不同類型土壤裂隙特征研究

鄧超 蘇南 曹子聰 林薇

(水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

裂隙在土壤中普遍存在，與土壤自身的性質(有機質和粘土礦物含量等)和氣候等外在條件密切相關。裂隙產生后會導致一些不良后果，如裂隙會增加土體的表面積，促使土壤水分通過裂隙的內表面迅速蒸發，加劇干旱的危害。再者裂隙在后期的灌溉或降雨過程中作為優勢流的路徑，加速水分入滲，降低了水肥的利用效率，增加了地下水污染的風險[1]。裂隙的產生是導致土壤水優先流的重要原因[2]，基于土壤大孔隙流理論推測，沿傳感器探測部位形成的裂隙形成優勢流，增加土壤的水分含量；從而使土壤墑情傳感器的測量結果不具有代表性。目前應用最為廣泛的裂隙測定方法是圖像分析法。有專家采用圖像分析技術研究了土壤的裂隙，指出圖像分析的精度能達到1.0mm，是簡便且有效的獲取裂隙特征的手段[3]。利用圖像分析軟件可以通過裂隙的圖像數據計算裂隙面積、周長、分形維數等多種指標。該方法能夠連續測定土壤裂隙的變化，不會破壞土表結構，且測定成本較低。

1 材料與方法

1.1 土樣的選取

安徽亳州潮土(以下簡稱潮土)為砂壤土，土壤粘粒含量為13.3%，結構較為松散、均勻，孔隙度較適中，理化性狀較為穩定，一致性較好。東北黑土(以下簡稱黑土)為砂質粘壤土，土壤粘粒含量為23.7%，在東北有地域分布廣的特點，同時東北農作物種植面積大，有較強的代表性。江西紅壤(以下簡稱紅壤)為砂質粘土，土壤粘粒含量為23.8%，具有高含水率、低密度而強度較高、壓縮性較低特性，分布于長江以南的廣大丘陵地區。安徽滁州壤土(以下簡稱壤土)為粘壤土，壤粘粒含量為27.1%，取自安徽省滁州市城西徑流實驗站在建站以前種植水稻。

1.2 土壤基本理化性質測定

將取回的土壤風干過篩后測定其物理化學性質，見表1，土壤pH、有機質、電導率、有效態鐵、黏粒含量分別采用NY/T 1377-2007《土壤pH的測定》，LY/T 1237-1999《森林土壤有機質的測定及碳氮化的計算》，NY/T 890-2004《土壤有效態鋅、錳、鐵、銅含量的測定 二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法》，NY/T 1121.3-2006《土壤檢測 第3部分：土壤機械組成的測定》的方法進行測定。

表1 4種土壤基本理化性質

1.3 土壤水分特征曲線測定

用環刀(100cm3)取原狀土樣，每個處理3個重復。將原狀土樣帶回實驗室飽和后放入壓力膜儀中，在0bar、0.06bar、0.1bar、0.33bar、1bar、3bar、15bar 7個壓力下平衡后分別稱重，最后烘干稱重。15bar的土樣用過10目篩，裝填到小環刀里測定。平衡時間為1個月。

1.4 室內模擬試驗

1.4.1 土壤裂隙特征分析

稱取過2mm篩風干土樣50g于自封袋中，加入去離子水32.5mL(含水量約為65%)，靜置24h，反復搓揉自封袋，直至袋中土壤呈均勻泥糊狀，迅速轉移土壤60g至培養皿內(內徑15.3cm)，制作好的土壤樣品放置于土壤存放架上，待自然風干后(15d左右)，使用手機(iPhone X)拍攝裂隙形態照片(拍攝距離15cm，分辨率4032像素×3024像素)，將數碼照片導入計算機，照片先用WEGO軟件(WASY GmbH,2006)對直角尺的坐標進行幾何校正處理，使圖像還原成實際的正交化坐標。然后用Photoshop將圖片裁剪成15cm×15cm，調節圖像的分割閾值，將圖像二值化分成裂隙部分和非裂隙部分。用Image J軟件(National Institute of Mental Health,USA)對二值化圖像進行膨脹和收縮等形態學處理，然后用Image J軟件計算裂隙的面積密度[4]。圖像分析過程見圖1。

圖1 裂隙圖像的分析過程

1.4.2 線性伸展系數測定

線性伸展系數(coefficient of linear extensibility COLE)是描述土壤在一維方向收縮幅度的參數。線性伸展系數在本文中定義：

式中，L0、L105℃分別指土樣在飽和條件下和105℃烘干條件下的高度。依據線性伸展系數的大小可將土壤的收縮幅度分為3個級別：低收縮幅度，COLE<0.03；中等收縮幅度，0.030.06[5]。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

潮土、紅壤、黑土、壤土4種土壤的基本理化性質見表1。其中，潮土的pH為7.7，呈中性偏堿性，其他3種土壤pH均小于7，呈偏酸性。黑土的電導率高達38μS·cm-1，明顯高于其他3種土壤。紅壤由于自身的成土原因有效態鐵含量高達46.8mg·kg-1，而潮土和黑土中效態鐵含量分別只有8.3mg·kg-1和8.2mg·kg-1。潮土的黏粒含量為13.3%，為砂質壤土，其他3種土壤的黏粒含量分別為23.8%、23.7%和27.1%，均呈現為黏壤土。

2.2 土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線是表征土壤水的能量和數量之間的關系，即水的含量與勢能之間的關系，是研究土壤水分保持和運移所用到的反映土壤水分基本特性曲線。土壤水分特征曲線反映了土壤水吸力與土壤體積含水率之間的定量關系，是土壤水文研究的重要指標土壤水分特征曲線與土壤孔隙狀況密切相關，所以通過水分特征曲線可以間接推斷出土壤裂隙發生情況。潮土、紅壤、黑土、壤土4種土壤的水分特征曲線如圖2所示。從圖2可以看出，壤土的飽和體積含水量為49.89%，而潮土、紅壤、黑土的飽和體積含水量分別為40.52%、40.17%和39.39%，壤土的飽和體積含水量明顯高于其他3種土壤；且除了15bar，其他5個吸力下的土壤含水量均明顯高于其他3種土壤。說明壤土相較于其他3種不同性質的土壤有著更高的持水能力，這可能是由于取壤土所在地在建站以前種植水稻，而水稻土相較于種植旱地作物的土壤有著更好的持水能力，且更容易收縮膨脹。

圖2 水分特征曲線

2.3 室內模擬試驗

圖3為室內模擬4種土壤風干后所產生裂隙的圖片。從圖3可以看出，潮土所產生的裂隙較為稀疏，而壤土所產生的裂隙最為密集。圖4為4種土壤風干后所產生裂隙的二值化圖像，經過Image J軟件分析計算得出4種土壤的裂隙面積密度。從圖5可以看出，潮土風干后所產生的裂隙面積密度最小，為5.45%，而壤土風干后所產生的裂隙面積密度高達12.33%。從圖3～5可以看出，由于種植方式不同(旱作和水田)和黏粒含量不同的原因，潮土風干后所產生裂隙最少，壤土所產生的裂隙最多。

圖3 4種土壤風干后所產生裂隙

圖6為4種土壤的線性伸展系數(以下簡稱COLE)，其中潮土、紅壤、黑土的COLE分別為0.034、0.052、0.052，均為中等收縮幅度；潮土的收縮幅度最小，而壤土的COLE為0.090，為高收縮幅度，這是由于水稻土的收縮能力較旱地土壤要高。

圖4 4種土壤風干后所產生裂隙的二值化圖像

圖5 4種土壤風干后產生的裂隙面積密度

圖6 4種土壤線性伸展系數COLE

圖7為4種土壤裂隙面積密度與線性伸展系數的相關性。從圖7可以看出，土壤裂隙面積密度與線性伸展系數之間的相關系數R為0.976，兩者之間呈顯著的正相關關系(P<0.05)。這表明土壤裂隙的發生密度受土壤本身收縮性能的影響較大，因此，收縮性較好的土壤往往較為容易產生裂隙。

圖7 4種土壤裂隙面積密度與線性伸展系數的相關性

3 結論與討論

本文利用我國4種有代表性的典型土壤，采用室內模擬的方法，獲得土壤裂隙的基本特征，結合土壤水分特征曲線和線性伸展系數，綜合分析4種典型土壤的裂隙發生情況發現：采自于滁州城西徑流試驗站的壤土有著較高的黏粒含量和膨脹收縮能力，線性線性伸展系數高達0.090；黏粒含量較高的壤土在室內風干過程中會產生相較于其他3種性質的土壤更大的裂隙面積，裂隙面積密度高達12.33%；土壤裂隙的發生與土壤收縮性能呈顯著正相關關系(P<0.05)，收縮性好的土壤產生的裂隙較大。