一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法与流程

本发明属于水土保持和土壤学领域，具体地涉及一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，专用于喀斯特地区地下孔(裂)隙形态特征及其中土壤样品采集。

背景技术：

我国是世界上喀斯特面积分布最广泛的国家，即使不包括埋藏的喀斯特，仅由碳酸盐类岩石出露发育的喀斯特面积就达130万km²，其中以贵州为中心的西南地区仅地表喀斯特出露面积就达51万km²，是全球喀斯特发育强烈、分布也最为集中的地区，是典型的生态环境脆弱区。这些碳酸盐类岩石在溶蚀作用下，极易在地表浅层形成孔隙、裂隙等独特的岩溶地质环境。地下孔(裂)隙的存在使得喀斯特地区存在地表和地下两个方向上的流失，同时地下孔(裂)隙中赋存的土壤能够为植物生长提供立足条件。目前，喀斯特土壤方面的研究已从地表土壤的赋存研究扩展到岩石孔（裂）隙的地下土壤空间，地下孔(裂)隙土壤赋存特征已成为一大研究热点。

由于喀斯特地下孔(裂)隙的隐蔽性和复杂性，当前研究学者研究喀斯特地下孔(裂)隙的方法主要是运用钢槽模拟、均匀石块堆砌模拟、野外小流域监测等方法。这些方法均存在共同的缺点是对于喀斯特地下孔(裂)隙形态特征及其中土壤赋存特征认识不足，导致相关的研究均处于基础的模拟阶段，与实际情况存在较大的差异。

另外，采集喀斯特地下孔(裂)隙形态特征的方法主要是利用地质雷达或三维激光扫描仪对地下浅层孔裂隙进行探测计算机统计地下孔(裂)隙特征，这两种方法虽能较快的记录坡地地下孔(裂)隙的特征，当都存在对小的孔裂隙识别度差的问题，同时无法采集到对应地下孔(裂)隙内土壤样品，这对喀斯特地区地下水土流失、土壤赋存特征的研究存在较大的限制。

因此，准确的认识地下孔(裂)隙形态特征及其土壤赋存特征，对该领域的研究是十分重要。而当前，尚未有一个统一的地下孔(裂)隙形态信息采集及其土壤样品采集的方法。因此，本发明运用地质野外调查方法和土壤学知识，通过野外探索自然坡地的地下孔(裂)隙形态特征和土壤样品的采集方法，最终找到喀斯特地下孔(裂)隙及其土壤信息的采集方法。这将会对喀斯特地区水土流失和地下孔(裂)隙土壤赋存特征等研究起重要推动作用。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，该方法解决了当前喀斯特地区地下孔(裂)隙形态特征采集准确度不足和地下孔(裂)隙形态特征信息与土壤样品不对称的问题，同时，该方法所需的工具主要为地质罗盘仪、5m卷尺、水准尺、环刀，价格低廉，容易获取，具有可控性、全面可靠，实际应用价值高、操作简单等优势。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，包括以下步骤：

(1)根据研究内容，在研究区域内以穿越样线法布置样地，通过调查选取已开挖的边坡剖面作为地下孔、裂隙信息采集的样点；

(2)每个剖面样地调查三个地下孔、裂隙样方，每个样方为高2.0m×宽1.5m；

(3)运用地质调查统计窗法采集开挖剖面地下孔、裂隙的产状、倾角、张开度、迹长、径长和纵长各指标；

(4)土壤样品采集选择“表层空间+下层空间”的组合形式，分别采集地表和地下孔、裂隙中的土壤样品，每个深度采集三个土壤样品混合均匀后放入样品袋内，用于后期室内理化性质测定；

(5)采集得到的土壤样品称重记录后用自封袋保存，在实验室内测定理化性质。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（3）张开度分别采集地下孔、裂隙最顶端、中间和最低端的张开度。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（4）地表土壤样品采集深度为0~20cm。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（4）地下孔、裂隙土壤采集方法为分为两种：

①基岩出露在地表上，则以地表为基准线，分别采集地下孔、裂隙中深度20cm、40cm和60cm处的土壤样品；

②基岩埋植在地表土层以下则以岩石最高点为为基准点，分别采集地下孔、裂隙中深度为40cm、60cm和80cm处的土壤样品。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（3）运用地质罗盘仪测定地下孔、裂隙基岩的产状、倾角，用卷尺测定地下孔、裂隙的张开度、迹长、径长和纵长。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（4）土壤样品采集顺序为先采集最底层的土壤样品，然后依次往上采集，以免上层土壤样品对下层土壤样品造成污染。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（4）地下孔、裂隙中土壤样品采集工具为高5.0cm，直径2.0cm，容积15.7cm³的环刀。

上述的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，其中：所述步骤（5）土壤样品理化性质测定采用传统的检测方法。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明所需试验设备价格低廉，容易获取，同时可采集到对应地下孔(裂)隙的形态特征及其土壤样品，具有良好的可控性和实际应用价值，通过该方法可高效、快速的采集地下孔(裂)隙形态特征及其土壤样品。

附图说明

图1是本发明的技术路线图；

图2是本发明的剖面样地布置示意图；

图3是本发明的地下孔(裂)隙形态指标采集方法示意图；

图4是本发明基岩出露时的地下孔(裂)隙土壤样品采集深度示意图；

图5是本发明埋藏型基岩的地下孔(裂)隙土壤样品采集深度示意图。

图中标记：1、地下孔(裂)隙样方范围；2、张开度；3、倾角；4、径长；5、迹长；6、纵长；7、土壤；8、基岩；9、地表；10、地下孔(裂)隙土壤采样基准线；11、地下孔(裂)隙内土壤采样深度。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提出的一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

参见图1-5，一种喀斯特地下孔隙、裂隙及土壤信息的采集方法，包括以下步骤：

(1)根据研究内容，在研究区域内以穿越样线法布置样地，通过调查选取已开挖的边坡剖面作为地下孔、裂隙信息采集的样点；

(2)每个剖面样地调查三个地下孔、裂隙样方，每个样方为高2.0m×宽1.5m，见图2；

(3)运用地质调查统计窗法采集开挖剖面地下孔、裂隙的产状、倾角、张开度、迹长、径长和纵长各指标，见图3；

(4)土壤样品采集选择“表层空间+下层空间”的组合形式，分别采集地表和地下孔、裂隙中的土壤样品，每个深度采集三个土壤样品混合均匀后放入样品袋内，用于后期室内理化性质测定；

(5)采集得到的土壤样品称重记录后用自封袋保存，在实验室内测定理化性质。

所述步骤（3）运用地质罗盘仪测定地下孔、裂隙基岩的产状、倾角，用卷尺测定地下孔、裂隙的张开度、迹长、径长和纵长。

所述步骤（3）张开度分别采集地下孔、裂隙最顶端、中间和最低端的张开度。

所述步骤（4）地表土壤样品采集深度为0~20cm。

所述步骤（4）地下孔、裂隙土壤采集方法为分为两种：

①基岩出露在地表上，则以地表为基准线，分别采集地下孔、裂隙中深度20cm、40cm和60cm处的土壤样品，见图4；

②基岩埋植在地表土层以下则以岩石最高点为为基准点，分别采集地下孔、裂隙中深度为40cm、60cm和80cm处的土壤样品，见图5。

所述步骤（4）土壤样品采集顺序为先采集最底层的土壤样品，然后依次往上采集，以免上层土壤样品对下层土壤样品造成污染。

所述步骤（4）地下孔、裂隙中土壤样品采集工具为高5.0cm，直径2.0cm，容积15.7cm³的环刀。

所述步骤（5）土壤样品理化性质测定采用传统的检测方法。

实施例：

(1)以本发明方法，在贵州省贵阳市花溪区选取成土基岩为石灰岩的地下孔(裂)隙进行地下孔(裂)隙形态特征及其土壤样品采集。

(2)以本发明方法，在研究区内沿公路对两侧喀斯特地区开发建设项目新开挖的典型垂直剖面进行调查和取样。

(3)选定好已开挖的剖面后，运用地质调查统计窗法剖面上选3个地下孔(裂)隙样方，每个样方地下孔(裂)隙为高2.0m×宽1.5m的矩形。地下孔(裂)隙形态特征采集时运用地质罗盘仪测定地下孔(裂)隙基岩的产状、倾角，用卷尺测定地下孔(裂)隙的张开度、迹长、径长和纵长。见表1。

(4)样方内土壤样品采集选择“表层空间+下层空间”的组合形式，分别采集地表和地下孔(裂)隙中的土壤样品，其中地表土壤采样深度为0~20cm，地下孔(裂)隙内的土壤采样深度为40、60和80cm，每个采样深度用环刀采集3个土壤样品称重、混合均匀后放入自封袋内，用于室内测定土壤样品的理化性质。土壤全氮用扩散法；土壤全磷用钼锑抗比色法；土壤全钾用火焰光度计法；土壤pH值用pH计(GL27859—87)测定；土壤机械组成用比重计法。

岩性为石灰岩的L1裂隙，土壤中的黏性颗粒（＜0.002mm）含量为51.25%~71.67%，其分形维数范围为2.69~2.82，且从表层至下层土壤，土壤的黏粒含量逐渐增大，其分形维数逐渐升高，符合喀斯特地区土壤 “上松下紧”的特征。

岩性为石灰岩的L2裂隙，土壤中的黏性颗粒（＜0.002mm）含量为26.65%~36.85%，其分形维数范围为2.56~2.67，且从表层至下层土壤，土壤的黏粒含量先增大后减小，其分形维数也先升高后降低。王国梁^[19]认为土壤分形维数与黏粒含量呈正相关性，即土壤黏粒含量高的土壤，其分形维数也大，L2裂隙的土壤也基本上符合这一规律。L2裂隙土壤的黏粒含量和分形维数最小值均出现在裂隙中的最底层，甚至小于表层土壤，出现了与L1裂隙不同的现象，可能是由于该石灰岩裂隙地下岩溶发育比较强烈，在岩土界面，水化学作用强烈，岩石发生溶解后的砂粒混入了土壤中，造成其黏粒含量降低。

岩性为白云岩的D1裂隙，土壤中的黏性颗粒（＜0.002mm）含量为27.66%~64.48%，其分形维数范围为2.56~2.80；岩性为白云岩的D2裂隙，土壤中的黏性颗粒（＜0.002mm）含量为28.56%~46.57%，其分形维数范围为2.57~2.72。白云岩裂隙从表层至下层土壤，基本上呈现土壤的黏粒含量逐渐增大，分形维数逐渐升高的规律。这可能是因为白云岩硬度大，其风化主要发生在地表岩石，地下的溶蚀作用发生较为缓慢，地表土壤不断在裂隙中堆积，处于下层的土壤孔隙由于挤压，不断被压实，造成土壤板结，黏粒含量升高。见表2。

(5)地表和地下孔(裂)隙的土壤养分特征

岩性为石灰岩的L1裂隙pH值范围为7.61~7.69，L2裂隙pH值范围为7.58~7.87；岩性为白云岩的D1裂隙pH值范围为7.53~7.71，D2裂隙pH值范围为7.31~7.54。本研究土壤样品的pH值在7.31~7.87之间变化，基本上属于中性至弱碱性，变化幅度不大^[20]。与下层土壤相比，表层土壤的pH值略小，这可能是由于表层土壤受地表植物根系作用等因素的影响。

岩性为石灰岩的L1裂隙和L2裂隙，其土壤全氮、全磷、全钾含量在垂直剖面上的变化并不规律。L1裂隙中土壤全氮含量最高出现在表层和地下第三层（0.400g·kg^-1），而L2裂隙中全氮含量最高出现在地下第一层（2.960g·kg^-1）；L1裂隙中土壤全磷含量最高出现在地下第二层（0.356g·kg^-1），而L2裂隙中全磷含量最高出现在地下第一层（1.097g·kg^-1）；L1裂隙中土壤全钾含量最高出现在地下第二层（14.128g·kg^-1），而L2裂隙中全钾含量最高出现在表层（4.857g·kg^-1）。

岩性为白云岩的D1裂隙和D2裂隙，其土壤全氮、全磷、全钾含量在垂直剖面上的变化比较规律。土壤全氮、全磷含量最高一般出现在表层，随着土壤垂直剖面上深度上的增加，其含量也基本上呈下降趋势；而全钾含量则不同，D2裂隙中，随着随着土壤垂直剖面上深度上的增加，其全钾含量也基本上出现了下降趋势，但是在D1裂隙中却出现了一个近乎相反的现象。见表3。

综上，本发明具有以下优点：①本发明所需试验设备价格低廉，容易获取，操作简单；②可采集到对应地下孔(裂)隙的形态特征及其土壤样品，具有良好的可控性和实际应用价值，通过该方法可高效、快速的采集地下孔(裂)隙形态特征。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对发明型作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。