盐阳离子类型对红壤裂缝开闭规律的影响

王辉，陈潇岳，王玮

(湖南农业大学水利与土木工程学院，湖南 长沙 410128)

再生水属于非常规水资源中的一类重要水源，其开发利用是缓解中国水资源供需矛盾、统筹解决水资源问题的重要举措[1].水资源相对丰富的南方地区利用再生水可有效缓解季节性缺水和减轻污染；城市水景观、园林绿地以及城郊农业灌溉成为再生水的主要利用形式[2].然而，随着含有较高盐分的再生水灌溉，各类盐离子随之带入土壤，从而影响了土壤黏粒、孔隙特征[3]，从而进一步改变土壤的胀缩特征[4].干缩和湿胀极易在土壤表面产生不同形态的干缩裂缝，而土壤裂缝作为水分和盐分运移的优先通道导致水分流失及地下水污染，也是土壤水分蒸发的便利途径，加剧了土壤干旱危害.

围绕盐分对土壤干缩裂缝的形态影响及裂缝开闭规律开展了一系列研究工作.LIMA等[5]、REN等[6]证实了土壤干缩裂缝面积、长度等土壤裂缝表征指标与土体含盐量呈正相关关系，表明土壤盐分水平与土壤裂缝特征具有高度相关性.张展羽等[7]发现不同盐分含量的土壤裂缝面积密度和长度密度均差异显著，盐分含量越大，稳定时土壤裂缝面积密度越大，长度密度越小.邢旭光等[8]对粉黏壤土研究发现，4种盐阳离子均可减轻土壤开裂程度.综上所述，大多数研究工作集中于高含盐量盐碱地的裂缝发育及演化，但是，在盐离子各自产生的效应对土壤开裂特征及裂缝规律方面研究深度不够，而且盐阳离子类型对南方酸性土壤干缩裂缝形态和发育规律鲜有报道.再生水等非常规水灌溉对土壤生态环境的影响是人们长期关注的问题，其中所携带的大量盐阳离子对土壤膨胀收缩物理特征的影响值得深入探究.

文中立足于南方的气候条件和土质背景，选用南方地区分布较广的红壤，配置4种盐溶液浸泡土壤，分析不同类型及浓度的盐阳离子影响下土壤裂缝参数随含水率的变化过程，并定量研究不同盐阳离子条件下红壤裂缝的开闭临界含水率，明晰南方地区盐阳离子对于土壤干缩裂缝及其开闭过程的影响特征.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤选取自湖南长沙郊区荒地(113°7′33″E，28°11′45″N)表层0～20 cm的红壤，去除了植物根系、沙石等杂物，自然风干，磨碎，通过2 mm土筛.土壤颗粒组成采用吸管法进行测定；土壤粒径范围：≤0.002 mm，(0.002,0.02] mm和(0.02,2] mm 的质量分数分别为56%，32%和12%，并按照国际土壤分级标准进行分级；质地属于黏土.供试红壤的基本化学成分指标：pH值为5.05±0.06，电导率为46.70±3.25 μS/cm，阳离子交换量为13.11±0.224 cmol/kg；钾、钠、钙、镁、氯离子的浓度分别为0.150±0.001，0.297±0.128，3.168±0.039，0.499±0.010，0.058±0.001 cmol/kg.

为了探究水质中不同盐阳离子类型对土壤蒸发开裂的影响，避免阴离子类型不同造成结果误差，采用人工配置方法制备试验溶液.选用NaCl，KCl，MgCl2，CaCl2晶体或粉末，参考再生水盐分浓度标准[9-10]，采用蒸馏水(试验前已测定水中离子值接近于0)稀释成质量浓度为2.5，5.0，10.0，15.0 g/L的NaCl，KCl，MgCl2，CaCl2溶液浸泡供试土样，并按浓度分别标记(例如Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0；其余3种离子类推)，另设置蒸馏水CK作为对照，相同处理设置3次重复.

1.2 试验设计与步骤

为了减少土壤干缩开裂的边界影响并确保土样各向同性，定制了一套PVC圆盘容器(直径25 cm、深度10 cm)，圆盘底座用亚克力板制作，并涂有防水胶确保底板不透水.将处理后的土样均匀装填到圆盘容器中，并参考取样地实际土壤容重，设置试验填土容重为1.28 g/cm3.考虑到土壤裂缝一般发生在土壤表层，进而向深部进行扩展，因此只探析土壤表面裂缝面积、长度等二维指标变化状况，而不考虑垂直方向上的三维指标例如裂缝深度等因素.装填1 cm的薄层土样，并用木锤轻轻捣实，采用电子秤(量程10 kg，精度0.1 g)称量控制装填容重，保证土样的均匀性；薄层土样制备完成后，称取初始质量.

1) 干燥过程.为了尽量保证水分与土壤充分均匀浸透，减少饱和时对土样表面破坏而影响数据采集，装填后的薄层土饼用不同浓度的盐溶液进行间断喷湿法[11]浸泡.为了避免土样饱和不充分或者浸泡溶液过多，喷湿前通过环刀法测定土样的饱和含水率，确定大概的浸泡水量.喷湿过程注意喷嘴与薄层土饼保持水平，避免对土体表面直接冲刷，造成破坏.

经不同溶液浸泡后的薄层土饼，放置在设置为40 ℃的恒温箱中进行干燥.每间隔2 h用数码相机(型号NIKON D5200，分辨率6 000×4 000)进行拍照.拍摄过程中遮挡所有外部环境光并提供单一固定光源，用支架固定相机的拍摄高度及垂直角度，确保每次拍摄角度一致.每次拍照完后，用电子秤(量程10 kg，精度0.1 g)称取土饼的质量，然后放回烘箱中继续恒温干燥，重复该步骤直到薄层土饼的质量不再发生变化.

2) 增湿过程.模拟土壤开裂干燥试验后，继续进行模拟增湿试验，用蒸馏水通过喷湿法完成.因土壤裂缝在湿润闭合过程中闭合存在一定的延时现象，每喷湿30 g(每个土样干土质量为628 g)左右蒸馏水，静止一段时间，保证土壤充分润湿和膨胀，然后进行与干燥过程相同条件下的拍照、称重.当薄层土样的裂缝趋近于闭合时，为了确保数据精确，每喷湿5 g左右水量便静置一段时间，对土样进行拍照、称重，直到土样裂缝完全闭合则试验结束.

1.3 图像处理与数据提取

用Photoshop和Matlab等软件对图片进行裁剪、灰度化、二值化、矢量化4个过程提取相关裂缝指标，并手动去除二值图的杂点以提高数据提取的准确性.裂缝二值图变化如图1所示，图中ξ为土壤质量含水率.

图1 图像二值化

相关指标计算公式参考文献[7]，并用SPSS软件进行数据统计分析，计算方法如下：

1)裂缝面积密度Rc(mm2/mm2)，为裂缝面积与研究区域面积之比，计算公式为

(1)

式中：Ai为第i条裂缝的面积，mm2；A0为研究区域的面积，mm2.

2) 裂缝长度密度Lc(mm/mm2)，计算公式为

(2)

式中：Li为第i条裂缝的骨架长度，mm.

3) 土壤裂缝开闭(开裂、闭合)含水率.根据张展羽等[12]对土壤开裂、闭合的研究结果，在干燥过程中以首次出现土壤裂缝时所对应的土壤含水率为土壤开裂含水率；湿润过程中以土壤裂缝面积趋近于0时所对应的土壤含水率作为闭合含水率.用称重法确定土样2个临界时刻的含水率作为土壤裂缝开闭指标.

2 结果与分析

2.1 盐阳离子对红壤干燥过程裂缝参数的影响

2.1.1 裂缝面积密度随含水率变化的影响

图2为红壤干燥过程中裂缝面积密度随含水率的变化特征.由图可知，土壤质量含水率ξ从30%降到10%，土壤裂缝面积密度增长最为迅速；ξ低于10%后，Rc趋于稳定.经Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0处理后，红壤面积密度比处理CK的分别增大45.7%，95.6%，155.0%，117.7%.Na+的质量浓度为0～10 g/L，红壤Rc随着Na+盐浓度升高而增大，当其质量浓度高于10.0 g/L后却呈现减小的现象.经K2.5，K5.0，K10.0，K15.0处理后，红壤Rc比处理CK的分别大17.4%，73.1%，126.1%，160.1%，说明K+对红壤Rc起到促进作用，这种促进作用随着K+浓度升高而增强.红壤裂缝参数稳定时，处理Ca2.5，Ca5.0，Ca10.0，Ca15.0的红壤Rc比CK的分别大38.4%，23.4%，31.6%，109.4%.处理Mg2.5，Mg5.0，Mg10.0，Mg15.0的红壤Rc比CK的分别大9.7%，19.5%，25.7%，39.2%.这说明土壤裂缝面积随着水质中Ca2+和Mg2+浓度升高而加剧增大.

2.1.2 裂缝长度密度随含水率变化的影响

图3为红壤干燥过程中Lc随ξ变化关系.

图2 干燥过程红壤裂缝面积密度与土壤质量含水率变化关系

图3 干燥过程红壤裂缝长度密度随质量含水率变化关系

由图3可知，当土壤质量含水率ξ高于30%时红壤裂缝长度密度增长较慢，从30%减小到10%时其值增长迅速，而低于10%则其值基本趋于稳定.经Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0处理后的红壤裂缝长度密度比CK处理的分别小29.4%，17.3%，7.7%，14.8%.这说明Na+能抑制红壤裂缝长度发展，且随着水质中Na+浓度降低而抑制作用也逐渐降低.

经K2.5，K5.0，K10.0，K15.0处理后的红壤裂缝长度密度比CK处理的分别小10.1%，24.4%，19.5%，29.1%.这一结果类似于Na+，K+对于红壤的裂缝长度密度具有抑制作用.

经Ca2.5，Ca5.0，Ca10.0，Ca15.0处理后的红壤裂缝长度密度比CK处理的分别小9.4%，13.1%，49.6%，23.7%；经Mg2.5，Mg5.0，Mg10.0，Mg15.0处理后的红壤裂缝长度密度比CK处理的分别小1.7%，5.2%，7.7%，17.0%.这结果表明Ca2+对红壤裂缝长度密度有一定程度的抑制作用，且抑制作用在Ca2+质量浓度为10.0 g/L左右时达到峰值；而Mg2+对红壤裂缝长度密度的抑制作用是随Mg2+浓度升高而增加，但其抑制作用要小于前3种离子.

2.2 盐阳离子对红壤裂缝开闭临界含水率的影响

土壤裂缝开裂和闭合临界状态时的土壤含水率是表征土壤物理状态的重要参数.图4为各类盐阳离子不同质量浓度c处理后红壤开裂和闭合含水率变化规律.由图发现增湿过程中，红壤裂缝闭合含水率均高于开裂含水率，且盐溶液处理后开、闭含水率均升高.在盐溶液质量浓度为0～15.0 g/L时，Na+，Ca2+，Mg2+处理后红壤裂缝开、闭含水率均呈先增加后降低，随后逐渐升高趋势；K+处理后红壤裂缝开、闭含水率则呈现先增高后减少的变化特征.Na+，Ca2+，Mg2+溶液质量浓度为0～5.0 g/L时，红壤裂缝开、闭含水率最大值所对应的质量临界浓度为2.5 g/L；K+浓度为0～15.0 g/L时，其开、闭含水率最大值所对应的溶液质量浓度为5.0 g/L.这表明质量浓度为5.0 g/L的KCl溶液对土壤裂缝发育开、闭含水率的影响最显著.

图4 不同阳离子类型作用下红壤裂缝开闭质量临界含水率变化

2.3 裂缝参数与盐阳离子浓度关系

表1为红壤裂缝参数与盐阳离子质量浓度相关性分析，表中c为盐阳离子质量浓度.由表可见红壤裂缝主要参数与盐阳离子浓度之间具有较好的相关关系.红壤裂缝的面积密度与4种盐离子质量浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；长度密度与K+和Mg2+呈极显著负相关关系(P<0.01)，与Ca2+呈显著负相关关系(P<0.05)，与Na+相关关系不明显.这进一步说明了4种盐离子对土壤裂缝参数具有不同程度的影响作用.

表1 红壤裂缝参数与盐阳离子质量浓度相关性分析

注：*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平下具有统计学意义

将红壤裂缝稳定时的几何参数与不同盐离子浓度进行拟合.表2为裂缝参数与离子浓度拟合结果.由表发现，处理Na+和Ca2+下土壤裂缝面积密度Rc、长度密度Lc和离子浓度c之间的关系可以建立二次函数关系，其方程式为

Rc或Lc=Ac2+Bc+C，

(3)

式中：A，B，C分别为红壤裂缝参数与盐阳离子质量浓度之间的拟合关系常数.

由表2还可见，处理K+和Mg2+下土壤裂缝面积密度Rc、长度密度Lc和离子浓度c之间的关系可以建立线性函数关系，方程式为

Rc或Lc=Bc+C.

(4)

其详细的参数结果见表2.

表2 裂缝参数与离子浓度拟合结果

3 讨 论

通过试验分析发现，选取的K+,Na+,Ca2+,Mg2+等4种离子均不同程度地促进红壤裂缝面积的扩展，也会不同程度地抑制裂缝长度密度增加，这与张展羽等[7]的研究结果类似，与邢旭光等[8]的研究有所差异.研究结果存在差异的原因可能有2点：一是土质类型对土壤裂缝发育规律有着极为重要的影响，研究选用的红壤属于黏土，而邢旭光等[8]的研究材料主要为北方的盐渍土，粉粒含量较高，矿物黏粒以蒙脱石为主，收缩特性有所差别.二是各类型盐分离子的浓度高低对土壤开裂的影响结果也不尽相同.

研究中还发现土壤增湿过程土壤裂缝闭合有滞后现象，与文献[11-12]等的研究结果一致.增湿过程中密闭气孔可能造成2个过程并不完全重合，并且土壤干燥过程中黏粒再排列的内部阻力使得土壤在一定吸力下平衡时脱水量大于吸水量，从而使得在土壤闭合状态时的体积含水量发生改变而产生滞后[13].

试验选取的盐溶液浓度配置参考了再生水的盐分浓度，更高盐浓度的水质灌溉对南方土壤开裂影响如何，以及盐离子之间的相互作用还有必要做进一步探讨.另外试验中仅观测了土壤表面裂缝发育过程，没有考虑土体纵向裂缝发育以及水分垂直入渗等情况.今后需要室内控制试验与田间试验相结合，横向、纵向全方位观测土壤裂缝发育及其相互耦合关系，进一步探讨干缩裂缝对土壤影响状况.

4 结 论

通过室内控制试验，研究了NaCl，KCl，CaCl2，MgCl2等4种盐溶液作用下红壤开裂发育特征，得出以下主要结论.

1) 干燥过程红壤裂缝面积密度和长度密度在土壤质量含水率为10%～30%时增长较快；当含水率低于10%后，土壤裂缝面积和长度达到最大并趋于稳定不变.

2) 红壤裂缝面积密度与4种盐阳离子浓度均呈极显著正相关关系；土壤裂缝长度密度与K+和Mg2+呈极显著负相关，与Ca2+呈显著负相关关系，与Na+浓度相关关系不显著；盐溶液质量浓度为0～15.0 g/L，处理Na+，Ca2+，Mg2+的红壤裂缝开闭含水率随着浓度增加呈先增大后减小再增大趋势；处理K+时开、闭含水率呈先增后降变化趋势，质量浓度极值点为5.0 g/L.

3) 4种盐阳离子对红壤开裂面积均具有促进作用，从大到小以离子为序为Na+，K+，Ca2+，Mg2+；各离子影响效果最强的处理分别为Na10.0，K15.0，Ca15.0，Mg15.0；与处理CK相比较，土壤裂缝面积分别增大了155.0%，160.1%，109.4%，39.2%.本研究结果可为盐离子含量较高的再生水等低质水在南方亚热带地区红壤灌溉利用提供理论参考.