改革开放以来，我国经济快速发展，大气污染问题日益严重，我国已经成为继欧洲、北美之后的第三大酸雨区^[1]。自20世纪80年代到21世纪初，全国农田土壤pH下降0.5^[2]。土壤是生态系统中酸雨沉降的主要受体。酸雨对土壤影响的大小直接关系到整个生态环境的质量。随着酸溶液浓度和浸泡时间的增加，酸会腐蚀土壤中的氧化物、胶结盐类等，使土壤的质量和密度降低^[3]。曹海荣^[4]发现随着酸侵蚀时间的增加，土壤的含水量、孔隙比、液塑限都是随硫酸浓度的增加而增加。刘华等^[5]发现随着酸液浓度增大，污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触和面-面接触转变，土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使有效渗流孔隙减少，导致污染土渗透系数降低。张嘉良等^[6]发现酸雨会提升团聚体稳定性，但长期的酸雨湿润会使黄壤中的铝活化和释放，危害生态环境。

土壤干湿循环是土壤系统热力学和水文学视角短期变异较大的过程^[7]。土壤经过干湿循环后会发生胀缩现象，造成土壤体积的变化和裂缝的发育，改变土壤结构^[8]。干湿循环对土壤物理性质的影响与土壤密度、抗冲性、崩解速率和膨胀收缩率有关^[9]。梁越等^[10]发现泥岩颗粒料在经历9次干湿循环后，试样会从连续级配变为不连续级配。邬铃莉等^[11]发现干湿交替过程对团聚体存在明显的破坏作用，主要表现为大团聚体(>2 mm)含量随着干湿交替次数增加而逐渐向小团聚体(< 0.5 mm)转变。干湿循环后土壤颗粒会在水分子压力作用下重新组合，造成土壤密实，水分瓦解土壤颗粒的能力减弱^[12-13]。

土壤崩解是指土由于浸水而发生碎裂、散体的现象。土壤崩解与土壤侵蚀的发生过程密切相关，是土壤侵蚀发生的必要条件之一。王健等^[14]发现干湿循环后土壤颗粒在水分子压力作用下得以重组，可有效减缓土壤崩解速度，提高土壤抗蚀性。金旭等^[15]发现花岗岩残积土在一定时间内的崩解量随着pH值的减小而增大，且pH值越小，增加量越大。

然而，以往研究主要是对干湿循环和酸性条件2种影响因素分别进行分析，而酸性条件和干湿循环两者对土壤崩解性能的影响尚不清楚。因此，笔者拟通过室内控制试验，模拟黄棕壤在不同酸性程度下，分析干湿循环对土壤密度和崩解特性的影响，以期为植被恢复、水土治理及生态环境治理提供理论参考及决策支持。

三峡库区是我国酸雨频率较高、酸雨严重的地区之一，位于库区东、西两端的宜昌、重庆酸雨最重^[16]。黄棕壤和黄壤为库区典型土壤类型，约占库区总面积的16.3%^[17]。因此，本研究选择三峡库区大量分布的黄棕壤为试验土壤。黄棕壤取自三峡区库东端的宜昌市(E 110°15′~112°04′、N 29°5′~31°34′)，该地区属于亚热带季风性湿润气候，具有雨热同季，寒旱同季的气候特征，多年平均降水量1 215.6 mm，平均气温16.9 ℃，年平均＞10 ℃的活动积温5 200 ℃以上。境内水资源和植物资源丰富，森林覆盖率超过50.0%。

土壤采回后经风干处理后过5 mm筛除去杂质待用。经测定，所用土壤有机质为12.97 g/kg，pH值为6.7。含有21.12%砂粒(＞0.05 mm)，53.87%粉粒(0.05~0.002 mm)和25.01%黏粒(＜0.002 mm)。

根据国家气象行业标准(QX/T372—2017)《酸雨和酸雨区等级》酸雨等级划分，分别选取弱酸雨(pH=5)、强酸雨(pH=4)、特强酸雨(pH=3)3种不同酸性溶液作为试验浸泡溶液，并用pH=7的纯净水作为对照组浸泡溶液。南方酸雨的类型为硫酸型酸雨^[1]。因此，使用分析纯浓H₂SO₄和浓HNO₃配制成摩尔比为5∶1的酸雨母液，然后采用纯净水逐步稀释至设计pH值。根据前人研究^[11]及预实验结果，干湿循环次数＜5次时对土壤影响较大，15次后干湿循环作用对研究结果的影响基本稳定，因此本试验设置0、1、2、3、4、5、10和15次共8种干湿循环水平。后文将4种浸泡溶液简述为pH=3、pH=4、pH=5和pH=7，干湿循环次数简述为DW0、DW1、DW2、DW3、DW4、DW5、DW10和DW15。

笔者按照野外密度1.20 g/cm³控制试验初始密度，并参考王健等^[14]喷撒一定纯净水将风干土进行湿润以形成初始含水率与自然含水率接近(15%)。试验采用长宽高为20 cm×20 cm×10 cm底部设有若干渗水小孔确保水分能够自由出入的不锈钢钢盒装填分层土样形成设计密度，同时在盒底垫上滤纸以防止土壤泄漏。随后将土盒放入一个稍大的水箱中，往水箱中加入酸性溶液直至水面略低于土盒内土面。待土样浸泡约24 h后，土样达到饱和状态后取出土盒，进行重力排水。随后将土盒放入60 ℃烘箱进行低温烘干至初始含水率取出冷却。每一次浸泡—烘干过程为1个干湿循环过程。当试样干湿循环次数达到设计次数时，采用环刀法测量土壤密度，同时用长5 cm×宽5 cm×高5 cm无顶、无底的立方块形状的取土器取土样用于崩解试验。密度测量和崩解试验中每种实验条件下重复3次，共96次。

崩解试验采用自制崩解装置进行，主要包含支架、推拉力计和水箱(图 1)。试验时用塑料绳将孔径为5 mm的金属网格与推拉力计进行连接，放置试样于金属网格上，置于静水中让水面没过试样顶面，观测崩解情况。采用艾德堡HP-50数显推拉力计(精度0.01 N)记录土壤崩解过程中的质量变化，以计算崩解指数和最终崩解指数。崩解数据自开始出现读数起，持续至20 min或全部崩解为止。

图 1(Fig. 1)

1.推拉力计；2.挂钩；3.挂网线；4.水箱；5.试样；6.支撑平台；7支架；8.支架底座。 1. Pull and push dynamometer meter. 2. Pothook. 3. Cables for hanging. 4. Cistern. 5. Sample. 6. Supporting platform. 7. Support. 8. Base of support. 图 1 崩解装置示意图 Fig. 1 Schematic representation of soil disintegration

为消除量纲影响，笔者用崩解指数表示崩解程度。土壤崩解指数是指崩解完成时崩解量占试样总量的比例，崩解指数按式(1)计算：

式中：B_i为i时刻的崩解指数，%；a_i为供试土样在i时刻的拉力计读数，N；a₀为供试土样在起始时刻的拉力计读数，N；M为供试土样总重力，N。

采用Excel 2016和SPSS 25.0软件进行数据处理，并进行单变量方差分析，显著水平为P＜0.05，得到主体间效应检验表。

在各酸性干湿条件下，黄棕壤土壤密度随着干湿循环次数的增加均呈现先快速增加、后缓慢增减的变化趋势(图 2)。这与王健等^[14]随土壤干湿循环次数的增加，土壤密度增长缓慢、土壤的固结从快变慢的结论相似。干湿循环会破坏土壤团聚体，造成大团聚体转变为小团聚体，并引起大孔隙减少，小孔隙增多，孔隙面积减小^[11]。首次干湿循环对土壤密度影响最大，密度增加量占总增加量的70%以上。这是由于第1次干湿循环前土壤颗粒之间空隙比较大，土壤颗粒之间的可压缩空间比较大。随着干湿循环次数的增加，土壤大团聚体转变为小团聚体，土壤之间的孔隙越来越小，土壤颗粒间孔隙难以继续压缩。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同酸性程度和干湿循环次数下黄棕壤密度变化 Fig. 2 Variation of yellow brown soil bulk density under different acidity and dry-wet cycles

土壤密度随着溶液酸性的增强呈现出小幅度增加趋势(图 2)。这可能是因为酸性溶液中的酸根离子跟土壤矿物质发生反应，使一些大颗粒分解为细小颗粒，同时酸液能够导致颗粒间双电层斥力减小和范德华引力增大造成土体在围压作用下产生超固结现象，引起孔隙进一步减小^[5]。张嘉良等^[6]也发现酸雨会造成土壤团聚体破坏，呈现＜0.1 mm团聚体凝聚增加，而＞2 mm水稳性团聚体大幅减少的变化规律。与对照组pH=7相比，pH=5和pH=4溶液处理过的土壤密度只增加大约0.10 g/cm³，而pH=3则增加0.20~0.30 g/cm³，表明酸性越强对土壤密度的增长幅度越大。这可能是由于黄棕壤对pH=4和pH=5的酸溶液处理有一定的缓冲能力，当pH=3时土壤结构就被进一步破坏、重组。

方差分析发现酸溶液和干湿循环都对土壤密度有显著性影响，而两者交互作用对土壤密度无显著影响(表 1)。对土壤密度影响最大的是干湿循环，贡献率达到91.86%，其次是酸溶液和干湿循环两者交互作用，贡献率为2.33%，而酸溶液的贡献率最小，仅为0.87%。

表 1(Tab. 1)

表 1 溶液酸性和干湿循环对土壤密度的影响和贡献率 Tab. 1 Influence and contribution rate of acidity and dry-wet cycle on soil bulk density 因素 Factor Ⅲ类平方和 Type Ⅲ sum of squares 自由度 Degree of freedom 均方 Mean square 显著性 Significance 贡献率 Contribution rate/% 溶液酸性Acidity 0.00 3 0.00 0.03 0.87 干湿循环Dry-wet cycle 0.32 7 0.05 0.00 91.86 溶液酸性×干湿循环Acidity×Dry-wet cycle 0.01 21 0.00 0.14 2.33 误差Error 0.02 64 0.00 5.23 修正后总计Revised total 0.34 95 注：R2=0.949(调整后R2=0.924)；×表示交互作用。Notes: R2=0.949 (R2=0.924 after adjustment); × indicates interaction.

表 1 溶液酸性和干湿循环对土壤密度的影响和贡献率 Tab. 1 Influence and contribution rate of acidity and dry-wet cycle on soil bulk density

试验结果发现不同条件下崩解过程基本一致，因此根据崩解过程结果绘制示意图(图 3)。崩解过程呈现先缓慢增加后快速增加并趋于稳定的变化趋势，崩解指数曲线整体接近“S”型，这与王健等^[14]的研究类似。土壤崩解过程可以分成3个阶段: 1)缓慢崩解阶段(OA段)，试样浸入清水，土壤开始吸水并排出空气，土壤中水分增加质量与土壤崩落的少量颗粒质量相抵消，拉力计数值基本不变。2)指数崩解阶段(AB段)，土壤吸水饱和并停止吸水，土壤内部胶结键在水分浸润作用下削弱或断裂，土壤大量崩解、脱落，崩解指数呈指数上升。3)崩解完成阶段(BC段)，该阶段崩解基本完成，在残余应力下，剩余部分土壤颗粒寻找水下稳定角而呈现稳定状态，少量土粒散落，最终崩解完成^[18]。

图 3(Fig. 3)

图 3 土壤崩解过程示意图 Fig. 3 Schematic diagram of soil disintegration process

崩解稳定时间为土壤崩解过程到达B点所花费的时间，反映土壤平均崩解速率的快慢。黄棕壤的崩解稳定时间随干湿循环次数增加呈现出先减小后增加的趋势，15次干湿循环后崩解稳定时间较空白组增加1倍左右(表 2)。这可能由于未经过干湿循环的土壤含水率分布均匀，而在模拟土壤干湿循环时，在土壤干燥过程中优先失去外层水分，造成表面土壤较比内部土壤更干燥的现象，类似于黄土的边界效应^[19]。这种外干内湿的结构造成表层土壤在水的作用下快速崩解，从而促进崩解进程；同时，干湿循环使土壤结构被破坏，造成土体内部土壤颗粒较为松散^[11]，进一步加速崩解进程；而随着干湿循环次数增加，土壤颗粒在水分子压力作用下得以重组，土壤结构重新形成^[12]，从而有效减缓崩解进程。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同酸性程度和干湿次数循环下土壤崩解稳定时间 Tab. 2 Stability time of soil disintegration under different acidic and dry-wet cycles 干湿循环次数 Number of dry-wet cycles 崩解稳定时间Stability time of a disintegration/s pH=3 pH=4 pH=5 pH=7 0 483±29Ab 483±29Ab 450±50Ad 433±29Ac 1 153±21Be 170±44Be 267±29Ae 150±10Bf 2 163±40Be 250±50Ad 267±29Ae 177±25Bf 3 250±50Bd 217±29Bd 283±29Ac 250±0Be 4 250±50Cd 317±29BCc 467±29Ad 367±58Bd 5 367±29Bc 367±58Bc 450±50Ad 417±29ABcd 10 367±58Dc 1 100±0Aa 1 033±29Ba 483±29Cb 15 1 100±50Aa 1 117±29Aa 833±58Bb 767±29Ca 注：崩解稳定时间平均值±标准误；同一行不同大写字母表示不同pH在0.05水平差异显著；同一列不同小写字母表示不同干湿循环次数在0.05水平差异显著。Notes: The average value of the disintegration stability time ± standard error; different capital letters in the same row indicate significant differences in different pH levels at 0.05 level; and different lowercase letters in the same column indicate significant differences in the number of dry-wet cycles at 0.05 level.

表 2 不同酸性程度和干湿次数循环下土壤崩解稳定时间 Tab. 2 Stability time of soil disintegration under different acidic and dry-wet cycles

随酸溶液酸性的增强，崩解稳定时间先增加后减少(表 2)。土壤经过酸性溶液浸泡后，一方面酸会溶蚀可溶性盐和游离氧化物，对土壤表面产生侵蚀作用，破坏表层土壤结构，造成土壤崩解稳定时间缩短；另一方面酸与土体发生化学反应产生细小颗粒^[6]，使土壤空隙被堵塞，造成土壤崩解稳定时间延长。pH=3溶液处理后，前者溶蚀作用强于后者堵塞作用，因此崩解稳定所需时长比pH=7溶液处理情况下要短；而pH=4和pH=5时，酸度相对较小，堵塞作用强于溶蚀作用，因此崩解稳定所需时长比pH=7溶液处理情况下要长。

黄棕壤经过不同干湿循环次数处理后，土样的最大崩解指数随着干湿循环次数的增加呈现出先增加后逐渐减小的趋势(图 4)，表明干湿循环呈现先促进、后抑制崩解的现象。第1次干湿循环后，最大崩解指数增长接近20%，当干湿循环次数达到15次时，相比第1次干湿循环最大崩解指数又减少接近50%。张素等^[20]研究指出在5次干湿循环作用中，随干湿交替次数的增加，燥红土和变性土最大崩解指数均增长，而新积土最大崩解指数无明显变化。不同结果可能与土壤性质和干湿循环次数不一样有关，有待深入研究。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同酸性程度和干湿次数循环下黄棕壤最大崩解指数变化 Fig. 4 Variation of maximum disintegration index for yellow-brown soil under different acidity and dry-wet cycles

随着酸溶液的酸性不断增加，黄棕壤的最大崩解指数呈现出先减小后增加的趋势(图 4)。经过pH=3酸溶液处理过的黄棕壤土样，最大崩解指数大于pH=7处理。这是由于pH=3溶液酸性过强，酸会对土中起胶结作用的倍半氧化物、氧化钙镁等进行溶蚀，影响土的粒间连接，破坏土体原有结构，使得土颗粒间的连接减弱甚至消失。同时，土颗粒中一些不溶性胶粒变成可溶性的离子也降低粒间连接力和黏性，从而促进崩解的发生^[15]。而经过pH=4和pH=5酸溶液处理的土样，在第1次干湿循环时，两者的最大崩解指数要高于pH=7的最大崩解指数。随干湿循环次数的增加，两者的最大崩解指数又低于pH=7的最大崩解指数。这可能是由于第1次干湿循环时酸溶液破坏土壤结构，提高土壤的最大崩解指数，但随着干湿循环次数的增加土壤结构被重组，土壤变得比pH=7酸溶液处理的土壤更加紧实(图 2)，而pH=4和pH=5酸溶液的酸性不足以再破坏此时的土壤结构，所以两者的最大崩解指数又低于pH=7的最大崩解指数。

由表 3可见，溶液酸性和干湿循环及两者共同作用都对最大崩解指数有极其显著影响(P＜0.01)。对土壤崩解指数影响最大的是干湿循环，贡献率达到87.53%。其次分别是酸溶液和两者的共同作用，贡献率分别为4.57%和4.47%。

表 3(Tab. 3)

表 3 溶液酸性和干湿循环对土壤最大崩解指数的影响和贡献率 Tab. 3 Influence and contribution rate of acidity and dry-wet cycle on the maximum soil disintegration index 因素 Factor Ⅲ类平方和 Type Ⅲ sum of squares 自由度 Degree of freedom 均方 Mean square 显著性 Significance 贡献率 Contribution rate/% 溶液酸性Acidity 805.26 3 268.42 0.00 4.57 干湿循环Dry-wet cycle 15 424.98 7 2 203.57 0.00 87.53 溶液酸性×干湿循环Acidity×Dry-wet cycle 787.40 21 37.50 0.00 4.47 误差Error 604.65 64 9.45 3.43 修正后总计Revised total 17 622.29 95 注：R2=0.966(调整后R2=0.949)；×表示交互作用。Notes: R2=0.966 (R2=0.949 after adjustment). × indicates interaction.

表 3 溶液酸性和干湿循环对土壤最大崩解指数的影响和贡献率 Tab. 3 Influence and contribution rate of acidity and dry-wet cycle on the maximum soil disintegration index

1) 黄棕壤密度随着干湿循环次数和溶液酸性的增加先逐渐增加，随后趋于稳定。酸性越强，土壤的密度增加越快。但随着干湿次数的增加，溶液酸性对密度的影响逐渐趋于稳定。

2) 黄棕壤的崩解过程曲线呈现出典型的“S型”，崩解过程经历缓慢崩解阶段-指数崩解阶段和崩解完成阶段。

3) 在经历15次酸性条件下干湿循环后，其崩解稳定时间延长接近1倍。黄棕壤的最大崩解指数随着干湿循环次数的增加先增加后逐渐减小，随酸溶液酸性的增强先减少后增加。黄棕壤经历15次酸性条件下干湿循环后，其最大崩解指数下降接近30%。

4) 酸性环境的土壤干湿循环对黄棕壤的密度和崩解具有显著影响，其中干湿循环影响作用更大。