土壤表层结皮失水裂缝形态发育规律研究

2021-11-09李建德徐飞飞

灌溉排水学报 2021年10期

杨昌，王健，李建德，徐飞飞

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100）

0 引言

【研究意义】裸露地表在雨滴打击、压实和水流分散的作用下，土壤表层颗粒被破坏分散成小颗粒且不断被夯实和板结，而在土壤黏结和淋溶等作用下土壤表层细小颗粒会黏聚成团聚体，从而形成1 层2～3 mm 结构致密的土层，即土壤物理结皮[1-2]。土壤物理结皮具有表面强度大、孔隙小、导水性差等性质[3-4]。由于土壤物理结皮的形成机制及特性的不同，可以分为结构结皮和沉积结皮。结构结皮是由雨滴打击分散土壤团聚体，同时细颗粒重新排列组合而形成的一层低透土层，沉积结皮是泥沙颗粒通过径流在微地形和植物的拦截作用下导致流速减缓，从而在地势较低处沉积形成[5]。

在实际生活中，当坡面降雨时，土壤会经历降雨湿润—脱水干燥的过程，而随土壤脱湿变干，地表常易形成龟裂裂缝，且对于坡面不同位置，裂缝形态发育亦存在差异[6]。【研究进展】张中彬等[7]研究发现，土壤失水时，由于土壤涨缩变形作用，土地表面薄弱部分会形成裂缝；李文杰等[8]研究壤质黏土干缩裂缝的开闭合规律发现裂缝的开裂与闭合不具有可逆性；赵贵刚等[9]研究了云南红土的开裂规律发现体积质量越大，红土样越容易开裂；段赫等[10]发现土壤有机质和体积质量差异影响了耕作层和犁底层裂缝的开裂特征。裂缝的形成为坡面薄层径流汇集形成股流提供了通道，从而影响土壤侵蚀发育过程，土壤结皮作为土壤表层，结皮的发育及特性与裂缝的形成及发育进程密切相关。由于2 类物理结皮的形成方式与机理具有差异，结皮土壤结构、孔隙度及透水性也因此存在显著差异[11]。同时，由于坡面不同位置地表结皮干燥时其失水速率和受收缩力方向不同，进而影响裂缝的产生与发育。马施民等[12]研究发现土体拉伸变形达到或超过土体的极限抗拉强度时，地表就可能产生裂缝，而结皮特征是影响土体的极限抗拉强度和抑制土体开裂的重要因素。因此，研究土壤结皮发育对裂缝形态特征的影响极为重要。

【切入点】目前有关于裂缝发育的试验多针对均匀介质下裂缝形态发育特征与规律，而鲜有研究物理结皮对土壤裂缝的开裂规律及机制的影响。【拟解决的关键问题】因此，通过人工模拟降雨试验，在形成结构结皮和沉积结皮的土壤上分析裂缝失水过程中其几何形态特征和发育规律，明确结皮特性对裂缝发育的影响，以期探索坡耕地土壤侵蚀机理、推动坡耕地农业发展，进一步为探究耕作区域下的细沟形成机理和地下水来源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治教学实验基地，东经107°59′—108°08′，北纬34°14′—34°20′，该区为温带大陆性季风气候，年平均气温12.9 ℃，年降雨量500～700 mm，年均日照时间2 196 h，无霜期210 d。试验土壤选取杨凌0～20 cm耕层塿土，按照美国制土壤分类方法，其颗粒组成为：砂粒质量分数（>0.05 mm）3.97%，粉粒质量分数（0.002～0.05 mm）65.74%，黏粒质量分数（＜0.002 mm）30.29%，中值粒径13.31 μm。土壤比表面积1.17 m2/g。土壤有机质量9.78 g/kg，属于粉质壤土。

1.2 研究方法

含水率测量设备为建大仁科公司研发的土壤温湿度水分传感器，测量水分精度为±3%，电导率精度为±3%，水分量程为0%～100%，响应时间＜1 s。

使用Photoshop 2020 对所摄裂缝图像进行矫正，消除因人为拍摄导致的光线差异、角度偏差、曝光不均匀等问题。为消除框选区域边缘对于裂缝的不规律影响，利用Photoshop 2020 裁剪出试样中心直径为20.0 cm 的圆形区域作为研究对象，利用MATLAB 2017 图像处理功能进行图像的灰度化、二值化、杂点去除、边缘分析以完成裂缝的识别及提取，并用Region props 函数完成裂缝面积和周长的提取。

图1 裂缝发育俯视图Fig.1 The top view of developmental crack

待土壤表层裂缝发育完全后对结皮体积质量、颗粒组成进行测定。因土壤物理结皮为不规则体积土壤，因此本试验采用石蜡法测定结皮体积质量，将土壤结皮剥离后，称其质量，然后将其浸入融化的石蜡中，待表层石蜡冷却凝固，放入盛有一定水量的量筒中，记录排开水体积，从而计算土壤结皮体积质量。结皮土壤颗粒组成的测定则采用马尔文激光粒度仪进行测定，将土样剥离后过2 mm 筛，称取土样5 g，加入10 mL 质量分数为30%的过氧化氢，置于温度为72 ℃的沙浴上加热使其充分反应，以便充分去除土样内所含有机质，待反应结束后，将土样静置12 h；待气泡消失，加入去离子水稀释并静置12 h，去除上清液，反复进行直至调节pH 值为6.5～7.0；最后加入5 mol/L 的六偏磷酸钠10 mL 分散颗粒，采用频率为3 000 r/s 的超声波处理5 s 后用马尔文激光粒度仪Mastersizer 2000 测量土样颗粒粒径组成。

1.3 数据处理

裂缝面积率为裂缝面积与研究区域面积的比值，其计算式为：

式中：RC为裂缝面积率（%）；Ai为第i条裂缝的面积（mm2）；A0为研究区域面积（mm2）。

裂缝长度密度为裂缝长度与研究区域面积的比值，其计算式为：

式中：LC为裂缝长度密度（cm/cm2）；Li第i条裂缝的长度（cm）；A0为研究区域面积（cm2）。

裂缝平均宽度为裂缝面积与裂缝长度之比，其计算式为：

按照配比称取聚氨酯丙烯酸酯(B-286c)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮(907)于100 mL烧杯中，搅拌均匀得到透明的淡黄色粘稠液体，即所需的自由基型紫外光固化材料，对其编号并置于暗处贮存。

式中：Wi为裂缝平均宽度（mm）。

连通性指数K的计算式为：

式中：K为裂缝连通性指数；NBP为裂缝交叉点数；NEP为裂缝端点数。

试验所得数据均采用Excel 2003、SPSS 17.0 软件进行数据统计分析并作图，包括描述性统计分析和Pearson 相关性检验等。

2 结果与分析

2.1 结皮理化性质

表1 为人工模拟降雨30 min 时结构结皮、过渡带结皮、沉积结皮土壤体积质量及颗粒组成情况。结构结皮、过渡带结皮以及沉积结皮的体积质量不同，但无显著差异，其中结构结皮的体积质量最小，为1.709 g/cm3，沉积结皮体积质量最大，为1.745 g/cm3，过渡带结皮为1.724 g/cm3，介于二者之间。降雨击溅导致土壤表层颗粒重新分布，结构结皮、过渡带结皮以及沉积结皮的颗粒组成差异显著，其中结构结皮的砂粒质量分数占13.84%，粉粒质量分数占83.65%，黏粒质量分数占2.51%；沉积结皮的砂粒质量分数占9.80%，粉粒质量分数占87.34%，黏粒质量分数占2.86%；过渡带结皮的砂粒质量分数占12.01%，粉粒质量分数占85.33%，黏粒质量分数占2.66%。

表1 不同类型结皮土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of different types of soil crust

2.2 垄沟区域土壤结皮干缩裂缝网络几何形态特征

通过对垄沟区域不同部位土壤结皮表面干缩裂缝网络几何形态指标提取和计算（表2）可知，垄沟区域不同部位裂缝面积率（RC）、裂缝长度密度（LC）裂缝平均宽度（Wi）及连通性指数（K）均呈现不同变化趋势。其中，裂缝长度密度、裂缝面积率及裂缝平均宽度总体表现为DC＜TZ＜SC，结构结皮的裂缝面积率为6.34%，是过渡带结皮的1.80 倍，沉积结皮的3.75 倍；结构结皮的长度密度为0.44 cm/cm2，是过渡带结皮的1.26 倍，沉积结皮的2.59 倍；结构结皮的裂缝平均宽度为1.44 mm，是过渡带结皮的1.43倍，沉积结皮的1.50 倍。由此可以看出，结构结皮（SC）的裂缝长度最长，面积率大，结皮表面开裂及裂缝形态发育最为强烈、丰富，开裂明显，以板结开裂作为最主要的开裂形式，区块面积大。结构结皮含水率下降快且初始含水率低，弧线型隆起的表面使水分蒸发增大，同时弧状结构使结皮受到区块收缩力影响的同时被向下拉伸，造成了此区域裂缝宽度更大；沉积结皮（DC）的裂缝长度和开裂面积最小，因不受弧状结构影响，含水率下降慢且初始含水率高，开裂程度远小于结构结皮；过渡带结皮（TZ）结构较为稳定，开裂程度趋于二者之间。各区域间的连通性指数差异性不显著，但沉积结皮的裂缝交点数和端点数的平均值要高于结构结皮，是结构结皮的1.82 倍和1.55 倍，说明沉积结皮（DC）裂缝形态复杂多样。土壤裂缝发育过程中最初开展的裂缝称为一级裂缝，在一级裂缝成型之时，垂直于一级裂缝之上生成了长度较短的裂缝，将其称为二级裂缝，沉积结皮一级骨架裂缝周围二级裂缝发育明显，区块面积小、个数增多。不同类型结皮裂缝的发育过程也有所差异，结构结皮逆坡向裂缝最先发育，二级裂缝在此裂缝基础上发育成形；沉积结皮细小裂缝较多，且关联性不大，发育过程中相互连通形成主体框架；过渡带结皮初始开裂位置位于坡面中部，方向为逆坡向的近直线型，发育过程中朝四周扩散。

表2 不同类型结皮干缩裂缝几何形态特征Table 2 The geometrical morphology characteristics of desiccation cracks for different types of crust

2.3 结皮干缩裂缝网络发育规律

2.3.1 干燥过程中裂缝面积率的变化

裂缝面积率随土壤含水率变化情况见图2。裂缝面积率随着土壤含水率的下降而升高。在土壤干燥脱水过程中，裂缝面积率随着土壤体积含水率的降低而升高，到达某一值后逐渐趋于稳定。对于结构结皮，当含水率为20.36%时出现裂缝，当20.36%＞θ＞11.88%时，随着含水率的降低，裂缝面积率增加，当θ=11.88%时，裂缝面积率达6.34%。对于过渡带结皮，当θ为25.95%时出现裂缝，当25.95%＞θ＞16.84%时，随着含水率的降低，裂缝面积率增加，当θ=16.84%时，裂缝面积率达3.52%。对于沉积结皮，当含水率θ为27.50%时出现裂缝，当27.50%＞θ＞20.57%时，随着含水率的降低，裂缝面积率增加，当θ=20.57%时，裂缝面积率达1.69%。以沉积结皮为对照，结构结皮和过渡带结皮的裂缝面积提升率为375%和208%，发育完成时，结构结皮的裂缝面积最大。

图2 裂缝面积率随土壤含水率的变化Fig.2 Changes of the crack area rate with soil moisture content

2.3.2 干燥过程中裂缝长度密度的变化

图3 为裂缝长度密度随土壤含水率的变化情况。裂缝长度密度随着土壤含水率的下降而增多，裂缝的长度变化与面积变化差异较大，裂缝会在含水率降低的初期完成结构定型，后期稳定后几乎不再改变，所以长度的增加在裂缝发育的初期呈现出急速上升趋势，到达中后期不再发生变化。对于结构结皮，当20.36%＞θ＞15.65%时，随着含水率的降低，裂缝长度密度增加，当θ=15.65%时，裂缝长度密度达0.44 cm/cm2。对于过渡带结皮，当25.95%＞θ＞19.00%时，随着含水率的降低，裂缝长度密度增加，当θ=19.00%时，裂缝长度密度达0.35 cm/cm2。对于沉积结皮，当27.50%＞θ＞22.75%时，随着含水率的降低，裂缝长度密度增加，当θ=22.75%时，裂缝长度密度达0.17 cm/cm2。由于θ=25.25%时，沉积结皮的第3 组重复最迟开始发育，导致长度密度的平均值下降，引起曲线出现拐点。以沉积结皮为对照，结构结皮和过渡带结皮的裂缝长度密度增加量为259%和206%，发育完成时，沉积结皮的裂缝长度密度最低，结构结皮裂缝长度密度比过渡带结皮略高。

图3 裂缝长度密度随土壤含水率的变化Fig.3 Changes of the crack length density with soil moisture content

2.3.3 干燥过程中裂缝平均宽度的变化

图4 为裂缝平均宽度随土壤含水率变化情况，裂缝平均宽度随着土壤体积含水率的降低而升高。对于结构结皮，当20.36%＞θ＞19.13%和17.46%＞θ＞17.09%时，因为此区间内裂缝长度的增长速率大于面积的扩张率，导致平均宽度减小，随着含水率的降低，裂缝平均宽度减小，当θ＜17.09%时，随着θ的降低，裂缝平均宽度持续增大直至1.44 mm。对于沉积结皮，裂缝平均宽度的变化趋势与结构结皮相一致，在27.50%＞θ＞26.75%、26.01%＞θ＞25.25%和24.84%＞θ＞23.52%时，裂缝平均宽度减小，在θ＜23.52%时，裂缝平均宽度持续增加至0.96 mm。过渡带结皮初期裂缝定型最快，同时面积增加率一直大于长度增长速率，所以在25.95%＞θ＞16.84%时，裂缝平均宽度呈持续上升趋势，达到1.01 mm。裂缝发育完成时，沉积结皮和过渡带结皮的裂缝平均宽度差异较小，而结构结皮裂缝的平均宽度为三者之中最大。

图4 裂缝平均宽度随土壤含水率的变化Fig.4 Changes in the average width of cracks with soil moisture content

2.3.4 裂缝发育历时

图5 为裂缝面积率随时间增加实测值的变化情况。裂缝面积率随着时间（t）的延长而增长，在t＜49 h 时，结构结皮和过渡带结皮的裂缝呈现出一个急速增长的趋势，在49 h＜t＜168 h 时，结构结皮和过渡带结皮的面积率增长速率下降。沉积结皮的裂缝发育缓慢且平稳，从裂缝的总体发育时间来看，三者中，沉积结皮裂缝发育历时最长达357 h，是结构结皮和过渡带结皮的2.13 倍。

图5 裂缝面积率随时间变化规律Fig.5 The law of changes of the crack area rate with time

3 讨论

人工模拟的等高耕作坡耕地不同部位雨滴打击和泥沙沉积方式的差异导致了结皮性质差异，结皮性质尤其是体积质量和黏粒质量分数的差异又进一步影响了裂缝形态发育。Zhang 等[14]研究发现体积质量低的土壤更容易产生裂缝，其团聚体和土壤颗粒的接触点也少，有利于土壤的开裂。与沉积结皮相比，结构结皮表现为更低的土壤体积质量和黏粒质量分数，土壤颗粒的接触点更少，这种差别可能影响裂缝的发育过程及形态特征。结构结皮裂缝的长度密度、面积率和裂缝平均宽度均最大，二级裂缝较少，区块大多数以板结为主，表面完整，这是由于受到结构结皮土壤体积质量小，砂粒占比高的影响，土粒从砂粒、粉粒到黏粒，吸水性、黏结性、黏着性都逐渐增强，而通气性、透水性逐渐减弱，结构结皮相比沉积结皮土壤水分蒸发速率提升，黏着性下降，导致结构结皮裂缝的开裂更为明显。结构结皮顺坡向的裂缝宽度较小，而垂直于坡向的裂缝开裂程度大，这是干缩和塌陷共同作用的结果，裂缝宽度不仅受结皮本身性质影响，也受结皮两侧沉降的影响，马祥爱等[15]也认为塌陷在土体边缘更容易产生裂缝。有研究发现土壤的收缩能力与土壤黏粒质量分数呈显著正相关[6]，本试验中，沉积结皮的二级裂缝发育较多，这是由于沉积结皮黏粒数量较结构结皮和过渡带结皮更多，从而表现为收缩能力较强，细小裂缝发育更加丰富。

从土壤含水率分析，结皮裂缝的主体框架主要形成于含水率高的干燥初期；而在干燥后期，较少产生新的土壤裂缝，主要变化为宽度的增加，这与许多研究结果基本一致[16-17]。结构结皮裂缝发育会在含水率较低的区间内进行，而沉积结皮在土壤含水率较高时便开始出现裂缝，是由于沉积结皮主要以细颗粒为主，黏粒丰富，更容易使结皮形成易裂缝化结构，此结果与校亮等[6]研究坡积区裂缝时结果相似。裂缝开裂宽度和长度都会随着土壤含水率的减小而增加，直到某一值后不再变化，裂缝平均宽度会在发育前期呈下降趋势，是由于在裂缝发育前期长度增长率远大于面积增长率，引起裂缝宽度的平均值下降，张展羽等[18]认为裂缝长度在含水率为20%时达到最大值且保持稳定，之后随着含水率的减少，裂缝宽度增加。从发育历时上看，结构结皮裂缝和过渡带结皮裂缝在干燥初期发育较快，原因是结构结皮的粒径组成缺失了大量的细小颗粒，导致表面形成了易于水分快速蒸发的孔隙结构。沉积结皮出现裂缝最晚且发育历时最长，原因是沉积结皮细颗粒占比较多的特性，对结皮表面的开裂有一定的抑制作用，同时，沉积结皮土壤含水率损失缓慢，也一定程度上影响了裂缝的发育历时。在裂缝发育初期，过渡带结皮比结构结皮更快出现裂缝，是由于过渡带结皮不同程度交互作用所导致的。

在裂缝发育后期，沉积结皮表面会出现深度1 mm左右的细微裂缝，表现为从裂缝区块内几个位置的发散式发育，由边缘向内部卷起，这是由于沉积结皮表面的细小颗粒形成了土膜，从而在温度作用下导致的收缩翻卷。唐朝生等[19-24]发现温度越高，裂缝网络越简单，裂纹越宽，而在较低温度下，裂缝网络比较复杂，裂纹纤细且间距较密，表面比较破碎。因此本次试验没有检验的温差是否是导致裂缝发育的另一要素仍需进一步研究。由于本次试验的框选区域在试验区内等距规律选取，所以裂缝的初始发育位置会对试验结果造成影响，开始位置越少，结果则越规律，这点在裴银鸽等[25]的研究中也得到了论证。