余海龍,王麗麗,黃菊瑩,賴榮生
(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川750021; 2.寧夏大學(xué) 新技術(shù)研究開發(fā)中心,寧夏 銀川 750021)
灌淤土裂隙成因及其研究方法述評
余海龍1,王麗麗1,黃菊瑩2,賴榮生1
(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川750021; 2.寧夏大學(xué) 新技術(shù)研究開發(fā)中心,寧夏 銀川 750021)
灌淤土;裂隙;優(yōu)先流;成因
灌淤土是干旱和半干旱地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的產(chǎn)物,主要分布于河套地區(qū)及遼西平原,當(dāng)?shù)鬲毺氐臍夂驐l件使得灌淤土成為水稻種植的優(yōu)良土地資源,而頻繁的干濕交替及獨特的水分管理模式使灌淤土容易產(chǎn)生裂隙。裂隙作為優(yōu)先流的路徑,加速了稻田水分和養(yǎng)分的損失,降低了水分利用效率,同時也增加了地下水污染的風(fēng)險。對裂隙形成機(jī)制及其影響因素做了詳盡的總結(jié),認(rèn)為黏土礦物的種類、含量和土壤含水量對裂隙的開闔尤為重要。此外,就裂隙產(chǎn)生優(yōu)先流的測定與模擬進(jìn)行了述評,認(rèn)為CT掃描技術(shù)是定量分析土壤裂隙幾何形態(tài)的最佳方法;并可借用大孔隙流常用的技術(shù)和方法研究裂隙對入滲的貢獻(xiàn),根據(jù)裂隙和其他大孔隙與土壤水分不同的關(guān)系,為單獨評價裂隙對優(yōu)先流的影響提供可能。
土壤結(jié)構(gòu)隨干濕交替而變化,最明顯的特征是土壤遇到干旱后產(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過程中,尤其是富含黏粒的土壤或鹽性土壤。裂隙可形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)水分,垂直裂隙會導(dǎo)致作物根系以下水分和養(yǎng)分等的重新分布[1-2]。土壤裂隙增加土壤表面積,促使土壤水分通過裂隙內(nèi)表面更加迅速地蒸發(fā)損失。因此,裂隙的產(chǎn)生會加劇土壤干旱程度,同時提高土壤強(qiáng)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(dǎo)致后期灌溉水和降雨快速下滲,形成優(yōu)先流,降低水肥利用率,增加地下水污染風(fēng)險[3]。
灌淤土是指在灌溉、施肥和耕作等農(nóng)事活動影響下已形成50 cm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(dāng)?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),因而水稻種植面積逐年增加。水稻種植需經(jīng)歷多次灌溉和排水,干濕交替明顯,而灌淤土一般有機(jī)質(zhì)含量較低但富含碳酸鈣等鹽類,其土壤結(jié)構(gòu)變化顯著,在脫水的過程中易產(chǎn)生較大的裂隙[4]。同時當(dāng)?shù)亟涤昴陜?nèi)差異顯著,季節(jié)性干旱常導(dǎo)致土壤裂隙產(chǎn)生。裂隙產(chǎn)生后,導(dǎo)致水分和溶質(zhì)快速下滲,形成優(yōu)先流。田間模擬優(yōu)先流是當(dāng)今世界土壤物理學(xué)上的一個難題。因此,深入研究灌淤土裂隙的產(chǎn)生機(jī)制及其優(yōu)先流,對認(rèn)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。
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(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多因素的耦合驅(qū)動,其產(chǎn)生機(jī)理和過程仍然不清楚。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(xué)性質(zhì)在外界影響因素共同作用下的結(jié)果,是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。
土壤中的黏粒一般指粒徑<2 μm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,因此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)果表明,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(jìn)一步表明,土壤的收縮能力和土壤中黏粒的含量呈顯著正相關(guān)關(guān)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(guān)。有研究發(fā)現(xiàn):如果黏粒主要以1 ∶1的非膨脹性黏土礦物為主,即使黏粒含量高,土壤收縮能力也很低[7]。這說明土壤收縮能力雖與黏粒含量存在一定的關(guān)系,但與黏土礦物性質(zhì)關(guān)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(guān),當(dāng)土壤中的膨脹性黏土礦物占主導(dǎo)時,土壤的收縮能力就比較大。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(guān)。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(xué)者將黏土礦物類型對不同類型土壤收縮能力的影響進(jìn)行了排序,發(fā)現(xiàn)水鋁英石含量高的土壤收縮能力最強(qiáng),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(jī)質(zhì)含量對土壤結(jié)構(gòu)的形成起重要作用。一般情況下有機(jī)質(zhì)含量高的土壤,其結(jié)構(gòu)通常比較疏松,且孔隙比較多,因而其收縮能力較強(qiáng)。但De Jong等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤收縮和有機(jī)質(zhì)含量不存在相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)含量高的土壤,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,土壤的持水能力較強(qiáng),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),0~15 cm土層裂隙的寬度和體積與土壤容重顯著正相關(guān),其中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)生除受自身性質(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(guān)。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(qiáng)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(qiáng)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)現(xiàn)在水稻生長季中隨著干濕交替的進(jìn)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應(yīng)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(xì)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(guān)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(dāng)土壤水分供應(yīng)充足時,裂隙就會逐漸閉合,優(yōu)先流現(xiàn)象也會減弱。裂隙流現(xiàn)象和田間含水量緊密聯(lián)系,處于不斷的變化過程當(dāng)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(yīng)該是一個瞬間的過程,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,入滲率逐漸下降[13]。此外,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表面閉合[14]。同時,研究者強(qiáng)調(diào)即使裂隙在土壤表層閉合,深層裂隙依舊是優(yōu)先流的路徑[15]。而對于灌淤土,因其黏土礦物以高嶺土為主,
裂隙遇水后閉合過程很慢,故優(yōu)先流現(xiàn)象相對持久且明顯。筆者認(rèn)為這些不一致的結(jié)果可能是由于快速且非均質(zhì)的土壤膨脹過程以及不同土壤收縮和膨脹性質(zhì)的差異造成的。
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)生物大孔隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,且不隨水分變化而變化的特征,我們可以區(qū)分裂隙與其他大孔隙對水分運動的貢獻(xiàn)。許多學(xué)者認(rèn)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形成快速非均質(zhì)的優(yōu)先流,又常稱為大孔隙流。裂隙作為優(yōu)先流的路徑,可增加土壤入滲速率,提高地下水的污染風(fēng)險[18]。
2.2 土壤裂隙的測定方法
如何動態(tài)描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(guān)鍵[19]。Novak[20]提出了以裂隙度、地表裂隙度和裂隙比內(nèi)表面積為基本參數(shù)的裂隙特征量化指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系涉及的指標(biāo)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?fù)鋵W(xué)應(yīng)用到了裂隙幾何形態(tài)的描述中,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(biāo)體系。
研究者為直接測定裂隙三維結(jié)構(gòu)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。該方法的不足之處在于比較費時費力,對土體具有破壞性,而且精確度不夠,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結(jié)構(gòu)測定,該技術(shù)可以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(yīng)用于三維土壤結(jié)構(gòu)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)合圖像分析方法,得到了孔隙在三維空間的詳細(xì)分布特征,包括孔隙大小、連接度、彎曲度和孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。相較于其他方法,CT掃描技術(shù)能夠精確計算裂隙的體積、表面積及其在土體中的空間分布特征,而且具有成像速度快、非破壞性分析土體、分析精度較高等優(yōu)點。該技術(shù)的不足在于儀器體積大、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(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)對水分變化的響應(yīng),證實這種微結(jié)構(gòu)的變化在宏觀尺度上表現(xiàn)為土壤裂隙的開閉過程?;诖思夹g(shù)平臺,不僅可清晰觀測土壤整體收縮過程,而且能夠深入地了解不同孔隙的變化并進(jìn)行定量分析。這為我們建立土壤水分運動、土壤結(jié)構(gòu)變化和水勢三者之間的關(guān)系提供了可能。
2.3 優(yōu)先流的研究方法
研究裂隙對優(yōu)先流的貢獻(xiàn)可以采用染色法、圓盤入滲法等。染色法結(jié)合圖像分析,可以直觀地顯示優(yōu)先流在土壤剖面的空間分布和強(qiáng)度。圓盤入滲法則可直接計算出裂隙的導(dǎo)水率,評價其對整個入滲的貢獻(xiàn)。最近,Cey等[25]采用圓盤入滲和染色示蹤兩種方法,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探頭捕捉到入滲過程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,認(rèn)為大孔隙能解釋71%~75%的飽和導(dǎo)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過程與土壤水分的關(guān)系,并可估算裂隙對優(yōu)先流的貢獻(xiàn)。針對優(yōu)先流,目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
基于干濕交替過程中土壤結(jié)構(gòu)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:結(jié)構(gòu)收縮、線性收縮、殘留收縮和零收縮。這個方法不足之處是參數(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斷。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van Genuchten方程基礎(chǔ)上提出一個簡單的模型,即
(1)
式中:e(θ)為θ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);θ為含水量;χ為經(jīng)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(dǎo)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結(jié)構(gòu)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述水平方向的裂隙變化和垂直方向的下陷等土壤結(jié)構(gòu)變化的異質(zhì)性,但這種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(guān)系。因此,可以推論在較均質(zhì)的土層裂隙變化過程中可能保持相似的形狀。如果這個假設(shè)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(guān)系,就比較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。如果模型上能體現(xiàn)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)。
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、翻耕和泥漿化的過程,在水稻移栽后也需要經(jīng)常淹水和排水,這都容易導(dǎo)致稻田裂隙的產(chǎn)生。裂隙會成為優(yōu)先流的路徑,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(fēng)險。因此,對灌淤土裂隙的產(chǎn)生機(jī)制及其優(yōu)先流模擬具有重要的實際意義。
(1)裂隙的開闔,是一個復(fù)雜的過程,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(qiáng)度等存在著錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系。其中,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。
(2)如何動態(tài)描述土壤裂隙的幾何形態(tài)是研究土壤收縮和裂隙的關(guān)鍵。目前CT掃描技術(shù)是定量分析土壤裂隙的幾何形態(tài)的最佳方法。
(3)裂隙作為優(yōu)先流的路徑可大幅度增加土壤水分的入滲。研究裂隙對入滲的貢獻(xiàn),可以借用大孔隙流常用的技術(shù)和方法。根據(jù)裂隙和其他大孔隙與土壤水分的不同關(guān)系,為單獨評價裂隙對優(yōu)先流的影響提供可能。
[1] Velde B.Structure of surface cracks in soil and muds[J].Geoderma,1999,93(1-2):101-124.
[2] Velde B.Surface cracking and aggregate formation observed in a Rendzina soil,La Touche (Vienne) France[J].Geoderma,2001,99(3):261-276.
[3] Beven K,Germann P.Macropores and water flow in soils[J].Water Resources Research,1982,18(5):1311-1325.
[4] 黃樹輝,呂軍.水稻土裂縫的演變及其還原酶活性的變化研究[J].水土保持學(xué)報,2004,18(1):39-42.
[5] Boivin P,Garnier P,Tessier D.Relationship between clay content,clay type,and shrinkage properties of soil samples[J].Soil Science Society of America Journal,2004,68(4):1145-1153.
[6] Bayer A,Vogel H J,Roth K.Direct measurement of the soil water retention curve using X-ray absorption[J].Hydrology and Earth System Sciences Discussions,2004,8(1):2-7.
[7] Yule D F,Ritchie J T.Soil shrinkage relationships of Texas vertisols:Ⅰ.Small cores[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44(6):1285-1291.
[8] De Jong E,Kozak L,Storehouse H.Comparison of shrink—swell indices of some Saskatchewan soils and their relationships to standard soil characteristics[J].Canadian Journal of Soil Science,1992,72(4):429-439.
[9] Bandyopadhyay K,Mohanty M,Painuli D,et al.Influence of tillage practices and nutrient management on crack parameters in a Vertisol of central India[J].Soil and Tillage Research,2003,71(2):133-142.
[10] Peng Xinhua,Horn R,Smucker A.Pore shrinkage dependency of inorganic and organic soils on wetting and drying cycles[J].Soil Science Society of America Journal,2007,71(4):1095-1104.
[11] Tang C S,Shi B,Cui Y J,et al.Desiccation cracking behavior of polypropylene fiber-reinforced clayey soil[J].Canadian Geotechnical Journal,2012,49(9):1088-1101.
[12] Zhang Z B,Zhou H,Zhao Q G,et al.Characteristics of cracks in two paddy soils and their impacts on preferential flow[J].Geoderma,2014,228-229:114-121.
[13] Liu C W,Cheng S W,Yu W S,et al.Water infiltration rate in cracked paddy soil[J].Geoderma,2003,117(1-2):169-181.
[14] Návar J,Mendez J,Bryan R B,et al.The contribution of shrinkage cracks to bypass flow during simulated and natural rainfall experiments in northeastern Mexico[J].Canadian Journal of Soil Science,2002,82(1):65-74.
[15] Greve A,Andersen M,Acworth R.Investigations of soil cracking and preferential flow in a weighing lysimeter filled with cracking clay soil[J].Journal of Hydrology,2010,393(1):105-113.
[16] Gwo J P,Jardine P M,Wilson G V,et al.A multiple-pore-region concept to modeling mass transfer in subsurface media[J].Journal of Hydrology,1995,164(1):217-237.
[17] Jurg H.Modelling preferential flow of water in soils—a two-phase approach for field conditions[J].Geoderma,1993,58(3-4):149-163.
[18] Jarvis N.A review of non-equilibrium water flow and solute transport in soil macropores:Principles,controlling factors and consequences for water quality[J].European Journal of Soil Science,2007,58(3):523-546.
[19] 張展羽,朱文淵,朱成立,等.農(nóng)田土壤表面干燥裂縫的隨機(jī)分布統(tǒng)計特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(16):119-124.
[20] Novak V.Soil-crack characteristic—estimation methods applied heavy soils in the NOPEX area[J].Agricultural and Forestry Meterology,1999,98-99:501-507.
[21] Vogel H J,Hoffmann H,Roth K.Studies of crack dynamics in clay soil:I.Experimental methods,results,and morphological quantification[J].Geoderma,2005,125(3-4):203-211.
[22] Sander T,Gerke H H,Rogasik H.Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computedtomography[J].Geoderma,2008,145(3-4):303-314.
[23] Peth S,Nellesen J,Fischer G,et al.Non-invasive 3D analysis of local soil deformation under mechanical and hydraulic stresses by μCT and digital image correlation[J].Soil and Tillage Research,2010,111(1):3-18.
[24] Zhang Z B,Peng X,Zhou H,et al.Characterizing preferential flow in cracked paddy soils using computed tomography and breakthrough curve[J].Soil and Tillage Research,2014,146:53-65.
[25] Cey E E,Rudolph D L.Field study of macropore flow processes using tension infiltration of a dye tracer in partially saturated soils[J].Hydrologic Processes,2009,23(12):1768-1779.
[26] Luo Lifang,Lin H S,Schmidt J.Quantitative relationships between soil macropore characteristics and preferential flow and transport[J].Soil Science Society of America Journal,2010,74(6):1929-1937.
[27] 邵明安,呂殿青.土壤收縮特征曲線的實驗研究[J].土壤學(xué)報,2003,40(3):471-474.
[28] Peng Xinhua,Horn R.Modeling soil shrinkage curve across a wide range of soil types[J].Soil Science Society of America Journal,2005,69(3):584-592.
[29] Bronswijk J J B.Shrinkage geometry of a heavy clay soil at various stresses[J].Soil Science Society of America Journal,1990,54(5):1500-1502.
[30] Peng Xinhua,Horn R.Anisotropic shrinkage and swelling of some organic and inorganic soils[J].European Journal of Soil Science,2007,58(1):98-107.
(責(zé)任編輯 徐素霞)
國家自然科學(xué)基金項目(41261068)
S157
A
1000-0941(2015)12-0073-04
余海龍(1979—),男,甘肅酒泉市人,副教授,博士,研究方向為氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響。
2014-12-10