段 赫, 劉目興, 易 軍, 朱釗岑, 朱 強(qiáng), 張海林

(1.地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079; 2.華中師范大學(xué) 可持續(xù)發(fā)展研究中心, 武漢 430079)

水稻生長(zhǎng)過(guò)程中要不斷經(jīng)歷灌溉與曬田、降雨與干旱等干濕交替過(guò)程。伴隨干濕交替的進(jìn)行，土壤顆粒不斷發(fā)生分離與組合，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改變，當(dāng)土壤含水量降低到一定程度時(shí)便會(huì)在土體薄弱處產(chǎn)生裂隙[1]。盡管裂隙的產(chǎn)生可以提高土壤的通氣性，進(jìn)而改善根系呼吸條件[2]，但也會(huì)增加土壤的蒸發(fā)量和水肥滲漏流失量，從而加劇干旱威脅和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)[1,3-5]。另外，干濕交替導(dǎo)致土壤裂隙頻繁開(kāi)閉，土壤飽和導(dǎo)水率和水分特征曲線等水力學(xué)性質(zhì)隨之變化，從而加大了水分運(yùn)動(dòng)模擬的難度[6-7]。因此需要開(kāi)展干濕交替條件下土壤裂隙發(fā)育的相關(guān)研究，以定量揭示土壤水分與裂隙特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，從而為合理的農(nóng)田水分管理和準(zhǔn)確的水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬提供科學(xué)依據(jù)。

土壤含水量變化是引起裂隙開(kāi)閉的主要原因，土壤裂隙隨著含水量的降低不斷形成，而隨著水分含量的增加逐漸閉合。裂隙發(fā)育特征受多種土壤性質(zhì)影響，如土壤容重[7]、有機(jī)質(zhì)含量[8]、黏粒含量[9-10]和次生礦物類型[9]等。稻田土壤由于受到耕作影響，會(huì)形成理化性質(zhì)差異明顯的耕作層和犁底層，進(jìn)而影響土壤裂隙的形成與閉合過(guò)程。耕作層裂隙的產(chǎn)生會(huì)造成水分快速下滲，而犁底層被認(rèn)為是限制稻田滲漏的關(guān)鍵層次，若裂隙不能穿透犁底層則不會(huì)引起水肥的快速滲漏[11]。除水稻種植的分蘗期和乳熟期的曬田措施或季節(jié)性干旱易產(chǎn)生裂隙外，在非水稻生長(zhǎng)季的農(nóng)田排干條件下裂隙發(fā)育更為明顯。特別是冬春季節(jié)小麥或油菜種植時(shí)的起壟種植方式會(huì)導(dǎo)致壟間的犁底層直接暴露于大氣，加劇了犁底層裂隙形成。一旦裂隙穿透犁底層，將導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分以裂隙作為優(yōu)先流路徑快速向下淋失。盡管目前圍繞農(nóng)田耕層土壤裂隙發(fā)育特征開(kāi)展了大量的研究工作[11-14]，但關(guān)于耕作層和犁底層土壤裂隙發(fā)育特征的對(duì)比研究非常缺乏。

江漢平原既是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是我國(guó)主要的水稻生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)稻田面積占總耕地面積的60%左右，包括單季稻、雙季稻和水旱輪作等形式。江漢平原地下水位埋深較淺，一旦裂隙穿透犁底層，快速的水肥滲漏不僅降低稻田水肥利用效率，而且還會(huì)引起淺層地下水污染。因此在該地區(qū)開(kāi)展干濕條件下稻田土壤裂隙發(fā)育規(guī)律研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍疚囊越瓭h平原典型稻田耕作層與犁底層土壤為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)揭示干濕交替條件下的裂隙開(kāi)閉過(guò)程，量化土壤水分含量與裂隙特征參數(shù)的數(shù)值關(guān)系，以期為合理的農(nóng)田水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與供試土樣

江漢平原位于長(zhǎng)江中游湖北省中南部地區(qū)，總面積約3.8萬(wàn)km2。該地為北亞熱帶季風(fēng)氣候，具有雨量充沛、日照足、四季分明等特點(diǎn)。年均降水量1 100～1 400 mm；≥3℃積溫為5 100～5 300℃，1月平均氣溫為2～4℃，7月均溫在28℃以上。研究區(qū)主要農(nóng)作物為水稻，多年平均地下水位1.0 m左右，土壤母質(zhì)以近現(xiàn)代河流沖積物和湖相沉積物為主，土壤類型多為潛育型和潴育型水稻土，典型剖面產(chǎn)狀為Ap—P—C，土壤質(zhì)地為壤土和黏壤土[15]。

本研究以典型稻田的耕作層和犁底層土壤為供試土樣，土壤樣品采集于華中師范大學(xué)江漢平原農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站(29°58′N，112°20′E)，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 土壤裂隙發(fā)育試驗(yàn)

試驗(yàn)分為土壤樣品制備、干燥裂隙發(fā)育試驗(yàn)和增濕裂隙閉合試驗(yàn)3部分。

土壤樣品制備：將風(fēng)干后的土樣碾碎過(guò)2 mm篩，按原容重填至直徑為20 cm的圓形試驗(yàn)容器，土樣厚度為10 mm。填裝結(jié)束后使用氣壓噴壺均勻緩慢加水使其飽和，盡量減少加水過(guò)程對(duì)土壤表層的擾動(dòng)，整個(gè)加水飽和過(guò)程持續(xù)72 h；每層土樣3個(gè)重復(fù)。由于土壤在吸水后發(fā)生了膨脹，我們測(cè)定了土壤飽和后的體積，耕作層和犁底層土壤飽和后的實(shí)際土壤容重分別為0.85，1.28 g/cm3。

土壤干燥裂隙發(fā)育試驗(yàn)：將飽和的土樣放置在恒溫箱中(30℃)開(kāi)展干燥試驗(yàn)。當(dāng)裂隙第一次出現(xiàn)時(shí)，稱量填裝圓盤(pán)和填裝土樣的總質(zhì)量，以獲取含水量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)土樣進(jìn)行拍照。此后，分別以3.0%，2.0%的水分含量梯度對(duì)耕作層和犁底層的裂隙發(fā)育過(guò)程進(jìn)行拍照。當(dāng)24 h內(nèi)的土樣含水量變化<0.1%時(shí)，認(rèn)為裂隙發(fā)育完全，干燥試驗(yàn)結(jié)束。為保證圖片質(zhì)量，在拍照時(shí)需要固定拍照位置和相機(jī)高度，同時(shí)保證除傾斜照射土樣的2個(gè)日光燈外無(wú)其他光源。

土壤增濕裂隙閉合試驗(yàn)：在干燥試驗(yàn)結(jié)束后，用保鮮膜密封容器并在室溫下靜置土樣10 d(模擬長(zhǎng)期無(wú)降雨條件)，然后開(kāi)始增濕試驗(yàn)。用氣壓噴壺對(duì)土樣進(jìn)行均勻緩慢噴水，每次噴水量為2%的土壤質(zhì)量含水量。噴水時(shí)應(yīng)保證不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，且土樣表面不產(chǎn)生洼水。噴水結(jié)束后，用保鮮膜密封覆蓋，以避免土樣中水的蒸發(fā)散失。每次噴水24 h或48 h后(濕潤(rùn)前期為48 h，后期為24 h)，認(rèn)為土壤膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定且其內(nèi)部水分已達(dá)平衡狀態(tài)，再對(duì)土樣進(jìn)行稱重，以計(jì)算實(shí)際含水量；并拍照記錄。重復(fù)上述步驟，直到加水48 h后土壤裂隙中仍有水可流動(dòng)，則認(rèn)為土壤已無(wú)法繼續(xù)吸收水分，增濕試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 圖像處理

采用圖像分析法對(duì)裂隙圖像進(jìn)行處理，用于后期提取裂隙發(fā)育參數(shù)。為消除試驗(yàn)容器邊緣對(duì)裂隙的影響，利用Photoshop準(zhǔn)確裁剪出圖片中部12 cm×12 cm的區(qū)域。結(jié)合matlab圖像處理功能，通過(guò)二值化、雜點(diǎn)去除、邊緣提取和骨架化等流程(圖1)，對(duì)裂隙圖像進(jìn)行處理[16-17]。

圖1 裂隙圖像處理過(guò)程

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和圖像處理獲取形態(tài)學(xué)參數(shù)。其中裂隙面積率為裂隙面積與研究區(qū)域面積的比值，計(jì)算方式為

(1)

式中：Dc為裂隙面積率(%)；S為研究區(qū)域總面積(mm2)；A為裂隙面積(mm2)。

裂隙長(zhǎng)度密度為裂隙長(zhǎng)度與研究區(qū)域面積的比值：

(2)

式中：Lc為裂隙的長(zhǎng)度密度(mm/mm2)；L為裂隙總長(zhǎng)度(mm)。

裂隙當(dāng)量寬度為2倍裂隙的面積與裂隙的周長(zhǎng)之比，用以取代平均寬度：

(3)

式中：EW為裂隙的當(dāng)量寬度(mm)；P為裂隙總周長(zhǎng)(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤裂隙發(fā)育與閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程

土壤裂隙的發(fā)育具有隨機(jī)性，可分為一級(jí)裂隙與二級(jí)裂隙兩類[17]。隨著干濕交替進(jìn)行，土壤裂隙發(fā)育過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 裂隙發(fā)育過(guò)程

在耕作層土壤干燥過(guò)程中，裂隙的形成可分為4個(gè)階段：(1) 65.5%≥θ>59.8%，一級(jí)裂隙隨機(jī)形成(θ為土壤質(zhì)量含水量)(圖2A—B)；(2) 59.8%≥θ>30.0%，二級(jí)裂隙形成，裂隙不斷拓寬(圖2B—D)；(3) 30.0%≥θ>6.0%，裂隙骨架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，僅寬度不斷增加(圖2D—E)；(4) 6.0%≥θ，裂隙停止拓展。在耕作層土壤增濕過(guò)程中，裂隙的閉合可分為3個(gè)階段：(1) 42.3%≥θ≥4.9%，裂隙寬度逐漸減小，大量二級(jí)裂隙閉合，大量裂隙連接點(diǎn)消失(圖2F—H)；(2) 56.5%≥θ>42.3%，裂隙寬度繼續(xù)減小但骨架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，少量裂隙逐漸閉合(圖2I—J)；(3)θ>56.2%，裂隙停止閉合。

在犁底層土壤干燥過(guò)程中，裂隙的形成可分為3個(gè)階段：(1) 41.2%≥θ>25.2%，裂隙不斷形成(包括一級(jí)裂隙和二級(jí)裂隙)(圖2K—L)；(2) 25.2%≥θ>4.0%，裂隙寬度逐漸增加，裂隙骨架逐漸趨于穩(wěn)定(圖2M—O)；(3) 4.0%≥θ，裂隙停止拓展。

在犁底層土壤增濕過(guò)程中，裂隙的閉合可分為3個(gè)階段：(1) 16.0%≥θ≥4.0%，裂隙寬度逐漸減小(圖2P—R)；(2) 36.0%≥θ>16.0%，裂隙連接點(diǎn)逐漸消失，裂隙寬度繼續(xù)減小(圖2S—T)；(3)θ>36.0%，裂隙停止閉合。

2.2 開(kāi)閉過(guò)程中裂隙面積率的變化

在干燥過(guò)程中，裂隙面積率隨含水量的降低而逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后裂隙面積率不再發(fā)生變化(圖3)。對(duì)于耕作層土壤，當(dāng)其θ=65.5%時(shí)出現(xiàn)裂隙；當(dāng)65.5%>θ>15.1%時(shí)，裂隙面積率隨θ的降低而迅速增長(zhǎng)；當(dāng)15.1%≥θ時(shí)，裂隙基本穩(wěn)定，隨著θ的繼續(xù)降低裂隙面積率變化極??；當(dāng)θ=6.0%時(shí)，裂隙面積率達(dá)最大值16.1%。對(duì)于犁底層土壤，當(dāng)其θ=41.2%時(shí)出現(xiàn)裂隙；當(dāng)39.4%≥θ≥18.0%時(shí)，裂隙面積隨θ的降低而迅速增長(zhǎng)；當(dāng)17.0%≥θ時(shí)，隨著θ的降低裂隙面積率變化極小，裂隙基本穩(wěn)定；當(dāng)θ=4.0%時(shí)，裂隙面積率達(dá)最大值9.9%。

圖3 裂隙面積率與含水量關(guān)系

在增濕過(guò)程中，土壤裂隙隨著含水量的不斷增加而逐漸閉合，但增濕試驗(yàn)結(jié)束后仍不能完全閉合(圖3)。對(duì)于耕作層土壤，當(dāng)24.0%≥θ≥4.9%時(shí)，裂隙面積率緩慢降低；當(dāng)46.1%≥θ>24.0%時(shí)，裂隙面積率降低速率加快；當(dāng)θ>46.1%時(shí)，土壤裂隙閉合速率再次減緩；當(dāng)θ=56.2%時(shí)，土壤裂隙不再閉合。對(duì)于犁底層土壤，其裂隙率隨θ的增加穩(wěn)定減??；當(dāng)θ=36.0%時(shí)，土壤裂隙不再發(fā)生變化。至土壤增濕試驗(yàn)結(jié)束，耕作層和犁底層土壤的裂隙率分別為9.7%，3.8%。在整個(gè)干濕交替試驗(yàn)過(guò)程中均表現(xiàn)為耕作層土壤裂隙面積率大于犁底層土壤，干縮裂隙完全形成后和增濕完成后耕作層土壤裂隙面積率約分別為犁底層的1.63倍、2.55倍。

2.3 開(kāi)閉過(guò)程中裂隙長(zhǎng)度密度的變化

在干燥過(guò)程中，裂隙長(zhǎng)度密度先隨著含水量的降低迅速增大，到達(dá)一定程度后裂隙長(zhǎng)度密度維持穩(wěn)定(圖4)。對(duì)于耕作層土壤，其θ=65.5%時(shí)出現(xiàn)裂隙；當(dāng)65.5%>θ>47.2%時(shí)，長(zhǎng)度密度快速增大；當(dāng)47.2%≥θ時(shí)，裂隙長(zhǎng)度密度變化極??；當(dāng)θ=6.0%時(shí)，裂隙長(zhǎng)度密度達(dá)到最大值(0.076 mm/mm2)不再發(fā)生變化。對(duì)于犁底層土壤，其θ=41.2%時(shí)出現(xiàn)裂隙；當(dāng)41.2%>θ>25.7%時(shí)，長(zhǎng)度密度快速增長(zhǎng)；當(dāng)25.7%≥θ時(shí)，裂隙長(zhǎng)度密度變化極小；當(dāng)θ=4.0%時(shí)，裂隙長(zhǎng)度密度達(dá)到最大值(0.070 mm/mm2)不再發(fā)生變化。耕作層與犁底層裂隙長(zhǎng)度密度的增加都主要集中在干燥前期。

在增濕過(guò)程中，裂隙長(zhǎng)度密度隨含水量的增加緩慢減小(圖4)。耕作層和犁底層土壤在θ分別增至56.2%，36.0%后，裂隙長(zhǎng)度密度就不再發(fā)生變化，且至增濕試驗(yàn)結(jié)束耕作層和犁底層土壤裂隙長(zhǎng)度密度分別為0.070，0.056 mm/mm2。增濕過(guò)程引起的耕作層和犁底層裂隙長(zhǎng)度密度下降幅度均較小，分別為7.9%，20.0%，表明增濕過(guò)程結(jié)束后大部分裂隙仍然存在。

圖4 裂隙長(zhǎng)度密度與含水量關(guān)系

2.4 開(kāi)閉過(guò)程中裂隙當(dāng)量寬度的變化

在干燥過(guò)程中，裂隙當(dāng)量寬度隨含水量的降低而逐漸增大，當(dāng)其達(dá)到某一固定數(shù)值后不再發(fā)生變化(圖5)。耕作層土壤在θ=65.5%時(shí)出現(xiàn)裂隙，當(dāng)65.5%>θ>12.2%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度快速增加至2.0 mm左右；當(dāng)12.2%≥θ后，裂隙當(dāng)量寬度變化極?。划?dāng)土壤θ=6.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度達(dá)到最大值后(2.13 mm)不再發(fā)生變化。犁底層土壤在θ=41.2%時(shí)裂隙出現(xiàn)，當(dāng)41.2%>θ>16.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度快速增加至1.3 mm左右；當(dāng)16.0%≥θ時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度變化極??；當(dāng)θ=4.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度達(dá)到最大值后(1.38 mm)不再發(fā)生變化。

在增濕過(guò)程中，隨著土壤含水量的增加，裂隙當(dāng)量寬度不斷減小(圖5)。耕作層土壤在20.0%≥θ≥4.9%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度減小緩慢；當(dāng)44.0%≥θ>20.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度迅速減小至1.5 mm左右；當(dāng)θ>44.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度變化極小；當(dāng)θ=56.2%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度不再發(fā)生變化。犁底層土壤在13.0%≥θ≥4.7%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度減小緩慢；當(dāng)36.0%>θ>13.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度逐漸減小至0.7 mm左右；當(dāng)θ=36.0%時(shí)，裂隙當(dāng)量寬度不再發(fā)生變化。至增濕試驗(yàn)結(jié)束，耕作層和犁底層土壤裂隙當(dāng)量寬度分別為1.37，0.64 mm，二者下降幅度分別為35.7%，53.6%。干縮裂隙完全形成后和增濕完成后耕作層土壤裂隙當(dāng)量寬度分別為犁底層的1.54倍、2.13倍。

圖5 裂隙當(dāng)量寬度與含水量關(guān)系

3 討 論

3.1 土壤裂隙發(fā)育與閉合的可逆性

土壤裂隙主要形成于干燥初期，此時(shí)的裂隙長(zhǎng)而窄；而在干燥后期，較少產(chǎn)生新的土壤裂隙，裂隙特征的變化主要為寬度增加，這與許多研究結(jié)果基本一致[13,18-20]。干燥試驗(yàn)之前土壤顆粒的排列形式以邊面接觸為主，顆粒之間有效應(yīng)力相對(duì)較小，土壤顆粒之間夾角與距離較大，土壤結(jié)構(gòu)松散；而在干燥過(guò)程中隨著水分的減少，土壤顆粒間有效應(yīng)力增加，顆粒間夾角變小，排列形式逐漸向面面接觸形式過(guò)渡，土壤顆粒逐漸靠近形成團(tuán)聚體，這在宏觀上就表現(xiàn)為土壤體積減小，裂隙面積增加[20]。在增濕過(guò)程中，耕作層和犁底層的裂隙面積率和裂隙當(dāng)量寬度降幅明顯，但裂隙長(zhǎng)度密度降幅較小，表明裂隙的閉合和形成是不可逆的兩個(gè)過(guò)程，且裂隙在增濕后不能完全閉合。

唐朝生等[21]的研究發(fā)現(xiàn)土樣在吸濕后孔隙比從0.39增加到0.73，比初始值0.85低14%，這也表明土樣在干濕過(guò)程中發(fā)生了不可逆的體積變形。姚志華等[22]也發(fā)現(xiàn)增濕過(guò)程中土壤小裂隙會(huì)閉合，大裂隙則不能完全閉合。他們認(rèn)為，由于干燥過(guò)程中土壤顆粒的位置和排列方式均發(fā)生了較大變化，土壤結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不可逆的破壞，導(dǎo)致土壤在增濕過(guò)程中膨脹能力改變；且土壤存在各向異性，這將導(dǎo)致土壤干燥和增濕過(guò)程各裂隙參數(shù)變化并不重合[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)在增濕試驗(yàn)結(jié)束后，盡管裂隙面積率降幅明顯，耕作層和犁底層土壤的裂隙面積閉合率分別為39.8%，61.6%，但裂隙長(zhǎng)度密度降幅僅為7.9%，20.0%。而李文杰等[13]研究表明當(dāng)含水率達(dá)到45%時(shí)土壤裂隙完全閉合；張展羽等[23]研究也表明當(dāng)含水率超過(guò)某一臨界含水量(18%)后裂隙面積率會(huì)加速減小至裂隙完全閉合。這可能是由于土壤性質(zhì)差異或試驗(yàn)條件不同造成。本試驗(yàn)在干燥結(jié)束10 d后才開(kāi)展增濕試驗(yàn)，而部分研究是在干燥試驗(yàn)結(jié)束后就開(kāi)始增濕試驗(yàn)[13,22-23]，這種長(zhǎng)期的干燥可能導(dǎo)致土壤的形變更為穩(wěn)定，不易通過(guò)增濕過(guò)程閉合。

此外，即使完成干燥過(guò)程的土樣在重新飽和后裂隙會(huì)完全閉合，但這并不意味著裂隙消失，因?yàn)榱严兜拈]合并不能保證裂隙區(qū)域土體的抗拉強(qiáng)度得到恢復(fù)。張家俊等[24]研究發(fā)現(xiàn)增濕后的閉合土樣再次經(jīng)歷干燥過(guò)程時(shí)，原有的已愈合的裂隙會(huì)首先張開(kāi)，表明其抗拉性能已經(jīng)遭到破壞。裂隙的不完全閉合進(jìn)一步增加了長(zhǎng)期干燥后的灌溉和降雨事件引起的快速滲漏風(fēng)險(xiǎn)，因此要盡量避免稻田土壤過(guò)于干燥導(dǎo)致土壤形成不能完全閉合的裂隙。對(duì)于耕作層土壤來(lái)說(shuō)，形成的穩(wěn)定裂隙會(huì)被水稻種植前的翻耕和泥漿化過(guò)程破壞，而犁底層的裂隙只能通過(guò)泥漿化的耕層土壤填充。盡管這些裂隙被填充，但裂隙區(qū)域的土壤更為疏松、導(dǎo)水率高，容易作為水分流失的優(yōu)先通道。另外，當(dāng)犁底層再次干燥時(shí)，新裂隙也更容易在原裂隙處產(chǎn)生。因此在降雨較少的冬春季節(jié)，應(yīng)盡量避免稻田水分的長(zhǎng)期完全排干。

3.2 耕作層與犁底層裂隙開(kāi)閉差異分析

盡管耕作層和犁底層裂隙開(kāi)閉規(guī)律較為相似，但裂隙形成與閉合過(guò)程的各參數(shù)存在較大差異。在干燥過(guò)程中，耕作層較犁底層裂隙出現(xiàn)早、且裂隙發(fā)育更為明顯，表明耕作層土壤較犁底層容易形成裂隙。至干燥試驗(yàn)結(jié)束，耕作層土壤的裂隙面積率、長(zhǎng)度密度和當(dāng)量寬度分別為犁底層的1.63倍、1.09倍和1.54倍。在增濕條件下，耕作層和犁底層裂隙長(zhǎng)度降低幅度均較小(7.9%，20.0%)，但裂隙面積率降幅(39.8%，61.6%)和當(dāng)量寬度降幅(35.7%，53.6%)顯著。至增濕試驗(yàn)結(jié)束，犁底層土壤裂隙閉合率、長(zhǎng)度密度和當(dāng)量寬度降幅約為耕作層的1.55倍、2.53倍和1.50倍。而這些差異主要是由于土壤理化性質(zhì)不同造成。

與犁底層相比，耕作層表現(xiàn)為更高的有機(jī)質(zhì)含量、更低的土壤容重和黏粒含量，這種差別可能影響土壤裂隙的發(fā)育過(guò)程及其特征參數(shù)。Peng等[25]研究發(fā)現(xiàn)富含有機(jī)質(zhì)的土壤在干燥后的體積收縮程度(77%～78%)遠(yuǎn)高于有機(jī)質(zhì)含量低的土壤(10%～26%)，他們認(rèn)為有機(jī)質(zhì)高的土壤可以形成更多的結(jié)構(gòu)性孔隙，而這部分孔隙比土壤顆粒孔隙大得多，且更容易發(fā)生形變，因此有機(jī)質(zhì)含量高的耕作層土壤較犁底層土壤更容易產(chǎn)生裂隙。另外，高有機(jī)質(zhì)條件往往也伴隨著較低的土壤容重，進(jìn)而影響土壤裂隙發(fā)育過(guò)程。Zhang等[7]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低容重條件下土壤更容易產(chǎn)生裂隙，他們認(rèn)為對(duì)于容重較低的土壤，其團(tuán)聚體和土壤顆粒的接觸點(diǎn)也少，而這些接觸點(diǎn)的物理或者化學(xué)力的存在對(duì)于土壤抗形變有重要作用。犁底層土壤容重更大，土壤顆粒的接觸點(diǎn)更多，因此在干燥過(guò)程中抗形變的能力也就越強(qiáng)。盡管Peng等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤壓實(shí)強(qiáng)度的增加不會(huì)改變土壤裂隙收縮曲線的斜率，但仍會(huì)顯著降低土壤裂隙的體積，土壤壓實(shí)后裂隙體積占比明顯降低。此外，土壤顆粒組成也會(huì)影響土壤收縮能力。研究表明，土壤收縮能力一般與土壤黏粒含量呈正相關(guān)[27]，這是由于黏粒礦物(主要為高嶺石)晶片之間可以吸收和釋放水分，從而導(dǎo)致干濕交替下土壤裂隙形變加劇。盡管犁底層的土壤黏粒含量(36.15%)略高于耕作層(30.42%)，但其裂隙發(fā)育程度較耕作層弱。Tang[28]的研究也發(fā)現(xiàn)黏粒含量為22%的土壤的裂隙發(fā)育特征比29%的土壤更為明顯，他們認(rèn)為可能是礦物類型或其他土壤理化性質(zhì)因素差異導(dǎo)致。而本研究的犁底層和耕作層的土壤礦物類型應(yīng)該較為相近，但有機(jī)質(zhì)含量和容重的顯著差異可能抵消了黏粒含量差異對(duì)土壤裂隙發(fā)育的影響。

3.3 室內(nèi)試驗(yàn)的局限性分析

室內(nèi)土壤干縮濕脹試驗(yàn)在一定程度上反映了野外田間裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律。在野外田間土壤裂隙的研究中，張中彬[29]也發(fā)現(xiàn)稻田土壤的裂隙主要集中在耕作層，且在裂隙產(chǎn)生以后，即使在較長(zhǎng)時(shí)間的淹水條件下(約10 天)，裂隙也不能完全閉合；陳玖泓等[30]的研究也表明裂隙率隨土壤含水率呈線性變化，且變化先快后慢，當(dāng)含水率減小到一定程度后，裂隙率不再發(fā)生改變。

土壤裂隙的產(chǎn)生是土壤性質(zhì)與自然環(huán)境、人為活動(dòng)等多種因素綜合作用的結(jié)果，如土壤前期的含水量[31]、溫度[32]、耕作方式[33]和秸稈還田[34]等都會(huì)對(duì)裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展造成重要影響，且各因素之間也存在不同程度的交互作用，復(fù)雜多變。雖然室內(nèi)試驗(yàn)易于控制和實(shí)施，但室內(nèi)試驗(yàn)的各個(gè)變量都處于恒定狀態(tài)，其模擬結(jié)果仍難以精準(zhǔn)反映自然狀態(tài)下真實(shí)情況。因此，在以后的研究中，應(yīng)采用室內(nèi)試驗(yàn)與野外試驗(yàn)相結(jié)合的方法。

4 結(jié) 論

在干燥條件下，土壤裂隙形成初期產(chǎn)生的裂隙長(zhǎng)而窄，后期隨著土壤含水量的減少，裂隙的變化主要為寬度逐漸增加。在增濕過(guò)程中，裂隙面積率的降低主要是裂隙寬度減小造成而裂隙長(zhǎng)度降低幅度較小。干燥過(guò)程的土壤結(jié)構(gòu)收縮導(dǎo)致的不可逆形變?cè)斐赏寥懒严对谠鰸襁^(guò)程結(jié)束后也不能完全閉合。

土壤有機(jī)質(zhì)和容重差異是引起耕作層和犁底層裂隙發(fā)育特征分異的主要因素。在干燥過(guò)程中，耕作層裂隙發(fā)育特征更為明顯，表現(xiàn)為更大裂隙面積比、裂隙長(zhǎng)度密度和裂隙寬度。在增濕過(guò)程中，犁底層裂隙閉合更為明顯，表現(xiàn)為更大的裂隙閉合率、長(zhǎng)度密度和當(dāng)量寬度降幅。

室內(nèi)土壤干縮濕脹試驗(yàn)在一定程度上反映了野外田間裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律，但自然活動(dòng)和人為活動(dòng)等因素復(fù)雜多變，因此在研究土壤裂隙時(shí)應(yīng)采用室內(nèi)試驗(yàn)與野外試驗(yàn)相結(jié)合的方法。