DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36780-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580487
تاريخ النشر: 2026-01-24
المؤلف: Rongfei Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والتربة المتجمدة
نظرة عامة
تتناول هذه القسم آثار دورات التجمد والذوبان على العلاقة بين حجم الجسيمات ومعلمات قوة القص المختلفة للتربة، بما في ذلك التماسك ($c$) وزاوية الاحتكاك الداخلي ($\phi$) وقوة القص ($\tau$) في سبع مجموعات من أحجام الجسيمات عند محتوى مائي 4%. باستخدام جهاز القص المباشر، وجدت الدراسة أن حجم الجسيمات يؤثر بشكل كبير على ديناميات التماسك. على وجه التحديد، تظهر المجموعات التي تحتوي على أحجام جسيمات أكبر من أو تساوي 1 مم انخفاضًا في $c$ مع زيادة دورات التجمد والذوبان، بينما تظهر المجموعات التي تحتوي على أحجام جسيمات أقل من 1 مم زيادة. ومن الجدير بالذكر أن مجموعة حجم الجسيمات 5-10 مم هي الأقل تأثرًا، بينما مجموعة <0.25 مم هي الأكثر تأثرًا، حيث يستقر التماسك بعد 6-9 دورات. فيما يتعلق بزوايا الاحتكاك الداخلي ($\phi$)، تظهر المجموعات التي تحتوي على أحجام جسيمات أكبر من أو تساوي 2 مم زيادة في البداية تليها انخفاض، بينما تظهر تلك التي تحتوي على أحجام أقل من 2 مم الاتجاه المعاكس. تحتفظ مجموعة <0.25 مم بأعلى قيم $\phi$، بينما بعد 30 دورة تجمد وذوبان، تعاني مجموعات 2-5 مم من أكبر انخفاض في $\phi$ (-4.70%)، في حين أن هناك زيادة طفيفة (2.17%) في مجموعات 0.5-1 مم. تظهر التربة ذات التدرج الطبيعي أعلى قوة قص ($\tau$) بسبب تعزيز التفاعلات بين الجسيمات. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين حجم الجسيمات ومعلمات قوة القص تحت ظروف التجمد والذوبان في التربة السوداء.
مقدمة
تتناول مقدمة الدراسة التأثير الكبير لعمل التجمد والذوبان على الخصائص الميكانيكية للتربة السوداء في شمال شرق الصين، وخاصة تأثيره على قوة القص للتربة، وهي مؤشر حاسم على استقرار التربة. تؤدي دورات التجمد والذوبان السنوية، المدفوعة بالعوامل المناخية، إلى تعطيل استقرار تجمعات التربة السطحية، مما يؤدي إلى تغييرات في الخصائص الميكانيكية وزيادة تآكل التربة. تبرز الأبحاث أهمية فهم كيفية تغير قوة القص مع أحجام الجسيمات المختلفة تحت ظروف التجمد والذوبان، حيث أن هذه المعرفة ضرورية لمعالجة تآكل التربة وفقدان التربة الناتج عن المياه.
أظهرت الدراسات السابقة أن عمل التجمد والذوبان يؤثر على خصائص التربة مثل هيكل المسام والكثافة الظاهرية واستقرار التجمعات، ومع ذلك تبقى النتائج المتعلقة بالتأثيرات المحددة على قوة القص غير متسقة عبر أنواع التربة المختلفة. على سبيل المثال، بينما حدد زو وآخرون عتبة حرجة بعد دورة تجمد وذوبان واحدة حيث ينخفض التماسك بشكل كبير، لم يجد باحثون آخرون، مثل شتاينر وآخرون، أي تأثيرات ملحوظة تحت ظروف محتوى مائي منخفض. بالإضافة إلى ذلك، اقترح فان وآخرون أن التماسك يستقر فقط بعد ثلاث دورات. تؤكد المقدمة على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في هذه النتائج المتضاربة، لا سيما فيما يتعلق بزوايا الاحتكاك الداخلي ودور محتوى الماء في التأثير على تماسك التربة.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل في المواد المحددة، بما في ذلك أي مواد كيميائية ومعدات وعينات بيولوجية، التي تم استخدامها لإجراء البحث. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مما يضمن إمكانية إعادة الإنتاج، ويشمل البروتوكولات لجمع البيانات، وتقنيات التحليل، والأساليب الإحصائية المستخدمة لتفسير النتائج.
تُبرز النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق المستخدمة، مع التأكيد على أهمية الأساليب المختارة في معالجة أسئلة البحث. قد يناقش القسم أيضًا أي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج والمنطق وراء اختيار منهجيات معينة، مما يوفر فهمًا شاملاً لكيفية إجراء البحث وموثوقية النتائج.
نتائج
تشير النتائج إلى أن محتوى الماء الأولي يؤثر بشكل كبير على استجابة التربة لدورات التجمد والذوبان. على وجه التحديد، يؤدي محتوى الماء الأعلى (الذي يتراوح بين 8% إلى 12%) إلى انخفاض مؤشر الضغط، مما يجعل الجسيمات الدقيقة أكثر عرضة للتفكك خلال هذه الدورات. يؤدي هذا التحول إلى تعديل العتبة الحرجة من 1 مم نحو أحجام الجسيمات الدقيقة. يعزز محتوى الماء المتزايد كل من الماء الحر والماء الشعري داخل التربة، مما يؤدي إلى زيادة تكوين بلورات الثلج أثناء التجمد. يؤدي التوسع الحجمي الناتج عن انتقال مرحلة الثلج-الماء إلى تعزيز الهجرة السريعة للماء بين مسام التربة، مما يزيد من عملية استقرار التجمد والذوبان.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن الجمع بين محتوى الماء المنخفض وانخفاض الكثافة يحسن من احتفاظ الخصائص الميكانيكية المرتبطة بإعادة ترتيب الجسيمات والتفكك. تحت هذه الظروف التجريبية، تظل العتبة 1 مم تمثيلًا صالحًا لسلوك التربة، مما يبرز أهمية محتوى الماء الأولي في فهم ديناميات التربة خلال أحداث التجمد والذوبان.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لدورات التجمد والذوبان على تماسك التربة وزاوية الاحتكاك الداخلي، لا سيما في التربة السوداء من شمال شرق الصين. تشير النتائج إلى أن التماسك ينخفض بشكل ملحوظ مع زيادة عدد دورات التجمد والذوبان، حيث يظهر انخفاض من 3.81 كيلو باسكال إلى 7.95 كيلو باسكال بعد 15 دورة. في المقابل، تشهد زاوية الاحتكاك الداخلي تغييرات طفيفة فقط، مع استجابة أكثر تعقيدًا لوحظت في التربة ذات أحجام الجسيمات المختلفة. من الجدير بالذكر أن التربة الدقيقة (d < 1 مم) تميل إلى إظهار زيادة في التماسك بعد عدة دورات تجمد وذوبان، بينما تظهر التربة الخشنة (d ≥ 1 مم) انخفاضًا مستمرًا في التماسك. تحدد الدراسة عتبة حرجة عند 9 دورات تجمد وذوبان، يتجاوزها تأثير خصائص حجم الجسيمات ليصبح أكثر وضوحًا. توضح الأبحاث أيضًا الآليات التي تؤثر بها دورات التجمد والذوبان على خصائص التربة، مع التركيز على تعطيل وإعادة تشكيل تجمعات التربة. تؤكد على التأثيرات التراكمية لدورات التجمد والذوبان، حيث تحدث تغييرات كبيرة في قوة قص التربة بشكل أساسي خلال الدورات الأولية. تكشف الدراسة أيضًا أن محتوى الرطوبة يلعب دورًا حاسمًا في ديناميات قوة التربة، مع تأثيرات متباينة على التماسك وزاوية الاحتكاك الداخلي. بشكل عام، توفر النتائج رؤى قيمة حول التفاعل بين عمل التجمد والذوبان وخصائص حجم الجسيمات، مما يساهم في فهم أعمق لسلوك التربة تحت ظروف بيئية متغيرة، وهو أمر حاسم للإدارة الفعالة للتربة ومكافحة التآكل في مناطق التربة السوداء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36780-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580487
Publication Date: 2026-01-24
Author(s): Rongfei Zhao et al.
Primary Topic: Climate change and permafrost
Overview
This section investigates the effects of freeze-thaw cycles on the relationship between particle size and various soil shear strength parameters, including cohesion ($c$), internal friction angle ($\phi$), and shear strength ($\tau$) in seven particle size groups at 4% water content. Using a direct shear apparatus, the study finds that particle size significantly affects the dynamics of cohesion. Specifically, groups with particle sizes greater than or equal to 1 mm exhibit a decrease in $c$ with increasing freeze-thaw cycles, while groups with particle sizes less than 1 mm show an increase. Notably, the 5-10 mm particle size group is the least affected, while the <0.25 mm group is most affected, with cohesion stabilizing after 6-9 cycles. In terms of the internal friction angle ($\phi$), groups with particle sizes greater than or equal to 2 mm initially show an increase followed by a decrease, whereas those with sizes less than 2 mm exhibit the opposite trend. The <0.25 mm group retains the highest $\phi$ values, while after 30 freeze-thaw cycles, the 2-5 mm groups experience the largest decrease in $\phi$ (-4.70%), contrasting with a slight increase (2.17%) in the 0.5-1 mm groups. The naturally graded soil demonstrates the highest shear strength ($\tau$) due to enhanced inter-particle interactions. Overall, this study highlights the complex interplay between particle size and shear strength parameters under freeze-thaw conditions in black soil.
Introduction
The introduction of the study addresses the significant impact of freeze-thaw action on the mechanical properties of black soil in Northeast China, particularly its influence on soil shear strength, a critical indicator of soil stability. The annual freeze-thaw cycles, driven by climatic factors, disrupt the stability of surface soil aggregates, leading to alterations in mechanical properties and increased soil erosion. The research highlights the importance of understanding how shear strength varies with different particle sizes under freeze-thaw conditions, as this knowledge is crucial for addressing soil erosion and water-induced soil loss.
Previous studies have shown that freeze-thaw action affects soil characteristics such as pore structure, bulk density, and aggregate stability, yet findings regarding the specific effects on shear strength remain inconsistent across various soil types. For instance, while Zuo et al. identified a critical threshold after one freeze-thaw cycle where soil cohesion decreases significantly, other researchers, like Steiner et al., found no notable effects under low water content conditions. Additionally, Fan et al. suggested that cohesion stabilizes only after three cycles. The introduction underscores the need for further investigation into these conflicting results, particularly concerning the internal friction angle and the role of water content in influencing soil cohesion.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures utilized in the study. It details the specific materials, including any reagents, equipment, and biological samples, that were employed to conduct the research. The methodology is described in a systematic manner, ensuring reproducibility, and includes the protocols for data collection, analysis techniques, and statistical methods used to interpret the results.
Key findings derived from the methods employed are highlighted, emphasizing the significance of the chosen approaches in addressing the research questions. The section may also discuss any controls implemented to validate the results and the rationale behind the selection of specific methodologies, providing a comprehensive understanding of how the research was conducted and the reliability of the findings.
Results
The results indicate that initial water content significantly influences the response of soil to freeze-thaw cycles. Specifically, higher water content (ranging from 8% to 12%) decreases the compression index, making fine particles more prone to fragmentation during these cycles. This shift leads to a modification of the critical threshold from 1 mm towards finer particle sizes. The increased water content enhances both free and capillary water within the soil, resulting in a greater formation of ice crystals during freezing. The subsequent volume expansion from the ice-water phase transition promotes rapid water migration between soil pores, exacerbating the frost heave-thaw settlement process.
Moreover, the study highlights that a combination of low water content and low compactness optimizes the retention of mechanical properties linked to particle rearrangement and fragmentation. Under these experimental conditions, the 1 mm threshold remains a valid representation of the soil’s behavior, emphasizing the importance of initial water content in understanding soil dynamics during freeze-thaw events.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of freeze-thaw cycles on soil cohesion and internal friction angle, particularly in black soil from Northeast China. The findings indicate that cohesion decreases markedly with an increasing number of freeze-thaw cycles, showing a reduction of 3.81 kPa to 7.95 kPa after 15 cycles. In contrast, the internal friction angle experiences only slight variations, with a more complex response observed in soils of different particle sizes. Notably, fine-grained soils (d < 1 mm) tend to exhibit an increase in cohesion after multiple freeze-thaw cycles, while coarser soils (d ≥ 1 mm) show a consistent decline in cohesion. The study identifies a critical threshold at 9 freeze-thaw cycles, beyond which the influence of particle size characteristics becomes more pronounced. The research further elucidates the mechanisms by which freeze-thaw cycles affect soil properties, emphasizing the disruption and reformation of soil aggregates. It underscores the cumulative effects of freeze-thaw cycles, with significant changes in soil shear strength occurring predominantly within the initial cycles. The study also reveals that moisture content plays a crucial role in soil strength dynamics, with varying effects on cohesion and internal friction angle. Overall, the results provide valuable insights into the interplay between freeze-thaw action and particle size characteristics, contributing to a deeper understanding of soil behavior under changing environmental conditions, which is critical for effective soil management and erosion control in black soil regions.