土壤脹縮特征研究進(jìn)展

鄭旭超

摘要：土壤脹縮現(xiàn)象是指土壤在干燥、濕潤(rùn)交替變化過(guò)程中所表現(xiàn)出的土壤容積隨含水量改變的一種現(xiàn)象。本文就土壤容重測(cè)定方法、土壤容積變化表示方法和常用土壤收縮特征曲線模型等方面進(jìn)行了總結(jié)和歸納，為干濕循環(huán)條件下土壤的脹縮特征研究提供參考。

Abstract： Swelling and shrinking of soil refers to a phenomenon in which the soil volume changes with water content during the process of alternating dry and moist soils. In this paper， soil volume weight determination method， soil volume change expression method and commonly used soil shrinkage characteristic curve model are summarized. It provides reference for the research of soil shrinkage characteristics under the condition of dry and wet cycle.

關(guān)鍵詞：土壤收縮特征；土壤容重；土壤容積

Key words： soil shrinkage characteristics；soil bulk density；soil volume

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）30-0174-02

0 引言

濕度及溫度循環(huán)變化所引起的脹縮現(xiàn)象是自然界內(nèi)萬(wàn)物的固有屬性，指濕度或溫度降低后的收縮以及濕度溫度升高后的膨脹，即濕脹干縮與熱脹冷縮特性[1]。農(nóng)業(yè)方面，土壤在缺水的條件下會(huì)產(chǎn)生收縮，其表面會(huì)產(chǎn)生不可逆的宏觀變形，裂隙逐漸發(fā)育，土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量會(huì)受到較大影響，裂隙的產(chǎn)生會(huì)為優(yōu)先流的產(chǎn)生創(chuàng)造條件，優(yōu)先流的淋溶作用會(huì)使得植物根區(qū)的肥料和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)流失，入滲水流會(huì)挾帶污染物沿優(yōu)先途徑到達(dá)地下水面，污染地下水源。

研究干濕交替過(guò)程中土壤脹縮特性對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)理論的完善具有一定的理論研究意義。

1 土壤容重測(cè)定方法

土壤容重是指在自然狀態(tài)下，單位體積土壤的干重，單位為g·cm3。土壤容重主要反映的是土壤松緊程度以及結(jié)構(gòu)狀況。隨著科學(xué)水平的不斷提高，土壤容重的測(cè)定方法和手段也經(jīng)歷了一系列的發(fā)展。傳統(tǒng)方法中，是利用環(huán)刀取出土樣，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)烘干等一系列方法測(cè)出土壤容重。這種方法具有簡(jiǎn)單且容易操作等優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法存在一定的局限性，若待測(cè)試樣為松散體或土樣中夾雜了部分砂石，此時(shí)環(huán)刀取樣測(cè)容重的方法則顯然不再適用。基于此背景下，利用石蠟澆注來(lái)測(cè)定容重的方法被學(xué)者提出，基本思路是通過(guò)熔化的石蠟來(lái)代替被移走的土壤，以石蠟的容積來(lái)確定出待測(cè)試樣的容重，這種較為新穎的測(cè)試方法同樣存在不足，例如操作復(fù)雜，對(duì)于過(guò)程控制的要求較高。

祝艷濤[2]等認(rèn)為可以利用TDR與土鉆法相結(jié)合來(lái)測(cè)定土壤容重，兩種方法的結(jié)合具有快速、精確、連續(xù)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，并能測(cè)定某一特定土層的含水量，利用TDR法與土鉆法相結(jié)合的測(cè)試方法能避免破壞土壤結(jié)構(gòu)，這種測(cè)試方法比較適用于長(zhǎng)期且需要連續(xù)監(jiān)測(cè)的環(huán)境。呂殿青[3]等為了得到容重與土壤吸力之間的函數(shù)關(guān)系，利用了土壤水分特征曲線冪函數(shù)模型以及土壤收縮特征線性模型，根據(jù)試驗(yàn)資料對(duì)所得到的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了檢驗(yàn)，最終提出了三點(diǎn)法，以此來(lái)確定土壤持水特征測(cè)定中土壤容重的變化，利用三點(diǎn)法所得到的土壤水分特征曲線經(jīng)檢驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果極為吻合，該方法的精度較高。

2 土壤容積變化表示方法

容積比率是土壤容積變化與水損失容積之比，在實(shí)際研究中經(jīng)常被用于預(yù)測(cè)田間土壤容積的變化。對(duì)于土壤容積變化的表示方式，更為常用的是利用比容積來(lái)表示，比容積與容重之間是互為倒數(shù)的關(guān)系，比容積與重量含水量之間的關(guān)系被定義為收縮特征曲線。

Parker等利用線性延展系數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算了自然結(jié)構(gòu)土塊的容積變化，并以此為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)估計(jì)土壤容積變化的方法。已有的研究表明，粘粒類型比粘粒含量對(duì)容積變化的影響更大，而土壤潛在的容積變化則與土壤中的彈性指標(biāo)密切相關(guān)。線性延展系數(shù)和可能容積變化被廣泛應(yīng)用于田間土壤容積變化的預(yù)測(cè)中。

3 土壤收縮特征曲線模型

在評(píng)估土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量中，與土壤含水量有關(guān)的容積變化的指標(biāo)已被廣泛運(yùn)用。為了采用同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，許多學(xué)者提出了土壤收縮特征模型，其中以三直線模型，Logistic模型，土壤容積變化的通用方程，KM模型等尤為常用。

3.1 三直線模型

該模型沒有較為完善的理論基礎(chǔ)為依托，所選的參數(shù)只能通過(guò)數(shù)據(jù)擬合來(lái)近似估計(jì)，這些參數(shù)沒有其特定的物理意義，其優(yōu)點(diǎn)在于它符合土壤收縮的形狀，即“S”形。

Mcgarry對(duì)常用的模型進(jìn)行了比較，包括三直線模型、土壤容積變化的通用方程和Logistic模型，對(duì)模型中出現(xiàn)的重要參數(shù)作了較為詳細(xì)的說(shuō)明，其結(jié)論為：通用方程沒有最大值，對(duì)結(jié)構(gòu)收縮區(qū)域不再適用，對(duì)整個(gè)收縮過(guò)程不能進(jìn)行準(zhǔn)確精準(zhǔn)的描述。Logistic缺乏完善的理論基礎(chǔ)支撐，其所涉及的參數(shù)的物理意義不明確。三直線模型是較為適用的模型，該模型能較為完整的描述土壤收縮過(guò)程中的三個(gè)收縮區(qū)域，模型中所涉及的各項(xiàng)參數(shù)都有其自身明確的物理意義。

黃傳琴等[4]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)四種土壤脹縮過(guò)程中土壤容積與含水量的關(guān)系及土壤的脹縮特征進(jìn)行了詳盡的研究分析，其研究結(jié)果表明，三直線模型對(duì)于四種土壤的收縮、膨脹過(guò)程能進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤脹縮方面進(jìn)行了研究，土壤的脹縮現(xiàn)象存在其一定的時(shí)間和空間變化規(guī)律，這需要我們進(jìn)行不斷的探索發(fā)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)土壤容積變化的表示方法、土壤干裂特征、變性土土壤水運(yùn)動(dòng)機(jī)理、土壤的收縮特征曲線以及影響土壤收縮的相關(guān)因素等方面已進(jìn)行了相當(dāng)?shù)难芯?。而在今后的研究中，將土壤的收縮特征與土壤水力特征相結(jié)合，并以此來(lái)研究土壤水分運(yùn)動(dòng)是研究的一個(gè)重要方向，以此研究為更高效地利用水分和防止地下污染提供更加真實(shí)可靠的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]祝艷濤，錢天偉，但德忠.時(shí)域反射儀結(jié)合土鉆法測(cè)定土壤容重[J].資源開發(fā)與市場(chǎng)，2006（03）：213-215，219.

[3]呂殿青，邵明安，王全九.土壤持水特征測(cè)定中的容重變化及其確定方法[J].水利學(xué)報(bào)，2003（03）：110-114，119.

[4]黃傳琴，邵明安.干濕交替過(guò)程中土壤脹縮特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].土壤通報(bào)，2008（06）：1243-1247.