杨晨　黄妍　张雪莹　魏陈玺　赵万里

摘 要：通过测定不同土壤厚度和不同培养皿直径下土壤裂缝宽度和裂缝密度（单位面积内裂缝的总长度），对黄河三角洲滨海盐碱土裂缝特征进行研究。結果表明：随着土壤厚度增加，土壤裂缝密度显著减小，裂缝宽度显著增大;相同土壤厚度下，不同的培养皿直径也会造成土壤裂缝密度和宽度的显著差异。本研究可为黄河三角洲滨海盐碱土的改良与利用提供参考依据。

关键词：黄河三角洲;盐碱土;土壤裂缝;土壤厚度;尺度效应

中图分类号：P56 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0140-03

Effects of Soil Thickness and Petri Dish Diameter on the Crack Characteristics of Coastal Saline-Alkali Soil in the Yellow River Delta

YANG Chen HUANG Yan ZHANG Xueying WEI Chenxi ZHAO Wanli

（Shandong Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta， Binzhou University， Binzhou Shandong 256603）

Abstract： The characteristics of the Yellow River Delta were studied by measuring soil crack width and crack density （total length of the cracks per unit area） with different soil thickness and petri dish diameter. The results showed that as the soil thickness increases， the soil crack density decreases significantly and the crack width increases significantly. At the same soil thickness， different dish diameters also cause significant differences in crack density and width of soil. This study provides a reference for the improvement and utilization of coastal saline soil in the Yellow River Delta.

Keywords： Yellow River Delta;saline-alkali soil;soil crack;soil thickness;scaling effect

土壤裂隙被认为受控于原始沉积环境和后期自然改造。在这两个过程中，土体受拉或断开，形成裂隙[1]。从微观结构上看，土壤裂隙产生于物质颗粒间连接的断开，而干裂主要是由干旱蒸发引起的[2-3]。目前，对土壤收缩开裂特征的研究主要集中在定性分析和裂缝形态学方面[4]。土壤表面的污染物通过裂缝渗入地下，导致土壤地下水的水质恶化，影响土壤的许多重要物理特性、化学特性和生物特性[5-6]。

土壤厚度是土壤的一个重要特性，能够直观反映土壤的发育程度。土壤厚度能够表征土壤的质量，是植物生长的重要物质基础。土壤厚度可以影响地表水文和植被的生长，并对土壤侵蚀、土壤肥力和生产力等具有决定性作用。在相同的环境条件下，土样的开裂宽度随着土样厚度的增加而增大，开裂的复杂性随着土样厚度的增加而减小[7-8]。

黄河三角洲地区地下水矿化度高，距离地表较近，盐分容易通过土壤的毛细孔道向上运移到土壤表层，从而造成盐分堆积的现象，最终导致土壤的盐渍化[9-10]。黄河三角洲现有盐渍土16.67万hm，占黄河三角洲总土地面积的34.73% [11-12]。而黄河三角洲是黄淮海平原土壤资源开发利用的重要后备基地。该地区的盐渍土是主要的未利用土地资源，而土壤开裂是导致该地区土壤开发率低的主要原因，极大地影响黄河三角洲的生态环境。因此，盐碱地的开发利用已成为科研人员的重要任务之一。

但是，目前关于黄河三角洲滨海盐碱土收缩开裂的定量研究尚未见报道。因此，本文以土壤厚度和尺度效应对土壤裂缝特征的影响为切入点，通过测定不同土壤厚度和不同培养皿直径下的土壤裂缝宽度和裂缝密度（单位面积内裂缝的总长度），对黄河三角洲滨海盐碱土裂缝特征进行研究。

1 材料与方法

1.1 研究地点

研究地点位于黄河三角洲中心城市——山东省东营市河口区孤岛镇刺槐林场（118°33′—119°20′E，37°35′—38°12′N）。该区域受温带半湿润大陆性季风气候的影响，年平均气温为11.7～12.6 ℃，年均降水量为530～630 mm，平均蒸散量为750～2 400 mm。该地区含盐量约为0.1%。对0～5 cm的表层土进行取样。取样前应当尽量去除土壤中的作物根系、石头、杂草等，然后将土壤放在自封袋中，标注采样地点、日期后带回实验室备用。

1.2 实验处理

在实验室用0.5 mm的土壤筛对土壤样本进行细筛，除去较大的土壤颗粒和植物根系。依据质量来进行土壤厚度的划分，分别称取40 g、80 g、120 g、160 g、200 g的土样，分别放入直径12 cm的培养皿中，每个质量做5个重复样本。然后，在含有不同土量的培养皿中加入适当的水至饱和状态，进行对厚度的测量，最后形成0.50～0.60 cm、0.70～0.80 cm、1.10～1.20 cm、1.40～1.50 cm、1.80～1.90 cm

5个厚度梯度。在室温状态下，让其自然失水干燥，如图1（a）所示。针对不同直径培养皿是否对土壤裂缝情况造成影响的问题，選择6 cm、9 cm、12 cm、15 cm和18 cm直径的培养皿，将土壤厚度控制在1 cm左右进行研究。不同培养皿直径下的土壤裂缝情况如图1（b）所示。

土壤开裂完全结束后，利用4 800万像素的华为nova 5 Pro手机相机拍照。用Image J软件测量图中裂缝的宽度和总长度，裂缝密度为裂缝总长度除以所占面积。

2 结果与分析

分析裂缝宽度的变化可知，随着土壤厚度的增加，除了厚度为1.40～1.50 cm与1.80～1.90 cm的土样间裂缝宽度差异不显著之外，其余土样厚度间具有显著性差异，如图2（a）所示。当土样厚度为0.50～0.60 cm时，土壤裂缝宽度最小、裂缝密度最大，分别见图2（a）、图2（b）。根据土壤裂缝密度的变化，发现厚度为0.50～0.60 cm与0.70～0.80 cm的土样间的裂缝密度具有显著性差异。通过分析得出，当土壤厚度增加0.2 cm时，裂缝密度降低了49%。同样，除了厚度为1.40～1.50 cm与1.80～1.90 cm的土样间裂缝密度差异性并不显著外，其他不同尺度培养皿中土壤裂缝密度和宽度存在显著差异。随着培养皿直径增大，裂缝密度呈降低趋势，而裂缝宽度则无明显趋势性变化，见图2（b）和图2（d）。

3 结论

通过对黄河三角洲盐碱土的调查，揭示了不同厚度和培养皿尺度下盐碱土裂缝各指标值的变化趋势和范围。虽然土壤的性质相同，但是不同厚度下土壤的裂缝情况具有显著性差异。在相同的环境条件下，土样厚度为0.50～0.60 cm时，裂缝的宽度最小，土壤裂缝密度最大;当土样厚度为1.40～1.50 cm、1.80～1.90 cm时，土壤裂缝密度较小，且差异不显著。因此，在直径为12 cm的培养皿中，使用1.80 cm以上的土样厚度进行土壤开裂研究，可以减少厚度对研究结果的影响。

厚度对土壤裂缝的影响机理仍然需要通过进一步的试验进行分析。当前，对土壤开裂的产生机理及相关的过程机理还处于探究阶段，土体干缩开裂方面的研究越来越受到重视，并且土壤裂缝的测量方法、表征指标、影响因素等方面均取得了大量研究成果[13-16]。之后还需要及时了解和跟踪国际上关于土壤裂缝研究的最新进展，进一步研究其他因素对土壤收缩开裂的影响。

事实上，少量裂隙的存在有利于空气、水进入土壤，有利于土壤环境的改善，更有利于植物生长。但随着裂隙的进一步发育，土壤的持水保肥能力会遭到很大的破坏。因此，确定裂隙发育的有利范围，采取措施将其发育程度控制在有利范围内，是土壤裂隙研究应用的重要意义。

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