砂姜黑土是我国淮北平原广泛分布的中低产土壤,胀缩性强、开裂严重是砂姜黑土突出的土壤障碍因子,明确土壤收缩及开裂特征规律,对认识及改良砂姜黑土土壤质量有重要的指导意义。但是由于土壤收缩及开裂受到多种因素的影响,过程极为复杂,目前砂姜黑土收缩开裂行为定量研究的报道尚不多见。因此本研究以淮北平原临泉县典型砂姜黑土土壤作为研究对象,详细阐述了该区砂姜黑土土壤特征,研究了不同因素对砂姜黑土收缩及开裂的影响,同时以生物质炭作为土壤改良剂,阐明了其对砂姜黑土收缩开裂性质的改良作用,为今后砂姜黑土收缩开裂性的研究及田间生物质炭对其改良应用提供了科学依据和参考。论文主要研究结果如下:(1)明确了淮北平原地区砂姜黑土农田障碍因子。两块典型砂姜黑土农田的调查分析结果表明,砂姜黑土有机质等养分含量较低。砂姜黑土中砂姜随着土层往下,含量增加,砂姜出现位置一般在40-80 cm。砂姜含量的增加提高了砂姜黑土饱和含水量,降低了土壤田间持水量。砂姜黑土 0-40 cm 土层粘粒达到35%以上,随着土层往下砂姜层的出现,土壤粘粒含量有降低的趋势。砂姜黑土表层土壤容重变化较大,范围在1.161-1.561 g/cm3之间,0-40cm土层线胀系数(COLE)均在0.20以上,田间开裂面积达到了 9.12%。(2)阐明了初始容重、初始质量含水量以及砂姜含量对砂姜黑土收缩及水分特征的影响。在土壤初始容重分别为1.10g/cm3、1.22g/cm3以及1.31g/cm3时,在相同吸力下,土壤含水量随着初始容重增加而增加,土壤的线缩率随初始容重的增大而减小,土壤收缩后的容重随着初始容重增加而增加,且初始容重的增加显著增加了土壤结构收缩段的孔隙比,减少了线性收缩段的孔隙比。当土壤初始含水量分别为0.49g/g、0.43g/g、0.36g/g、0.31g/g和0.25g/g时,相同吸力下,初始含水量越高,水分流失越快,土壤线缩率及最终收缩后的容重越大。当初始含水量为0.36 g/g时,土壤结构段孔隙比最高。当土壤砂姜质量含量分别为0g/g、0.04 g/g、0.06 g/g、0.08g/g、0.10g/g和0.12g/g时,砂姜含量的增加加快了土壤水分的流失,但是砂姜含量对土壤容重及土壤线缩率影响不大,且随着砂姜含量的增加,土壤收缩后的孔隙比增加,但是相同孔隙下土壤水分含量下降。(3)揭示了砂姜黑土在不同因素下的开裂特征。利用MatLab软件平台,针对土壤开裂的特点,选用分段线性灰度变换、最大间类方差法等方式实现图像灰度化、图像平滑过程。基于Harris算法原理设计了土壤裂缝角点检测及距离计算的程序模块,实现了土壤裂缝特征点的提取。同时,通过裂缝特征参数值比较,说明了环境温度与空气湿度、土壤样品的厚度及直径等因素对土壤开裂特征的影响。土壤裂缝特征参数定量表明,土壤开裂的复杂程度随着环境温度和土样厚度的增加而减小,随着空气湿度及土壤直径的增加而增加。不同条件下,土壤裂缝的开裂面积Dc值变化范围为11.27%-15.11%,连通度CI值为0.38-0.58,开裂长度Lc值为0.25%-0.63%,开裂周长P值为0.48%-1.33%,当量宽度EW值为17.78-51.50像素,盒维数FD值为 1.593-1.791。(4)通过多次重复实验,说明土样厚度对砂姜黑土开裂过程的影响,并指出了适合土壤裂缝研究的样品大小。相同的环境因素下,不同土样厚度的样品最后开裂状态重现性都较好。其中4-5 mm 土样厚度下,土壤各项开裂指标的平均值和标准差分为分别为:Dc(12.55%±0.38%)、CI(0.45±0.02)、Lc(0.73%±0.07%)、P(1.83%±0.07%)、EW(13.72±0.54)(像素)、FD(1.546 ±0.02)。除外,当土样厚度为4-5mm时,利用图像法与细针法相结合测定的土壤开裂体积与铁粉法测定的开裂体积最为接近,最大相差8.65%。土壤开裂过程表明,土样厚度在4-5 mm时,不同重复之间土壤开裂面积、开裂体积以及收缩体积随土壤含水量变化过程重现性最好,而土壤厚度为9-10 mm与15-16 mm时,土壤不同部位水分不均匀导致土壤开裂过程差异较大。因此,推荐使用4-5 mm的土样厚度进行土壤开裂研究。(5)添加生物质炭,有效的减少了砂姜黑土的开裂收缩性,增强了其持水性。与不添加生物质炭的砂姜黑土(T0)相比,添加5%(T5)、10%(T10)以及15%(T15)的生物质炭以后,土壤有机碳含量都有所增加,添加生物质炭含量也增加了砂姜黑土中大于0.053 mm的团聚体含量,减少了小于0.053 mm的团聚体。同时,添加生物质炭以后,土壤开裂稳定时的含水量增加。在土壤开裂过程中,Dc、EW、FD、P、Lc及CI值随着含水量的降低而升高,且随着生物质炭含量的增加,各个裂缝指标参数值都降低。随着干湿循环次数的增加,除了 T0以外,各处理的Dc都下降。在添加10%以及15%的生物质炭以后,土壤的COLE值分别减小了 41.45%以及45.54%,但是在添加5%的生物质炭以后没有明显的变化。同时生物质炭含量的增加,使得土壤孔隙度随着含水量的变化减慢,在土壤水分稳定时,T5、T10以及T15处理下土壤的孔隙度分别提高了 10.44%、24.80%及28.36%。与T0相比,T5、T10以及T15处理下在萎蔫点处体积含水量增加了 5.90%、13.15%和 19.61%。