再生水灌溉对亚热带典型土壤干缩裂缝演变特征的影响

王 玮，王 辉，陈潇岳，谭 帅，胡传旺

•农业水土工程•

再生水灌溉对亚热带典型土壤干缩裂缝演变特征的影响

王 玮，王 辉※，陈潇岳，谭 帅，胡传旺

（湖南农业大学水利与土木工程学院，长沙 410128）

为揭示再生水灌溉对亚热带土壤干缩裂缝及其发育过程的影响，该研究选取红壤、潮土、紫色土、水稻土作为供试土壤，采用再生水原液（RW）及稀释2倍（RW-2）、4倍（RW-4）、6倍（RW-6）4种不同浓度再生水进行持续模拟灌溉，并进行脱湿开裂试验，提取干缩裂缝参数。结果表明：1）再生水灌溉抑制红壤及促进其余3种土壤干缩裂缝形成与发育，除RW-4处理促进作用存在异常外，其余处理呈再生水浓度增高，抑制或促进作用增大；2）再生水灌溉下，红壤干缩开裂过程更为平缓，其余3种土壤干缩裂缝面积发育更集中于前期，低浓度再生水集中作用更大；3）土壤类型与再生水浓度对干缩裂缝具有交互作用，土壤类型对面积密度及其发育过程减缓段变化速率影响较大，再生水浓度对面积发育过程初始段变化速率、减缓段长度、加速段变化速率、长度发育过程变化速率峰值影响较大；4）土壤裂缝面积密度发育程度与含水率的关系可用三直线模型拟合，长度密度及连通性系数发育程度与含水率的关系可用log-logistic模型拟合。研究结果可为亚热带地区再生水水质标准制定及其灌溉制度设计提供参考。

土壤；含水率；演变特征；图像处理；再生水；干缩裂缝；裂缝参数；亚热带

0 引 言

降雨时空分布不均、极端天气频发、水污染日趋严重等状况正在加剧亚热带地区水质性缺水、季节性缺水等问题[1]，可循环利用的再生水具备量大、水源稳定、制水成本低等特点，使用其替代常规灌溉用水是解决该区域农业用水短缺问题的重要手段之一[2-3]。再生水作为污水或雨水经适当处理并达到特定水质标准再次利用的水，将其用于农业灌溉，除缓解水资源短缺外，还可优化供水结构、推进水污染防治、保障水生态安全。因此，再生水灌溉在亚热带地区已受到越来越多的关注。

由于亚热带地区高温气候、土壤干湿交替频繁，土壤干缩开裂是该区域常见且影响广泛的一种自然现象[4]。该现象会显著改变物质在土壤中的迁移过程，从而在农业生产方面导致诸多不良后果[5]，如加速水分入渗、蒸发，加剧干旱及土地盐渍化风险[6-7]，并撕裂作物根系，降低水肥利用效率[8]。此外，土壤干缩开裂为雨水、灌溉水提供优先流通道，进一步破坏土壤内部结构[9]，也为磷素、氮素等养分提供快速及远距离运移通道，加剧养分淋溶损失并增加地下水污染风险[10]。土壤干缩裂缝受到众多学者的关注，已有研究指出干缩裂缝作为土壤理化性质及外界环境条件综合作用的结果[11]，其形态特征及发育过程受到黏粒成分及含量、有机质数量、盐离子类型及含量等土壤理化性质的影响[12-14]。另一方面，使用再生水作为灌溉水源，虽经二级处理，但水中盐分、悬浮颗粒、有机物、油脂等物质仍高于常规灌溉用水，这些物质随灌溉进入土壤后将引起容重、孔隙率、土壤结构、盐分含量、pH值、有机质等土壤理化性质的变化[3,15]，可能进一步加剧土壤干缩裂缝的形成与发展。

目前，已有盐分、有机质等因素对裂缝影响的研究借鉴，但再生水成分复杂，对土壤干缩裂缝的作用尚不清晰且鲜有报道。鉴于此，本文以亚热带气候及土壤条件为背景，选取该区域4种典型土壤为研究对象，通过模拟灌溉及脱湿开裂试验，定量分析再生水灌溉4种典型土壤的干缩裂缝面积密度、长度密度、连通性系数等几何形态及其发育过程，以此明晰再生水对亚热带地区土壤干缩开裂的影响，旨在为亚热带地区再生水水质标准制定及其灌溉制度设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤与水样

利用随机、多点法分别于湖南长沙（113°07′33″E，28°11′45″N）、湖南岳阳（113°00′46″E，29°03′22″N）、湖南长沙（113°19′37″E，28°16′48″N）、湖南长沙（113°16′11″E，28°18′44″N）采集红壤、潮土、紫色土、水稻土，并经风干、去除杂物、过2 mm筛后备用[16]。以上4类土壤均为亚热带地区常见土壤，供试土样基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤理化性质

注：EC为土壤电导率；CEC为阳离子交换量。下同。

Note: EC represents soil electric conductivity; CEC represents cation exchange capacity. Same as below.

供试水样取自长沙市花桥污水处理厂二级出水口，利用蒸馏水将每次采集的再生水原液（RW）分别稀释2倍（RW-2）、4倍（RW-4）、6倍（RW-6）。试验持续近1 a，由于再生水原液成分及其浓度波动较大，因此每次取水后抽取部分水样测试其主要化学指标，供试水样基本化学指标平均值见表2。

表2 供试水样基本化学指标平均值

注：CK为蒸馏水处理；RW、RW-2、RW-4、RW-6分别为再生水原液、再生水稀释2倍、再生水稀释4倍及再生水稀释6倍处理。下同。

Note: CK represents distilled water treatment; RW, RW-2, RW-4, and RW-6 respectively represents the treatments which include the reclaimed water and its diluted concentration of 2, 4, 6 times. Same as below.

1.2 试验设计及数据处理

1.2.1 试验设计

为明晰再生水灌溉下土壤理化性质变化对干缩裂缝及其发育过程的影响，本试验先模拟灌溉供试土壤1 a，再使用该土壤开展脱湿开裂试验。其中试验设置4种土壤以及4种再生水浓度（RW、RW-2、RW-4、RW-6），蒸馏水（CK）作为对照组，每组处理3个重复。

将风干备用供试土壤按照1.2 g/cm3的容重分层装入底部已打孔的圆形PVC桶，土柱装填高度为17 cm。待埋设于10 cm的张力计读数达到80 kPa时进行模拟灌溉，灌溉入渗后置于露天风干，干湿循环近1 a后完成再生水模拟灌溉预处理[17]。

为减少土壤容重及容器边界效应对裂缝影响，将预处理后土壤按照1.28 g/cm3（经预处理后不同深度的4种土壤的容重平均值）及10 mm土层厚度填装入高度为10 cm、直径为25 cm的圆形PVC管。采用间断喷湿法对土壤进行饱和，待土壤饱和后将其放入恒温烘箱，利用空调控制室内环境，使之相对维持稳定状态（温度（27±2）℃），设置恒温烘箱温度为40 ℃（参考当地夏季蒸发条件），并保证每次土样放入烘箱同一位置。每隔1 h取出土样，用NIKON D5200数码相机（分辨率6 000×4 000，像素）进行拍照，拍摄过程仅提供单一固定光源并遮挡外部环境光线，并用特定支架固定拍摄相机和土样，确保每次拍摄位置、高度及垂直角度一致。每次拍照完后用电子秤（量程0～10 kg，精度0.1 g）称取土样质量。多次重复该操作步骤，直到土样的质量不再发生变化为止。

1.2.2 图片处理及土壤干缩裂缝参数定量提取方法

1）图像处理：利用Photoshop取中心直径为21.25 cm的圆作为研究部分，运用Matlab R2017a编程实现图片灰度化、开运算、中值滤波、图像减法及对比度增强等，消除由于土体表层含水率差异、微小孔隙等因素形成的噪点，当含水率较高、裂缝不明显时，辅以手动去除噪点。通过最大类间方差法求出合理阈值，转化为二值化图像并消除孤立块噪点，参考文献[18-19]处理方法提取骨架、消除骨架毛刺以及获得土壤干缩裂缝几何形态参数，流程如图1所示。

2）含水率：质量含水率，%；初始裂缝含水率0：土样开始随机产生裂缝时质量含水率，%。

3）土壤干缩裂缝参数：引入裂缝面积密度Rc、裂缝长度密度Lc、裂缝连通性系数作为再生水对土壤干缩裂缝影响的评定指标。为定量分析再生水浓度灌溉土壤干缩裂缝发育的程度，引入裂缝面积密度发育程度DLRc裂缝长度密度发育程度DLLc裂缝连通性系数发育程度DLK指标，公式[18]如下：

式中Rc表示裂缝面积密度，%；DLRc表示裂缝面积密度发育程度，%；A表示第条裂缝的面积，cm2；0表示研究区域面积，cm2；Rc(0)表示各处理下稳定状态下（=0）的裂缝面积密度，%；DLRc表示裂缝面积密度发育程度。

式中Lc表示裂缝长度密度，cm/cm2；DLLc表示裂缝长度密度发育程度；L表示第条裂缝的骨架长度，cm；Lc(0)表示各处理下稳定状态下（=0）的裂缝面积密度，cm/cm2。

式中bp为裂缝的交叉点数；ep为裂缝的端点数；表示裂缝连通性系数，%(0)表示各处理下稳定状态下（=0）裂缝连通性系数，DLK表示连通性系数发育程度。

1.2.3 土壤裂缝发育过程模型

Tang等[20]指出土壤干缩裂缝与土壤胀缩特性相关程度很高，因此本文借鉴描述土壤收缩特征曲线的三直线模型拟合各处理下裂缝面积密度、裂缝面积密度发育程度与含水率的动态规律，三直线模型[21]如下：

式中为经验常数；ABS分别为滞留拐点、结构拐点及饱和点处的质量含水率，%。为探讨再生水灌溉裂缝面积发育过程，设定质量含水率>B～0为初始段、>A～B为加速段、0～A为减缓段，AB分别表示加速段与减缓段临界点、初始段与加速段临界点的质量含水率，%；分别为各阶段面积密度变化速率。

借鉴土壤收缩特征曲线常用的四参数log-logistic模型拟合长度密度、长度密度发育程度、连通性系数、连通性系数发育程度与含水率的动态规律，模型[22]如下：

式中在不同拟合中分别描述长度密度（Lc）、长度密度发育程度（DLLc）、连通性系数发育程度（DLK）等拟合指标；1表示为0时的临界值；2表示为饱和含水率时的临界值；为特征参数拟合曲线的拐点，%；为拐点处曲线斜率。为探讨拟合指标与含水率动态规律及再生水灌溉对动态过程的影响，本文借鉴文献[23]中四参数log-logistic模型生物学意义，并结合干缩裂缝指标发育过程：当>时，干缩裂缝指标在裂缝发育过程初期发育速率较慢，随后发育速率增加，当=时发育速率达到最大值，随后减慢并最终趋于0，设定>～0及0～分别为干缩裂缝拟合指标发育过程中加速段及减速段含水率范围，PD（0与的差值）、PA（与0的差值）分别代表加速段长度及减速段长度，拐点处曲线斜率的相反数（−）为发育速率峰值。

1.2.4 数据处理

为获取3个重复处理的各土壤裂缝参数平均值，通过线性内插的方法将各实测点归一至相同含水率，每相隔2.5%的质量含水率取1个内插点，求取对应含水率下裂缝参数的平均值并计算标准差。采用Excel2010对原始数据进行计算；在SPSS24.0运用LSD方法对各处理下土壤干缩裂缝指标及拟合参数进行多因素方差分析；使用1stOpt软件进行裂缝与含水率之间关系的三直线模型拟合；运用Origin 2017拟合四参数log-logistic方程及绘制图形。

2 结果与分析

2.1 土壤干缩裂缝视觉描述

从试验处理500余张图中，选取4种土壤再生水原液处理（RW）部分二值化图片描述干缩裂缝发育过程。由图2可知，土壤干缩裂缝发育具有一定的随机性，4种土壤干缩裂缝发育过程存在差异，潮土、水稻土、紫色土干缩裂缝形成及发育较快及裂缝长度较长、面积较大。但总体发展趋势呈现：当>25%～40%时，干缩裂缝发育主要以裂缝骨架结构为主，总体发育速率较为缓慢；>12%～25%时，随着裂缝骨架进一步延伸以及拓宽，裂缝发育速率总体增加；=0%～12%时，裂缝面积发育速率减缓并趋于稳定，裂缝骨架结构基本保持稳定，仅宽度增加，发育过程与李文杰等[22]研究结果相似。

2.2 再生水灌溉土壤干缩裂缝面积密度演变特征

由图3可知，不同浓度再生水处理下干缩裂缝面积密度曲线呈现差异，表明再生水灌溉影响土壤干缩裂缝面积发育过程。相较于对照组（CK），RW-6、RW-4、RW-2、RW处理下红壤初始裂缝含水率（0）分别减少27.5%、57.9%、57.9%、20.3%，潮土0分别增加1.7%、1.6%、35.5%、10.1%，水稻土0分别增加36.4%、18.1%、27.3%、18.2%，紫色土0分别增加1.5%、3.5%、4.6%、7.7%。在同样蒸发条件下，与CK组比较，各处理红壤0降低，说明产生裂缝的持续蒸发时间延长，而其余3种土壤与红壤相反，这表明再生水灌溉抑制红壤及促进其余3种土壤干缩裂缝的形成。从图3中裂缝面积密度曲线与轴交点获得干缩裂缝稳定状态面积密度（Rc(0)），相较于CK组，各处理下红壤Rc(0)平均减小33.6%，最高减小54.3%，潮土、水稻土、紫色土分别平均增加50.9%、22.2%、36.6%，此外，RW-4处理下潮土、水稻土及紫色土0及Rc(0)均为较小值，其余3种处理下3种土壤Rc(0)随再生水浓度增加而增加。表明再生水灌溉抑制红壤、促进其余3种土壤干缩裂缝面积发育，对3种土壤Rc(0)促进作用从大到小依次为潮土、紫色土、水稻土；就不同浓度再生水对土壤Rc(0)促进效果而言，除RW-4对Rc(0)促进作用最小以外其余处理对Rc(0)促进作用呈随再生水浓度增加而增大的趋势。因此，再生水灌溉土壤需根据土壤类型合理控制再生水浓度。

采用三直线模型拟合干缩裂缝面积密度及含水率的关系，具体拟合参数见表3，由表可知，调整后2均为0.99以上，表明三直线模型能够很好地描述土壤裂缝面积密度随含水率变化的关系。

为进一步研究再生水对土壤干缩裂缝开裂过程的影响，引入相对参数值（不同浓度再生水灌溉下4种土壤干缩裂缝曲线拟合参数与CK组拟合参数的比值）。由表4可知，各处理下红壤裂缝面积密度拟合参数相对值均小于1，相对值均大于1，此外，RW-6处理下为最大值、为最小值以及为较小值，表明相较于CK组，再生水灌溉会使红壤面积密度发育过程减缓段发育速率增加，初始段与加速段发育速率降低，减少各阶段间发育速率的差异，使红壤干缩裂缝面积发育过程更为平缓，其中RW-6处理下红壤干缩裂缝面积发育过程最为平缓。各处理下潮土裂缝面积密度拟合参数A相对值均大于1，B相对值接近1，且随再生水浓度增加，相对值分别呈增大、减小的趋势，表明再生水灌溉提升潮土干缩裂缝面积在初始段、加速段的发育程度，提升作用随再生水浓度降低而增加。各处理下水稻土裂缝面积密度拟合参数A、B相对值均大于1且A、B的平均相对值为1.98和1.13，除RW处理以外，其余3种处理的相对值小于1、及相对值接近或大于1，此外，相较于RW及RW-6处理，RW-2及RW-4处理的较小及AB较大，表明再生水灌溉整体提升水稻土干缩裂缝面积在初始段、加速段的发育程度，其中RW-2、RW-4处理提升作用最大。除RW-4以外其他处理下紫色土A、B相对值均接近1，RW-6、RW处理下相对值大于1及相对值小于1，RW-2处理下相对值小于1及相对值大于1，说明RW-6、RW处理提升水稻土裂缝面积在加速段、减缓段的发育程度，RW-2处理提升水稻土裂缝面积在初始段的发育程度。以上结果表明：再生水灌溉影响4种土壤干缩裂缝面积发育过程，红壤面积发育过程更为平缓，其余3种土壤干缩裂缝面积发育更为集中于发育过程的初始段及加速段，且较低浓度再生水集中作用更大。因此，再生水灌溉除控制再生水浓度以外，还须合理控制灌溉水量。

表3 土壤干缩裂缝面积密度三直线模型拟合参数

注：AB分别为加速段与减缓段临界点、初始段与加速段临界点的质量含水率，%；分别为初始段、加速段及减缓段面积密度变化速率；为经验常数。下同。

Note:AandBare water content of the critical points between the accelerated stage and the decelerated stage, and the critical points between the initial stage and the accelerated stage, %,,, andare the developmental rate of the area density of the initial stage, the accelerated stage, and the decelerated stage;,, andare the empirical constants. Same as below

表4 土壤干缩裂缝面积密度拟合参数相对值

注：A、B、、和的相对值分别为不同土壤各处理的面积密度拟合参数A、B、与其CK组拟合值的比值。

Note: The relative value ofA,B,,,andare ratios of area density fitting parametersA,B,,,andof different soil treatments to the fitting values of CK group, respectively.

为定量分析不同浓度再生水灌溉亚热带土壤干缩裂缝面积发育过程，采用三直线模型拟合面积密度发育程度（DLRc）与含水率的关系。拟合结果见式（9），调整后2为0.886（<0.05），说明三直线函数能较好地反映两者关系。其中，面积密度发育程度发育过程的初始段、加速段及减缓段的含水率范围分别为>22.67%～0、>17.20%～22.67%、0～17.20%，面积密度发育程度变化速率分别为0.017、0.037及0.020。

2.3 再生水灌溉干缩裂缝长度密度演变特征

由图4可知不同浓度再生水处理下干缩裂缝长度密度曲线呈现差异，表明再生水灌溉影响土壤干缩裂缝长度发育过程。相较于对照组（CK），RW-6、RW-4、RW-2、RW处理下红壤稳定状态长度密度（Lc(0)）分别减少9.5%、14.3%、34.9%、35.4%。RW-4处理下潮土、紫色土Lc(0)分别减少4.1%及24.5%以及水稻土Lc(0)增加30.0%，其余3种处理下潮土、紫色土、水稻土Lc(0)分别平均增加22.7%、25.0%、12.1%，此外，除RW-4以外，其余3种处理下3种土壤Lc(0)随再生水浓度增加而增加。结果表明再生水灌溉抑制红壤及促进其余3种土壤干缩裂缝长度的发育，对红壤Lc(0)的抑制作用呈随再生水浓度增高而增大的趋势。对其余3种土壤Lc(0)促进作用从大到小依次为紫色土、潮土、水稻土，就不同浓度再生水对土壤Lc(0)促进效果而言，除RW-4对Lc(0)促进作用异常以外其余处理对Lc(0)促进作用整体呈现随再生水浓度增加而增大的趋势。

采用四参数log-logistic模型拟合裂缝长度密度及含水率的关系，具体拟合参数见表5，由表可知，调整后2均达到0.95以上，表明四参数log-logistic模型能够很好地描述土壤裂缝长度密度随含水率变化的关系。

表5 土壤干缩裂缝长度密度拟合参数值

注：1、2分别为含水率为0以及饱和含水率时干缩裂缝长度密度的临界值；为特征参数拟合曲线的拐点；为发育速率峰值。

Note:1and2are the critical values of length density of desiccation crack when water contentis 0 and saturated water content, respectively;is the inflection point of the characteristic parameter fitting curve; −is the maximum developmental rate.

表6为各处理下4种土壤裂缝长度密度四参数log-logistic模型拟合参数加速段长度（PD）、减速段长度（PA）、发育速率峰值（−）与CK组拟合参数的比值（参数相对值）。红壤及紫色土PD相对值大于或接近1且相对值均小于1，表明相较于CK组，再生水灌溉使红壤、紫色土长度发育过程加速段延长或保持不变以及峰值速率减缓，整体使红壤及紫色土长度发育过程更为平缓。潮土PD及相对值均大于1，表明再生水灌溉使潮土加速段延长以及其速率增加，整体提升潮土在加速段发育程度。

为定量明晰不同浓度再生水灌溉亚热带土壤干缩裂缝长度发育过程，采用四参数log-logistic模型拟合土壤干缩裂缝长度密度发育程度（DLLc）与含水率的关系，其调整后2为0.87（<0.05），表达式见式（10）。拟合结果表明，在裂缝长度密度发育程度的加速段及减缓段含水率范围分别为>28.06%～0及0～28.06%，长度密度发育程度变化速率峰值为4.56。

2.4 再生水灌溉干缩裂缝连通性系数演变特征

由图5可知，不同浓度再生水处理下干缩裂缝连通性系数曲线呈现差异，表明再生水灌溉影响土壤干缩裂缝连通性系数发育过程。相较于CK组，各处理下红壤(0)变化为−10.81%～0.77%，平均为-3.86%，潮土(0)变化为−0.48%～23.15%，平均为9.31%，水稻土(0)变化为−17.80%～4.62%，平均为-5.00%，紫色土(0)为4.41%～31.74%，平均为19.52%，表明再生水抑制红壤、水稻土及促进潮土、紫色土干缩裂缝连通性的发育。就再生水对4种土壤干缩裂缝连通性的抑制或促进作用而言，其作用从大到小依次为紫色土、潮土、水稻土、红壤。就不同浓度再生对土壤(0)促进效果而言，整体呈现随再生水浓度增加而增大的趋势，这与各处理对Rc(0)及Lc(0)促进作用趋势相似。

表6 土壤干缩裂缝长度密度拟合参数相对值

注：PD、PA、分别为长度密度发育过程加速段长度、减速段长度、发育速率峰值。PD、PA、相对值分别为各处理长度密度发育过程参数PD、PA、与CK组拟合值的比值。

Note: PD, PA are the length of accelerated stage and decelerated stage in the developmental process of length density, respectively andis the maximum developmental rate. The relative value of PD, PA,are the ratios of the parameters of length density under each treatment to the values of CK control group.

为定量明晰不同浓度再生水灌溉亚热带土壤干缩裂缝连通性系数发育过程，采用四参数log-logistic模型拟合相对裂缝连通性发育程度与含水率的关系，其拟合结果调整后2为0.87(<0.05)，表达式见式（11），拟合结果表明，裂缝连通性发育程度的加速段及减缓段含水率范围分别为>26.27%～0及0～26.27%，连通性系数发育程度变化速率峰值为4.50。

2.5 干缩裂缝参数与灌溉水质及土壤理化性质交互性分析

表7为裂缝指标、拟合参数与土壤类型、再生水浓度的多因素方差分析值。其中长度密度、连通性系数、面积密度拟合参数B长度密度拟合参数的2均小于0.70，说明饱和模型对上述指标的拟合效果较差，其不仅受到土壤及再生水因素影响，还受到其他因素影响[24]。除上述指标以外，土壤类型×再生水因素下其余指标的值小于0.05，说明土壤类型和再生水对面积密度及其余5个拟合参数产生了显著的交互作用。其中，土壤类型因素下面积密度、拟合参数以及再生水因素下拟合参数A−的值分别最大，表明主要受土壤类型影响的指标包括面积密度、面积密度拟合参数；主要受再生水浓度影响的指标为面积密度拟合参数A及长度密度拟合参数−。

表7 干缩裂缝参数与再生水浓度、土壤类型交互性分析

注：** 表示在0.01水平（双侧）上显著相关；* 在0.05水平（双侧）上显著相关。

Note: ** indicates significantly correlated at 0.01 level (bilateral); * indicates significantly correlated at 0.05 level (bilateral).

3 讨 论

3.1 再生水灌溉典型亚热带土壤干缩裂缝演变趋势分析

研究[20,25-27]指出，土壤干缩开裂的机理为：土体含水率降低导致液桥体积减少，并在土颗粒间形成弯液面，从而液桥表面张力引起的基质吸力增大并将土壤颗粒逐渐拉近，当基质吸力增大、土体收缩不均匀等因素引起的张拉应力大于土体抗拉强度时，土壤颗粒发生相对位移，部分颗粒间距相对增加而部分相对减少，在宏观表现上为土壤收缩与开裂。本文研究表明再生水可一定程度抑制红壤开裂，一方面，再生水灌溉使红壤细小颗粒分散并流失，小孔隙连通形成大孔隙[17]，进而造成红壤局部基质吸力及其引起的张拉应力下降。另一方面，红壤肥力较差及EC较低，再生水灌溉存在有机质及盐份累积的现象[28]，有机质数量及一定程度高阶盐离子浓度的增加可促进微团聚体间胶结及粘粒絮凝，进而增加土体抗拉强度。同时，有机质会使土壤结构松散并促进其收缩均匀性[29]。

本研究发现再生水促进潮土、水稻土、紫色土开裂。一方面，再生水中较高浓度盐离子进入土体后，使土壤悬液中盐离子浓度增加并使土壤团聚体中胶结物质糊化变为溶胶[30]，并在较高浓度Na+离子的分散及膨胀作用下，形成增厚胶粒双电层，导致土壤颗粒间距增加及土壤颗粒间粘聚力减弱[31]，张展羽等[18]通过黄褐土干缩裂缝试验得到土壤盐分含量越大，稳定时土壤裂缝面积密度越大的研究结果与本研究相似。另一方面，再生水灌溉可能使表面活性剂累积从而产生表面活性剂胶束颗粒，进一步导致团聚体的分散[32]，土壤收缩均匀性及抗拉强度的降低促进其干缩裂缝的形成及发育。

胀缩曲线中的三段线模型、四参数log-logistic模型都能较好地拟合其裂缝发育过程，验证了Tang等[20]关于Romainvile膨胀土干缩裂缝与土壤胀缩特性相关程度很高的观点。但是三段线模型中的有关物理条件（如进气点、膨胀极限等）及数学特点是否具有一致性，还有待进一步的研究。

3.2 再生水灌溉亚热带典型土壤裂缝演变特征及发育过程差异分析

土壤干缩开裂过程的张拉应力、抗拉强度常与土壤黏粒含量及类型、有机质数量及EC有关[33]，三者差异造成再生水灌溉红壤和其余3种土壤干缩裂缝演变及发育的差异性。红壤有机质含量最少，累积现象可能最为显著，因此相较于盐分、表面活性剂对裂缝的促进作用，有机质累积对于红壤干缩裂缝的抑制作用可能更大。其次，红壤的黏粒矿物主要为垛状结构的高岭石，黏粒晶胞粘结力较强，再生水中物质较难进入黏粒间，因此红壤黏粒间间距及相互作用力的被影响程度小于其余3种土壤，并且红壤膨胀特性弱于主要黏粒矿物为伊利石、云母类的其余3种土壤，在遇水膨胀过程中土壤颗粒间的相对位移及排列方式受到影响较少，土壤结构受到破坏程度较小。此外，红壤EC值小于其余3种土壤，土壤高价位盐离子浓度的提高会缩短双电层厚度，增强土壤胶体的絮凝能力，有助于提高团粒结构的形成。但是，其余3种土壤EC较高，随着盐离子浓度的增加，当土壤絮凝能力达到限值后，Na+离子的分散作用可能表现更加明显，从而导致土壤团聚体的破坏及其结构的变化[16]。

悬液的理化条件决定黏粒间相互作用。在一定阈值内，高阶盐离子浓度的提高对黏粒絮凝的促进作用可能大于Na+离子的分散作用。同时，表面活性剂也存在相似现象，低浓度表面活性剂进入土体后，会以离子或分子的形式存在，表面活性剂上长链烷基之间的范德华力作用有利于土微小团聚体的形成，当其浓度增加超过临界胶束浓度时，表面活性剂会导致团聚体分散[32]。此外，文献[28]发现相较于其余浓度再生水，稀释4倍再生水灌溉下土壤有机质含量相对较少。上述因素可能是RW-4处理下存在异常的原因，但是主要影响因素以及各因素阈值还有待进一步研究。

本研究表明土壤干缩开裂不仅与土壤理化性质相关，其开裂程度及过程同样受灌溉水质影响。但是再生水中成分含量复杂，造成的影响及程度也有所差异。本文仅从再生水的角度阐述其影响，未考虑再生水不同物质的影响，且有研究指出土壤悬液表面张力系数会影响土壤开裂，以及土壤开裂、闭合是两个不可逆过程[22,26]，因此再生水灌溉对土壤开裂的影响机理、开闭过程还有待进一步研究。

4 结 论

1）再生水灌溉抑制红壤及促进潮土、水稻土、紫色土干缩裂缝的形成与发育，就再生水浓度而言，除RW-4处理下促进作用异常外，其余处理随再生水浓度增高而抑制作用或促进作用增大。

2）各处理下土壤干缩裂缝面积发育过程呈三段式，长度、连通性系数发育过程呈S形。再生水灌溉使红壤干缩裂缝发育过程更为平缓，使潮土、水稻土、紫色土的干缩裂缝面积发育更集中于发育前期，且低浓度再生水集中作用更大。

3）土壤类型与再生水浓度对土壤干缩裂缝及其发育过程具有交互作用，其中土壤类型对面积密度及其发育过程减缓段的面积变化速率影响较大；再生水浓度对土壤干缩裂缝面积密度发育过程减缓段长度、加速段与初始段变化速率、长度发育过程变化速率峰值影响较大。

4）再生水灌溉亚热带土壤裂缝面积密度发育程度与含水率的关系可用三直线模型拟合，其中发育过程初始段、加速段、减缓段含水率范围分别为>22.67%～0（初始裂缝含水率）、>17.20%～22.67%、0～17.20%，各段发育速率分别为0.017、0.037、0.020；长度密度发育程度、连通性系数与含水率的关系可用log-logistic模型拟合，长度密度及连通性系数发育过程中加速段及减缓段含水率范围分别为>28.06%～0及0～28.06%、>26.27%～0及0～26.27%，变化速率峰值分别为4.56及4.50。

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Effects of reclaimed water irrigation on the evolution characteristics of desiccation crack of typical subtropical zone soils

Wang Wei, Wang Hui※, Chen Xiaoyue, Tan Shuai, Hu Chuanwang

(College of Water Resource & Civil Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The requirement for water resources is ever-increasing with the rapid development of the economy in China. Reclaimed water can be used to greatly alleviate the contradiction between supply and demand for fresh water. The unconventional water sources can also contribute to the structure of water supply, water pollution and ecological security in sustainable agriculture. But, long-term irrigation with reclaimed water may cause the change of soil physical and chemical properties, and then result in the development of desiccation cracks. This study aims to reveal the effects of reclaimed water irrigation on soil desiccation crack and the developmental process in the subtropical region. Four types of subtropical soils were selected as the test materials, including the red, Fluvo-aquic, purple, and paddy soil. Four concentrations of reclaimed water were also used for continuous irrigation, including original reclaimed water (RW) and diluted concentrations of 2(RW-2), 4(RW-4), 6(RW-6) times. An evaporation test was then carried out, where the digital image processing was combined to extract the parameters of soil desiccation cracks. The result showed that the reclaimed water inhibited the formation and development of desiccation cracks in the red soil. The inhibitory effect became more obvious, as the concentration of reclaimed water increased. Specifically, the water content of the initial crack, the area density, and the length density of the desiccation crack dramatically decreased by 57.9%, 54.3%, and 35.4%, respectively. By contrast, the reclaimed water promoted the formation and development of desiccation crack in the Fluvo-aquic, purple, and paddy soil. There were most promoting effects on desiccation crack areas of Fluvo-aquic soil, and desiccation crack length and connectivity of the purple soil, whereas, the least promoting effect was found in the paddy soil. Furthermore, the promoting effect became much stronger, as the concentration of reclaimed water increased,except in the reclaimed water-diluted concentration of 4 times. In addition, there was a balanced process of desiccation crack in the red soil, whereas, that concentrated in the early stage of Fluvo-aquic, purple, and paddy soil, indicating obvious concentration effect of reclaimed water with low concentration. It was also found that there were great influences of soil type on the developmental rate of crack area density in the initial stage, particularly on the developmental rate of connectivity index. Similarly, the concentration of reclaimed water presented a great influence on the length in the deceleration stage, the developmental rate in the accelerated and initial stage, and the maximum developmental rate of crack length density. A three-linear model was utilized to fit the relationship between the developmental degree of soil crack area density, and water content under reclaimed water irrigation. The water content of the initial, accelerated, and decelerated stages were 22.67% to the water content of initial crack, 17.20%-22.67%, and 0-17.20%, respectively, while the developmental rates of each stage were 0.017, 0.037, and 0.020, respectively. A four-parameter log-logistic equation was selected to fit the relationship between the developmental degree of length density and connectivity, as well as the water content. The water content of the accelerated and decelerated stages during the crack length development were 28.06% to the water content of initial crack and 0-28.06%, respectively, where the maximum developmental rate was 4.56, while the water content of the accelerated and decelerated stages during the development of crack connectivity were 26.27% to the water content of initial crack and 0-26.27%, respectively, where the maximum developmental rate was 4.50. The finding can provide a sound reference to develop the quality standards of reclaimed water for irrigation systems in the subtropical zone.

soils; water content; evolution characteristics; image processing; reclaimed water; desiccation crack; crack parameters; subtropical zone

王玮，王辉，陈潇岳，等. 再生水灌溉对亚热带典型土壤干缩裂缝演变特征的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(13)：55-65. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.007 http://www.tcsae.org

Wang Wei, Wang Hui, Chen Xiaoyue, et al. Effects of reclaimed water irrigation on the evolution characteristics of desiccation crack of typical subtropical zone soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 55-65. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.007 http://www.tcsae.org

2021-04-20

2021-06-09

国家自然科学基金项目（4147118，52009039）；湖南省战略性新兴产业科技攻关与重大科技成果转化项目（2020NK2003）；湖南省教育厅科学研究项目（18C0156，19C0907）；湖南省研究生教育创新工程和专业能力提升工程项目（CX20200658）

王玮，博士生，讲师，研究方向为土壤物理与农业水土环境。Email：4980097@163.com

王辉，教授，博士，博士生导师，研究方向为土壤物理与农业水土环境。Email：wanghuisb@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.007

S152.2; S278

A

1002-6819(2021)-13-0055-11