土壤裂隙及其优先流研究进展_张中彬
第52卷 第3期V ol. 52，No. 3May ，2015
2015年5月
土 壤 学 报
ACTA PEDOLOGICA SINICA
DOI：10.11766/trxb201409030446
土壤裂隙及其优先流研究进展
*
张中彬 彭新华?
（土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）
摘 要 土壤在干燥脱水的过程中易收缩产生裂隙。裂隙的产生是土壤性质与外界条件等多种因素综合作用的结果，其形态结构也非常复杂，难以准确描述。裂隙能够作为优先流的路径，增加农田水分和养分的流失以及地下水污染的风险。本文总结和归纳了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙导致的优先流的研究方法、裂隙对优先流的影响和模拟等方面的研究进展。今后应进一步加强裂隙产生机理的全面深入的研究；构建和完善裂隙三维指标体系及其测定方法；推进裂隙导致的优先流的定量化和数学模拟研究；加大田间原位裂隙及其优先流的研究。
关键词 土壤裂隙；土壤收缩；土壤水；优先流中图分类号 S152.4 文献标识码 A
随着全球气候的变化，区域性的干旱时常发生，给农业生产带来严重危害。伴随着干旱的发生，土壤中水分不断减少，土壤颗粒会发生新的分离与结合，在土体的薄弱处会产生裂隙。裂隙的产生与土壤自身的性质（有机质和黏土矿物含量等）和气候等外在条件密切相关。裂隙产生会导致一些不良的后果，比如裂隙会增加土体的表面积，促使土壤水分通过裂隙的内表面迅速蒸发，加剧干旱的危害。其次裂隙可能影响植物根系的分布和吸水过程，甚至造成根系生理损伤［1］。再者裂隙在后来的灌溉或降雨过程中可作为优先流的路径，加速水分入渗，降低水肥的利用效率，增加地下水污染的风险［2］。裂隙可加剧土壤侵蚀过程，导致土柱和土林等强侵蚀景观形成［3］。因此研究裂隙及其优先流对节约农业用水、提高水分和肥料利用效率、减轻地下水污染、保护水土资源等均具有重要的指导意义。本文主要介绍了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙与优先流等方面的最新研究进展，并展望了未来裂隙及其优先流的研究重点。
1 裂隙产生的影响因素
裂隙的产生和闭合伴随着土壤的收缩和膨胀，是土壤含水量、土壤黏土矿物、土壤有机质等土壤物理、化学和生物的内在性质在外界环境条件下（如干湿交替、作物生长和耕作等）综合作用的结果，是一个复杂的动态过程。各种因素对裂隙的影响也不尽相同，各因素也存在不同程度的交互作用，因此要深入了解土壤裂隙产生的机制，必须弄清楚各个驱动因子对裂隙产生的影响。1.1 土壤黏粒
土壤黏粒具有明显的塑性、胀缩性、吸湿性和黏结性，是影响土壤收缩特征的一个重要因素［4］。Simon等［5］研究发现42%的条形线性伸展系数的变化和71%的标准线性伸展系数的变化均与黏粒含量有关。有研究进一步表明土壤的收缩能力与土壤黏粒含量呈显著正相关［6］。但是Yule和Ritchie ［7］认为土壤收缩与黏粒含量没有相关关系。这不一致的结果主要是土壤收缩不仅与黏粒含量存在一定的关系，且更与黏土矿物性质密切相关。
*国家自然科学基金项目（41171180，41401245）资助
?通讯作者： 彭新华（1972—），男，湖南茶陵人，博士，研究员，从事土壤物理和水文过程研究。E-mail：xhpeng@issas.
https://www.wendangku.net/doc/ef16789597.html,
作者简介：张中彬（1985—），男，河南新蔡人，博士，助理研究员，从事土壤结构与功能研究 收稿日期：2014-09-03；收到修改稿日期：2015-01-15
478土 壤 学 报52卷
1.2 土壤黏土矿物类型
土壤中的黏土矿物一般分为膨胀性黏土矿物和非膨胀性黏土矿物，前者主要包括蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等2∶1型膨胀性矿物，后者主要包括高岭石、埃洛石等1∶1型矿物和伊利石等2∶1型非膨胀性矿物。当土壤中的膨胀性黏土矿物占主导时，土壤的收缩能力就比较大。据Greene-Kelly［8］报道土壤的收缩能力与土壤中膨胀性黏土矿物的含量显著相关。Gray和Allbrook［8］研究了新西兰的不同类型土壤的收缩，发现水铝英石含量高的土壤收缩能力最强，其次是以蒙脱石和埃洛石为主的土壤，而以高岭/蛭石和绿泥石/伊利石为主的土壤收缩能力最弱。
1.3 土壤有机碳
一般情况下有机碳含量高的土壤，结构较为疏松，孔隙较多，因而其收缩能力较强［9-10］。泥炭土的有机质含量很高，可达400 g kg-1以上，孔隙度达70%以上，因而具有很强的收缩能力［10］。Peng和Horn［11］总结大量文献的96个土样的数据，发现土壤的收缩能力与有机碳含量呈极显著的正相关关系（p<0.001）。但是关于有机碳对土壤收缩的作用的研究结果并不一致。De Jong等［12］研究发现土壤收缩与有机碳含量不存在相关关系。有机碳含量高的土壤，结构较为稳定，土壤持水能力较强，在田间情况下可能不易失水产生裂隙。
1.4 土壤容重
一般容重小的土壤较为疏松，其收缩能力较大，容易产生裂隙［6］。Zhang等［13］发现稻田土壤的收缩能力随着容重的增加而逐渐降低。具有强膨胀性黏土矿物的黏粒能产生疏松结构的土壤，而土壤的收缩能力与膨胀性黏土矿物含量正相关，这就部分解释了容重与收缩能力负相关的原因［14］。但是Bandyopadhyay等［15］的研究却发现0～15 cm 土层裂隙的宽度和体积与土壤容重显著正相关，土壤含水量和容重解释了79%的裂隙体积的变化。Flowers和Lal［16］发现随着压实强度的增加，土壤容重随之增加，导致田间裂隙的面积增加；室内土柱实验却表明随着容重的增加，土柱收缩体积逐渐减小。
通常情况下上述土壤性质对土壤裂隙和收缩的影响是综合作用的。Reeve等［17］报道容重、黏粒含量、有机碳含量、阳离子交换量等均是影响土壤收缩最重要的因素，对上述因素的多元回归分析表明它们解释了87%和82%的表层和下层土的总的收缩的变化。熊东红等［18］研究表明土壤裂缝发育程度与土壤黏粒含量、土壤胀缩度、土壤容重呈正相关，与土壤有机质含量、土壤总孔隙度呈较弱的负相关。田间裂隙的产生除了受土壤自身性质的影响外，还受耕作方式、作物生长、田间管理等外界因素的影响。
1.5 土壤干湿交替
土壤由于降雨或灌溉等经常处于干湿交替的水分条件下，而干湿交替的次数、强度等因素均会影响土壤的收缩和裂隙产生。据Peng等［9］报道，干湿交替的强度显著影响了土壤的收缩，当土壤干燥的强度超过某一阈值时，即使土样重新饱和，仍然无法膨胀恢复至最初的体积；而干湿交替的次数和顺序对收缩的影响并不显著。Tang等［19］发现随着干湿交替次数的增加，裂隙的面积密度呈下降趋势，不规则的裂隙在增加。张家俊等［20］研究发现在室内干湿循环的作用下裂隙总面积与总长度增加，达到一定程度后便会因为土块尺寸过小而停止。Zhang等［13］发现在水稻生长季中随着干湿交替的进行，土壤的收缩能力呈下降趋势，而裂隙的数量呈增长趋势。
1.6 土壤耕作方式
不同利用方式下，土壤的耕作方式不一致，土壤裂隙的特征也不一致，比如旱地和水田。即使同一种利用方式下，耕作方式的差异也会导致裂隙的差异。张佳宝和赵诚斋［21］指出稻田泥浆化导致水稻土结构变差，收缩能力增强，结构性收缩消失，线性收缩增加。稻田泥浆化减小了土壤中大土块的数量、土壤容重和穿透阻力，使土壤更加均质化，导致了裂隙数量的增加和复杂程度的下降［22-23］。Bandyopadhyay等［15］证实在大豆-亚麻的利用方式下，与传统耕作相比，间隔深松减小了裂隙的宽度、深度、长度等指标；在大豆-小麦的利用方式下，免耕与传统耕作相比，显著增加了裂隙的宽度、深度和体积，减小了裂隙的长度和表面积。
1.7 植物生长
植物根系能固定土壤，增加土壤的抗张强度，从而减小裂隙产生的可能性，因此农田裂隙多产生于作物的行间［22，24］。Yoshida和Adachi［22］发现随着作物间距增加，裂隙的宽度也随之增加；在作物正常的吸水条件下，表层裂隙倾向于呈线状并与植株行平行，若作物不吸水裂隙则呈现各向同性。
479
张中彬等：土壤裂隙及其优先流研究进展
3期Mitchell和van Genuchten ［24］认为裂隙通常形成于土壤起始含水量最高区域内的阻力最小点。由于行间根系较少，对行间土壤的固定较弱，行间水分被作物利用较少，这导致行间更容易产生裂隙。作物地上部分也会对裂隙产生影响，有研究表明天然植被覆盖下土壤开裂程度低于人工行式种植的同一种植被下的土壤［24］。不同作物下土壤的裂隙特征也不一致［25］。由此可见，在有植被覆盖的情况下，裂隙形态不仅是土壤性质的函数，还是植株布局的函数。1.8 其他因素
唐朝生等［26］发现，温度作为外部环境因素，不仅直接影响土中水分的蒸发，还对裂隙出现的时间、临界含水率及裂隙的演化过程有明显的制约作用。Tang等［27］发现在土壤中添加纤维导致裂隙的数量显著减少，裂隙的抵抗力得到显著改善。在土壤中添加植物残体等会改变土壤的塑性、破碎强度以及裂隙的特征等［28］。作物秸秆还田和灌溉也均会影响裂隙的产生［29］。张同娟等［30］研究发现土壤膨胀性与碳酸钙含量呈显著负相关关系。
总体而言，目前关于裂隙的影响因素的研究依然比较薄弱。以往的研究多集中在对现象的描述，对各因素对裂隙的影响机理的研究和分析较少。此外目前对裂隙影响因素的研究还不够全面。比如在富含铁铝的土壤中，铁铝是土壤结构形成的重要因子，因此也可能对土壤裂隙产生影响，但目前尚未见到关于铁铝对裂隙影响的报道。对于农田土壤而言，农田管理措施如施肥、栽培方式、灌溉、秸秆还田等均可能对裂隙的发生发展产生重要影响，但是关于这方面的报道非常少。
2 土壤裂隙的表征指标与测定方法
2.1 土壤收缩的表征与模拟
裂隙是土壤在失水时收缩所导致的，土壤的收缩幅度往往决定了裂隙的多少，因此土壤的收缩幅度往往用来表征土壤的开裂状况。Grossman等［31］定义了土壤的线性伸展系数（Coefficient of linear extensibility，COLE）：
式中，L m 为湿润时土壤样品的长度，L d 为干燥时土壤样品的长度。在实际运用时，线性伸展系数可根
据实际情况的需要变换计算形式［31］。
土壤线性伸展系数只能描述土壤在干燥和湿润两点间收缩的幅度的大小，不能描述土壤在各个含水量状态下连续的收缩状况，因此研究者引入了收缩曲线。土壤收缩曲线（Soil shrinkage curve）一般以土壤的比容积和含水量分别作为纵横坐标［32］，或者以孔隙比和水分比分别为纵横坐标［33］。典型的收缩曲线可以分为四个部分：（1）结构收缩（structural shrinkage），（2）线性收缩（proportional shrinkage），（3）残余收缩（residual shrinkage）和（4）零收缩（zero shrinkage）。在结构收缩阶段，大孔隙首先脱水，但是收缩的量却十分有限。结构收缩一般只发生在结构良好的土壤中。线性收缩阶段，土壤的失水量与收缩的量呈线性关系，无结构的黏土在该阶段的斜率可等于1［32］，结构良好的土壤该阶段的斜率远小于1［34］。也有研究者将线性收缩阶段命名为常规收缩或者基础收缩［35］。残余收缩阶段土壤团聚体内部的水分开始损失，收缩的量小于土壤的失水量。零收缩阶段土壤水分的损失几乎不会导致土壤的收缩。尽管如此在零收缩阶段土壤黏粒仍会发生重组，导致一些微观裂隙的产生［36］。研究发现并非所有土壤的收缩曲线均具有四个典型的收缩阶段。Peng和Horn ［11］总结了270组收缩曲线的数据，按四个收缩阶段的有无，将收缩曲线分为六种不同的类型。
目前，描述收缩曲线的模型有很多种，比如有多项式模型［37］、分段式模型［32，38］以及S型模型［39］等。但是目前尚没有一个通用的模型，各个模型也均有自己的优势和不足之处。多项式模型只有最小值没有最大值，因而只能描述收缩曲线的零收缩、残余收缩和线性收缩三个阶段；分段式模型每一段的参数有一定的物理意义，但是各段的划分存在主观性，且参数较多；S型模型一般能较好地拟合收缩曲线，且参数较少，但是各参数没有明确的物理意义。Peng和Horn ［39］以van Genuchten ［40］方程为基础提出了一个描述收缩曲线的模型。该模型只有一个方程三个可变参数，拟合精度较高，能完整描述收缩曲线的四个收缩阶段以及各种类型的收缩曲线，且各个收缩阶段可以通过对方程求导等运算定量化区分。为了方便该模型的应用，他们于2014年也开发了相应的土壤收缩模拟软件（Soil shrinkage simulator，下载地址：http：//pan.baidu.
COLE=
L m -L d L d
480土 壤 学 报52卷
com/s/1rQyz8），进一步推动土壤收缩曲线模拟和收缩阶段划分的研究。
2.2 土壤裂隙的表征
裂隙的长度、宽度、深度等是描述裂隙特征的基本指标。裂隙面积密度D c（crack area density）定义为土壤表层裂隙面积与所研究的土壤表层面积之比，是最常用到的表征地表开裂程度的指标之一［41］。这些指标相对直观且容易测定，但是过于粗略，不能充分反映地表裂隙的复杂程度，为此很多研究者提出了其他描述裂隙的指标。
Yoshida和Adachi［22］将裂隙的当量宽度EW （equivalent width）、紧密度CP（Compactness）以及方向指数CDI（directional index）作为描述裂隙的指标体系。Xiong等［42］将裂隙面积密度D c、裂隙面积加权平均分形维和连通性指数作为裂缝形态的评判指标，因为它们不仅能描述裂隙发展的强度，还能描述裂隙形态的复杂性和连通性。Tang 等［19］将裂隙的节点数、块区数和面积等作为描述裂隙的指标，同时将概率密度分布函数引入对裂隙的分析中。张展羽等［43-44］分析了裂隙的交叉角分布、块区分散度、条数与节点数之比、平均弯曲度等指标，同时将正态分布应用到裂隙形态的描述中，丰富了裂隙指标体系。
为了更好地描述裂隙的复杂、不规则的几何特征，Preston等［45］将分形几何的理论应用到了对裂隙的描述当中。他们用分形维数来描述裂隙的异质性，用谱维数来描述裂隙的连通度。采用分形几何学能够近似描述裂隙的异质性等，作为新的表述裂隙的指标，越来越被广泛应用［46］。该方法为定量化描述裂隙的复杂结构提供了新的思路，但是这些指标体系有待进一步完善。
Vogel等［47］引入明科夫斯基值（Minkowski n u m b e r s）、明科夫斯基方程（M i n k o w s k i f u n c t i o n）以及裂隙的分支角度（A n g l e s o f bifurcation）等指标来描述裂隙的大小、连通性以及形态等。该方法引用拓扑学的概念和方法，突破了传统欧式几何的局限，在定量复杂的裂隙形态上做出积极有益的探索。
如何描述裂隙是深入研究裂隙的基础，但是由于裂隙形态特征复杂无序，因此准确而全面表述裂隙特征并非易事。以上总结了很多研究者提出的不同指标体系，它们大多针对某一研究目的而提出，因此也各有优劣。总之，迄今为止尚未形成完善且通用的土壤裂隙指标体系，今后建立完整、可靠的指标体系是裂隙研究的目标之一。
2.3 裂隙测定方法
裂隙的宽度、长度以及深度等指标经常通过直接测量的方法获取。裂隙长度的测量通常要借助线绳随着裂隙延伸来测定；深度的测定通常要借助金属丝插入裂隙内直至感受到明显的阻力为止［15，28］。Ringrose-Voase和Sanidad［48］提出“半圆法”来测定裂隙，通过计算直径为1 m的半圆与裂隙的焦点数估算裂隙的长度分布等指标。网格法也经常被用到裂隙的测定当中［49］，测定时一般先将事先做好的样框（尺寸约1 m×1 m，网格大小0.1 m×0.1 m）放置于裂隙样地上，然后依次测定每个格子中裂隙的宽度及长度，最后计算裂隙的面积；或者将绘图纸置于样框上，将裂隙的位置绘制在绘图纸上用于测定分析。直接测量的方法能够获取裂隙的特征参数，但是测定起来比较费时费力，不能及时测定裂隙的动态变化；此外直接测量的准确度还有待进一步提高。
目前应用最为广泛的裂隙测定方法是图像分析法。图像分析方法主要是指采用数码相机等手段采集数字化裂隙图像，利用相关的计算机软件对图像进行形态学处理，最终计算获得裂隙的各项参数。Peng等［50］采用图像分析技术研究了土壤的裂隙，指出图像分析的精度能达到1.0 mm，是一种简便且有效的获取裂隙特征的手段。李德成等［51］结合土壤切片和图像技术研究了裂隙与其他类型孔隙在结构上的差异。刘春等［52］根据计算机数字图像处理技术，提出一整套裂隙图像计算机识别和定量分析方法，并开发出裂隙图像处理系统（CIAS）。该系统能够成功地应用于土体干缩裂隙的图像识别和形态定量分析研究中，为裂隙图像的定量分析提供了便利。利用图像分析软件可以通过裂隙的图像数据计算裂隙面积、周长、分形维数等多种指标。该方法能够连续测定土壤裂隙的变化，不会破坏土表结构，且测定成本较低。该方法的不足之处在于它只能获得裂隙的二维参数，且只在地表覆盖较少的区域使用。在野外使用时，由于光线条件不易控制，图片的质量不易控制会给后期图像处理带来不便。在图像处理过程中，阈值的选取、杂点的去除等技术手段有待进一步研究提升。
上述方法大多是测定裂隙的一维或二维指标，对裂隙的三维指标很少涉及。多数情况下裂隙的三
481
张中彬等：土壤裂隙及其优先流研究进展
3期维指标如体积是通过裂隙的宽度、深度、长度等指标计算得来。计算裂隙体积时一般将裂隙在土体内的垂直截面形状简化为三角形［15］，而这种假设往往与实际情况相去甚远［53］。因此很多研究者为直接测定裂隙三维结构做出了各种尝试［54］。
用一定量的沙子、树脂或乳胶对裂隙进行填充来估算裂隙的体积的方法被一些研究者采用［50，53，55］。Abou Najm等［53］采用液态乳胶对开裂的土体进行填充，待乳胶凝固后将土体挖出，洗去乳胶上附着的土壤颗粒即可得到裂隙的三维结构，通过排水法可以得到裂隙的体积。该方法的不足之处在于比较费时费力，对土体具有破坏性。乳胶同时填充了除裂隙之外的大孔隙，在测定裂隙指标时需要将其分离。
电阻率断层扫描技术也被用于裂隙的三维结构的测定，该技术可以得到裂隙在土体中的位置、方向等［56］。Greve等［57］总结电阻率层析成像技术在裂隙研究中的理论和方法，指出该技术是监测土体中裂隙动态变化的有效工具。超声波已经被应用到岩土内部裂隙的探测，但目前鲜有将该技术应用于农田土壤裂隙的研究报道［58］。
CT扫描技术越来越多的被应用于三维土壤结构的定量化研究，近来研究者也开始将这一技术应用到对裂隙三维结构的分析中［59］。Zhang等［60］采用CT扫描技术研究了裂隙的三维结构特征，发现该技术能够很好地定量化描述裂隙的三维结构。相较于其他方法，CT扫描技术能够精确计算裂隙的体积、表面积以及在土体中的空间分布等三维特征。该技术的不足在于它体积大、成本高，只能在室内扫描一定尺寸范围的土柱，不能在田间原位测定土壤裂隙的特征。
Seyfarth等［61］利用激光扫描制作了一个设备测定土壤的收缩和裂隙体积。该设备测定结果与C T 扫描的结果十分接近，同样不会破坏土壤结构。虽然精确度不及CT扫描技术，但是其成本较低且应用更为方便。Sanchez等［62］设计一套装置包括激光扫描仪、电脑控制的运动控制器和电子天平，用来测定裂隙体积的变化。Uday和Singh ［63］成功地将激光显微镜应用到裂隙的三维结构的研究中，为裂隙的研究提供了新的手段。
目前裂隙的测定主要还是以获取土壤表面二维裂隙参数为主，各测定方法也存在一定不足之处。对裂隙三维指标的测定除体积、表面积等指标外，
尚未见其他报道。因此今后应进一步加强对裂隙三维指标的完善和测定研究。
3 裂隙与优先流
3.1 优先流的定义
土壤优先流是指水分绕过土壤基质沿着优先途径在土体剖面内运动的现象［64］。优先流在土体内普遍存在，研究表明约70%～85%的水分运动与优先流有关［65-66］。优先流通常可分为多种类型，分类的方法和依据并不统一，主要有以下几种类型：裂隙流（crack flow）、指流（finger flow）、侧向流（lateral flow）和大孔隙流（macropore flow）等［64，67］。
裂隙流是指水分沿着不饱和土壤中相互连通的裂隙流动的现象。相较于其他类型的优先流，裂隙流的独特之处在于裂隙的产生和闭合与土壤含水量密切相关，是极其不稳定的。在土壤含水量较低时，裂隙发育较好，优先流现象显著；当土壤水分供应充足时，裂隙可能会逐渐闭合，优先流现象也会减弱。再者裂隙的存在破坏了土体的完整性，在土壤表层形成连通的复杂分支，具有强烈的不均匀性和各向异性。因此裂隙存在会导致大量水分沿着裂隙横向运动，产生水平方向上的优先流［68］。3.2 优先流（裂隙流）研究方法
优先流的研究方法大致可以分为两类：一类是直接测定优先流的路径，如植物根孔、动物洞穴以及裂隙等；二是间接测定，主要通过测定土壤导水率，或通过染色剂、离子等示踪，或根据不同大小孔隙对水分吸力的差异等描述优先流现象。前者主要包括树脂或石蜡填充法、CT扫描等，后者主要包括染色示踪、圆盘入渗仪、穿透曲线等。关于裂隙的直接测定，已在2.3节做了详细论述，下面主要介绍针对裂隙流研究所使用的间接测定方法。
（1）圆盘入渗仪。圆盘入渗仪由Perroux和White ［69］发明制作，经过不断改进，已经实现自动化测定，并且测定的精度不断提高［70］。根据不同大小孔隙对水分的吸力存在差异，圆盘入渗仪通过调节不同的负压使水分在不同孔隙中流动，据此可以推求不同负压下土壤的导水率、导水的孔隙度、导水孔隙对水分入渗的贡献等参数。该仪器的优势还在于它使用相对方便、快捷，而且对土壤的扰动较小，目前已经被广泛应用于研究土地利用方
482土 壤 学 报52卷
式、耕作方式、土壤类型、地形坡位、灌溉等因素对优先流的影响［71］。Zhang等［60］利用圆盘入渗仪研究发现水稻土裂隙能够显著增加土壤的导水率。目前将圆盘入渗仪专门应用于裂隙流的研究报道依然非常少，因此将其应用到研究裂隙流是很好的尝试。圆盘入渗仪能够估算大孔隙优先流对水分入渗的贡献，但它是将大孔隙作为一个整体，不能区分裂隙与其他类型孔隙的贡献的差异。
（2）染色示踪法。在自然状态下，土体内的优先流难以用肉眼观测，借助染色剂对土壤水分运动路径示踪可加强优先流的可视性。染色法能够区分土壤中水分运动活跃和不活跃的区域，用数码相机进行拍照，利用计算机软件对图像数据进行分析，得出优先流的分布等。Bouma等［72］、Bouma和Dekker［73］利用染色示踪技术分析了田间溶质迁移分布格局，开启了染色示踪研究的先河。早期对于染色图片的解读主要是将图片分为染色和不染色的两部分，然后计算染色部分的面积等指标［74］。Forrer等［75］提出了一种更为精确的图像处理方法，该方法能更好地定量土壤中染色液浓度和分布，进而分析不同孔隙的优先流状况。利用染色法，Sander和Gerke［76］以及Zhang等［60］研究了稻田裂隙的优先流现象。染色法的不足在于它是破坏性观测，不能重复观测。根据孔隙形态的差异，染色法能够大致区分裂隙与其他类型孔隙导致的优先流，但仍难以定量化区分其差异。
（3）离子穿透曲线。穿透曲线是指在土壤表层使用化学示踪剂，土壤中某一深度示踪剂的浓度随时间变化的示意图［77］。由于田间实验较为费时费力，室内经常采用原状或填充土柱测定其穿透曲线。根据穿透曲线的形状可以判断优先流的现象是否存在。Allaire等［77］认为脉冲式加入示踪剂的穿透曲线显示双峰时就表明优先流的存在。当示踪剂以连续的方式加入存在大孔隙的土体后，穿透曲线经常是极度弯曲的，而且穿透曲线的弯曲度随着优先流的重要性的增加而增加的［78］。Zhang等［79］采集田间原装土柱（高20 cm，内径10 cm）并利用穿透曲线研究了稻田裂隙对优先流的影响。室内穿透曲线的获得较为简便，但利用它定量估算优先流的作用却非常复杂，而且还受到溶液施用方法和初始含水量等因素的影响。
很多研究者也应用其他的方法对裂隙流进行了大量的研究。通过监测不同土壤层次的水分水势或电阻率的变化可判定优先流是否存在，也可以监测到优先流发生的快慢，但不能估算裂隙流对水分入渗的贡献。Topp和Davis［80］在距离裂隙不同位置不同深度埋设时域反射仪（TDR），然后观测人工降雨条件下土壤中水分的变化，进而评估裂隙在水分入渗中的作用。Amidu和Dunbar［81］、Greve 等［82］通过测定土壤剖面电阻率分布的动态变化分析裂隙流在水分变化中的作用。Mitchell和van Genuchten［83］采用蒸渗仪研究了裂隙对优先流的影响。他们将灌溉水分在开裂土体的运动分为三个部分：一是裂隙充水，二是土壤基质的吸收，三是水分在土体内的运动；最终通过估算裂隙充水所占的比例来分析裂隙对入渗的影响。利用双环入渗法测定开裂土体的入渗速率，根据初始入渗速率和稳定入渗速率的差异来评定裂隙的优先流作用；也可以与未开裂的同类土壤的入渗速率进行比较来评定裂隙流［84-85］。Tuong等［68］在研究开裂稻田灌溉时的水分运动时，通过观测水平方向上土壤的湿润水头来研究裂隙对纵向的优先流的作用；通过观测不同点地下水位的变化评价裂隙对垂直方向上优先流的影响。裂隙流的研究方法很多，但多数方法只能定性描述裂隙流存在与否；部分方法能够定量描述裂隙流对水分下渗的贡献，但往往也忽略其他非裂隙流的优先流的作用。
3.3 裂隙对优先流的影响
裂隙受土壤含水量的影响很大，因而裂隙对优先流的影响也比较复杂。裂隙的存在能够导致优先流的发生，使地表水很快到达土壤深层，而且通过裂隙内表面积增大了入渗面积，提高了入渗速度［85-86］。Mitchell和van Genuchten［83］报道入渗量在开裂的水稻土较非开裂的水稻土高35%左右，同时土体饱和程度更为充分。据Liu等［84］报道裂隙的产生导致水田的水分入渗率提高，但是在灌水以后由于土壤的膨胀和裂隙的闭合，水分入渗率逐渐下降。Favre等［87］也发现由于快速且非均质的土壤膨胀，裂隙所导致的优先流只能持续数小时。也有研究者发现在重新湿润后，裂隙并不会闭合，导致大量的水分下渗［68］。Návar等［88］报道裂隙产生后需要经历三个月，450 mm的降雨量后才能在土壤表面闭合。另有研究者强调即使裂隙在土壤表层闭合，它仍然能够作为优先流的路径存在［76］。这些不一致的结果可能是由于不同土壤收缩膨胀性质和环境条件的差异导致的。
483
张中彬等：土壤裂隙及其优先流研究进展
3期裂隙流的发育与裂隙的深度密切相关，Wells
等［89］通过模拟降雨实验发现在开始的几次降雨过程中，土壤累积入渗量随着裂隙深度的增加而线性增加。Tuong等［68］在田间研究了灌水条件下开裂水稻土的水分入渗情况，结果表明优先流占灌水总量的41%～57%，受裂隙的深度、下层土壤导水性质等因素影响。对于水稻田而言，犁底层较为紧实且不易透水，其导水率较耕层土壤和下层土壤低数倍，是稻田水分下渗的限制性因素［90］。若裂隙的深度不能穿透犁底层，裂隙导致的优先流也仅限于耕作层［60］，对水分下渗的影响将大大减弱［91］。一旦裂隙穿透犁底层，稻田土壤的入渗率就显著提高，裂隙流的作用明显增强［91］。3.4 裂隙导致的优先流的模拟
与生物性的大孔隙不同，土壤的裂隙受土壤含水量的影响显著，裂隙的几何形状会随着土壤含水量的改变而改变，这给精确模拟裂隙导致的优先流带来很大困难。Hoogmoed和Bouma ［92］提出一个模型来模拟含有裂隙的土壤的入渗情况。他们将模型分为三个方面：（1）土壤水分垂直入渗；（2）通过裂隙的水分流动；（3）土体裂隙内水分的入渗。Novák等［86］在模拟裂隙流时将水分在开裂土体的入渗过程分为五个部分：（1）在表层尚未饱和时土壤的非饱和入渗；（2）在表层土壤饱和后水层的形成；（3）当表层土壤饱和且水层达到关键值后，水分通过裂隙流动；（4）当裂隙充满水后的地表径流；（5）裂隙内水分的横向入渗。Janssen等［93］开发了一个简单的确定性模型（PADDY -FLUX）用来评估不同水分管理模式导致的稻田结构变化（裂隙变化）对水分渗漏的影响。Liu等［91］采用FEMWATER模型［94］，以稻田需水量，土壤的物理性质、土壤导水率等数据作为输入参数模拟了水稻田不同裂隙状况下的水分运动。其他研究者也提出了各种模型描述开裂土体的水分和溶质的运动［95-96］，但是这些模型所得到的结果并不十分理想，一部分原因在于模型概念上的不足，另一方面在于对于作为输入量的裂隙参数的精度估计有待提高。上述模型均未考虑裂隙的几何形状随含水量的变化，因此关于裂隙流的模拟需要进一步研究。Nov ák等［97］将裂隙参数随含水量变化的情况引入模型，模拟结果发现考虑裂隙变化的模型对土壤水分入渗的估算高于稳定裂隙模型。当裂隙的几何形状随含水量变化时，开裂土体的水分
入渗受到各种复杂过程的影响。对这一复杂过程的模拟有助于理解各种过程的重要性以及裂隙对入渗的影响。
4 研究展望
裂隙在土壤中非常普遍，是影响土壤水文过程的重要因素。国内外在土壤裂隙定量化、裂隙产生机制、以及裂隙对优先流的影响等方面做了许多工作。但是，由于裂隙空间结构与优先流模拟的复杂性，相关的科学问题需要进一步深入研究。我们认为今后裂隙及其优先流的研究重点应集中在：
（1）全面深入分析不同环境条件下裂隙的产生机理。以往研究多关于各因素对土壤裂隙的影响的现象描述，今后应结合土壤力学以及土壤水力学，深入分析各因素对裂隙的影响并建立相应的数学模型；同时加强研究多因素（土壤性质、自然环境、人为活动等）综合作用对土壤裂隙的影响。
（2）建立定量刻画土壤裂隙指标体系，尤其是三维指标体系；同时应推进裂隙三维指标测定方法的研究。裂隙的三维指标才能真正反映裂隙的特征及其对水分、空气、溶质运动的影响，三维指标完善和测定是进一步研究裂隙的基础。
（3）关于裂隙对优先流的影响，目前尚难以精确区分裂隙与其他类型的大孔隙对优先流的不同的贡献。裂隙极不稳定，其特征随水分变化，对优先流的影响也处于变化之中。如何描述裂隙的动态过程对优先流的影响，同时对该过程进行数学模拟？这些问题均值得进一步研究。
（4）以往关于裂隙产生发展及其对水分运动和溶质迁移影响的研究工作主要集中在室内人工装置内模拟开展，而在田间原位的工作报道仍然较少。虽然室内实验易于控制和实施，但其结果难以准确反映自然状态下真实情况，因此应加强田间裂隙产生发展及其对水分和溶质运移的影响。参 考 文 献
［１］ 田洪艳，周道玮，李质馨，等. 土壤胀缩运动对草原土
壤的干扰作用.草地学报，2003，11（3）：261—268. Tian H Y，Zhou D W，Li Z X，et al.Effect of expansion and contraction of grassland soilin Northeastern China （In Chinese）. Acta Agrestia Sinica，2003，11（3）：261—268
484土 壤 学 报52卷
［２］ B even K，Germann P. Macropores and water flow in soils. Water resources research，1982，18（5）：
1311—1325
［３］ 何毓蓉，沈南，王艳强，等. 金沙江干热河谷元谋强侵蚀区土壤裂隙形成与侵蚀机制.水土保持学报，
2008，22（1）：33—36，42. He Y R，Shen N，
Wang Y Q，et al. Mechanism of formation of soil crevice
and soil erosionin intensively-eroded area in Yuanmou
dry and hot valley of Jinshajiang River（In Chinese）.
Journal of Soil and Water Conservation，2008，22
（1）：33—36，42
［４］ 邵明安，吕殿青. 土壤收缩特征曲线的实验研究. 土壤学报，2003，40（3）：471—474 Shao M A，Lv D
Q. Experimental study on soil shrinkage characteristic
curves（In Chinese）. Acta Pedoligia Sinica，2003，
40（3）：471—474
［５］ S imon J，Oosterhuis L，Reneau Jr R. Comparison of shrink-swell potential of seven Ultisols and one Alfisol
using two defferent cole techniques. Soil Science，
1987，143（1）：50—55
［６］ G ray CW，Allbrook R. Relationships between shrinkage indices and soil properties in some New Zealand soils.
Geoderma，2002，108（3—4）：287—299
［７］ Y ule D F，Ritchie J T. Soil shrinkage relationships of Texas Vertisols：I. small cores.Soil Science Society of
America Journal，1980，44（6）：1285—1291［８］ G reene-Kelly R. Shrinkage of clay soils：A statistical correlation with other soil properties. Geoderma，
1974，11（4）：243—257
［９］ P e n g X，H o r n R，S m u c k e r A.P o r e s h r i n k a g e dependency of inorganic and organic soils on wetting and
drying cycles. Soil Science Society of America Journal，
2007，71（4）：1095—1104
［10］ K echavarzi C，Dawson Q，Leeds-Harrison P. Physical properties of low-lying agricultural peat soils in England.
Geoderma，2010，154（3）：196—202
［11］ P eng X，Horn R. Identifying six types of soil shrinkage curves from a large set of experimental data. Soil
Science Society of America Journal，2013，77（2）：
372—381
［12］ D e Jong E，Kozak L，Storehouse H. Comparison of shrink-swell indices of some Saskatchewan soils and
their relationships to standard soil characteristics.
Canadian Journal of Soil Science，1992，72（4）：
429—439
［13］ Z hang Z，Peng X，Wang L，et al. Temporal changes in shrinkage behavior of two paddy soils under alternative
flooding and drying cycles and its consequence on
percolation. Geoderma，2013，192：12—20［14］ 熊东红，周红艺，杜长江，等. 土壤裂缝研究进展. 土壤，2006，38（3）：249—255. Xiong D H，Zhou H
Y，Du C J，et al. A review on the study of soil cracking
（In Chinese）. Soils，2006，38（3）：249—255［15］ B andyopadhyay K，Mohanty M，Painuli D，et al.
Influence of tillage practices and nutrient management
on crack parameters in a Vertisol of central India. Soil
and Tillage Research，2003，71（2）：133—142［16］ F lowers M，Lal R. Axle load and tillage effects on the shrinkage characteristics of a Mollic Ochraqualf in
northwest Ohio. Soil and Tillage Research，1999，50
（3）：251—258
［17］ R eeve M，Hall D，Bullock P. The effect of soil composition and environmental factors on the shrinkage
of some clayey British soils. Journal of Soil Science，
1980，31（3）：429—442
［18］ 熊东红，杨丹，李佳佳，等. 元谋干热河谷区退化坡地土壤裂缝形态发育的影响因子.农业工程学报，
2013，29（1）：102—108. Xiong D H，Yang D，Li J
J，et al. Influence factors of morphological development
of soil cracks in degradedslopes in Yuanmou dry-
hot valley region（In Chinese）. Transactions of the
Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29
（1）：102—108
［19］ T ang C，Shi B，Liu C，et al. Influencing factors of geometrical structure of surface shrinkage cracks in
clayey soils. Engineering Geology，2008，101（3）：
204—217
［20］ 张家俊，龚壁卫，胡波，等. 干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究. 岩土力学，2011，32（9）：
2729—2734. Zhang J J，Gong B W，Hu B，et al.
Study of evolution law of fissures of expansive clayunder
wetting and drying cycles（In Chinese）. Rock and Soil
Mechanics，2011，32（9）：2729—2734
［21］ 张佳宝，赵诚斋. 太湖地区水稻土的粘闭及其对土壤物理性质的影响. 土壤，1987，19（4）：183—190，
224. Zhang J B，Zhao C Z. The puddling of paddy soils
and its impact on physical properties in Tai Lake region
（In Chinese）. Soils，1987，19（4）：183—190，
224
［22］ Y oshida S，Adachi K. Effects of cropping and puddling practices on the cracking patterns in paddy fields. Soil
Science and Plant Nutrition，2001，47（3）：519—
532
［23］ M ohanty M，Painuli D K，Mandal K G. Effect of puddling intensity on temporal variation in soil physical
conditions and yield of rice（Oryza sativa L.）in a
Vertisol of central India. Soil and Tillage Research，
2004，76（2）：83—94
485
张中彬等：土壤裂隙及其优先流研究进展
3期［24］ M itchell A R，van Genuchten M T. Shrinkage of bare
and cultivated soil. Soil Science Society of America Journal，1992，56（4）：1036—1042
［25］ S harma R，Verma G. Characterization of shrinkage
cracks in medium black clay soil of Madhya Pradesh. Plant and Soil，1977，48（2）：323—333
［26］ 唐朝生，崔玉军，T a n g A ，等. 膨胀土收缩开裂
过程及其温度效应. 岩土工程学报，2012，34（12）：2181—2187. Tang C S，Cui Y J，Tang A，et al. Shrinkage and desiccation cracking process of expansive soil and itstemperature -dependent behaviour （In Chinese）. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34（12）：2181—2187
［27］ T ang C S，Shi B，Cui Y J，et al. Desiccation cracking
behavior of polypropylene fiber -reinforced clayey soil. Canadian Geotechnical Journal，2012，49（9）：1088—1101
［28］ B h u s h a n L ，S h a r m a P K. L o n g -t e r m e f f e c t s o f
lantana（Lantana spp. L.）residue additions on soil physical properties under rice -wheat cropping：I. Soil consistency，surface cracking and clod formation. Soil and Tillage Research，2002，65（2）：157—167
［29］ 张毅峰. 秸秆还田抑制地表土壤裂缝工艺参数的优
化. 山西农业科学，2011，39（10）：1111—1114. Zhang Y F. Optimization of process parameters of crop incorporation inhibited soil cracks at surface（In Chinese）. Journal of Shanxi Agricultural Sciences，2011，39（10）：1111—1114
［30］ 张同娟，王益权，刘军，等. 黄土地区影响土壤膨胀
性的因子分析. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2007，35（6）：185—189. Zhang T J，Wang Y Q，Liu J，et al. Factors influencing swelling of soils in Loess Plateau（In Chinese）. Journal of Northwest A & F University：Natural Science，2007，35（6）：185—189
［31］ G rossman R，Brasher B，Franzmeier D，et al. Linear
extensibility as calculated from natural -clod bulk density measurements. Soil Science Society of America Journal，1968，32（4）：570—573
［32］ C hertkov V. Modelling the shrinkage curve of soil clay
pastes. Geoderma，2003，112（1）：71—95
［33］ P eng X，Zhang Z，Wang L，et al. Does soil compaction
change soil shrinkage behaviour? Soil and Tillage Research，2012，125：89—95
［34］ B raudeau E，Costantini J，Bellier G，et al. New
device and method for soil shrinkage curve measurement and characterization. Soil Science Society of America Journal，1999，63（3）：525—535
［35］ G r o e n e v e l t P ，G r a n t C D. R e -e v a l u a t i o n o f t h e
structural properties of some British swelling soils. European Journal of Soil Science，2001，52（3）：469—477
［36］ B ruand A，Prost R. Effect of water content on the fabric
of a soil material：an experimental approach. Journal of Soil Science，1987，38（3）：461—472
［37］ G iráldez J V，Sposito G，Delgado C. A general soil
volume change equation：I. The two -parameter model. Soil Science Society of America Journal，1983，47（3）：419—422
［38］ 黄传琴，邵明安. 干湿交替过程中土壤胀缩特征的实验
研究. 土壤通报，2008，39（6）：1243—1247. Huang C Q，Shao M A. Experimental study on soil shrinking and swelling characteristicsduring the alternative drying and wetting processes（In Chinese）. Chinese Journal of Soil Science，2008，39（6）：1243—1247
［39］ P eng X，Horn R. Modeling soil shrinkage curve across a
wide range of soil types. Soil Science Society of America Journal，2005，69（3）：584—592
［40］ V an Genuchten M T. A closed -form equation for
predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892—898
［41］ N ov ák V. Soil -crack characteristics—Estimation
methods applied to heavy soils in the NOPEX area. Agricultural and Forest Meteorology，1999，98/99：501—507
［42］ X iong D，Lu X，Xian J，et al. Selection of judging
indicators for surface morphology of soil crack under different development degrees in Yuanmou Arid -hot Valley Region. Wuhan University Journal of Natural Sciences，2008，13（3）：363—368
［43］ 张展羽，王策，朱成立，等. 土壤干缩裂缝网络几何
特征. 地球科学——中国地质大学学报，2014，39（10）：1465—1472. Zhang Z Y，Wang C，Zhu C L，et al. Geometric characteristics of shrinkage crack network in soil（In Chinese）. Earth Science—Journal of China University of Geosciences，2014，39（10）：1465—1472
［44］ 张展羽，朱文渊，朱成立，等. 农田土壤表面干缩裂
缝的随机分布统计特征. 农业工程学报，2013，29（16）：119—124. Zhang Z Y，Zhu W Y，Zhu C L，et al. Statistical characteristics of random distribution of shrinkage cracks onfarmland soil surface（In Chinese）. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（16）：119—124
［45］ P reston S，Griffiths B S，Young I M. An investigation
into sources of soil crack heterogeneity using fractal geometry. European Journal of Soil Science，1997，48
486土 壤 学 报52卷
（1）：31—37
［46］ B aer J，Kent T，Anderson S. Image analysis and fractal geometry to characterize soil desiccation cracks.
Geoderma，2009，154（1）：153—163
［47］ V ogel H J，Hoffmann H，Roth K. Studies of crack dynamics in clay soil：I. Experimental methods，
results，and morphological quantification. Geoderma，
2005，125（3/4）：203—211
［48］ R ingrose-Voase A J，Sanidad W B. A method for measuring the development of surface cracks in soils：
application to crack development after lowland rice.
Geoderma，1996，71（3/4）：245—261
［49］ K ishné A S，Morgan C L，Ge Y，et al. Antecedent soil moisture affecting surface cracking of a Vertisol in
field conditions. Geoderma，2010，157（3）：109—
117
［50］ P eng X，Horn R，Peth S，et al. Quantification of soil shrinkage in 2D by digital image processing of soil
surface. Soil and Tillage Research，2006，91（1/2）：
173—180
［51］ 李德成，V e l d e B，张桃林.土壤中裂隙与其他类型孔隙结构差异的图像比较.土壤与环境，
2002，11（1）：57—60.L i D C，V e l d e B，
Zhang T L. Image comparison on structures between
c r a c k s a n
d o t h
e r t y p e s o
f p o r e s（I n C h i n e s e）.
S o i l a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s，2002，11
（1）：57—60
［52］ 刘春，王宝军，施斌，等. 基于数字图像识别的岩土体裂隙形态参数分析方法.岩土工程学报，2008，
30（9）：1383—1388. Liu C，Wang B J，Shi B，
et al. Analytic method of morphological parameters
of cracks for rock and soil based onimage processing
and recognition（In Chinese）. Chinese Journal of
Geotechnical Engineering，2008，30（9）：1383—
1388
［53］ A bou Najm M R，Jabro J D，Iversen W M，et al. New method for the characterization of three-dimensional
preferential flow paths in the field. Water Resources
Research，2010，46（2）：W02503
［54］ D inka T M，Lascano R J. Review paper：Challenges and limitations in studying the shrink-swell and
crack dynamics of Vertisol soils. Open Journal of Soil
Science，2012，2（2）：82—90
［55］ D asog G，Shashidhara G. Dimension and volume of cracks in a Vertisol under different crop covers. Soil
Science，1993，156（6）：424—428
［56］ S amou?lian A，Richard G，Cousin I，et al. Three-dimensional crack monitoring by electrical resistivity
measurement. European Journal of Soil Science，
2004，55（4）：751—762
［57］ G reve A K，Acworth R I，Kelly B F. Detection of subsurface soil cracks by vertical anisotropy profiles of
apparent electrical resistivity. Geophysics，2010，75
（4）：WA85—WA93
［58］ 黎伟，刘观仕，姚婷. 膨胀土裂隙特征研究进展.水利水电科技进展，2012，32（4）：78—82. Li W，
Liu G S，Yao T. Research progress in crack features
of expansive soils（In Chinese）. Advances in Science
and Technology of Water Resources，2012，32（4）：
78—82
［59］ P eth S，Nellesen J，Fischer G，et al. Non-invasive 3D analysis of local soil deformation under mechanical and
hydraulic stresses by μCT and digital image correlation.
Soil and Tillage Research，2010，111（1）：3—18［60］ Z hang Z B，Zhou H，Zhao Q G，et al. Characteristics of cracks in two paddy soils and their impacts on
preferential flow. Geoderma，2014，228/229：114—
121
［61］ S eyfarth M，Holldorf J，Pagenkemper S. Investigation of shrinkage induced changes in soil volume with
laser scanning technique and automated soil volume
determination—A new approach/method to analyze pore
rigidity limits. Soil and Tillage Research，2012，125：
105—108
［62］ S a n c h e z M，A t i q u e A，K i m S，e t a l.E x p l o r i n g desiccation cracks in soils using a 2D profile laser
device. Acta Geotechnica，2013，8（6）：583—596［63］ U day K，Singh D. Application of laser microscopy for studying crack characteristics of fine-grained soils.
ASTM Geotechnical Testing Journal，2013，36（1）：
146—154
［64］ H ardie M A，Cotching W E，Doyle R B，et al. Effect of antecedent soil moisture on preferential flow in a
texture-contrast soil. Journal of Hydrology，2011，398
（3）：191—201
［65］ W atson K，Luxmoore R. Estimating macroporosity in a forest watershed by use of a tension infiltrometer. Soil
Science Society of America Journal，1986，50（3）：
578—582
［66］ W ilson G，Luxmoore R. Infiltration，macroporosity，
a n d m e s o p o r o s i t y d i s t r i
b u t i o n s o n t w o f o r e s t e d
watersheds. Soil Science Society of America Journal，
1988，52（2）：329—335
［67］ 彭海英，李小雁，崔步礼，等. 土壤优势流研究方法综述. 干旱气象，2011，29（2）：137—143. Peng
H Y，Li X Y，Cui B L，et al. Review on the study of
preferential flow in soil（In Chinese）. Journal of Arid
Meteorology，2011，29（2）：137—143
487
张中彬等：土壤裂隙及其优先流研究进展
3期［68］ T uong T，Cabangon R，Wopereis M. Quantifying flow
processes during land soaking of cracked rice soils. Soil Science Society of America Journal，1996，60（3）：872—879
［69］ P erroux K，White I. Designs for disc permeameters. Soil
Science Society of America Journal，1988，52（5）：1205—1215
［70］ K e c h a v a r z i C ，?p o n g r o v á K ，D r e s s e r M ，e t a l.
Laboratory and field testing of an automated tension infiltrometer. Biosystems Engineering，2009，104（2）：266—277
［71］ A ngulo -Jaramillo R，Vandervaere J -P，Roulier S，
et al. Field measurement of soil surface hydraulic properties by disc and ring infiltrometers：A review and recent developments. Soil and Tillage Research，2000，55（1）：1—29
［72］ B ouma J，Jongerius A，Boersma O，et al. The function
of different types of macropores during saturated flow through four swelling soil horizons. Soil Science Society of America Journal，1977，41（5）：945—950
［73］ B ouma J，Dekker L W. A case study on infiltration into
dry clay soil I. Morphological observations. Geoderma，1978，20（1）：27—40
［74］ P etersen C，Hansen S，Jensen H. Tillage -induced
horizontal periodicity of preferential flow in the root zone. Soil Science Society of America Journal，1997，61（2）：586—594
［75］ F orrer I，Papritz A，Kasteel R，et al. Quantifying dye
tracers in soil profiles by image processing. European Journal of Soil Science，2000，51（2）：313—322
［76］ S ander T，Gerke H H. Preferential flow patterns in
paddy fields using a dye tracer. Vadose Zone Journal，2007，6（1）：105—115
［77］ A llaire S E，Roulier S，Cessna A J. Quantifying
p r e f e r e n t i a l f l o w i n s o i l s ：A r e v i e w o f d i f f e r e n t techniques. Journal of Hydrology，2009，378（1/2）：179—204
［78］ A llaire -Leung S E，Gupta S C，Moncrief J F. Water
and solute movement in soil as influenced by macropore characteristics：1. Macropore continuity. Journal of Contaminant Hydrology，2000，41（3/4）：283—301
［79］ Z hang Z B，Peng X，Zhou H，et al. Characterizing
preferential flow in cracked paddy soils using computed tomography and breakthrough curve. Soil and Tillage Research，2015，146：53—65
［80］ T opp G，Davis J. Detecting infiltration of water through
soil cracks by time -domain reflectometry. Geoderma，1981，26（1）：13—23
［81］ A midu S A，Dunbar J A. Geoelectric studies of seasonal
wetting and drying of a Texas vertisol. Vadose Zone Journal，2007，6（3）：511—523
［82］ G reve A，Acworth R，Kelly B. 3D Cross -hole resistivity
t o m o g r a p h y t o m o n i t o r w a t e r p e r c o l a t i o n d u r i n g irrigation on cracking soil. Soil Research，2012，49（8）：661—669
［83］ M itchell A R，van Genuchten M T. Flood irrigation of a
cracked soil. Soil Science Society of America Journal，1993，57（2）：490—497
［84］ L i u C W ，C h e n g S W ，Y u W S ，e t a l. W a t e r
infiltration rate in cracked paddy soil. Geoderma，2003，117（1）：169—181
［85］ 马佳. 裂土优势流与边坡稳定性分析方法. 武汉：中国
科学院武汉岩土力学研究所，2007. Ma J. Preferential flow and stability analysis method for fissure clay slopes （In Chinese）. Wuhan：Institue of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，2007
［86］ N ov ák V，Simunek J，van Genuchten M T. Infiltration
of water into soil with cracks. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2000，126（1）：41—47
［87］ F avre F，Boivin P，Wopereis M C S. Water movement
a n d s o i l s w e l l i n g i n a d r y ，c r a c k e d V e r t i s o l. Geoderma，1997，78（1/2）：113—123
［88］ N áv a r J ，M e n d e z J ，B r y a n R B ，e t a l. T h e
c o n t r i b u t i o n o f s h r i n k a g e c r a c k s t o b y p a s s f l o w during simulate
d and natural rainfall experiments in northeastern Mexico. Canadian Journal of Soil Science，2002，82（1）：65—74
［89］ W ells R，DiCarlo D，Steenhuis T，et al. Infiltration
and surface geometry features of a swelling soil following successive simulated rainstorms. Soil Science Society of America Journal，2003，67（5）：1344—1351
［90］ J anssen M，Lennartz B. Horizontal and vertical water
and solute fluxes in paddy rice fields. Soil and Tillage Research，2007，94（1）：133—141
［91］ L iu C W，Chen S K，Jang C S. Modelling water
infiltration in cracked paddy field soil. Hydrological Processes，2004，18（13）：2503—2513
［92］ H o o g m o e d W ，B o u m a J. A s i m u l a t i o n m o d e l f o r
predicting infiltration into cracked clay soil. Soil Science Society of America Journal，1980，44（3）：458—461
［93］ J anssen M，Lennartz B，W ?hling T. Percolation losses
in paddy fields with a dynamic soil structure：model development and applications. Hydrological Processes，2010，24（7）：813—824
［94］ L i n H -C J ，R i c h a r d s D R ，Y e h G -T ，e t a l.
FEMWATER：A three -dimensional finite element computer model for simulating density -dependent
488土 壤 学 报52卷
f l o w a n d t r a n s p o r t i n v a r i a b l y s a t u r a t e d m e d i a.
Technical report，No. WES/TR/CHL-97-12. Vicksburg
M i s s i s s i p p i，U S A：A r m y E n g i n e e r W a t e r w a y s
Experiment Station，1997
［95］ A rmstrong A C，Matthews A M，Portwood A M，et al.
CRACK-NP：A pesticide leaching model for cracking
clay soils. Agricultural Water Management，2000，44
（1/3）：183—199［96］ v an Genuchten M T，Sudicky E. Recent advances in vadose zone flow and transport modeling//Vadose zone
hydrology：Cutting across disciplines. New York：
Oxford University Press，1999：155—193
［97］ N ovák V，?im?nek J，van Genuchten M T. Infiltration into a swelling，cracked clay soil. Journal of Hydrology
and Hydromechanics，2002，50（1）：3—19
A REVIEW OF RESEARCHES ON SOIL CRACKS AND THEIR IMPACTS ON
PREFERENTIAL FLOW
Zhang Zhongbin Peng Xinhua?
（State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，
Nanjing 210008，China）
Abstract Soil tends to shrink and form cracks when it gets dried up. Soil cracks are formed under the joint effect of a variety of factors，like soil properties and environment conditions，and very complicate and hard to describe precisely in morphological structure. As they may act as pathways for preferential flow，their presence enhances the risks of water and nutrient loss and pollution of groundwater. Soil properties，such as soil clay content，soil mineral composition，soil organic carbon content and bulk density，etc. are the main factors affecting soil cracking，while wetting and drying alternation，tillage and plant growth are its external affecting factors. So far，the characterizing indices and determination methods available for soil cracks focus mainly on their two-dimensional structural features，and little has been reported about characterizing indices and determination methods for three-dimensional structure of cracks. The methods for measuring preferential flow caused by soil cracks include dye tracer，disc permeameter，breakthrough curve，profile soil water potential measurement and so on. Cracks vary in feature with soil water content，so the effect of soil cracks on preferential flow is complicate，and closely related to soil properties，soil water content and depth of the cracks. The dynamic variation of cracks makes it more difficult to simulate preferential flow caused by soil cracks. It is，therefore，suggested that more efforts should be dedicated in future to conducting in-depth complete researches on crack-forming mechanism；establishing three-dimensional index systems and determination methods for soil cracks and improving the systems and methods；promoting researches on quantification and mathematic simulation of crack-induced preferential flow；and enhancing in situ field study of cracks and preferential flow.
Key words Soil cracks；Soil shrinkage；Soil water；Preferential flow
（责任编辑：陈德明）
污染土壤微生物修复技术研究进展
污染土壤微生物修复技术研究进展课程论文 摘要针对2014年4月环境环保部公布的首次全国土壤污染状况调查结果，撰写我国最严重的耕地污染中主要污染物镉、砷、滴滴涕和多环芳烃的微生物修复研究进展。 关键词土壤污染；微生物修复；重金属污染；有机物污染 2005年4月至2013年12月我国开展的首次全国土壤污染状况调查结果显示全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。人类赖以生存的耕地中土壤点位超标率高达19.4%，迫在眉睫的主要污染物为镉、砷、滴滴涕和多环芳烃[1]。 微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术，它已成为污染土壤生物修复技术的重要组成部分和生力军[2]。由于我国土壤调查结果显示在农田耕地中重金属污染物镉、镍、砷、有机污染物滴滴涕和多环芳烃超标最严重，对这些污染物的治理已经迫在眉睫。所以，本文重点阐述针对这5种污染物的微生物修复技术研究进展。 1、重金属污染土壤微生物修复研究进展 土壤微生物种类繁多、数量庞大，是土壤的活性有机胶体，比表面大、带电荷和代谢活动旺盛，在重金属污染物的土壤生物地球化学循环过程中起到了积极作用。微生物可以对土壤中重金属进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，可促进有毒、有害物质解毒或降低毒性，从而达到生物修复的目的[3]。因此，重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集 (如生物积累、吸附作用)、生物转化(如生物氧化还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解)、生物固定（如与S2-的共沉淀）、生物滤除（如细菌的淋滤作用）等作用方式。 1.1镉污染 将具有重金属吸附能力的天然蛋白或人工合成肽展示在微生物细胞表面,可以提高微生物对重金属的吸附能力。Kuro da等[4]改造了微生物表面蛋白使得当酵母金属硫蛋白( YMT )串联体在酵母表面展示表达后,4 聚体对重金属吸附能力提高5.9 倍, 8 聚
超疏水材料研究进展
超疏水材料的研究进展 2015年5月3日
超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体
中国在超疏水材料研究方面的进展
中国在超疏水材料研究方面的进展 分子一班 张雷 3013207391 Abstract ： 摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。 关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性
1、背景： 表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。 自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。 2、超疏水材料制备方法分类： 2.1 模板法： 江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。
微生物多样性对植物群落影响的研究进展(1)(1)
安庆师范学院本科毕业（学位）论文 姓名：王婷婷 年级： 2 0 0 7级 专业：环境科学 论文题目：微生物多样性对植物 群落影响的研究进展 完成日期：2011年4月27日 指导老师：潘少兵 安庆师范学院资源环境学院 二O一一年四月二十七日
微生物多样性对植物群落影响的研究进展 作者：王婷婷指导老师：潘少兵 （安庆师范学院资源环境学院安徽安庆246011） 摘要：土壤是微生物的主要存在场所，它承载了大部分生命的基因多样性。微生物群落在各种生态进程中具有重要作用，但是对于微生物多样性与执行生态功能能力的联系却研究的很有限。这篇文章以微生物多样性在植物群落方面的作用为基础，探讨微生物群落在执行生态功能中的冗余现象。 关键词：微生物多样性；功能冗余；植物多样性 Advancement of Effect of Microbial Diversity on Plant Diversity Autor：Wang Tingting Instructor: Pan Shaobing （School of Resources and environmental science,Anqing Teachers’College,Anqing 246011,Anhui） Abstract: Microbes are abundant in soil and comprise a large portion of Life's genetic diversity. Soil microbes play key roles in a large number of important ecosystem process- es. But the relativity between soil microbial diversity and their ecological functions is still poorly understood. Here we approach the functional redundances during soil microb- es influencing the ecological functions based on the various roles that they play in plant diversity. Key words：microbial diversity, functional redundances, plant diversity 引言： 土壤是微生物的主要存在场所，微生物在土壤养分转化与腐殖质形成过程中有着非常重要的作用。土壤生态系统是保证动植物生存、农业健康、持续发展的基础[1],对全球的生态环境变化有着深远的影响。土壤微生物群落是土壤中的活性组分, 包括细菌、真菌、放线菌和原生动物、病毒和小型藻类[2],每克土壤中栖息着大约100 亿个微生物[3]。土壤微生物群落对全球生态系统功能如养分转化、有机物的分解、土壤基本结构的维持、
污染土壤的淋洗法修复研究进展
污染土壤的淋洗法修复研究进展 Ξ 巩宗强 李培军 台培东 蔺 昕 陈素华 耿春女 (中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016) 摘 要 污染土壤淋洗技术是修复污染土壤的一种新方法,是对污染土壤生物修复的一种补充,使污染土壤修复的系 统化成为可能。淋洗法主要使用淋洗剂清洗土壤,使土壤中污染物随淋洗剂流出,然后对淋洗剂及土壤进行后续处理,从而达到修复污染土壤的目的。因为淋洗剂的种类和淋洗方式的不同,土壤淋洗法可分为许多种类。土壤淋洗法主要受土壤条件、污染物类型、淋洗剂的种类和运行方式等因素影响。综合考虑多方面因素,就有潜力设计出经济高效的土壤淋洗系统。土壤淋洗法有很多优点,尽管也存在一些问题,但其技术上的优势也是其他方法难以取代的,所以有良好的应用前景。 关键词 污染土壤 土壤淋洗法 修复 Advancement of soil w ashing process for contaminated soil G ong Z ongqiang Li Peijun Tai Peidong Lin Xin Chen Suhua G eng Chunn ü (Institute of Applied Ecology ,Chinese Academy of Sciences ,Shenyang 110016) Abstract Soil washing process is a newly developed method for the remediation of contaminated soil ,and it is an important complement to the bioremediation of contaminated soil and makes remediation of con 2taminated soil more systematic.Washing liquid is majorly used in the soil washing process to have contaminat 2ed soil cleaned ,the comtaminants are flushed out by washing liquid ,and the spent washing liquid and washed soils must be further treated ,then could the aims of contaminated soils remediation be achieved.Soil washing could be classified into many types as different kinds of washing liquids are employed and different styles are operated.Soil washing process is affected by factors such as soil conditions ,contaminant characters ,washing liquid types and operation styles.After a systematic consideration ,it might be possible to come up with an e 2conomical ,practical and efficient soil washing system.The advantages of soil washing are so obvious that even with some problems ,developing trend of this technique can ’t be substituted by other methods and bright fu 2ture of this method can ’t be neglected. K ey w ords contaminated soil ;soil washing ;remediation 由于人类经济活动产生的污染的不断增加,目前世界上许多地区土壤污染面积不断扩大。中国受污染的耕地面积近2000万hm 2,约占耕地总面积的1/5[1—4]。随着人类对环境认识的逐步加深,污染土壤的修复在国内国际都受到了高度重视,也逐渐成为国际环境科学界的热点问题之一。人们已经开 发了很多处理方法,而且一些行之有效的污染土壤修复的新成果和新技术还在不断出现。污染土壤的修复有多种分类方法,有人将其分为物理修复、化学修复和生物修复[5]。本文侧重于介绍污染土壤的淋洗法修复,因此,把污染土壤的处理方法分为淋洗法和污染物的破坏法(通常指有机物的降解、矿化)和污染物的固定法,各种方法均有广泛研究报道,方法间具有互补性。在某些条件下,由于土壤污染物的成分、理化性质、毒性特征及土壤条件的限制,单纯采用化学固定法或生物修复法都不能完全达到效果,因此,有必要考虑采用土壤淋洗法或多种方法联合修复污染土壤。 1 土壤淋洗法的定义 武晓峰曾介绍过土壤淋洗法(soil flushing )的概念,认为淋洗法就是通过注水的办法,冲洗土壤孔隙介质中残留的污染物,使冲洗水流流入地下水,然后回收冲洗水流以达到修复污染土壤的目的[6]。周加祥认为土壤淋洗法(soil washing )是利用水力压头推动淋洗液通过土壤,而将污染物从土壤中清洗出 Ξ中国科学院知识创新项目(KZCX22401) 第3卷第7期环境污染治理技术与设备 Vol .3,No .72002年7月Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control J ul . 2002
土壤固化剂的作用机理及应用现状_李兵
2013 年 0引言 随着社会的不断发展，各行业的工程建设需求也越来越大，而传统的工程建设需要大量的自然资源，炸山碎石、挖河采砂，不仅破坏了自然环境，而且原有的砂石材料已经远远不能满足日益增长的工程建设的需求。这造成了严重的自然环境破坏、资源大量投入且浪费严重、社会生存环境质量下降，工程建设的快速增长使整个社会付出了太多的代价。节约资源、 保护环境成为世界各国共同关心的重大课题。土壤固化剂是由多种无机材料或有机材料经过一定的生产工艺处理后，用以固化各类土壤的新型工程材料。对于需加固的土壤，根据不同土壤的物理和化学性质，只需掺入一定量的固化剂，经拌匀、压实处理，即可达到需要的性能指标。２０世纪７０年代，美国等发达国家对土壤固化技术进行了深入的研究开发，逐步替代了单一的石灰、水泥、粉煤灰的固化材料，成为一种覆盖胶体化学、表面化学、力学结构理论等学科的高新技术产品，现在在国外已大量应用于公路、水利工程、机场跑道等领域。由于土壤固化剂固化土具有就地取材、施工工艺简单、工程造价低等方面优点，并且可以大幅度提高土壤的抗压强度，经济效益和环境效益显著，被美国《工程新闻》称为２０世纪的伟大发明创造之一。本文介绍了土壤固化剂的种类、作用机理，土壤固化剂的制备研究现状以及对土壤固化剂未来的展望，并提出几点建议，为今后土壤固化剂的研究推广提供参考。 1土壤固化剂的种类 土壤固化剂依据不同的作用机理可以分为：生物酶类和化学类。其中生物酶类土壤固化剂是一种由有机质发酵而成的高科技液态复合酶制品，可以通过生物酶素催化土壤固化、改变土壤结构，经压实后产生一定的强度。化学类土壤固化剂是目前使用较多的一类土壤固化剂，其中包括无机化学类、有机化学类和离子类。无机化学类固化剂是通过石灰、水泥、粉煤灰和矿渣等无机材料，加一些激发剂（各种酸碱类、硫酸盐类或其他无机盐）配制而成，固化土的性能比较稳定，由于使用了一些工业废料，还具有环保和节能意义。有机化学类固化剂多为液体，一般通过离子交换原理或材料本身聚合来加固土壤，如改性水玻璃类、环氧树脂和高分子材料类。离子 类固化剂是一种由多个强离子组合而成的化学物质，ｐＨ值为强酸性，此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性，不适用ｐＨ值大于７．５的碱性土壤。 2土壤固化剂的作用机理 2.1生物酶类土壤固化剂作用机理 通过生物霉素的催化作用，经外力挤压密实后，使土壤中有机和无机物质以较快的速度产生密实的、坚硬的结构层，土壤结构变得紧密从而产生屏蔽作用，防止水分的蒸发，降低土壤的膨胀系数，从而形成牢固的不渗透性结构。2.2化学类土壤固化剂作用机理２．２．１无机类土壤固化剂作用机理 （１）胶凝材料的水解与水化反应。固化剂中的凝胶材料在水作用下产生各种化学反应生成凝胶状的水化物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙或氢氧化钙，包围土壤颗粒，在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架，有的与土颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结构，从而增强土粒间的粘结强度和稳定性。 （２）离子交换和中和反应。土壤中矿物的粒子表面带有负电子，粒子之间处在互相排斥的状态下，固化剂与水作用后产生的Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋或Ａｌ３＋能与土胶粒吸附层中的Ｎａ＋、Ｋ＋离子进行交换，并且中和土壤中的负电荷，从而降低土胶粒ξ电势，减薄土胶粒双电层的厚度，使土颗粒相互靠近产生凝聚，如图１。 （３）土壤固化剂的组分与土壤颗粒的火山灰反应。固化剂与土壤混合后，反应生成含３２个结晶水的钙矾石针状结晶体（３ＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·３ＣａＳＯ４·３２Ｈ２Ｏ），将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。这种水化反应生成的结晶体使材料的体积增加，它有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土变得致密起 土壤固化剂的作用机理及应用现状 李 兵 （福建省建筑科学研究院，福建福州３５０００２） 摘要本文介绍了土壤固化剂的种类，不同种类土壤固化剂的作用机理；概述了土壤固化剂的研究和应用现状；展望了土壤固化剂的未来发展趋势，并提出了几点建议，为今后国内土壤固化剂的研究和应用提供了依据。 关键词土壤固化剂；固化机理；制 备 图1土壤处理前(左)和土壤处理后(右)对比图 ■综合论述14··
土壤微生物群落多样性研究方法及进展_1
第27卷增刊V ol 127,Sup 1广西农业生物科学Journal o f Guangx i A g ric 1and Biol 1Science 2008年6月June,2008 收稿日期:20080122。 基金项目:广西大学博士启动基金项目(X05119)。 作者简介:姚晓华(广西大学副教授,博士;E -mail:x hy ao@g xu 1edu 1cn 。文章编号:10083464(2008)增008405 土壤微生物群落多样性研究方法及进展 姚晓华 (广西大学农学院,广西南宁530005) 摘要:微生物多样性是指群落中的微生物种群类型和数量、种的丰度和均度以及种的分布情况。研究 土壤微生物群落多样性的方法包括传统的以生化技术为基础的方法(直接平板计数、单碳源利用模式等) 和以现代分子生物技术为基础的方法(从土壤中提取DN A ,进行G+C%含量的分析,或杂交分析,或进 行PCR,产物再进行D GGE/T GG E 等分析)。现代生物技术与传统微生物研究方法的结合使用,为更全面 地理解土壤微生物群落的多样性和生态功能提供了良好的前景。 关键词:微生物多样性;生化技术;分子生物学技术;DN A 中图分类号:.Q 938115 文献标识码:A Advancement of methods in studying soil microbial diversity YAO Xiao -hua (Co llege of Ag ricultur e,G uangx i U niv ersit y,N anning 530005,China) Abstract:Species div ersity consist o f species richness,the total number of species,species ev enness,and the distribution of species 1Methods to measure microbial diversity in so il can be categ orized into tw o g roups:biochemica-l based techniques and m olecular -based techniques 1The fo rmer techniques include plate counts,sole carbon so urce utilizatio n patterns,fatty acid methy l ester analysis,and et al 1The latter techniques include G +C%,DNA reassociation,DNA -DNA hy br idization,DGGE/TGGC,and et al 1Ov er all,the best w ay to study soil microbial diversity w o uld be to use a variety of tests w ith differ ent endpoints and degr ees o f r esolutio n to o btain the bro adest picture possible and the most inform ation r eg ar ding the microbial co mmunity 1 Key words:microbial diversity;biochem ica-l based techniques,mo lecular -based techniques,DNA 微生物多样性研究是微生物生态学最重要的研究内容之一。微生物在土壤中普遍存在,对环境条件的变化反应敏捷,它能较早地预测土壤养分及环境质量的变化过程,被认为是最有潜力的敏感性生物指标之一[1] 。但土壤微生物的种类庞大,使得有关微生物区系的分析工作十分耗时费力。因此,微生物群落结构的研究主要通过微生物生态学的方法来完成,即通过描述微生物群落的稳定性、微生物群落生态学机理以及自然或人为干扰对群落产生的影响,揭示土壤质量与微生物数量和活性之间的关系。利用分子生物学技术和研究策略,揭示自然界各种环境中(尤其是极端环境)微生物多样性的真实水平及其物种组成,是微生物生态学各项研究的基础和核心,是重新认识复杂的微生物世界的开端。
植物叶表面超疏水性研究进展
※农业科学2018, V ol.38, No.1729 农业与技术 润湿性是固体表面的重要特征之一，其影响因素主要包括表面化学组成（表面自由能）和表面微观结构（粗糙度）。表面润湿性的强弱通常用接触角来表征。超疏水表面在防腐蚀、防雨雪、抗氧化、自清洁功能、微流体系统等方面具有广阔的应用前景，因而引起人们极大关注。自然界中很多生物的体表（如昆虫的翅表面、植物的花瓣和叶片表面）表现出超疏水性，可用作特殊润湿性功能表面的仿生制备。 1 荷叶 荷叶的接触角高达161.0±2.5，具有超疏水性[1]。德国生物学家Barthlott等发现，荷叶表面粗糙的微米结构（乳突）及蜡状物质是导致自清洁效应的关键因素[2]。江雷课题组使用超高分辨率显微镜观察荷叶表面微观结构，发现微米级乳突（直径约5~9μm）上还存在一些纳米级结构（直径约200nm），即二级微纳米结构[3]。这种微纳二级粗糙结构上覆盖有机蜡质。双层的微纳米结构可以有效地阻止荷叶下层被润湿，有机蜡状物可以提供较低的表面能，二者的共同作用能够有效降低液体与固体之间的接触程度，改变三相接触线的长度、形状及连续性，从而使液滴在荷叶表面易于滚动，呈现特殊的复合浸润性。 2 花生叶 邱宇辰等研究发现，水滴在花生叶片表面呈球状，接触角为151.0±2.0，具有超疏水性[4]。在新鲜的花生叶表面上，丘陵状微米结构上面无规则排列着纳米薄片结构，形成微尺度下无序排列的空隙。花生叶表面微纳米多尺度结构显著增加了其表面的粗糙程度，表现出超疏水特性。 3 美人蕉叶 杨晓华对美人蕉叶表面进行超疏水测试，接触角大于160[5]。美人蕉叶表面均匀分布着30~100μm的四边形凸起。微米级结构表面及间隙密布纳米级片状结构。纳米结构为蜡质晶体，主要成分为富含C-H链的低表面能脂肪族化合物。微纳米级复合结构和蜡质层共同决定了美人蕉叶表面优异的超疏水性。Guo等研究发现，美人蕉叶表面为微纳米双层结构，从而将更多的空气滞留在水滴与叶表面之间，降低了表面能，使叶表面表现出良好的超疏水特性[6]。 4 霸王鞭叶和麒麟掌叶 霸王鞭叶和麒麟掌叶背面接触角分别为153和154，叶正面接触角分别为84和88[7]。霸王鞭叶和麒麟掌叶正面不疏水，背面超疏水。霸王鞭叶正面有微米级圆状或棱状凸起，叶背面有成簇的层片状凸起。麒麟掌叶表面具有与霸王鞭叶表面相似的微观结构，为不规则棱状和圆圈状凸起。2种叶的主要化学成分均为蜡质，进一步增强了叶表面的疏水性。 5 芦苇叶 根据冯晓娟等的研究结果，芦苇叶表面接触角为152.7°，具有良好的超疏水性[8]。芦苇叶表面有许 植物叶表面超疏水性研究进展 王万兴房岩＊蓝蓝纪丁琪关琳卢浩华郭宝琪孙刚 （长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032） 摘 要：超疏水表面因其广阔的应用前景而成为国内外研究热点。本文综述了植物叶表面的超疏水性，分析了引起超疏水性的主要原因（微观结构、化学组成等），对超疏水自清洁材料的研究趋势进行了展望，旨在为仿生多功能表面的设计和制备提供参考。 关键词：植物叶；超疏水；接触角；微观结构；仿生 中图分类号：S-03 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180931010 基金项目：国家自然科学基金面上项目（项目编号：31671010），吉林省自然科学基金项目（项目编号：20180101280JC），吉林省教育厅科技计划项目（项目编号：JJKH20181167KJ），长春师范大学研究生教育创新计划项目（项目编号：cscxy2017006/ cscxy2018044/cscxy2018007/cscxy2018009） *为本文通讯作者
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将
土壤固化剂的研究现状和前景展望
土壤固化剂的研究现状和前景展望 引言 土壤稳定(固化)技术从20世纪40年代开始蓬勃发展，至今已经形成一门综合性的交叉学科。它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域，包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段，综合了力学、结构理论、胶体化学、表面化学等众多理论，它的处理对象也扩充到砂土、淤泥、工业污水、生活垃圾等多种固体、半固体，处理的目的也不仅仅是单一的加固，还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面。在这里仅以化学加固为重点，对土壤固化剂的现状做一个阐述。 土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。国际上，欧洲建筑业最先提出土力学理论：日本由于地理因素限制，对土壤固化剂的研究投入很大，成果较多；美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子；还有像德国、澳大利亚、南非等国也处在研究的前列。国内以国家“七五”项目为牵头，虽然起步较晚，但是掀起了一阵研究高潮，研制了多种固化剂，并且部分成果已经从实验室走到了应用第一线，对国家建设做出了贡献。但是土壤本身的反应活性很低，再加上道路施工对土壤固化剂的要求较高(不仅要在成本上有较大幅度降低，而且希望强度要高、防水抗冻性能要好、施工方式简单、道路保养费用降低等)．到目前为止，国际国内的各种固化剂都有各自的缺点．在实际应用上国内还处在起步阶段，而研究工作现在也处于低潮。正是由于上述因素，有必要对国际国内的土壤固化剂做一个小结，希望可以从中找出发展的方向。 1四类土壤固化剂 从固化剂发展的过程以及固结机理来看，现有的固化剂大体可以分成四大类。 1．1石灰水泥类固化剂 石灰和水泥在建筑施工上的广泛应用使得它们自然成为固化土壤的首选。利用石灰改良土壤可以追溯到很久以前，以石灰、粉煤灰为固化原料的二灰土经常作为道路施工的基层材料。石灰、粉煤灰和水泥固化土壤的机理类似．包括结合土壤中的水分、形成胶凝成分来胶结土壤．堵塞土壤的毛细结构，从而形成强度和稳定性。缺点是固化土壤的早期强度不高；由于固化剂加入量较大，形成胶凝的过程会产生较大的形变，固化土容易干缩，形成裂缝，破坏结构，影响水稳定性；而且这类固化剂的固化效果依赖于土壤的颗粒度和含水量．在施工上存在着限制。一直以来，许多研究者致力于通过添加辅助成分来提高这类固化剂的性能。例如，在此类固化剂中添加无机盐类，促进钙钒石的生成．可以有效减少形变量，并且增加早强性，从而给这一类固化剂带来新的活力。 1．2矿渣硅酸盐类固化剂 这一类固化剂的元素组成与土壤较为接近．主要是活性硅氧化物、铝氧化物等，与水泥相区别。它利用活性激发成分促进固化剂水化和产生胶结土壤颗粒的胶凝物质，并且在一定程度上激发土壤颗粒本身的活性，在固化剂和土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分．在较长的时间内稳定地增
土壤固化剂使用教程
土壤固化剂使用教程 --以土固精为例 一、原材料的试验 1.对于固化土混合料应用细粒土，应取代表性的试样，进行下列试验： （1）颗粒分析（2）液限和塑性指数（3）击实试验 2.对于水泥，应检验其标号和初、终凝时间及安定性的检测。 3.对于石灰，应检验其有效钙和氧化镁含量。 二、混合料的设计步骤 1.固化土混合料可按下列比例进行配制。 （1）做路面基层用 a水泥类固化土：水泥剂量为6-8%，固化剂用量为0.012-0.018%； b石灰类固化土：水泥剂量为4%，固化剂用量为0.012%-0.015% （2）做路面底基层用 a水泥类固化土：水泥剂量为4-6%，固化剂用量为0.012-0.018%； b石灰类固化土：水泥剂量为4%，固化剂用量为0.012%-0.015% 2.按规定的压实度，分别计算不同剂量的试件应有的干密度。 3.按最佳含水量和计算得出的干密度制备试件。进行强度试验时，作为平行试验的最少试件数量应不小于6个，偏差系数小于10%。若偏差系数不符合规定，则应重做试验，并找出原因，加以解决。如不能降低偏差系数，则应增加试件数量。 4.试件在规定温度下封闭养生6d，浸水24h后，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94）进行无侧限抗压强度试验。 5.计算试验结果的平均值和偏差系数。 6.根据表a、表b的强度标准，选定合适的胶结材料和固化剂剂量。此剂量试件室内试验结果的平均抗压强度R应符合公式要求： R≥Rd/（1-ZaCv） 式中：Rd——设计抗压强度（表a、表b） Cv——试验结果的偏差系数（以小数计） Za——标准正态分布表中随保证率（或置信度α）而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za=1.645；其它公路应取保证率90%，即Za=1.282。 7.施工实际采用的土固精溶液剂量应比室内试验确定的剂量略高。
超疏水材料研究报告进展
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b)
土壤固化剂国内专利申请及应用论文情况
土壤固化剂国内专利申请及应用论文情况 土壤固化剂是以工业废渣为主要原材料与其它多组分复合而生成的一种高强耐水胶结材料，成功解决了常温固化土壤的水稳定性差的问题，成本高的问题和可持续发展问题。技术有如下特点： 应用范围：（1）基础处理工程：处理软地基、基础加固、作防渗漏、边坡加固、护砌工程等；（2）道路工程：高等级公路路基、路堤、护坡、二、三级公路路面；（3）水利工程、堤防加固、渠道衬砌；（4）其它：固化粉煤灰作墙体材料，耐油磨地面，喷射砼，城市垃圾无害化处理等。(土壤固化土壤固化剂)(土壤*固化) 1.[ 200510112715 ]- 一种路用土壤固化剂 2.[ 200510086545 ]- 一种适用于盐渍土的土壤固化剂 3.[ 200510051457 ]- 渠系土壤固化剂及其生产方法 4.[ 200420115305 ]- 一种免烧固化土壤多孔砖 5.[ 200410088657 ]- 一种土壤稳定固化剂 6.[ 200410073273 ]- 一种新型土壤固化剂 7.[ 200410089791]-土壤用固化剂、土壤铺设材料及土壤铺设方法 8.[ 200410020755]- 土壤固化剂 9.[ 200410026167 ]- 一种土壤固化剂及其制备方法 10.[ 200410008727]-一种用于道路施工的土壤固化剂 11.[ 200310118985]-一种固化黄土集流面增流减糙施工方法 12.[ 03130379 ]-强力聚合剂 13.[ 03140845 ]-泥土改质固化安定剂 14.[ 03131147 ]-提供一种土壤和建筑垃圾的固化剂 15.[ 02144612 ]-高效环保新型多功能固化剂 16.[ 200510072198]-一种筑路用固体固化剂 17.[ 02128770 ]-一种筑路方法 18.[ 200510072196]-一种筑路用液体固化剂及其制造方法 19.[ 02104284 ]-土壤固化剂 20.[ 02114829 ]-一种粘土矿物钝化剂及制备方法和用途 21.[ 01134040 ]-磺化脲醛多功能土壤改良剂及其制备方法 22.[ 01125667 ]-土壤固化剂及其制作方法 23.[ 01207637 ]-固化土壤成型机 24.[ 00132282 ]-土壤凝结固化剂组合物 25.[ 00121540 ]-土壤稳定水泥 26.[ 00109845 ]-瓷渣固化剂及其应用 27.[ 98113594 ]-一种土壤固化剂 28.[ 96120005 ]-一种固化酶建筑材料及其用途 29.[ 97197998 ]-用于模制可固化建筑材料的底座的预制模
土壤固化剂道路
土壤固化剂在公路路基工程中应用 延安汇海建筑工程公司 2012年11月
一、土壤固化剂技术的简单介绍 土壤稳定(固化)技术从20世纪40年代开始蓬勃发展，至今已经形成一门综合性的交叉学科。它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域，包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段，综合了力学、结构理论、胶体化学、表面化学等众多理论，它的处理对象也扩充到砂土、淤泥、工业污水、生活垃圾等多种固体、半固体，处理的目的也不仅仅是单一的加固，还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面。 土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。国际上，欧洲建筑业最先提出土力学理论：日本由于地理因素限制，对土壤固化剂的研究投入很大，成果较多；美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子；还有像德国、澳大利亚、南非等国也处在研究的前列。国内以国家“七五”项目为牵头，虽然起步较晚，但是掀起了一阵研究高潮，研制了多种固化剂，并且部分成果已经从实验室走到了应用第一线，对国家建设做出了贡献。但是土壤本身的反应活性很低，再加上道路施工对土壤固化剂的要求较高(不仅要在成本上有较大幅度降低，而且希望强度要高、防水抗冻性能要好、施工方式简单、道路保养费用降低等)。到目前为止，国际国内的各种固化剂都有各自
的缺点。在实际应用上国内还处在起步阶段，而研究工作现在也处于低潮。 根据我公司在全国各地的试验获得成果；总结出一套行之有效施工方法。首先从外加剂入手，但外加剂必须根据土质的化学成分来确定。然后，在根据当地的建筑材料，选配适应本地的固化剂。固化剂适用各行业的施工工艺。在工程应用方面，解决固化土的耐久性、收缩、抗渗、冻融损失；通过对城市排污淤泥的处理，解决了二次污染；对泥浆还可以还原治理；凡是水系统的污染物（包括高分子材料）都可做固化治理。 二、土壤固化剂的标准（CJ\T3073-1998)
(整理)土壤生物修复研究进展.
生物修复污染土壤技术研究进展 1土壤污染和生物修复概述 土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，其厚度一般在 2 m左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力，并能为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。 近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜，水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。人为活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化，并进而造成农作物中某些指标超过国家标准的现象，称为土壤污染。 土壤重污染对人体以及动植物危害的严重性以及其循环过程中不能被降解的特殊性无疑给科学家们提出了巨大的挑战。传统的修复技术，包括物理修复和化学修复，虽然在局部小范围的修复中应用效果明显，但其治理成本高，破坏土壤理化性质，存在二次污染风险，而且对于污染面积巨大且程度较轻的土壤难以实施应用。近年来，应用生物(包括植物和微生物)来修复重污染土壤的研究已经引起了各国科学家的广泛关注。生物修复方法对土壤生态环境不会有影响．是保证土壤生态健康和农业叮持续发展的重要措施[1]。 微生物修复 微生物修复是研究得最早、最深入、应用最为广泛的一种生物修复方法。它利用自然环境中的土着微生物或特效外源微生物的代谢活动，在人为优化的环境条件下加速对环境中污染物的转化、降解与去除[2]。 植物修复 ' 植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术．能在不破坏土壤生态环境．保持土壤结构和微生物活性的情况下．通过植物的根系直接将大量的重金属元素吸收．通过收获植物地上部分来修复被污染的土壤。植物修复的机理通常包括植物
中国土壤微生物生态学研究进展汇总
第1章绪论 由来土壤微生物因其数量庞大、种类繁多而被称为丰富的生物资源库。土壤微生物包括蓝细菌、细菌、放线菌等原核微生物，还有真菌、蓝藻除外的藻类真核生物，地衣以及原生动物等，是一种形体微小，结构较简单的生物。广泛活跃于土壤中，土壤微生物对生物地球化学循环贡献着不可估量的力量，在土壤形成、有机质代谢、污染物降解、植物养分循环转化等过程中具有不可替代的作用，同时也是评价该地土壤肥力的重要指标之一，因此，对土壤微生物的生态学研究，有着非常深远的意义［1 －3］。
第2章草地土壤微生物生态研究概况 草地土壤微生物是土壤有机复合体以及草地生态系统的重要组成部分［4］。通过对土壤中微生物的活动和分布进行详细研究，可以了解对微生物特性、分布、功能等的影响的因素有哪些，同时可以知晓微生物对植物生长发育、土壤肥力以及土壤中能量流动与物质循环的影响和作用。 气候变化与季节更替对草地土壤微生物的数量与分布具有一定影响。微生物总生物量在春夏季节较高，秋季较低，冬季最少。不同类群的微生物量有各自不同的特点，但是随季节变化的总体趋势与上述相似。杨成德等［5］对东祁连山高寒草本草地土壤微生物量及酶的季节动态研究中发现，土壤微生物量碳随季节变化呈先升高后降低再升高的趋势，其中7月达到最大值，9月下降到最小值，但土壤微生物量氮、磷的季节变化与土壤微生物量碳有所不同，土壤酶活性也呈现季节性变化。金风霞等［6］在对不同种植年限苜蓿地土壤环境效应的研究中指出，各种植年限苜蓿草地土壤微生物群落以细菌占优势，而真菌的变化规律不明显，随着种植年限的变化，细菌和放线菌的数量呈现逐年递增的趋势。高雪峰等［7］研究了草原土壤微生物受放牧影响后的季节变化规律，研究结果表明，土壤中的细菌数量最低，从3月份开始逐渐增加，8月份达到最高值，8月到10月降低; 真菌数量3月份最高，5月份最低，而5月8月呈增加趋势，8月到10呈降低趋势; 放线菌数量5月份最少，5月到10月逐渐增加，10月份最高，之后又逐渐降低; 三大微生物类群的季节变化趋势不一致。任佐华等［8］研究了青藏高原腹地中，三江源自然保护区中的高寒草原土壤，分析了土壤微生物受气候变化的影响，结果表明，该区域微生物数量细菌最多，放线菌的数量次之，真菌的数量较少; 并且发现主要功能微生物菌群数量从多到少依次为氨化细菌、好气性固氮菌、硝化细菌、亚硝化细菌; 所研究区域的微生物生物量碳、氮含量差异显著; 对三江源地区高寒草原的土壤微生物活性影响明显的因素是温度的升高。