崩壁不同土层水分运动特征的染色示踪

赵晓晓, 黄炎和, 林金石, 葛宏力, 蒋芳市, 李 慧, 王 娇, 罗 松, 王翊肖

(福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002)

崩壁不同土层水分运动特征的染色示踪

赵晓晓, 黄炎和, 林金石, 葛宏力, 蒋芳市, 李 慧, 王 娇, 罗 松, 王翊肖

(福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002)

以南方花岗岩崩岗崩壁不同土层土壤为研究对象，运用染色示踪和PhotoshopCS5图像提取技术，记录水平方向上土壤剖面的染色面积和最大染色深度，以分析崩岗崩壁不同土层的水分运动分布特征.结果表明：红土层持水性能高于砂土层和碎屑层，但水分的侧向运移速率低于其他2个土层；在水平方向上10～30 cm内各土层土壤含水量均随深度的增加呈现逐渐减小的趋势；经过24 h染色入渗试验后，砂土层水平方向上0～9 cm和碎屑层0～13 cm内的染色面积均超过80%；红土层优先流现象明显，剖面染色比例小，亮蓝染色剖面呈条带状分布，其染色面积随深度的增加而缓慢下降；砂土层和碎屑层平均染色比例较大，亮蓝染色剖面呈块状均匀分布，并随深度的增加表现出先缓慢下降后迅速下降的趋势.

崩岗; 土壤含水量; 染色示踪法; 优先流; 土壤孔隙

崩岗是指红土丘陵区，岩体或土体在重力和水力的综合作用下，向临空方向突然崩落的现象[1].作为崩岗的常见地貌之一，崩壁是崩岗侵蚀的重要组成部分.降水为崩岗的主要动力，降雨过程中侧向渗进垂直崩壁内的部分雨水，导致外层土体在水力和重力共同作用下不断崩塌剥落，促使崩岗侵蚀的进一步发展[2].因此研究崩壁土体的水分的运移特征，对于了解崩壁垂直土体吸水崩塌的内在规律，及崩岗侵蚀的成因具有重要意义.

优先流是土壤孔隙中快速运动的水分的统称[3].土壤优先流孔隙仅占土壤孔隙0.32%左右，却承担90%的水分流通量[4].在优先流发生较多的雨季，土壤大孔隙的优先流占总入渗补给量的60%以上，在郭会荣等的模拟试验占中80%[5].染色示踪法是研究土壤优先流的主要方法[6-12].

在南方崩岗发生区，安溪县为福建省崩岗数量最多的地区.20世纪初该县莲美村只有5个数米规模的小崩岗，到1965年已发育成宽70 m、深25 m的大崩岗，且岗头以2.8 m·a-1的平均速度前进，目前崩岗面积已占坡地总面积的50%以上[1].崩壁在不同土层岩土特性差异明显，土壤水分的入渗与运移有较大差异，分析崩壁土体水分运移和优先流特征有助于摸清崩岗侵蚀发生的机理.本试验以南方花岗岩典型崩岗为研究对象，以染色示踪法为基础，通过图像处理技术提取染色剖面图像，分析比较典型崩岗土体水平方向上的水分运动特征，旨为崩岗土壤的水分运移规律提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于福建省安溪县龙门镇洋坑村(E118°03′，N24°57′)，属丘陵地带，地形为河谷盆地，属南亚热带气候.年平均温度18 ℃，年活动积温5 633～7 238 ℃，年平均降水量为1 800 mm.该区土体发育于晚侏罗世、早白垩世燕山晚期的侵入体之上，属花岗岩类，岩石结构为中-粗粒，矿物成分以长石为主，其次为石英、云母[13].根据土壤的颗粒大小、颜色、植被根系等特征，崩岗崩壁剖面从上到下分为3个层次，分别红土层、砂土层和碎屑层，符合南方花岗岩崩岗的典型特征.

1.2 试验方法

1.2.1 侧向入渗染色试验 野外试验于2015年7—8月进行.选取崩壁土层10.5 m内的9个样点，选取红土层、砂土层、碎屑层各3个试验点，去除选定区域土壤表面结皮.分别进行6、12、24 h 3个时长的入渗染色试验.为减少降雨、蒸发等因素的影响，试验期间用隔水隔热材料覆盖崩壁表层.采用水平侧向入渗的方法，利用蠕动泵制成的恒定供水装置保持崩壁垂直面土壤水分饱和，以5.3 mL·h-1·cm-2的速率将4 g·L-1亮蓝染色剂溶液匀速入渗到崩壁剖面.供水结束后切割土壤剖面，为便于切割垂直剖面及图像采集处理，制定25 cm×30 cm框架，切割时沿水平方向(Z轴方向)，并保持XOY剖面，挖取的剖面Z值分别为0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm…….用三脚架固定好数码相机，沿Z轴的方向每隔1 cm拍照记录1次，直至亮蓝染料消失停止拍摄，染色剖面示意图如图1所示.试验采用NIKON 1 J3相机拍照，并在每个试验样点边缘布置刻度框以保证每个剖面规格一致.

图1 染色剖面切割与TDR探头埋设示意图

1.2.2 土壤体积含水量的测定 染色入渗试验的同时通过TDR法测定土层水平方向的体积含水率.在选定的3个土层试验点旁边，各挖掘一个宽度、高度和深度约为40 cm的洞，将TDR探头布设在距离崩壁垂直面5、10、15、20、25、30 cm的土壤内.为减少探头对水分的影响，探头垂直间隔为5 cm，TDR探头纵剖面埋设剖面见图1.

1.2.3 土壤理化性质的测定 染色试验前在相应试验点采集土样，分析土壤的理化性质.在挖掘剖面的同时，用标准环刀和塑封袋分别采集红土层、砂土层和碎屑层的土壤样品，测定土壤容重、孔隙度、质地、初始含水率等基本理化性质.土壤容重和孔隙度采用DIK-1150土壤三相仪测定；土壤质地采用颗粒分析法：>0.25 mm粒径的土壤采用筛分法；<0.25 mm粒径的土壤采用BT-9300ST土壤激光粒度分布仪；土壤初始含水量采用传统的烘干法.试验位置选取崩壁红土层、砂土层、碎屑层各1个样点.各土层理化性质详见表1.

表1 各土层土壤理化性质

1.2.4 室内染色剖面图像处理 利用Photoshop CS5将采集的剖面图像，依据图片上的刻度框截取25 cm×30 cm的范围，对应像素为1 120×1 344的图像，矫正照片以保证截取范围和染色面积一致，并减小因拍摄所造成的角度、距离、受光不均所造成的误差.把相机拍摄记录的染色剖面图片转化成黑白二元化的图片格式[14-15].然后通过PhotoshopCS5计算出黑色部分的像素数占整个图片像素数的百分比即染色面积百分比.

2 结果和分析

2.1 崩壁不同土层染色特征

染色面积是指剖面染色图像中，被亮蓝溶液染色了的像素个数占整个开挖剖面图像像素的比值，染色深度是指水平方向上被染色的土层厚度.图2为3个土层3种不同入渗水量试验的染色面积随入渗深度的变化趋势.由图中看出，红土层和碎屑层的3个入渗水量试验间差异不明显，染色面积比例较小.对比砂土层发现，不同入渗水量试验间差异明显，其24 h试验的剖面染色面积明显高于其他2个入渗水量，最大染色深度为23 cm.说明砂土层的24 h染色试验的染色溶液优先路径多，优先流现象最为明显.

图2 不同入渗深度及图层的染色面积

2.2 崩壁不同土层水分变化特征

从图3可得，随入渗时间的增加，各土层的含水量随深度的增加而减小(5 cm深度处除外).这是由于夏季太阳辐射强，土壤温度高，表层土壤水分在试验过程中蒸发损失，崩壁剖面受外界环境的影响较大，因此10 cm深度处含水量略高于表层5 cm，且土壤水分由该层向水势低的深层运动.红土层和碎屑层在20～30 cm深度处、砂土层25～30 cm的土壤含水量均没有明显变化.由此可推断，红土层和碎屑层在水平方向上15～20 cm处和砂土层20～25 cm存在弱透水层.南方雨水较为充沛，弱透水层的存在使水分难以垂直入渗到更深层土体，崩壁表面易形成径流；加上表层土壤受雨水的不断冲刷，崩壁土壤处于水分饱和状态，易发生崩塌剥落；如果降雨持续，超过土体自身塑限，崩塌后形成的临空面可能发生二次崩塌.

图3 各土层不同深度土壤含水量变化

试验10～24 h内0～30 cm深度处土壤含水量和稳定含水率(±1%)见表2.从表2可以看出，红土层不同深度的初始含水量和稳定含水量均明显高于砂土层和碎屑层，说明红土层的持水性能高于砂土层和碎屑层.红土层、砂土层和碎屑层由初始含水量达到稳定含水量的变化幅度分别为2.44%、7.91%和4.06%，红土层上升幅度却明显低于其他2个土层，说明水分在红土层内侧向运移速率低.

2.3 崩壁不同土层优先流特征

各土层不同深度24 h入渗试验剖面染色面积比例如表3所示.红土层的平均染色面积最小，仅为20.5%，砂土层和碎屑层的平均染色面积分别为71.3%、69.6%.这是由于崩岗不同土层的理化特性有较大差异，红土层、砂土层和碎屑层的初始含水量的平均值分别为23.43%、7.81%和12.92%，砂土层的初始含水量低于红土层和碎屑层(表3).从染色面积的比例来看，其平均染色面积正好与土壤含水量呈反比，说明土壤初始含水量较低的样地存在较多的优先流路径，使亮蓝染料能够充分渗透到土壤剖面内.张欣等[7]在对西南山区农地土壤前期含水量对优先流的影响得出结论：前期含水量较低的土壤优先流现象更明显，与本文的研究结果相同.

各土层24 h染色剖面图像如图4所示.可以看出不同土层的染色面积和最大染色深度差异明显.红土层1 cm深度处染色比例为71.1%，最大入渗深度为15 cm，染色面积比例随入渗深度增加不断减小.纵观整个染色剖面，亮蓝溶液沿2个特定狭窄区域发生实质移动的现象明显，剖面内裂隙垂直，呈线状分布.与砂土层和碎屑层相比，红土层的染色比例较小，亮蓝溶液入渗深度较浅.植被根系和土壤动物活动是该土层优先流特征形成的主要原因.一方面，试验区红土层的植被根系和土壤动物活动相对频繁，染色部位主要集中在动植物活动形成的裂隙内，因此优先流路径明显.另一方面，受亚热带季风气候的影响，红土层发育程度、粘粒含量、土壤含水量都比较高.如图3所示，15 cm深度后的土壤体积含水量几乎没有波动，说明亮蓝溶液并没有渗入到更深层的土层.

表3 各土层不同深度24 h剖面(25 cm×30 cm)染色面积比例

图4 各土层24 h染色剖面图像

砂土层1 cm深度处染色比例为98.9%，染色比例较大，剖面内染色分布均匀且呈块状分布，亮蓝溶液入渗较深.砂土层的低含水量是该土层染色特征的主要原因(表2)，亮蓝溶液由表层高水势向深层低水势的方向运移，因此砂土层剖面亮蓝溶液染色比例高.砂土层最大入渗深度23 cm，13 cm深度内染色面积超过80%，13 cm深度后染色面积降幅明显.说明砂土层0～13 cm深度间水分运动变化明显，随深度的增加土壤孔隙数量减少，因此水分无法到达13 cm深度之后.图3也显示砂土层25和30 cm深度处土壤含水量没有较大波动，亮蓝溶液并未向更深层土壤运移.

碎屑层的水分运动特征与砂土层较为相似，1 cm深度处染色面积为99.9%，剖面染色呈块状均匀分布.碎屑层大量母质裂隙的存在是该层染色特征的主要原因.试验期间经观察发现，该层土壤保持花岗岩原生构造，土壤中的长石、云母为半风化状态，土壤颗粒较粗，因此亮蓝溶液入渗量较多.碎屑层最大入渗深度为15 cm，在9 cm深度内的染色面积均高于80%，亮蓝溶液在9 cm以后迅速减小最后消失.说明碎屑层在0～9 cm之间水分运动变化明显，9 cm后土壤孔隙数量减少，亮蓝溶液无法进入到深层土体中.图3显示碎屑层不同深度土壤含水量变化，15 cm深度以后的土壤体积含水量几乎没有变化，可见亮蓝溶液并没有深入到更深层的土层内.

碎屑层的水分运动特征与砂土层较为相似，染色比例较大，1 cm深度处染色面积为99.9%，最大入渗深度为15 cm，剖面内染色呈块状均匀分布.碎屑层土壤中的大量母质裂隙很有可能是该层染色特征形成的主要原因[16].该层土壤保持花岗岩原生构造，土壤中的长石、云母为半风化状态，土壤颗粒较粗，因此亮蓝溶液入渗量较多.在0～9 cm深度内的染色面积均高于80%，亮蓝溶液在9 cm以后迅速减少至最后消失.这说明水分在0～9 cm深度内的运动明显，9 cm之后土壤孔隙数量骤减，亮蓝溶液无法进入到深层土体中.图3同时可得15 cm深度以后碎屑层的土壤含水量几乎没有变化.

对比砂土层和碎屑层2个土层可知，其染色面积随入渗深度的增加而减小，表现出先缓慢下降后迅速下降的变化特征，即浅层剖面的染色面积明显高于深层剖面的染色比例.由图4可得，该2个土层所有染色剖面的上半部分的面积明显小于下半部分，这是由于土壤水分不仅从高水势的浅层向低水势的深层方向输送，同时也受重力作用向下运动，亮蓝溶液在染色剖面内呈现出抛物面的形态特点，导致染色剖面内呈现出上少下多的规律.

综合试验区3个土层的染色特征分析，土壤孔隙也是该崩壁不同土层染色特征形成的重要因素.各土层孔隙度由表1看出，红土层孔隙度为44.52%，碎屑层为42.13%，砂土层孔隙度最大为46.21%，土壤中存在的裂隙使亮蓝溶液能够入渗到更深层土壤中.魏多落等[16]在安溪崩岗区剖面特征研究中，发现红土层土壤粘粒含量高，非毛管孔隙度和土壤分散率低，遇水不易分散悬浮；砂土层土壤粘粒含量小，颗粒缺乏胶结物遇水易分散，土壤水分易进入土体；碎屑层粘粒含量低，非毛管孔隙度高，水分运移速率相对较快，因此砂土层和碎屑层的平均染色面积明显高于红土层.

3 结论

(1)崩壁土壤含水量试验结果表明，红土层持水性能高于砂土层和碎屑层，但水分的侧向运移速率低于其他2个土层；在水平方向上10～30 cm内各土层土壤含水量均随深度的增加呈现逐渐减小的趋势；红土层和碎屑层在水平方向上15～20 cm、砂土层在水平方向上20～25 cm内存在弱透水层，导致在降雨后水分难以垂直入渗到深层土体内，使崩壁表面易形成径流，表层土壤被不断冲刷，崩壁土壤在降雨量大的情况下易处于水分饱和状态，垂直崩壁外层土体不断地发生崩塌，造成崩岗侵蚀的进一步发展.

(2)植物根系、土壤前期含水量和孔隙是崩岗崩壁不同土层染色特征形成的共同影响因素.崩壁24 h土壤水分运移特征的染色示踪试验表明：不同土层土壤水分运移特征具有明显的差异性；红土层的平均染色面积比例较小，亮蓝染色剖面分布呈条带状分布，其染色面积随深度的增加缓慢下降；砂土层和碎屑层平均染色比例较大，水平方向上的砂土层0～9 cm和碎屑层0～13 cm深度范围内的染色面积在80%以上，亮蓝染色剖面呈块状均匀分布，并随深度的增加表现出先缓慢下降后迅速下降的变化趋势.

鉴于野外染色试验的可行性，本试验仅研究了夏季高温多雨条件下崩岗崩壁土壤水平方向上的染色特征，还需进一步进行垂直方向上、不同温度、不同前期含水量条件下的水流运动特征的染色示踪研究.

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(责任编辑:苏靖涵)

Characterization of moisture migration of different soil layers in collapse hill by dye tracing method

ZHAO Xiaoxiao, HUANG Yanhe, LIN Jinshi, GE Hongli, JIANG Fangshi, LI Hui, WANG Jiao, LUO Song, WANG Yixiao

(College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To investigate moisture migration characteristics of soil layers in collapsing hill, dye tracer method and image extraction technology were applied to granite-based collapsing hill in Anxi, and dyed area and maximum horizontal filtration depth were recorded. The results showed that water holding capacity of red soil layer was higher than those of sand soil layer and detritus soil layer, while lateral migration rate of red soil was lower than the other two layers. Soil moisture content decreased when soil depth increased from 10 cm to 30 cm. Twenty-four h after dyeing, ratios of dyed area from sandy soil layer within the depth of 9 cm and detritus soil layer within the depth of 13 cm were over 80%. Preferential flow was obvious in red soil layer. Dyeing area ratio of red soil layer was averagely low and dropped along with soil depth, presenting a strip-like profile. Average dyeing area ratios for sand soil layer and detritus soil layer were high with block distribution. Dyed ratio decreased slowly before sharp drop when soil depth increased.

collapse wall; soil water content; dye tracing method; preferential flow; soil pore

2016-04-19

2016-06-04

国家自然科学基金资助项目(41001169,41571272);国家科技支撑项目(2014BAD15B0303).

赵晓晓(1990-),女,硕士研究生.研究方向:土壤侵蚀.Email:chunxiao_110@126.com.通讯作者黄炎和(1962-),男,教授,博士.研究方向:土壤侵蚀与治理.Email:yanhehuang@163.com.

S157.1

A

1671-5470(2017)02-0199-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.02.013