土體干縮開裂影響水分入滲和坡面產流的研究進展

臧 俊, 彭旭東,3,戴全厚

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學 土壤侵蝕與生態修復研究中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州喀斯特環境生態系統教育部野外科學觀測研究站，貴州 貴陽 550025)

隨著全球性極端天氣頻發，干濕變化下土壤更容易失水收縮開裂形成干縮裂隙，也容易因增濕膨脹而閉合。與喀斯特地區巖溶裂隙相似，土體干縮裂隙亦可作為土壤水分入滲的重要通道，并進一步影響坡面產流過程。然而，現有研究多關注膨脹土或黏性土的干縮裂隙發育過程與機理，缺乏對土體干縮開裂影響土壤水分入滲和坡面產流的深入研究和系統總結。本研究基于Web of Science核心合集2008—2021年數據和CNKI數據庫1936—2021年數據，通過綜合分析土體干縮裂隙的發育過程及對土壤結構影響的研究進展，總結了土體干縮開裂對土壤水分入滲和坡面產流的作用，以期為深入了解氣候變化對土壤水分入滲、坡面產流及土壤侵蝕的影響提供參考。

1 干縮裂隙—入滲產流相關文獻統計

本研究于2021年12月10日，基于Web of Science核心合集和CNKI數據庫對土體干縮開裂相關文獻進行統計。基于Web of Science核心合集2008—2021年數據，通過檢索主題詞“soil desiccation crack”或“soil cracking”或“soil drying shrinkage”或“soil dry shrinkage cracking”和“water infiltration”或“runoff yield”，得到相關文獻12 448篇。基于CNKI數據庫1936—2021年數據，通過檢索主題詞“土體干縮裂隙”或“土體裂隙”或“土體干縮”或“土體干縮開裂”和“入滲”或“產流”，得到相關文獻844篇，其中與入滲相關論文47篇，與產流相關論文4篇。基于上述數據，對土體干縮裂隙發育過程，及其對土壤結構、土壤水分入滲和坡面產流的影響等相關文獻成果進行整理分析。

2 土體干縮裂隙發育過程研究

裂隙是在干燥條件下，土壤水分蒸發后產生的張拉應力超過了土體的抗拉強度，土壤孔隙逐漸擴展形成的次生結構面[1]。總體來說，土體干縮裂隙的發育過程存在初始、初級和穩定3個階段。初始階段裂隙發育緩慢，蒸發只發生在土壤表面，初級階段裂隙發育顯著，達到穩定階段后裂隙便不再擴展[2]。在裂隙發育過程中，形成的次級裂隙總是垂直于上一級裂隙，且發育速度快，長度、寬度均小于上級裂隙，最終形成不規則的網狀結構[2]。一級裂隙的走向具有隨機性，通常出現在交界面處，因此交界面特征對裂隙的深度發育及形態等有顯著影響[3]。與無邊界約束的土壤相比，存在邊界約束時土壤更容易誘發干縮裂隙，但目前研究中多將邊界約束作為外部影響而不是研究重點，如在室內試驗時對獲取的裂隙圖像進行裁剪，只選取圖像中心部分進行數據提取和分析[4]。

雖然土體每經歷一次干濕循環，其土體結構和應力場都被重新調整，發育方向也有所不同，但在多次干濕循環后裂隙大多在初始位置上產生，且其形態不會有太多變化[5]，因此研究干縮裂隙的發育過程有助于有效預測裂隙的發育程度。隨著干濕循環次數的增多，土體干縮裂隙的邊緣越來越不規則、寬度及其差異逐漸縮小[2]，干濕循環次數增多在一定程度上抑制了土壤水分的入滲。裂隙形成后寬度及幾何形態的演化直接取決于土塊的收縮變形特性，總體上土壤收縮性越強，裂隙的發育程度越高[6]。植物的根系可以在根區周圍提供一個防止土壤收縮的骨架以抑制裂隙的產生[7]，當裂隙骨架結構穩定后新的裂隙便不再產生，裂隙的形態結構也保持基本穩定，隨后的土壤失水干燥只引起裂隙寬度和面積的增大[8]。在我國西南地區，雖然植被覆蓋率高，但是土層薄、土壤涵養水分能力差，干旱時土壤極易發育形成裂隙，在雨季大量雨水的沖刷下原本被固著在根系周圍的土壤又順著根系進入裂隙從而發生流失。

目前對于裂隙形態的描述大多使用概念模型或數學模型，并且有研究者已向描述土壤團聚體的收縮年齡的方向發展，這些模型大多識別了結構性收縮、比例(即基本或正常)收縮、殘余收縮和零收縮4個不同的收縮階段[9]。隨著計算機技術的應用，可通過建立模型再現干縮裂隙的動態形成過程，以實現對裂隙的準確預測，并為尋找有效抑制干縮裂隙產生的方法、降低裂隙的危害程度等提供依據。比如，FLOWERS et al.[10]采用裂隙的平均體積、深度和寬度等指標來描述裂隙形態特征；還有研究者通過裂隙的異質性、連通度和總密度3個指標特征，用幾何的方法來描述裂隙形態[11]。但是，研究中尚存諸多問題，例如：現有模型仍無法精確描述地下深層裂隙的形態[12]，制約了喀斯特地區水土流失/地下漏失的研究發展；在試驗過程中大多數研究者使用裂隙體積來表征土體干縮過程中的膨脹和沉降過程，還未有能夠準確預測土體裂縫體積或尺寸的動態變化模型；雙滲透率模型假定基質域和裂隙域為兩個相互獨立且統一的多孔介質并進行物理模擬[13]，這在實際應用時具有一定的局限性。這些在今后的研究中都有待進一步完善。

目前關于土體干縮裂隙發育的研究主要集中于裂隙形態、大小等方面，由于土體干縮裂隙的發育受環境溫度、濕度，以及土壤顆粒組成、結構和土壤理化性質等多種因素的影響，且發育過程復雜，因此對于土壤顆粒間的開裂變化機理仍不明確。在土體干縮裂隙形成的過程中，土體含水率、土層厚度和溫度均會對其發育產生一定的影響，達到土壤開裂的臨界含水率便發生開裂[14-15]，因此確定土壤開裂的臨界含水率成為土壤裂隙形成與發展的主要研究內容之一。研究表明，即使是在初始狀態相同的土體中，其裂隙形成的含水率臨界值也是不確定的，臨界含水率與溫度、土層厚度、土壤條件等有關，隨溫度、土層厚度的增加而增加[16]。此外，土體中的黏粒含量也是影響裂隙出現的主要因素[17]，黏土礦物顆粒的水化膜和土壤中孔隙的存在為土體干縮變形及裂隙發育提供了必要的空間，是土壤收縮變形特性的重要基礎。

3 干縮裂隙對土壤結構的影響研究

土壤結構是土壤顆粒的排列組合形式，影響著土壤的諸多性質和功能[12]。土體中水分運移影響土壤的失水速率，進而影響土體的孔隙結構。近地表土壤裂縫的存在會影響其水力學性質，導致土體在干燥過程中所產生的吸力也隨之變化[13]。同時，土壤結構的基本單元為土壤顆粒，其大小的變化和差異是導致土體干縮開裂的影響因素之一，土壤顆粒的粗細狀況和土壤質地也是水土流失的影響因素之一[18]。現今極端天氣頻發，極度干旱、濕潤的天氣轉換極易導致土壤在干濕交替的過程中出現裂隙。而裂隙的產生又導致土體結構發生改變，極大地破壞了土體結構的整體性，降低了土體強度，進而導致土體在重力作用下發生失穩和崩塌，對土質邊坡工程及水利工程造成重大危害。比如：路面工程中，因裂縫引起的土體結構穩定性減弱，使土體變得更具有壓縮性，降低了道路使用年限[19]；垃圾填埋場覆蓋系統中，裂隙誘發的優先流路徑會造成地下水污染和空氣污染[20]；此外，還可能導致堤壩的災難性破壞，造成經濟和生態損失[21-22]。因此，必須對干縮裂隙的發育程度及發展趨勢進行準確評估，以便采取合理有效的預防措施。

研究發現，許多黏性土在土體干濕循環的過程中，干旱失水時土體收縮，黏土顆粒間水化膜變薄，間隙增加產生裂隙的同時導致地表發生沉降；濕潤時土體膨脹，黏土顆粒間的水化膜變厚，裂縫逐漸封閉而土壤表面逐漸上升[23]。反復的干濕循環并沒有導致土壤中土壤顆粒和其孔隙之間距離的重組，而是在隨后的干燥周期中，以前被破壞的區域被重新激活[18]，這為在下一次干濕交替時預測裂隙出現的位置提供了可能。馮守中等[24]提出蒸發和降雨引起的干縮裂縫對非飽和土邊坡結構的穩定性影響很大，可能誘發邊坡土體裂縫的發育和閉合，在降雨過程中更易導致滑坡，且裂縫位置越靠近邊坡邊緣其裂隙度越大。申同慶等[25]研究發現作物根系對土壤干縮開裂有明顯的抑制作用，可適當減輕干縮裂隙對土壤結構性的影響，增大局部土體的抗拉強度并且限制土體的蠕移運動。目前研究人員的研究方法主要為室內模擬和現場試驗兩類[26]。室內試驗需要精確控制環境變量，以減少環境因素的干擾，但現有的試驗條件難以反映原狀土的復雜結構和還原自然蒸發條件，因此在今后的研究中應加強現場試驗，優化干縮裂隙對土壤結構影響程度的試驗條件，使其更符合現實情況。

4 干縮裂隙對水分入滲的影響研究

入滲是水滲透到土壤中的過程，水分入滲過程實際上是土體中水分在土體孔隙中流動并代替空氣占據土中孔隙的十分復雜的過程。土壤的入滲能力被描述為土壤吸收水分的最大速率，是評價水分入滲的一個重要參數[27]。目前關于裂隙對土壤入滲能力影響的試驗成果有限，有研究認為土壤開裂能短暫地提高土壤入滲率，入滲能力特別是初始入滲速率因干縮裂隙的影響而增大[28]，但隨著增濕過程中裂隙逐漸閉合，土壤入滲率下降并逐漸返回到未開裂土壤的狀態；也有研究認為土壤入滲速率基本不受干縮開裂的影響[29-30]。具有特殊二元三維空間結構的喀斯特地區具有豐富的地下水，而巖溶裂隙是連接降水、地表水及地下水的紐帶，是影響地表和地下徑流、泥沙分布的主要因素[29]。土體干縮裂隙中的水分具有明顯的隨季節性干濕交替變化的特點，這對土壤入滲速率影響很大，因此探究喀斯特地區水分在干縮裂隙中的入滲情況，對當地的水土流失治理及石漠化防治具有重要意義。

在土體干縮裂隙發育過程中，裂隙為水分入滲提供了優先流通道，增加了土壤入滲速率，但同時水分運移也攜帶養分、農藥等物質發生運移，加快了土壤中養分的流失和地下水污染[31-32]，因此干縮裂隙對土壤水分入滲的影響目前尚存在爭議，這也吸引了更多研究者對干縮裂隙帶來的影響進行研究，希望更好地將裂隙的產生控制在有利的范圍內。由于水分入滲導致在土壤淺層產生的孔隙水壓力降低和單位土壤質量增加，極大地破壞了土體的穩定性，因此研究人員根據水分入滲的深度來估計被破壞土體的體積[33-35]，進一步預測水土流失量，以期為水土流失防治工作提供理論依據。

由于水分入滲受多重因素的影響，因此對干縮裂隙影響土壤水分入滲方面的研究存在一定難度。研究發現，干縮裂隙的深度對土壤水分運移也有一定影響，深度較大的裂隙在增濕過程中閉合相對緩慢，這是因為裂縫提供的通道顯著增加了土壤的導水性，水在裂縫中流動并迅速到達了裂縫土壤的深處[36-37]。汪星等[38]在對黃土丘陵區降雨入滲的研究中發現降雨類型(快速蒸發型、緩慢蒸發型和入滲主導型)可對土壤水分的入滲產生重大影響，這為水熱條件不同的喀斯特地區水分入滲的定量研究提供了一種新思路；衛三平等[39]研究認為在黃土高原丘陵區的土壤干化現象導致其土壤水分循環出現隔離層，水分移動性變差，進而導致植被無法利用更深層次的水分而增加了其對年降水量的依賴程度，但對植被資源豐富的喀斯特地區土壤干化出現裂隙對水分入滲的影響還有待考證。

5 干縮裂隙對坡面徑流的影響研究

石質坡面的徑流是表層巖溶帶產流、超滲產流和飽和產流的集合。裂隙的產生為雨水快速入滲提供了更加便捷的通道，但同時也加重了坡面的水土流失[40]。因此，迫切需要對干縮裂隙影響坡面徑流的機理開展研究。干濕交替驅動下土壤裂隙存在開裂與閉合兩個不同的過程，裂隙開裂會增大水分入滲并減小坡面產流，但裂隙閉合過程對水分入滲及坡面產流的影響目前仍存在爭議[41-43]。楊智等[44]認為裂隙對坡面水土流失的影響主要取決于裂隙度，裂隙度越大則地表徑流量越小；也有學者認為喀斯特地區地下裂隙度與坡度共同影響著地表徑流和地下徑流的分配，干濕交替驅動土體裂隙發育能抑制地表徑流的產生，主要是因為一方面裂隙提供了水分運移的優先通道[45]，另一方面水分通過裂隙時使更多深層土體達到充分的飽和[44]。有國內學者通過電鉆打孔模擬土體裂隙網絡的方法定量分析裂隙對坡面流的影響，發現隨著降雨強度的增大，平均坡面徑流系數較無裂隙減小，而降雨入滲系數增大[39]。另外，何毓蓉等[46]認為干縮裂隙是導致邊坡崩塌的重要原因之一，且在不同的土層深度裂隙面積比不同。在土層薄、巖石裸露率高的喀斯特地區，土壤在干濕交替下不僅會出現裂隙還會發生土壤蠕移現象，加劇了當地的水土流失狀況。目前，對于土體干縮裂隙的研究主要集中在坡地產流產沙和地表徑流上，隨著極端天氣頻發，干縮裂隙現象增多，裂隙對坡面徑流的影響將成為新的研究熱點。

6 結論與展望

國內外研究人員對土壤失水收縮形成干縮裂隙的發育過程、機理及影響因素等進行了大量探索，取得了重要的研究進展。土體干縮開裂影響著土壤結構及理化性質，進一步影響降雨入滲和坡面產流，以及土壤侵蝕的產生。對于不同地區、不同土體的干縮裂隙情況及其對土壤結構、水分入滲、坡面徑流、土壤侵蝕等方面的影響仍有一些問題值得關注。

(1)全球氣候變化引起了大幅度、大范圍的環境變化，導致土體干縮裂隙發育愈加普遍和劇烈。土體干縮開裂發生后，黏土礦物顆粒表面水化膜和土壤中孔隙的存在致使土體干縮裂隙進一步發育；在大多非黏性土體中，黏土礦物顆粒排列、間隙等發生了改變，造成土體結構整體性降低，發生失穩和崩塌。目前急需開展對不同土壤類型干縮裂隙發育及其對土壤結構影響的研究，以深化對土壤特性的認識。

(2)當前關于干縮裂隙對水分運移的影響還未進行全面深入的研究。不同地貌、不同地質背景、不同退化程度的區域內裂隙發育情況不同，限制了對干縮裂隙影響水分入滲的研究，難以形成系統的認識。目前關于土體干縮裂隙對土壤水分入滲的影響尚存在爭議，裂隙在增濕條件下逐漸閉合，由開裂到閉合這一短暫過程究竟對土壤水分入滲作用有多大，還有待進一步研究。

(3)干縮裂隙可在一定程度上減少坡面徑流，但對不同類型土壤裂隙的描述及裂隙對坡面徑流的影響是否還受其他因素制約等問題尚不清楚。同時，關于干濕循環作用下裂縫閉合時的坡面產流及裂隙的產生機理等問題的研究還不深入，因此迫切需要對干縮裂隙和坡面產流展開研究，以深化對土壤侵蝕機理的認識。