桐油及其诱导疏水性对干湿循环条件下紫色土开裂行为的影响机制

针对有机添加剂疏水性对土壤开裂行为影响机制不明确的问题，研究人员以中国重庆紫色土为对象，通过添加桐油（0-5%）模拟干湿循环条件，结合图像处理技术揭示了疏水效应通过阻碍水分迁移促使高含水率下开裂、强化干湿循环后期裂隙发育的规律，为有机质土壤抗裂治理提供理论依据。

　　

论文解读

在湿润多雨的重庆地区，紫色土因频繁的干湿循环作用常发生龟裂现象，这不仅破坏耕地生态，还会诱发浅层滑坡等地质灾害。虽然有机添加剂如生物炭、PVA（聚乙烯醇）等已被证实可调控土壤开裂，但其中疏水性成分的作用机制长期被忽视。有趣的是，森林和农田土壤中天然存在的有机质往往具有复杂疏水特性，而中国古代就广泛使用的桐油恰好能提供成分单一、疏水性强且应用历史悠久的理想研究载体。

西南大学研究人员在《CATENA》发表的研究，首次系统揭示了桐油及其诱导疏水性对紫色土开裂行为的双重影响。通过实验室模拟干湿循环、长期裂隙监测和图像处理技术，团队发现：桐油添加使土壤在含水率较高时即发生开裂，1%添加量下总裂隙长度激增187%，而4-5%高浓度时则因黏结效应形成密集细裂隙。疏水效应通过阻碍水分上移（图14b）导致表层快速失水，使最大开裂速度提升3.2倍；在干湿循环后期，疏水作用更显著促进裂隙再发育。

关键方法
采用重庆缙云山紫色土（含34.60%砂粒/59.83%粉粒/5.57%黏粒），添加0-5%桐油制备样品。通过接触角测试验证疏水性，采用环境箱控制干湿循环条件（30°C干燥/25°C湿润），利用高清摄像记录裂隙动态，ImageJ软件量化裂隙几何特征（CIF裂隙率、总长度、平均宽度）。

研究结果

1. 初始干燥后最终裂隙模式
   1%桐油使总裂隙长度达301.22 cm（较对照组提升187%），而4-5%样品因黏结效应形成密集网状裂隙，平均宽度降低至0.03 cm。

2. 干湿循环中裂隙演化
   疏水效应主导0-3%样品的裂隙扩展，其总长度在第三循环后较对照组高89%；而4-5%样品因黏结作用抑制裂隙再发育。

3. 疏水性影响裂隙发育的机制
   基质吸力（matric suction）分析表明，疏水土壤在相同含水率下吸力值更低（Zhang et al., 2023a），但快速失水产生的拉应力仍超过土粒抗拉强度。

结论与意义
该研究阐明桐油通过疏水-黏结双重效应调控土壤开裂：低浓度（1-3%）时疏水效应加速裂隙萌生，高浓度（4-5%）时黏结作用抑制裂隙扩展。这不仅为古代桐油处理土壤的科学原理提供解释，更对现代有机改良剂研发具有指导价值——在抗裂设计中需平衡疏水性与黏结性。研究结果可直接应用于三峡库区等紫色土分布区的地质灾害防治，也为历史建筑土遗址保护提供了新技术思路。