紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量評價

王紅蘭，蔣舜媛，崔俊芳，唐翔宇

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紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量評價

王紅蘭1,2，蔣舜媛2，崔俊芳1※，唐翔宇1

（1. 中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2. 四川省中醫(yī)藥科學(xué)院，成都 610041）

為闡明大孔隙豐富且孔徑呈兩極分化的紫色土坡耕地土壤大孔隙流的運移規(guī)律，通過室內(nèi)土柱試驗獲取耕作層0～20 cm、非耕作層20～40 cm原狀土柱和填裝土柱的穿透曲線，分析飽和條件下土壤大孔隙流發(fā)生規(guī)律，并采用解析法CXTFIT軟件擬合了水分優(yōu)先運移參數(shù)，PFSP指標（大孔隙流引起的穿透曲線延展量與水動力彌散作用及兩區(qū)作用引起的延展量的比值）定量評價土壤大孔隙流的貢獻率。研究結(jié)果表明：1）以填裝土柱水流為平衡基質(zhì)流計算，耕作層0～20 cm原狀土柱中大孔隙流的導(dǎo)水貢獻率為66.2%～68.5%，而Br-累積淋出量占總淋出量的62.3%～66.1%。對于非耕作層20～40 cm，土壤大孔隙流導(dǎo)水貢獻率為0.2%～1.7%，而Br-隨大孔隙流運移的比例卻達14.5%～20.5%。說明耕作層土壤中大孔隙流現(xiàn)象遠比在非耕作層土壤中更為顯著；2）PFSP值結(jié)果表明大孔隙流作用對穿透曲線延展量的貢獻率最大，兩區(qū)交換運移作用次之，水動力彌散作用的最小。即PFSP值越大，大孔隙流對總水流通量的貢獻率越大。

土壤; 徑流; 坡地；大孔隙流；土柱試驗；Br-示蹤

0 引 言

土壤大孔隙流（Macropore flow）是優(yōu)先流（Preferential flow）的一種，是指土壤水分和溶質(zhì)（養(yǎng)分、鹽分、膠體及污染物等）沿大孔隙、狹長裂隙及蚯蚓孔洞等優(yōu)先通道，繞過結(jié)構(gòu)緊實、透水性差的土壤基質(zhì)快速運移至土壤深部或地下水中[1-2]。由于大孔隙的存在，一方面，土壤水分和養(yǎng)分不能被作物有效利用，增大了農(nóng)業(yè)灌水和施肥的滲漏損失，造成資源浪費，增加農(nóng)業(yè)投入[3]；另一方面，進入土體污染物通過大孔隙流進入地下水，引起水體污染和環(huán)境安全問題[4]。因此，大孔隙流不僅是水文水資源領(lǐng)域[5]，而且是環(huán)境[6]、農(nóng)業(yè)[7]、工程地質(zhì)[8]等領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一。目前，對優(yōu)先流的研究主要集中于大孔隙流路徑觀測技術(shù)[9-10]、發(fā)生影響因素[11-12]、大孔隙流模擬[13-14]等方面。

水分穿透曲線法是室內(nèi)模擬土壤大孔隙流最為常用的方法。該方法通過在水中加入土壤吸附性較弱的離子（如溴離子、氯離子、碘離子、硝酸根離子等）、同位素或染料作為標記物，采用模擬人工降雨的方式進行室內(nèi)土柱水分穿透曲線試驗，測定出流量和標記物的出流濃度，獲取標記物的穿透曲線，從而劃分土壤大孔隙優(yōu)先水流。Paseka等[15]通過觀測不同示蹤劑施加方式下原狀土穿透曲線的變化規(guī)律，比較了觀測資料與傳統(tǒng)的溶質(zhì)運移數(shù)值模擬結(jié)果的差異。Pot等[16]基于不同降雨強度下2種農(nóng)藥在原狀草甸土柱中的穿透曲線，研究了降雨強度對溶質(zhì)優(yōu)先遷移的影響，進一步揭示2種農(nóng)藥在土壤中運移的差異。郭會榮等[17]的研究結(jié)果表明土壤溶質(zhì)優(yōu)先運移具有快速穿透，穿透曲線不對稱和拖尾等特點。孫龍等[18]將染色法、穿透曲線法和Poiseulle方程相結(jié)合，研究了不同柑橘地土壤大孔隙空間分布特征，發(fā)現(xiàn)土壤大孔隙率與穩(wěn)定出流速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

目前，有關(guān)紫色土壤大孔隙流的研究主要集中于三峽庫區(qū)紫色土砂巖區(qū)域[19-20]，對農(nóng)田土壤的相關(guān)研究報道卻很少。因此，本研究以川中丘陵區(qū)坡耕地土壤為研究對象，通過室內(nèi)原狀土（含大孔隙）和填裝土土柱試驗，獲取示蹤劑Br-離子的穿透曲線，闡明飽和條件下水分優(yōu)先遷移的變化規(guī)律，揭示翻耕后大孔隙的變化對土壤大孔隙流的影響。該研究結(jié)果對紫色土丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)灌水、施肥的高效利用以及污染物的優(yōu)先遷移通道研究具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E，31°16′N），海拔400～600 m，屬中丘-深丘地貌，林地植被為榿柏混交林和散生喬木為主，農(nóng)作物以玉米、小麥、油菜和水稻為主。土壤以石灰性紫色土和水稻土為主，中亞熱帶氣候，年均氣溫17.3 ℃，年均降雨量826 mm[21]。

1.2 試驗土柱

在試驗區(qū)內(nèi)選取一塊典型坡耕地，于2015年4月30日（翻耕前）和5月6日（翻耕后，旋耕機翻耕，深度約15～20 cm）采集耕作層0～20 cm和非耕作層20～40 cm的原狀土柱。具體操作步驟為：將不銹鋼圓環(huán)（直徑15 cm，高20 cm）輕輕打入土壤中，把圓環(huán)四周的土壤全部挖出（圖1），隨后用鐵鏟將土柱從根部鏟斷削平，使用濾紙墊好并用紗布包裹土柱尤其是土柱兩端，防止土粒脫落，然后帶回實驗室進行試驗。為避免室內(nèi)降雨實驗過程中人為失誤導(dǎo)致土柱的不可利用，每個土層重復(fù)2次。

在原狀土柱采樣點附近分2層（0～20和20～40 cm）取適量分散土，待土壤自然風(fēng)干，除去各種雜質(zhì)（根系、石礫等）后過篩2 mm，按田間容重分層（2 cm/層）將土壤均勻裝入相同尺寸的不銹鋼圓環(huán)中，總厚度為20 cm。為了避免出現(xiàn)人為的土層界面，每次倒入土樣前先把上次壓過的土面抓毛。

圖1　田間采樣圖

土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。耕作層0～20和非耕作層20～40 cm土層的土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。由表1可知，土壤pH值介于7.18～8.03，且碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)介于182.52～192.41 g/kg，為石灰性紫色土。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨著土層深度的增加減小，表層質(zhì)量分數(shù)高達11.04g/kg，而非耕作層20～40 cm的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)僅為3.78 g/kg。從土壤粒級的含量來看，各層土壤的砂粒質(zhì)量分數(shù)最大，均在46%以上，粉粒在40.76%～41.65%之間，黏粒百分含量相對較少，其值均低于10%。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.3 降雨入滲模擬試驗

采用蠕動泵結(jié)合降雨器給土柱進行人工降雨（降雨水源為自來水經(jīng)RO反滲透法獲取的去離子水），用50 mL玻璃管收集底孔出流的水溶液，用秒表記錄時間。降雨器上面安裝20個直徑0.5 mm，呈圓狀均勻分布的注射針頭，從針頭處出流水滴的直徑約為2 mm，針頭的出流點距土柱內(nèi)土壤表面10 cm。通過調(diào)節(jié)蠕動泵的參數(shù)設(shè)定降雨強度，保證每次土柱試驗的降雨量均相等。

人工降雨前對每個土柱用去離子水進行飽和，飽和后用2 L去離子水進行淋溶，以使土柱達到物理與化學(xué)平衡，淋溶結(jié)束后馬上進行降雨試驗。采用蠕動泵結(jié)合降雨器將100 mg/L KBr溶液施加到土壤表面，并同步打開秒表記錄時間。隨后在土柱表面進行人工降雨，雨強根據(jù)土柱的飽和導(dǎo)水率來確定，降雨持續(xù)24 h以上，保證所有的Br-均隨水流流出土柱。試驗過程中通過調(diào)節(jié)蠕動泵的參數(shù)來控制雨強，盡量保證降雨的均勻性，并保證同一土層深度土柱的降雨總量和時間基本相等。

降雨時，用自動采樣收集器收集底孔出流水樣，根據(jù)其出流速度的具體情況設(shè)定采樣時間間隔，保證取樣管50 mL玻璃管的水不溢出，取樣直至水樣中未能監(jiān)測到示蹤劑Br-為止（初次試驗預(yù)估時間）。取樣的同時記錄水樣編號以及與之對應(yīng)的開始時間和結(jié)束時間，最后對所取水樣統(tǒng)一進行匯總出流量，采用流動分析儀測量出流液中示蹤劑Br-的濃度。

1.4 水樣分析方法

采用流動分析儀分2段濃度梯度測定水樣中Br-離子濃度變化情況。高濃度標準曲線設(shè)定9個濃度梯度：96，84，72，64，56，48，36，24和16 mg/L；低濃度標準曲線設(shè)定6個點：20，16，12，8，4和2 mg/L。以此保證準確測定Br-離子濃度變化趨勢。標準曲線測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 流動分析儀檢測溴離子標準曲線

1.5 定量評價方法

1.5.1 水分優(yōu)先運移參數(shù)模擬

基于室內(nèi)原狀和填裝土柱試驗獲取的Br-穿透曲線，采用CXTFIT軟件中“對流彌散平衡運移模型（CDE）”來刻畫裝填土柱中的水分運移；采用物理非平衡運移模型“兩區(qū)模型（Two-region model）”來描述原狀土柱中水分運移過程，分別獲取水分遷移的模型參數(shù)。

1.5.2 時間矩分析方法

采用時間矩分析方法定量刻畫穿透曲線形狀，時間矩的具體表達式如下

式中是無量綱空間坐標；是無量綱時間，用孔隙體積表示；和0分別為溶質(zhì)濃度和輸入溶質(zhì)濃度；下標是矩的階數(shù)。

本研究認為可用零階矩0來表示土柱出流液示蹤劑質(zhì)量，一、二階矩分別用來刻畫穿透曲線（Break through curves, BTCs）的均值和偏差系數(shù)[17]。此外，還經(jīng)常用到標準矩（′）和中心矩（μ）來刻畫穿透曲線的相關(guān)信息。

標準矩：

中心矩：

二階中心矩（2）數(shù)值上等于穿透曲線的平均延展量（指穿透曲線在其均值附近波動的大小）；三階中間矩（2）可用于刻畫BTCs的非對稱。偏態(tài)系數(shù)也可以用來描述穿透曲線的非對稱，具體表達式為：

1.5.3 大孔隙流的評價指標（PFSP）

研究表明：大孔隙流影響下的水分快速運移主要由水動力彌散作用、兩區(qū)作用以及大孔隙流作用等3部分組成[22]，所以土壤中Br-運移引起的穿透曲線BTCs的延展程度就是由這3部分作用形成的。因此，穿透曲線的延展量（2）等于水動力彌散作用（dis 2）、兩區(qū)作用（tr 2）以及大孔隙流作用（pf 2）3部分的加和，即：

其中

式中dis 2和tr 2值分別用填裝土柱模型模擬獲得的、動水區(qū)比例因子和質(zhì)量交換系數(shù)值以及原狀土柱模型模擬得到的阻滯因子值來計算。0為無量綱初始時間，0=。pf 2值根據(jù)式（5）計算得到。該方法認為水動力彌散作用以及實際的兩區(qū)作用對穿透曲線延展的總貢獻量由均質(zhì)填裝（無優(yōu)先流）土柱的參數(shù)反映，而導(dǎo)致原狀土柱穿透曲線高度不對稱性的機制是大孔隙流的存在[17]。

為了刻畫大孔隙流對穿透曲線延展量的影響，可用綜合指標PFSP來定量評價：

PFSP反映了大孔隙流引起的穿透曲線延展量與水動力彌散作用及兩區(qū)作用引起的延展量的比值，因此可以作為刻畫大孔隙流貢獻率的定量指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 Br-穿透曲線特征

根據(jù)原狀土柱和填裝土柱出流液檢測的試驗數(shù)據(jù)繪制Br-穿透曲線，以出流液的相對濃度（/0）作縱坐標，孔隙體積（/0）為橫坐標。這里的相對濃度（/0）是指出流液濃度與施加的示蹤劑濃度之比；孔隙體積（/0）即出流液體積與土柱有效孔隙體積之比，如圖3所示。

較早的初始穿透和出流液中溶質(zhì)相對濃度為0.5時孔隙體積/0<1可作為判斷土壤優(yōu)先水流存在的依據(jù)[23]。由圖3可知，當出流液Br-相對濃度為0.5時，翻耕前后0～20 cm原狀土柱的孔隙體積分別為0.185和0.207 PV，20～40 cm土層的孔隙體積則分別為0.174和0.116 PV；填裝土柱對應(yīng)的孔隙體積分別為1.005和1.025 PV，說明原狀土柱中存在優(yōu)先流。倪余文等[24]采用上述方法亦得出了原狀草甸棕壤原狀土中有優(yōu)先流的發(fā)生。

注：C為溶質(zhì)濃度，C0為輸入溶質(zhì)濃度；V為出流液體積，V0為土柱有效孔隙體積。

在整個試驗過程，原狀土柱的穿透曲線均位于填裝土柱的上方，說明原狀土柱中大孔隙的存在，使示蹤劑Br-穿透曲線具有優(yōu)先、快速穿透的特征，即土壤水流中包含大孔隙流和基質(zhì)流。在Br-投加初期，大孔隙流對Br-的遷移起著主導(dǎo)作用，基質(zhì)流的影響不明顯。在Br-淋洗階段，隨著大孔隙及孔隙壁上的Br-被洗出，大孔隙流中的Br-相對濃度較低，對出流液濃度貢獻較小。由于這時基質(zhì)流中的Br-濃度仍相對較高，基質(zhì)流對出流液濃度的影響起主導(dǎo)作用。由于大孔隙流的快速分流作用，使通過基質(zhì)的水流通量降低，造成存在于基質(zhì)中的Br-濃度變化緩慢。故而呈現(xiàn)圖3所示的Br-穿透曲線變化趨勢。

表2給出不同土柱土壤大孔隙流的Br-遷移特征。由表2可知，原狀土柱的Br-累積淋出量總是高于填裝土柱（圖4）的對應(yīng)值。對于0～20 cm耕作層，翻耕前后原狀土柱的累積淋出量（指收集到的出流總體積）為7 572和7 057 mL，Br-累積淋出量為407.34和365.77 mg；填裝土的累積出流量為2 383 mL，Br-累積淋出量為137.97 mg。以填裝土柱水流為平衡基質(zhì)流，計算得到大孔隙水流占原狀土柱排水總量的68.5%和66.2%，而其造成的Br-累積淋出量占總淋出量的66.1%和62.3%。對于非耕作層20～40 cm，翻耕前后土壤大孔隙水流分別占土柱排水總量的1.7%和0.2%，而大孔隙水流攜帶Br-運移的百分比分別為20.5%和14.5%。由此說明土壤大孔隙流可引起溶質(zhì)大量、快速地遷移，即土壤大孔隙流在溶質(zhì)遷移過程中作用是不可忽視的[24]。

表2 土壤大孔隙流的Br-遷移特征

此外，耕作層0～20 cm中土壤大孔隙流占總水流通量的比值遠遠大于非耕作層的對應(yīng)值（翻耕前后耕作層為68.5%和66.2%，非耕作層則為1.7%和0.2%），說明豐富的大孔隙可以協(xié)助水分和溶質(zhì)快速運移至土層深部、乃至地下水中，盡管大孔隙體積含量僅占土壤總孔隙度的0.61%～3.06%[25]。

圖4 Br-累積淋出量變化曲線

2.2 時間矩定量刻畫

基于不同土柱的穿透曲線，采用公式（1）－（3）計算，獲得BTCs的時間矩計算結(jié)果，見表3。

表3 各土柱穿透曲線的時間矩計算結(jié)果

注：1為一階矩；2為二階矩；0為零階中間矩；1為一階中間矩；2為二階中間矩；3為三階中間矩。

Note:1is first moment;2is second moment;0is zeroth central moment;1is first central moment;2is second central moment;3is third central moment.

根據(jù)時間矩的原理：二階中心矩（2）可以描述穿透曲線的平均延展量，偏態(tài)系數(shù)可用來描述穿透曲線的非對稱性。由表3可知，0～20 cm翻耕前后的原狀土柱二階中心矩值（16.36和22.88）均大于填裝土柱的對應(yīng)值（9.81），20～40 cm土層也呈現(xiàn)相似規(guī)律。這是因為原狀土柱中不僅有兩區(qū)作用和對流擴散引起的穿透曲線延展量，也有孔隙大流作用引起的穿透曲線延展量。對于耕作層0～20 cm原狀土柱，翻耕后土柱的二階中心矩2值（22.88）大于翻耕前土柱的對應(yīng)值（16.36），說明翻耕作用增加了穿透曲線BTCs的平均延展量。

對于偏態(tài)系數(shù)，4個原狀土柱均不為零，表明穿透曲線的不對稱性。翻耕前后原狀土柱偏態(tài)系數(shù)的絕對值均大于對應(yīng)土層填裝土柱的值，說明大孔隙越發(fā)育，土柱BTCs越不對稱。需要說明的是，理想的均質(zhì)填裝土柱的偏態(tài)系數(shù)值應(yīng)為0，但實際試驗結(jié)果有偏差，然而這并不影響本研究采用偏態(tài)系數(shù)值來刻畫穿透曲線的拖尾和不對稱性規(guī)律。

2.3 水分運移參數(shù)模擬結(jié)果分析

采用解析法CXTFIT軟件模擬獲得不同類型土柱的BTCs擬合結(jié)果（圖5）及模型參數(shù)（表4）。由圖5可知，水分運移模型模擬得到的穿透曲線與室內(nèi)土柱試驗測得的穿透曲線擬合較好，確定性系數(shù)2均大于0.98，說明模型反演得到的參數(shù)合理。

表4給出了不同土柱水分運移參數(shù)模擬結(jié)果。由表4可知，0～20 cm耕作前原狀土柱的孔隙流速、水動力彌散系數(shù)明顯大于20～40 cm原狀土柱的對應(yīng)值，前者分別為后者3倍和6倍。這是因為水動力彌散系數(shù)取決于實際流速，流速越大，彌散系數(shù)也越大。阻滯因子則呈現(xiàn)相反規(guī)律，即孔隙流速越大，大孔隙流越發(fā)育的土柱，值越小，這是因為大孔隙流的存在使部分溶質(zhì)直接通過大孔隙優(yōu)先流出，阻滯作用變?nèi)酰粚τ趧铀畢^(qū)比例因子，0～20 cm翻耕前后原狀土柱的值均大于20～40 cm原狀土柱的對應(yīng)值，說明大孔隙含量豐富，大孔隙流更為發(fā)育的耕作層0～20 cm原狀土柱中動水比例較大。兩區(qū)的質(zhì)量交換系數(shù)則是0～20 cm翻耕后的原狀土柱的最小，其他土柱的值比較接近。

對比分析耕作層0～20 cm翻耕前后原狀土柱的模型參數(shù)可知（表4），翻耕后土柱的孔隙流速、水動力彌散系數(shù)分別比翻耕前土柱對應(yīng)值高16.7%和22.2%，阻滯因子則降低了23.9%。說明翻耕后土壤對水分運移的阻滯作用變?nèi)酰诌\移速度增大，可導(dǎo)致水、養(yǎng)分及污染物快速到達土壤深層乃至地下水中，增加地下水污染風(fēng)險[26]。

圖5 不同土樁實測（點）與模擬（線）穿透曲線對比

表4 不同土柱中穿透曲線參數(shù)模擬結(jié)果

注：為孔隙流速；為水動力彌散系數(shù)；為阻滯因子；為動水區(qū)比例因子；為質(zhì)量交換系數(shù)；2為確定性系數(shù)；MSE為均方根誤差。

Note:is pore velocity;is coefficient of hydrodynamic dispersion;is retardation factor;is factor of moving water ratio;is mass transfer coefficient;2is coefficient of determination; MSE is mean squared error, MSE.

2.4 大孔隙流的定量評價

基于時間矩和CXTFIT軟件模擬得到的水分優(yōu)先遷移參數(shù)，分別計算不同深度原狀土柱的PFSP值，見表5。

表5 各土柱PFSP計算結(jié)果表

注：2為穿透曲線的總延展量；dis 2為水動力彌散作用對穿透曲線延展量的貢獻量；tr 2為兩區(qū)作用對穿透曲線延展量的貢獻量；pf 2為大孔隙流作用對穿透曲線延展量的貢獻量。

Note:2is total extension of breakthrough curve;dis 2 is contribution to the experimental variance due to hydrodynamic dispersion;tr 2 is contribution to the experimental variance due to two region transport;pf 2 is contribution to the experimental variance due to macropore flow.

對于PFSP值，0～20 cm原狀土柱的PFSP值較大，介于291.4%～578.6%，20～40 cm非耕作層的對應(yīng)值較小，最小可達201.2%。說明土壤大孔隙越發(fā)育，數(shù)量越多，大孔隙流對水流的貢獻越大[17]。

綜上所述，PFSP值可以定量刻畫優(yōu)先水流對穿透曲線延展量的貢獻率。即PFSP值越大，大孔隙流對總水流通量的貢獻越大。

3 討 論

土壤孔隙既是土壤保持水分以供植物有效利用的場所，也是水和溶質(zhì)快速、遠距離運移的主要通道[27]。由于大孔隙的存在，水及溶質(zhì)可以通過大孔隙快速運移到達土壤深部乃至地下水中，造成土體和地下水體的污染[28]。劉目興等[29]通過室內(nèi)原狀土柱試驗發(fā)現(xiàn)森林土壤中孔徑>1 mm的大孔隙僅占大孔隙總數(shù)量的1.26%～8.55%，但決定了飽和導(dǎo)水率的84.7%的變異。李勇等[30]研究發(fā)現(xiàn)當土壤中存在約5%（體積分數(shù)）的大孔隙時，土柱底部（100 cm深度）有效磷滲漏速率高達29.9 kg/(m2·d)，顯著高于無大孔隙土柱的有效磷滲漏速率（0.13 kg/(m2·d)），表明太湖地區(qū)農(nóng)田土壤大孔隙引起的優(yōu)勢流對有效磷的下滲起主導(dǎo)作用。本試驗條件下，通過對比分析耕作層和非耕作層土壤原狀土柱Br-穿透特征，發(fā)現(xiàn)耕作層0～20 cm原狀土柱中大孔隙流造成Br-累積淋出量占總淋出量的62.3%～66.1%，非耕作層20～40 cm的則占總淋出量的14.5%～20.5%，表明土壤大孔隙流可引起B(yǎng)r-快速的遷移，這與李勇等[30]的研究結(jié)果基本一致。這是因為耕作層土壤較為疏松，容重較低（表1），能夠有效導(dǎo)水并協(xié)助溶質(zhì)快速運移的大孔隙有效孔隙度含量較高，故呈現(xiàn)上述變化規(guī)律。同時，翻耕作用采用模型模擬和預(yù)測水及溶質(zhì)在土壤中的遷移行為是優(yōu)化管理土壤和地下水污染狀況的本質(zhì)需求。溶質(zhì)與土壤和地下含水層之間復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用通常增加了模擬和預(yù)測的困難，尤其是在田間原狀非均質(zhì)土壤中。由于田間原狀土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等化學(xué)物理特性都隨時間和空間發(fā)生變化，這種非均質(zhì)性進一步增加了模擬水及溶質(zhì)在土壤中遷移的難度。本研究基于室內(nèi)原狀和填裝土土柱試驗獲取的Br-穿透曲線，采用CXTFIT軟件中“對流彌散平衡運移模型（CDE）”來刻畫填裝土柱中的水分運移，采用物理非平衡運移模型—“兩區(qū)模型（Two-region model）”來描述原狀土柱中水分運移過程，分別獲取水分遷移的模型參數(shù)，并采用時間矩方法和PFSP綜合指標（大孔隙流引起的穿透曲線延展量與水動力彌散作用及兩區(qū)作用引起的延展量的比值）定量評價土壤大孔隙流的發(fā)生程度。研究結(jié)果表明大孔隙流作用對水分穿透曲線延展量的貢獻率最大，兩區(qū)交換運移作用次之，水動力彌散作用的最小。即PFSP值越大，大孔隙流對總水流通量的貢獻率越大。這與郭會榮等[17]的研究結(jié)果基本一致。郭會榮等人研究亦發(fā)現(xiàn)，2根27 cm大孔隙貫通土柱PFSP值最大，其次是1根27 cm大孔隙貫通土柱，再次是2根18 cm大孔隙在土柱上部，進一步表明大孔隙越多，大孔隙流越發(fā)育，對水流的貢獻也越大。

4 結(jié) 論

本研究通過測定耕作層0～20 cm和非耕作層20～40 cm翻耕前后的原狀土柱與填裝土柱的Br-穿透曲線，對比分析各土柱水分優(yōu)先遷移的特點，得出以下基本結(jié)論：

1）土壤大孔隙流造成Br-優(yōu)先遷移的比例遠大于大孔隙流在總水流通量中的比例。土壤大孔隙流可引起B(yǎng)r-快速地遷移，表明在溶質(zhì)遷移過程中土壤大孔隙流的作用是不可忽視的。

2）紫色土耕作層土壤中大孔隙越發(fā)育，大孔隙流引起的穿透曲線延展量與水動力彌散作用及兩區(qū)作用引起的延展量的比值越大，大孔隙流對總水通量的貢獻率越大。

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Quantitative evaluation of macropore flow in purple soil of sloping cropland

Wang Honglan1,2, Jiang Shunyuan2, Cui Junfang1※, Tang Xiangyu1

(1.610041; 2.610041)

The importance of macropore flow as a preferential flow mechanism for infiltrating water and transport of solutes has been generally recognized during a couple of decades. Macropore flow plays significant roles in the structured soil, such as leading to more infiltration and thus reducing overland flow and rapidly transferring pesticides and other pollutants through the soil macropores into the groundwater. Due to its critical effect on field-scale soil water flow and transport of contaminants in soils, macropore flow is gaining more interest. In this study, soil samples were collected at depths of 0-20 cm and 20-40 cm from sloping cropland of purple soil, which are located at Yanting Agro-ecological Experimental Station of Purple Soil (105°27￠E, 31°16￠N), hilly central Sichuan, Southwest China. Using Br-tracer and simulated rainfall methods, lab-scaled disturbed and undisturbed soil column experiments were conducted to characterize the preferential transport behavior and evaluate the contribution of preferential flow based on simulations with the CXTFIT model. The breakthrough curves (BTCs) for each soil column were also obtained by analyzing the dynamics of Br-in the outflow. The integrated parameter, PFSP, defined as the ratio of extended quantity of BTCs due to preferential flow to extended quantity of BTCs caused by hydrodynamic dispersion and two-region effect, was calculated based on BTCs and CXTFIT datasets of the undisturbed soil columns. The BTCs of undistributed soil column showed an early breakthrough of Br-and also an upturned tail, indicating the presence of both preferential flow and matrix flow in studied soil. The preferential flow contributed 66.2%-68.5% of water discharge and 62.3%-66.1% of cumulative Br-discharge from undisturbed soil columns collected at the 0-20 cm depth, and at the 20-40 cm depth, their contributions was 0.2%-1.7% and 14.5%-20.5%, respectively. These implied that preferential flow made a much greater contribution to cumulative Br-discharge for the soils at the 0-20 cm depth compared to the soils at the 20-40 cm depth. Transport parameters of Br-were obtained by fitting its BTCs in the soil column with two-region model and CXTFIT software. It was found that the values of pore velocity and hydrodynamic diffusion coefficient for the soil at the depth of 0-20 cm were higher than those at 20-40 cm depth, while the retardation factor, with higher value indicating more preferential flow developed in the soil, showed contrast trend for the 2 depths. This was due to the fact that Br-quickly migrates with preferential flow through soil macropores, which may weaken the retardation effect. As for the dynamic watershed scale factor, the value was higher at the depth of 0-20 cm than that of 20-40 cm, indicating the higher percentage of flowing water in the soil column collected at 0-20 cm depth that has better developed preferential flow. The mass transfer coefficient value of the undisturbed soil column taken at 0-20 cm after plowing activity was the lowest, while the values were close among other soil columns. The PFSP value, which can ascertain the contribution of preferential flow out of other mechanisms, revealed that macropore flow made the biggest contribution to the extended quantity of BTCs, two-region effect made the second and hydrodynamic dispersion made the third, indicating PFSP can be a useful index to quantify the contribution extent of macropore flow.

soils; runoff; slope; macropore flow; soil column experiment; Br-tracing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.021

S157.1

A

1002-6819(2017)-22-0167-08

2017-05-23

2017-11-06

國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFD0800203），國家自然科學(xué)基金項目（41501237，41471268）

王紅蘭，博士，助理研究員。主要從事土壤生態(tài)環(huán)境研究。 Email：honglanwang2010@126.com

崔俊芳，博士，助理研究員。主要從事土壤物理研究。 Email：jfcui@imde.ac.cn