基于CT掃描技術(shù)預(yù)測(cè)露天煤礦區(qū)不同壓實(shí)土壤水分特征曲線

王金滿,張麗娜,馮 宇,荊肇睿

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部 土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

土壤壓實(shí)是一種嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，尤其是大型機(jī)械碾壓在工程和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。壓實(shí)作用被定義為土壤致密化和土壤孔隙度的減小，會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤強(qiáng)度，并降低土壤的水力傳導(dǎo)性，這又反過來對(duì)糧食生產(chǎn)、土壤生物棲息和生態(tài)功能產(chǎn)生負(fù)面影響。一般來說，當(dāng)土壤密度在黏土上超過1.47 g/cm，在淤泥上超過1.75 g/cm時(shí)，植物根系部分通氣不良，土壤滲水吸水能力不足，植物生長可能會(huì)受到限制。對(duì)于土壤破壞嚴(yán)重的礦區(qū)，大型機(jī)械造成的土壤壓實(shí)極為突出，成為限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。

露天開采會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重而迅速的影響，挖掘和傾倒導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)的快速變化，土壤剖面層紊亂并加劇土壤水土流失和退化。其中嚴(yán)重的壓實(shí)效應(yīng)導(dǎo)致土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化，限制了土壤的養(yǎng)分循環(huán)、儲(chǔ)水、氣體交換和能量運(yùn)輸。研究土壤水力特性對(duì)恢復(fù)礦區(qū)土壤質(zhì)量有很大幫助。水分特征曲線是模擬土壤水和溶質(zhì)傳遞的主要工具之一，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤變形和壓實(shí)的程度對(duì)水分特征曲線有決定性作用，通過降低土壤大孔隙度和孔徑分布限制土壤含水量。此外，土壤溫度、質(zhì)地也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。不同壓實(shí)效應(yīng)的孔隙參數(shù)和水力特性的差異需要量化，以診斷礦區(qū)因機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致的土壤退化，做好土地復(fù)墾工作。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室方法，對(duì)于孔隙的描述缺乏足夠的細(xì)節(jié)，且測(cè)定水分特征曲線耗時(shí)并存在許多不確定性。因此，表征和量化土壤孔隙結(jié)構(gòu)是確定壓實(shí)作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和水力性質(zhì)影響的關(guān)鍵。亟需新高精度技術(shù)的支持。

X射線CT掃描技術(shù)已被證明是一種非常強(qiáng)大且非破壞性的方法，以高分辨率來量化土壤結(jié)構(gòu)。近年來，CT掃描技術(shù)已被用于確定溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)、孔隙度和植物根系發(fā)育等方面。該技術(shù)在不破壞樣品的情況下分析研究對(duì)象的內(nèi)部特征，具有快速成像的優(yōu)點(diǎn)。CT方法在分析土壤科學(xué)參數(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，如土壤孔隙特征、孔隙形狀、大小、分布狀況；土壤水力特性、飽和導(dǎo)水率、水分特征曲線。從微觀尺度更好地解釋人為過程(如壓實(shí))引起土壤性質(zhì)的變化。

由于土壤大孔隙結(jié)構(gòu)與多種土壤性質(zhì)和過程密切相關(guān)，例如水力性質(zhì)和滲透過程，因此CT掃描技術(shù)的應(yīng)用有助于這些過程的可靠預(yù)測(cè)。以往土壤大孔隙的研究多集中在農(nóng)田、牧場(chǎng)和森林的土壤壓實(shí)中，對(duì)礦區(qū)重型機(jī)械造成的嚴(yán)重壓實(shí)研究有限。因此筆者通過CT掃描技術(shù)重建礦區(qū)不同壓實(shí)土壤的三維大孔隙結(jié)構(gòu)，量化土地大孔隙結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)土壤水分特征曲線，探討壓實(shí)對(duì)礦區(qū)土壤水力特性的影響機(jī)理。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省平朔露天煤礦，地理坐標(biāo)為112.17°～113.50°E，39.38°～39.62°N。土壤樣本采集點(diǎn)位于平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦的排土場(chǎng)，經(jīng)歷了堆積和大型機(jī)械反復(fù)碾壓的過程。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Ц珊抵涟敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。土壤類型主要是栗鈣土，土質(zhì)偏砂土質(zhì)，土壤結(jié)構(gòu)差，土壤密度介于1.27～1.74 g/cm，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在5.0～9.0 g/kg，對(duì)水蝕和風(fēng)蝕的抵抗力弱，由于地處黃土高原干旱區(qū)，缺少良好的植被覆蓋。此外，排土場(chǎng)內(nèi)高度壓實(shí)使土壤取樣過程困難，且提取土壤巖心通常會(huì)對(duì)樣品造成巨大的干擾。為了避免誤差，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)排土場(chǎng)土壤的壓實(shí)程度，實(shí)驗(yàn)室采取手工壓實(shí)制備土壤模擬樣品，將野外排土場(chǎng)表層土壤收集，并作為壓實(shí)實(shí)驗(yàn)的材料送回實(shí)驗(yàn)室。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

模擬實(shí)驗(yàn)的土樣采集自安太堡露天煤礦排土場(chǎng)0～30 cm土壤(圖1)。取樣后，在室內(nèi)風(fēng)干、壓碎，混合并過2 mm孔篩。通過手工壓實(shí)將土壤裝進(jìn)直徑60 mm、高70 mm的玻璃管中，每組密度設(shè)置3組重復(fù)。為得到均勻壓縮的土芯，每個(gè)巖心的壓實(shí)分為4層進(jìn)行，從300 mm的固定高度錘壓。樣品分為2組，每組18根土柱，密度為1.3～1.8 g/cm，密度間隔為0.1 g/cm，其中G1.4略微壓實(shí)，其壓實(shí)水平與現(xiàn)場(chǎng)未受干擾的原狀土壤相似，G1.3和G1.4被認(rèn)為是未壓實(shí)的土壤，G1.5，G1.6，G1.7和G1.8被認(rèn)為是壓實(shí)土壤。2組實(shí)驗(yàn)樣品中一組用于實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線，另一組送至中國航天特征材料與加工技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行CT掃描。

2.2 水分特征曲線的測(cè)定

將按照設(shè)定密度準(zhǔn)備的土樣在水中浸泡飽和24 h，稱重飽和后土樣，置入離心機(jī)中，設(shè)定各基質(zhì)勢(shì)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(表1)，離心機(jī)設(shè)置旋轉(zhuǎn)時(shí)間為60 min，取出離心桶稱重，依此進(jìn)行下一轉(zhuǎn)速，離心旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，將所有樣品在120 ℃烘箱內(nèi)干燥至恒重，計(jì)算個(gè)基質(zhì)勢(shì)下土壤體積含水量。最后得到土壤水分特征曲線(SWCC)。

圖1 土壤樣品Fig.1 Soil sample

表1 離心機(jī)轉(zhuǎn)速與基質(zhì)勢(shì)

2.3 CT掃描

在螺旋掃描模式下掃描巖心，為提高圖像精度，掃描土柱中部和5～55 mm區(qū)域，掃描圖像的分辨率為30 μm ×30 μm×30 μm，掃描間隔為連續(xù)0.05 mm。CT掃描配置參數(shù)值：管電壓100 kV, 掃描分辨率25 μm,像素?cái)?shù)2 284×2 284。CT掃描后，有1 200張灰色圖像。然后，通過計(jì)算機(jī)處理，獲得土壤切片圖形，基于Avizo對(duì)圖像切片進(jìn)行三維重建。

在土壤孔隙研究中，一般將土壤孔徑大于30 μm的孔隙定義為土壤大孔隙，相對(duì)于土壤中的微孔隙，土壤大孔隙更容易受到土壤壓實(shí)的影響。

在ImageJ軟件中處理切割采集的圖像堆，尺寸為10 mm×10 mm。首先排除巖壁的空隙，以盡量減少射束硬化帶來的影響。采用最大熵閾值算法分割圖像，通過選擇最大類間熵來確定合理的閾值，結(jié)合目視檢查確保正確性。分割后，使用Avizo軟件的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型重建并可視化大孔隙結(jié)構(gòu)，獲取土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，不同的顏色代表不同的孔徑。圖像處理流程如圖2所示。

圖2 圖像處理技術(shù)流程Fig.2 Workflow of image processing

模型中土壤孔隙的當(dāng)量直徑()的計(jì)算公式為

(1)

其中，為土壤中大孔隙體積，μm。由于圖像分辨率的限制，本研究中當(dāng)量直徑()為大于30 μm的大孔隙。在Avizo軟件中，采用Volume Fraction模塊提取土壤大孔隙度結(jié)構(gòu)信息。

土壤大孔隙度()計(jì)算公式為

=

(2)

式中，為模型中統(tǒng)計(jì)的大孔隙體積；為土樣樣品的總體積。

2.4 水分特征曲線預(yù)測(cè)模型

在預(yù)測(cè)土壤水力特性模型中常用的有物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。物理?jīng)驗(yàn)Arya-Paris模型最早于1981年提出，該模型根據(jù)土壤密度和土壤大孔隙的分布特征來模擬土壤水分特征曲線。其基本假設(shè)是土壤粒徑組成與大孔隙半徑相關(guān)。基本原理是計(jì)算每個(gè)孔隙級(jí)別范圍內(nèi)大孔隙的含水量及其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)勢(shì)，因此，獲得土壤含水量和基質(zhì)勢(shì)，預(yù)測(cè)整個(gè)范圍內(nèi)的水分特征曲線。

該研究中，土壤大孔隙半徑通過CT掃描土壤重建土壤三維結(jié)構(gòu)后獲得。土壤孔隙分布的直方圖可以在Avizo 軟件中直接獲得。據(jù)此，可以估算出土壤大孔徑的分布。具體公式為

=4cos(1-)

(3)

式中，為每組直方圖內(nèi)土壤大孔隙平均直徑；為水的表面張力，N/m；為水分接觸角；為水密度，kg/m；為重力加速度，m/s；,為表征土壤孔隙形狀的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

土壤大孔隙分布曲線將土壤孔徑分為份：

=(=1，2，3，…，)

(4)

式中，為級(jí)土壤中的大孔隙體積總和；為級(jí)土壤的質(zhì)量；為土壤顆粒密度。

土壤大孔隙度()可以通過以下公式計(jì)算得到：

=(-)

(5)

其中，為土壤密度；將土壤的累積粒度分布曲線分為份，相應(yīng)的土壤大孔隙半徑也分為份；假設(shè)在水體流動(dòng)過程中，土壤水先填充滿土壤小孔隙，然后填充較大孔隙，因此，土壤含水量小于第個(gè)土壤孔隙的積累，其計(jì)算公式為

(6)

其中，為第級(jí)土壤孔隙充滿水時(shí)的體積含水量；為第級(jí)土壤孔隙體積；為單位土壤的體積，可通過以下公式計(jì)算得到：

(7)

其中，為級(jí)土壤顆粒的質(zhì)量，因此式(6)可改為

(8)

取2個(gè)相鄰等級(jí)的土壤體積含水量的平均數(shù)作為對(duì)應(yīng)等級(jí)的較大孔隙體積水分含量：

(9)

根據(jù)毛細(xì)管理論，可以計(jì)算相應(yīng)的基質(zhì)勢(shì)：

=2cos()

(10)

式中，為第級(jí)土壤孔隙對(duì)應(yīng)的基質(zhì)勢(shì)；為第級(jí)土壤孔隙半徑。

本研究中CT掃描所能識(shí)別的最小孔徑是30 μm，因此模型所能預(yù)測(cè)的最大基質(zhì)勢(shì)是102 cm。由于實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的基質(zhì)勢(shì)范圍不同，無法比較整個(gè)范圍內(nèi)CT掃描技術(shù)結(jié)合物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退岢鲱A(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)能力。因此運(yùn)用Matlab軟件基于Van Genuchten模型對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行整個(gè)范圍內(nèi)的擬合，將得到的水分特征預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)值的擬合曲線進(jìn)行誤差分析。

用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)測(cè)值和基于CT掃描技術(shù)得到預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差 (RMSE)來描述土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)性能。

(11)

研究中的統(tǒng)計(jì)分析通過Spass軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)土壤的水分特征曲線

圖3顯示了實(shí)驗(yàn)室離心法測(cè)定的土壤水分特征曲線對(duì)壓實(shí)作用的響應(yīng)程度。觀察發(fā)現(xiàn)，在同一壓實(shí)狀態(tài)下，隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加，土壤含水量先迅速降低而后緩慢降低。這種在低基質(zhì)勢(shì)顯著降低，高基質(zhì)勢(shì)降低趨勢(shì)緩慢的現(xiàn)象，可能與在土壤壓實(shí)過程中，大孔隙對(duì)壓實(shí)作用的敏感性有關(guān)，隨著壓實(shí)程度的增加，土壤大孔隙中的水分優(yōu)先排出。土壤水分特征曲線在低基質(zhì)勢(shì)時(shí)不同密度土壤的含水量差距較大，在中基質(zhì)勢(shì)時(shí)，除密度為1.8 g/cm時(shí)，其他壓實(shí)狀態(tài)下，土壤含水量的差距較小，在高基質(zhì)勢(shì)下，不同密度土壤含水量又顯出差異。比較同一基質(zhì)勢(shì)下，隨著密度的增加，土壤含水量減少，且含水量的變化范圍減小。壓實(shí)程度增加，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)土壤大孔隙發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密度較小時(shí)，大孔隙數(shù)量占比要比密度較高時(shí)提高30%～50%。這表明，土壤大孔隙特征與土壤含水量有直接關(guān)系，可進(jìn)一步基于土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)土壤水分特征曲線。

圖3 水分特征曲線實(shí)驗(yàn)室測(cè)定Fig.3 Soil water characteristic curves by experiment

3.2 不同密度土壤的大孔隙特征

..土壤大孔隙分布特征

礦區(qū)土壤不同壓實(shí)程度對(duì)土壤大孔隙的分布存在顯著差異，從圖4可以看出，不同密度下土壤大孔徑分布及其孔隙總體積占比特征。在0～500 μm孔徑范圍內(nèi)，各密度下大孔隙體積占比分別達(dá)到了11.66%，24.86%，49.11%，52.43%，95.84%，100%。

盡管不同密度時(shí)土壤大孔隙數(shù)量存在差異，但孔徑在50～150 μm內(nèi)的大孔隙數(shù)量最多，且隨著壓實(shí)程度增加，土壤孔徑范圍降低，且同一孔徑范圍內(nèi)的土壤大孔隙數(shù)量減少。當(dāng)密度增加到1.8 g/cm時(shí)，土壤中大孔隙的孔徑均小于500 μm；進(jìn)一步比較各孔徑范圍對(duì)總體積的貢獻(xiàn)率，在各壓實(shí)狀態(tài)下，土壤大孔對(duì)體積貢獻(xiàn)率均處于較高水平，當(dāng)密度在1.3～1.4 g/cm內(nèi)，隨著孔徑增加，對(duì)孔隙總體積貢獻(xiàn)率增加，1.5～1.6 g/cm內(nèi)，隨孔徑增加，體積貢獻(xiàn)率波動(dòng)增加，并當(dāng)孔徑較大時(shí)，貢獻(xiàn)率達(dá)到峰值，1.7～1.8 g/cm內(nèi)，隨孔徑增加，體積貢獻(xiàn)率先增加后減少，且100～200 μm孔徑范圍的大孔隙對(duì)其貢獻(xiàn)率最大。隨著密度增加，大孔隙數(shù)量在可測(cè)量的范圍內(nèi)有效減少，這表明，壓實(shí)作用優(yōu)先破壞土壤中的大孔隙結(jié)構(gòu)，在土地復(fù)墾管理工作中，可通過犁耕等疏松表土，減少壓實(shí)對(duì)土壤帶來的負(fù)面影響，改善土壤環(huán)境，提高土壤質(zhì)量。

圖4 壓實(shí)土壤大孔隙數(shù)量與體積占比Fig.4 Number and volume proportion of macropores in compacted soils

..壓實(shí)對(duì)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的影響

土壤樣品的孔隙度見表2。其中土樣的平均孔隙度是各土樣檢測(cè)到的大孔隙度和微孔隙度之和，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)平均估計(jì)孔隙度隨密度的增加而減小，當(dāng)密度為1.8 g/cm。時(shí)，孔隙度降低了37.02%；對(duì)比土壤大孔隙度與微孔隙度對(duì)壓實(shí)作用的響應(yīng)，大孔隙度隨密度增加迅速下降(圖5)，微孔隙度隨土壤密度增加下降不明顯。土壤中的連接孔隙只有在密度為1.3 g/cm才存在，進(jìn)一步說明壓實(shí)作用對(duì)土壤大孔隙有顯著的影響。

表2 估算和檢測(cè)土壤樣品的孔隙度

圖5 不同密度土壤大孔隙度Fig.5 Macroporosity of soils with different bulk densities

圖6顯示了土壤大孔隙數(shù)量和密度間的關(guān)系，2者間的相關(guān)性高達(dá)0.945，隨著密度的增加，大孔隙數(shù)量減少，當(dāng)密度達(dá)到1.8 g/cm時(shí)，土壤大孔隙數(shù)量降低至1 254，降低了78.72%。

土壤中的歐拉數(shù)是描述壓實(shí)土壤連通性的有效指標(biāo)，其值越大，表示孔隙間的連通性越低。由圖7可知，隨著密度的增加，土壤孔隙間的連通性逐漸減小，且當(dāng)密度高于1.5 g/cm，時(shí)，平均歐拉數(shù)緩慢增加，這表明當(dāng)壓實(shí)程度的增加，土壤中的連接孔隙迅速減少，當(dāng)壓實(shí)達(dá)到一定程度時(shí)，連接孔隙極少，壓實(shí)對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)影響極為敏感。研究發(fā)現(xiàn)。土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征與土壤壓實(shí)存在著強(qiáng)相關(guān)，CT掃描技術(shù)在微觀尺度更好解釋了壓實(shí)對(duì)土壤的負(fù)面影響，礦區(qū)土壤面臨的土壤壓實(shí)威脅更多，機(jī)械的多次碾壓，礦山廢棄物的堆積等，為避免壓實(shí)帶來的各種威脅，有必要根據(jù)實(shí)際情況采取恢復(fù)措施。

圖6 不同密度土壤大孔隙數(shù)量Fig.6 Macropores number of soils with different bulk densities

圖7 不同密度土壤平均歐拉數(shù)Fig.7 Average euler number of soils with different bulk densities

3.3 CT掃描技術(shù)預(yù)測(cè)土壤水分特征曲線

基于CT掃描技術(shù)結(jié)合物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)，圖8顯示了不同壓實(shí)程度下土壤水分特征曲線的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的擬合曲線。結(jié)果顯示，不同壓實(shí)狀態(tài)下土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的形狀變化一致。在可預(yù)測(cè)的基質(zhì)勢(shì)范圍內(nèi)，土壤體積含水量隨著基質(zhì)勢(shì)的增加先緩慢減少后迅速減少，當(dāng)基質(zhì)勢(shì)達(dá)到一定高度時(shí)，土壤體積含水量減少趨勢(shì)又趨于平緩。對(duì)比同一基質(zhì)勢(shì)下，土壤保水能力隨壓實(shí)增加而下降。通過對(duì)于預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值可驗(yàn)證本研究所提出預(yù)測(cè)方法的可行性，在模擬結(jié)果中，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值接近，2者的變化趨勢(shì)一致。密度越小，擬合效果越好，說明預(yù)測(cè)精度越高。當(dāng)壓實(shí)處于1.3～1.6 g/cm時(shí)，在整個(gè)基質(zhì)勢(shì)范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)值先高于實(shí)測(cè)值，后低于實(shí)測(cè)值，整體上預(yù)測(cè)能力較高，當(dāng)壓實(shí)達(dá)到1.7～1.8 g/cm時(shí)，在低基質(zhì)勢(shì)時(shí)，土壤含水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差較大，隨著基質(zhì)勢(shì)的增加，2者間的差值逐漸減小。預(yù)測(cè)的土壤水分特征曲線的相關(guān)性均大于0.8，見表3，統(tǒng)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的擬合曲線與模型預(yù)測(cè)值擬合曲線的均方根誤差(RMSE)，其值越小，表明CT掃描技術(shù)的預(yù)測(cè)能力越高。本研究結(jié)果顯示，基于CT掃描技術(shù)獲取土壤大孔隙特征參數(shù)，結(jié)合物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)土壤水分特征曲線達(dá)到較高的精度，可應(yīng)用于實(shí)際問題的研究。

圖8 土壤水分特性曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的擬合Fig.8 Fitting between predicted and measured values of soil water characteristic curve

表3 不同密度土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)精度

4 討 論

4.1 壓實(shí)對(duì)土壤水力特性的影響

對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的土壤水分特征曲線，壓實(shí)程度的增加有效減少了土壤中的含水量，且隨著離心力的增加，土壤體積含水量先快速減少，當(dāng)達(dá)到較高基質(zhì)勢(shì)時(shí)，含水量變化不再明顯。通過密度與大孔隙特征相關(guān)性的分析，有效說明土壤中的大孔隙分布顯著影響土壤水分特征曲線變化。壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增加，一旦壓實(shí)作用展開，其內(nèi)部顆粒會(huì)不斷擠壓，重新排列組合，首先大孔隙中的水分優(yōu)先排出，這與土壤體積含水量迅速減少一致。土壤孔隙作為微觀尺度物質(zhì)交換的場(chǎng)所，可通過翻耕、添加生物碳等維持土壤大孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙間的連通性，這對(duì)于壓實(shí)作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)、植被生長發(fā)育、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的負(fù)面影響有緩解作用。其次，土壤體積含水量還會(huì)受到土壤質(zhì)地、溫度等因素的影響，這可作為后續(xù)的研究方向。

然而也有研究指出，適當(dāng)?shù)膲簩?shí)會(huì)增加土壤含水量，如在沙地中，壓實(shí)對(duì)于其有一定的保水作用，可以防止水分蒸發(fā)，以及土壤膨脹引起的土壤孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布潛在的可逆變化。黏土在壓實(shí)過程中，土壤含水量減少的程度要小于其他土質(zhì)，相關(guān)文獻(xiàn)記載，當(dāng)密度從1.2 g/cm增加到1.6 g/cm時(shí)，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%的土壤體積含水量會(huì)下降50%～60%，而黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%的土壤含水量僅下降20%～29%。

礦區(qū)重型機(jī)械壓實(shí)不僅對(duì)礦區(qū)水分平衡和流域生態(tài)水文安全造成威脅，也影響復(fù)墾區(qū)植被恢復(fù)效果。土體表面壓實(shí)，導(dǎo)致水分入滲率降低，地表徑流增加，加劇水土流失風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，土體與大氣物質(zhì)和能量交換受阻，植被生長受限，降低作物產(chǎn)量，對(duì)玉米種植的壓實(shí)研究表明，土壤壓實(shí)顯著降低玉米產(chǎn)量，經(jīng)過中等和嚴(yán)重壓實(shí)后的玉米產(chǎn)量分別減少25%和50%。一些植物在經(jīng)過土壤壓實(shí)之后能夠迅速恢復(fù)，但也有植被則無法恢復(fù)到正常生長狀態(tài)。平朔礦區(qū)植被生長狀況較好時(shí)土壤密度均值維持在1.47 g/cm，但大多數(shù)區(qū)域壓實(shí)程度高于該水平。有必要預(yù)防土壤過度壓實(shí)，為植被生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境：首先盡量避免機(jī)械作業(yè)，其次，對(duì)土層進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆?，合理施肥并添加土壤改良劑，如生物碳的添加，有利于恢?fù)土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤質(zhì)量。

4.2 CT掃描技術(shù)預(yù)測(cè)土壤水分特征曲線的精度

本研究基于CT掃描技術(shù)結(jié)合物理經(jīng)驗(yàn)Arya-Paris模型預(yù)測(cè)的土壤水分特征曲線結(jié)果具有較高的精度。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室方法獲取土壤水分特征曲線，CT掃描技術(shù)結(jié)合土壤三維重構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法更加便捷準(zhǔn)確，是可行的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在同一基質(zhì)勢(shì)下，預(yù)測(cè)精度隨著土壤壓實(shí)程度增加而有所減小，這主要與壓實(shí)后土壤大孔隙減少、CT掃描儀精度有限有關(guān)，限制了模型的預(yù)測(cè)精度。后續(xù)考慮用高分辨率CT掃描儀進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)中微孔的測(cè)定，來研究各種土壤壓實(shí)條件下土壤水分特征曲線的預(yù)測(cè)。同時(shí)整個(gè)土層的分布并不是均勻的，存在一些致密層影響水分運(yùn)動(dòng)，微觀尺度的土壤水分運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的，在這種情形下，只考慮土壤大孔隙的分布特征無法完全詮釋土壤水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，土壤的質(zhì)地、連通性、異質(zhì)性均需全面考慮在內(nèi)。

CT掃描儀獲取的大孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可有效解釋壓實(shí)狀態(tài)下土壤水分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但其流動(dòng)的變異性有待進(jìn)一步探索，實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)能力的優(yōu)化。

5 結(jié)論與展望

(1)通過CT掃描技術(shù)三維重建土壤大孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)土壤孔隙中數(shù)量最多的是50～150 μm的大孔隙，壓實(shí)作用降低了土壤大孔隙度，減少大孔隙數(shù)量，使土壤孔隙間連通性降低，同時(shí)大孔隙對(duì)壓實(shí)作用更加敏感，對(duì)于礦區(qū)壓實(shí)要以預(yù)防和避免大規(guī)模機(jī)械壓實(shí)為主，同時(shí)可進(jìn)行翻耕和添加改良劑等措施。

(2)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了土壤水分特征曲線，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)作用通過土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響土壤水分的運(yùn)輸及儲(chǔ)存能力，相比高基質(zhì)勢(shì)時(shí)，在低基質(zhì)勢(shì)下，土壤含水量下降速率快，且隨土壤密度增加而降低，表明壓實(shí)會(huì)降低土壤的持水能力。

(3)研究提出的土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)方法取得了較高的精度(>0.89)，相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，省時(shí)省力。同時(shí)CT掃描儀精度的提升，可觀測(cè)到更小孔徑土壤，更能真實(shí)反映土壤水分狀況，提高模型的預(yù)測(cè)能力。

當(dāng)前，通用CT掃描儀的分辨率為30～100μm，在獲取土壤孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)有一定的限制，圖像分辨率在量化孔隙結(jié)構(gòu)中起著決定性作用，有必要應(yīng)用合適分辨率的CT掃描儀識(shí)別土壤中的微孔隙結(jié)構(gòu)，探索更小尺度孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響。同時(shí)，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)土壤水力特性仍存在一定的局限性，一方面各模型中的土壤參數(shù)各不相同，部分獲取難度大，另一方面相關(guān)模型對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)做了很大簡化，相比真實(shí)的土壤水分運(yùn)移，吸排水過程會(huì)有所差異，進(jìn)一步完善合適的預(yù)測(cè)模型是今后的研究方向。