土壤脹縮特征研究進展

鄭旭超

摘要：土壤脹縮現象是指土壤在干燥、濕潤交替變化過程中所表現出的土壤容積隨含水量改變的一種現象。本文就土壤容重測定方法、土壤容積變化表示方法和常用土壤收縮特征曲線模型等方面進行了總結和歸納，為干濕循環條件下土壤的脹縮特征研究提供參考。

Abstract： Swelling and shrinking of soil refers to a phenomenon in which the soil volume changes with water content during the process of alternating dry and moist soils. In this paper， soil volume weight determination method， soil volume change expression method and commonly used soil shrinkage characteristic curve model are summarized. It provides reference for the research of soil shrinkage characteristics under the condition of dry and wet cycle.

關鍵詞：土壤收縮特征；土壤容重；土壤容積

Key words： soil shrinkage characteristics；soil bulk density；soil volume

中圖分類號：S152.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0174-02

0 引言

濕度及溫度循環變化所引起的脹縮現象是自然界內萬物的固有屬性，指濕度或溫度降低后的收縮以及濕度溫度升高后的膨脹，即濕脹干縮與熱脹冷縮特性[1]。農業方面，土壤在缺水的條件下會產生收縮，其表面會產生不可逆的宏觀變形，裂隙逐漸發育，土壤的結構與質量會受到較大影響，裂隙的產生會為優先流的產生創造條件，優先流的淋溶作用會使得植物根區的肥料和營養物質會流失，入滲水流會挾帶污染物沿優先途徑到達地下水面，污染地下水源。

研究干濕交替過程中土壤脹縮特性對土壤水分運動理論的完善具有一定的理論研究意義。

1 土壤容重測定方法

土壤容重是指在自然狀態下，單位體積土壤的干重，單位為g·cm3。土壤容重主要反映的是土壤松緊程度以及結構狀況。隨著科學水平的不斷提高，土壤容重的測定方法和手段也經歷了一系列的發展。傳統方法中，是利用環刀取出土樣，在實驗室通過烘干等一系列方法測出土壤容重。這種方法具有簡單且容易操作等優點。但是這種方法存在一定的局限性，若待測試樣為松散體或土樣中夾雜了部分砂石，此時環刀取樣測容重的方法則顯然不再適用?；诖吮尘跋?，利用石蠟澆注來測定容重的方法被學者提出，基本思路是通過熔化的石蠟來代替被移走的土壤，以石蠟的容積來確定出待測試樣的容重，這種較為新穎的測試方法同樣存在不足，例如操作復雜，對于過程控制的要求較高。

祝艷濤[2]等認為可以利用TDR與土鉆法相結合來測定土壤容重，兩種方法的結合具有快速、精確、連續測定等優點，并能測定某一特定土層的含水量，利用TDR法與土鉆法相結合的測試方法能避免破壞土壤結構，這種測試方法比較適用于長期且需要連續監測的環境。呂殿青[3]等為了得到容重與土壤吸力之間的函數關系，利用了土壤水分特征曲線冪函數模型以及土壤收縮特征線性模型，根據試驗資料對所得到的函數關系進行了檢驗，最終提出了三點法，以此來確定土壤持水特征測定中土壤容重的變化，利用三點法所得到的土壤水分特征曲線經檢驗與實測結果極為吻合，該方法的精度較高。

2 土壤容積變化表示方法

容積比率是土壤容積變化與水損失容積之比，在實際研究中經常被用于預測田間土壤容積的變化。對于土壤容積變化的表示方式，更為常用的是利用比容積來表示，比容積與容重之間是互為倒數的關系，比容積與重量含水量之間的關系被定義為收縮特征曲線。

Parker等利用線性延展系數為基礎計算了自然結構土塊的容積變化，并以此為標準來評價估計土壤容積變化的方法。已有的研究表明，粘粒類型比粘粒含量對容積變化的影響更大，而土壤潛在的容積變化則與土壤中的彈性指標密切相關。線性延展系數和可能容積變化被廣泛應用于田間土壤容積變化的預測中。

3 土壤收縮特征曲線模型

在評估土壤結構質量中，與土壤含水量有關的容積變化的指標已被廣泛運用。為了采用同標準進行比較，許多學者提出了土壤收縮特征模型，其中以三直線模型，Logistic模型，土壤容積變化的通用方程，KM模型等尤為常用。

3.1 三直線模型

該模型沒有較為完善的理論基礎為依托，所選的參數只能通過數據擬合來近似估計，這些參數沒有其特定的物理意義，其優點在于它符合土壤收縮的形狀，即“S”形。

Mcgarry對常用的模型進行了比較，包括三直線模型、土壤容積變化的通用方程和Logistic模型，對模型中出現的重要參數作了較為詳細的說明，其結論為：通用方程沒有最大值，對結構收縮區域不再適用，對整個收縮過程不能進行準確精準的描述。Logistic缺乏完善的理論基礎支撐，其所涉及的參數的物理意義不明確。三直線模型是較為適用的模型，該模型能較為完整的描述土壤收縮過程中的三個收縮區域，模型中所涉及的各項參數都有其自身明確的物理意義。

黃傳琴等[4]在試驗的基礎上對四種土壤脹縮過程中土壤容積與含水量的關系及土壤的脹縮特征進行了詳盡的研究分析，其研究結果表明，三直線模型對于四種土壤的收縮、膨脹過程能進行準確的模擬。

4 結語

目前，已有大量國內外學者對土壤脹縮方面進行了研究，土壤的脹縮現象存在其一定的時間和空間變化規律，這需要我們進行不斷的探索發現。國內外相關學者對土壤容積變化的表示方法、土壤干裂特征、變性土土壤水運動機理、土壤的收縮特征曲線以及影響土壤收縮的相關因素等方面已進行了相當的研究。而在今后的研究中，將土壤的收縮特征與土壤水力特征相結合，并以此來研究土壤水分運動是研究的一個重要方向，以此研究為更高效地利用水分和防止地下污染提供更加真實可靠的科學依據。

參考文獻：

[1]楊和平，張銳，鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環脹縮變形及強度變化規律[J].巖土工程學報，2006，28（11）：1936-1941.

[2]祝艷濤，錢天偉，但德忠.時域反射儀結合土鉆法測定土壤容重[J].資源開發與市場，2006（03）：213-215，219.

[3]呂殿青，邵明安，王全九.土壤持水特征測定中的容重變化及其確定方法[J].水利學報，2003（03）：110-114，119.

[4]黃傳琴，邵明安.干濕交替過程中土壤脹縮特征的實驗研究[J].土壤通報，2008（06）：1243-1247.