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温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究

黄奕铭 张越 杨茂进 郑勤敏 林金石 蒋芳市 葛宏力 黄炎和

黄奕铭, 张 越, 杨茂进, 郑勤敏, 林金石, 蒋芳市, 葛宏力, 黄炎和. 温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究[J]. 土壤通报, 2022, 53(4): 805 − 814 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021121901
引用本文: 黄奕铭, 张 越, 杨茂进, 郑勤敏, 林金石, 蒋芳市, 葛宏力, 黄炎和. 温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究[J]. 土壤通报, 2022, 53(4): 805 − 814 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021121901
HUANG Yi-ming, ZHANG Yue, YANG Mao-jin, ZHENG Qin-min, LIN Jin-shi, JIANG Fang-shi, GE Hong-li, HUANG Yan-he. Quantitative Study on the Effect of Temperature on the Formation of Soil Desiccation Cracks in Red Soil Layer in Benggang Areas[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(4): 805 − 814 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021121901
Citation: HUANG Yi-ming, ZHANG Yue, YANG Mao-jin, ZHENG Qin-min, LIN Jin-shi, JIANG Fang-shi, GE Hong-li, HUANG Yan-he. Quantitative Study on the Effect of Temperature on the Formation of Soil Desiccation Cracks in Red Soil Layer in Benggang Areas[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(4): 805 − 814 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021121901

温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021121901
基金项目: 国家自然科学基金(41907043)、福建省科技创新项目资金(KY-090000-04-2021-001)和福建农林大学科技创新专项基金(CXZX2020075A)资助
详细信息
    作者简介:

    黄奕铭(1997−),女,福建龙岩人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀研究。E-mail:huangyiming2020@126.com

    通讯作者:

    E-mail: yanhehuang@fafu.edu.cn

  • 中图分类号: S15

Quantitative Study on the Effect of Temperature on the Formation of Soil Desiccation Cracks in Red Soil Layer in Benggang Areas

  • 摘要:   目的  探究干燥温度对土壤水分的蒸发速率及其崩壁土壤干缩裂隙的发育过程的影响,为准确认识崩壁土壤裂隙的形态及其对揭示崩岗的发展过程提供理论依据。  方法  研究选取典型崩岗区崩壁的红土层土壤,模拟干缩裂隙发育过程,通过图像处理技术,定量分析裂隙表面参数,探讨温度对崩壁红土层土壤裂隙发育的影响。  结果  温度降低,土壤水分蒸发速率下降,裂隙面积和裂隙总长度增大,裂隙率提高,同时块区面积降低,块区个数以及裂隙条数、节点数显著增加,整个土体呈现出越发破碎的状态。由于裂隙条数的显著增加,低温状态下(40 ℃)裂隙的平均长度小于高温条件(80 ℃)的试样,即低温条件较高温条件土壤裂隙发育数量更多,平均长度更小;土壤裂隙的平均宽度随温度升高呈现增大的趋势;分形维数随着温度的降低呈现增大的趋势。黏粒含量显著影响土壤干缩裂隙发育的温度效应。  结论  在较低温度条件下,崩壁红土层表层土壤水分蒸发时间长,裂隙发育过程更缓慢,但发育程度高,裂隙结构更复杂。
  • 图  1  制样过程 (a) 饱和泥浆的配制;(b) 1 cm厚度饱和泥浆;(c) 干燥后试样

    Figure  1.  Sample preparation process (a) Preparation of saturated mud; (b) 1 cm saturated mud; (c) Soil samples after drying

    图  2  图像处理过程 (a) 裁切后的原始图像;(b) 二值化图像;(c) 骨架化图像

    Figure  2.  The process of image processing (a) Original image after cropping; (b) Binary image; (c) Skeletonized image

    图  3  不同温度下试样干燥时间与质量含水率的关系

    Figure  3.  Relation between drying time and soil moisture content of samples at different temperatures

    图  4  裂隙发育过程的形态变化(60 ℃)

    Figure  4.  Morphological changes during crack development under 60 ℃

    图  5  裂隙率随失水时间变化曲线

    Figure  5.  Curve of crack rate changed with water loss time

    图  6  不同温度下的裂隙形态. (a) 40 ℃;(b) 60 ℃;(c) 80 ℃

    Figure  6.  Crack morphology at different temperatures. (a) 40 ℃; (b) 60 ℃; (c) 80 ℃

    图  7  温度对裂隙条数和节点数的影响. (a) 裂隙条数;(b) 裂隙节点数

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  7.  Influence of temperature on the number of cracks and nodes. (a) Number of cracks; (b) Number of crack nodes

    图  8  温度对裂隙总长度和裂隙平均长度的影响. (a) 裂隙总长度;(b) 裂隙平均长度

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  8.  Influence of temperature on total length and average length of cracks. (a) Total length of cracks; (b) Average length of cracks

    图  9  温度对裂隙面积和裂隙平均宽度的影响. (a) 裂隙面积;(b) 裂隙平均宽度

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  9.  Influence of temperature on crack area and mean crack width. (a) Crack area; (b) Mean crack width

    图  10  温度对块区面积和块区个数的影响. (a) 块区面积;(b) 块区个数

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  10.  Influence of temperature on block area and block number. (a) Block area; (b) Block number

    图  11  温度对裂隙率的影响

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  11.  Influence of temperature on crack rate

    图  12  温度对裂隙分形维数的影响

    柱形图上面不同字母表示差异达5%显著水平

    Figure  12.  Influence of temperature on fractal dimension of crack

    表  1  崩岗红土层土壤主要黏土矿物组成

    Table  1.   Main clay mineral composition of soil in the red soil layer of Benggang

    土层
    Soil layer
    高岭石(%)
    Kaolinite
    针铁矿(%)
    Goethite
    伊利石(%)
    Illite
    三水铝石(%)
    Gibbsite
    红土层77.311.16.425.25
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    表  2  崩岗红土层土壤基本理化性质

    Table  2.   Basic physico-chemical properties of soil in the red soil layer of Benggang

    土层
    Soil layer
    有机质
    Organic matter
    (g kg−1)
    塑限
    Plastic limit
    (%)
    液限
    Liquid limit
    (%)
    容重
    Bulk density
    (g cm−3)
    机械组成(%)
    Mechanical composition
    质地
    texture
    砂粒 Sand
    (0.05 ~ 1 mm)
    粉粒 Silt
    (0.002 ~ 0.05 mm)
    黏粒 Clay
    (< 0.002 mm)
    红土层7.7937.965.91.4517.4649.3933.15粉黏壤
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    表  3  分形维数与裂隙参数的相关性分析

    Table  3.   Correlation analysis between fractal dimension and cracks parameters

    参数
    Parameter
    裂隙面积
    Crack
    area
    裂隙率
    Crack
    rate
    块区个数
    Number of
    blocks
    块区面积
    Blocks
    area
    裂隙节点数
    Number of
    crack nodes
    裂隙条数
    Number of
    cracks
    裂隙长度
    Crack
    length
    平均长度
    Mean crack
    length
    平均宽度
    Mean crack
    width
    分形维数0.974*0.974**0.487−0.974**0.767*0.795*0.838*−0.699*0.351
    注:*表示差异达5%显著水平,**表示差异达1%极显著水平。
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-09
  • 录用日期:  2022-03-21
  • 修回日期:  2022-01-25
  • 刊出日期:  2022-06-17

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