王金滿,張麗娜,馮 宇,荊肇睿

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部 土地整治重點實驗室，北京 100035)

土壤壓實是一種嚴重的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，尤其是大型機械碾壓在工程和農(nóng)業(yè)中的應用。壓實作用被定義為土壤致密化和土壤孔隙度的減小，會改變土壤結構，增加土壤強度，并降低土壤的水力傳導性，這又反過來對糧食生產(chǎn)、土壤生物棲息和生態(tài)功能產(chǎn)生負面影響。一般來說，當土壤密度在黏土上超過1.47 g/cm，在淤泥上超過1.75 g/cm時，植物根系部分通氣不良，土壤滲水吸水能力不足，植物生長可能會受到限制。對于土壤破壞嚴重的礦區(qū)，大型機械造成的土壤壓實極為突出，成為限制當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。

露天開采會對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴重而迅速的影響，挖掘和傾倒導致陸地生態(tài)系統(tǒng)的快速變化，土壤剖面層紊亂并加劇土壤水土流失和退化。其中嚴重的壓實效應導致土壤孔隙結構變化，限制了土壤的養(yǎng)分循環(huán)、儲水、氣體交換和能量運輸。研究土壤水力特性對恢復礦區(qū)土壤質(zhì)量有很大幫助。水分特征曲線是模擬土壤水和溶質(zhì)傳遞的主要工具之一，大量實驗結果表明，土壤變形和壓實的程度對水分特征曲線有決定性作用，通過降低土壤大孔隙度和孔徑分布限制土壤含水量。此外，土壤溫度、質(zhì)地也會對其產(chǎn)生影響。不同壓實效應的孔隙參數(shù)和水力特性的差異需要量化，以診斷礦區(qū)因機械負荷導致的土壤退化，做好土地復墾工作。傳統(tǒng)的實驗室方法，對于孔隙的描述缺乏足夠的細節(jié)，且測定水分特征曲線耗時并存在許多不確定性。因此，表征和量化土壤孔隙結構是確定壓實作用對土壤結構和水力性質(zhì)影響的關鍵。亟需新高精度技術的支持。

X射線CT掃描技術已被證明是一種非常強大且非破壞性的方法，以高分辨率來量化土壤結構。近年來，CT掃描技術已被用于確定溶質(zhì)運動、孔隙度和植物根系發(fā)育等方面。該技術在不破壞樣品的情況下分析研究對象的內(nèi)部特征，具有快速成像的優(yōu)點。CT方法在分析土壤科學參數(shù)方面具有廣闊的應用前景，如土壤孔隙特征、孔隙形狀、大小、分布狀況；土壤水力特性、飽和導水率、水分特征曲線。從微觀尺度更好地解釋人為過程(如壓實)引起土壤性質(zhì)的變化。

由于土壤大孔隙結構與多種土壤性質(zhì)和過程密切相關，例如水力性質(zhì)和滲透過程，因此CT掃描技術的應用有助于這些過程的可靠預測。以往土壤大孔隙的研究多集中在農(nóng)田、牧場和森林的土壤壓實中，對礦區(qū)重型機械造成的嚴重壓實研究有限。因此筆者通過CT掃描技術重建礦區(qū)不同壓實土壤的三維大孔隙結構，量化土地大孔隙結構特征，并結合物理經(jīng)驗模型預測土壤水分特征曲線，探討壓實對礦區(qū)土壤水力特性的影響機理。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省平朔露天煤礦，地理坐標為112.17°～113.50°E，39.38°～39.62°N。土壤樣本采集點位于平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦的排土場，經(jīng)歷了堆積和大型機械反復碾壓的過程。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Ц珊抵涟敫珊荡箨懶约撅L氣候和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。土壤類型主要是栗鈣土，土質(zhì)偏砂土質(zhì)，土壤結構差，土壤密度介于1.27～1.74 g/cm，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)一般在5.0～9.0 g/kg，對水蝕和風蝕的抵抗力弱，由于地處黃土高原干旱區(qū)，缺少良好的植被覆蓋。此外，排土場內(nèi)高度壓實使土壤取樣過程困難，且提取土壤巖心通常會對樣品造成巨大的干擾。為了避免誤差，在實驗室進行模擬實驗，根據(jù)排土場土壤的壓實程度，實驗室采取手工壓實制備土壤模擬樣品，將野外排土場表層土壤收集，并作為壓實實驗的材料送回實驗室。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

模擬實驗的土樣采集自安太堡露天煤礦排土場0～30 cm土壤(圖1)。取樣后，在室內(nèi)風干、壓碎，混合并過2 mm孔篩。通過手工壓實將土壤裝進直徑60 mm、高70 mm的玻璃管中，每組密度設置3組重復。為得到均勻壓縮的土芯，每個巖心的壓實分為4層進行，從300 mm的固定高度錘壓。樣品分為2組，每組18根土柱，密度為1.3～1.8 g/cm，密度間隔為0.1 g/cm，其中G1.4略微壓實，其壓實水平與現(xiàn)場未受干擾的原狀土壤相似，G1.3和G1.4被認為是未壓實的土壤，G1.5，G1.6，G1.7和G1.8被認為是壓實土壤。2組實驗樣品中一組用于實驗室離心機實測土壤水分特征曲線，另一組送至中國航天特征材料與加工技術研究院實驗室進行CT掃描。

2.2 水分特征曲線的測定

將按照設定密度準備的土樣在水中浸泡飽和24 h，稱重飽和后土樣，置入離心機中，設定各基質(zhì)勢對應的轉(zhuǎn)速(表1)，離心機設置旋轉(zhuǎn)時間為60 min，取出離心桶稱重，依此進行下一轉(zhuǎn)速，離心旋轉(zhuǎn)結束后，將所有樣品在120 ℃烘箱內(nèi)干燥至恒重，計算個基質(zhì)勢下土壤體積含水量。最后得到土壤水分特征曲線(SWCC)。

圖1 土壤樣品Fig.1 Soil sample

表1 離心機轉(zhuǎn)速與基質(zhì)勢

2.3 CT掃描

在螺旋掃描模式下掃描巖心，為提高圖像精度，掃描土柱中部和5～55 mm區(qū)域，掃描圖像的分辨率為30 μm ×30 μm×30 μm，掃描間隔為連續(xù)0.05 mm。CT掃描配置參數(shù)值：管電壓100 kV, 掃描分辨率25 μm,像素數(shù)2 284×2 284。CT掃描后，有1 200張灰色圖像。然后，通過計算機處理，獲得土壤切片圖形，基于Avizo對圖像切片進行三維重建。

在土壤孔隙研究中，一般將土壤孔徑大于30 μm的孔隙定義為土壤大孔隙，相對于土壤中的微孔隙，土壤大孔隙更容易受到土壤壓實的影響。

在ImageJ軟件中處理切割采集的圖像堆，尺寸為10 mm×10 mm。首先排除巖壁的空隙，以盡量減少射束硬化帶來的影響。采用最大熵閾值算法分割圖像，通過選擇最大類間熵來確定合理的閾值，結合目視檢查確保正確性。分割后，使用Avizo軟件的孔隙網(wǎng)絡模型重建并可視化大孔隙結構，獲取土壤大孔隙結構，不同的顏色代表不同的孔徑。圖像處理流程如圖2所示。

圖2 圖像處理技術流程Fig.2 Workflow of image processing

模型中土壤孔隙的當量直徑()的計算公式為

(1)

其中，為土壤中大孔隙體積，μm。由于圖像分辨率的限制，本研究中當量直徑()為大于30 μm的大孔隙。在Avizo軟件中，采用Volume Fraction模塊提取土壤大孔隙度結構信息。

土壤大孔隙度()計算公式為

=

(2)

式中，為模型中統(tǒng)計的大孔隙體積；為土樣樣品的總體積。

2.4 水分特征曲線預測模型

在預測土壤水力特性模型中常用的有物理經(jīng)驗模型。物理經(jīng)驗Arya-Paris模型最早于1981年提出，該模型根據(jù)土壤密度和土壤大孔隙的分布特征來模擬土壤水分特征曲線。其基本假設是土壤粒徑組成與大孔隙半徑相關?；驹硎怯嬎忝總€孔隙級別范圍內(nèi)大孔隙的含水量及其對應的基質(zhì)勢，因此，獲得土壤含水量和基質(zhì)勢，預測整個范圍內(nèi)的水分特征曲線。

該研究中，土壤大孔隙半徑通過CT掃描土壤重建土壤三維結構后獲得。土壤孔隙分布的直方圖可以在Avizo 軟件中直接獲得。據(jù)此，可以估算出土壤大孔徑的分布。具體公式為

=4cos(1-)

(3)

式中，為每組直方圖內(nèi)土壤大孔隙平均直徑；為水的表面張力，N/m；為水分接觸角；為水密度，kg/m；為重力加速度，m/s；,為表征土壤孔隙形狀的經(jīng)驗參數(shù)。

土壤大孔隙分布曲線將土壤孔徑分為份：

=(=1，2，3，…，)

(4)

式中，為級土壤中的大孔隙體積總和；為級土壤的質(zhì)量；為土壤顆粒密度。

土壤大孔隙度()可以通過以下公式計算得到：

=(-)

(5)

其中，為土壤密度；將土壤的累積粒度分布曲線分為份，相應的土壤大孔隙半徑也分為份；假設在水體流動過程中，土壤水先填充滿土壤小孔隙，然后填充較大孔隙，因此，土壤含水量小于第個土壤孔隙的積累，其計算公式為

(6)

其中，為第級土壤孔隙充滿水時的體積含水量；為第級土壤孔隙體積；為單位土壤的體積，可通過以下公式計算得到：

(7)

其中，為級土壤顆粒的質(zhì)量，因此式(6)可改為

(8)

取2個相鄰等級的土壤體積含水量的平均數(shù)作為對應等級的較大孔隙體積水分含量：

(9)

根據(jù)毛細管理論，可以計算相應的基質(zhì)勢：

=2cos()

(10)

式中，為第級土壤孔隙對應的基質(zhì)勢；為第級土壤孔隙半徑。

本研究中CT掃描所能識別的最小孔徑是30 μm，因此模型所能預測的最大基質(zhì)勢是102 cm。由于實測值和預測值的基質(zhì)勢范圍不同，無法比較整個范圍內(nèi)CT掃描技術結合物理經(jīng)驗模型所提出預測方法的預測能力。因此運用Matlab軟件基于Van Genuchten模型對預測值進行整個范圍內(nèi)的擬合，將得到的水分特征預測曲線與實測值的擬合曲線進行誤差分析。

用實驗結果的實測值和基于CT掃描技術得到預測值的相關系數(shù)和均方根誤差 (RMSE)來描述土壤水分特征曲線預測性能。

(11)

研究中的統(tǒng)計分析通過Spass軟件進行。

3 結果與分析

3.1 實測土壤的水分特征曲線

圖3顯示了實驗室離心法測定的土壤水分特征曲線對壓實作用的響應程度。觀察發(fā)現(xiàn)，在同一壓實狀態(tài)下，隨著土壤基質(zhì)勢的增加，土壤含水量先迅速降低而后緩慢降低。這種在低基質(zhì)勢顯著降低，高基質(zhì)勢降低趨勢緩慢的現(xiàn)象，可能與在土壤壓實過程中，大孔隙對壓實作用的敏感性有關，隨著壓實程度的增加，土壤大孔隙中的水分優(yōu)先排出。土壤水分特征曲線在低基質(zhì)勢時不同密度土壤的含水量差距較大，在中基質(zhì)勢時，除密度為1.8 g/cm時，其他壓實狀態(tài)下，土壤含水量的差距較小，在高基質(zhì)勢下，不同密度土壤含水量又顯出差異。比較同一基質(zhì)勢下，隨著密度的增加，土壤含水量減少，且含水量的變化范圍減小。壓實程度增加，土壤結構發(fā)生重組，進一步統(tǒng)計土壤大孔隙發(fā)現(xiàn)，當密度較小時，大孔隙數(shù)量占比要比密度較高時提高30%～50%。這表明，土壤大孔隙特征與土壤含水量有直接關系，可進一步基于土壤孔隙結構參數(shù)預測土壤水分特征曲線。

圖3 水分特征曲線實驗室測定Fig.3 Soil water characteristic curves by experiment

3.2 不同密度土壤的大孔隙特征

..土壤大孔隙分布特征

礦區(qū)土壤不同壓實程度對土壤大孔隙的分布存在顯著差異，從圖4可以看出，不同密度下土壤大孔徑分布及其孔隙總體積占比特征。在0～500 μm孔徑范圍內(nèi)，各密度下大孔隙體積占比分別達到了11.66%，24.86%，49.11%，52.43%，95.84%，100%。

盡管不同密度時土壤大孔隙數(shù)量存在差異，但孔徑在50～150 μm內(nèi)的大孔隙數(shù)量最多，且隨著壓實程度增加，土壤孔徑范圍降低，且同一孔徑范圍內(nèi)的土壤大孔隙數(shù)量減少。當密度增加到1.8 g/cm時，土壤中大孔隙的孔徑均小于500 μm；進一步比較各孔徑范圍對總體積的貢獻率，在各壓實狀態(tài)下，土壤大孔對體積貢獻率均處于較高水平，當密度在1.3～1.4 g/cm內(nèi)，隨著孔徑增加，對孔隙總體積貢獻率增加，1.5～1.6 g/cm內(nèi)，隨孔徑增加，體積貢獻率波動增加，并當孔徑較大時，貢獻率達到峰值，1.7～1.8 g/cm內(nèi)，隨孔徑增加，體積貢獻率先增加后減少，且100～200 μm孔徑范圍的大孔隙對其貢獻率最大。隨著密度增加，大孔隙數(shù)量在可測量的范圍內(nèi)有效減少，這表明，壓實作用優(yōu)先破壞土壤中的大孔隙結構，在土地復墾管理工作中，可通過犁耕等疏松表土，減少壓實對土壤帶來的負面影響，改善土壤環(huán)境，提高土壤質(zhì)量。

圖4 壓實土壤大孔隙數(shù)量與體積占比Fig.4 Number and volume proportion of macropores in compacted soils

..壓實對土壤大孔隙結構的影響

土壤樣品的孔隙度見表2。其中土樣的平均孔隙度是各土樣檢測到的大孔隙度和微孔隙度之和，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)平均估計孔隙度隨密度的增加而減小，當密度為1.8 g/cm。時，孔隙度降低了37.02%；對比土壤大孔隙度與微孔隙度對壓實作用的響應，大孔隙度隨密度增加迅速下降(圖5)，微孔隙度隨土壤密度增加下降不明顯。土壤中的連接孔隙只有在密度為1.3 g/cm才存在，進一步說明壓實作用對土壤大孔隙有顯著的影響。

表2 估算和檢測土壤樣品的孔隙度

圖5 不同密度土壤大孔隙度Fig.5 Macroporosity of soils with different bulk densities

圖6顯示了土壤大孔隙數(shù)量和密度間的關系，2者間的相關性高達0.945，隨著密度的增加，大孔隙數(shù)量減少，當密度達到1.8 g/cm時，土壤大孔隙數(shù)量降低至1 254，降低了78.72%。

土壤中的歐拉數(shù)是描述壓實土壤連通性的有效指標，其值越大，表示孔隙間的連通性越低。由圖7可知，隨著密度的增加，土壤孔隙間的連通性逐漸減小，且當密度高于1.5 g/cm，時，平均歐拉數(shù)緩慢增加，這表明當壓實程度的增加，土壤中的連接孔隙迅速減少，當壓實達到一定程度時，連接孔隙極少，壓實對土壤孔隙結構參數(shù)影響極為敏感。研究發(fā)現(xiàn)。土壤大孔隙結構特征與土壤壓實存在著強相關，CT掃描技術在微觀尺度更好解釋了壓實對土壤的負面影響，礦區(qū)土壤面臨的土壤壓實威脅更多，機械的多次碾壓，礦山廢棄物的堆積等，為避免壓實帶來的各種威脅，有必要根據(jù)實際情況采取恢復措施。

圖6 不同密度土壤大孔隙數(shù)量Fig.6 Macropores number of soils with different bulk densities

圖7 不同密度土壤平均歐拉數(shù)Fig.7 Average euler number of soils with different bulk densities

3.3 CT掃描技術預測土壤水分特征曲線

基于CT掃描技術結合物理經(jīng)驗模型對土壤水分特征曲線進行了預測，圖8顯示了不同壓實程度下土壤水分特征曲線的實測值和預測值的擬合曲線。結果顯示，不同壓實狀態(tài)下土壤水分特征曲線預測值和實測值的形狀變化一致。在可預測的基質(zhì)勢范圍內(nèi)，土壤體積含水量隨著基質(zhì)勢的增加先緩慢減少后迅速減少，當基質(zhì)勢達到一定高度時，土壤體積含水量減少趨勢又趨于平緩。對比同一基質(zhì)勢下，土壤保水能力隨壓實增加而下降。通過對于預測值和實測值可驗證本研究所提出預測方法的可行性，在模擬結果中，預測值和實測值接近，2者的變化趨勢一致。密度越小，擬合效果越好，說明預測精度越高。當壓實處于1.3～1.6 g/cm時，在整個基質(zhì)勢范圍內(nèi)，預測值先高于實測值，后低于實測值，整體上預測能力較高，當壓實達到1.7～1.8 g/cm時，在低基質(zhì)勢時，土壤含水量預測值與實測值的偏差較大，隨著基質(zhì)勢的增加，2者間的差值逐漸減小。預測的土壤水分特征曲線的相關性均大于0.8，見表3，統(tǒng)計了實驗測定值的擬合曲線與模型預測值擬合曲線的均方根誤差(RMSE)，其值越小，表明CT掃描技術的預測能力越高。本研究結果顯示，基于CT掃描技術獲取土壤大孔隙特征參數(shù)，結合物理經(jīng)驗模型預測土壤水分特征曲線達到較高的精度，可應用于實際問題的研究。

圖8 土壤水分特性曲線預測值與實測值的擬合Fig.8 Fitting between predicted and measured values of soil water characteristic curve

表3 不同密度土壤水分特征曲線的預測精度

4 討 論

4.1 壓實對土壤水力特性的影響

對于傳統(tǒng)實驗室測定的土壤水分特征曲線，壓實程度的增加有效減少了土壤中的含水量，且隨著離心力的增加，土壤體積含水量先快速減少，當達到較高基質(zhì)勢時，含水量變化不再明顯。通過密度與大孔隙特征相關性的分析，有效說明土壤中的大孔隙分布顯著影響土壤水分特征曲線變化。壓實會導致土壤緊實度增加，一旦壓實作用展開，其內(nèi)部顆粒會不斷擠壓，重新排列組合，首先大孔隙中的水分優(yōu)先排出，這與土壤體積含水量迅速減少一致。土壤孔隙作為微觀尺度物質(zhì)交換的場所，可通過翻耕、添加生物碳等維持土壤大孔隙結構與孔隙間的連通性，這對于壓實作用對孔隙結構、植被生長發(fā)育、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的負面影響有緩解作用。其次，土壤體積含水量還會受到土壤質(zhì)地、溫度等因素的影響，這可作為后續(xù)的研究方向。

然而也有研究指出，適當?shù)膲簩崟黾油寥篮浚缭谏车刂?，壓實對于其有一定的保水作用，可以防止水分蒸發(fā)，以及土壤膨脹引起的土壤孔隙結構和孔徑分布潛在的可逆變化。黏土在壓實過程中，土壤含水量減少的程度要小于其他土質(zhì)，相關文獻記載，當密度從1.2 g/cm增加到1.6 g/cm時，黏土質(zhì)量分數(shù)為17%的土壤體積含水量會下降50%～60%，而黏土質(zhì)量分數(shù)為83%的土壤含水量僅下降20%～29%。

礦區(qū)重型機械壓實不僅對礦區(qū)水分平衡和流域生態(tài)水文安全造成威脅，也影響復墾區(qū)植被恢復效果。土體表面壓實，導致水分入滲率降低，地表徑流增加，加劇水土流失風險，同時，土體與大氣物質(zhì)和能量交換受阻，植被生長受限，降低作物產(chǎn)量，對玉米種植的壓實研究表明，土壤壓實顯著降低玉米產(chǎn)量，經(jīng)過中等和嚴重壓實后的玉米產(chǎn)量分別減少25%和50%。一些植物在經(jīng)過土壤壓實之后能夠迅速恢復，但也有植被則無法恢復到正常生長狀態(tài)。平朔礦區(qū)植被生長狀況較好時土壤密度均值維持在1.47 g/cm，但大多數(shù)區(qū)域壓實程度高于該水平。有必要預防土壤過度壓實，為植被生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境：首先盡量避免機械作業(yè)，其次，對土層進行適當?shù)姆?，合理施肥并添加土壤改良劑，如生物碳的添加，有利于恢復土壤結構，改善土壤質(zhì)量。

4.2 CT掃描技術預測土壤水分特征曲線的精度

本研究基于CT掃描技術結合物理經(jīng)驗Arya-Paris模型預測的土壤水分特征曲線結果具有較高的精度。相比傳統(tǒng)的實驗室方法獲取土壤水分特征曲線，CT掃描技術結合土壤三維重構孔隙結構預測方法更加便捷準確，是可行的。同時發(fā)現(xiàn)在同一基質(zhì)勢下，預測精度隨著土壤壓實程度增加而有所減小，這主要與壓實后土壤大孔隙減少、CT掃描儀精度有限有關，限制了模型的預測精度。后續(xù)考慮用高分辨率CT掃描儀進行土壤結構中微孔的測定，來研究各種土壤壓實條件下土壤水分特征曲線的預測。同時整個土層的分布并不是均勻的，存在一些致密層影響水分運動，微觀尺度的土壤水分運動是十分復雜的，在這種情形下，只考慮土壤大孔隙的分布特征無法完全詮釋土壤水分的運動規(guī)律，土壤的質(zhì)地、連通性、異質(zhì)性均需全面考慮在內(nèi)。

CT掃描儀獲取的大孔隙結構參數(shù)可有效解釋壓實狀態(tài)下土壤水分運動的規(guī)律，但其流動的變異性有待進一步探索，實現(xiàn)模型預測能力的優(yōu)化。

5 結論與展望

(1)通過CT掃描技術三維重建土壤大孔隙結構，發(fā)現(xiàn)土壤孔隙中數(shù)量最多的是50～150 μm的大孔隙，壓實作用降低了土壤大孔隙度，減少大孔隙數(shù)量，使土壤孔隙間連通性降低，同時大孔隙對壓實作用更加敏感，對于礦區(qū)壓實要以預防和避免大規(guī)模機械壓實為主，同時可進行翻耕和添加改良劑等措施。

(2)實驗室測定了土壤水分特征曲線，發(fā)現(xiàn)壓實作用通過土壤孔隙結構影響土壤水分的運輸及儲存能力，相比高基質(zhì)勢時，在低基質(zhì)勢下，土壤含水量下降速率快，且隨土壤密度增加而降低，表明壓實會降低土壤的持水能力。

(3)研究提出的土壤水分特征曲線預測方法取得了較高的精度(>0.89)，相比傳統(tǒng)的實驗測定方法，省時省力。同時CT掃描儀精度的提升，可觀測到更小孔徑土壤，更能真實反映土壤水分狀況，提高模型的預測能力。

當前，通用CT掃描儀的分辨率為30～100μm，在獲取土壤孔隙結構時有一定的限制，圖像分辨率在量化孔隙結構中起著決定性作用，有必要應用合適分辨率的CT掃描儀識別土壤中的微孔隙結構，探索更小尺度孔隙結構對土壤水分運動的影響。同時，現(xiàn)有的經(jīng)驗模型預測土壤水力特性仍存在一定的局限性，一方面各模型中的土壤參數(shù)各不相同，部分獲取難度大，另一方面相關模型對土壤孔隙結構做了很大簡化，相比真實的土壤水分運移，吸排水過程會有所差異，進一步完善合適的預測模型是今后的研究方向。