李晓洁，赵 凯，任建华，李洋洋

(中国科学院东北地理与农业生态研究所长春净月潭遥感实验站，吉林长春130012)

1 引言

土壤盐碱化和次生盐碱化在全球范围内广泛存在，干旱和半干旱地区问题更为严重［1］。据联合国教科文组织(UNESCO)和粮农组织(FAO)不完全统计，全世界盐碱地面积为9.54 亿hm2，约占全球陆地面积的7.23%［2］。土壤盐碱化和次生盐碱化问题已经成为世界灌溉农业可持续发展的重要制约因素之一。松嫩平原是我国盐渍土主要分布区域之一，盐渍土总面积为342 万hm2，占全区总面积的19.4%［3］，该区盐渍化土壤盐分以NaHCO3和Na2CO3为主，属于苏打型盐渍土。

土壤开裂是关系到土壤性状、作物生长及土壤溶质运输的一个复杂过程。土壤裂缝的形成关系到土壤结构和土壤入渗性能的变化、土壤水分的蒸发散失状况、土壤溶质的优先迁移及因此带来的土壤水质量的恶化，甚至影响植株根系的发育［4］等诸多土壤重要性质及土体中进行的重要物理、化学及生物过程。在农业上，土壤的干缩裂缝对农作物的生长和发育有重要影响，比如裂缝的形成会增加土壤中水分的蒸发，裂缝的形状和大小会改变地表水的径流以及土壤中水分、养分和微生物等的运移情况，从而影响农作物根系对土壤中有用物质的吸收和农作物的产量。Johnston 和Hill 在1944 年通过研究发现最大的裂缝出现在农作物行间距的中间，并讨论了农作物行间距对土壤裂缝的影响［5］。Fox 研究了裂缝形成与农作物根系之间的相互作用［6］。唐朝生等［7］通过试验，研究了黏性土干缩裂缝的发生和发展与温度之间的关系，运用计算机图像处理和编程技术，对不同温度下形成的黏性土干缩裂缝的表面结构特征进行了描述和定量分析。在对不同黏土厚度、干湿循环次数和土质成分等条件下黏性土干缩裂缝网络进行对比和定量分析的基础上，探讨了聚丙烯纤维对黏性土干缩裂缝的抑制作用和机理［8］。

裂缝地表面积测定具体分为图像分析法和网格法两种测定方法。图像分析法［9－10］是通过数码相机实地拍摄照片获得裂缝形态特征图像，然后应用专业计算机软件提取裂缝地表面积。该方法具有测定简单快速、测量精度较高的优点，对于那些开裂程度较小的地面，由于电脑的分辨能力降低，故面积测定误差较大。网格法是将事先制作好的样框放置于裂缝样地中，依次测定记录样框中每个格子中每条裂缝的宽度及长度，最后计算整个样框面积内裂缝所占的地表面积。该法适用于各种地表覆被状况下的裂缝地表面积测定，缺点是该方法费时、费力，有时一个1m2的样框测定需要近2 h。

在土壤裂纹的长度测试方面，Zeinel Abedine 和Inoue 等通过计算一个横截面与裂缝交点的个数来估测裂缝的长度［11－12］。Dasog 用细线在现场测出1m2内裂缝的总长作为参考标准［13］。Ringrose－Voase 在前人的基础上，将6 个直径为1m 的半圆环连在一起作为测量工具，发展了一种新的表面裂缝测量方法［14］。但由于人为操作和自然条件复杂等因素，目前的一些方法很难准确地描述裂缝网络的特性，测量结果往往偏离真实值较大。

基于激光三角法的基本原理，非接触、非破坏性、自动地对盐渍土的开裂情况进行探测，计算出土壤裂纹的表面积与长度，并探讨其裂纹特征与盐渍土含盐量的关系。

2 测试方法

图1 地表粗糙度测试仪结构图Fig.1 Structure of surface roughness tester

图1 所示为地表粗糙度测试仪的结构图，其组成包括:电动移动单元、调整支架平台单元、成像单元和电脑［15］。其中，电动移动单元固接在调整支架平台单元上，成像单元与电动移动单元固定连接后，面对地面置于调整支架平台单元上，电脑与电动移动单元及成像单元连接，电脑中存储有地表粗糙度测试仪的运行软件。成像单元由两个CCD 摄像机和一个激光器组成。

该地表粗糙度测试仪，是基于几何光学三角形原理的激光三角形法，半导体激光器向待测地表发射出垂直方向的激光束在被测曲面上结成激光线，在机械系统的带动下，激光线自左向右运动，完成对被测区域的扫描，同时，位于激光器两侧的摄像机获取光线图像，在计算机系统和软件算法的处理下，通过对光点的特征分析、坐标变换等步骤，提取出被测物体的形状、尺寸等表面信息。最后，根据地表粗糙度计算公式得到相应参数值。

系统的主要参数如下:

测量范围为:水平:500 mm;高程差:400 mm;竖直:600 mm

典型分辨率:水平:0.78 mm;高程差:0.83 mm;竖直:1 mm

扫描时间:20 s

3 测试实验及结果

3.1 盐渍土土壤开裂特征与含盐量的关系

为了探索土壤开裂情况与含盐量的关系，选取了吉林西部盐碱地不同含盐量的盐渍土为测试土样。土壤类型为盐渍土，取样深度为5 cm，土壤质地及有机质含量如表1 所示;主要盐分以NaHCO3和Na2CO3为主，属于苏打型盐渍土。具体的测试步骤如下:

表1 土样的土质及有机质测量结果Table 1 The measurement result of soil texture and organic matter

(1)首先将其碾碎、烘干后得到标准的细致土样;

(2)取少量土样加水测试其电导率、含盐量以及可溶性钠的含量;

(3)取相同质量的剩余土样，并分别加水并不断搅拌，配置成饱和的泥浆;

(4)将加水搅拌后的土样放置到统一大小的样品盒内，并将表面抹平;

(5)将土样放置到自然条件下风干。

试验中选取了6 种不同的盐渍土土样样品，采样地点照片及土样如图2 所示。待其完全风干后，观察到土壤发生了开裂，其照片如图3 所示。

图2 不同盐渍土加水至饱和状态Fig.2 Saline soils with different water content

图3 盐渍土完全风干后的照片Fig.3 Dry saline soil

下面以样品1 为例，介绍数据的处理过程。

(1)使用地表粗糙度测试仪对样品表面进行扫描，得到其表面的坐标信息，结果如图4 (a)所示;

(2)遍历每一行上的数据点，首先计算相邻两点的距离，设定合适的距离阈值，通过阈值法判定土壤裂纹的边缘，对图4 (a)进行边缘提取的结果如图4 (b)所示;

(3)裂纹面积的计算。由于土壤裂纹形状的不规则性，很难使用固定的计算公式完成。为此，通过将边缘点连接成三角形，再计算三角形面积，统计所有三角形的面积和即为裂纹的面积。对图4 (b)的边缘点生成三角形后的结果如图4 (c)所示。在边缘点连接三角形时，使用Geomagic 软件的表面模型生成算法，控制好三角形相邻点的距离;

图4 样品1 的处理过程Fig.4 Processing of the sample 1

(4)裂纹周长的计算。总体思路是首先统计所有裂纹边缘的长度Lt，由于每条裂纹有两个边缘，且这两个边缘的长度相差不大，利用此特点，将所有裂纹边缘长度Lt 除以2 后，可得到裂纹周长值。所有裂纹边缘的长度Lt 的计算，根据边缘提取后的结果，使用Otsu 算法得到连续的被测土壤裂纹边缘点，统计其总长度即可得到。

对所有样品进行如上所述的计算，最后得到裂纹边缘生成三角形后的结果如图5 所示。

通过化学方法测试得到几种土壤样品的化学特性参数统计表如表2 所示。将不同土样的裂纹面积分别与土壤电导率与可溶性钠的数据点绘制成点图如图6 所示，分别将散点进行线性拟合，得到土壤裂纹面积与电导率和可溶性钠的R2值分别为0.54 和0.611 5，说明裂纹面积与上述两个参数具有一定的相关性。同样，将土壤裂纹周长分别与电导率和可溶性钠的数据点绘制成点图如图7 所示，其直线拟合结果表明，土壤裂纹周长与电导率和可溶性钠的R2值分别为0.861 和0.918 1，说明裂纹周长与上述两个参数具有很好的相关性。几种土样的有机质含量与裂纹面积及周长的关系如图8 所示，从图中可以看出，散点的分布并无显著的规律。由此可知，以上几种样品的有机质含量与裂纹面积及周长并无显著相关性。

图5 图3 中的裂纹生成三角形的结果Fig.5 The triangle generation from crack in Fig.3

表2 土壤样品的参数统计表Table 2 Parameter statistics of soils samples

图6 盐渍土裂纹面积与土壤参数的关系Fig.6 The relationship between crack area and soil parameters

图7 盐渍土裂纹周长与土壤参数的关系Fig.7 The relationship between crack perimeter and soil parameters

图8 盐渍土裂纹参数与有机质含量的关系Fig.8 The relationship between crack parameter and soil organic matter content

由以上得到的几种结果可知，吉林西部人工扰动盐渍土的裂纹特征与土壤的电导率和可溶性钠存在显著的正相关，而与土壤的有机质含量无显著相关性。

4 结论

利用激光三维成像技术非接触、无损伤地实现了土壤表面形态的探测，并计算出土壤开裂的裂纹面积及长度，以此为基础讨论了其裂纹特征与盐碱地电导率及可溶性钠的相关性。通过对6 种吉林西部盐渍土土样的测试研究表明，土壤裂纹面积、周长与电导率和可溶性钠均具有很好的相关性，呈现显著的正相关，且与土壤有机质含量无显著相关性。由此可知，吉林西部人工扰动盐渍土的裂纹特征可以反应土壤的电导率和可溶性钠含量。研究结果为实现盐碱地的改良利用提供了有效的技术手段。

［1］王遵亲，祝寿泉，俞仁培，等. 中国盐渍土［M］. 北京:科学出版社，1993.

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

［3］宋长春，何 岩，邓 伟. 松嫩平原盐渍土壤生态地球化学［M］. 北京:科学出版社，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，吴大伟. 土壤含盐量对土壤某些物理性质及棉花产量的影响［J］. 科技创新导报.2007 (36):79－81.

［7］唐朝生，施 斌，刘 春，等. 黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析［J］. 岩土工程学报，2007，29 (5):743－749.

［8］唐朝生，施 斌，刘 春，等. 影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析［J］. 水利学报，2007，38 (10):1186－1193.

［9］王永洁，罗金明，李广文，等. 基于ENVI 的苏打盐渍土表层裂隙特征及与水盐运移关系的研究［J］. 高师理科学刊.2009，29(2):92－97.

［10］罗金明，王永洁，邓伟，等. 基于小波分析的苏打盐渍土的水盐变化特征［J］. 土壤通报，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］李晓洁，张世轶，姜 涛. 地表粗糙度测试仪［P］. 发明专利，201010554026.2，2010.