厚度與尺度效應對黃河三角洲濱海鹽堿土裂縫特征的影響

楊晨　黃妍　張雪瑩　魏陳璽　趙萬里

摘 要：通過測定不同土壤厚度和不同培養皿直徑下土壤裂縫寬度和裂縫密度（單位面積內裂縫的總長度），對黃河三角洲濱海鹽堿土裂縫特征進行研究。結果表明：隨著土壤厚度增加，土壤裂縫密度顯著減小，裂縫寬度顯著增大;相同土壤厚度下，不同的培養皿直徑也會造成土壤裂縫密度和寬度的顯著差異。本研究可為黃河三角洲濱海鹽堿土的改良與利用提供參考依據。

關鍵詞：黃河三角洲;鹽堿土;土壤裂縫;土壤厚度;尺度效應

中圖分類號：P56 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0140-03

Effects of Soil Thickness and Petri Dish Diameter on the Crack Characteristics of Coastal Saline-Alkali Soil in the Yellow River Delta

YANG Chen HUANG Yan ZHANG Xueying WEI Chenxi ZHAO Wanli

（Shandong Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta， Binzhou University， Binzhou Shandong 256603）

Abstract： The characteristics of the Yellow River Delta were studied by measuring soil crack width and crack density （total length of the cracks per unit area） with different soil thickness and petri dish diameter. The results showed that as the soil thickness increases， the soil crack density decreases significantly and the crack width increases significantly. At the same soil thickness， different dish diameters also cause significant differences in crack density and width of soil. This study provides a reference for the improvement and utilization of coastal saline soil in the Yellow River Delta.

Keywords： Yellow River Delta;saline-alkali soil;soil crack;soil thickness;scaling effect

土壤裂隙被認為受控于原始沉積環境和后期自然改造。在這兩個過程中，土體受拉或斷開，形成裂隙[1]。從微觀結構上看，土壤裂隙產生于物質顆粒間連接的斷開，而干裂主要是由干旱蒸發引起的[2-3]。目前，對土壤收縮開裂特征的研究主要集中在定性分析和裂縫形態學方面[4]。土壤表面的污染物通過裂縫滲入地下，導致土壤地下水的水質惡化，影響土壤的許多重要物理特性、化學特性和生物特性[5-6]。

土壤厚度是土壤的一個重要特性，能夠直觀反映土壤的發育程度。土壤厚度能夠表征土壤的質量，是植物生長的重要物質基礎。土壤厚度可以影響地表水文和植被的生長，并對土壤侵蝕、土壤肥力和生產力等具有決定性作用。在相同的環境條件下，土樣的開裂寬度隨著土樣厚度的增加而增大，開裂的復雜性隨著土樣厚度的增加而減小[7-8]。

黃河三角洲地區地下水礦化度高，距離地表較近，鹽分容易通過土壤的毛細孔道向上運移到土壤表層，從而造成鹽分堆積的現象，最終導致土壤的鹽漬化[9-10]。黃河三角洲現有鹽漬土16.67萬hm，占黃河三角洲總土地面積的34.73% [11-12]。而黃河三角洲是黃淮海平原土壤資源開發利用的重要后備基地。該地區的鹽漬土是主要的未利用土地資源，而土壤開裂是導致該地區土壤開發率低的主要原因，極大地影響黃河三角洲的生態環境。因此，鹽堿地的開發利用已成為科研人員的重要任務之一。

但是，目前關于黃河三角洲濱海鹽堿土收縮開裂的定量研究尚未見報道。因此，本文以土壤厚度和尺度效應對土壤裂縫特征的影響為切入點，通過測定不同土壤厚度和不同培養皿直徑下的土壤裂縫寬度和裂縫密度（單位面積內裂縫的總長度），對黃河三角洲濱海鹽堿土裂縫特征進行研究。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地點位于黃河三角洲中心城市——山東省東營市河口區孤島鎮刺槐林場（118°33′—119°20′E，37°35′—38°12′N）。該區域受溫帶半濕潤大陸性季風氣候的影響，年平均氣溫為11.7～12.6 ℃，年均降水量為530～630 mm，平均蒸散量為750～2 400 mm。該地區含鹽量約為0.1%。對0～5 cm的表層土進行取樣。取樣前應當盡量去除土壤中的作物根系、石頭、雜草等，然后將土壤放在自封袋中，標注采樣地點、日期后帶回實驗室備用。

1.2 實驗處理

在實驗室用0.5 mm的土壤篩對土壤樣本進行細篩，除去較大的土壤顆粒和植物根系。依據質量來進行土壤厚度的劃分，分別稱取40 g、80 g、120 g、160 g、200 g的土樣，分別放入直徑12 cm的培養皿中，每個質量做5個重復樣本。然后，在含有不同土量的培養皿中加入適當的水至飽和狀態，進行對厚度的測量，最后形成0.50～0.60 cm、0.70～0.80 cm、1.10～1.20 cm、1.40～1.50 cm、1.80～1.90 cm

5個厚度梯度。在室溫狀態下，讓其自然失水干燥，如圖1（a）所示。針對不同直徑培養皿是否對土壤裂縫情況造成影響的問題，選擇6 cm、9 cm、12 cm、15 cm和18 cm直徑的培養皿，將土壤厚度控制在1 cm左右進行研究。不同培養皿直徑下的土壤裂縫情況如圖1（b）所示。

土壤開裂完全結束后，利用4 800萬像素的華為nova 5 Pro手機相機拍照。用Image J軟件測量圖中裂縫的寬度和總長度，裂縫密度為裂縫總長度除以所占面積。

2 結果與分析

分析裂縫寬度的變化可知，隨著土壤厚度的增加，除了厚度為1.40～1.50 cm與1.80～1.90 cm的土樣間裂縫寬度差異不顯著之外，其余土樣厚度間具有顯著性差異，如圖2（a）所示。當土樣厚度為0.50～0.60 cm時，土壤裂縫寬度最小、裂縫密度最大，分別見圖2（a）、圖2（b）。根據土壤裂縫密度的變化，發現厚度為0.50～0.60 cm與0.70～0.80 cm的土樣間的裂縫密度具有顯著性差異。通過分析得出，當土壤厚度增加0.2 cm時，裂縫密度降低了49%。同樣，除了厚度為1.40～1.50 cm與1.80～1.90 cm的土樣間裂縫密度差異性并不顯著外，其他不同尺度培養皿中土壤裂縫密度和寬度存在顯著差異。隨著培養皿直徑增大，裂縫密度呈降低趨勢，而裂縫寬度則無明顯趨勢性變化，見圖2（b）和圖2（d）。

3 結論

通過對黃河三角洲鹽堿土的調查，揭示了不同厚度和培養皿尺度下鹽堿土裂縫各指標值的變化趨勢和范圍。雖然土壤的性質相同，但是不同厚度下土壤的裂縫情況具有顯著性差異。在相同的環境條件下，土樣厚度為0.50～0.60 cm時，裂縫的寬度最小，土壤裂縫密度最大;當土樣厚度為1.40～1.50 cm、1.80～1.90 cm時，土壤裂縫密度較小，且差異不顯著。因此，在直徑為12 cm的培養皿中，使用1.80 cm以上的土樣厚度進行土壤開裂研究，可以減少厚度對研究結果的影響。

厚度對土壤裂縫的影響機理仍然需要通過進一步的試驗進行分析。當前，對土壤開裂的產生機理及相關的過程機理還處于探究階段，土體干縮開裂方面的研究越來越受到重視，并且土壤裂縫的測量方法、表征指標、影響因素等方面均取得了大量研究成果[13-16]。之后還需要及時了解和跟蹤國際上關于土壤裂縫研究的最新進展，進一步研究其他因素對土壤收縮開裂的影響。

事實上，少量裂隙的存在有利于空氣、水進入土壤，有利于土壤環境的改善，更有利于植物生長。但隨著裂隙的進一步發育，土壤的持水保肥能力會遭到很大的破壞。因此，確定裂隙發育的有利范圍，采取措施將其發育程度控制在有利范圍內，是土壤裂隙研究應用的重要意義。

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