灌淤土裂隙成因及其研究方法述評

余海龍，王麗麗，黃菊瑩，賴榮生

(1.寧夏大學 資源環境學院，寧夏 銀川750021； 2.寧夏大學 新技術研究開發中心，寧夏 銀川 750021)

灌淤土裂隙成因及其研究方法述評

余海龍1，王麗麗1，黃菊瑩2，賴榮生1

(1.寧夏大學 資源環境學院，寧夏 銀川750021； 2.寧夏大學 新技術研究開發中心，寧夏 銀川 750021)

灌淤土；裂隙；優先流；成因

灌淤土是干旱和半干旱地區灌溉農業的產物，主要分布于河套地區及遼西平原，當地獨特的氣候條件使得灌淤土成為水稻種植的優良土地資源，而頻繁的干濕交替及獨特的水分管理模式使灌淤土容易產生裂隙。裂隙作為優先流的路徑，加速了稻田水分和養分的損失，降低了水分利用效率，同時也增加了地下水污染的風險。對裂隙形成機制及其影響因素做了詳盡的總結，認為黏土礦物的種類、含量和土壤含水量對裂隙的開闔尤為重要。此外，就裂隙產生優先流的測定與模擬進行了述評，認為CT掃描技術是定量分析土壤裂隙幾何形態的最佳方法；并可借用大孔隙流常用的技術和方法研究裂隙對入滲的貢獻，根據裂隙和其他大孔隙與土壤水分不同的關系，為單獨評價裂隙對優先流的影響提供可能。

土壤結構隨干濕交替而變化，最明顯的特征是土壤遇到干旱后產生裂隙。裂隙作為土壤孔隙中的一類，一般產生于土壤凍融或干濕交替過程中，尤其是富含黏粒的土壤或鹽性土壤。裂隙可形成復雜的網絡結構傳導水分，垂直裂隙會導致作物根系以下水分和養分等的重新分布[1-2]。土壤裂隙增加土壤表面積，促使土壤水分通過裂隙內表面更加迅速地蒸發損失。因此，裂隙的產生會加劇土壤干旱程度，同時提高土壤強度和增加根系生長難度，降低作物產量。另一方面，土壤裂隙導致后期灌溉水和降雨快速下滲，形成優先流，降低水肥利用率，增加地下水污染風險[3]。

灌淤土是指在灌溉、施肥和耕作等農事活動影響下已形成50 cm以上厚度的灌淤土層的土壤。灌淤土是干旱和半干旱地區灌溉農業的產物，同時也是重要的農業生產土地資源，主要分布于河套地區及遼西平原。由于當地的光照條件好，獨特的生態條件造就了灌淤土區高產而上乘的水稻品質，因而水稻種植面積逐年增加。水稻種植需經歷多次灌溉和排水，干濕交替明顯，而灌淤土一般有機質含量較低但富含碳酸鈣等鹽類，其土壤結構變化顯著，在脫水的過程中易產生較大的裂隙[4]。同時當地降雨年內差異顯著，季節性干旱常導致土壤裂隙產生。裂隙產生后，導致水分和溶質快速下滲，形成優先流。田間模擬優先流是當今世界土壤物理學上的一個難題。因此，深入研究灌淤土裂隙的產生機制及其優先流，對認識灌淤土生態系統穩定性和可持續性，提高水肥利用效率和作物抗旱能力，以及減輕地下水污染等都具有重要的理論和實際意義。

1 灌淤土裂隙產生機制

灌淤土裂隙產生受土壤耕作、土壤性質、土壤水分、土壤強度和結構穩定性等多因素的耦合驅動，其產生機理和過程仍然不清楚。裂隙的開闔伴隨著土壤的收縮和膨脹，是土壤含水量、土壤黏土礦物等土壤物理、化學性質在外界影響因素共同作用下的結果，是一個復雜的動態過程。

土壤中的黏粒一般指粒徑<2 μm的顆粒。相較于粉粒和砂粒，黏粒具有明顯的塑性、脹縮性、吸濕性和黏結性，因此黏粒含量是最常用來表示土壤裂隙開闔潛力的一個參數。已有研究結果表明，土壤的膨脹和收縮能力隨著黏粒含量的增加而增加[5]。Bayer等[6]的研究進一步表明，土壤的收縮能力和土壤中黏粒的含量呈顯著正相關關系。就其組分而言，灌淤土黏土礦物主要以水云母為主，易于發生土壤裂隙開闔。

土壤的收縮與膨脹還和土壤中黏土礦物的種類和數量密切相關。有研究發現：如果黏粒主要以1 ∶1的非膨脹性黏土礦物為主，即使黏粒含量高，土壤收縮能力也很低[7]。這說明土壤收縮能力雖與黏粒含量存在一定的關系，但與黏土礦物性質關系更密切。土壤的收縮能力與膨脹能力主要與土壤中膨脹性黏土礦物含量有關，當土壤中的膨脹性黏土礦物占主導時，土壤的收縮能力就比較大。據報道，土壤的收縮能力與土壤中膨脹性黏土礦物的含量顯著相關。由于不同黏土礦物的收縮膨脹能力并不一致，所以不同的礦物類型對土壤的收縮影響也不一致。已有一些學者將黏土礦物類型對不同類型土壤收縮能力的影響進行了排序，發現水鋁英石含量高的土壤收縮能力最強，其次是以蒙脫石和埃洛石為主的土壤，而以高嶺石和伊利石為主的土壤收縮能力最弱。

有機質含量對土壤結構的形成起重要作用。一般情況下有機質含量高的土壤，其結構通常比較疏松，且孔隙比較多，因而其收縮能力較強。但De Jong等[8]研究發現土壤收縮和有機質含量不存在相關關系。有機質含量高的土壤，結構較為穩定，土壤的持水能力較強，在田間情況下可能不易失水產生裂隙。

土壤容重是表征土壤緊實程度的參數。一般容重小的土壤較為疏松，其收縮能力較大，容易產生裂隙。且對于容重較小的土壤，因其更大的土壤含水量，會因干濕交替變化引起表層土壤的收縮而產生裂隙。有研究發現，0～15 cm土層裂隙的寬度和體積與土壤容重顯著正相關，其中土壤含水量和容重解釋了大約80%的裂隙體積的變化[9]。

田間裂隙的產生除受自身性質的影響外，還與耕作方式、作物、田間管理和氣候條件等外界因素的影響有關。耕作土壤由于降雨或灌溉等經常處于干濕交替的水分條件下，而干濕交替的頻率、強度，作物的株行距，泥漿化的次數和深度等因素都會影響到土壤的收縮和裂隙的產生。彭新華等[10]研究發現干濕交替的強度因子要比頻率因子更顯著地影響土壤的收縮。唐朝生等[11]發現隨著干濕交替次數的增加會使土壤顆粒重新排列，裂隙的面積密度呈下降趨勢，不規則的裂隙則在增加。張中彬等[12]研究了干濕交替對不同利用年限水稻土的收縮和裂隙的影響，發現在水稻生長季中隨著干濕交替的進行，土壤的收縮能力呈下降趨勢，而裂隙的數量呈增長趨勢；耕種年限短的水稻土對干濕交替的反應較耕種年限長的更為顯著，表現為老的水稻田裂隙大而少，新的水稻田裂隙細而多，而且前者隨水分變化較后者慢。

裂隙的開闔與土壤含水量是密切相關的，優先流也是不穩定的。在土壤含水量較低時，裂隙發育得較好，優先流現象明顯；當土壤水分供應充足時，裂隙就會逐漸閉合，優先流現象也會減弱。裂隙流現象和田間含水量緊密聯系，處于不斷的變化過程當中。裂隙的開闔隨土壤的膨脹發生變化。有報道指出優先流在膨脹性土壤中應該是一個瞬間的過程，裂隙的產生使入滲率提高，但是在灌水后伴隨土壤的膨脹和裂隙的閉合，入滲率逐漸下降[13]。此外，有研究報道裂隙不容易閉合，需要足夠的降雨量才能使其在土壤表面閉合[14]。同時，研究者強調即使裂隙在土壤表層閉合，深層裂隙依舊是優先流的路徑[15]。而對于灌淤土，因其黏土礦物以高嶺土為主，

裂隙遇水后閉合過程很慢，故優先流現象相對持久且明顯。筆者認為這些不一致的結果可能是由于快速且非均質的土壤膨脹過程以及不同土壤收縮和膨脹性質的差異造成的。

2 土壤裂隙測定與模擬

2.1 土壤裂隙對優先流的影響

裂隙屬于土壤大孔隙的一種類型，受干濕交替影響顯著，而其他生物大孔隙(如蟲穴、根孔等)受土壤耕作與管理等影響明顯，但不受干濕交替影響或者影響很弱。根據生物大孔隙結構相對穩定，且不隨水分變化而變化的特征，我們可以區分裂隙與其他大孔隙對水分運動的貢獻。許多學者認為水分運動在土壤中存在“兩域”的特征[16-17]。水在大孔隙中主要受重力作用形成快速非均質的優先流，又常稱為大孔隙流。裂隙作為優先流的路徑，可增加土壤入滲速率，提高地下水的污染風險[18]。

2.2 土壤裂隙的測定方法

如何動態描述土壤裂隙的幾何形態是研究土壤裂隙特征和優先流的關鍵[19]。Novak[20]提出了以裂隙度、地表裂隙度和裂隙比內表面積為基本參數的裂隙特征量化指標體系。該指標體系涉及的指標易于測定且直觀可靠，但未考慮裂隙之間的連通性。Vogel等[21]則將拓撲學應用到了裂隙幾何形態的描述中，建立了以裂隙面積密度、長度密度和裂隙分支角度為基本參數的形態特征指標體系。

研究者為直接測定裂隙三維結構做出了各種嘗試。一些研究者采用石蠟、樹脂等水分替代法填充孔隙，并結合圖像分析法確定裂隙體積及其三維空間分布特征。該方法的不足之處在于比較費時費力，對土體具有破壞性，而且精確度不夠，不能區分裂隙與其他大孔隙，也忽略了不連通的裂隙等。電阻率層析成像技術也被用于裂隙的三維結構測定，該技術可以得到裂隙在土體中的位置、方向等，是監測土體中裂隙動態變化的有效工具。

CT掃描技術越來越多地被應用于三維土壤結構的定量化研究中[22]。例如，Peth等[23]采用同步輻射X射線CT掃描攝像技術結合圖像分析方法，得到了孔隙在三維空間的詳細分布特征，包括孔隙大小、連接度、彎曲度和孔隙網絡結構等。相較于其他方法，CT掃描技術能夠精確計算裂隙的體積、表面積及其在土體中的空間分布特征，而且具有成像速度快、非破壞性分析土體、分析精度較高等優點。該技術的不足在于儀器體積大、成本高，一般只能在室內掃描一定尺寸范圍的土柱，不能在田間原位測定土壤裂隙的特征。張中彬等[24]采用此法定量分析了紅壤水稻土團聚體微結構對水分變化的響應，證實這種微結構的變化在宏觀尺度上表現為土壤裂隙的開閉過程。基于此技術平臺，不僅可清晰觀測土壤整體收縮過程，而且能夠深入地了解不同孔隙的變化并進行定量分析。這為我們建立土壤水分運動、土壤結構變化和水勢三者之間的關系提供了可能。

2.3 優先流的研究方法

研究裂隙對優先流的貢獻可以采用染色法、圓盤入滲法等。染色法結合圖像分析，可以直觀地顯示優先流在土壤剖面的空間分布和強度。圓盤入滲法則可直接計算出裂隙的導水率，評價其對整個入滲的貢獻。最近，Cey等[25]采用圓盤入滲和染色示蹤兩種方法，分析了裂隙與生物大孔隙的空間分布，計算了不同水勢近飽和狀況下的大孔隙流，同時借助微型TDR探頭捕捉到入滲過程中土壤水分的非均勻變化。Luo等[26]利用CT掃描技術結合惰性離子穿透曲線測定了大孔隙度及其數量，認為大孔隙能解釋71%～75%的飽和導水率變異性。Greve等[15]結合染色示蹤和離子穿透曲線等技術，研究了土壤裂隙閉合過程與土壤水分的關系，并可估算裂隙對優先流的貢獻。針對優先流，目前的代表性模型主要有美國鹽土實驗室開發的HYDRUS模型和瑞典Jarvis教授開發的MACRO模型。

2.4 裂隙造成的優先流的模擬

基于干濕交替過程中土壤結構的變化，通常用土壤收縮特征曲線來模擬[27]。一般土壤收縮特征曲線包括4個階段：結構收縮、線性收縮、殘留收縮和零收縮。這個方法不足之處是參數多、不能反映非線性部分，另外是各階段起始點不能客觀判斷。Peng和Horn[28]根據土壤收縮特征曲線的“S”形狀并結合其收縮特征參數，在van Genuchten方程基礎上提出一個簡單的模型，即

(1)

式中：e(θ)為θ含水量下的孔隙比；es為飽和孔隙比；er為殘留孔隙比；p和q為擬合參數；θ為含水量；χ為經驗參數；s為飽和含水量。

用此模型可客觀地確定這4個收縮階段，并結合土壤水分特征曲線，推導不同大小孔隙的收縮能力。這個收縮特征曲線能較好地反映整個土壤結構的變化，卻不能表征裂隙的空間特征。Bronswijk[29]提出用土壤收縮幾何因子來描述水平方向的裂隙變化和垂直方向的下陷等土壤結構變化的異質性，但這種方法還是忽略了裂隙的三維空間變化。Peng等[30]發現裂隙體積與裂隙面積呈顯著的線性關系。因此，可以推論在較均質的土層裂隙變化過程中可能保持相似的形狀。如果這個假設成立的話，只要通過少量的樣品建立土壤裂隙面積和體積的關系，就比較容易得到裂隙在土體中的深度，甚至其在土壤中的空間特征。如果模型上能體現出裂隙的特征，就為模擬裂隙情況下的優先流提供了一個重要參數。

3 結 論

灌淤土由于種植水稻，易于因干濕交替而產生裂隙。水稻田需要經過泡田、翻耕和泥漿化的過程，在水稻移栽后也需要經常淹水和排水，這都容易導致稻田裂隙的產生。裂隙會成為優先流的路徑，加速稻田水分和養分的損失，降低水分利用效率，同時也增加了地下水污染的風險。因此，對灌淤土裂隙的產生機制及其優先流模擬具有重要的實際意義。

(1)裂隙的開闔，是一個復雜的過程，可能與土壤礦物、土壤水蒸發、作物蒸騰、土壤水分運動方向、根系吸水、土壤強度等存在著錯綜復雜的相互關系。其中，土壤含水量、黏土礦物含量和耕作措施是影響其產生的主要因素。

(2)如何動態描述土壤裂隙的幾何形態是研究土壤收縮和裂隙的關鍵。目前CT掃描技術是定量分析土壤裂隙的幾何形態的最佳方法。

(3)裂隙作為優先流的路徑可大幅度增加土壤水分的入滲。研究裂隙對入滲的貢獻，可以借用大孔隙流常用的技術和方法。根據裂隙和其他大孔隙與土壤水分的不同關系，為單獨評價裂隙對優先流的影響提供可能。

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(責任編輯 徐素霞)

國家自然科學基金項目(41261068)

S157

A

1000-0941(2015)12-0073-04

余海龍(1979—)，男，甘肅酒泉市人，副教授，博士，研究方向為氣候變化對農業的影響。

2014-12-10