冻融循环下苏打盐碱黄土坡面侵蚀特征研究

《CATENA》：Study on slope erosion characteristics of soda-saline loessial soil under freeze–thaw cycles

　　

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  冻融循环引起水力学-力学性能的阶段性退化。
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  细沟侵蚀速率随冻融循环次数呈对数增长。
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  盐类分散与黏土胶结共同控制坡面侵蚀演化。
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  崩解速率是控制坡面侵蚀的主导因素。
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  非线性模型有效预测了细沟侵蚀速率。

引言

冻融作用是季节性冻结地区土壤结构退化和土壤侵蚀的重要驱动因素（Sun 等，2022；Yang 等，2024）。在冻结过程中，孔隙水膨胀和冰晶增长会扰乱颗粒接触面和团聚体骨架（Huang 等，2024；Kv?rn? 和 ?ygarden，2006）；在融化过程中，融水增加了孔隙连通性并削弱颗粒间结合力（Emami 等，2026；Zhao，2026）。这些过程降低了土壤强度，改变了入渗通道，降低了表层土壤对径流剪切的抵抗能力，从而增加了细沟发育和坡面不稳定的风险（Liu 等，2024a；Yao 等，2020）。因此，对于季节性冻结地区的基础设施坡面和耕地而言，了解冻融循环如何改变土壤水力学-力学性能及随后的侵蚀行为，对于水土保持、灾害防治和工程防护至关重要（Ban 和 Lei，2022）。

碱盐黄土因其亚稳结构、高水敏感性和可溶性盐含量而对冻融和径流侵蚀特别敏感（Kong 等，2022；Sun 等，2023）。该土壤广泛分布于吉林省西部，该地区季节性冻结、春季融冻和夏季降雨共同导致沟壑侵蚀、潜蚀、浅层坡面失稳和农田退化（Xia 等，2023）。该土壤中主要的可溶性盐为NaHCO₃。钠离子可增厚扩散双电层，增加黏土颗粒间的排斥力，并削弱胶结作用，导致遇水后产生分散、崩解和软化（Fan 和 Kong，2013）。这些物理化学效应为地表径流提供了大量可脱离颗粒，并使表层在冻融扰动后变得脆弱（Lu 等，2024；Zhang 等，2022）。

碱盐黄土的侵蚀行为因黏土颗粒的作用而进一步复杂化。黏土矿物是物理化学活性和颗粒间结合力的重要载体。一方面，黏土含量增加可能增强凝聚力、团聚体稳定性和径流冲刷下的抗水力脱离能力（Grabowski 等，2011）。另一方面，富黏土土壤可能快速吸水、膨胀，并在完全浸水后失去结构完整性，从而加速崩解（Liu 等，2024b；Xu 等，2024b）。因此，碱盐黄土的侵蚀响应不仅受冻融损伤控制，还受盐致分散与黏土介导胶结之间竞争作用的控制。这种双重机制在坡面尤为关键，因为坡面土壤颗粒同时受湿润、渗流和径流的影响。

以往研究已探讨了冻融循环导致的盐土或黄土强度退化、崩解和渗透性变化。然而，大多数现有工作侧重于单一控制因素（Cheng 等，2021；Ding 等，2023）。冻融循环、盐含量和黏土含量对碱盐黄土水力学-力学退化及细沟侵蚀响应的耦合效应尚未得到充分量化。此外，鲜有研究尝试将材料组成、冻融历史和力学响应变量整合到定量模型中以预测细沟侵蚀速率。这一知识空白限制了寒冷干旱地区盐土坡面实用评估工具的发展，特别是对于受扰动公路坡面和农田坡面而言。从工程角度看，确定主导水力学-力学指标是必要的，因为常规坡面防护设计需要可测量参数，以将实验室观测结果与现场条件下的侵蚀敏感性联系起来（Li 等，2022）。

为解决上述问题，本研究以碱盐黄土为研究对象，综合采用了直接剪切试验、崩解试验、渗透试验和径流冲刷试验。主要研究目标为：(1) 阐明冻融循环对碱盐黄土水力学-力学性能的影响；(2) 揭示冻融循环与固有土壤性质（盐含量和黏土含量）共同作用下坡面侵蚀机制；(3) 建立并验证基于关键土壤组成和水力学-力学变量的细沟侵蚀速率预测模型。研究结果有望增进对碱盐黄土冻融侵蚀机制的理解，并为寒冷干旱地区的侵蚀风险评估和坡面防护提供定量依据。

章节摘要

场地描述

碱盐黄土样品采集自中国东北地区吉林省前安（44°48′N, 123°42′E）（图1），该地区是世界三大碱盐土分布区之一（Wang 等，2009）。考虑到冻融循环主要作用于浅层土壤（Shen 等，2023），所有土样均取自地表以下5–60 cm深度范围。原状土样主要用于测试土壤天然性质，而

土壤抗剪强度特性

图7展示了不同法向应力下碱盐黄土抗剪强度随冻融循环次数的变化。总体而言，冻融循环对土壤抗剪强度产生显著退化效应，且呈非线性衰减。抗剪强度的降低主要发生在前三次循环内。随着循环次数增加，退化速率逐渐减缓，并在6至

细沟侵蚀速率与土壤水物理及力学性质的关系

抗剪强度反映了土壤抵抗剪切变形和破坏的能力，主要受凝聚力和内摩擦角支配。凝聚力表征土壤颗粒间的黏聚力，而内摩擦角则用于衡量土粒间的摩擦阻力。这两个参数共同控制土壤稳定性及抗侵蚀性（Xing，2023）。图18展示了细沟侵蚀速率与水物理性质以及

结论

本研究选取吉林省西部采集的碱盐黄土作为研究材料。通过冻融循环模拟、直接剪切试验、崩解试验、渗透试验和径流冲刷试验，研究了不同盐含量和黏土含量试样在冻融循环下水力学-力学性能的演化规律以及坡面径流与产沙规律。主要结论总结如下：

CRediT作者贡献声明

Fansheng Kong（孔繁盛）：撰写–原稿撰写、可视化、方法论、调查研究、形式化分析。Huining Xing（邢慧宁）：撰写–审阅与编辑、可视化、方法论。Lina Xu（许丽娜）：监督指导、项目管理。Yan Xu（许燕）：监督指导、项目管理。Fu Zhu（朱付）：撰写–审阅与编辑。Shuang Sun（孙爽）：撰写–审阅与编辑。Peiyi Yao（姚佩怡）：撰写–审阅与编辑。Hua Du（杜华）：撰写–审阅与编辑、经费获取。Yuanyuan He（何媛媛）：撰写–审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究受国家自然科学基金（资助号42502267）和吉林省教育厅资助（项目编号JJKH20261596KJ）。

Fansheng Kong|Huining Xing|Lina Xu|Yan Xu|Fu Zhu|Shuang Sun|Peiyi Yao|Hua Du|Yuanyuan He