李曉潔，趙 凱，任建華，李洋洋

(中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長春凈月潭遙感實驗站，吉林長春130012)

1 引言

土壤鹽堿化和次生鹽堿化在全球范圍內(nèi)廣泛存在，干旱和半干旱地區(qū)問題更為嚴重［1］。據(jù)聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和糧農(nóng)組織(FAO)不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積為9.54 億hm2，約占全球陸地面積的7.23%［2］。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題已經(jīng)成為世界灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素之一。松嫩平原是我國鹽漬土主要分布區(qū)域之一，鹽漬土總面積為342 萬hm2，占全區(qū)總面積的19.4%［3］，該區(qū)鹽漬化土壤鹽分以NaHCO3和Na2CO3為主，屬于蘇打型鹽漬土。

土壤開裂是關(guān)系到土壤性狀、作物生長及土壤溶質(zhì)運輸?shù)囊粋€復雜過程。土壤裂縫的形成關(guān)系到土壤結(jié)構(gòu)和土壤入滲性能的變化、土壤水分的蒸發(fā)散失狀況、土壤溶質(zhì)的優(yōu)先遷移及因此帶來的土壤水質(zhì)量的惡化，甚至影響植株根系的發(fā)育［4］等諸多土壤重要性質(zhì)及土體中進行的重要物理、化學及生物過程。在農(nóng)業(yè)上，土壤的干縮裂縫對農(nóng)作物的生長和發(fā)育有重要影響，比如裂縫的形成會增加土壤中水分的蒸發(fā)，裂縫的形狀和大小會改變地表水的徑流以及土壤中水分、養(yǎng)分和微生物等的運移情況，從而影響農(nóng)作物根系對土壤中有用物質(zhì)的吸收和農(nóng)作物的產(chǎn)量。Johnston 和Hill 在1944 年通過研究發(fā)現(xiàn)最大的裂縫出現(xiàn)在農(nóng)作物行間距的中間，并討論了農(nóng)作物行間距對土壤裂縫的影響［5］。Fox 研究了裂縫形成與農(nóng)作物根系之間的相互作用［6］。唐朝生等［7］通過試驗，研究了黏性土干縮裂縫的發(fā)生和發(fā)展與溫度之間的關(guān)系，運用計算機圖像處理和編程技術(shù)，對不同溫度下形成的黏性土干縮裂縫的表面結(jié)構(gòu)特征進行了描述和定量分析。在對不同黏土厚度、干濕循環(huán)次數(shù)和土質(zhì)成分等條件下黏性土干縮裂縫網(wǎng)絡進行對比和定量分析的基礎(chǔ)上，探討了聚丙烯纖維對黏性土干縮裂縫的抑制作用和機理［8］。

裂縫地表面積測定具體分為圖像分析法和網(wǎng)格法兩種測定方法。圖像分析法［9－10］是通過數(shù)碼相機實地拍攝照片獲得裂縫形態(tài)特征圖像，然后應用專業(yè)計算機軟件提取裂縫地表面積。該方法具有測定簡單快速、測量精度較高的優(yōu)點，對于那些開裂程度較小的地面，由于電腦的分辨能力降低，故面積測定誤差較大。網(wǎng)格法是將事先制作好的樣框放置于裂縫樣地中，依次測定記錄樣框中每個格子中每條裂縫的寬度及長度，最后計算整個樣框面積內(nèi)裂縫所占的地表面積。該法適用于各種地表覆被狀況下的裂縫地表面積測定，缺點是該方法費時、費力，有時一個1m2的樣框測定需要近2 h。

在土壤裂紋的長度測試方面，Zeinel Abedine 和Inoue 等通過計算一個橫截面與裂縫交點的個數(shù)來估測裂縫的長度［11－12］。Dasog 用細線在現(xiàn)場測出1m2內(nèi)裂縫的總長作為參考標準［13］。Ringrose－Voase 在前人的基礎(chǔ)上，將6 個直徑為1m 的半圓環(huán)連在一起作為測量工具，發(fā)展了一種新的表面裂縫測量方法［14］。但由于人為操作和自然條件復雜等因素，目前的一些方法很難準確地描述裂縫網(wǎng)絡的特性，測量結(jié)果往往偏離真實值較大。

基于激光三角法的基本原理，非接觸、非破壞性、自動地對鹽漬土的開裂情況進行探測，計算出土壤裂紋的表面積與長度，并探討其裂紋特征與鹽漬土含鹽量的關(guān)系。

2 測試方法

圖1 地表粗糙度測試儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of surface roughness tester

圖1 所示為地表粗糙度測試儀的結(jié)構(gòu)圖，其組成包括:電動移動單元、調(diào)整支架平臺單元、成像單元和電腦［15］。其中，電動移動單元固接在調(diào)整支架平臺單元上，成像單元與電動移動單元固定連接后，面對地面置于調(diào)整支架平臺單元上，電腦與電動移動單元及成像單元連接，電腦中存儲有地表粗糙度測試儀的運行軟件。成像單元由兩個CCD 攝像機和一個激光器組成。

該地表粗糙度測試儀，是基于幾何光學三角形原理的激光三角形法，半導體激光器向待測地表發(fā)射出垂直方向的激光束在被測曲面上結(jié)成激光線，在機械系統(tǒng)的帶動下，激光線自左向右運動，完成對被測區(qū)域的掃描，同時，位于激光器兩側(cè)的攝像機獲取光線圖像，在計算機系統(tǒng)和軟件算法的處理下，通過對光點的特征分析、坐標變換等步驟，提取出被測物體的形狀、尺寸等表面信息。最后，根據(jù)地表粗糙度計算公式得到相應參數(shù)值。

系統(tǒng)的主要參數(shù)如下:

測量范圍為:水平:500 mm;高程差:400 mm;豎直:600 mm

典型分辨率:水平:0.78 mm;高程差:0.83 mm;豎直:1 mm

掃描時間:20 s

3 測試實驗及結(jié)果

3.1 鹽漬土土壤開裂特征與含鹽量的關(guān)系

為了探索土壤開裂情況與含鹽量的關(guān)系，選取了吉林西部鹽堿地不同含鹽量的鹽漬土為測試土樣。土壤類型為鹽漬土，取樣深度為5 cm，土壤質(zhì)地及有機質(zhì)含量如表1 所示;主要鹽分以NaHCO3和Na2CO3為主，屬于蘇打型鹽漬土。具體的測試步驟如下:

表1 土樣的土質(zhì)及有機質(zhì)測量結(jié)果Table 1 The measurement result of soil texture and organic matter

(1)首先將其碾碎、烘干后得到標準的細致土樣;

(2)取少量土樣加水測試其電導率、含鹽量以及可溶性鈉的含量;

(3)取相同質(zhì)量的剩余土樣，并分別加水并不斷攪拌，配置成飽和的泥漿;

(4)將加水攪拌后的土樣放置到統(tǒng)一大小的樣品盒內(nèi)，并將表面抹平;

(5)將土樣放置到自然條件下風干。

試驗中選取了6 種不同的鹽漬土土樣樣品，采樣地點照片及土樣如圖2 所示。待其完全風干后，觀察到土壤發(fā)生了開裂，其照片如圖3 所示。

圖2 不同鹽漬土加水至飽和狀態(tài)Fig.2 Saline soils with different water content

圖3 鹽漬土完全風干后的照片F(xiàn)ig.3 Dry saline soil

下面以樣品1 為例，介紹數(shù)據(jù)的處理過程。

(1)使用地表粗糙度測試儀對樣品表面進行掃描，得到其表面的坐標信息，結(jié)果如圖4 (a)所示;

(2)遍歷每一行上的數(shù)據(jù)點，首先計算相鄰兩點的距離，設定合適的距離閾值，通過閾值法判定土壤裂紋的邊緣，對圖4 (a)進行邊緣提取的結(jié)果如圖4 (b)所示;

(3)裂紋面積的計算。由于土壤裂紋形狀的不規(guī)則性，很難使用固定的計算公式完成。為此，通過將邊緣點連接成三角形，再計算三角形面積，統(tǒng)計所有三角形的面積和即為裂紋的面積。對圖4 (b)的邊緣點生成三角形后的結(jié)果如圖4 (c)所示。在邊緣點連接三角形時，使用Geomagic 軟件的表面模型生成算法，控制好三角形相鄰點的距離;

圖4 樣品1 的處理過程Fig.4 Processing of the sample 1

(4)裂紋周長的計算?？傮w思路是首先統(tǒng)計所有裂紋邊緣的長度Lt，由于每條裂紋有兩個邊緣，且這兩個邊緣的長度相差不大，利用此特點，將所有裂紋邊緣長度Lt 除以2 后，可得到裂紋周長值。所有裂紋邊緣的長度Lt 的計算，根據(jù)邊緣提取后的結(jié)果，使用Otsu 算法得到連續(xù)的被測土壤裂紋邊緣點，統(tǒng)計其總長度即可得到。

對所有樣品進行如上所述的計算，最后得到裂紋邊緣生成三角形后的結(jié)果如圖5 所示。

通過化學方法測試得到幾種土壤樣品的化學特性參數(shù)統(tǒng)計表如表2 所示。將不同土樣的裂紋面積分別與土壤電導率與可溶性鈉的數(shù)據(jù)點繪制成點圖如圖6 所示，分別將散點進行線性擬合，得到土壤裂紋面積與電導率和可溶性鈉的R2值分別為0.54 和0.611 5，說明裂紋面積與上述兩個參數(shù)具有一定的相關(guān)性。同樣，將土壤裂紋周長分別與電導率和可溶性鈉的數(shù)據(jù)點繪制成點圖如圖7 所示，其直線擬合結(jié)果表明，土壤裂紋周長與電導率和可溶性鈉的R2值分別為0.861 和0.918 1，說明裂紋周長與上述兩個參數(shù)具有很好的相關(guān)性。幾種土樣的有機質(zhì)含量與裂紋面積及周長的關(guān)系如圖8 所示，從圖中可以看出，散點的分布并無顯著的規(guī)律。由此可知，以上幾種樣品的有機質(zhì)含量與裂紋面積及周長并無顯著相關(guān)性。

圖5 圖3 中的裂紋生成三角形的結(jié)果Fig.5 The triangle generation from crack in Fig.3

表2 土壤樣品的參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Parameter statistics of soils samples

圖6 鹽漬土裂紋面積與土壤參數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between crack area and soil parameters

圖7 鹽漬土裂紋周長與土壤參數(shù)的關(guān)系Fig.7 The relationship between crack perimeter and soil parameters

圖8 鹽漬土裂紋參數(shù)與有機質(zhì)含量的關(guān)系Fig.8 The relationship between crack parameter and soil organic matter content

由以上得到的幾種結(jié)果可知，吉林西部人工擾動鹽漬土的裂紋特征與土壤的電導率和可溶性鈉存在顯著的正相關(guān)，而與土壤的有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論

利用激光三維成像技術(shù)非接觸、無損傷地實現(xiàn)了土壤表面形態(tài)的探測，并計算出土壤開裂的裂紋面積及長度，以此為基礎(chǔ)討論了其裂紋特征與鹽堿地電導率及可溶性鈉的相關(guān)性。通過對6 種吉林西部鹽漬土土樣的測試研究表明，土壤裂紋面積、周長與電導率和可溶性鈉均具有很好的相關(guān)性，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，且與土壤有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性。由此可知，吉林西部人工擾動鹽漬土的裂紋特征可以反應土壤的電導率和可溶性鈉含量。研究結(jié)果為實現(xiàn)鹽堿地的改良利用提供了有效的技術(shù)手段。

［1］王遵親，祝壽泉，俞仁培，等. 中國鹽漬土［M］. 北京:科學出版社，1993.

［2］Tanji K K. Agriculture salinity assessment and management ［M］. New York:American Society of Civil Engineers，1990.

［3］宋長春，何 巖，鄧 偉. 松嫩平原鹽漬土壤生態(tài)地球化學［M］. 北京:科學出版社，2003.

［4］Bandyopadhyay K K，M Mohanty，D K Painuli，et al. Influence of tillage praetices and nutrient management on crack parameters in a vertisol of central India［J］. Soil and Tillage Research，2003，71 (2):133－142.

［5］Flowers M，R Lal. Axle load and tillage effects on the shrinkage characteristics of a Mollie Ochraqualf in northwest Ohio ［J］. Soil and Tillage Research，1999，50 (3－4):251－258.

［6］姚杏安，臧 波，吳大偉. 土壤含鹽量對土壤某些物理性質(zhì)及棉花產(chǎn)量的影響［J］. 科技創(chuàng)新導報.2007 (36):79－81.

［7］唐朝生，施 斌，劉 春，等. 黏性土在不同溫度下干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律及形態(tài)學定量分析［J］. 巖土工程學報，2007，29 (5):743－749.

［8］唐朝生，施 斌，劉 春，等. 影響?zhàn)ば酝帘砻娓煽s裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的因素及定量分析［J］. 水利學報，2007，38 (10):1186－1193.

［9］王永潔，羅金明，李廣文，等. 基于ENVI 的蘇打鹽漬土表層裂隙特征及與水鹽運移關(guān)系的研究［J］. 高師理科學刊.2009，29(2):92－97.

［10］羅金明，王永潔，鄧偉，等. 基于小波分析的蘇打鹽漬土的水鹽變化特征［J］. 土壤通報，2010，41 (3):688－694.

［11］Abedine A Zein EL，H R Glenn. A study in cracking in some Vertisols of the Sudan ［J］. Geoderma，1971，5 (3):229－241.

［12］Inoue H. Lateral water flow in a clayey agricultural field with cracks ［J］. Geoderma，1993，59 (1－4):311－325.

［13］Dasog G S，G B Shashidhara. Dimensional and volume of cracks in a Vertisol under different crop covers ［J］. Soil Science，1993，156 (6):424－428.

［14］Ringrose-Voase A J，W B Sanidad. A method for measuring the development of surface cracks in soils:application to crack development after lowland rice ［J］. Geoderma，1996，71 (3－4):245－261.

［15］李曉潔，張世軼，姜 濤. 地表粗糙度測試儀［P］. 發(fā)明專利，201010554026.2，2010.