压实对土壤水力特性影响的研究进展

王金满，荆肇睿，宋杨睿

(1.中国地质大学 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部 土地整治重点实验室，北京 100035)

土地资源是人类赖以生存与发展的基础资源和物质保障，土地的利用状况直接反映人类与自然界交互影响最直接和最密切的关系[1]。伴随人口的急剧增长，机械化程度加深，中国的土地资源在开发广度、深度、频度、强度等方面有较大突破[2-3]，耕地、采矿区的土壤结构受到不同程度的破坏，压实成为普遍的现象，严重影响到作物的生长、矿区土地的生产力以及生态环境[4-6]。

压实对土壤重要物理特性具有重要影响，过度压实影响土壤的通气透水性、养分的存在形态、转化及运输，从而影响植物根系的生长。相比其他土壤物理特性，压实对土壤水力特性的影响更大。土壤水力特性决定着土壤的保水和失水能力，主要包括：土壤含水量、田间含水量、萎蔫点含水量、土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率、土壤饱和导水率等参数。土壤水分特征曲线是土壤水分基质势或土壤水吸力与土壤含水量之间的关系曲线，反映土壤的水分能态和持水性的特征。了解土壤水分特征曲线，对于研究土壤水分的贮存、保持、运动、供应等具有重要意义。土壤饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量，是土壤重要的物理性质之一[7]。国内外学者从不同程度，不同角度就压实作用下土壤水力特性产生的变化进行研究。

有学者认为，压实作用下产生的土壤容重变化对土壤中化学物质、水分的运移产生影响。Xu等[8]表明在一定的土壤容重变化范围内，土壤中的Cl-扩散系数将随着容重的增加而下降。温以华[9]则表明在不同容重条件下的同一质地，Cl-的水动力弥散系数值随容重的减小而降低，其延迟因子值增大。李映强[10]表明赤红壤的容重从1.20 g/cm3增加到1.40 g/cm3时，土壤非饱和水分扩散率会相应提高；对于森林土壤，Startsev等[11]认为，土壤的压实效应使Van Genuchten模型预测的土壤水分特征曲线中的饱和含水量和参数α在高含水量段变小。Kennedy和Price[12]对沼泽地的容积变化特征进行定性描述，指出容积的变化使土体在垂直方向上产生收缩和压实，进而导致水文学特性(导水率)变化。李小刚[13]的研究表明土壤容重的变化对土壤含水量接近饱和段的水分特征曲线形状产生较大影响。时新玲[14]等试验得出土壤容重对非水相流体在土壤中的入渗产生明显的影响。综上，学者们或定性描述土壤压实产生的容重变化对土壤水力学参数的影响，或将容重作为影响因素之一考虑进去，但并未就压实作用对土壤水力特向指标的作用关系，影响次序的先后，动态变化等机理研究解释清晰；在研究内容上虽涉及的范围较广，但缺乏更深层次的研究；研究方法有待进一步创新。

鉴于此，本文通过文献综述和系统总结，深入剖析了当前压实作用对土壤水力特性影响的研究进展以及存在的问题。以期能够引起更多学者对压实作用下土壤水力特性的变化趋势及其异质性变化的持续关注和思考，籍以推动土壤重构研究的深入发展，为今后土壤重构及其土地集约性利用等提供科学依据。

1 压实对土壤水力特性影响的研究方法

1.1 实验法

研究压实作用下土壤水力特性的变化特征，需对相关水力特性参数进行测定，其中主要包括土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率、土壤导水率等。当前主要有直接实验法和间接推算法两种测算方法(表1)。直接实验测定过程中，土壤的结构会遭到不同程度的破坏，引起土壤孔隙度等物理特性的变化，影响土壤水力特性参数的精确度；相比直接实验法，间接推算法过程较为简单，但由于算法的适应性、条件性不同，使得结果存在一定偏差。

1.2 分形几何理论

“分形几何”理论最早在20世纪70年代由数学家Mandelbrot[15]提出，研究对象为非线性系统中极不规则但具有自相似性的几何形体，表明非线性系统中有序与无序、确定与随机的统一。分形几何理论在自然科学和社会科学等各个领域被广泛的应用，成为国际上众多学科的前沿研究课题之一。

表1 土壤水力特性参数测定方法汇总Tab.1 Measurement method of soil hydraulic characteristics

Tyler和Wheatcraft[16]将分形几何理论引入到土壤学[17]的研究当中，从宏观与微观尺度上对土壤的物理特性进行定性与定量表征。目前分形几何理论多应用于土壤孔隙度分布、土壤体密度、粒径分布、颗粒表面积、及土体表面裂纹尺寸、分布及微形态等土壤特性的描述。此外，在土壤性能及其物理过程中空间分布的定量化表征也有应用。目前的研究主要有Hausdorff容量维数、自相似维数、信息维数、计盒子维数及多重分形奇异谱等对土壤特性进行分析研究，主要包括单分形、多重分形以及联合多重分形(表2)。

表2 分形方法对比Tab.2 Different fractal method comparison table

土壤水力特性决定了水分和溶质(盐分、养分等)在土壤中的运动速度和方向，是研究土壤物理特性最为关键的参数。受土壤空间强烈异质性、水力性质滞后效应等诸多因素的影响，通过实测方法获得准确的参数指标相当困难，因此通过分形理论来间接预测土壤的水力特征参数成为当今研究的热点之一。Ayra 和 Paris[18]通过分析土壤粒级分布与容重，推导出表征土壤水分特征曲线的机理—经验型模型。Tyler和Wheateraff分析土壤机械组成的数据，建立土壤水分特征曲线的分形数学模型，并根据该模型计算出土壤孔隙通道的分维数。分形几何理论在尺度转换上具有独特的优势，可以分析不同尺度范围内的土壤水力特征。利用多重分形、联合多重分形可以把不同土壤水力特征参数与不同尺度的统计特征联系起来，得到多重奇异谱，直观反应其空间序列的空间变异性和尺度特性，更为深入地揭示土壤水力特性的空间变异机理[19]。将分形几何理论及相应的研究方法引入到土壤学的研究中，将推动土壤形态、过程复杂性问题的解决，使得到定量化表征，是研究土壤学最有效的理论和方法之一。

1.3 CT扫描成像技术

计算机扫描(computer tomography，CT)技术是一种三维成像技术，因其无损性近几年逐渐被应用于土壤结构的观察研究当中。土壤结构具有不规则性和易变性，无论是室内试验还是室外试验都容易破坏土壤结构的完整性，这对土壤结构及水力特性的研究十分不利。目前CT扫描技术在土壤学的应用多集中于大孔隙大小、数目、形状及其连通性等方面[20-21]。土壤孔隙是指土壤中土粒或团聚体之间以及团聚体内部的孔隙，对土壤水力特性参数影响较大，对于土壤孔隙的研究有助于进一步研究土壤内部的水分运移规律，土壤重构，缓解压实对土壤带来的破坏。Warner[22]对CT扫描图像进行可视化解释，表明CT能够准确反应孔隙的数目、大小和位置关系，Anderson[23]通过一种简单的孔隙测算方法，得出容重统计参数的分布规律，然而Peyton[24]指出Anderson的测算方法存在缺陷，并提出用新的迭代方法来测算大孔隙的孔隙周长、等效直径和孔隙度。通过CT扫描技术获得的孔隙影像仅能观察到其数量、位置关系及连通状况，欠缺空间的三维立体结构表达，在视觉上与实际的土壤内部结构产生较大差距，这将对土壤水分运移规律的分析缺乏直观性，为此，又有学者提出构建网络模型(network model)，进行土壤结构的三维重建。此前，网络模型在石油科学领域被广泛应用，近些年才逐渐引起了土壤学、水文学等领域研究者的关注[25-27]。通过数字图像分析技术，获得用来表征土壤三维空间结构的形态学参数，如土壤孔隙大小、分布状况及相互连通性等，结合三维空间模型(如三维毛细管网络模型)，重构出具有直观性的土壤结构，在孔隙尺度上预测当前土壤的水力学性质，以此模拟土壤的水分运动过程[28-29]。以实测孔隙大小的分布和连通性等作为参数的三维模型，克服了以往网络模型有关参数不确定性的弊端[30-32]。

Vogel 和 Roth[33]通过使用土壤样本连续切片的数字图像直接测定孔隙形态特征，把直接测定的孔隙形态特征作为网络模型的输入参数，成功预测土壤的有效水力特性。程亚楠等[34]利用CT扫描图像，对土壤孔隙结构进行三维重建，并根据孔隙形态学参数建立预测水力性质的网络模型。Ngom等[35]利用几何模型对传统耕作土地和草地的土壤孔隙进行三维重建，计算孔隙半径、曲折率、滞留曲线等几何特征，表明传统耕作土壤相比草地具有更多的小孔隙。Ojeda-Magana等[36]使用PFCM(probabilistic fuzzy cognitive map)聚类划分的方法识别出土壤孔隙，在此基础上对土壤孔隙进行了三维重建。

如何高效获取并定量表征土壤孔隙分布、拓扑特征以及如何将土壤孔隙空间结构特征与有效介质性质联系起来是定量研究压实状态下孔隙结构对土壤水力特性影响需要亟待解决的两大问题。虽然有学者对土壤孔隙结构进行三维重建，但技术还不成熟，不足以支撑今后大范围的土壤重构工程。与此同时，在研究土壤水力性质及溶质运移方面，土壤孔隙结构的形成机理以及与土壤性质、环境等因素之间的关系也必须考虑在内，还需进一步研究。

1.4 γ透射法

压实对土壤水分运动影响较大，其中对于土壤含水量时空异质性研究是一项极为重要的工作。核物理法(中子法、γ透射法等)被国内外学者公认为测量土壤含水量变化的最佳方法，它不破坏土体结构、层间分辨率高、测量迅速，易于防护并可进行定点连续重复观测(γ透射法测量土壤含水量的层间分辨率实验研究)。

中子法已被广泛应用于大田试验的定位观测，但存在空间分辨率低、尚且不能测定表层土壤含水量、层间分辨率较差、近地表面测量误差较大、工作量大等缺点。与中子法相比，γ透射法的层间分辨率明显较高，不仅可以测定表层土壤的含水量，还可以在室内及大田试验中准确地测定瞬时状态下土壤水分剖面的变化。当今利用γ透射法进行土壤水分含量的测定时，采用的放射源多为铯137(137Cs)，探头采用FJ-367通用闪烁探头。γ 透射法由 Belcher D等[37]在1950年提出，经室内实验和田间实验验证，γ 透射法测量精度不低于烘干法的测量精度[38]。60年代后，美国和欧洲也广泛进行了 γ 透射法的实验研究，使其在测试设备和测试手段上都得到改进和发展。

目前，γ 透射法已愈来愈多的被国内外研究者关注，并在土壤、农业、水利等领域中得到不同程度的应用。尤其在土壤水分运动研究中，γ 透射法显示出独特优越性。但是 γ 透射法尚存一些不足，在大田实验应用中，由于仍未研制出具有一体化的 γ 水分仪，射线的安全防护、操作过程的简化与规范化，所需放射源防护问题以及测试过程中的其他技术性问题都有待进一步研究与改进。

2 压实对矿区土壤水力特性的影响

挖损、压占和塌陷是煤矿开采过程中对土体造成破坏的主要形式，露天开采剥离的岩土、井工开采的矿石及生产建设过程中其它废弃物的堆积场地和采矿区各类复垦场地会对土壤造成不同程度的压实。根据诸多学者的研究[39-48]，矿区压实土壤容重为1.56～1.73 g/cm3，平均含水量为30.70%，孔隙度38.10%，导水率为18.91cm2/h(图1)。

图1 不同压实对土壤水力特性参数的影响Fig.1 Effects of different compaction to soil hydraulic characteristics

2.1 开采压实对土壤水力特性的影响

在开采过程中，塌陷是最易发生的现象。采矿塌陷会扰动土壤结构，使其地表发生变形，与此同时地表的水力作用也将发生相应变化，地表水蒸发加快，土壤水分和养分下渗流失加剧，地下水水位和运动也会受到影响；区域下降或上层滞水层破坏，严重影响植物生长。伴随塌陷时间增加，塌陷区的土壤性质会发生变化，这种变化在垂直方向上更为明显。土壤含水量随塌陷时间增加呈逐渐减少趋势，体积含水量和储水量呈现出先增加后减少趋势[49]。谢元贵等[50]发现在垂直方向上，随塌陷时间增加，表层土壤的密度呈现逐渐增长趋势，孔隙度减少，但在土壤底层，其容重变化呈现出先增长后降低趋势，总孔隙度先降低后增加；表层土壤的田间持水量和毛管持水量逐渐增长，而底层土壤则呈现逐渐降低趋势，达到一定程度后出现增长态势。永久性的土地损失、塌陷坡地的土壤侵蚀与污染以及滑坡、泥石流灾害是当今主要的土壤侵蚀问题[51]。采矿塌陷会影响采矿区的土壤侵蚀状况：一方面容易导致区域内地貌破坏，改变地面坡度，加剧土壤侵蚀；另一方面通过对土壤容重、含水量、有机质含量等的影响进一步影响土壤的侵蚀参数(静水崩解速率、水稳性团聚体含量、土壤抗冲系数、土壤抗剪强度等)。塌陷过程伴随裂缝出现，这些裂缝受到自然和人为因素的影响，其长度、宽度、深度都会不同程度发生变化。裂缝处垂向渗漏加剧，地下水位会迅速下降，包气带表层与地下水之间的水力联系会减弱[52]；在横向方面，距离裂缝120 cm范围内土壤的含水量变化较大[53]。李晓静等[54]研究发现，塌陷裂缝使水田渗透率的直线型规律遭到破坏，增加土壤的渗透能力，导致土壤表层含水量降低。

2.2 复垦压实对土壤水力特性的影响

采矿区复垦过程中，推土机、铲运机等大型机械是常用的工具，用于深挖浅垫、土地平整、开渠修路等的施工。在机械作业过程中，受压实作用，土壤容重增大，大孔隙度随之减少，渗透率减小，土壤的吸水能力降低，加大地表径流，造成表层土的侵蚀和水土流失；在排土场堆积过程中，土体松散，土壤容重减小，土壤抗蚀能力明显降低。魏忠义等[55]在露天煤矿的调研实验发现排土场平台压实严重，土壤的体积密度增大，渗透系数降低，在暴雨之后极易形成径流，侵蚀周边地貌。美国等西方国家研究者提出土壤的深松能够有效改善压实表层土壤的物理特性，深松机在露天矿的复垦中被大量使用，深松度可达40 cm以上。

3 压实对农田土壤水力特性的影响

近20～30年中，科学技术的进步推动农业耕作措施发生极大变化，耕作措施的改变使得土壤环境恢复到适于作物生长的状况显得异常困难。研究表明不同形式的压实影响农田土壤水力特性，影响农作物的生长发育。

3.1 机械压实对农田水力特性的影响

拖拉机机组作业是造成土壤压实最常见的方式之一，机组作业次数的多少直接影响土壤压实的面积[56-57]。土壤的机械强度、耕层土壤的结构、土壤含水量、拖拉机轴载荷、轮胎类型以及作业速度等[58-61]都对土壤压实的程度产生影响，直接后果是土壤紧实度增加，孔隙度降低，容重增大，由此带来的是土壤通气性、水分渗透性及饱和导水率减小，土壤强度相应增强，作物根系的穿透阻力增大。土壤的机械压实深度可达10～60 cm[62]，但压实最明显的是0～10 cm表层土壤[63]。研究表明，机械压实的农田土壤容重为15.0～17.0 g/cm3，平均含水量为31.55%，孔隙度38.27%，导水率为21.70 cm2/h(图1)。轮胎的内压影响土壤表层(0～30 cm)压实程度，轴载增大，即使轮胎内压不变，心土层的压实程度也会增加，此外，轮胎内压和轴载还受到含水量的显著影响，二者随含水量的增加致使土壤压实程度加重[64]。保持荷载相同的情况下，随着土壤含水量的增加，土壤压实程度增加[65]。在土壤含水量较低的情况下，土壤压实主要集中在表层，对深处的土壤不会造成严重的压实，即使拖拉机机组载荷较大，土壤的变形也不会超过2 cm。

3.2 耕作压实对农田水力特性的影响

土壤水是作物生长、植被恢复和生态环境建设的关键性限制因子，是水文循环中的最重要组成部分，是地面水与地下水相互转化及降水补给地下水的中间环节，尤其在农田形式改变以后，水分的运移及补给对于干旱区农地水资源的高效利用具有十分重要的现实意义。

不同形式的垄沟(自然垄沟、盖膜垄沟、成垄压实)耕作条件下对土壤水分分布和运移产生极大的影响。成垄压实是对垄上部分进行压实，使垄的土壤容重大于沟中的容重。压实垄通过形成水分运动障碍，降低土壤饱和含水量和饱和导水率，对垄上土壤的入渗特性产生影响，从而影响水分分布。佘冬立等[66]通过野外模拟降雨实验研究了不同垄沟耕作条件下土壤水分分布特征和再分布规律，表明在以集雨农业为主的半干旱地区，成垄压实可以替代盖膜垄沟，有效地富集和储存雨水资源于沟中，供作物吸收利用。对于作物生长而言，适度的压实会促进作物的生长，有研究表明，适当压实会增加松散土壤与根系的接触，提高大豆[67]、玉米[68]的产量。Gomez等[69]表明，压实沙土可以提高土壤中的可利用水量，促进北美黄松的生长。

从80年代起，国外便对土壤的过度机械压实、降低机械阻力等进行深入研究。指出清除土壤压实是农业上的一项重要任务，必须像解决许多其它农业投入一样解决土壤压实问题，对土壤环境的保护应同地上生态环境保护同等重要。

4 结论与展望

鉴于目前研究进展情况，针对研究对象，国内外将目光多聚焦在农业土地上，研究土壤压实对作物生长产生的影响，针对矿区的研究相对较少；在影响因素方面的研究，系统性研究欠缺，影响机理的解释也相对较少。今后应重点围绕以下三个方面，深化相关领域的研究。

(1)加强压实作用下土壤水力特性参数获取的新技术应用。当前在研究土壤水力特性时选取的参数由于受到研究方法和获取技术的限制，大多停留在简单的参数上，如：土壤含水率等。为进一步研究土壤在压实作用下的水力特性，还需要具有动态变化的参数指标如同：土壤导水率、孔隙度及容水度等。在扰动作用下，土壤结构发生变化，这必将影响土壤水分、养分的运移状况，动态变化的水力特性参数也会受到变化。在今后的研究当中，应进一步探索无扰动性的技术方法来获取指标参数，提高指标参数测量的准确性，这样能够使得研究结果更加具有科学性。

(2)关于压实对土壤水力特性作用机理的研究有待深入。目前对土壤水力特性的分析仅从横向和纵向上做简单的比较分析，不足以对其作用机理进行科学的解释。当前国内外三维重建技术已经成功应用于土壤孔隙度的研究，土壤孔隙度与土壤水力特性存在密切的关系。在今后的科学研究中，应加强三维构建技术在土壤水力特性的分析研究，使数据表达具有直观性，进一步分析土壤在不同压实作用下土壤水力特性参数的动态变化和空间异质性，揭示其变化机理，为土壤重构提供更加真实的科学依据。

(3)开展基于压实作用下土壤水力特性变异的复垦技术研究。对于土壤水力特性的研究最终要服务于土地复垦实际应用中，当前较多的还是进行理论基础的研究，基于土壤水力特性变化的实际复垦技术还未涉及到。土壤水力特性不仅受到压实作用的影响，当地生态环境，气候条件也是其影响因素，现在的研究较为分散，仅仅考虑单独的影响因素，缺乏一定的系统性。在今后的研究中应进一步加强系统性的研究方法，提出基于土壤水力特性变化的具体复垦技术方法，因地制宜，使土地复垦后的土壤尽可能恢复到原状土壤的状态，恢复其生态环境，达到土地复垦的目标。

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