土壤表層結皮失水裂縫形態(tài)發(fā)育規(guī)律研究

楊 昌，王 健，李建德，徐飛飛

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學 資源與環(huán)境學院，陜西 楊凌712100）

0 引 言

【研究意義】裸露地表在雨滴打擊、壓實和水流分散的作用下，土壤表層顆粒被破壞分散成小顆粒且不斷被夯實和板結，而在土壤黏結和淋溶等作用下土壤表層細小顆粒會黏聚成團聚體，從而形成1 層2～3 mm 結構致密的土層，即土壤物理結皮[1-2]。土壤物理結皮具有表面強度大、孔隙小、導水性差等性質[3-4]。由于土壤物理結皮的形成機制及特性的不同，可以分為結構結皮和沉積結皮。結構結皮是由雨滴打擊分散土壤團聚體，同時細顆粒重新排列組合而形成的一層低透土層，沉積結皮是泥沙顆粒通過徑流在微地形和植物的攔截作用下導致流速減緩，從而在地勢較低處沉積形成[5]。

在實際生活中，當坡面降雨時，土壤會經歷降雨濕潤—脫水干燥的過程，而隨土壤脫濕變干，地表常易形成龜裂裂縫，且對于坡面不同位置，裂縫形態(tài)發(fā)育亦存在差異[6]?！狙芯窟M展】張中彬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，土壤失水時，由于土壤漲縮變形作用，土地表面薄弱部分會形成裂縫；李文杰等[8]研究壤質黏土干縮裂縫的開閉合規(guī)律發(fā)現(xiàn)裂縫的開裂與閉合不具有可逆性；趙貴剛等[9]研究了云南紅土的開裂規(guī)律發(fā)現(xiàn)體積質量越大，紅土樣越容易開裂；段赫等[10]發(fā)現(xiàn)土壤有機質和體積質量差異影響了耕作層和犁底層裂縫的開裂特征。裂縫的形成為坡面薄層徑流匯集形成股流提供了通道，從而影響土壤侵蝕發(fā)育過程，土壤結皮作為土壤表層，結皮的發(fā)育及特性與裂縫的形成及發(fā)育進程密切相關。由于2 類物理結皮的形成方式與機理具有差異，結皮土壤結構、孔隙度及透水性也因此存在顯著差異[11]。同時，由于坡面不同位置地表結皮干燥時其失水速率和受收縮力方向不同，進而影響裂縫的產生與發(fā)育。馬施民等[12]研究發(fā)現(xiàn)土體拉伸變形達到或超過土體的極限抗拉強度時，地表就可能產生裂縫，而結皮特征是影響土體的極限抗拉強度和抑制土體開裂的重要因素。因此，研究土壤結皮發(fā)育對裂縫形態(tài)特征的影響極為重要。

【切入點】目前有關于裂縫發(fā)育的試驗多針對均勻介質下裂縫形態(tài)發(fā)育特征與規(guī)律，而鮮有研究物理結皮對土壤裂縫的開裂規(guī)律及機制的影響?！緮M解決的關鍵問題】因此，通過人工模擬降雨試驗，在形成結構結皮和沉積結皮的土壤上分析裂縫失水過程中其幾何形態(tài)特征和發(fā)育規(guī)律，明確結皮特性對裂縫發(fā)育的影響，以期探索坡耕地土壤侵蝕機理、推動坡耕地農業(yè)發(fā)展，進一步為探究耕作區(qū)域下的細溝形成機理和地下水來源提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西北農林科技大學水土保持與荒漠化防治教學實驗基地，東經107°59′—108°08′，北緯34°14′—34°20′，該區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.9 ℃，年降雨量500～700 mm，年均日照時間2 196 h，無霜期210 d。試驗土壤選取楊凌0～20 cm耕層塿土，按照美國制土壤分類方法，其顆粒組成為：砂粒質量分數(shù)（>0.05 mm）3.97%，粉粒質量分數(shù)（0.002～0.05 mm）65.74%，黏粒質量分數(shù)（＜0.002 mm）30.29%，中值粒徑13.31 μm。土壤比表面積1.17 m2/g。土壤有機質量9.78 g/kg，屬于粉質壤土。

1.2 研究方法

含水率測量設備為建大仁科公司研發(fā)的土壤溫濕度水分傳感器，測量水分精度為±3%，電導率精度為±3%，水分量程為0%～100%，響應時間＜1 s。

使用Photoshop 2020 對所攝裂縫圖像進行矯正，消除因人為拍攝導致的光線差異、角度偏差、曝光不均勻等問題。為消除框選區(qū)域邊緣對于裂縫的不規(guī)律影響，利用Photoshop 2020 裁剪出試樣中心直徑為20.0 cm 的圓形區(qū)域作為研究對象，利用MATLAB 2017 圖像處理功能進行圖像的灰度化、二值化、雜點去除、邊緣分析以完成裂縫的識別及提取，并用Region props 函數(shù)完成裂縫面積和周長的提取。

圖1 裂縫發(fā)育俯視圖Fig.1 The top view of developmental crack

待土壤表層裂縫發(fā)育完全后對結皮體積質量、顆粒組成進行測定。因土壤物理結皮為不規(guī)則體積土壤，因此本試驗采用石蠟法測定結皮體積質量，將土壤結皮剝離后，稱其質量，然后將其浸入融化的石蠟中，待表層石蠟冷卻凝固，放入盛有一定水量的量筒中，記錄排開水體積，從而計算土壤結皮體積質量。結皮土壤顆粒組成的測定則采用馬爾文激光粒度儀進行測定，將土樣剝離后過2 mm 篩，稱取土樣5 g，加入10 mL 質量分數(shù)為30%的過氧化氫，置于溫度為72 ℃的沙浴上加熱使其充分反應，以便充分去除土樣內所含有機質，待反應結束后，將土樣靜置12 h；待氣泡消失，加入去離子水稀釋并靜置12 h，去除上清液，反復進行直至調節(jié)pH 值為6.5～7.0；最后加入5 mol/L 的六偏磷酸鈉10 mL 分散顆粒，采用頻率為3 000 r/s 的超聲波處理5 s 后用馬爾文激光粒度儀Mastersizer 2000 測量土樣顆粒粒徑組成。

1.3 數(shù)據處理

裂縫面積率為裂縫面積與研究區(qū)域面積的比值，其計算式為：

式中：RC為裂縫面積率（%）；Ai為第i條裂縫的面積（mm2）；A0為研究區(qū)域面積（mm2）。

裂縫長度密度為裂縫長度與研究區(qū)域面積的比值，其計算式為：

式中：LC為裂縫長度密度（cm/cm2）；Li第i條裂縫的長度（cm）；A0為研究區(qū)域面積（cm2）。

裂縫平均寬度為裂縫面積與裂縫長度之比，其計算式為：

按照配比稱取聚氨酯丙烯酸酯(B-286c)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-嗎啉-1-丙酮(907)于100 mL燒杯中，攪拌均勻得到透明的淡黃色粘稠液體，即所需的自由基型紫外光固化材料，對其編號并置于暗處貯存。

式中：Wi為裂縫平均寬度（mm）。

連通性指數(shù)K的計算式為：

式中：K為裂縫連通性指數(shù)；NBP為裂縫交叉點數(shù)；NEP為裂縫端點數(shù)。

試驗所得數(shù)據均采用Excel 2003、SPSS 17.0 軟件進行數(shù)據統(tǒng)計分析并作圖，包括描述性統(tǒng)計分析和Pearson 相關性檢驗等。

2 結果與分析

2.1 結皮理化性質

表1 為人工模擬降雨30 min 時結構結皮、過渡帶結皮、沉積結皮土壤體積質量及顆粒組成情況。結構結皮、過渡帶結皮以及沉積結皮的體積質量不同，但無顯著差異，其中結構結皮的體積質量最小，為1.709 g/cm3，沉積結皮體積質量最大，為1.745 g/cm3，過渡帶結皮為1.724 g/cm3，介于二者之間。降雨擊濺導致土壤表層顆粒重新分布，結構結皮、過渡帶結皮以及沉積結皮的顆粒組成差異顯著，其中結構結皮的砂粒質量分數(shù)占13.84%，粉粒質量分數(shù)占83.65%，黏粒質量分數(shù)占2.51%；沉積結皮的砂粒質量分數(shù)占9.80%，粉粒質量分數(shù)占87.34%，黏粒質量分數(shù)占2.86%；過渡帶結皮的砂粒質量分數(shù)占12.01%，粉粒質量分數(shù)占85.33%，黏粒質量分數(shù)占2.66%。

表1 不同類型結皮土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of different types of soil crust

2.2 壟溝區(qū)域土壤結皮干縮裂縫網絡幾何形態(tài)特征

通過對壟溝區(qū)域不同部位土壤結皮表面干縮裂縫網絡幾何形態(tài)指標提取和計算（表2）可知，壟溝區(qū)域不同部位裂縫面積率（RC）、裂縫長度密度（LC）裂縫平均寬度（Wi）及連通性指數(shù)（K）均呈現(xiàn)不同變化趨勢。其中，裂縫長度密度、裂縫面積率及裂縫平均寬度總體表現(xiàn)為DC＜TZ＜SC，結構結皮的裂縫面積率為6.34%，是過渡帶結皮的1.80 倍，沉積結皮的3.75 倍；結構結皮的長度密度為0.44 cm/cm2，是過渡帶結皮的1.26 倍，沉積結皮的2.59 倍；結構結皮的裂縫平均寬度為1.44 mm，是過渡帶結皮的1.43倍，沉積結皮的1.50 倍。由此可以看出，結構結皮（SC）的裂縫長度最長，面積率大，結皮表面開裂及裂縫形態(tài)發(fā)育最為強烈、豐富，開裂明顯，以板結開裂作為最主要的開裂形式，區(qū)塊面積大。結構結皮含水率下降快且初始含水率低，弧線型隆起的表面使水分蒸發(fā)增大，同時弧狀結構使結皮受到區(qū)塊收縮力影響的同時被向下拉伸，造成了此區(qū)域裂縫寬度更大；沉積結皮（DC）的裂縫長度和開裂面積最小，因不受弧狀結構影響，含水率下降慢且初始含水率高，開裂程度遠小于結構結皮；過渡帶結皮（TZ）結構較為穩(wěn)定，開裂程度趨于二者之間。各區(qū)域間的連通性指數(shù)差異性不顯著，但沉積結皮的裂縫交點數(shù)和端點數(shù)的平均值要高于結構結皮，是結構結皮的1.82 倍和1.55 倍，說明沉積結皮（DC）裂縫形態(tài)復雜多樣。土壤裂縫發(fā)育過程中最初開展的裂縫稱為一級裂縫，在一級裂縫成型之時，垂直于一級裂縫之上生成了長度較短的裂縫，將其稱為二級裂縫，沉積結皮一級骨架裂縫周圍二級裂縫發(fā)育明顯，區(qū)塊面積小、個數(shù)增多。不同類型結皮裂縫的發(fā)育過程也有所差異，結構結皮逆坡向裂縫最先發(fā)育，二級裂縫在此裂縫基礎上發(fā)育成形；沉積結皮細小裂縫較多，且關聯(lián)性不大，發(fā)育過程中相互連通形成主體框架；過渡帶結皮初始開裂位置位于坡面中部，方向為逆坡向的近直線型，發(fā)育過程中朝四周擴散。

表2 不同類型結皮干縮裂縫幾何形態(tài)特征Table 2 The geometrical morphology characteristics of desiccation cracks for different types of crust

2.3 結皮干縮裂縫網絡發(fā)育規(guī)律

2.3.1 干燥過程中裂縫面積率的變化

裂縫面積率隨土壤含水率變化情況見圖2。裂縫面積率隨著土壤含水率的下降而升高。在土壤干燥脫水過程中，裂縫面積率隨著土壤體積含水率的降低而升高，到達某一值后逐漸趨于穩(wěn)定。對于結構結皮，當含水率為20.36%時出現(xiàn)裂縫，當20.36%＞θ＞11.88%時，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當θ=11.88%時，裂縫面積率達6.34%。對于過渡帶結皮，當θ為25.95%時出現(xiàn)裂縫，當25.95%＞θ＞16.84%時，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當θ=16.84%時，裂縫面積率達3.52%。對于沉積結皮，當含水率θ為27.50%時出現(xiàn)裂縫，當27.50%＞θ＞20.57%時，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當θ=20.57%時，裂縫面積率達1.69%。以沉積結皮為對照，結構結皮和過渡帶結皮的裂縫面積提升率為375%和208%，發(fā)育完成時，結構結皮的裂縫面積最大。

圖2 裂縫面積率隨土壤含水率的變化Fig.2 Changes of the crack area rate with soil moisture content

2.3.2 干燥過程中裂縫長度密度的變化

圖3 為裂縫長度密度隨土壤含水率的變化情況。裂縫長度密度隨著土壤含水率的下降而增多，裂縫的長度變化與面積變化差異較大，裂縫會在含水率降低的初期完成結構定型，后期穩(wěn)定后幾乎不再改變，所以長度的增加在裂縫發(fā)育的初期呈現(xiàn)出急速上升趨勢，到達中后期不再發(fā)生變化。對于結構結皮，當20.36%＞θ＞15.65%時，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當θ=15.65%時，裂縫長度密度達0.44 cm/cm2。對于過渡帶結皮，當25.95%＞θ＞19.00%時，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當θ=19.00%時，裂縫長度密度達0.35 cm/cm2。對于沉積結皮，當27.50%＞θ＞22.75%時，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當θ=22.75%時，裂縫長度密度達0.17 cm/cm2。由于θ=25.25%時，沉積結皮的第3 組重復最遲開始發(fā)育，導致長度密度的平均值下降，引起曲線出現(xiàn)拐點。以沉積結皮為對照，結構結皮和過渡帶結皮的裂縫長度密度增加量為259%和206%，發(fā)育完成時，沉積結皮的裂縫長度密度最低，結構結皮裂縫長度密度比過渡帶結皮略高。

圖3 裂縫長度密度隨土壤含水率的變化Fig.3 Changes of the crack length density with soil moisture content

2.3.3 干燥過程中裂縫平均寬度的變化

圖4 為裂縫平均寬度隨土壤含水率變化情況，裂縫平均寬度隨著土壤體積含水率的降低而升高。對于結構結皮，當20.36%＞θ＞19.13%和17.46%＞θ＞17.09%時，因為此區(qū)間內裂縫長度的增長速率大于面積的擴張率，導致平均寬度減小，隨著含水率的降低，裂縫平均寬度減小，當θ＜17.09%時，隨著θ的降低，裂縫平均寬度持續(xù)增大直至1.44 mm。對于沉積結皮，裂縫平均寬度的變化趨勢與結構結皮相一致，在27.50%＞θ＞26.75%、26.01%＞θ＞25.25%和24.84%＞θ＞23.52%時，裂縫平均寬度減小，在θ＜23.52%時，裂縫平均寬度持續(xù)增加至0.96 mm。過渡帶結皮初期裂縫定型最快，同時面積增加率一直大于長度增長速率，所以在25.95%＞θ＞16.84%時，裂縫平均寬度呈持續(xù)上升趨勢，達到1.01 mm。裂縫發(fā)育完成時，沉積結皮和過渡帶結皮的裂縫平均寬度差異較小，而結構結皮裂縫的平均寬度為三者之中最大。

圖4 裂縫平均寬度隨土壤含水率的變化Fig.4 Changes in the average width of cracks with soil moisture content

2.3.4 裂縫發(fā)育歷時

圖5 為裂縫面積率隨時間增加實測值的變化情況。裂縫面積率隨著時間（t）的延長而增長，在t＜49 h 時，結構結皮和過渡帶結皮的裂縫呈現(xiàn)出一個急速增長的趨勢，在49 h＜t＜168 h 時，結構結皮和過渡帶結皮的面積率增長速率下降。沉積結皮的裂縫發(fā)育緩慢且平穩(wěn)，從裂縫的總體發(fā)育時間來看，三者中，沉積結皮裂縫發(fā)育歷時最長達357 h，是結構結皮和過渡帶結皮的2.13 倍。

圖5 裂縫面積率隨時間變化規(guī)律Fig.5 The law of changes of the crack area rate with time

3 討論

人工模擬的等高耕作坡耕地不同部位雨滴打擊和泥沙沉積方式的差異導致了結皮性質差異，結皮性質尤其是體積質量和黏粒質量分數(shù)的差異又進一步影響了裂縫形態(tài)發(fā)育。Zhang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)體積質量低的土壤更容易產生裂縫，其團聚體和土壤顆粒的接觸點也少，有利于土壤的開裂。與沉積結皮相比，結構結皮表現(xiàn)為更低的土壤體積質量和黏粒質量分數(shù)，土壤顆粒的接觸點更少，這種差別可能影響裂縫的發(fā)育過程及形態(tài)特征。結構結皮裂縫的長度密度、面積率和裂縫平均寬度均最大，二級裂縫較少，區(qū)塊大多數(shù)以板結為主，表面完整，這是由于受到結構結皮土壤體積質量小，砂粒占比高的影響，土粒從砂粒、粉粒到黏粒，吸水性、黏結性、黏著性都逐漸增強，而通氣性、透水性逐漸減弱，結構結皮相比沉積結皮土壤水分蒸發(fā)速率提升，黏著性下降，導致結構結皮裂縫的開裂更為明顯。結構結皮順坡向的裂縫寬度較小，而垂直于坡向的裂縫開裂程度大，這是干縮和塌陷共同作用的結果，裂縫寬度不僅受結皮本身性質影響，也受結皮兩側沉降的影響，馬祥愛等[15]也認為塌陷在土體邊緣更容易產生裂縫。有研究發(fā)現(xiàn)土壤的收縮能力與土壤黏粒質量分數(shù)呈顯著正相關[6]，本試驗中，沉積結皮的二級裂縫發(fā)育較多，這是由于沉積結皮黏粒數(shù)量較結構結皮和過渡帶結皮更多，從而表現(xiàn)為收縮能力較強，細小裂縫發(fā)育更加豐富。

從土壤含水率分析，結皮裂縫的主體框架主要形成于含水率高的干燥初期；而在干燥后期，較少產生新的土壤裂縫，主要變化為寬度的增加，這與許多研究結果基本一致[16-17]。結構結皮裂縫發(fā)育會在含水率較低的區(qū)間內進行，而沉積結皮在土壤含水率較高時便開始出現(xiàn)裂縫，是由于沉積結皮主要以細顆粒為主，黏粒豐富，更容易使結皮形成易裂縫化結構，此結果與校亮等[6]研究坡積區(qū)裂縫時結果相似。裂縫開裂寬度和長度都會隨著土壤含水率的減小而增加，直到某一值后不再變化，裂縫平均寬度會在發(fā)育前期呈下降趨勢，是由于在裂縫發(fā)育前期長度增長率遠大于面積增長率，引起裂縫寬度的平均值下降，張展羽等[18]認為裂縫長度在含水率為20%時達到最大值且保持穩(wěn)定，之后隨著含水率的減少，裂縫寬度增加。從發(fā)育歷時上看，結構結皮裂縫和過渡帶結皮裂縫在干燥初期發(fā)育較快，原因是結構結皮的粒徑組成缺失了大量的細小顆粒，導致表面形成了易于水分快速蒸發(fā)的孔隙結構。沉積結皮出現(xiàn)裂縫最晚且發(fā)育歷時最長，原因是沉積結皮細顆粒占比較多的特性，對結皮表面的開裂有一定的抑制作用，同時，沉積結皮土壤含水率損失緩慢，也一定程度上影響了裂縫的發(fā)育歷時。在裂縫發(fā)育初期，過渡帶結皮比結構結皮更快出現(xiàn)裂縫，是由于過渡帶結皮不同程度交互作用所導致的。

在裂縫發(fā)育后期，沉積結皮表面會出現(xiàn)深度1 mm左右的細微裂縫，表現(xiàn)為從裂縫區(qū)塊內幾個位置的發(fā)散式發(fā)育，由邊緣向內部卷起，這是由于沉積結皮表面的細小顆粒形成了土膜，從而在溫度作用下導致的收縮翻卷。唐朝生等[19-24]發(fā)現(xiàn)溫度越高，裂縫網絡越簡單，裂紋越寬，而在較低溫度下，裂縫網絡比較復雜，裂紋纖細且間距較密，表面比較破碎。因此本次試驗沒有檢驗的溫差是否是導致裂縫發(fā)育的另一要素仍需進一步研究。由于本次試驗的框選區(qū)域在試驗區(qū)內等距規(guī)律選取，所以裂縫的初始發(fā)育位置會對試驗結果造成影響，開始位置越少，結果則越規(guī)律，這點在裴銀鴿等[25]的研究中也得到了論證。

4 結論

1）不同類型結皮土壤性質差異顯著，其中結構結皮的體積質量最小，沉積結皮體積質量相對較大；結構結皮的砂粒質量分數(shù)高于過渡帶結皮和沉積結皮，沉積結皮的黏粒質量分數(shù)高于結構結皮和過渡帶結皮。

2）結皮類型對裂縫形態(tài)發(fā)育具有重要影響，結構結皮的裂縫面積率、長度密度和平均寬度與沉積結皮和過渡帶結皮有顯著差異，其值均高于二者，而過渡帶結皮和沉積結皮的裂縫平均寬度之間無顯著差異。

3）結構結皮、沉積結皮的裂縫面積率和長度密度隨含水率降低呈增大的趨勢，裂縫發(fā)育完成時，結構結皮的土壤含水率最低，沉積結皮的土壤含水率最高，同時沉積結皮裂縫的發(fā)育歷時最長。