灌淤土裂隙产生机制及其测定模拟,农业基础科学论文

灌淤土裂隙产生机制及其测定模拟,农业基础科学论文土壤构造随干湿交替而变化，最明显的特征是土壤碰到干旱后产生裂隙。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经过中，尤其是富含黏粒的土壤或盐性土壤。裂隙可构成复杂的网络构造传导水分，垂直裂隙会导致作物根系下面水分和养分等的重新分布[1-2].土壤裂隙增加土壤外表积，促使土壤水分通过裂隙内外表愈加迅速地蒸发损失。因而，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，构成优先流，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构成50cm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，因此水稻种植面积逐年增加。水稻种植需经历屡次灌溉和排水，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，其土壤构造变化显着，在脱水的经过中易产生较大的裂隙[4].同时当地降雨年内差异显着，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，构成优先流。田间模拟优先流是当今世界土壤物理学上的一个难题。因而，深切进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、土壤强度和构造稳定性等多因素的耦合驱动，其产生机理和经过仍然不清楚。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，是一个复杂的动态经过。土壤中的黏粒一般指粒径2m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，因而黏粒含量是最常用来表示土壤裂隙开阖潜力的一个参数。已有研究结果表示清楚，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]的研究进一步表示清楚，土壤的收缩能力和土壤中黏粒的含量呈显着正相关关系。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：假如黏粒主要以1∶1的非膨胀性黏土矿物为主，即便黏粒含量高，土壤收缩能力也很低[7].这讲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拟大。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着相关。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。有机质含量对土壤构造的构成起重要作用。一般情况下有机质含量高的土壤，其构造通常比拟疏松，且孔隙比拟多，因此其收缩能力较强。但DeJong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，构造较为稳定，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，0~15cm土层裂隙的宽度和体积与土壤容重显着正相关，华而不实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本身性质的影响外，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着地影响土壤的收缩。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，发如今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响较耕种年限长的更为显着，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；当土壤水分供给充足时，裂隙就会逐步闭合，优先流现象也会减弱。裂隙流现象和田间含水量严密联络，处于不断的变化经过当中。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霎时的经过，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，入渗率逐步下降[13].除此之外，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外表闭合[14].同时，研究者强调即便裂隙在土壤表层闭合，深层裂隙还是那样是优先流的途径[15].而对于灌淤土，因其黏土矿物以高岭土为主，裂隙遇水后闭合经过很慢，故优先流现象相对持久且明显。笔者以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经过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，受干湿交替影响显着，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。根据生物大孔隙构造相对稳定，且不随水分变化而变化的特征，我们能够区分裂隙与其他大孔隙对水分运动的奉献。很多学者以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构成快速非均质的优先流，又常称为大孔隙流。裂隙作为优先流的途径，可增加土壤入渗速率，提高地下水的污染风险[18].2.2土壤裂隙的测定方式方法怎样动态描绘叙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外表积为基本参数的裂隙特征量化指标体系。该指标体系牵涉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绘叙述中，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构造做出了各种尝试。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。该方式方法的缺乏之处在于比拟费时费力，对土体具有毁坏性，而且精到准确度不够，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构造测定，该技术能够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构造的定量化研究中[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式方法，得到了孔隙在三维空间的具体分布特征，包括孔隙大小、连接度、弯曲度和孔隙网络构造等。相较于其他方式方法，CT扫描技术能够精到准确计算裂隙的体积、外表积及其在土体中的空间分布特征，而且具有成像速度快、非毁坏性分析土体、分析精度较高等优点。该技术的缺乏在于仪器体积大、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圆体微构造对水分变化的响应，证实这种微构造的变化在宏观尺度上表现为土壤裂隙的开闭经过。基于此技术平台，不仅可清楚明晰观测土壤整体收缩经过，而且能够深切进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、土壤构造变化和水势三者之间的关系提供了可能。2.3优先流的研究方式方法研究裂隙对优先流的奉献能够采用染色法、圆盘入渗法等。染色法结合图像分析，能够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奉献。近期，Cey等[25]采用圆盘入渗和染色示踪两种方式方法，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探头捕捉到入渗经过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，以为大孔隙能解释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经过与土壤水分的关系，并可估算裂隙对优先流的奉献。针对优先流，当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经过中土壤构造的变化，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：构造收缩、线性收缩、残留收缩和零收缩。这个方式方法缺乏之处是参数多、不能反映非线性部分，另外是各阶段起始点不能客观判定。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vanGenuchten方程基础上提出一个简单的模型，即【1】式中：e〔〕为含水量下的孔隙比；es为饱和孔隙比；er为残留孔隙比；p和q为拟合参数；为含水量；为经历体验参数；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构造的变化，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绘叙述水平方向的裂隙变化和垂直方向的下陷等土壤构造变化的异质性，但这种方式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着的线性关系。因而，能够推论在较均质的土层裂隙变化经过中可能保持类似的形状。假如这个假设成立的话，只要通过少量的样品建立土壤裂隙面积和体积的关系，就比拟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。假如模型上能具体表现出出裂隙的特征，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、翻耕和泥浆化的经过，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途径，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。因而，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，是一个复杂的经过，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、土壤强度等存在着扑朔迷离的互相关系。华而不实，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〕怎样动态描绘叙述土壤裂隙的几何形态是研究土壤收缩和裂隙的关键。当前CT扫描技术是定量分析土壤裂隙的几何形态的最佳方式方法。〔3〕裂隙作为优先流的途径可大幅度增加土壤水分的入渗。研究裂隙对入渗的奉献，能够借用大孔隙流常用的技术和方式方法。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。[以下为参考文献][1]VeldeB.Structureofsurfacecracksinsoilandmuds[J].Geo-derma,1999,93〔1-2〕:101-124.[2]VeldeB.Surfacecrackingandaggregateformationobserve