楊 昌，王 健，李建德，徐飛飛

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100）

0 引 言

【研究意義】裸露地表在雨滴打擊、壓實(shí)和水流分散的作用下，土壤表層顆粒被破壞分散成小顆粒且不斷被夯實(shí)和板結(jié)，而在土壤黏結(jié)和淋溶等作用下土壤表層細(xì)小顆粒會黏聚成團(tuán)聚體，從而形成1 層2～3 mm 結(jié)構(gòu)致密的土層，即土壤物理結(jié)皮[1-2]。土壤物理結(jié)皮具有表面強(qiáng)度大、孔隙小、導(dǎo)水性差等性質(zhì)[3-4]。由于土壤物理結(jié)皮的形成機(jī)制及特性的不同，可以分為結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮。結(jié)構(gòu)結(jié)皮是由雨滴打擊分散土壤團(tuán)聚體，同時(shí)細(xì)顆粒重新排列組合而形成的一層低透土層，沉積結(jié)皮是泥沙顆粒通過徑流在微地形和植物的攔截作用下導(dǎo)致流速減緩，從而在地勢較低處沉積形成[5]。

在實(shí)際生活中，當(dāng)坡面降雨時(shí)，土壤會經(jīng)歷降雨濕潤—脫水干燥的過程，而隨土壤脫濕變干，地表常易形成龜裂裂縫，且對于坡面不同位置，裂縫形態(tài)發(fā)育亦存在差異[6]?！狙芯窟M(jìn)展】張中彬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，土壤失水時(shí)，由于土壤漲縮變形作用，土地表面薄弱部分會形成裂縫；李文杰等[8]研究壤質(zhì)黏土干縮裂縫的開閉合規(guī)律發(fā)現(xiàn)裂縫的開裂與閉合不具有可逆性；趙貴剛等[9]研究了云南紅土的開裂規(guī)律發(fā)現(xiàn)體積質(zhì)量越大，紅土樣越容易開裂；段赫等[10]發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和體積質(zhì)量差異影響了耕作層和犁底層裂縫的開裂特征。裂縫的形成為坡面薄層徑流匯集形成股流提供了通道，從而影響土壤侵蝕發(fā)育過程，土壤結(jié)皮作為土壤表層，結(jié)皮的發(fā)育及特性與裂縫的形成及發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān)。由于2 類物理結(jié)皮的形成方式與機(jī)理具有差異，結(jié)皮土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度及透水性也因此存在顯著差異[11]。同時(shí)，由于坡面不同位置地表結(jié)皮干燥時(shí)其失水速率和受收縮力方向不同，進(jìn)而影響裂縫的產(chǎn)生與發(fā)育。馬施民等[12]研究發(fā)現(xiàn)土體拉伸變形達(dá)到或超過土體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，地表就可能產(chǎn)生裂縫，而結(jié)皮特征是影響土體的極限抗拉強(qiáng)度和抑制土體開裂的重要因素。因此，研究土壤結(jié)皮發(fā)育對裂縫形態(tài)特征的影響極為重要。

【切入點(diǎn)】目前有關(guān)于裂縫發(fā)育的試驗(yàn)多針對均勻介質(zhì)下裂縫形態(tài)發(fā)育特征與規(guī)律，而鮮有研究物理結(jié)皮對土壤裂縫的開裂規(guī)律及機(jī)制的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，通過人工模擬降雨試驗(yàn)，在形成結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮的土壤上分析裂縫失水過程中其幾何形態(tài)特征和發(fā)育規(guī)律，明確結(jié)皮特性對裂縫發(fā)育的影響，以期探索坡耕地土壤侵蝕機(jī)理、推動坡耕地農(nóng)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步為探究耕作區(qū)域下的細(xì)溝形成機(jī)理和地下水來源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，東經(jīng)107°59′—108°08′，北緯34°14′—34°20′，該區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.9 ℃，年降雨量500～700 mm，年均日照時(shí)間2 196 h，無霜期210 d。試驗(yàn)土壤選取楊凌0～20 cm耕層塿土，按照美國制土壤分類方法，其顆粒組成為：砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（>0.05 mm）3.97%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.002～0.05 mm）65.74%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＜0.002 mm）30.29%，中值粒徑13.31 μm。土壤比表面積1.17 m2/g。土壤有機(jī)質(zhì)量9.78 g/kg，屬于粉質(zhì)壤土。

1.2 研究方法

含水率測量設(shè)備為建大仁科公司研發(fā)的土壤溫濕度水分傳感器，測量水分精度為±3%，電導(dǎo)率精度為±3%，水分量程為0%～100%，響應(yīng)時(shí)間＜1 s。

使用Photoshop 2020 對所攝裂縫圖像進(jìn)行矯正，消除因人為拍攝導(dǎo)致的光線差異、角度偏差、曝光不均勻等問題。為消除框選區(qū)域邊緣對于裂縫的不規(guī)律影響，利用Photoshop 2020 裁剪出試樣中心直徑為20.0 cm 的圓形區(qū)域作為研究對象，利用MATLAB 2017 圖像處理功能進(jìn)行圖像的灰度化、二值化、雜點(diǎn)去除、邊緣分析以完成裂縫的識別及提取，并用Region props 函數(shù)完成裂縫面積和周長的提取。

圖1 裂縫發(fā)育俯視圖Fig.1 The top view of developmental crack

待土壤表層裂縫發(fā)育完全后對結(jié)皮體積質(zhì)量、顆粒組成進(jìn)行測定。因土壤物理結(jié)皮為不規(guī)則體積土壤，因此本試驗(yàn)采用石蠟法測定結(jié)皮體積質(zhì)量，將土壤結(jié)皮剝離后，稱其質(zhì)量，然后將其浸入融化的石蠟中，待表層石蠟冷卻凝固，放入盛有一定水量的量筒中，記錄排開水體積，從而計(jì)算土壤結(jié)皮體積質(zhì)量。結(jié)皮土壤顆粒組成的測定則采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測定，將土樣剝離后過2 mm 篩，稱取土樣5 g，加入10 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫，置于溫度為72 ℃的沙浴上加熱使其充分反應(yīng)，以便充分去除土樣內(nèi)所含有機(jī)質(zhì)，待反應(yīng)結(jié)束后，將土樣靜置12 h；待氣泡消失，加入去離子水稀釋并靜置12 h，去除上清液，反復(fù)進(jìn)行直至調(diào)節(jié)pH 值為6.5～7.0；最后加入5 mol/L 的六偏磷酸鈉10 mL 分散顆粒，采用頻率為3 000 r/s 的超聲波處理5 s 后用馬爾文激光粒度儀Mastersizer 2000 測量土樣顆粒粒徑組成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

裂縫面積率為裂縫面積與研究區(qū)域面積的比值，其計(jì)算式為：

式中：RC為裂縫面積率（%）；Ai為第i條裂縫的面積（mm2）；A0為研究區(qū)域面積（mm2）。

裂縫長度密度為裂縫長度與研究區(qū)域面積的比值，其計(jì)算式為：

式中：LC為裂縫長度密度（cm/cm2）；Li第i條裂縫的長度（cm）；A0為研究區(qū)域面積（cm2）。

裂縫平均寬度為裂縫面積與裂縫長度之比，其計(jì)算式為：

按照配比稱取聚氨酯丙烯酸酯(B-286c)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-嗎啉-1-丙酮(907)于100 mL燒杯中，攪拌均勻得到透明的淡黃色粘稠液體，即所需的自由基型紫外光固化材料，對其編號并置于暗處貯存。

式中：Wi為裂縫平均寬度（mm）。

連通性指數(shù)K的計(jì)算式為：

式中：K為裂縫連通性指數(shù)；NBP為裂縫交叉點(diǎn)數(shù)；NEP為裂縫端點(diǎn)數(shù)。

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2003、SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并作圖，包括描述性統(tǒng)計(jì)分析和Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)皮理化性質(zhì)

表1 為人工模擬降雨30 min 時(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)皮、過渡帶結(jié)皮、沉積結(jié)皮土壤體積質(zhì)量及顆粒組成情況。結(jié)構(gòu)結(jié)皮、過渡帶結(jié)皮以及沉積結(jié)皮的體積質(zhì)量不同，但無顯著差異，其中結(jié)構(gòu)結(jié)皮的體積質(zhì)量最小，為1.709 g/cm3，沉積結(jié)皮體積質(zhì)量最大，為1.745 g/cm3，過渡帶結(jié)皮為1.724 g/cm3，介于二者之間。降雨擊濺導(dǎo)致土壤表層顆粒重新分布，結(jié)構(gòu)結(jié)皮、過渡帶結(jié)皮以及沉積結(jié)皮的顆粒組成差異顯著，其中結(jié)構(gòu)結(jié)皮的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占13.84%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占83.65%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占2.51%；沉積結(jié)皮的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占9.80%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占87.34%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占2.86%；過渡帶結(jié)皮的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占12.01%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占85.33%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占2.66%。

表1 不同類型結(jié)皮土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of different types of soil crust

2.2 壟溝區(qū)域土壤結(jié)皮干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征

通過對壟溝區(qū)域不同部位土壤結(jié)皮表面干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)指標(biāo)提取和計(jì)算（表2）可知，壟溝區(qū)域不同部位裂縫面積率（RC）、裂縫長度密度（LC）裂縫平均寬度（Wi）及連通性指數(shù)（K）均呈現(xiàn)不同變化趨勢。其中，裂縫長度密度、裂縫面積率及裂縫平均寬度總體表現(xiàn)為DC＜TZ＜SC，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的裂縫面積率為6.34%，是過渡帶結(jié)皮的1.80 倍，沉積結(jié)皮的3.75 倍；結(jié)構(gòu)結(jié)皮的長度密度為0.44 cm/cm2，是過渡帶結(jié)皮的1.26 倍，沉積結(jié)皮的2.59 倍；結(jié)構(gòu)結(jié)皮的裂縫平均寬度為1.44 mm，是過渡帶結(jié)皮的1.43倍，沉積結(jié)皮的1.50 倍。由此可以看出，結(jié)構(gòu)結(jié)皮（SC）的裂縫長度最長，面積率大，結(jié)皮表面開裂及裂縫形態(tài)發(fā)育最為強(qiáng)烈、豐富，開裂明顯，以板結(jié)開裂作為最主要的開裂形式，區(qū)塊面積大。結(jié)構(gòu)結(jié)皮含水率下降快且初始含水率低，弧線型隆起的表面使水分蒸發(fā)增大，同時(shí)弧狀結(jié)構(gòu)使結(jié)皮受到區(qū)塊收縮力影響的同時(shí)被向下拉伸，造成了此區(qū)域裂縫寬度更大；沉積結(jié)皮（DC）的裂縫長度和開裂面積最小，因不受弧狀結(jié)構(gòu)影響，含水率下降慢且初始含水率高，開裂程度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)結(jié)皮；過渡帶結(jié)皮（TZ）結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，開裂程度趨于二者之間。各區(qū)域間的連通性指數(shù)差異性不顯著，但沉積結(jié)皮的裂縫交點(diǎn)數(shù)和端點(diǎn)數(shù)的平均值要高于結(jié)構(gòu)結(jié)皮，是結(jié)構(gòu)結(jié)皮的1.82 倍和1.55 倍，說明沉積結(jié)皮（DC）裂縫形態(tài)復(fù)雜多樣。土壤裂縫發(fā)育過程中最初開展的裂縫稱為一級裂縫，在一級裂縫成型之時(shí)，垂直于一級裂縫之上生成了長度較短的裂縫，將其稱為二級裂縫，沉積結(jié)皮一級骨架裂縫周圍二級裂縫發(fā)育明顯，區(qū)塊面積小、個(gè)數(shù)增多。不同類型結(jié)皮裂縫的發(fā)育過程也有所差異，結(jié)構(gòu)結(jié)皮逆坡向裂縫最先發(fā)育，二級裂縫在此裂縫基礎(chǔ)上發(fā)育成形；沉積結(jié)皮細(xì)小裂縫較多，且關(guān)聯(lián)性不大，發(fā)育過程中相互連通形成主體框架；過渡帶結(jié)皮初始開裂位置位于坡面中部，方向?yàn)槟嫫孪虻慕本€型，發(fā)育過程中朝四周擴(kuò)散。

表2 不同類型結(jié)皮干縮裂縫幾何形態(tài)特征Table 2 The geometrical morphology characteristics of desiccation cracks for different types of crust

2.3 結(jié)皮干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育規(guī)律

2.3.1 干燥過程中裂縫面積率的變化

裂縫面積率隨土壤含水率變化情況見圖2。裂縫面積率隨著土壤含水率的下降而升高。在土壤干燥脫水過程中，裂縫面積率隨著土壤體積含水率的降低而升高，到達(dá)某一值后逐漸趨于穩(wěn)定。對于結(jié)構(gòu)結(jié)皮，當(dāng)含水率為20.36%時(shí)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)20.36%＞θ＞11.88%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當(dāng)θ=11.88%時(shí)，裂縫面積率達(dá)6.34%。對于過渡帶結(jié)皮，當(dāng)θ為25.95%時(shí)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)25.95%＞θ＞16.84%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當(dāng)θ=16.84%時(shí)，裂縫面積率達(dá)3.52%。對于沉積結(jié)皮，當(dāng)含水率θ為27.50%時(shí)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)27.50%＞θ＞20.57%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫面積率增加，當(dāng)θ=20.57%時(shí)，裂縫面積率達(dá)1.69%。以沉積結(jié)皮為對照，結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的裂縫面積提升率為375%和208%，發(fā)育完成時(shí)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的裂縫面積最大。

圖2 裂縫面積率隨土壤含水率的變化Fig.2 Changes of the crack area rate with soil moisture content

2.3.2 干燥過程中裂縫長度密度的變化

圖3 為裂縫長度密度隨土壤含水率的變化情況。裂縫長度密度隨著土壤含水率的下降而增多，裂縫的長度變化與面積變化差異較大，裂縫會在含水率降低的初期完成結(jié)構(gòu)定型，后期穩(wěn)定后幾乎不再改變，所以長度的增加在裂縫發(fā)育的初期呈現(xiàn)出急速上升趨勢，到達(dá)中后期不再發(fā)生變化。對于結(jié)構(gòu)結(jié)皮，當(dāng)20.36%＞θ＞15.65%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當(dāng)θ=15.65%時(shí)，裂縫長度密度達(dá)0.44 cm/cm2。對于過渡帶結(jié)皮，當(dāng)25.95%＞θ＞19.00%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當(dāng)θ=19.00%時(shí)，裂縫長度密度達(dá)0.35 cm/cm2。對于沉積結(jié)皮，當(dāng)27.50%＞θ＞22.75%時(shí)，隨著含水率的降低，裂縫長度密度增加，當(dāng)θ=22.75%時(shí)，裂縫長度密度達(dá)0.17 cm/cm2。由于θ=25.25%時(shí)，沉積結(jié)皮的第3 組重復(fù)最遲開始發(fā)育，導(dǎo)致長度密度的平均值下降，引起曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。以沉積結(jié)皮為對照，結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的裂縫長度密度增加量為259%和206%，發(fā)育完成時(shí)，沉積結(jié)皮的裂縫長度密度最低，結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫長度密度比過渡帶結(jié)皮略高。

圖3 裂縫長度密度隨土壤含水率的變化Fig.3 Changes of the crack length density with soil moisture content

2.3.3 干燥過程中裂縫平均寬度的變化

圖4 為裂縫平均寬度隨土壤含水率變化情況，裂縫平均寬度隨著土壤體積含水率的降低而升高。對于結(jié)構(gòu)結(jié)皮，當(dāng)20.36%＞θ＞19.13%和17.46%＞θ＞17.09%時(shí)，因?yàn)榇藚^(qū)間內(nèi)裂縫長度的增長速率大于面積的擴(kuò)張率，導(dǎo)致平均寬度減小，隨著含水率的降低，裂縫平均寬度減小，當(dāng)θ＜17.09%時(shí)，隨著θ的降低，裂縫平均寬度持續(xù)增大直至1.44 mm。對于沉積結(jié)皮，裂縫平均寬度的變化趨勢與結(jié)構(gòu)結(jié)皮相一致，在27.50%＞θ＞26.75%、26.01%＞θ＞25.25%和24.84%＞θ＞23.52%時(shí)，裂縫平均寬度減小，在θ＜23.52%時(shí)，裂縫平均寬度持續(xù)增加至0.96 mm。過渡帶結(jié)皮初期裂縫定型最快，同時(shí)面積增加率一直大于長度增長速率，所以在25.95%＞θ＞16.84%時(shí)，裂縫平均寬度呈持續(xù)上升趨勢，達(dá)到1.01 mm。裂縫發(fā)育完成時(shí)，沉積結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的裂縫平均寬度差異較小，而結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫的平均寬度為三者之中最大。

圖4 裂縫平均寬度隨土壤含水率的變化Fig.4 Changes in the average width of cracks with soil moisture content

2.3.4 裂縫發(fā)育歷時(shí)

圖5 為裂縫面積率隨時(shí)間增加實(shí)測值的變化情況。裂縫面積率隨著時(shí)間（t）的延長而增長，在t＜49 h 時(shí)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的裂縫呈現(xiàn)出一個(gè)急速增長的趨勢，在49 h＜t＜168 h 時(shí)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的面積率增長速率下降。沉積結(jié)皮的裂縫發(fā)育緩慢且平穩(wěn)，從裂縫的總體發(fā)育時(shí)間來看，三者中，沉積結(jié)皮裂縫發(fā)育歷時(shí)最長達(dá)357 h，是結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮的2.13 倍。

圖5 裂縫面積率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 The law of changes of the crack area rate with time

3 討論

人工模擬的等高耕作坡耕地不同部位雨滴打擊和泥沙沉積方式的差異導(dǎo)致了結(jié)皮性質(zhì)差異，結(jié)皮性質(zhì)尤其是體積質(zhì)量和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異又進(jìn)一步影響了裂縫形態(tài)發(fā)育。Zhang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)體積質(zhì)量低的土壤更容易產(chǎn)生裂縫，其團(tuán)聚體和土壤顆粒的接觸點(diǎn)也少，有利于土壤的開裂。與沉積結(jié)皮相比，結(jié)構(gòu)結(jié)皮表現(xiàn)為更低的土壤體積質(zhì)量和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤顆粒的接觸點(diǎn)更少，這種差別可能影響裂縫的發(fā)育過程及形態(tài)特征。結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫的長度密度、面積率和裂縫平均寬度均最大，二級裂縫較少，區(qū)塊大多數(shù)以板結(jié)為主，表面完整，這是由于受到結(jié)構(gòu)結(jié)皮土壤體積質(zhì)量小，砂粒占比高的影響，土粒從砂粒、粉粒到黏粒，吸水性、黏結(jié)性、黏著性都逐漸增強(qiáng)，而通氣性、透水性逐漸減弱，結(jié)構(gòu)結(jié)皮相比沉積結(jié)皮土壤水分蒸發(fā)速率提升，黏著性下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫的開裂更為明顯。結(jié)構(gòu)結(jié)皮順坡向的裂縫寬度較小，而垂直于坡向的裂縫開裂程度大，這是干縮和塌陷共同作用的結(jié)果，裂縫寬度不僅受結(jié)皮本身性質(zhì)影響，也受結(jié)皮兩側(cè)沉降的影響，馬祥愛等[15]也認(rèn)為塌陷在土體邊緣更容易產(chǎn)生裂縫。有研究發(fā)現(xiàn)土壤的收縮能力與土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)[6]，本試驗(yàn)中，沉積結(jié)皮的二級裂縫發(fā)育較多，這是由于沉積結(jié)皮黏粒數(shù)量較結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮更多，從而表現(xiàn)為收縮能力較強(qiáng)，細(xì)小裂縫發(fā)育更加豐富。

從土壤含水率分析，結(jié)皮裂縫的主體框架主要形成于含水率高的干燥初期；而在干燥后期，較少產(chǎn)生新的土壤裂縫，主要變化為寬度的增加，這與許多研究結(jié)果基本一致[16-17]。結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫發(fā)育會在含水率較低的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，而沉積結(jié)皮在土壤含水率較高時(shí)便開始出現(xiàn)裂縫，是由于沉積結(jié)皮主要以細(xì)顆粒為主，黏粒豐富，更容易使結(jié)皮形成易裂縫化結(jié)構(gòu)，此結(jié)果與校亮等[6]研究坡積區(qū)裂縫時(shí)結(jié)果相似。裂縫開裂寬度和長度都會隨著土壤含水率的減小而增加，直到某一值后不再變化，裂縫平均寬度會在發(fā)育前期呈下降趨勢，是由于在裂縫發(fā)育前期長度增長率遠(yuǎn)大于面積增長率，引起裂縫寬度的平均值下降，張展羽等[18]認(rèn)為裂縫長度在含水率為20%時(shí)達(dá)到最大值且保持穩(wěn)定，之后隨著含水率的減少，裂縫寬度增加。從發(fā)育歷時(shí)上看，結(jié)構(gòu)結(jié)皮裂縫和過渡帶結(jié)皮裂縫在干燥初期發(fā)育較快，原因是結(jié)構(gòu)結(jié)皮的粒徑組成缺失了大量的細(xì)小顆粒，導(dǎo)致表面形成了易于水分快速蒸發(fā)的孔隙結(jié)構(gòu)。沉積結(jié)皮出現(xiàn)裂縫最晚且發(fā)育歷時(shí)最長，原因是沉積結(jié)皮細(xì)顆粒占比較多的特性，對結(jié)皮表面的開裂有一定的抑制作用，同時(shí)，沉積結(jié)皮土壤含水率損失緩慢，也一定程度上影響了裂縫的發(fā)育歷時(shí)。在裂縫發(fā)育初期，過渡帶結(jié)皮比結(jié)構(gòu)結(jié)皮更快出現(xiàn)裂縫，是由于過渡帶結(jié)皮不同程度交互作用所導(dǎo)致的。

在裂縫發(fā)育后期，沉積結(jié)皮表面會出現(xiàn)深度1 mm左右的細(xì)微裂縫，表現(xiàn)為從裂縫區(qū)塊內(nèi)幾個(gè)位置的發(fā)散式發(fā)育，由邊緣向內(nèi)部卷起，這是由于沉積結(jié)皮表面的細(xì)小顆粒形成了土膜，從而在溫度作用下導(dǎo)致的收縮翻卷。唐朝生等[19-24]發(fā)現(xiàn)溫度越高，裂縫網(wǎng)絡(luò)越簡單，裂紋越寬，而在較低溫度下，裂縫網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，裂紋纖細(xì)且間距較密，表面比較破碎。因此本次試驗(yàn)沒有檢驗(yàn)的溫差是否是導(dǎo)致裂縫發(fā)育的另一要素仍需進(jìn)一步研究。由于本次試驗(yàn)的框選區(qū)域在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)等距規(guī)律選取，所以裂縫的初始發(fā)育位置會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，開始位置越少，結(jié)果則越規(guī)律，這點(diǎn)在裴銀鴿等[25]的研究中也得到了論證。

4 結(jié)論

1）不同類型結(jié)皮土壤性質(zhì)差異顯著，其中結(jié)構(gòu)結(jié)皮的體積質(zhì)量最小，沉積結(jié)皮體積質(zhì)量相對較大；結(jié)構(gòu)結(jié)皮的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于過渡帶結(jié)皮和沉積結(jié)皮，沉積結(jié)皮的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于結(jié)構(gòu)結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮。

2）結(jié)皮類型對裂縫形態(tài)發(fā)育具有重要影響，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的裂縫面積率、長度密度和平均寬度與沉積結(jié)皮和過渡帶結(jié)皮有顯著差異，其值均高于二者，而過渡帶結(jié)皮和沉積結(jié)皮的裂縫平均寬度之間無顯著差異。

3）結(jié)構(gòu)結(jié)皮、沉積結(jié)皮的裂縫面積率和長度密度隨含水率降低呈增大的趨勢，裂縫發(fā)育完成時(shí)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的土壤含水率最低，沉積結(jié)皮的土壤含水率最高，同時(shí)沉積結(jié)皮裂縫的發(fā)育歷時(shí)最長。