冻融作用和颗粒粒径特征对黑土抗剪强度的影响

为什么冻土田很重要

在中国东北的黑土平原，农民依赖着世界上最肥沃的土壤之一。然而每年冬季该土壤会反复冻结，春季又反复融化。这样的温度循环会悄悄改变土粒之间的结合紧密程度以及土壤被冲刷或吹走的难易程度。本研究提出了一个简单但关键的问题：反复的冻融循环与不同的土粒粒径共同作用，会如何改变这种宝贵黑土的强度和稳定性？

研究如何设计

研究人员从黑龙江省的主要农业区采集了黑土，该地区广泛种植玉米、大豆等作物。他们仔细去除了根系和石块，然后将土壤分为七组：一组为天然混合粒径，另六组为不同窄范围的粒径，从大于5毫米的粗块到小于0.25毫米的细粒。所有样品的含水量被调至约4%，这一低且符合冬季实际的水分水平，然后在受控条件下进行冻融循环处理：在−8°C冻结、10°C融化，最多达30个循环——相当于该地区最严酷季节条件的模拟。

测量土壤结合强度

为了观察这些处理如何改变土壤性质，团队使用了标准的实验室剪切装置，通过推动样品的一部分相对于另一部分来测量其抗滑移的阻力。由这些试验计算出三个关键参数。凝聚力反映颗粒之间类似“胶黏”的结合力度。内摩擦角描述颗粒相互嵌锁和摩擦的能力。二者共同决定了总体抗剪强度——即土壤抵抗被撕裂或被水与重力侵蚀的能力。研究还运用统计方法将冻融循环的影响与粒径的影响区分开来，并分析两者的交互作用。

粗颗粒与细颗粒：相反的趋势

结果显示出粗细土壤之间明显的分化。在天然混合土以及以大于1毫米粒径为主的样品中，凝聚力和抗剪强度随冻融循环次数的增加总体下降。首个循环造成的损害最大，至30个循环时这些粗颗粒组的结合强度最多损失约三分之一。相反，以小于1毫米粒径为主的土壤表现出相反的变化：反复冻融使其变得更强。在某些情况下，其凝聚力增长了超过一倍，抗剪强度也略有上升。对于内摩擦角而言，关键分界线转向2毫米：细粒土往往增加或保持摩擦角，而较粗土则倾向于丧失摩擦角。总体上，天然混合土仍然表现出最高的强度，因为多种粒径的颗粒相比单一粒径更能有效地相互嵌合与支撑。

为什么冻融会产生这种影响

研究表明，水结冰与融化的反复过程会重新排列土粒并改变它们的接触点。在粗颗粒土中，结冰时水体膨胀会增大大颗粒之间的空隙并使结构松散；当冰融化后，颗粒有空间移动，因此更容易滑移，土壤变得更弱。相比之下，在细颗粒土中，相同的冻融运动会把小颗粒挤压得更紧密，形成更致密、相互嵌锁的结构，从而提高凝聚力。在所有试验中，粒径被证明是控制抗剪强度的主要因素，而冻融循环则是一个强但次要的影响因素。

对保护黑土的意义

对于非专业读者，结论是并非所有土壤对冬季反应相同。在东北黑土带，反复冻结会削弱粗大、成块的土壤，同时逐步密实并增强非常细的土壤。由于侵蚀风险在很大程度上取决于土壤被破坏和搬运的难易程度，了解当地的粒径分布有助于预测哪些田地在严冬后最易受损。这些发现可为更好的土地管理提供参考，例如在以粗集聚体为主的区域减少扰动，并为保护中国最重要的农业资源之一提供科学依据。

引用: 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

关键词: 冻融土壤, 黑土侵蚀, 土壤抗剪强度, 土壤颗粒粒径, 寒区农业