭力法测定^［7］。然而，风蚀过程中，风力与挟沙气流对地表的剪切方式，一方面与荷载式或贯入式扭力破坏土体产生的剪切力存在本质差异，难以准确表征风蚀过程中土壤表面的抗蚀性变化。另一方面，其结果的准确性受试验样品均匀性、试验人员对复杂操作的掌控水平差异等影响，制约了风蚀速率的准确量化^［8］。因此，探寻风蚀过程中尤其是对风蚀速率贡献较大^［9］的挟沙气流磨蚀作用下土壤抗剪强度的量化技术方法，对明晰土壤抗蚀性变化与土壤风蚀速率的准确量化均具有重要意义。

前人采用控制试验、模型模拟等方法研究了挟沙气流磨蚀对试验对象表面的影响，构建了基于磨蚀速率估算土壤抗剪强度的方法^［10-11］。然而，前人研究多针对坚硬材料表面、干燥致密土壤等开展，服务于风沙环境中设施元件和工程表面保护；也有研究采用该方法模拟磨蚀中的粉尘释放特征，鲜有报道运用该方法量化松散土壤抗蚀性的研究^［12-13］。因此，本研究以经历不同冻融次数的黑土为对象，采用风力土壤应力仪测定不同磨蚀时长下的土壤损失量，计算抗剪强度并分析冻融作用对其的影响，以直接剪切试验测定的抗剪强度为依据，判别风力土壤应力仪测定土壤抗剪强度的可靠性，为获得土壤风蚀过程中抗剪强度的变化提供方法支撑，服务于土壤抗蚀性量化研究。

1 材料与方法

1.1 风力土壤应力仪及其抗剪强度测定原理

风蚀过程中，挟沙气流磨蚀作用对土壤风蚀的作用远大于净风吹蚀^［11］。据此，采用风力土壤应力仪（Chihua Huang教授团队研制）通过风沙流磨蚀试验测定土壤磨蚀量，计算土壤抗剪强度。该设备主要由供气、供沙、时间控制装置和试验平台组成（图 1）。其中，试验平台包括喷枪和透明箱体（本文中的尺寸为63 cm×36 cm×17 cm）。供气装置为可以满足试验所需稳定空气压力的工业空气压缩机（本研究中为容积70 L、最大排气量 0.17 m³/min、最大排气压力8.0×10⁵ Pa）。供沙单元由储沙瓶和硅胶输沙管组成。时间控制装置采用连接短路控制器的微电脑时控开关，以0.5 s的间隔控制时间^［14］。试验时，调节空气压缩机的输出气压设定气流速度，并通过气压与流量控制器稳定风速，获得稳定速度的风与从供沙单元自由掉落的沙粒混合后从喷枪口均匀喷出，垂直作用于待测土壤。本文设定的稳定输出气压为4.0×10⁴ Pa，其对应的风速为9 m/s。在此速度下，分别对试验土壤进行预设时长的磨蚀（3~60 s），测定土壤样品质量变化，计算土壤抗剪强度。

1.2 样品制备与磨蚀量测定

试验黑土采自黑龙江省宾县宾州河流域（127°25′36″E，45°45′22″N）坡耕地，采样深度为0—20 cm。考虑该区域为典型的漫川漫岗地形，侵蚀可能造成长缓坡不同部位土壤性质产生差异，因而将在坡面不同部位采集的土壤自然风干后（含水量约为5.1%），剔除杂物，并充分混合均匀。试验黑土的有机质含量为20.25 g/kg，砂粒（0.05~2 mm）、粉粒（0.002~0.05 mm）和黏粒（<0.002 mm）含量分别为9.3%，61.3% 和29.4%（表1）。

冻融循环次数根据宾县土壤解冻期的冻融循环次数观测结果设计为1~10次^［15］。首先，根据野外测定的耕层土壤容重（1.2 g/cm³）、风干土含水量和试验所用玻璃培养皿体积（直径10 cm，深5 cm）计算所需的土壤质量与调节土壤前期含水量所需的水量。然后采用逐步湿润法，将已知重量的去离子水以少量多次的方式喷洒并均匀混入预先称重的土壤样品中，分别将土壤样品含水量控制为16.5%，24.8% 和33.0%（即对应于田间持水量的50%，75% 和100%），而后装入密封容器静置12 h，使土壤水分分布均匀。而后，将其分层（2层，每层2.5 cm）装填于玻璃培养皿，并用保鲜膜覆盖以保持土壤含水量。最后，为模拟研究区典型的昼夜冻融交替特征，将样品放入-15 ℃ 的恒温冰箱冻结8 h后转入4 ℃ 冰箱解冻8 h，分别进行1，3，5，7，10次冻融循环，每次均确保土样全部冻结和融化。同时，将土壤水分含量梯度相同但无冻融循环作用的土壤样品覆盖保鲜膜在4 ℃冰箱内保存16 h的土样作为对照。根据东北黑土区临界起沙风速8 m/s^［16］，以试验风速为9 m/s为例，在20 ℃室温和15%相对湿度条件下，对完成既定冻融循环次数的土壤样品，用粒径为0.1~0.25 mm的石英砂产生均匀挟沙气流，在9 m/s风速下（即空气压缩机输出气压为4.0×10⁴ Pa）在样品不同的位置（避开器皿边缘、裂纹等区域）分别持续磨蚀3，6，9，12，20，30，40，60 s。每次试验前后称量土样（天平精度不低于0.01 g），确定磨蚀造成的各时段土壤质量变化，所有试验重复5次。需要说明的是，为减少磨蚀试验过程中喷射沙粒在器皿中掉落堆积，本试验选择较小的器皿制备土壤样品，从而减小其对土样质量测定结果的影响。试验发现，本文选取的直径10 cm玻璃皿内试验后的沙粒残留量少，其对样品重量变化的影响可以忽略不计（图2）。

1.3 直接剪切试验

为验证风力土壤应力仪所测结果的准确性，开展直接剪切试验（直剪试验）进行对比。按照上述方法，以无冻融作用作为对照，在相同前期土壤含水量和冻融循环次数下，制备6.18 cm（直径）×2 cm（厚）的环刀样品。将完成设定冻融循环次数且完全融解的样品，使用应变控制式直剪仪（DSJ-3，南京宁曦土壤仪器有限公司）测试黑土环刀样的抗剪强度。测试前，将剪切速率设为0.8 mm/min，分别施加0.5×10⁵，1.0×10⁵，1.5×10⁵和2.0×10⁵ Pa四级正压力。当测力计读数稳定或明显降低且土样形变超过4 mm；或读数未出现峰值但土样形变达到6 mm时，剪切试验结束，所有试验重复5次。

1.4 抗剪强度计算

风蚀过程中，挟沙气流对地表的冲击本质上是运动气流与颗粒的剪切作用，其与土壤容重、黏聚力、内摩擦角等决定的表层土壤破碎能量密切相关^［10］。据此，依据风力土壤应力仪产生预定的表层土壤破碎能量，通过磨蚀过程中土壤样品质量变化，估算表层土壤抗剪强度（τ_f，10³ Pa）。依据吴盈盈等^［11］建立的土壤磨蚀量公式，依据风力土壤应力仪测定的土壤磨蚀速率η的变化，求解表层土壤的抗剪强度τ_f，计算公式如下：

\eta =\frac{\mathrm{\Delta }M}{t}=c_{\mathrm{0}}\frac{n{\rho }_b{d}^{\mathrm{3}}{v}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}E}{{\tau }_{\mathrm{f}}}\sqrt[]{\frac{{\tau }_{\mathrm{f}}}{E}}+c_{\mathrm{1}}（1）

式中：η为磨蚀速率，\frac{n{\rho }_b{d}^{\mathrm{3}}{v}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}E}{{\tau }_{\mathrm{f}}}\sqrt[]{\frac{{\tau }_{\mathrm{f}}}{E}}为磨蚀变量。通过式（1）求解τ_f得到土壤抗剪强度：

\begin{array}{l}{\tau }_{\mathrm{f}}=d^{\mathrm{2}}\sqrt[\mathrm{3}]{\frac{{\left(c_{\mathrm{0}}n\rho {\rho }_b{v}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}E}{{\left(\eta -c_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}}}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\\ =d^{\mathrm{2}}\sqrt[\mathrm{3}]{\frac{{\left(c_{\mathrm{0}}n\rho {\rho }_b{v}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}E}{{\left(\mathrm{\Delta }M/t-c_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}}}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\end{array}（2）

式中：ΔM为试验前后土壤的质量变化（g）；t为单次测试时长（s）（t=3，6，9，12，20，30，40，60 s）；d为入射沙粒粒径（m），本研究中使用的粒径为0.1~0.25 mm的石英砂，其平均粒径为0.18 mm；n为使用风沙跃移传感器测定（美国Sensit，H14-LIN）的单位时间内跃移沙粒数量（个/s）；ρ为入射沙粒密度（kg/m³），在9 m/s风速下约为1 750 kg/m³；ρ_b为土样容重（kg/m³），按黑土耕层容重计算，取值1 200 kg/m³；v₀为入射沙粒初速度（m/s），为9 m/s；E为黑土的压缩模量^［17］，取值1.95×10⁷ Pa；τ_f土壤抗剪强度为（10³ Pa）；c₀为磨蚀速率与磨蚀变量线性函数的斜率，取值3.27×10⁴（无量纲）；c₁为磨蚀速率与磨蚀变量线性函数的截距，取值-0.027（kg/s）。

此外，使用直接剪切试验测定土壤抗剪强度。采用应变控制式直剪仪（南京宁曦土壤仪器有限公司，DSJ-3）测定并计算不同垂直压力下的土壤抗剪强度（τ，10³ Pa）^［18］：

\tau =\frac{\mathrm{10}CR}{A_{\mathrm{0}}}（3）

式中：C为仪器的测力计率定系数，取值1.945×10³ Pa/0.01 mm；R为测力计读数（0.01 mm）；A₀为试样面积（cm²），为30 cm²。每组试样分别在4种不同的垂直压力（0.5×10⁵，1.0×10⁵，1.5×10⁵和2.0×10⁵ Pa）下进行直剪试验，因此将按照公式（3）计算的不同垂直压力下的土壤抗剪强度进行加权处理，得到加权平均抗剪强度（τ_s， 10³ Pa）^［19］：

\tau {}_s{}^{}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}}{\tau }_i{\sigma }_i/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}}{\sigma }_i（4）

式中：σ_i 为垂直压力（10³ Pa）。

2 结果与分析

2.1 冻融作用对黑土抗剪强度的影响

采用磨蚀试验测定的黑土抗剪强度τ_f在不同前期土壤含水量下均随冻融循环次数增加先增大而后减小（图 3），峰值出现在3次冻融循环时。从0~3次冻融循环，黑土抗剪强度明显增大（3.8~47.0 Pa）。从0到1次冻融循环，黑土抗剪强度随前期含水量增加依次增大了7.1，5.2，19.9 Pa，从1到3次冻融循环，抗剪强度增大了3.8，14.1，27.1 Pa。而在5~10次冻融循环下，τ_f呈逐渐趋于稳定的减小变化（6.8~34.9 Pa）。冻融循环从3次增大到5次，随着前期含水量增大，τ_f减小了6.8，8.6，8.6 Pa，从5到7次和从7到10次冻融循环，τ_f分别减小了2.7~22.1 Pa和2.9~4.2 Pa。这表明冻融循环对黑土抗剪强度的影响具有临界效应（临界次数约3次），16.5%前期含水量下，τ_f的增大和减小程度明显低于其他较高土壤含水量条件。上述变化也表明土壤前期含水量对土壤抗剪强度变化有重要影响。

总体上τ_f在16.5%前期土壤含水量时最大，33.0%次之，24.8%时最小（除无冻融作用下，33.0% 前期土壤含水量下的τ_f最小）。24.8%和33.0%前期土壤含水量下τ_f分别较16.5%含水量下小21.1~41.9 Pa和7.2~43.3 Pa，24.8%前期含水量下τ_f较33.0%含水量下小0.9~13.9 Pa。可见，较高的前期土壤含水量导致冻融作用对黑土抗剪强度的影响程度增大，该非线性变化表明冻融作用对土壤结构变化的复杂影响。

无论是否有冻融作用，黑土抗剪强度τ_f 总体呈对数变化（τ_f=0.01lnt+28.5， R²≥0.60）（除33.0%前期土壤含水量1次和5次冻融循环条件下）。当前期土壤含水量从16.5%和24.8%依次增加到33.0%，τ_f快速增大期从12 s增大到20 s，抗剪强度快速增大期的τ_f值比稳定期平均值分别小9.2~19.2，6.3~23.6，5.6~22.1 Pa。上述特征表明，0—2 cm黑土的抗剪强度随土壤深度改变。土壤表层抗剪强度最小，且τ_f在一定厚度内快速增加，而在该厚度以下抗剪强度基本稳定，这可能与地表因冰透镜体遗留孔隙、微裂隙发育等相关。

同一冻融循环次数下，前期土壤含水量从16.5%增加到24.8%，抗剪强度快速增大期τ_f的斜率从0.001~0.003增大到0.002~0.005，含水量继续增大到33.0%，τ_f的斜率减小至0.0005~0.0008，表明24.8%含水量下土壤表层抗剪强度的变化速率最快，且前期土壤含水量越高增长期越长。可见，前期土壤含水量是影响土壤表层τ_f变化速率的关键因素。此外，前期土壤含水量或冻融循环次数较大的条件下，τ_f增大过程中存在明显的波动变化特征，且该波动变化的程度随着冻融循环次数和含水量的增大更加明显，冻融循环均对土壤表面抗剪强度变化的影响更为复杂（图4）。上述现象表明较强烈的冻融作用对土壤结构、性质的影响更明显。

2.2 基于磨蚀试验测定黑土抗剪强度的可靠性

直剪试验结果表明黑土抗剪强度τ_s 在各前期土壤含水量下均呈随冻融循环次数增加先增大后减小的变化特征，其峰值依然出现在3次冻融循环时（图 5）。从1到3次冻融循环，采用直剪试验测定的τ_s随前期含水量增大分别增加4.8%，12.5%和14.8%；而从3到10次冻融循环，τ_s随前期含水量增大分别减小12.9%，37.0%和38.6%。冻融循环次数逐渐增大，τ_s变化程度减小，这与采用风力土壤应力仪所得τ_f的变化特征一致。类似地，同一冻融循环次数下，τ_s在16.5%前期土壤含水量时最大，33.0%次之，24.8%时最小。24.8%和33.0%含水量下τ_s分别较16.5%含水量时减小48.9%~64.8%和47.0%~62.6%（图5）。该变化特征也与不同含水量下采用风力土壤应力仪测得的τ_f趋势一致。可见，相同试验条件下，τ_s 与τ_f 的变化特征一致。τ_s与τ_f的相关性分析结果表明，二者线性正相关（τ_f=0.002τ_s+28.5，R²=0.81）（图6）。可见，基于磨蚀试验测定的黑土抗剪强度可以定量表征土壤抗剪强度，且其具有量化表层土壤抗剪强度变化的优势。

3 讨论

3.1 冻融作用与前期土壤含水量影响表层黑土抗剪强度变化机理

各前期土壤含水量下，黑土抗剪强度τ_f先增大后减小，3次冻融循环为抗剪强度非线性变化的临界值，这与前人的研究结果一致^［20］。这一变化与冻融过程中水分迁移和相变造成土壤结构变化相关。冻融初期（1~3次循环），抗剪强度增大主要归因于“冻融固结效应”。冻胀后的融化过程中土壤发生沉降并排出部分孔隙水，导致融沉量超过冻胀量，使土壤结构趋于紧密。同时，>5 mm的大团聚体比例下降，而力学稳定性较好的2~5 mm和1~2 mm中等团聚体比例增加，土壤结构稳定性增强，土壤抗剪强度增大（图7）。随着冻融循环次数增加（≥5次），反复水分相变导致微小裂隙不断发展，相变水分对土壤孔隙的填充作用随之改变。具体地，反复冻结中表层土壤易形成更多、更大的冰晶，加剧表层土壤结构破坏；而融化则造成土壤颗粒间胶结作用减弱、孔隙度增加、黏聚力降低，土体逐渐趋于疏松^［21］。此外，多次冻融促使团聚体进一步破碎，产生大量细小颗粒填充土壤孔隙，导致大孔隙减少、水分迁移受阻，抑制了后续冻胀发展，土体结构逐渐趋于亚稳定^［22］。

土壤前期含水量是调控上述变化的关键，具体表现为土壤抗剪强度在16.5%前期含水量时最大，33.0%次之，24.8%时最小，且前期土壤含水量越高，冻融作用下τ_f 快速增大期持续时间越长。这主要是由于土壤前期含水量较低（16.5%）时，土壤孔隙中填充的水分有限，团聚体内部气体含量较高，冻融作用中气体冷却导致土体压实。当前期含水量升至24.8%时，土壤颗粒间的水膜增厚，冻结时冰晶体积变大，对土体结构破坏增强；当含水量进一步增大到33.0%，土壤融沉作用占主导，土壤孔隙度降低、黏聚力增强，土壤抗剪强度回升^［23］。此外，较高土壤含水量下，较大团聚体之间的孔隙被水填充，冻结时孔隙水冻结成冰晶形成的压力可抵消团聚体内部的孔隙压力，减缓团聚体破碎进程，从而延长抗剪强度的快速增大期^［24］。

3.2 基于风力土壤应力仪测定土壤抗剪强度的适用性

在风蚀研究中，前人采用风洞试验、贯入式剪切仪、破碎能量仪、喷砂与玻璃珠下落试验等方法从不同角度量化了土壤抗蚀性，所测指标涵盖土壤力学强度（抗剪强度、贯入强度等）、能量阈值（破碎能、冲击能等）、临界空气动力特征（临界摩阻风速等）、过程响应特征参数（磨蚀系数、输沙率等）、土壤性质变化（团聚体稳定性等）（表2）。然而，不同方法在风蚀研究中的适用性具有明显差异。通过直剪仪、贯入仪、气枪等测定的抗蚀性参数多为静态指标，与风蚀过程中挟沙气流冲击产生的高频、瞬时、多颗粒运动力学机制存在本质差异，难以反映土壤在风蚀过程中的动态响应特征^［26-28］。以风洞试验为主的方法虽可获得磨蚀量、干团聚体稳定性等多类指标并建立基于土壤性质的土壤抗蚀性经验公式，但此类公式在一般适用性方面存在明显局限^［29-31］。喷砂、玻璃珠自由下落等装置可模拟风沙流中单颗粒或连续颗粒对土壤表面的冲击，但其研究重点为风蚀能量，与被侵蚀土壤的物理学性质关联较弱，难以直接反映土壤抵抗风力剪切和风沙流冲击作用的能力，限制了其在风蚀机理研究中的应用^［32］。本研究采用风力土壤应力仪通过磨蚀试验测定的土壤抗剪强度在测定原理上与风蚀过程中挟沙气流对地表的剪切作用机制一致，其动态抗剪强度与基于土力学机制的静态力学属性线性相关（图 6），表明二者具有内在一致性。该方法不仅从力学角度量化了土壤抗蚀性变化，精细刻画了不同深度土壤的抗剪强度变化；更精准表征了土壤抗剪强度的变化过程，可直接应用于风蚀动力学模型（如DMSWE），为风蚀模数估算提供了关键参数。可见，采用风力土壤应力仪通过磨蚀试验测定土壤抗剪强度的方法，在原理、动态过程表征等方面均合理可行。未来需开展系统研究，构建基于抗剪强度量化风蚀模型中的土壤抗蚀性因子的方法体系。

4 结 论

本研究采用风力土壤应力仪通过风沙流磨蚀试验探究了不同前期含水量（16.5%、24.8%和33.0%）和冻融循环次数（0~10次）作用对表层黑土（0—2 cm）抗剪强度的影响。结果显示抗剪强度以3次冻融循环为转折点，随冻融循环次数增大呈先增后减的非线性变化，这反映了冻融循环的作用由融沉压实造成表层土壤强度增大变为多次反复冻胀导致土体结构疏松、裂隙发育，结构趋于稳定的效应。前期土壤含水量对抗剪强度的影响以24.8%为转折点呈先减后增的非单调变化，表明该含水量下冰晶体积膨胀对土体的破坏最为突出。此外，黑土表层土壤抗剪强度随磨蚀时长增大呈对数变化，且表层强度最小、向下快速增大后基本恒定。其与采用直接剪切试验获得的土壤抗剪强度之间的线性相关特征表明了采用风力土壤应力仪测定的抗剪强度（τ_f）的可靠性。研究结果为量化土壤表面抗剪强度的动态变化提供了方法支撑。未来研究中，应构建基于抗剪强度的土壤抗蚀性因子量化方法，服务于土壤风蚀准确估算与预报。

参考文献

[1] 刘兴土，阎百兴.东北黑土区水土流失与粮食安全［J］.中国水土保持，2009（1）：17-19.

[2] Liu X T， Yan B X. Soil and water loss and food security in black soil region of Northeast China［J］. Soil and Water Conservation in China， 2009（1）： 17-19.

[3] 张科利，刘宏远.东北黑土区冻融侵蚀研究进展与展望［J］.中国水土保持科学，2018，16（1）：17-24.

[4] Zhang K L， Liu H Y. Research progresses and prospects on freeze-thaw erosion in the black soil region of Northeast China［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2018，16（1）：17-24.

[5] 李纯乾，赵旭珍，郑娟，等.冻融侵蚀相关研究及工作进展［J］.水土保持应用技术，2023（2）：46-48.

[6] Li C Q， Zhao X Z， Zheng J， et al. Research and work progress on freeze-thaw erosion［J］. Technology of Soil and Water Conservation， 2023（2）：46-48.

[7] 丁文峰，李占斌.土壤抗蚀性的研究动态［J］.水土保持科技情报，2001（1）：36-39.

[8] Ding W F， Li Z B. Research trends of soil antierodibility［J］. Scientific and Technical Information of Soil and Water Conservation， 2001（1）：36-39.

[9] 邹学勇，张春来，程宏，等.土壤风蚀模型中的影响因子分类与表达［J］.地球科学进展，2014，29（8）： 875-899.

[10] Zou X Y， Zhang C L， Cheng H， et al. Classification and representation of factors affecting soil wind erosion in a model［J］. Advances in Earth Science， 2014，29（8）： 875-899.

[11] 刘瑞娟，李继峰，冯哲，等.风蚀过程中翻耕农田土壤抗剪强度变化［J］.水土保持学报，2022，36（4）：112-120.

[12] Liu R J， Li J F， Feng Z， et al. Changes in shear strength of ploughed farmland soil during wind erosion［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2022，36（4）：112-120.

[13] 雷洁，张国明，刘连友，等.土壤抗剪强度测定与影响因素研究进展［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2016，52（4）：486-492.

[14] Lei J， Zhang G M， Liu L Y， et al. Measuring soil shear strength and impact factors［J］. Journal of Beijing Normal University （Natural Science）， 2016，52（4）：486-492.

[15] 陆培毅.土力学［M］.北京：中国建材工业出版社，2000：25-28.

[16] Lu P Y.Soil Mechanics［M］.Beijing： China Building Material Industry Publishing House，2000.

[17] 张春来，宋长青，王振亭，等.土壤风蚀过程研究回顾与展望［J］.地球科学进展，2018，33（1）：27-41.

[18] Zhang C L， Song C Q， Wang Z T， et al. Review and prospect of the study on soil wind erosion process［J］. Advances in Earth Science， 2018，33（1）：27-41.

[19] Liu X Y， Ning W X， Wang Z T. Theoretical expressions for soil particle detachment rate due to saltation bombardment in wind erosion［J］. Sciences in Cold and Arid Regions， 2020，12：234-241.

[20] 吴盈盈，刘旭阳，王振亭.干燥致密土壤在沙粒流冲击下的磨蚀规律［J］.农业工程学报，2022，38（8）：315-320.

[21] Wu Y Y， Liu X Y， Wang Z T. Abrasion law of dry and dense soil under the bombardment of sand grain flows［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2022，38（8）：315-320.

[22] Wang Z T. Erosion model for brittle materials under low-speed impacts［J］. Journal of Tribology， 2020，142（7）：074501.

[23] 曲书锋，张国明，刘连友，等.干涸尾闾湖盆区泥漠地表磨蚀释尘特征［J］.中国沙漠，2022，42（4）：81-88.

[24] Qu S F， Zhang G M， Liu L Y， et al. The surface abrasion and dust emission of mud desert in dry rump lake basin［J］. Journal of Desert Research， 2022，42（4）：81-88.

[25] 罗玥.基于磨蚀试验量化土壤抗剪强度与抗蚀性的方法构建［D］.西北农林科技大学，2025.

[26] Luo Y. A method for quantifying soil anti-erodibility and shear strength using wind abrasion experiments［D］. Northwest A&F University， 2025.

[27] 王一菲，郑粉莉，周秀杰，等.黑土农田冻结—融化期土壤剖面温度变化特征［J］.水土保持通报，2019，39（3）：57-64.

[28] Wang Y F， Zheng F L， Zhou X J， et al. Soil profile temperature variation in farmlands during freeze-thaw period in mollisol region［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2019，39（3）：57-64.

[29] 杨新，郭江峰，刘洪鹄，等.东北典型黑土区土壤风蚀环境分析［J］.地理科学，2006，26（4）：4443-4448.

[30] Yang X， Guo J F， Liu H H， et al. Soil wind erosion environment in black soil region in northeastern China［J］. Scientia Geographica Sinica， 2006，26（4）：4443-4448.

[31] 宋达泉.土壤调查手册［M］.北京：科学出版社，1955.

[32] Song D Q. Handbook of Soil Survey［M］. Beijing： Science Press， 1955.

[33] 水利电力部. 土工试验规程SDS01-79 ［S］.北京：水利出版社，1981.

[34] Ministry of Water Resources and Electric Power of the People's Republic of China. Code for Geotechnical Test SDS01-79 ［S］. Beijing： Water Resources Press， 1981.

[35] 左小锋，王磊，郑粉莉，等.冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响［J］.水土保持学报，2020，34（2）：30-35，42.

[36] Zuo X F， Wang L， Zheng F L， et al. Effects of freeze-thaw cycles and soil properties on mollisol shear strength in Chinese black soil region［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2020，34（2）：30-35，42.

[37] 王永辉.冻融循环条件下黏土抗剪强度试验研究［J］.路基工程，2025（2）：57-62.

[38] Wang Y H. Experimental study on shear strength of clay under freeze-thaw cycles［J］. Subgrade Engineering， 2025（2）：57-62.

[39] 苏谦，唐第甲，刘深.青藏斜坡黏土冻融循环物理力学性质试验［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（S1）：2990-2994.

[40] Su Q， Tang D J， Liu S. Test on physico-mechanical properties of Qinghai： Tibet slope clay under freezing-thawing cycles［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008，27（S1）：2990-2994.

[41] 肖俊波.季节性冻融对土壤可蚀性影响的试验研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2017.

[42] Xiao J B. Experimental study on the effects of seasonal freeze-thaw on soil erodibility［D］. Yangling， Shaanxi： Northwest A & F University， 2017.

[43] 董晓宏，张爱军，连江波，等.长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究［J］.工程地质学报，2010，18（6）：887-893.

[44] Dong X H， Zhang A J， Lian J B， et al. Laboratory study on shear strength deterioration of loess with long-term freezing-thawing cycles［J］. Journal of Engineering Geology， 2010，18（6）：887-893.

[45] 蒋睿奇.冻融土壤孔隙分布特征及其影响因素研究［D］.哈尔滨：东北农业大学，2022.

[46] Jiang R Q. Pore size distribution of freezing-thawing soil and its influencing factors［D］. Harbin： Northeast Agricultural University， 2022.

[47] 王磊.多种外营力作用的黑土坡面复合土壤侵蚀过程与机理研究［D］.陕西 杨凌：西北农林科技大学，2020.

[48] Wang L. Hillslope compound soil erosion processes and mechanisms under the interaction of multiple external erosive forces in Chinese mollisol region［D］. Yangling， Shaanxi： Northwest A & F University， 2020.

[49] Rice M A， Mullins C E， McEwan I K. An analysis of soil crust strength in relation to potential abrasion by saltating particles［J］. Earth Surface Processes and Landforms， 1997，22（9）：869-883.

[50] Li J R， Okin G S， Herrick J E， et al. A simple method to estimate threshold friction velocity of wind erosion in the field［J］. Geophysical Research Letters， 2010，37（10）：2010GL043245.

[51] Fang Y， Cheng H， Zou X Y， et al. Shear strength of aeolian sand sediments［J］. Transactions of the ASABE， 2018，61（2）：583-590.

[52] Hagen L J， Skidmore E L， Saleh A. Wind erosion： Prediction of aggregate abrasion coefficients［J］. Transactions of the ASAE， 1992，35（6）：1847-1850.

[53] Houser C A， Nickling W G. The factors influencing the abrasion efficiency of saltating grains on a clay-crusted playa［J］. Earth Surface Processes and Landforms， 2001，26（5）：491-505.

[54] Zuo X F， Zhang C L， Zhang X Y， et al. Effects of blown sand and soil properties on the abrasion rate of compacted soil［J］. Geoderma， 2024，448：116950.

[55] Ta W Q. Study of the energy abrasion rates of five soil types subject to oblique impacts［J］. Geoderma， 2007，140（1/2）：97-105.

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基金资助

国家重点研发计划项目“黑土地农用土壤质量退化对作物产量降低的作用机制”(2022YFD1500102)