《CATENA》：Revealing drying-induced crack networks and hydrological pathways in loess using image recognition and continuous X-ray CT
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•揭示了初始含水量对黄土裂纹网络演化的双重控制作用。•揭示了黄土中裂纹对蒸发-入渗的双重水文效应。•整合连续成像、逐时CT扫描和孔隙尺度流动的多尺度研究框架。引言黄土高原及全球半干旱黄土区以深厚的多孔风成沉积物为特征，对水分扰动高度敏感（Wang等，2025a，Wang等，2
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揭示了初始含水量对黄土裂纹网络演化的双重控制作用。
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揭示了黄土中裂纹对蒸发-入渗的双重水文效应。
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整合连续成像、逐时CT扫描和孔隙尺度流动的多尺度研究框架。
引言
黄土高原及全球半干旱黄土区以深厚的多孔风成沉积物为特征，对水分扰动高度敏感（Wang等，2025a，Wang等，2025b）。其亚稳态孔隙结构和表面形态在降雨、蒸发、冻融循环及植被变化等外部强迫作用下容易发生持续重组，从而影响坡面径流、入渗、侵蚀及浅层稳定性（Li等，2024a；Li等，2024c；Xu等，2025）。关于黄土坍塌、饱和水力传导率各向异性以及黄土-古土壤界面效应的研究进一步表明，土壤结构演化是连接外部环境扰动与水文学和地貌学响应之间的机制纽带（Yang等，2022；Tang等，2023；Gao等，2026，Peng等，2025）。其中，在交替高温干燥和间歇性暴雨条件下形成的干燥裂纹尤为关键：干燥阶段裂纹增大了有效蒸发界面并缩短了水分迁移路径；随后的降雨阶段，裂纹可转变为快速入渗和优势流通道，加速湿润锋推进并削弱局部土壤强度（Jing等，2022；Nian等，2025；Wang和Li，2024）。然而，这些水文效应并非仅由表面裂纹尺度决定，而是受裂纹起始时机、向下扩展以及三维连通性的共同控制。因此，阐明水分迁移驱动孤立裂纹向三维连通网络转化的耦合机制，以及双向调节蒸发和优势流的过程，对于建立干燥事件与坡面侵蚀起始及浅层不稳定性之间的过程联系至关重要。
关于干燥裂纹的演化，二维图像识别技术已被广泛用于提取裂纹面积、总长度、宽度、分形维数和土块面积等参数。例如，Tang等（2011）通过数字图像处理提取裂纹长度、面积和分形维数，系统分析了干燥过程中裂纹的时变演化。Zhang等（2015）将图像分析与入渗实验相结合，揭示了裂纹几何形态对优势流路径形成的控制效应。Xu等（2022a，2022b）进一步利用自动化图像处理方法实现了裂纹宽度分布及其演化过程的高精度识别，并分析了含水量与裂纹扩展之间的关系。在此基础上，Zhou和Li（2025）整合环形剪切试验、图像分析和数值模拟，定量阐明了粉砂级黄土颗粒在剪切作用下的断裂特征、接触演化和形态变化，揭示了颗粒破碎对土壤宏观力学响应的微观机制。总体而言，二维图像方法在提取裂纹几何参数和分析表观演化方面具有高效性，已成为干燥开裂研究中最广泛使用的技术（Tang等，2022）。该方法具有非接触操作、连续监测和批处理能力等优势，能够有效表征表面裂纹的时变变化。然而，二维表面裂纹形态并不总能代表内部裂纹连通结构。裂纹可能沿深度方向发生偏转、分叉、终止或局部互连。仅依赖表面几何参数容易低估内部连通性及其对水分迁移的影响（Luo等，2025）。因此，仅基于表面裂纹的信息不足以从结构角度从根本上解释土壤结构的演化及其相关的水文效应。
X-CT能够实现土壤内部孔隙和裂纹的三维表征，已被广泛应用于土壤结构研究。例如，Tang等（2019）利用X-CT对压实土壤中的裂纹进行了三维表征，定量获取了裂纹体积和空间分布。Liu等（2024）利用X-CT数据计算膨胀土柱内部裂纹的分形维数，实现了对开裂程度的定量描述。为探索裂纹结构对水力特性的影响，一些研究开始将X-CT获得的三维结构与渗流分析相结合。Hou等（2025）比较了基于X-CT识别孔隙和基于压汞法（MIP）获取喉道的渗透率预测模型，发现前者能更准确地反映真实渗透率。Zhang等（2025）基于红粘土干湿循环后的X-CT图像进行了渗透率模拟，直观展示了孔隙连通性增强导致渗透率数量级增加的现象。这些研究将土壤裂纹研究从二维表面描述推进到三维结构和水力功能分析。然而，现有研究仍主要关注离散时间的裂纹结构比较或干燥后的渗透率评估（Du等，2026；Li等，2024b；Li等，2026），但缺乏对连续裂纹网络演化与并发蒸发过程之间动态关系的充分理解。裂纹何时从对蒸发致失水的结构响应转变为促进水分逃逸的有效通道仍不清楚，干燥过程中形成的连通裂纹如何进一步控制优势流潜力也缺乏系统性解释。因此，需要建立"裂纹网络演化—蒸发动态响应—优势流潜力形成"之间的连续过程联系，从而揭示干燥裂纹从几何结构演化向水文功能转化的内在机制。
基于上述认识，本研究以重塑黄土为研究对象，在50°C恒温条件下开展了协同蒸发-开裂实验，设置45%至65%共五个初始含水量水平。通过逐时称重结合连续图像采集，监测了蒸发过程和表面裂纹演化。同时引入连续X-CT扫描，实现了内部裂纹网络的连续三维表征。在此基础上，结合图像识别和三维重建方法，定量分析了裂纹体积、表面积和连通性的时变演化。进一步基于X-CT重建结构进行了孔隙尺度渗流模拟，探讨了裂纹网络对干燥后渗透特征和优势流潜力的影响。
与以往主要关注裂纹三维形态或干燥前后结构差异的研究不同，本研究进一步将裂纹网络的时变演化与蒸发动态联系起来，并将干燥过程中形成的裂纹结构扩展到其后续的水导功能。研究揭示了蒸发致失水驱动裂纹形成、裂纹快速扩展重组蒸发路径、连通裂纹网络控制优势流潜力的连续过程。阐明了干燥裂纹在不同阶段的转化功能：从收缩响应结构到蒸发通道，再到潜在优势流通道。这一认识有助于从动态土壤结构角度解释交替降雨和蒸发条件下黄土区的水文响应、侵蚀起始和浅层稳定性变化。
章节摘要
实验材料及其基本性质
本研究的黄土采集自典型黄土区的一个坡面，深度约为地下1米处。为最小化扰动，样品在现场采集后立即用多层泡沫薄膜和塑料薄膜密封，并运至实验室进行后续处理。为确保试验的可重复性和可控性，采用重塑土法制备试样。首先，对原状黄土进行初步筛分以去除
表面裂纹参数的时变演化
基于图像识别结果，对干燥过程中不同初始含水量条件下试样的裂纹面积、裂纹总长度、最大裂纹宽度和平均裂纹宽度进行了统计分析（Han等，2024）。结果分别如图4和图5所示。总体而言，所有试样组的裂纹演化均表现出明显的阶段性特征，表现为三个连续阶段："裂纹孕育—快速
初始含水量对裂纹网络演化路径的控制
初始含水量对黄土干燥开裂的影响并非简单地增加或减少最终裂纹数量，而是同时改变裂纹起始时机和起始后的网络发育程度。在50°C的相同干燥条件下，表面水分首先流失，而内部水分持续向蒸发界面迁移，从而形成空间非均匀的水分状态。随着颗粒间曲率的
结论
（1）高温干燥条件下，不同初始含水量黄土的表面裂纹演化始终表现出三个阶段："裂纹孕育—快速扩展—后期稳定"。初始含水量较低的试样起始开裂较早，而初始含水量较高的试样起始延迟。然而，一旦起始，后者的裂纹面积和总长度增长更快，最终形成裂纹网络
作者贡献声明
楼一力：撰写初稿、形式分析、概念设计。石春华：撰写—审阅与编辑、资金获取。朱涛：撰写—审阅与编辑、形式分析、概念设计。郑可跃：方法论、数据整理。肖英明：撰写—审阅与编辑、方法论。彭竹：撰写—审阅与编辑、数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52478425）提供的资金支持。
楼一力|石春华|朱涛|郑可跃|肖英明|彭竹
