土体干缩开裂影响水分入渗和坡面产流的研究进展

臧 俊, 彭旭东,3,戴全厚

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 土壤侵蚀与生态修复研究中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站，贵州 贵阳 550025)

随着全球性极端天气频发，干湿变化下土壤更容易失水收缩开裂形成干缩裂隙，也容易因增湿膨胀而闭合。与喀斯特地区岩溶裂隙相似，土体干缩裂隙亦可作为土壤水分入渗的重要通道，并进一步影响坡面产流过程。然而，现有研究多关注膨胀土或黏性土的干缩裂隙发育过程与机理，缺乏对土体干缩开裂影响土壤水分入渗和坡面产流的深入研究和系统总结。本研究基于Web of Science核心合集2008—2021年数据和CNKI数据库1936—2021年数据，通过综合分析土体干缩裂隙的发育过程及对土壤结构影响的研究进展，总结了土体干缩开裂对土壤水分入渗和坡面产流的作用，以期为深入了解气候变化对土壤水分入渗、坡面产流及土壤侵蚀的影响提供参考。

1 干缩裂隙—入渗产流相关文献统计

本研究于2021年12月10日，基于Web of Science核心合集和CNKI数据库对土体干缩开裂相关文献进行统计。基于Web of Science核心合集2008—2021年数据，通过检索主题词“soil desiccation crack”或“soil cracking”或“soil drying shrinkage”或“soil dry shrinkage cracking”和“water infiltration”或“runoff yield”，得到相关文献12 448篇。基于CNKI数据库1936—2021年数据，通过检索主题词“土体干缩裂隙”或“土体裂隙”或“土体干缩”或“土体干缩开裂”和“入渗”或“产流”，得到相关文献844篇，其中与入渗相关论文47篇，与产流相关论文4篇。基于上述数据，对土体干缩裂隙发育过程，及其对土壤结构、土壤水分入渗和坡面产流的影响等相关文献成果进行整理分析。

2 土体干缩裂隙发育过程研究

裂隙是在干燥条件下，土壤水分蒸发后产生的张拉应力超过了土体的抗拉强度，土壤孔隙逐渐扩展形成的次生结构面[1]。总体来说，土体干缩裂隙的发育过程存在初始、初级和稳定3个阶段。初始阶段裂隙发育缓慢，蒸发只发生在土壤表面，初级阶段裂隙发育显著，达到稳定阶段后裂隙便不再扩展[2]。在裂隙发育过程中，形成的次级裂隙总是垂直于上一级裂隙，且发育速度快，长度、宽度均小于上级裂隙，最终形成不规则的网状结构[2]。一级裂隙的走向具有随机性，通常出现在交界面处，因此交界面特征对裂隙的深度发育及形态等有显著影响[3]。与无边界约束的土壤相比，存在边界约束时土壤更容易诱发干缩裂隙，但目前研究中多将边界约束作为外部影响而不是研究重点，如在室内试验时对获取的裂隙图像进行裁剪，只选取图像中心部分进行数据提取和分析[4]。

虽然土体每经历一次干湿循环，其土体结构和应力场都被重新调整，发育方向也有所不同，但在多次干湿循环后裂隙大多在初始位置上产生，且其形态不会有太多变化[5]，因此研究干缩裂隙的发育过程有助于有效预测裂隙的发育程度。随着干湿循环次数的增多，土体干缩裂隙的边缘越来越不规则、宽度及其差异逐渐缩小[2]，干湿循环次数增多在一定程度上抑制了土壤水分的入渗。裂隙形成后宽度及几何形态的演化直接取决于土块的收缩变形特性，总体上土壤收缩性越强，裂隙的发育程度越高[6]。植物的根系可以在根区周围提供一个防止土壤收缩的骨架以抑制裂隙的产生[7]，当裂隙骨架结构稳定后新的裂隙便不再产生，裂隙的形态结构也保持基本稳定，随后的土壤失水干燥只引起裂隙宽度和面积的增大[8]。在我国西南地区，虽然植被覆盖率高，但是土层薄、土壤涵养水分能力差，干旱时土壤极易发育形成裂隙，在雨季大量雨水的冲刷下原本被固着在根系周围的土壤又顺着根系进入裂隙从而发生流失。

目前对于裂隙形态的描述大多使用概念模型或数学模型，并且有研究者已向描述土壤团聚体的收缩年龄的方向发展，这些模型大多识别了结构性收缩、比例(即基本或正常)收缩、残余收缩和零收缩4个不同的收缩阶段[9]。随着计算机技术的应用，可通过建立模型再现干缩裂隙的动态形成过程，以实现对裂隙的准确预测，并为寻找有效抑制干缩裂隙产生的方法、降低裂隙的危害程度等提供依据。比如，FLOWERS et al.[10]采用裂隙的平均体积、深度和宽度等指标来描述裂隙形态特征；还有研究者通过裂隙的异质性、连通度和总密度3个指标特征，用几何的方法来描述裂隙形态[11]。但是，研究中尚存诸多问题，例如：现有模型仍无法精确描述地下深层裂隙的形态[12]，制约了喀斯特地区水土流失/地下漏失的研究发展；在试验过程中大多数研究者使用裂隙体积来表征土体干缩过程中的膨胀和沉降过程，还未有能够准确预测土体裂缝体积或尺寸的动态变化模型；双渗透率模型假定基质域和裂隙域为两个相互独立且统一的多孔介质并进行物理模拟[13]，这在实际应用时具有一定的局限性。这些在今后的研究中都有待进一步完善。

目前关于土体干缩裂隙发育的研究主要集中于裂隙形态、大小等方面，由于土体干缩裂隙的发育受环境温度、湿度，以及土壤颗粒组成、结构和土壤理化性质等多种因素的影响，且发育过程复杂，因此对于土壤颗粒间的开裂变化机理仍不明确。在土体干缩裂隙形成的过程中，土体含水率、土层厚度和温度均会对其发育产生一定的影响，达到土壤开裂的临界含水率便发生开裂[14-15]，因此确定土壤开裂的临界含水率成为土壤裂隙形成与发展的主要研究内容之一。研究表明，即使是在初始状态相同的土体中，其裂隙形成的含水率临界值也是不确定的，临界含水率与温度、土层厚度、土壤条件等有关，随温度、土层厚度的增加而增加[16]。此外，土体中的黏粒含量也是影响裂隙出现的主要因素[17]，黏土矿物颗粒的水化膜和土壤中孔隙的存在为土体干缩变形及裂隙发育提供了必要的空间，是土壤收缩变形特性的重要基础。

3 干缩裂隙对土壤结构的影响研究

土壤结构是土壤颗粒的排列组合形式，影响着土壤的诸多性质和功能[12]。土体中水分运移影响土壤的失水速率，进而影响土体的孔隙结构。近地表土壤裂缝的存在会影响其水力学性质，导致土体在干燥过程中所产生的吸力也随之变化[13]。同时，土壤结构的基本单元为土壤颗粒，其大小的变化和差异是导致土体干缩开裂的影响因素之一，土壤颗粒的粗细状况和土壤质地也是水土流失的影响因素之一[18]。现今极端天气频发，极度干旱、湿润的天气转换极易导致土壤在干湿交替的过程中出现裂隙。而裂隙的产生又导致土体结构发生改变，极大地破坏了土体结构的整体性，降低了土体强度，进而导致土体在重力作用下发生失稳和崩塌，对土质边坡工程及水利工程造成重大危害。比如：路面工程中，因裂缝引起的土体结构稳定性减弱，使土体变得更具有压缩性，降低了道路使用年限[19]；垃圾填埋场覆盖系统中，裂隙诱发的优先流路径会造成地下水污染和空气污染[20]；此外，还可能导致堤坝的灾难性破坏，造成经济和生态损失[21-22]。因此，必须对干缩裂隙的发育程度及发展趋势进行准确评估，以便采取合理有效的预防措施。

研究发现，许多黏性土在土体干湿循环的过程中，干旱失水时土体收缩，黏土颗粒间水化膜变薄，间隙增加产生裂隙的同时导致地表发生沉降；湿润时土体膨胀，黏土颗粒间的水化膜变厚，裂缝逐渐封闭而土壤表面逐渐上升[23]。反复的干湿循环并没有导致土壤中土壤颗粒和其孔隙之间距离的重组，而是在随后的干燥周期中，以前被破坏的区域被重新激活[18]，这为在下一次干湿交替时预测裂隙出现的位置提供了可能。冯守中等[24]提出蒸发和降雨引起的干缩裂缝对非饱和土边坡结构的稳定性影响很大，可能诱发边坡土体裂缝的发育和闭合，在降雨过程中更易导致滑坡，且裂缝位置越靠近边坡边缘其裂隙度越大。申同庆等[25]研究发现作物根系对土壤干缩开裂有明显的抑制作用，可适当减轻干缩裂隙对土壤结构性的影响，增大局部土体的抗拉强度并且限制土体的蠕移运动。目前研究人员的研究方法主要为室内模拟和现场试验两类[26]。室内试验需要精确控制环境变量，以减少环境因素的干扰，但现有的试验条件难以反映原状土的复杂结构和还原自然蒸发条件，因此在今后的研究中应加强现场试验，优化干缩裂隙对土壤结构影响程度的试验条件，使其更符合现实情况。

4 干缩裂隙对水分入渗的影响研究

入渗是水渗透到土壤中的过程，水分入渗过程实际上是土体中水分在土体孔隙中流动并代替空气占据土中孔隙的十分复杂的过程。土壤的入渗能力被描述为土壤吸收水分的最大速率，是评价水分入渗的一个重要参数[27]。目前关于裂隙对土壤入渗能力影响的试验成果有限，有研究认为土壤开裂能短暂地提高土壤入渗率，入渗能力特别是初始入渗速率因干缩裂隙的影响而增大[28]，但随着增湿过程中裂隙逐渐闭合，土壤入渗率下降并逐渐返回到未开裂土壤的状态；也有研究认为土壤入渗速率基本不受干缩开裂的影响[29-30]。具有特殊二元三维空间结构的喀斯特地区具有丰富的地下水，而岩溶裂隙是连接降水、地表水及地下水的纽带，是影响地表和地下径流、泥沙分布的主要因素[29]。土体干缩裂隙中的水分具有明显的随季节性干湿交替变化的特点，这对土壤入渗速率影响很大，因此探究喀斯特地区水分在干缩裂隙中的入渗情况，对当地的水土流失治理及石漠化防治具有重要意义。

在土体干缩裂隙发育过程中，裂隙为水分入渗提供了优先流通道，增加了土壤入渗速率，但同时水分运移也携带养分、农药等物质发生运移，加快了土壤中养分的流失和地下水污染[31-32]，因此干缩裂隙对土壤水分入渗的影响目前尚存在争议，这也吸引了更多研究者对干缩裂隙带来的影响进行研究，希望更好地将裂隙的产生控制在有利的范围内。由于水分入渗导致在土壤浅层产生的孔隙水压力降低和单位土壤质量增加，极大地破坏了土体的稳定性，因此研究人员根据水分入渗的深度来估计被破坏土体的体积[33-35]，进一步预测水土流失量，以期为水土流失防治工作提供理论依据。

由于水分入渗受多重因素的影响，因此对干缩裂隙影响土壤水分入渗方面的研究存在一定难度。研究发现，干缩裂隙的深度对土壤水分运移也有一定影响，深度较大的裂隙在增湿过程中闭合相对缓慢，这是因为裂缝提供的通道显著增加了土壤的导水性，水在裂缝中流动并迅速到达了裂缝土壤的深处[36-37]。汪星等[38]在对黄土丘陵区降雨入渗的研究中发现降雨类型(快速蒸发型、缓慢蒸发型和入渗主导型)可对土壤水分的入渗产生重大影响，这为水热条件不同的喀斯特地区水分入渗的定量研究提供了一种新思路；卫三平等[39]研究认为在黄土高原丘陵区的土壤干化现象导致其土壤水分循环出现隔离层，水分移动性变差，进而导致植被无法利用更深层次的水分而增加了其对年降水量的依赖程度，但对植被资源丰富的喀斯特地区土壤干化出现裂隙对水分入渗的影响还有待考证。

5 干缩裂隙对坡面径流的影响研究

石质坡面的径流是表层岩溶带产流、超渗产流和饱和产流的集合。裂隙的产生为雨水快速入渗提供了更加便捷的通道，但同时也加重了坡面的水土流失[40]。因此，迫切需要对干缩裂隙影响坡面径流的机理开展研究。干湿交替驱动下土壤裂隙存在开裂与闭合两个不同的过程，裂隙开裂会增大水分入渗并减小坡面产流，但裂隙闭合过程对水分入渗及坡面产流的影响目前仍存在争议[41-43]。杨智等[44]认为裂隙对坡面水土流失的影响主要取决于裂隙度，裂隙度越大则地表径流量越小；也有学者认为喀斯特地区地下裂隙度与坡度共同影响着地表径流和地下径流的分配，干湿交替驱动土体裂隙发育能抑制地表径流的产生，主要是因为一方面裂隙提供了水分运移的优先通道[45]，另一方面水分通过裂隙时使更多深层土体达到充分的饱和[44]。有国内学者通过电钻打孔模拟土体裂隙网络的方法定量分析裂隙对坡面流的影响，发现随着降雨强度的增大，平均坡面径流系数较无裂隙减小，而降雨入渗系数增大[39]。另外，何毓蓉等[46]认为干缩裂隙是导致边坡崩塌的重要原因之一，且在不同的土层深度裂隙面积比不同。在土层薄、岩石裸露率高的喀斯特地区，土壤在干湿交替下不仅会出现裂隙还会发生土壤蠕移现象，加剧了当地的水土流失状况。目前，对于土体干缩裂隙的研究主要集中在坡地产流产沙和地表径流上，随着极端天气频发，干缩裂隙现象增多，裂隙对坡面径流的影响将成为新的研究热点。

6 结论与展望

国内外研究人员对土壤失水收缩形成干缩裂隙的发育过程、机理及影响因素等进行了大量探索，取得了重要的研究进展。土体干缩开裂影响着土壤结构及理化性质，进一步影响降雨入渗和坡面产流，以及土壤侵蚀的产生。对于不同地区、不同土体的干缩裂隙情况及其对土壤结构、水分入渗、坡面径流、土壤侵蚀等方面的影响仍有一些问题值得关注。

(1)全球气候变化引起了大幅度、大范围的环境变化，导致土体干缩裂隙发育愈加普遍和剧烈。土体干缩开裂发生后，黏土矿物颗粒表面水化膜和土壤中孔隙的存在致使土体干缩裂隙进一步发育；在大多非黏性土体中，黏土矿物颗粒排列、间隙等发生了改变，造成土体结构整体性降低，发生失稳和崩塌。目前急需开展对不同土壤类型干缩裂隙发育及其对土壤结构影响的研究，以深化对土壤特性的认识。

(2)当前关于干缩裂隙对水分运移的影响还未进行全面深入的研究。不同地貌、不同地质背景、不同退化程度的区域内裂隙发育情况不同，限制了对干缩裂隙影响水分入渗的研究，难以形成系统的认识。目前关于土体干缩裂隙对土壤水分入渗的影响尚存在争议，裂隙在增湿条件下逐渐闭合，由开裂到闭合这一短暂过程究竟对土壤水分入渗作用有多大，还有待进一步研究。

(3)干缩裂隙可在一定程度上减少坡面径流，但对不同类型土壤裂隙的描述及裂隙对坡面径流的影响是否还受其他因素制约等问题尚不清楚。同时，关于干湿循环作用下裂缝闭合时的坡面产流及裂隙的产生机理等问题的研究还不深入，因此迫切需要对干缩裂隙和坡面产流展开研究，以深化对土壤侵蚀机理的认识。