Влияние циклов замораживания–оттаивания и характеристик гранулометрического состава на сопротивление сдвигу чернозёма

Почему замёрзшие поля имеют значение

На чернозёмных равнинах Северо-Восточного Китая фермеры используют одну из самых плодородных почв на планете. Однако каждый год эта почва многократно замерзает зимой и оттаивает весной. Эти перепады температуры незаметно меняют, насколько плотно частицы почвы сцепляются друг с другом и насколько легко их могут смыть или сдуть. В этом исследовании ставится простой, но важный вопрос: как повторяющиеся циклы замораживания–оттаивания в сочетании с разными размерами зерен почвы изменяют прочность и устойчивость этого ценного чернозёма?

Как было организовано исследование

Исследователи собрали чернозём в крупном сельскохозяйственном районе провинции Хэйлунцзян, где широко выращивают кукурузу и сою. Они тщательно удалили корни и камни, затем рассортировали почву на семь групп: одну с естественной смесью размеров частиц и шесть групп с узкими диапазонами — от крупных фракций более 5 мм до очень тонких частиц меньше четверти миллиметра. Все образцы довели до низкого, реалистичного зимнего влагосодержания около 4%, а затем подвергли контролируемым циклам замораживания при −8 °C и оттаивания при 10 °C до 30 циклов — что соответствует суровым сезонным условиям в регионе.

Измерение прочности сцепления почвы

Чтобы проследить изменения в почве после обработки, команда использовала стандартный лабораторный прибор, который сдвигает одну часть образца относительно другой, измеряя сопротивление скольжению. По результатам этих испытаний вычисляли три ключевые характеристики. Сцепление отражает «клеящие» связи между частицами. Угол внутреннего трения описывает, насколько частицы зацепляются и трутся друг о друга. В совокупности они определяют общую прочность на сдвиг — способность почвы сопротивляться разрыву или эрозии водой и действием силы тяжести. Также применялись статистические методы, чтобы отделить влияние циклов замораживания–оттаивания от влияния размера частиц и изучить их взаимодействие.

Крупные и мелкие частицы: противоположные тенденции

Результаты показали заметное разделение между крупными и мелкими фракциями. В естественно смешанной почве и в образцах, доминируемых частицами крупнее 1 мм, сцепление и прочность на сдвиг в основном снижались с увеличением числа циклов замораживания–оттаивания. Первый цикл наносил наибольший ущерб, и к 30 циклам эти крупные группы теряли до примерно одной трети своей связующей прочности. Напротив, почвы, состоящие в основном из частиц меньше 1 мм, вели себя противоположно: повторяющиеся циклы замораживания и оттаивания делали их прочнее. В некоторых случаях их сцепление более чем удваивалось, а прочность на сдвиг несколько возрастала. Для угла внутреннего трения ключевой порог сместился до 2 мм: тонкие почвы, как правило, сохраняли или увеличивали трение, тогда как более крупные фракции его теряли. В целом естественная смешанная почва всё ещё имела наивысшую прочность, поскольку частицы разных размеров могут более эффективно упаковываться и поддерживать друг друга, чем однородные зерна.

Почему замораживание меняет почву именно так

Исследование предполагает, что превращение воды в лёд и последующее таяние многократно перемещают частицы почвы и изменяют точки их контакта. В крупной почве замерзшая вода расширяет промежутки между большими частицами и ослабляет структуру; при таянии частицы получают пространство для перемещения, поэтому они легче скользят, и почва становится слабее. В мелкой почве, напротив, мелкие частицы могут быть поджаты и уплотнены теми же движениями замораживания–оттаивания, образуя более плотную, переплетённую структуру, что повышает сцепление. Во всех тестах размер частиц оказался главным фактором, определяющим прочность на сдвиг, тогда как циклы замораживания–оттаивания играли значительную, но второстепенную роль.

Что это означает для защиты чернозёма

Для неспециалистов вывод таков: не вся почва одинаково реагирует на зимние условия. В чернозёмном поясе Северо-Восточного Китая повторяющиеся заморозки могут ослаблять крупную, комковатую почву, одновременно постепенно уплотняя и укрепляя очень мелкие фракции. Поскольку риск эрозии в значительной степени зависит от того, насколько легко почву можно разрушить и унести, знание местного соотношения размеров частиц помогает предсказать, какие поля наиболее уязвимы после суровой зимы. Эти результаты могут направить более рациональное землепользование, например снижение вспахивания в областях, где доминируют крупные агрегаты, и предоставить научную основу для защиты одного из важнейших сельскохозяйственных ресурсов Китая.

Цитирование: Zhao, R., Chang, H., Yu, J. et al. The influence of freeze-thaw action and particle size characteristics on the shear resistance of black soil. Sci Rep 16, 6176 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36780-z

Ключевые слова: почва при замораживании-оттаивании, эрозия чернозёма, сопротивление сдвигу почвы, зерновой состав почвы, сельское хозяйство в холодных регионах