灌淤土裂隙成因及其研究方法述评

余海龙，王丽丽，黄菊莹，赖荣生

(1.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川750021； 2.宁夏大学 新技术研究开发中心，宁夏 银川 750021)

灌淤土裂隙成因及其研究方法述评

余海龙1，王丽丽1，黄菊莹2，赖荣生1

(1.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川750021； 2.宁夏大学 新技术研究开发中心，宁夏 银川 750021)

灌淤土；裂隙；优先流；成因

灌淤土是干旱和半干旱地区灌溉农业的产物，主要分布于河套地区及辽西平原，当地独特的气候条件使得灌淤土成为水稻种植的优良土地资源，而频繁的干湿交替及独特的水分管理模式使灌淤土容易产生裂隙。裂隙作为优先流的路径，加速了稻田水分和养分的损失，降低了水分利用效率，同时也增加了地下水污染的风险。对裂隙形成机制及其影响因素做了详尽的总结，认为黏土矿物的种类、含量和土壤含水量对裂隙的开阖尤为重要。此外，就裂隙产生优先流的测定与模拟进行了述评，认为CT扫描技术是定量分析土壤裂隙几何形态的最佳方法；并可借用大孔隙流常用的技术和方法研究裂隙对入渗的贡献，根据裂隙和其他大孔隙与土壤水分不同的关系，为单独评价裂隙对优先流的影响提供可能。

土壤结构随干湿交替而变化，最明显的特征是土壤遇到干旱后产生裂隙。裂隙作为土壤孔隙中的一类，一般产生于土壤冻融或干湿交替过程中，尤其是富含黏粒的土壤或盐性土壤。裂隙可形成复杂的网络结构传导水分，垂直裂隙会导致作物根系以下水分和养分等的重新分布[1-2]。土壤裂隙增加土壤表面积，促使土壤水分通过裂隙内表面更加迅速地蒸发损失。因此，裂隙的产生会加剧土壤干旱程度，同时提高土壤强度和增加根系生长难度，降低作物产量。另一方面，土壤裂隙导致后期灌溉水和降雨快速下渗，形成优先流，降低水肥利用率，增加地下水污染风险[3]。

灌淤土是指在灌溉、施肥和耕作等农事活动影响下已形成50 cm以上厚度的灌淤土层的土壤。灌淤土是干旱和半干旱地区灌溉农业的产物，同时也是重要的农业生产土地资源，主要分布于河套地区及辽西平原。由于当地的光照条件好，独特的生态条件造就了灌淤土区高产而上乘的水稻品质，因而水稻种植面积逐年增加。水稻种植需经历多次灌溉和排水，干湿交替明显，而灌淤土一般有机质含量较低但富含碳酸钙等盐类，其土壤结构变化显著，在脱水的过程中易产生较大的裂隙[4]。同时当地降雨年内差异显著，季节性干旱常导致土壤裂隙产生。裂隙产生后，导致水分和溶质快速下渗，形成优先流。田间模拟优先流是当今世界土壤物理学上的一个难题。因此，深入研究灌淤土裂隙的产生机制及其优先流，对认识灌淤土生态系统稳定性和可持续性，提高水肥利用效率和作物抗旱能力，以及减轻地下水污染等都具有重要的理论和实际意义。

1 灌淤土裂隙产生机制

灌淤土裂隙产生受土壤耕作、土壤性质、土壤水分、土壤强度和结构稳定性等多因素的耦合驱动，其产生机理和过程仍然不清楚。裂隙的开阖伴随着土壤的收缩和膨胀，是土壤含水量、土壤黏土矿物等土壤物理、化学性质在外界影响因素共同作用下的结果，是一个复杂的动态过程。

土壤中的黏粒一般指粒径<2 μm的颗粒。相较于粉粒和砂粒，黏粒具有明显的塑性、胀缩性、吸湿性和黏结性，因此黏粒含量是最常用来表示土壤裂隙开阖潜力的一个参数。已有研究结果表明，土壤的膨胀和收缩能力随着黏粒含量的增加而增加[5]。Bayer等[6]的研究进一步表明，土壤的收缩能力和土壤中黏粒的含量呈显著正相关关系。就其组分而言，灌淤土黏土矿物主要以水云母为主，易于发生土壤裂隙开阖。

土壤的收缩与膨胀还和土壤中黏土矿物的种类和数量密切相关。有研究发现：如果黏粒主要以1 ∶1的非膨胀性黏土矿物为主，即使黏粒含量高，土壤收缩能力也很低[7]。这说明土壤收缩能力虽与黏粒含量存在一定的关系，但与黏土矿物性质关系更密切。土壤的收缩能力与膨胀能力主要与土壤中膨胀性黏土矿物含量有关，当土壤中的膨胀性黏土矿物占主导时，土壤的收缩能力就比较大。据报道，土壤的收缩能力与土壤中膨胀性黏土矿物的含量显著相关。由于不同黏土矿物的收缩膨胀能力并不一致，所以不同的矿物类型对土壤的收缩影响也不一致。已有一些学者将黏土矿物类型对不同类型土壤收缩能力的影响进行了排序，发现水铝英石含量高的土壤收缩能力最强，其次是以蒙脱石和埃洛石为主的土壤，而以高岭石和伊利石为主的土壤收缩能力最弱。

有机质含量对土壤结构的形成起重要作用。一般情况下有机质含量高的土壤，其结构通常比较疏松，且孔隙比较多，因而其收缩能力较强。但De Jong等[8]研究发现土壤收缩和有机质含量不存在相关关系。有机质含量高的土壤，结构较为稳定，土壤的持水能力较强，在田间情况下可能不易失水产生裂隙。

土壤容重是表征土壤紧实程度的参数。一般容重小的土壤较为疏松，其收缩能力较大，容易产生裂隙。且对于容重较小的土壤，因其更大的土壤含水量，会因干湿交替变化引起表层土壤的收缩而产生裂隙。有研究发现，0～15 cm土层裂隙的宽度和体积与土壤容重显著正相关，其中土壤含水量和容重解释了大约80%的裂隙体积的变化[9]。

田间裂隙的产生除受自身性质的影响外，还与耕作方式、作物、田间管理和气候条件等外界因素的影响有关。耕作土壤由于降雨或灌溉等经常处于干湿交替的水分条件下，而干湿交替的频率、强度，作物的株行距，泥浆化的次数和深度等因素都会影响到土壤的收缩和裂隙的产生。彭新华等[10]研究发现干湿交替的强度因子要比频率因子更显著地影响土壤的收缩。唐朝生等[11]发现随着干湿交替次数的增加会使土壤颗粒重新排列，裂隙的面积密度呈下降趋势，不规则的裂隙则在增加。张中彬等[12]研究了干湿交替对不同利用年限水稻土的收缩和裂隙的影响，发现在水稻生长季中随着干湿交替的进行，土壤的收缩能力呈下降趋势，而裂隙的数量呈增长趋势；耕种年限短的水稻土对干湿交替的反应较耕种年限长的更为显著，表现为老的水稻田裂隙大而少，新的水稻田裂隙细而多，而且前者随水分变化较后者慢。

裂隙的开阖与土壤含水量是密切相关的，优先流也是不稳定的。在土壤含水量较低时，裂隙发育得较好，优先流现象明显；当土壤水分供应充足时，裂隙就会逐渐闭合，优先流现象也会减弱。裂隙流现象和田间含水量紧密联系，处于不断的变化过程当中。裂隙的开阖随土壤的膨胀发生变化。有报道指出优先流在膨胀性土壤中应该是一个瞬间的过程，裂隙的产生使入渗率提高，但是在灌水后伴随土壤的膨胀和裂隙的闭合，入渗率逐渐下降[13]。此外，有研究报道裂隙不容易闭合，需要足够的降雨量才能使其在土壤表面闭合[14]。同时，研究者强调即使裂隙在土壤表层闭合，深层裂隙依旧是优先流的路径[15]。而对于灌淤土，因其黏土矿物以高岭土为主，

裂隙遇水后闭合过程很慢，故优先流现象相对持久且明显。笔者认为这些不一致的结果可能是由于快速且非均质的土壤膨胀过程以及不同土壤收缩和膨胀性质的差异造成的。

2 土壤裂隙测定与模拟

2.1 土壤裂隙对优先流的影响

裂隙属于土壤大孔隙的一种类型，受干湿交替影响显著，而其他生物大孔隙(如虫穴、根孔等)受土壤耕作与管理等影响明显，但不受干湿交替影响或者影响很弱。根据生物大孔隙结构相对稳定，且不随水分变化而变化的特征，我们可以区分裂隙与其他大孔隙对水分运动的贡献。许多学者认为水分运动在土壤中存在“两域”的特征[16-17]。水在大孔隙中主要受重力作用形成快速非均质的优先流，又常称为大孔隙流。裂隙作为优先流的路径，可增加土壤入渗速率，提高地下水的污染风险[18]。

2.2 土壤裂隙的测定方法

如何动态描述土壤裂隙的几何形态是研究土壤裂隙特征和优先流的关键[19]。Novak[20]提出了以裂隙度、地表裂隙度和裂隙比内表面积为基本参数的裂隙特征量化指标体系。该指标体系涉及的指标易于测定且直观可靠，但未考虑裂隙之间的连通性。Vogel等[21]则将拓扑学应用到了裂隙几何形态的描述中，建立了以裂隙面积密度、长度密度和裂隙分支角度为基本参数的形态特征指标体系。

研究者为直接测定裂隙三维结构做出了各种尝试。一些研究者采用石蜡、树脂等水分替代法填充孔隙，并结合图像分析法确定裂隙体积及其三维空间分布特征。该方法的不足之处在于比较费时费力，对土体具有破坏性，而且精确度不够，不能区分裂隙与其他大孔隙，也忽略了不连通的裂隙等。电阻率层析成像技术也被用于裂隙的三维结构测定，该技术可以得到裂隙在土体中的位置、方向等，是监测土体中裂隙动态变化的有效工具。

CT扫描技术越来越多地被应用于三维土壤结构的定量化研究中[22]。例如，Peth等[23]采用同步辐射X射线CT扫描摄像技术结合图像分析方法，得到了孔隙在三维空间的详细分布特征，包括孔隙大小、连接度、弯曲度和孔隙网络结构等。相较于其他方法，CT扫描技术能够精确计算裂隙的体积、表面积及其在土体中的空间分布特征，而且具有成像速度快、非破坏性分析土体、分析精度较高等优点。该技术的不足在于仪器体积大、成本高，一般只能在室内扫描一定尺寸范围的土柱，不能在田间原位测定土壤裂隙的特征。张中彬等[24]采用此法定量分析了红壤水稻土团聚体微结构对水分变化的响应，证实这种微结构的变化在宏观尺度上表现为土壤裂隙的开闭过程。基于此技术平台，不仅可清晰观测土壤整体收缩过程，而且能够深入地了解不同孔隙的变化并进行定量分析。这为我们建立土壤水分运动、土壤结构变化和水势三者之间的关系提供了可能。

2.3 优先流的研究方法

研究裂隙对优先流的贡献可以采用染色法、圆盘入渗法等。染色法结合图像分析，可以直观地显示优先流在土壤剖面的空间分布和强度。圆盘入渗法则可直接计算出裂隙的导水率，评价其对整个入渗的贡献。最近，Cey等[25]采用圆盘入渗和染色示踪两种方法，分析了裂隙与生物大孔隙的空间分布，计算了不同水势近饱和状况下的大孔隙流，同时借助微型TDR探头捕捉到入渗过程中土壤水分的非均匀变化。Luo等[26]利用CT扫描技术结合惰性离子穿透曲线测定了大孔隙度及其数量，认为大孔隙能解释71%～75%的饱和导水率变异性。Greve等[15]结合染色示踪和离子穿透曲线等技术，研究了土壤裂隙闭合过程与土壤水分的关系，并可估算裂隙对优先流的贡献。针对优先流，目前的代表性模型主要有美国盐土实验室开发的HYDRUS模型和瑞典Jarvis教授开发的MACRO模型。

2.4 裂隙造成的优先流的模拟

基于干湿交替过程中土壤结构的变化，通常用土壤收缩特征曲线来模拟[27]。一般土壤收缩特征曲线包括4个阶段：结构收缩、线性收缩、残留收缩和零收缩。这个方法不足之处是参数多、不能反映非线性部分，另外是各阶段起始点不能客观判断。Peng和Horn[28]根据土壤收缩特征曲线的“S”形状并结合其收缩特征参数，在van Genuchten方程基础上提出一个简单的模型，即

(1)

式中：e(θ)为θ含水量下的孔隙比；es为饱和孔隙比；er为残留孔隙比；p和q为拟合参数；θ为含水量；χ为经验参数；s为饱和含水量。

用此模型可客观地确定这4个收缩阶段，并结合土壤水分特征曲线，推导不同大小孔隙的收缩能力。这个收缩特征曲线能较好地反映整个土壤结构的变化，却不能表征裂隙的空间特征。Bronswijk[29]提出用土壤收缩几何因子来描述水平方向的裂隙变化和垂直方向的下陷等土壤结构变化的异质性，但这种方法还是忽略了裂隙的三维空间变化。Peng等[30]发现裂隙体积与裂隙面积呈显著的线性关系。因此，可以推论在较均质的土层裂隙变化过程中可能保持相似的形状。如果这个假设成立的话，只要通过少量的样品建立土壤裂隙面积和体积的关系，就比较容易得到裂隙在土体中的深度，甚至其在土壤中的空间特征。如果模型上能体现出裂隙的特征，就为模拟裂隙情况下的优先流提供了一个重要参数。

3 结 论

灌淤土由于种植水稻，易于因干湿交替而产生裂隙。水稻田需要经过泡田、翻耕和泥浆化的过程，在水稻移栽后也需要经常淹水和排水，这都容易导致稻田裂隙的产生。裂隙会成为优先流的路径，加速稻田水分和养分的损失，降低水分利用效率，同时也增加了地下水污染的风险。因此，对灌淤土裂隙的产生机制及其优先流模拟具有重要的实际意义。

(1)裂隙的开阖，是一个复杂的过程，可能与土壤矿物、土壤水蒸发、作物蒸腾、土壤水分运动方向、根系吸水、土壤强度等存在着错综复杂的相互关系。其中，土壤含水量、黏土矿物含量和耕作措施是影响其产生的主要因素。

(2)如何动态描述土壤裂隙的几何形态是研究土壤收缩和裂隙的关键。目前CT扫描技术是定量分析土壤裂隙的几何形态的最佳方法。

(3)裂隙作为优先流的路径可大幅度增加土壤水分的入渗。研究裂隙对入渗的贡献，可以借用大孔隙流常用的技术和方法。根据裂隙和其他大孔隙与土壤水分的不同关系，为单独评价裂隙对优先流的影响提供可能。

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(责任编辑 徐素霞)

国家自然科学基金项目(41261068)

S157

A

1000-0941(2015)12-0073-04

余海龙(1979—)，男，甘肃酒泉市人，副教授，博士，研究方向为气候变化对农业的影响。

2014-12-10