土體干縮開裂影響水分入滲和坡面產(chǎn)流的研究進(jìn)展

臧 俊, 彭旭東,3,戴全厚

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，貴州 貴陽 550025)

隨著全球性極端天氣頻發(fā)，干濕變化下土壤更容易失水收縮開裂形成干縮裂隙，也容易因增濕膨脹而閉合。與喀斯特地區(qū)巖溶裂隙相似，土體干縮裂隙亦可作為土壤水分入滲的重要通道，并進(jìn)一步影響坡面產(chǎn)流過程。然而，現(xiàn)有研究多關(guān)注膨脹土或黏性土的干縮裂隙發(fā)育過程與機(jī)理，缺乏對土體干縮開裂影響土壤水分入滲和坡面產(chǎn)流的深入研究和系統(tǒng)總結(jié)。本研究基于Web of Science核心合集2008—2021年數(shù)據(jù)和CNKI數(shù)據(jù)庫1936—2021年數(shù)據(jù)，通過綜合分析土體干縮裂隙的發(fā)育過程及對土壤結(jié)構(gòu)影響的研究進(jìn)展，總結(jié)了土體干縮開裂對土壤水分入滲和坡面產(chǎn)流的作用，以期為深入了解氣候變化對土壤水分入滲、坡面產(chǎn)流及土壤侵蝕的影響提供參考。

1 干縮裂隙—入滲產(chǎn)流相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計

本研究于2021年12月10日，基于Web of Science核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫對土體干縮開裂相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計。基于Web of Science核心合集2008—2021年數(shù)據(jù)，通過檢索主題詞“soil desiccation crack”或“soil cracking”或“soil drying shrinkage”或“soil dry shrinkage cracking”和“water infiltration”或“runoff yield”，得到相關(guān)文獻(xiàn)12 448篇?；贑NKI數(shù)據(jù)庫1936—2021年數(shù)據(jù)，通過檢索主題詞“土體干縮裂隙”或“土體裂隙”或“土體干縮”或“土體干縮開裂”和“入滲”或“產(chǎn)流”，得到相關(guān)文獻(xiàn)844篇，其中與入滲相關(guān)論文47篇，與產(chǎn)流相關(guān)論文4篇。基于上述數(shù)據(jù)，對土體干縮裂隙發(fā)育過程，及其對土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分入滲和坡面產(chǎn)流的影響等相關(guān)文獻(xiàn)成果進(jìn)行整理分析。

2 土體干縮裂隙發(fā)育過程研究

裂隙是在干燥條件下，土壤水分蒸發(fā)后產(chǎn)生的張拉應(yīng)力超過了土體的抗拉強(qiáng)度，土壤孔隙逐漸擴(kuò)展形成的次生結(jié)構(gòu)面[1]?？傮w來說，土體干縮裂隙的發(fā)育過程存在初始、初級和穩(wěn)定3個階段。初始階段裂隙發(fā)育緩慢，蒸發(fā)只發(fā)生在土壤表面，初級階段裂隙發(fā)育顯著，達(dá)到穩(wěn)定階段后裂隙便不再擴(kuò)展[2]。在裂隙發(fā)育過程中，形成的次級裂隙總是垂直于上一級裂隙，且發(fā)育速度快，長度、寬度均小于上級裂隙，最終形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]。一級裂隙的走向具有隨機(jī)性，通常出現(xiàn)在交界面處，因此交界面特征對裂隙的深度發(fā)育及形態(tài)等有顯著影響[3]。與無邊界約束的土壤相比，存在邊界約束時土壤更容易誘發(fā)干縮裂隙，但目前研究中多將邊界約束作為外部影響而不是研究重點，如在室內(nèi)試驗時對獲取的裂隙圖像進(jìn)行裁剪，只選取圖像中心部分進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分析[4]。

雖然土體每經(jīng)歷一次干濕循環(huán)，其土體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場都被重新調(diào)整，發(fā)育方向也有所不同，但在多次干濕循環(huán)后裂隙大多在初始位置上產(chǎn)生，且其形態(tài)不會有太多變化[5]，因此研究干縮裂隙的發(fā)育過程有助于有效預(yù)測裂隙的發(fā)育程度。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，土體干縮裂隙的邊緣越來越不規(guī)則、寬度及其差異逐漸縮小[2]，干濕循環(huán)次數(shù)增多在一定程度上抑制了土壤水分的入滲。裂隙形成后寬度及幾何形態(tài)的演化直接取決于土塊的收縮變形特性，總體上土壤收縮性越強(qiáng)，裂隙的發(fā)育程度越高[6]。植物的根系可以在根區(qū)周圍提供一個防止土壤收縮的骨架以抑制裂隙的產(chǎn)生[7]，當(dāng)裂隙骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后新的裂隙便不再產(chǎn)生，裂隙的形態(tài)結(jié)構(gòu)也保持基本穩(wěn)定，隨后的土壤失水干燥只引起裂隙寬度和面積的增大[8]。在我國西南地區(qū)，雖然植被覆蓋率高，但是土層薄、土壤涵養(yǎng)水分能力差，干旱時土壤極易發(fā)育形成裂隙，在雨季大量雨水的沖刷下原本被固著在根系周圍的土壤又順著根系進(jìn)入裂隙從而發(fā)生流失。

目前對于裂隙形態(tài)的描述大多使用概念模型或數(shù)學(xué)模型，并且有研究者已向描述土壤團(tuán)聚體的收縮年齡的方向發(fā)展，這些模型大多識別了結(jié)構(gòu)性收縮、比例(即基本或正常)收縮、殘余收縮和零收縮4個不同的收縮階段[9]。隨著計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可通過建立模型再現(xiàn)干縮裂隙的動態(tài)形成過程，以實現(xiàn)對裂隙的準(zhǔn)確預(yù)測，并為尋找有效抑制干縮裂隙產(chǎn)生的方法、降低裂隙的危害程度等提供依據(jù)。比如，F(xiàn)LOWERS et al.[10]采用裂隙的平均體積、深度和寬度等指標(biāo)來描述裂隙形態(tài)特征；還有研究者通過裂隙的異質(zhì)性、連通度和總密度3個指標(biāo)特征，用幾何的方法來描述裂隙形態(tài)[11]。但是，研究中尚存諸多問題，例如：現(xiàn)有模型仍無法精確描述地下深層裂隙的形態(tài)[12]，制約了喀斯特地區(qū)水土流失/地下漏失的研究發(fā)展；在試驗過程中大多數(shù)研究者使用裂隙體積來表征土體干縮過程中的膨脹和沉降過程，還未有能夠準(zhǔn)確預(yù)測土體裂縫體積或尺寸的動態(tài)變化模型；雙滲透率模型假定基質(zhì)域和裂隙域為兩個相互獨立且統(tǒng)一的多孔介質(zhì)并進(jìn)行物理模擬[13]，這在實際應(yīng)用時具有一定的局限性。這些在今后的研究中都有待進(jìn)一步完善。

目前關(guān)于土體干縮裂隙發(fā)育的研究主要集中于裂隙形態(tài)、大小等方面，由于土體干縮裂隙的發(fā)育受環(huán)境溫度、濕度，以及土壤顆粒組成、結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)等多種因素的影響，且發(fā)育過程復(fù)雜，因此對于土壤顆粒間的開裂變化機(jī)理仍不明確。在土體干縮裂隙形成的過程中，土體含水率、土層厚度和溫度均會對其發(fā)育產(chǎn)生一定的影響，達(dá)到土壤開裂的臨界含水率便發(fā)生開裂[14-15]，因此確定土壤開裂的臨界含水率成為土壤裂隙形成與發(fā)展的主要研究內(nèi)容之一。研究表明，即使是在初始狀態(tài)相同的土體中，其裂隙形成的含水率臨界值也是不確定的，臨界含水率與溫度、土層厚度、土壤條件等有關(guān)，隨溫度、土層厚度的增加而增加[16]。此外，土體中的黏粒含量也是影響裂隙出現(xiàn)的主要因素[17]，黏土礦物顆粒的水化膜和土壤中孔隙的存在為土體干縮變形及裂隙發(fā)育提供了必要的空間，是土壤收縮變形特性的重要基礎(chǔ)。

3 干縮裂隙對土壤結(jié)構(gòu)的影響研究

土壤結(jié)構(gòu)是土壤顆粒的排列組合形式，影響著土壤的諸多性質(zhì)和功能[12]。土體中水分運移影響土壤的失水速率，進(jìn)而影響土體的孔隙結(jié)構(gòu)。近地表土壤裂縫的存在會影響其水力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致土體在干燥過程中所產(chǎn)生的吸力也隨之變化[13]。同時，土壤結(jié)構(gòu)的基本單元為土壤顆粒，其大小的變化和差異是導(dǎo)致土體干縮開裂的影響因素之一，土壤顆粒的粗細(xì)狀況和土壤質(zhì)地也是水土流失的影響因素之一[18]。現(xiàn)今極端天氣頻發(fā)，極度干旱、濕潤的天氣轉(zhuǎn)換極易導(dǎo)致土壤在干濕交替的過程中出現(xiàn)裂隙。而裂隙的產(chǎn)生又導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，極大地破壞了土體結(jié)構(gòu)的整體性，降低了土體強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致土體在重力作用下發(fā)生失穩(wěn)和崩塌，對土質(zhì)邊坡工程及水利工程造成重大危害。比如：路面工程中，因裂縫引起的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，使土體變得更具有壓縮性，降低了道路使用年限[19]；垃圾填埋場覆蓋系統(tǒng)中，裂隙誘發(fā)的優(yōu)先流路徑會造成地下水污染和空氣污染[20]；此外，還可能導(dǎo)致堤壩的災(zāi)難性破壞，造成經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失[21-22]。因此，必須對干縮裂隙的發(fā)育程度及發(fā)展趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確評估，以便采取合理有效的預(yù)防措施。

研究發(fā)現(xiàn)，許多黏性土在土體干濕循環(huán)的過程中，干旱失水時土體收縮，黏土顆粒間水化膜變薄，間隙增加產(chǎn)生裂隙的同時導(dǎo)致地表發(fā)生沉降；濕潤時土體膨脹，黏土顆粒間的水化膜變厚，裂縫逐漸封閉而土壤表面逐漸上升[23]。反復(fù)的干濕循環(huán)并沒有導(dǎo)致土壤中土壤顆粒和其孔隙之間距離的重組，而是在隨后的干燥周期中，以前被破壞的區(qū)域被重新激活[18]，這為在下一次干濕交替時預(yù)測裂隙出現(xiàn)的位置提供了可能。馮守中等[24]提出蒸發(fā)和降雨引起的干縮裂縫對非飽和土邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很大，可能誘發(fā)邊坡土體裂縫的發(fā)育和閉合，在降雨過程中更易導(dǎo)致滑坡，且裂縫位置越靠近邊坡邊緣其裂隙度越大。申同慶等[25]研究發(fā)現(xiàn)作物根系對土壤干縮開裂有明顯的抑制作用，可適當(dāng)減輕干縮裂隙對土壤結(jié)構(gòu)性的影響，增大局部土體的抗拉強(qiáng)度并且限制土體的蠕移運動。目前研究人員的研究方法主要為室內(nèi)模擬和現(xiàn)場試驗兩類[26]。室內(nèi)試驗需要精確控制環(huán)境變量，以減少環(huán)境因素的干擾，但現(xiàn)有的試驗條件難以反映原狀土的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和還原自然蒸發(fā)條件，因此在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場試驗，優(yōu)化干縮裂隙對土壤結(jié)構(gòu)影響程度的試驗條件，使其更符合現(xiàn)實情況。

4 干縮裂隙對水分入滲的影響研究

入滲是水滲透到土壤中的過程，水分入滲過程實際上是土體中水分在土體孔隙中流動并代替空氣占據(jù)土中孔隙的十分復(fù)雜的過程。土壤的入滲能力被描述為土壤吸收水分的最大速率，是評價水分入滲的一個重要參數(shù)[27]。目前關(guān)于裂隙對土壤入滲能力影響的試驗成果有限，有研究認(rèn)為土壤開裂能短暫地提高土壤入滲率，入滲能力特別是初始入滲速率因干縮裂隙的影響而增大[28]，但隨著增濕過程中裂隙逐漸閉合，土壤入滲率下降并逐漸返回到未開裂土壤的狀態(tài)；也有研究認(rèn)為土壤入滲速率基本不受干縮開裂的影響[29-30]。具有特殊二元三維空間結(jié)構(gòu)的喀斯特地區(qū)具有豐富的地下水，而巖溶裂隙是連接降水、地表水及地下水的紐帶，是影響地表和地下徑流、泥沙分布的主要因素[29]。土體干縮裂隙中的水分具有明顯的隨季節(jié)性干濕交替變化的特點，這對土壤入滲速率影響很大，因此探究喀斯特地區(qū)水分在干縮裂隙中的入滲情況，對當(dāng)?shù)氐乃亮魇е卫砑笆乐尉哂兄匾饬x。

在土體干縮裂隙發(fā)育過程中，裂隙為水分入滲提供了優(yōu)先流通道，增加了土壤入滲速率，但同時水分運移也攜帶養(yǎng)分、農(nóng)藥等物質(zhì)發(fā)生運移，加快了土壤中養(yǎng)分的流失和地下水污染[31-32]，因此干縮裂隙對土壤水分入滲的影響目前尚存在爭議，這也吸引了更多研究者對干縮裂隙帶來的影響進(jìn)行研究，希望更好地將裂隙的產(chǎn)生控制在有利的范圍內(nèi)。由于水分入滲導(dǎo)致在土壤淺層產(chǎn)生的孔隙水壓力降低和單位土壤質(zhì)量增加，極大地破壞了土體的穩(wěn)定性，因此研究人員根據(jù)水分入滲的深度來估計被破壞土體的體積[33-35]，進(jìn)一步預(yù)測水土流失量，以期為水土流失防治工作提供理論依據(jù)。

由于水分入滲受多重因素的影響，因此對干縮裂隙影響土壤水分入滲方面的研究存在一定難度。研究發(fā)現(xiàn)，干縮裂隙的深度對土壤水分運移也有一定影響，深度較大的裂隙在增濕過程中閉合相對緩慢，這是因為裂縫提供的通道顯著增加了土壤的導(dǎo)水性，水在裂縫中流動并迅速到達(dá)了裂縫土壤的深處[36-37]。汪星等[38]在對黃土丘陵區(qū)降雨入滲的研究中發(fā)現(xiàn)降雨類型(快速蒸發(fā)型、緩慢蒸發(fā)型和入滲主導(dǎo)型)可對土壤水分的入滲產(chǎn)生重大影響，這為水熱條件不同的喀斯特地區(qū)水分入滲的定量研究提供了一種新思路；衛(wèi)三平等[39]研究認(rèn)為在黃土高原丘陵區(qū)的土壤干化現(xiàn)象導(dǎo)致其土壤水分循環(huán)出現(xiàn)隔離層，水分移動性變差，進(jìn)而導(dǎo)致植被無法利用更深層次的水分而增加了其對年降水量的依賴程度，但對植被資源豐富的喀斯特地區(qū)土壤干化出現(xiàn)裂隙對水分入滲的影響還有待考證。

5 干縮裂隙對坡面徑流的影響研究

石質(zhì)坡面的徑流是表層巖溶帶產(chǎn)流、超滲產(chǎn)流和飽和產(chǎn)流的集合。裂隙的產(chǎn)生為雨水快速入滲提供了更加便捷的通道，但同時也加重了坡面的水土流失[40]。因此，迫切需要對干縮裂隙影響坡面徑流的機(jī)理開展研究。干濕交替驅(qū)動下土壤裂隙存在開裂與閉合兩個不同的過程，裂隙開裂會增大水分入滲并減小坡面產(chǎn)流，但裂隙閉合過程對水分入滲及坡面產(chǎn)流的影響目前仍存在爭議[41-43]。楊智等[44]認(rèn)為裂隙對坡面水土流失的影響主要取決于裂隙度，裂隙度越大則地表徑流量越??；也有學(xué)者認(rèn)為喀斯特地區(qū)地下裂隙度與坡度共同影響著地表徑流和地下徑流的分配，干濕交替驅(qū)動土體裂隙發(fā)育能抑制地表徑流的產(chǎn)生，主要是因為一方面裂隙提供了水分運移的優(yōu)先通道[45]，另一方面水分通過裂隙時使更多深層土體達(dá)到充分的飽和[44]。有國內(nèi)學(xué)者通過電鉆打孔模擬土體裂隙網(wǎng)絡(luò)的方法定量分析裂隙對坡面流的影響，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度的增大，平均坡面徑流系數(shù)較無裂隙減小，而降雨入滲系數(shù)增大[39]。另外，何毓蓉等[46]認(rèn)為干縮裂隙是導(dǎo)致邊坡崩塌的重要原因之一，且在不同的土層深度裂隙面積比不同。在土層薄、巖石裸露率高的喀斯特地區(qū)，土壤在干濕交替下不僅會出現(xiàn)裂隙還會發(fā)生土壤蠕移現(xiàn)象，加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇顩r。目前，對于土體干縮裂隙的研究主要集中在坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙和地表徑流上，隨著極端天氣頻發(fā)，干縮裂隙現(xiàn)象增多，裂隙對坡面徑流的影響將成為新的研究熱點。

6 結(jié)論與展望

國內(nèi)外研究人員對土壤失水收縮形成干縮裂隙的發(fā)育過程、機(jī)理及影響因素等進(jìn)行了大量探索，取得了重要的研究進(jìn)展。土體干縮開裂影響著土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，進(jìn)一步影響降雨入滲和坡面產(chǎn)流，以及土壤侵蝕的產(chǎn)生。對于不同地區(qū)、不同土體的干縮裂隙情況及其對土壤結(jié)構(gòu)、水分入滲、坡面徑流、土壤侵蝕等方面的影響仍有一些問題值得關(guān)注。

(1)全球氣候變化引起了大幅度、大范圍的環(huán)境變化，導(dǎo)致土體干縮裂隙發(fā)育愈加普遍和劇烈。土體干縮開裂發(fā)生后，黏土礦物顆粒表面水化膜和土壤中孔隙的存在致使土體干縮裂隙進(jìn)一步發(fā)育；在大多非黏性土體中，黏土礦物顆粒排列、間隙等發(fā)生了改變，造成土體結(jié)構(gòu)整體性降低，發(fā)生失穩(wěn)和崩塌。目前急需開展對不同土壤類型干縮裂隙發(fā)育及其對土壤結(jié)構(gòu)影響的研究，以深化對土壤特性的認(rèn)識。

(2)當(dāng)前關(guān)于干縮裂隙對水分運移的影響還未進(jìn)行全面深入的研究。不同地貌、不同地質(zhì)背景、不同退化程度的區(qū)域內(nèi)裂隙發(fā)育情況不同，限制了對干縮裂隙影響水分入滲的研究，難以形成系統(tǒng)的認(rèn)識。目前關(guān)于土體干縮裂隙對土壤水分入滲的影響尚存在爭議，裂隙在增濕條件下逐漸閉合，由開裂到閉合這一短暫過程究竟對土壤水分入滲作用有多大，還有待進(jìn)一步研究。

(3)干縮裂隙可在一定程度上減少坡面徑流，但對不同類型土壤裂隙的描述及裂隙對坡面徑流的影響是否還受其他因素制約等問題尚不清楚。同時，關(guān)于干濕循環(huán)作用下裂縫閉合時的坡面產(chǎn)流及裂隙的產(chǎn)生機(jī)理等問題的研究還不深入，因此迫切需要對干縮裂隙和坡面產(chǎn)流展開研究，以深化對土壤侵蝕機(jī)理的認(rèn)識。