表1 试验区概况
注 草被盖度1%，表示零星草被分布。
校 亮1,2,3，熊东红1,2，张宝军1,2,3，张 素1,2,3，杨 丹1,2,3，吴 汉1,2,3，史亮涛4，徐 丽5
（1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；4.云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南元谋 651300；5.凉山水土保持生态环境建设分站，四川 西昌615000）
摘 要：采用实地调查和室内分析等方法，并结合数字图像处理技术，研究了干热河谷冲沟侵蚀劣地坡脚堆积区（PJ）、坡底沉积区（PD）和平地漫流区（PM）土体性质和裂缝形态发育特征，并探讨了土体性质对裂缝形态特征的影响。结果表明，①侵蚀劣地坡积区不同部位土体性质差异显著，其中土壤体积质量及黏粒质量分数均表现为PD＞PJ＞PM，毛管孔隙度为PM＞PD＞PJ，有机质为PM＞PJ＞PD；不同部位土体性质极值比：黏粒质量分数最大（1.94），有机质（0.65）次之，再次是毛管孔隙度（0.27），土壤体积质量（0.09）最小；PJ、PD土体性质变化主要受物源特性和沉积方式的影响，而PM土体性质主要与植被分布以及漫流有关。②干热河谷侵蚀劣地不同部位土体裂缝形态特征差异也十分显著，其中裂缝长度密度（Lc）及连通性指数（K）均表现为PD＜PJ≤PM，面积率（Rc）、面积周长比（APc）及加权平均分形维数（AWMFRAC）则整体上表现为PD≥PJ＞PM（Ⅲ号坡积区的Rc除外）；表明裂缝发育强度（Rc）及复杂程度（APc、AWMFRAC）PD最高，其次为PJ，再次是PM。③相关分析表明，长度密度与土壤体积质量（p=-0.782）、黏粒质量分数（p=-0.626）均呈显著负相关，连通性指数与黏粒质量分数呈显著负相关（p=-0.618），这表明土壤体积质量及黏粒质量分数对裂缝发育产生了重要影响。
关键词：坡积区；土体性质；裂缝形态发育；冲沟侵蚀劣地；干热河谷
土壤开裂受土壤性质、植物根系、耕作措施等的作用[1]，严重影响着土壤多种理化和生物过程[2-4]。土壤开裂在干旱半干旱地区表现十分普遍，尤其是干湿交替频繁的地区，裂缝发育极其显著。土壤开裂现象已经引起了学术界的广泛关注，不少学者对裂缝的影响因素、裂缝发育过程、裂缝形态及裂缝的评价指标等方面进行了研究并取得了一定进展。邵明安等[5]指出土壤黏粒是影响土壤收缩特征的重要因素；Gray等[6]研究表明体积质量小的土壤容易产生裂隙；Peng等[7]，Kechavarzi等[8]发现，有机碳量升高则土壤孔隙增多，收缩能力变强。Yesiller等[9]认为首次干湿循环能显著增大裂缝强度，随后变化较弱；杨和平等[10]发现干湿循环后裂缝形态及其分布变化不显著；张家俊等[11]研究表明在干湿循环作用下裂缝总面积与总长度增加，但发育到一定程度后因土块尺寸过小而停止。Abedine等[12]研究表明，裂缝宽度受黏粒质量分数影响；张展羽等[13]指出裂缝发育稳定时根系量越大，面积密度越小。
干热河谷降雨集中、旱季漫长的气候特征使得土壤经历着频繁的干湿交替，土壤开裂严重，甚至影响到植物生长发育[14]。不同学者针对该地区土壤裂缝开展了初步研究。何毓蓉等[15]指出，干热河谷土壤黏粒质量分数高且黏土矿物多以膨胀性矿物蒙皂石为主，易于形成富裂隙的土壤微结构；熊东红等[16]对影响该区退化坡地裂缝形态发育的因子进行了分析，并指出土壤结构性因子、胀缩度、有机质均不同程度地影响了裂缝形态发育。尽管这些研究从不同角度分析裂缝形成机制、影响因素，但以冲沟侵蚀劣地坡积区为研究对象，针对侵蚀劣地不同部分的土壤裂缝特征研究却鲜有报道。
鉴于此，通过调查和分析试验，定量分析冲沟侵蚀劣地坡积区裂缝形态特征，并探讨土体性质对裂缝形态发育的影响，旨在为干热河谷冲沟侵蚀劣地区域土壤、植被改良途径提供依据。
研究区位于云南元谋干热河谷，介于101°35′―102°26′E，25°23′―26°06′N[17]。该区属南亚热带季风气候，具有“干燥炎热、降雨集中、干湿季分明”的气候特征。年均温21.9℃，年降雨量615mm，降雨主要集中在6─10月，年蒸发量3 911mm，干燥度达4.4（Penman公式计算）；土壤类型主要为燥红土和变性土。该区冲沟极为发育，水土流失严重，土壤侵蚀模数高达1.64×104t/（km2∙a），沟壑密度在3.0～5.0km/km2，形成了大量的侵蚀劣地。侵蚀劣地土壤退化严重，土层贫瘠且易板结，水热条件变化剧烈，裂缝普遍发育，导致植被难以生长，覆盖度低，是金沙江干热河谷植被恢复的困难区域[18]。
试验区位于中科院成都山地所沟蚀崩塌观测研究站附近，地处东径101°84′，北纬25°86′，海拔998m。该区变性土集中分布，整片区域表土裸露、干燥开裂。在侵蚀坡面的坡脚地带，分布有由径流搬运、沉积作用形成的扇状堆积区，根据地面坡度、坡积物厚度、径流影响范围及地表状况等特征[19]，将扇状堆积区（坡积区）划分为坡脚堆积区（PJ）、坡底沉积区（PD）和平地漫流区（PM）。整片区域只分布有单一植物种心叶尾稃草（Urochloacordata Keng），其数量及盖度自PJ-PD-PM显著增多，在坡积区不同部位，土体开裂强度和裂缝形态特征差异显著。2015年10月下旬（土体经历旱、雨季干湿循环），裂缝形态处于相对稳定时期，在试验区随机选取3个坡积区，调查坡积区不同部位地形特征和植被分布状况见表1。
表1 试验区概况
注 草被盖度1%，表示零星草被分布。
图1 坡积区不同部位裂缝照片及数字化图像
试验区裂缝图像采集采用“样框-照相法”。在3个坡积区PJ、PD、PM以各自中心区域为采样点，选取1m×1m的裂缝样方，用腻子粉围合标记。清除样方内杂草后，将数码相机（型号：尼康COOLPIX S810c，分辨率：300×300dpi）置于样方中心点正上方1.5m处进行拍照，以备数字图像化处理和分析。每个样方随即采集5个土壤样品，混合后标记，至于阴凉通风处风干，分析待测。
运用软件Arc GIS10.2对裂缝照片进行数字化、几何校正并建立拓扑关系，分析提取裂缝图像中的周长和面积。具体如下：利用ArcGIS10.2对9个样方的裂缝进行数字化提取，裂缝在连通情况下合并为一个要素，完善属性信息，并进行拓扑检查。对数字化后的裂缝进行几何纠正，先在对应的UTM投影坐标系生成10m×10m的矩形框，然后建立裂缝与矩形框的对应关系，进行几何配准（图1）。
裂缝形态因子提取：①周长：按照小区/矩形框的放缩系数（1m/10m）进行周长计算；②面积：按照小区/矩形框的放缩系数（1m2/100m2）进行面积计算；③加权平均分形维数：由ArcGIS10.2的PathAnalyst插件实现对分形维数的计算。提取、计算得到坡积区不同部位土壤干缩裂缝网络几何形态特征及相关参数[2,16,20]。包括：
1）长度密度：
式中：Lc为长度密度（m/m2）；Li为第i条裂缝的骨架长度（m）；A0为研究区域总面积（m2）。
2）裂缝面积率：
式中：Rc为裂缝面积率（%）；Ai为第i条裂缝的面积（m2）；A0为研究区域总面积（m2）。
3）面积周长比：
式中：APc为面积周长比（m）；Ai为第i条裂缝的面积（m2）；P为裂缝网络的总轮廓周长（m）。
4）连通性指数：
式中：K为裂缝连通性指数；NBP为裂缝端点数；NEP为裂缝交点数。
5）加权平均分形维数：
分形维数是度量物体形态复杂度的有力工具，其值介于1～2之间，形态越复杂，分维值越大。以面积加权平均裂缝分形维数AWMFRAC来表征裂缝复杂度，其定义公式为：
式中：Pcij为各裂缝周长（m）；acij为各裂缝面积（m2）;Ac为各裂缝总面积（m2）。
试验中土壤体积质量、土壤含水率、毛管孔隙度测定采用环刀法，有机质测定采用K2Gr2O7-H2SO4氧化法，黏粒质量分数测定采用吸管法[21]。
试验所得数据均采用Excel 2003、SPSS17.0数据统计分析软件进行数据处理与分析，包括描述性统计分析和Pearson相关性分析等。
坡积区不同部位土体性质的变化幅度可采用极值比Ka表示[22]，即：
式中：xmax为土体性质的最大值；xmin为土体性质的最小值。Ka反映了系列数据的变化幅度，Ka值越大，土体性质变化幅度越大；Ka值越小，土体性质变化幅度越小。
表2为坡积区不同部位土体理化性质。由表2可知，干湿循环稳定后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号坡积区不同部位土壤体积质量、毛管孔隙度、有机质、黏粒质量分数呈现出不同的变化规律。其中，土壤体积质量及黏粒质量分数均为PD＞PJ＞PM；毛管孔隙度为PM＞PD＞PJ，有机质为PM＞PJ＞PD。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号坡积区不同部位间土壤体积质量极值比分别为0.03、0.16、0.09；黏粒质量分数极值比分别为1.46、2.76、1.61；毛管孔隙度极值比分别为0.24、0.29、0.28；有机质极值比分别为0.52、0.66、0.76。坡积区不同部位土体理化性质极值比黏粒质量分数最大、其次是土壤有机质、再次是毛管孔隙度，土壤体积质量最小。说明坡积区形成过程中不同部位土体理化性质呈规律性分布，但各性质间变化规律不同，且差异较大。物源特征，径流动能与影响范围，沉积方式，植被生长等共同决定了坡积区不同部位土体性质的差异。具体地，降雨径流沿坡面冲刷而下，在坡脚堆积区（PJ）以淤泥垂向加积为主，且多为侵蚀坡面的表层土壤，分选性差，矿质及含养分量较高；在坡底沉积区（PD）以泥浆沉积为主，细颗粒物质多，致密紧实；平地漫流区（PM）受径流泥沙影响较小，沉积层薄，水分状况相对较好，植被分布广泛，土壤受植物遮阴、根系扰动与吸水、植物残体分解等作用影响较大。土壤体积质量及黏粒质量分数在坡底沉积区（PD）最大（沉积物以细颗粒为主且致密紧实），毛管孔隙度及含有机质量在平地漫流区（PM）最高（植物根系扰动作用及植物残体分解等）。
表2 土体理化性质
通过对坡积区不同部位土体干缩裂缝网络几何形态特征指标提取、计算与分析（表3）。结果表明，坡积区不同部位裂缝长度密度（Lc）、面积率（Rc）、面积周长比（APc）、连通性指数（K）及加权平均分形维数（AWMFRAC）呈现不同的变化趋势其中，长度密度及连通性指数总体表现为“PD＜PJ≤PM”，说明平地漫流区（PM）裂缝长度最长，连通性最好，原因可能在于平地漫流区（PM）植物分布较多，根系吸水强烈，土体密集开裂后块区面积减小、个数增多，裂缝长度增加，连通性提升。而面积率、面积周长比及加权平均分形维数总体表现为“PD≥PJ＞PM”（坡积区Ⅲ裂缝面积率除外），说明坡底沉积区（PD）土体开裂及裂缝形态最为强烈、复杂。原因可能是坡底沉积区（PD）主要以泥浆沉积物为主，细颗粒较多，黏粒丰富，易于形成富裂隙的土壤微结构，土体开裂明显，且多以大块土体的板结开裂为主，裂缝较宽，块区面积较大，一级骨架裂缝周围的二级分支裂缝非常发育，裂缝形态复杂化。因而，裂缝面积率、面积周长比及加权平均分形维数在坡底沉积区（PD）最大。
表3 土体干缩裂缝网络几何形态特征指标计算结果
堆积区土体性质、裂缝形态发育内部及之间Pearson相关分析表明（表4），土体理化性质方面：有机质与毛管孔隙度相关系数为0.928（p＜0.01），显著正相关，黏粒质量分数与土壤体积质量相关系数为0.790（p＜0.05），显著正相关；黏粒质量分数与毛管孔隙度相关系数为-0.774（p＜0.05），显著负相关；黏粒质量分数与土壤有机质相关系数为-0.868（p＜0.01），极显著负相关。说明土壤有机质与毛管孔隙度关系密切，而土壤体积质量、毛管孔隙度、有机质均受黏粒质量分数的直接或间接影响。原因可能在于黏粒多的土壤结构紧实致密，土壤体积质量较大；孔隙度是与土壤体积质量密切相关的物理指标，土壤体积质量越小，孔隙度越大，通气透水性越号，根系生长阻力越小，植物越容易扎根和生长，残体分解回归土壤的有机质也相应增多。
裂缝形态发育特征方面，面积周长比与长度密度相关系数为-0.957（p＜0.01），极显著负相关；连通性指数与长度密度相关系数为0.739（p＜0.05），显著正相关；连通性指数与面积周长比、加权平均分形维数相关系数分别为-0.857、-0.674（p＜0.05），显著负相关。可见，长度密度、面积周长比、加权平均分形维数均与连通性指数有关，而面积周长比又与长度密度相关。因而，长度密度和连通性指数一定程度上能够反映裂缝形态发育特征，可作为裂缝形态特征描述的基本参数。
表4 坡积区不同部位土体性质与干缩裂缝网络几何形态特征Pearson相关性分析
注 *表示0.05水平显著相关，**表示0.01水平显著相关，N=27。
在土体性质与裂缝形态发育方面，土壤体积质量与长度密度相关系数为-0.782（p＜0.05），显著负相关；黏粒质量分数与长度密度、连通性指数相关系数分别为-0.626、-0.618（p＜0.05），显著负相关。说明土壤体积质量和黏粒质量分数是影响裂缝形态发育较为重要的土壤物理因素。土壤体积质量小的土壤较为疏松，其收缩能力较大，容易产生裂隙；此外，干热河谷变性土黏粒质量分数高易于形成富裂隙的土壤微结构。
在干热河谷冲沟侵蚀劣地，裂缝随降雨闭合，降雨径流沿坡冲刷。在坡脚堆积区（PJ）为片状淤泥垂向加积为主的淤积区，坡底沉积区（PD）为面状分支水流携带泥沙的沉积区，平地漫流区（PM）为片状水流影响的缓冲区[23-24]。PJ以淤泥质变性土垂向加积形成，分选性较差；PD为侵蚀物质形成的泥浆沉积区，细颗粒较多；而PM主要以薄层沉积物质为主，保水性好，植被生长茂盛，根系对土壤扰动强烈。可能是土壤体积质量和黏粒质量分数在以细颗粒沉积为主的PD最大，淤泥堆积形成的PJ居中，沉积物表覆的PM最小的原因。土壤孔隙是水分存储和空气流通的重要介质，起保水通气双重作用[25]。土壤越疏松多孔，含有机质量越高；结构性越好的土壤体积质量越小，植被越容易扎根和生长。PM土质相对均一，植被生长旺盛；相应的，土壤毛管孔隙度也最高。广泛分布在PM的心叶尾稃草为多年生草本植物，其逐年累积的植物残根及地表枯落物的分解也有利于改良土壤结构，增加土壤有机质，因而PM土壤含有机质量也最高。
坡积区不同部位泥沙沉积方式、径流影响范围，植被分布等的差异导致了土壤性质差异，土壤性质尤其是土壤体积质量和黏粒质量分数的差异又进一步影响了裂缝形态发育。而泥沙沉积方式，径流影响范围，乃至植被恢复状况均与研究区微地形有关。因此，在考虑干热河谷冲沟侵蚀劣地坡积区退化土壤改良与植被恢复措施时，适当改变微地形，优化土壤孔隙结构是土壤改良的基础，也是植被恢复的前提。
1）不同部位土体性质差异显著，坡底沉积区土壤体积质量及黏粒质量分数最大，其次是坡脚堆积区，平地漫流区土壤体积质量及黏粒质量分数均最小；平地漫流区毛管孔隙度及含有机质量均最大。
2）平地漫流区裂缝长度最长，连通性最好；坡底沉积区土体开裂及裂缝形态发育最为强烈。
3）土壤体积质量和黏粒质量分数对裂缝形态发育可产生重要影响。
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Soil Property and Morphology of Soil Cracks in Sediment Trap of Gully Badlands in Dry-hot Valley
XIAO Liang1,2,3,XIONG Donghong1,2,ZHANG Baojun1,2,3,ZHANG Su1,2,3,YANG Dan1,2,3,WU Han1,2,3,SHI Liangtao4,XU Li5
(1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes,ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610041,China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment,ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610041,China;3.University of ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100049,China;4.Institute of Tropical Eco-agricultural Sciences,YunnanAcademy ofAgricultural Sciences,Yuanmou 651300,China;5.Soil and water conservation ecological environment contribution substations in Liangshan,Xichang 615000,China)
Abstract:Based on investigation,laboratory analysisand digital image processing,we quantitatively analyzed soil properties and morphology of soil cracksin PJ,PD and PM.We also discussed the effects of soil properties on development of fracture morphology.The results showed that①bulk density and clay content was PD＞PJ＞PM;soil porosity was PM＞PD＞PJ;organic matter was PM＞PJ＞PD.Extreme ratio of soil properties at different locations:the greatest was content of clay(1.94),followed by the organic matter(0.65),soil porosity（0.27）and bulk density(0.09).The difference between soil properties in PJ and PD was due to their different source materials and depositions.The PMsoil was mainly affected by vegetation distribution and over-flow-condition.②Lc and K was PD＜PJ＜PM,Rc,APc and AWMFRAC was PD＞PJ＞PM.③Pearson correlation analysis showed that the length density and bulk density(p=-0.782),clay content(p=-0.626)are negatively correlated.The connectivity index was negatively correlated with clay content(p=-0.618).It was showed that the bulk density and clay content played an important role in crack growth.The results could provide a basis for improving degraded soil and vegetation restoration of the gully badlands in Dry-hot valley region.
Key words:sediment trap area;soil properties;soil crack’s morphological feature;gully badlands;dry-hot valley
中图分类号：S152.4
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.06.015
责任编辑：陆红飞
校亮，熊东红，张宝军，等.干热河谷冲沟侵蚀劣地坡积区土体性质与裂缝形态发育特征[J].灌溉排水学报，2017，36（6）：81-86.
文章编号：1672-3317(2017)06-0081-06
收稿日期：2016-10-05
基金项目：国家自然科学基金项目（41571277）；中国科学院“西部之光”重点项目（Y4R2060060）；国家重点基础研究发展计划（973）项目（2015CB452704）
作者简介：校亮（1991-），男。硕士研究生，主要从事土壤改良与植被恢复研究。E-mail：qinchengyongyi@126.com
通信作者：熊东红（1974-），男。研究员，主要从事退化生态系统恢复、土壤物理、土壤侵蚀及水土保持研究。E-mail：dhxiong@imde.ac.cn