鄧超 蘇南 曹子聰 林薇

(水利部南京水利水文自動(dòng)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(zhì)(有機(jī)質(zhì)和粘土礦物含量等)和氣候等外在條件密切相關(guān)。裂隙產(chǎn)生后會(huì)導(dǎo)致一些不良后果，如裂隙會(huì)增加土體的表面積，促使土壤水分通過裂隙的內(nèi)表面迅速蒸發(fā)，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(yōu)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(fēng)險(xiǎn)[1]。裂隙的產(chǎn)生是導(dǎo)致土壤水優(yōu)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(yōu)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(jié)果不具有代表性。目前應(yīng)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(shù)研究了土壤的裂隙，指出圖像分析的精度能達(dá)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(shù)據(jù)計(jì)算裂隙面積、周長、分形維數(shù)等多種指標(biāo)。該方法能夠連續(xù)測定土壤裂隙的變化，不會(huì)破壞土表結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)較為松散、均勻，孔隙度較適中，理化性狀較為穩(wěn)定，一致性較好。東北黑土(以下簡稱黑土)為砂質(zhì)粘壤土，土壤粘粒含量為23.7%，在東北有地域分布廣的特點(diǎn)，同時(shí)東北農(nóng)作物種植面積大，有較強(qiáng)的代表性。江西紅壤(以下簡稱紅壤)為砂質(zhì)粘土，土壤粘粒含量為23.8%，具有高含水率、低密度而強(qiáng)度較高、壓縮性較低特性，分布于長江以南的廣大丘陵地區(qū)。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(shí)驗(yàn)站在建站以前種植水稻。

1.2 土壤基本理化性質(zhì)測定

將取回的土壤風(fēng)干過篩后測定其物理化學(xué)性質(zhì)，見表1，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、有效態(tài)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(jī)質(zhì)的測定及碳氮化的計(jì)算》，NY/T 890-2004《土壤有效態(tài)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(jī)械組成的測定》的方法進(jìn)行測定。

表1 4種土壤基本理化性質(zhì)

1.3 土壤水分特征曲線測定

用環(huán)刀(100cm3)取原狀土樣，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。將原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室飽和后放入壓力膜儀中，在0bar、0.06bar、0.1bar、0.33bar、1bar、3bar、15bar 7個(gè)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(huán)刀里測定。平衡時(shí)間為1個(gè)月。

1.4 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

1.4.1 土壤裂隙特征分析

稱取過2mm篩風(fēng)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(fù)搓揉自封袋，直至袋中土壤呈均勻泥糊狀，迅速轉(zhuǎn)移土壤60g至培養(yǎng)皿內(nèi)(內(nèi)徑15.3cm)，制作好的土壤樣品放置于土壤存放架上，待自然風(fēng)干后(15d左右)，使用手機(jī)(iPhone X)拍攝裂隙形態(tài)照片(拍攝距離15cm，分辨率4032像素×3024像素)，將數(shù)碼照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，照片先用WEGO軟件(WASY GmbH,2006)對(duì)直角尺的坐標(biāo)進(jìn)行幾何校正處理，使圖像還原成實(shí)際的正交化坐標(biāo)。然后用Photoshop將圖片裁剪成15cm×15cm，調(diào)節(jié)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(duì)二值化圖像進(jìn)行膨脹和收縮等形態(tài)學(xué)處理，然后用Image J軟件計(jì)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(shù)測定

線性伸展系數(shù)(coefficient of linear extensibility COLE)是描述土壤在一維方向收縮幅度的參數(shù)。線性伸展系數(shù)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(jù)線性伸展系數(shù)的大小可將土壤的收縮幅度分為3個(gè)級(jí)別：低收縮幅度，COLE<0.03；中等收縮幅度，0.030.06[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

潮土、紅壤、黑土、壤土4種土壤的基本理化性質(zhì)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(dǎo)率高達(dá)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(tài)鐵含量高達(dá)46.8mg·kg-1，而潮土和黑土中效態(tài)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(zhì)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(xiàn)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(shù)量之間的關(guān)系，即水的含量與勢能之間的關(guān)系，是研究土壤水分保持和運(yùn)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(guān)系，是土壤水文研究的重要指標(biāo)土壤水分特征曲線與土壤孔隙狀況密切相關(guān)，所以通過水分特征曲線可以間接推斷出土壤裂隙發(fā)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(gè)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(zhì)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(nèi)模擬試驗(yàn)

圖3為室內(nèi)模擬4種土壤風(fēng)干后所產(chǎn)生裂隙的圖片。從圖3可以看出，潮土所產(chǎn)生的裂隙較為稀疏，而壤土所產(chǎn)生的裂隙最為密集。圖4為4種土壤風(fēng)干后所產(chǎn)生裂隙的二值化圖像，經(jīng)過Image J軟件分析計(jì)算得出4種土壤的裂隙面積密度。從圖5可以看出，潮土風(fēng)干后所產(chǎn)生的裂隙面積密度最小，為5.45%，而壤土風(fēng)干后所產(chǎn)生的裂隙面積密度高達(dá)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(fēng)干后所產(chǎn)生裂隙最少，壤土所產(chǎn)生的裂隙最多。

圖3 4種土壤風(fēng)干后所產(chǎn)生裂隙

圖6為4種土壤的線性伸展系數(shù)(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(fēng)干后所產(chǎn)生裂隙的二值化圖像

圖5 4種土壤風(fēng)干后產(chǎn)生的裂隙面積密度

圖6 4種土壤線性伸展系數(shù)COLE

圖7為4種土壤裂隙面積密度與線性伸展系數(shù)的相關(guān)性。從圖7可以看出，土壤裂隙面積密度與線性伸展系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)R為0.976，兩者之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。這表明土壤裂隙的發(fā)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(chǎn)生裂隙。

圖7 4種土壤裂隙面積密度與線性伸展系數(shù)的相關(guān)性

3 結(jié)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(nèi)模擬的方法，獲得土壤裂隙的基本特征，結(jié)合土壤水分特征曲線和線性伸展系數(shù)，綜合分析4種典型土壤的裂隙發(fā)生情況發(fā)現(xiàn)：采自于滁州城西徑流試驗(yàn)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(shù)高達(dá)0.090；黏粒含量較高的壤土在室內(nèi)風(fēng)干過程中會(huì)產(chǎn)生相較于其他3種性質(zhì)的土壤更大的裂隙面積，裂隙面積密度高達(dá)12.33%；土壤裂隙的發(fā)生與土壤收縮性能呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，收縮性好的土壤產(chǎn)生的裂隙較大。