王輝，陳瀟岳，王瑋

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

再生水屬于非常規(guī)水資源中的一類重要水源，其開發(fā)利用是緩解中國水資源供需矛盾、統(tǒng)籌解決水資源問題的重要舉措[1].水資源相對豐富的南方地區(qū)利用再生水可有效緩解季節(jié)性缺水和減輕污染；城市水景觀、園林綠地以及城郊農(nóng)業(yè)灌溉成為再生水的主要利用形式[2].然而，隨著含有較高鹽分的再生水灌溉，各類鹽離子隨之帶入土壤，從而影響了土壤黏粒、孔隙特征[3]，從而進(jìn)一步改變土壤的脹縮特征[4].干縮和濕脹極易在土壤表面產(chǎn)生不同形態(tài)的干縮裂縫，而土壤裂縫作為水分和鹽分運(yùn)移的優(yōu)先通道導(dǎo)致水分流失及地下水污染，也是土壤水分蒸發(fā)的便利途徑，加劇了土壤干旱危害.

圍繞鹽分對土壤干縮裂縫的形態(tài)影響及裂縫開閉規(guī)律開展了一系列研究工作.LIMA等[5]、REN等[6]證實了土壤干縮裂縫面積、長度等土壤裂縫表征指標(biāo)與土體含鹽量呈正相關(guān)關(guān)系，表明土壤鹽分水平與土壤裂縫特征具有高度相關(guān)性.張展羽等[7]發(fā)現(xiàn)不同鹽分含量的土壤裂縫面積密度和長度密度均差異顯著，鹽分含量越大，穩(wěn)定時土壤裂縫面積密度越大，長度密度越小.邢旭光等[8]對粉黏壤土研究發(fā)現(xiàn)，4種鹽陽離子均可減輕土壤開裂程度.綜上所述，大多數(shù)研究工作集中于高含鹽量鹽堿地的裂縫發(fā)育及演化，但是，在鹽離子各自產(chǎn)生的效應(yīng)對土壤開裂特征及裂縫規(guī)律方面研究深度不夠，而且鹽陽離子類型對南方酸性土壤干縮裂縫形態(tài)和發(fā)育規(guī)律鮮有報道.再生水等非常規(guī)水灌溉對土壤生態(tài)環(huán)境的影響是人們長期關(guān)注的問題，其中所攜帶的大量鹽陽離子對土壤膨脹收縮物理特征的影響值得深入探究.

文中立足于南方的氣候條件和土質(zhì)背景，選用南方地區(qū)分布較廣的紅壤，配置4種鹽溶液浸泡土壤，分析不同類型及濃度的鹽陽離子影響下土壤裂縫參數(shù)隨含水率的變化過程，并定量研究不同鹽陽離子條件下紅壤裂縫的開閉臨界含水率，明晰南方地區(qū)鹽陽離子對于土壤干縮裂縫及其開閉過程的影響特征.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤選取自湖南長沙郊區(qū)荒地(113°7′33″E，28°11′45″N)表層0～20 cm的紅壤，去除了植物根系、沙石等雜物，自然風(fēng)干，磨碎，通過2 mm土篩.土壤顆粒組成采用吸管法進(jìn)行測定；土壤粒徑范圍：≤0.002 mm，(0.002,0.02] mm和(0.02,2] mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為56%，32%和12%，并按照國際土壤分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級；質(zhì)地屬于黏土.供試紅壤的基本化學(xué)成分指標(biāo)：pH值為5.05±0.06，電導(dǎo)率為46.70±3.25 μS/cm，陽離子交換量為13.11±0.224 cmol/kg；鉀、鈉、鈣、鎂、氯離子的濃度分別為0.150±0.001，0.297±0.128，3.168±0.039，0.499±0.010，0.058±0.001 cmol/kg.

為了探究水質(zhì)中不同鹽陽離子類型對土壤蒸發(fā)開裂的影響，避免陰離子類型不同造成結(jié)果誤差，采用人工配置方法制備試驗溶液.選用NaCl，KCl，MgCl2，CaCl2晶體或粉末，參考再生水鹽分濃度標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，采用蒸餾水(試驗前已測定水中離子值接近于0)稀釋成質(zhì)量濃度為2.5，5.0，10.0，15.0 g/L的NaCl，KCl，MgCl2，CaCl2溶液浸泡供試土樣，并按濃度分別標(biāo)記(例如Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0；其余3種離子類推)，另設(shè)置蒸餾水CK作為對照，相同處理設(shè)置3次重復(fù).

1.2 試驗設(shè)計與步驟

為了減少土壤干縮開裂的邊界影響并確保土樣各向同性，定制了一套PVC圓盤容器(直徑25 cm、深度10 cm)，圓盤底座用亞克力板制作，并涂有防水膠確保底板不透水.將處理后的土樣均勻裝填到圓盤容器中，并參考取樣地實際土壤容重，設(shè)置試驗填土容重為1.28 g/cm3.考慮到土壤裂縫一般發(fā)生在土壤表層，進(jìn)而向深部進(jìn)行擴(kuò)展，因此只探析土壤表面裂縫面積、長度等二維指標(biāo)變化狀況，而不考慮垂直方向上的三維指標(biāo)例如裂縫深度等因素.裝填1 cm的薄層土樣，并用木錘輕輕搗實，采用電子秤(量程10 kg，精度0.1 g)稱量控制裝填容重，保證土樣的均勻性；薄層土樣制備完成后，稱取初始質(zhì)量.

1) 干燥過程.為了盡量保證水分與土壤充分均勻浸透，減少飽和時對土樣表面破壞而影響數(shù)據(jù)采集，裝填后的薄層土餅用不同濃度的鹽溶液進(jìn)行間斷噴濕法[11]浸泡.為了避免土樣飽和不充分或者浸泡溶液過多，噴濕前通過環(huán)刀法測定土樣的飽和含水率，確定大概的浸泡水量.噴濕過程注意噴嘴與薄層土餅保持水平，避免對土體表面直接沖刷，造成破壞.

經(jīng)不同溶液浸泡后的薄層土餅，放置在設(shè)置為40 ℃的恒溫箱中進(jìn)行干燥.每間隔2 h用數(shù)碼相機(jī)(型號NIKON D5200，分辨率6 000×4 000)進(jìn)行拍照.拍攝過程中遮擋所有外部環(huán)境光并提供單一固定光源，用支架固定相機(jī)的拍攝高度及垂直角度，確保每次拍攝角度一致.每次拍照完后，用電子秤(量程10 kg，精度0.1 g)稱取土餅的質(zhì)量，然后放回烘箱中繼續(xù)恒溫干燥，重復(fù)該步驟直到薄層土餅的質(zhì)量不再發(fā)生變化.

2) 增濕過程.模擬土壤開裂干燥試驗后，繼續(xù)進(jìn)行模擬增濕試驗，用蒸餾水通過噴濕法完成.因土壤裂縫在濕潤閉合過程中閉合存在一定的延時現(xiàn)象，每噴濕30 g(每個土樣干土質(zhì)量為628 g)左右蒸餾水，靜止一段時間，保證土壤充分潤濕和膨脹，然后進(jìn)行與干燥過程相同條件下的拍照、稱重.當(dāng)薄層土樣的裂縫趨近于閉合時，為了確保數(shù)據(jù)精確，每噴濕5 g左右水量便靜置一段時間，對土樣進(jìn)行拍照、稱重，直到土樣裂縫完全閉合則試驗結(jié)束.

1.3 圖像處理與數(shù)據(jù)提取

用Photoshop和Matlab等軟件對圖片進(jìn)行裁剪、灰度化、二值化、矢量化4個過程提取相關(guān)裂縫指標(biāo)，并手動去除二值圖的雜點以提高數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性.裂縫二值圖變化如圖1所示，圖中ξ為土壤質(zhì)量含水率.

圖1 圖像二值化

相關(guān)指標(biāo)計算公式參考文獻(xiàn)[7]，并用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，計算方法如下：

1)裂縫面積密度Rc(mm2/mm2)，為裂縫面積與研究區(qū)域面積之比，計算公式為

(1)

式中：Ai為第i條裂縫的面積，mm2；A0為研究區(qū)域的面積，mm2.

2) 裂縫長度密度Lc(mm/mm2)，計算公式為

(2)

式中：Li為第i條裂縫的骨架長度，mm.

3) 土壤裂縫開閉(開裂、閉合)含水率.根據(jù)張展羽等[12]對土壤開裂、閉合的研究結(jié)果，在干燥過程中以首次出現(xiàn)土壤裂縫時所對應(yīng)的土壤含水率為土壤開裂含水率；濕潤過程中以土壤裂縫面積趨近于0時所對應(yīng)的土壤含水率作為閉合含水率.用稱重法確定土樣2個臨界時刻的含水率作為土壤裂縫開閉指標(biāo).

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽陽離子對紅壤干燥過程裂縫參數(shù)的影響

2.1.1 裂縫面積密度隨含水率變化的影響

圖2為紅壤干燥過程中裂縫面積密度隨含水率的變化特征.由圖可知，土壤質(zhì)量含水率ξ從30%降到10%，土壤裂縫面積密度增長最為迅速；ξ低于10%后，Rc趨于穩(wěn)定.經(jīng)Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0處理后，紅壤面積密度比處理CK的分別增大45.7%，95.6%，155.0%，117.7%.Na+的質(zhì)量濃度為0～10 g/L，紅壤Rc隨著Na+鹽濃度升高而增大，當(dāng)其質(zhì)量濃度高于10.0 g/L后卻呈現(xiàn)減小的現(xiàn)象.經(jīng)K2.5，K5.0，K10.0，K15.0處理后，紅壤Rc比處理CK的分別大17.4%，73.1%，126.1%，160.1%，說明K+對紅壤Rc起到促進(jìn)作用，這種促進(jìn)作用隨著K+濃度升高而增強(qiáng).紅壤裂縫參數(shù)穩(wěn)定時，處理Ca2.5，Ca5.0，Ca10.0，Ca15.0的紅壤Rc比CK的分別大38.4%，23.4%，31.6%，109.4%.處理Mg2.5，Mg5.0，Mg10.0，Mg15.0的紅壤Rc比CK的分別大9.7%，19.5%，25.7%，39.2%.這說明土壤裂縫面積隨著水質(zhì)中Ca2+和Mg2+濃度升高而加劇增大.

2.1.2 裂縫長度密度隨含水率變化的影響

圖3為紅壤干燥過程中Lc隨ξ變化關(guān)系.

圖2 干燥過程紅壤裂縫面積密度與土壤質(zhì)量含水率變化關(guān)系

圖3 干燥過程紅壤裂縫長度密度隨質(zhì)量含水率變化關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)土壤質(zhì)量含水率ξ高于30%時紅壤裂縫長度密度增長較慢，從30%減小到10%時其值增長迅速，而低于10%則其值基本趨于穩(wěn)定.經(jīng)Na2.5，Na5.0，Na10.0，Na15.0處理后的紅壤裂縫長度密度比CK處理的分別小29.4%，17.3%，7.7%，14.8%.這說明Na+能抑制紅壤裂縫長度發(fā)展，且隨著水質(zhì)中Na+濃度降低而抑制作用也逐漸降低.

經(jīng)K2.5，K5.0，K10.0，K15.0處理后的紅壤裂縫長度密度比CK處理的分別小10.1%，24.4%，19.5%，29.1%.這一結(jié)果類似于Na+，K+對于紅壤的裂縫長度密度具有抑制作用.

經(jīng)Ca2.5，Ca5.0，Ca10.0，Ca15.0處理后的紅壤裂縫長度密度比CK處理的分別小9.4%，13.1%，49.6%，23.7%；經(jīng)Mg2.5，Mg5.0，Mg10.0，Mg15.0處理后的紅壤裂縫長度密度比CK處理的分別小1.7%，5.2%，7.7%，17.0%.這結(jié)果表明Ca2+對紅壤裂縫長度密度有一定程度的抑制作用，且抑制作用在Ca2+質(zhì)量濃度為10.0 g/L左右時達(dá)到峰值；而Mg2+對紅壤裂縫長度密度的抑制作用是隨Mg2+濃度升高而增加，但其抑制作用要小于前3種離子.

2.2 鹽陽離子對紅壤裂縫開閉臨界含水率的影響

土壤裂縫開裂和閉合臨界狀態(tài)時的土壤含水率是表征土壤物理狀態(tài)的重要參數(shù).圖4為各類鹽陽離子不同質(zhì)量濃度c處理后紅壤開裂和閉合含水率變化規(guī)律.由圖發(fā)現(xiàn)增濕過程中，紅壤裂縫閉合含水率均高于開裂含水率，且鹽溶液處理后開、閉含水率均升高.在鹽溶液質(zhì)量濃度為0～15.0 g/L時，Na+，Ca2+，Mg2+處理后紅壤裂縫開、閉含水率均呈先增加后降低，隨后逐漸升高趨勢；K+處理后紅壤裂縫開、閉含水率則呈現(xiàn)先增高后減少的變化特征.Na+，Ca2+，Mg2+溶液質(zhì)量濃度為0～5.0 g/L時，紅壤裂縫開、閉含水率最大值所對應(yīng)的質(zhì)量臨界濃度為2.5 g/L；K+濃度為0～15.0 g/L時，其開、閉含水率最大值所對應(yīng)的溶液質(zhì)量濃度為5.0 g/L.這表明質(zhì)量濃度為5.0 g/L的KCl溶液對土壤裂縫發(fā)育開、閉含水率的影響最顯著.

圖4 不同陽離子類型作用下紅壤裂縫開閉質(zhì)量臨界含水率變化

2.3 裂縫參數(shù)與鹽陽離子濃度關(guān)系

表1為紅壤裂縫參數(shù)與鹽陽離子質(zhì)量濃度相關(guān)性分析，表中c為鹽陽離子質(zhì)量濃度.由表可見紅壤裂縫主要參數(shù)與鹽陽離子濃度之間具有較好的相關(guān)關(guān)系.紅壤裂縫的面積密度與4種鹽離子質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；長度密度與K+和Mg2+呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與Ca2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與Na+相關(guān)關(guān)系不明顯.這進(jìn)一步說明了4種鹽離子對土壤裂縫參數(shù)具有不同程度的影響作用.

表1 紅壤裂縫參數(shù)與鹽陽離子質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義

將紅壤裂縫穩(wěn)定時的幾何參數(shù)與不同鹽離子濃度進(jìn)行擬合.表2為裂縫參數(shù)與離子濃度擬合結(jié)果.由表發(fā)現(xiàn)，處理Na+和Ca2+下土壤裂縫面積密度Rc、長度密度Lc和離子濃度c之間的關(guān)系可以建立二次函數(shù)關(guān)系，其方程式為

Rc或Lc=Ac2+Bc+C，

(3)

式中：A，B，C分別為紅壤裂縫參數(shù)與鹽陽離子質(zhì)量濃度之間的擬合關(guān)系常數(shù).

由表2還可見，處理K+和Mg2+下土壤裂縫面積密度Rc、長度密度Lc和離子濃度c之間的關(guān)系可以建立線性函數(shù)關(guān)系，方程式為

Rc或Lc=Bc+C.

(4)

其詳細(xì)的參數(shù)結(jié)果見表2.

表2 裂縫參數(shù)與離子濃度擬合結(jié)果

3 討 論

通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，選取的K+,Na+,Ca2+,Mg2+等4種離子均不同程度地促進(jìn)紅壤裂縫面積的擴(kuò)展，也會不同程度地抑制裂縫長度密度增加，這與張展羽等[7]的研究結(jié)果類似，與邢旭光等[8]的研究有所差異.研究結(jié)果存在差異的原因可能有2點：一是土質(zhì)類型對土壤裂縫發(fā)育規(guī)律有著極為重要的影響，研究選用的紅壤屬于黏土，而邢旭光等[8]的研究材料主要為北方的鹽漬土，粉粒含量較高，礦物黏粒以蒙脫石為主，收縮特性有所差別.二是各類型鹽分離子的濃度高低對土壤開裂的影響結(jié)果也不盡相同.

研究中還發(fā)現(xiàn)土壤增濕過程土壤裂縫閉合有滯后現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[11-12]等的研究結(jié)果一致.增濕過程中密閉氣孔可能造成2個過程并不完全重合，并且土壤干燥過程中黏粒再排列的內(nèi)部阻力使得土壤在一定吸力下平衡時脫水量大于吸水量，從而使得在土壤閉合狀態(tài)時的體積含水量發(fā)生改變而產(chǎn)生滯后[13].

試驗選取的鹽溶液濃度配置參考了再生水的鹽分濃度，更高鹽濃度的水質(zhì)灌溉對南方土壤開裂影響如何，以及鹽離子之間的相互作用還有必要做進(jìn)一步探討.另外試驗中僅觀測了土壤表面裂縫發(fā)育過程，沒有考慮土體縱向裂縫發(fā)育以及水分垂直入滲等情況.今后需要室內(nèi)控制試驗與田間試驗相結(jié)合，橫向、縱向全方位觀測土壤裂縫發(fā)育及其相互耦合關(guān)系，進(jìn)一步探討干縮裂縫對土壤影響狀況.

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)控制試驗，研究了NaCl，KCl，CaCl2，MgCl2等4種鹽溶液作用下紅壤開裂發(fā)育特征，得出以下主要結(jié)論.

1) 干燥過程紅壤裂縫面積密度和長度密度在土壤質(zhì)量含水率為10%～30%時增長較快；當(dāng)含水率低于10%后，土壤裂縫面積和長度達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定不變.

2) 紅壤裂縫面積密度與4種鹽陽離子濃度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤裂縫長度密度與K+和Mg2+呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Ca2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Na+濃度相關(guān)關(guān)系不顯著；鹽溶液質(zhì)量濃度為0～15.0 g/L，處理Na+，Ca2+，Mg2+的紅壤裂縫開閉含水率隨著濃度增加呈先增大后減小再增大趨勢；處理K+時開、閉含水率呈先增后降變化趨勢，質(zhì)量濃度極值點為5.0 g/L.

3) 4種鹽陽離子對紅壤開裂面積均具有促進(jìn)作用，從大到小以離子為序為Na+，K+，Ca2+，Mg2+；各離子影響效果最強(qiáng)的處理分別為Na10.0，K15.0，Ca15.0，Mg15.0；與處理CK相比較，土壤裂縫面積分別增大了155.0%，160.1%，109.4%，39.2%.本研究結(jié)果可為鹽離子含量較高的再生水等低質(zhì)水在南方亞熱帶地區(qū)紅壤灌溉利用提供理論參考.