灌淤土裂隙產(chǎn)生機制及其測定模擬,農(nóng)業(yè)基礎科學論文

灌淤土裂隙產(chǎn)生機制及其測定模擬,農(nóng)業(yè)基礎科學論文土壤構(gòu)造隨干濕交替而變化，最明顯的特征是土壤碰到干旱后產(chǎn)生裂隙。裂隙作為土壤孔隙中的一類，一般產(chǎn)生于土壤凍融或干濕交替經(jīng)過中，尤其是富含黏粒的土壤或鹽性土壤。裂隙可構(gòu)成復雜的網(wǎng)絡構(gòu)造傳導水分，垂直裂隙會導致作物根系下面水分和養(yǎng)分等的重新分布[1-2].土壤裂隙增加土壤外表積，促使土壤水分通過裂隙內(nèi)外表愈加迅速地蒸發(fā)損失。因而，裂隙的產(chǎn)生會加劇土壤干旱程度，同時提高土壤強度和增加根系生長難度，降低作物產(chǎn)量。另一方面，土壤裂隙導致后期灌溉水和降雨快速下滲，構(gòu)成優(yōu)先流，降低水肥利用率，增加地下水污染風險[3].灌淤土是指在灌溉、施肥和耕作等農(nóng)事活動影響下已構(gòu)成50cm以上厚度的灌淤土層的土壤。灌淤土是干旱和半干旱地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的產(chǎn)物，同時也是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地資源，主要分布于河套地區(qū)及遼西平原。由于當?shù)氐墓庹諚l件好，獨特的生態(tài)條件造就了灌淤土區(qū)高產(chǎn)而上乘的水稻品質(zhì)，因此水稻種植面積逐年增加。水稻種植需經(jīng)歷屢次灌溉和排水，干濕交替明顯，而灌淤土一般有機質(zhì)含量較低但富含碳酸鈣等鹽類，其土壤構(gòu)造變化顯著，在脫水的經(jīng)過中易產(chǎn)生較大的裂隙[4].同時當?shù)亟涤昴陜?nèi)差異顯著，季節(jié)性干旱常導致土壤裂隙產(chǎn)生。裂隙產(chǎn)生后，導致水分和溶質(zhì)快速下滲，構(gòu)成優(yōu)先流。田間模擬優(yōu)先流是當今世界土壤物理學上的一個難題。因而，深切進入研究灌淤土裂隙的產(chǎn)生機制及其優(yōu)先流，對認識灌淤土生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性，提高水肥利用效率和作物抗旱能力，以及減輕地下水污染等都具有重要的理論和實際意義。1灌淤土裂隙產(chǎn)生機制灌淤土裂隙產(chǎn)生受土壤耕作、土壤性質(zhì)、土壤水分、土壤強度和構(gòu)造穩(wěn)定性等多因素的耦合驅(qū)動，其產(chǎn)生機理和經(jīng)過仍然不清楚。裂隙的開闔伴隨著土壤的收縮和膨脹，是土壤含水量、土壤黏土礦物等土壤物理、化學性質(zhì)在外界影響因素共同作用下的結(jié)果，是一個復雜的動態(tài)經(jīng)過。土壤中的黏粒一般指粒徑2m的顆粒。相較于粉粒和砂粒，黏粒具有明顯的塑性、脹縮性、吸濕性和黏結(jié)性，因而黏粒含量是最常用來表示土壤裂隙開闔潛力的一個參數(shù)。已有研究結(jié)果表示清楚，土壤的膨脹和收縮能力隨著黏粒含量的增加而增加[5].Bayer等[6]的研究進一步表示清楚，土壤的收縮能力和土壤中黏粒的含量呈顯著正相關關系。就其組分而言，灌淤土黏土礦物主要以水云母為主，易于發(fā)生土壤裂隙開闔。土壤的收縮與膨脹還和土壤中黏土礦物的種類和數(shù)量密切相關。有研究發(fā)現(xiàn)：假如黏粒主要以1∶1的非膨脹性黏土礦物為主，即便黏粒含量高，土壤收縮能力也很低[7].這講明土壤收縮能力雖與黏粒含量存在一定的關系，但與黏土礦物性質(zhì)關系更密切。土壤的收縮能力與膨脹能力主要與土壤中膨脹性黏土礦物含量有關，當土壤中的膨脹性黏土礦物占主導時，土壤的收縮能力就比擬大。據(jù)報道，土壤的收縮能力與土壤中膨脹性黏土礦物的含量顯著相關。由于不同黏土礦物的收縮膨脹能力并不一致，所以不同的礦物類型對土壤的收縮影響也不一致。已有一些學者將黏土礦物類型對不同類型土壤收縮能力的影響進行了排序，發(fā)現(xiàn)水鋁英石含量高的土壤收縮能力最強，其次是以蒙脫石和埃洛石為主的土壤，而以高嶺石和伊利石為主的土壤收縮能力最弱。有機質(zhì)含量對土壤構(gòu)造的構(gòu)成起重要作用。一般情況下有機質(zhì)含量高的土壤，其構(gòu)造通常比擬疏松，且孔隙比擬多，因此其收縮能力較強。但DeJong等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤收縮和有機質(zhì)含量不存在相關關系。有機質(zhì)含量高的土壤，構(gòu)造較為穩(wěn)定，土壤的持水能力較強，在田間情況下可能不易失水產(chǎn)生裂隙。土壤容重是表征土壤緊實程度的參數(shù)。一般容重小的土壤較為疏松，其收縮能力較大，容易產(chǎn)生裂隙。且對于容重較小的土壤，因其更大的土壤含水量，會因干濕交替變化引起表層土壤的收縮而產(chǎn)生裂隙。有研究發(fā)現(xiàn)，0~15cm土層裂隙的寬度和體積與土壤容重顯著正相關，華而不實土壤含水量和容重解釋了大約80%的裂隙體積的變化[9].田間裂隙的產(chǎn)生除受本身性質(zhì)的影響外，還與耕作方式、作物、田間管理和氣候條件等外界因素的影響有關。耕作土壤由于降雨或灌溉等經(jīng)常處于干濕交替的水分條件下，而干濕交替的頻率、強度，作物的株行距，泥漿化的次數(shù)和深度等因素都會影響到土壤的收縮和裂隙的產(chǎn)生。彭新華等[10]研究發(fā)現(xiàn)干濕交替的強度因子要比頻率因子更顯著地影響土壤的收縮。唐朝生等[11]發(fā)現(xiàn)隨著干濕交替次數(shù)的增加會使土壤顆粒重新排列，裂隙的面積密度呈下降趨勢，不規(guī)則的裂隙則在增加。張中彬等[12]研究了干濕交替對不同利用年限水稻土的收縮和裂隙的影響，發(fā)如今水稻生長季中隨著干濕交替的進行，土壤的收縮能力呈下降趨勢，而裂隙的數(shù)量呈增長趨勢；耕種年限短的水稻土對干濕交替的反響較耕種年限長的更為顯著，表現(xiàn)為老的水稻田裂隙大而少，新的水稻田裂隙細而多，而且前者隨水分變化較后者慢。裂隙的開闔與土壤含水量是密切相關的，優(yōu)先流也是不穩(wěn)定的。在土壤含水量較低時，裂隙發(fā)育得較好，優(yōu)先流現(xiàn)象明顯；當土壤水分供給充足時，裂隙就會逐步閉合，優(yōu)先流現(xiàn)象也會減弱。裂隙流現(xiàn)象和田間含水量嚴密聯(lián)絡，處于不斷的變化經(jīng)過當中。裂隙的開闔隨土壤的膨脹發(fā)生變化。有報道指出優(yōu)先流在膨脹性土壤中應該是一個霎時的經(jīng)過，裂隙的產(chǎn)生使入滲率提高，但是在灌水后伴隨土壤的膨脹和裂隙的閉合，入滲率逐步下降[13].除此之外，有研究報道裂隙不容易閉合，需要足夠的降雨量才能使其在土壤外表閉合[14].同時，研究者強調(diào)即便裂隙在土壤表層閉合，深層裂隙還是那樣是優(yōu)先流的途徑[15].而對于灌淤土，因其黏土礦物以高嶺土為主，裂隙遇水后閉合經(jīng)過很慢，故優(yōu)先流現(xiàn)象相對持久且明顯。筆者以為這些不一致的結(jié)果可能是由于快速且非均質(zhì)的土壤膨脹經(jīng)過以及不同土壤收縮和膨脹性質(zhì)的差異造成的。2土壤裂隙測定與模擬2.1土壤裂隙對優(yōu)先流的影響裂隙屬于土壤大孔隙的一種類型，受干濕交替影響顯著，而其他生物大孔隙〔如蟲穴、根孔等〕受土壤耕作與管理等影響明顯，但不受干濕交替影響或者影響很弱。根據(jù)生物大孔隙構(gòu)造相對穩(wěn)定，且不隨水分變化而變化的特征，我們能夠區(qū)分裂隙與其他大孔隙對水分運動的奉獻。很多學者以為水分運動在土壤中存在兩域的特征[16-17].水在大孔隙中主要受重力作用構(gòu)成快速非均質(zhì)的優(yōu)先流，又常稱為大孔隙流。裂隙作為優(yōu)先流的途徑，可增加土壤入滲速率，提高地下水的污染風險[18].2.2土壤裂隙的測定方式方法怎樣動態(tài)描繪敘述土壤裂隙的幾何形態(tài)是研究土壤裂隙特征和優(yōu)先流的關鍵[19].Novak[20]提出了以裂隙度、地表裂隙度和裂隙比內(nèi)外表積為基本參數(shù)的裂隙特征量化指標體系。該指標體系牽涉的指標易于測定且直觀可靠，但未考慮裂隙之間的連通性。Vogel等[21]則將拓撲學應用到了裂隙幾何形態(tài)的描繪敘述中，建立了以裂隙面積密度、長度密度和裂隙分支角度為基本參數(shù)的形態(tài)特征指標體系。研究者為直接測定裂隙三維構(gòu)造做出了各種嘗試。一些研究者采用石蠟、樹脂等水分替代法填充孔隙，并結(jié)合圖像分析法確定裂隙體積及其三維空間分布特征。該方式方法的缺乏之處在于比擬費時費力，對土體具有毀壞性，而且精到準確度不夠，不能區(qū)分裂隙與其他大孔隙，也忽略了不連通的裂隙等。電阻率層析成像技術(shù)也被用于裂隙的三維構(gòu)造測定，該技術(shù)能夠得到裂隙在土體中的位置、方向等，是監(jiān)測土體中裂隙動態(tài)變化的有效工具。CT掃描技術(shù)越來越多地被應用于三維土壤構(gòu)造的定量化研究中[22].例如，Peth等[23]采用同步輻射X射線CT掃描攝像技術(shù)結(jié)合圖像分析方式方法，得到了孔隙在三維空間的具體分布特征，包括孔隙大小、連接度、彎曲度和孔隙網(wǎng)絡構(gòu)造等。相較于其他方式方法，CT掃描技術(shù)能夠精到準確計算裂隙的體積、外表積及其在土體中的空間分布特征，而且具有成像速度快、非毀壞性分析土體、分析精度較高等優(yōu)點。該技術(shù)的缺乏在于儀器體積大、成本高，一般只能在室內(nèi)掃描一定尺寸范圍的土柱，不能在田間原位測定土壤裂隙的特征。張中彬等[24]采用此法定量分析了紅壤水稻土團圓體微構(gòu)造對水分變化的響應，證實這種微構(gòu)造的變化在宏觀尺度上表現(xiàn)為土壤裂隙的開閉經(jīng)過。基于此技術(shù)平臺，不僅可清楚明晰觀測土壤整體收縮經(jīng)過，而且能夠深切進入地了解不同孔隙的變化并進行定量分析。這為我們建立土壤水分運動、土壤構(gòu)造變化和水勢三者之間的關系提供了可能。2.3優(yōu)先流的研究方式方法研究裂隙對優(yōu)先流的奉獻能夠采用染色法、圓盤入滲法等。染色法結(jié)合圖像分析，能夠直觀地顯示優(yōu)先流在土壤剖面的空間分布和強度。圓盤入滲法則可直接計算出裂隙的導水率，評價其對整個入滲的奉獻。近期，Cey等[25]采用圓盤入滲和染色示蹤兩種方式方法，分析了裂隙與生物大孔隙的空間分布，計算了不同水勢近飽和狀況下的大孔隙流，同時借助微型TDR探頭捕捉到入滲經(jīng)過中土壤水分的非均勻變化。Luo等[26]利用CT掃描技術(shù)結(jié)合惰性離子穿透曲線測定了大孔隙度及其數(shù)量，以為大孔隙能解釋71%~75%的飽和導水率變異性。Greve等[15]結(jié)合染色示蹤和離子穿透曲線等技術(shù)，研究了土壤裂隙閉合經(jīng)過與土壤水分的關系，并可估算裂隙對優(yōu)先流的奉獻。針對優(yōu)先流，當前的代表性模型主要有美國鹽土實驗室開發(fā)的HYDRUS模型和瑞典Jarvis教授開發(fā)的MACRO模型。2.4裂隙造成的優(yōu)先流的模擬基于干濕交替經(jīng)過中土壤構(gòu)造的變化，通常用土壤收縮特征曲線來模擬[27].一般土壤收縮特征曲線包括4個階段：構(gòu)造收縮、線性收縮、殘留收縮和零收縮。這個方式方法缺乏之處是參數(shù)多、不能反映非線性部分，另外是各階段起始點不能客觀判定。Peng和Horn[28]根據(jù)土壤收縮特征曲線的S形狀并結(jié)合其收縮特征參數(shù)，在vanGenuchten方程基礎上提出一個簡單的模型，即【1】式中：e〔〕為含水量下的孔隙比；es為飽和孔隙比；er為殘留孔隙比；p和q為擬合參數(shù)；為含水量；為經(jīng)歷體驗參數(shù)；s為飽和含水量。用此模型可客觀地確定這4個收縮階段，并結(jié)合土壤水分特征曲線，推導不同大小孔隙的收縮能力。這個收縮特征曲線能較好地反映整個土壤構(gòu)造的變化，卻不能表征裂隙的空間特征。Bronswijk[29]提出用土壤收縮幾何因子來描繪敘述水平方向的裂隙變化和垂直方向的下陷等土壤構(gòu)造變化的異質(zhì)性，但這種方式方法還是忽略了裂隙的三維空間變化。Peng等[30]發(fā)現(xiàn)裂隙體積與裂隙面積呈顯著的線性關系。因而，能夠推論在較均質(zhì)的土層裂隙變化經(jīng)過中可能保持類似的形狀。假如這個假設成立的話，只要通過少量的樣品建立土壤裂隙面積和體積的關系，就比擬容易得到裂隙在土體中的深度，甚至其在土壤中的空間特征。假如模型上能具體表現(xiàn)出出裂隙的特征，就為模擬裂隙情況下的優(yōu)先流提供了一個重要參數(shù)。3結(jié)論灌淤土由于種植水稻，易于因干濕交替而產(chǎn)生裂隙。水稻田需要經(jīng)過泡田、翻耕和泥漿化的經(jīng)過，在水稻移栽后也需要經(jīng)常淹水和排水，這都容易導致稻田裂隙的產(chǎn)生。裂隙會成為優(yōu)先流的途徑，加速稻田水分和養(yǎng)分的損失，降低水分利用效率，同時也增加了地下水污染的風險。因而，對灌淤土裂隙的產(chǎn)生機制及其優(yōu)先流模擬具有重要的實際意義?！?〕裂隙的開闔，是一個復雜的經(jīng)過，可能與土壤礦物、土壤水蒸發(fā)、作物蒸騰、土壤水分運動方向、根系吸水、土壤強度等存在著撲朔迷離的互相關系。華而不實，土壤含水量、黏土礦物含量和耕作措施是影響其產(chǎn)生的主要因素?！?〕怎樣動態(tài)描繪敘述土壤裂隙的幾何形態(tài)是研究土壤收縮和裂隙的關鍵。當前CT掃描技術(shù)是定量分析土壤裂隙的幾何形態(tài)的最佳方式方法?！?〕裂隙作為優(yōu)先流的途徑可大幅度增加土壤水分的入滲。研究裂隙對入滲的奉獻，能夠借用大孔隙流常用的技術(shù)和方式方法。根據(jù)裂隙和其他大孔隙與土壤水分的不同關系，為單獨評價裂隙對優(yōu)先流的影響提供可能。[以下為參考文獻][1]VeldeB.Structureofsurfacecracksinsoilandmuds[J].Geo-derma,1999,93〔1-2〕:101-124.[2]VeldeB.Surfacecrackingandaggregateformationobserve