非飽和土壤中大孔隙流的影響因素研究

張錦華，李明思，韓 寒，柳幸爽，徐 強(qiáng)，藍(lán)明菊

?水土資源與環(huán)境?

非飽和土壤中大孔隙流的影響因素研究

張錦華，李明思*，韓 寒，柳幸爽，徐 強(qiáng)，藍(lán)明菊

（石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

【目的】分析非飽和土壤中大孔隙流現(xiàn)象的影響因素及影響特點(diǎn)?！痉椒ā吭谘b有粉砂壤土的土槽中人工造出直徑4 mm的通地表和不通地表的孔隙進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，設(shè)置3種灌水量：50、60、70 L；3種孔隙長度：50、60、70 cm；3種土壤初始含水率：5.7%、9.9%、13.3%。通過測定孔隙不同長度處的孔壁土壤含水率及相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率，并計算其相應(yīng)的基質(zhì)吸力，分析孔隙中出現(xiàn)大孔隙流的概率?！窘Y(jié)果】土壤中出現(xiàn)大孔隙流的現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性，孔隙上部（0～30 cm）出現(xiàn)大孔隙流的概率在2.08%～7.14%之間，下部（40～70 cm）出現(xiàn)大孔隙流的概率在14.58%～19.05%之間，上部出現(xiàn)大孔隙流的概率小于下部出現(xiàn)大孔隙流的概率；通地表孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率（13.04%）小于不通地表孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率（27.54%）；3種影響因素對出現(xiàn)大孔隙流的影響程度為：孔隙長度最大，初始含水率次之，灌水量最小。【結(jié)論】非飽和土壤中，孔隙長度對出現(xiàn)大孔隙流的概率影響較大；大孔隙流現(xiàn)象通常出現(xiàn)在孔隙的下半部分。

非飽和土壤；大孔隙流；基質(zhì)吸力；農(nóng)田排水；土壤水分運(yùn)動

0 引言

【研究意義】土壤中的大孔隙流是指土壤中的水分和溶質(zhì)通過大孔隙（大于通常意義的毛細(xì)管孔徑）而繞過部分基質(zhì)區(qū)遷移到深層土壤中的現(xiàn)象[1]。土壤中的大孔隙流屬于重力流，其基本特征是：孔隙中的含水率大于其周圍基質(zhì)流區(qū)的含水率，或者孔隙中的水分運(yùn)動速度快于其周圍基質(zhì)流區(qū)的水分運(yùn)動速度[2]，大孔隙流會產(chǎn)生一定的漏斗吸力，進(jìn)而促進(jìn)大孔隙周圍基質(zhì)流區(qū)的水分向大孔隙運(yùn)動[3]。吳繼強(qiáng)等[4]指出，有大孔隙存在的土體，其水分入滲量要高于均質(zhì)土體的同類指標(biāo)，說明大孔隙會加快水分的入滲；聶錦杰等[5]利用纖維網(wǎng)人工制造的大孔隙流導(dǎo)管研究了大孔隙對暗管排水效果的影響，發(fā)現(xiàn)大孔隙流對暗管排水效果具有促進(jìn)作用。利用大孔隙流的這些特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)非飽和土壤中的排水效果。

【研究進(jìn)展】學(xué)者們對大孔隙流的影響因素做了許多室內(nèi)研究。高朝俠等[6]利用土柱試驗(yàn)對大孔隙流的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤的初始含水率、大孔隙的扭曲性、大孔隙的連通性等因素都會對大孔隙流產(chǎn)生一定的影響；王巖等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤的初始含水量對大孔隙流具有一定的影響，土壤的初始含水量越低，土壤中大孔隙流現(xiàn)象越明顯；張少妮等[8]在對大孔隙流的影響因素進(jìn)行研究時，得出大孔隙的扭曲度越大（孔隙彎曲程度越大），大孔隙方向上水分受到的阻力越大，大孔隙流入滲的速度就越慢；趙嬌娜[9]在對土壤初始含水率、土壤容重以及植物根系對大孔隙流的影響研究時，得出土壤初始含水率對大孔隙流的形成具有重要影響。Zhou等[10]在30 cm直徑的土柱中設(shè)置直徑為9 mm的大孔隙，研究孔隙的長度、類型、位置等因素對大孔隙中溶質(zhì)遷移和分布的影響，結(jié)果顯示，表面開放的孔隙中水分和溶質(zhì)的運(yùn)移速度更快；Allaire-leung等[11]在直徑為33 cm的土柱中設(shè)置直徑為10 mm的孔隙，研究大孔隙的連續(xù)性對土壤中水分和溶質(zhì)運(yùn)移的影響，結(jié)果表明，孔隙連續(xù)性越強(qiáng)土壤中水分和溶質(zhì)運(yùn)移的速度越快。

土壤中影響大孔隙流的因素眾多，而且大孔隙的存在有利于非飽和土壤水分的運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移。然而，眾多關(guān)于大孔隙流的研究成果還都是理論探討，并沒有上升到生產(chǎn)應(yīng)用層面，這是因?yàn)橥寥乐写罂紫兜姆植己托螤罹哂须S機(jī)性，給該理論的生產(chǎn)應(yīng)用帶來困難。石河子大學(xué)[12]提出的人造大孔隙流導(dǎo)管用于非飽和土壤暗管排水的技術(shù)，不僅在一定程度上解決了土壤中大孔隙分布的隨機(jī)性問題，提高了該理論的實(shí)用性；還為解決滴灌鹽堿地節(jié)水-排鹽問題給予了啟發(fā)?！厩腥朦c(diǎn)】但是前人的研究成果是在大孔隙流導(dǎo)管通向地面布置而取得的，大孔隙流導(dǎo)管通向地面的布置形式在實(shí)際生產(chǎn)中不利于土壤耕作和作物根系的生長，為了不影響耕作，大孔隙流導(dǎo)管應(yīng)該埋在耕作層以下。在作物生育期（例如滴灌棉花）田間耕作層中是基質(zhì)流，若要利用大孔隙流導(dǎo)管將耕作層中的基質(zhì)流轉(zhuǎn)化成大孔隙流，孔隙中需要留出一定長度的“過渡段”，而這一“過渡段”也是設(shè)計大孔隙流導(dǎo)管埋深的重要因素?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為了探討這一“過渡段”問題，本文借鑒前人的工作經(jīng)驗(yàn)，在裝有粉砂壤土的土槽中人工制造直徑4 mm通地表和不通地表的孔隙進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，研究不同灌水量、孔隙長度、土壤初始含水率對大孔隙流的影響，以期深入了解大孔隙流形成機(jī)制，為滴灌鹽堿地非飽和土壤暗管排水技術(shù)的研發(fā)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年10月—2021年10月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水利與土木工程試驗(yàn)中心進(jìn)行（東經(jīng)86°03'，北緯44°18'，平均海拔高度450.8 m）。供試土壤取自實(shí)驗(yàn)中心北邊農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田。用篩分法和比重計法測土壤機(jī)械成分：粒徑<0.002 mm的土粒量占2.44%，0.002～0.02 mm粒徑占77.9%，0.02～2 mm粒徑占12.86%；根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，該土壤可定為粉砂壤土；土壤干體積質(zhì)量為1.40 g/cm3，田間體積持水率為26.65%，飽和體積含水率為46.32%。

試驗(yàn)所用玻璃土槽為100 cm×20 cm×80 cm（長×寬×高），土槽底部設(shè)有5 cm厚的砂礫石墊層，墊層上部覆蓋多孔板，見圖1（a）所示。參考前人[13-14]試驗(yàn)方法，試驗(yàn)中的土壤大孔隙用直徑4 mm的亞克力玻璃棒作模具、裝土完成后抽出玻璃棒而形成；為避免抽出亞克力玻璃棒后土壤向中間孔隙聚集，本文試驗(yàn)中所用土壤均帶有一定的初始含水率。

圖1 試驗(yàn)裝置和大孔隙布置（單位：cm）

注 圖1(b)、圖1(c)中為土層深度；為砂礫石深度?？紫堕L度為70 cm時，為5 cm；孔隙長度為60 cm時，為5 cm；孔隙長度為50 cm時，為5 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中對大孔隙埋設(shè)方式進(jìn)行2種處理，分別為孔隙通向填土表面（圖1（b））和孔隙埋在填土表層5 cm以下（圖1（c））。每種孔隙分別布置在土槽兩側(cè)，每側(cè)3個孔隙（圖1（d））；其中①—③號為通向填土表面的大孔隙，④—⑥號為埋在土層以下的大孔隙，各孔隙之間相距40 cm，以避免孔隙之間的流態(tài)相互干擾。試驗(yàn)中分別設(shè)置灌水量、孔隙長度、土壤初始含水率共3個因素，每個影響因素設(shè)置3個水平，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共計27個處理。參照新疆膜下滴灌棉花田間灌水定額指標(biāo)，苗期灌水定額25 mm、蕾期35 mm，本文試驗(yàn)中設(shè)定灌水量分別為50 L（25 mm）、60 L（30 mm）、70 L（35 mm）；由于滴灌棉花計劃濕潤層深度60 cm，所以本文試驗(yàn)中設(shè)定孔隙長度分別為50、60、70 cm；根據(jù)孔隙成形和棉花灌水要求的最低含水率下限，試驗(yàn)中設(shè)定土壤初始體積含水率分別為5.7%、9.9%、13.3%。每種處理分別進(jìn)行3次重復(fù)，用了9個同規(guī)格土槽完成試驗(yàn)。

試驗(yàn)中采用果樹輸液袋進(jìn)行滴灌，每個袋子的容量為1 L，每個土槽共放置3個滴頭，滴頭間距為40 cm，為了保證土壤水分由基質(zhì)流區(qū)過渡到大孔隙中，防止滴頭直接向孔隙中滴水，試驗(yàn)中設(shè)置滴頭距孔隙距離7 cm（圖1（d））。輸液袋中的水為自來水，試驗(yàn)中調(diào)整灌水器（滴頭）開關(guān)，使滴頭流量保持在0.5 L/h左右，以避免因流量過大而產(chǎn)生地表徑流，進(jìn)而影響通地表的大孔隙流的形成。灌水過程中每隔一定時間在土槽外部繪制濕潤鋒，以此來觀測土壤中的水分入滲情況。灌水結(jié)束后，待土槽下方排水口停止出水24 h后對土壤進(jìn)行取樣。

1.3 測定指標(biāo)與方法

直接測定大孔隙中的水分狀況是困難的，所以，在試驗(yàn)中采用測定孔隙壁面上的土壤含水率與孔隙周圍基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率相比較的方法，來判斷大孔隙流的生成現(xiàn)象。

1.3.1 含水率的測定

用烘干法測土壤含水率。取樣點(diǎn)布置在大孔隙左、右二側(cè)5 cm處以及大孔隙處（圖1（d）所示）。用特制的鉆頭[15]，從孔隙內(nèi)部取孔隙邊壁上的土樣，測其含水率。每個取樣點(diǎn)垂直向下每10 cm取1個樣。每個土槽共設(shè)置18個取樣點(diǎn)。

1.3.2 土壤水分特征曲線的測定

為了從土壤水吸力方面判定基質(zhì)流與重力流的區(qū)別，試驗(yàn)中需要將所測得的土壤含水率換算成土壤水吸力；所以專門測定了土壤水分特征曲線。灌水結(jié)束后，用環(huán)刀在土壤中取3個土樣，用美國SEC公司生產(chǎn)的壓力膜儀測土壤的水分特征曲線，見圖2。

圖2 土壤水分特征模擬曲線

利用Van Genucheten模型進(jìn)行土壤水分特征曲線擬合，其參數(shù)見表1。

表1 Van Genucheten土壤水分特征曲線模型參數(shù)

式中：為土壤體積含水率（cm3/cm3）；s為飽和體積含水率（cm3/cm3）；θ為剩余體積含水率（cm3/cm3）；為擬合系數(shù)；為擬合指數(shù)；為土壤水吸力（MPa）。

利用冪函數(shù)模型進(jìn)行土壤水分特征曲線擬合，得到粉砂壤土的體積含水率與土壤水吸力的函數(shù)。

式中：v為土壤體積含水率（cm3/cm3）；為土壤水吸力（MPa）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、利用Origin 2017繪制不同變量處理下出現(xiàn)大孔隙流的概率圖、利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，對比不同處理之間試驗(yàn)結(jié)果的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中對土壤大孔隙流特點(diǎn)的介紹，本文試驗(yàn)中通過對比大孔隙壁上的土壤含水率及基質(zhì)吸力與其周圍基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率及基質(zhì)吸力的大小來判斷孔隙中出現(xiàn)大孔隙流的現(xiàn)象。

2.1 灌水量對大孔隙流的影響

在土壤初始體積含水率為5.7%、通地表孔隙長度為70 cm、不通地表的孔隙長度為65 cm時，對不同灌水量下的土壤體積含水率分布進(jìn)行觀測。結(jié)果顯示，土壤中的大孔隙流現(xiàn)象存在隨機(jī)性，不論大孔隙通向地表或是不通向地表，大孔隙流現(xiàn)象大多是從孔隙一定長度處開始出現(xiàn)，而且不一定沿著孔隙長度連續(xù)出現(xiàn)；不通地表的孔隙出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的土層深度要深于通地表的孔隙出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的土層深度，如表2所示。

表2 不同灌水量下孔壁土壤含水率分布

注 底部劃“_”的數(shù)據(jù)為出現(xiàn)大孔隙流的土層；同行不同字母表示相同變量不同處理間差異顯著（＜0.05）。

對于通地表的孔隙，通過方差分析可知，灌水量為50 L時，僅孔隙長度10 cm處的孔壁土壤含水率比相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率大1.93%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.5%。灌水量60 L時，僅50 cm長度處的孔壁土壤含水率比相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率大0.97%，出現(xiàn)大孔隙流的概率為12.5%。灌水量為70 L時，孔隙長度70 cm處孔壁含水率與其相應(yīng)基質(zhì)流區(qū)的含水率存在顯著性差異，且孔壁土壤含水率比相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率大0.53%，出現(xiàn)大孔隙流的概率為12.5%。隨著灌水量的增加出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率保持穩(wěn)定，但是出現(xiàn)大孔隙流的土層深度加深。

對于不通地表的孔隙，灌水量50 L所對應(yīng)的孔隙長度50、60、65 cm處孔壁土壤含水率與其兩側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率存在顯著性差異，且孔隙長度50、60、65 cm處孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率分別大1.15%、2.21%、1.83%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為37.5%。灌水量為60 L時，在孔隙長度40 cm處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率大1.35%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.5%。灌水量為70 L時，在孔隙長度40、50 cm處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率分別大1.24%、1.27%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為25%。雖然孔隙頂部覆土且灌水，但是，大孔隙流現(xiàn)象均未從孔隙頂部出現(xiàn)，多數(shù)情況下是在孔隙下部出現(xiàn)。

非飽和土壤中的土壤水分是從基質(zhì)吸力低處向基質(zhì)吸力高處運(yùn)動[16]；但是，當(dāng)土壤中存在大孔隙時，水分會向大孔隙匯積。根據(jù)粉砂壤土水分特征曲線可知，灌水量為50 L時，通地表孔隙的孔壁基質(zhì)吸力在59～63 KPa之間波動，相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的吸力在58～64 KPa之間波動；其中，孔隙長度10 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)吸力小2.13 KPa。灌水量為60 L時，孔隙長度50 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)吸力小1.29 KPa。同理，灌水量為70 L時，孔隙長度70 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度處的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小0.81 KPa。這一現(xiàn)象表明，在這些長度處的孔壁土壤水分不是從基質(zhì)流區(qū)水平匯積到孔壁上的，而應(yīng)該是從基質(zhì)流區(qū)沿垂直方向運(yùn)動到孔壁上的。由于土壤中存在孔隙，造成基質(zhì)流路徑阻斷，所以在孔隙壁面上會出現(xiàn)水分匯積。

對于不通地表的孔隙，灌水量為50 L時，孔隙長度50、60、65 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小2.34、4.51、4.46 KPa。灌水量為60 L時，孔隙長度40 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小0.25 KPa。同理，灌水量為70 L時，孔隙長度40、50 cm處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小1.69、2.21 KPa。孔隙上部覆蓋土層后，孔隙中會產(chǎn)生氣堵現(xiàn)象[17]，盡管如此，基質(zhì)流區(qū)的水分仍然會向孔隙壁面匯積。

2.2 孔隙長度對大孔隙流的影響

在土壤初始體積含水率為5.7%、灌水量為50 L時，對不同的孔隙長度下的土壤體積含水率分布進(jìn)行觀測。結(jié)果顯示，土壤中的大孔隙流現(xiàn)象仍然存在隨機(jī)性以及不連續(xù)性。如表3所示。

表3 不同孔隙長度下孔壁土壤含水率分布

對于通地表的孔隙，當(dāng)孔隙長度為50 cm時，孔壁土壤含水率與相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率進(jìn)行對比均未出現(xiàn)顯著性差異（>0.05）。當(dāng)孔隙長度為60 cm時，在孔隙20 cm長度處，其孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率大1.48%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.5%。當(dāng)孔隙長度為70 cm時，在孔隙30、40、60 cm長度處，其孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)土壤含水率分別大1.64%、1.48%、1.66%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為37.5%。隨著孔隙長度的增大，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率也增大。

對于不通地表的孔隙，孔隙長度為50 cm時，在孔隙30、40、50 cm長度處，其孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率分別大0.97%、0.94%、1.51%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為50%。當(dāng)孔隙長度為60 cm時，僅在孔隙60 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率大1.95%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為14.30%。當(dāng)孔隙長度為65 cm時，在孔隙40、60、65 cm長度處孔壁土壤含水率與其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率存在顯著性差異，其孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率分別大1.22%、1.38%、0.82%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為37.5%?？紫渡喜勘桓采w后，大孔隙流出現(xiàn)的概率并沒有隨著孔隙長度的增大而增大，但是，大孔隙流現(xiàn)象均未從孔隙頂部出現(xiàn)。

對土壤水吸力分析可知，關(guān)于通地表的孔隙，當(dāng)孔隙長度為60 cm時，孔隙20 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的吸力小2.08 KPa。當(dāng)孔隙長度為70 cm時，孔隙30、40、60 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小2.81、2.31、2.55 KPa。

對于不通地表的孔隙，當(dāng)孔隙長度為50 cm時，孔隙30、40、50 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小1.32、1.20、2.27 KPa。當(dāng)孔隙長度為60 cm時，孔隙60 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的基質(zhì)吸力小1.45 KPa。當(dāng)孔隙長度為65 cm時，孔隙40、60、65 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的基質(zhì)吸力分別小2.31、2.55、2.85 KPa。

從上述孔隙基質(zhì)吸力可以看出，孔隙中出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的位置也存在孔壁基質(zhì)吸力小于孔隙周圍土壤的基質(zhì)吸力的現(xiàn)象，說明孔壁上的水分不是直接從水平方向匯積來的。

2.3 土壤初始含水率對大孔隙流的影響

在灌水量為50 L、通地表孔隙長度為70 cm、不通地表的孔隙長度為65 cm時，對不同初始體積含水率下的土壤含水率分布進(jìn)行觀測，結(jié)果顯示，土壤中的大孔隙流現(xiàn)象存在隨機(jī)性和不連續(xù)性，如表4所示。

表4 不同土壤初始含水率下孔壁土壤含水率分布

對于通地表的孔隙，土壤的初始體積含水率為5.7%時，孔隙40 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率大1.20%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.50%。土壤的初始體積含水率為9.90%時，孔隙70 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率大1.58%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.50%。當(dāng)土壤的初始體積含水率為13.30%時，孔壁土壤含水率與相應(yīng)長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率進(jìn)行對比均未出現(xiàn)顯著性差異（>0.05）出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為0。

對于不通地表的孔隙，土壤的初始體積含水率為5.70%時，孔隙50 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率大4.53%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為12.5%。當(dāng)土壤的初始體積含水率為9.90%時，孔隙30、40 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤含水率分別大1.08%、2.45%，出現(xiàn)大孔隙流的概率為25%。當(dāng)土壤的初始體積含水率為13.30%時，孔隙50、60、70 cm長度處的孔壁土壤含水率比其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的含水率分別大1.23%、2.29%、2.79%，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率為37.50%。試驗(yàn)顯示，在孔隙頂部覆蓋的情況下，隨著初始體積含水率的增大，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率逐漸增大。

對粉砂壤土的基質(zhì)吸力進(jìn)行分析可知，關(guān)于通地表的孔隙，當(dāng)土壤的初始體積含水率為5.70%時，孔壁基質(zhì)吸力在58～65 KPa之間波動，其基質(zhì)流區(qū)的吸力在60～63 KPa之間波動；其中，孔隙40 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比其相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)吸力小1.53 KPa。當(dāng)土壤的初始體積含水率為9.90%時，孔隙70 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比其相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)吸力小2.56 KPa。

對于不通地表的孔隙，當(dāng)土壤的初始體積含水率為5.70%時，孔隙50 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的基質(zhì)吸力小11.05 KPa。當(dāng)土壤的初始體積含水率為9.90%時，孔隙30、40 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小1.51、1.58 KPa。當(dāng)土壤的初始體積含水率為13.30%時，孔隙50、60、70 cm長度處的孔壁基質(zhì)吸力比相應(yīng)的基質(zhì)流區(qū)的吸力分別小1.49、2.78、4.10 KPa。

上述對土壤基質(zhì)吸力的分析結(jié)果同樣顯示出孔壁上的水分不是直接從水平方向匯積來的。

3 討論

3.1 大孔隙流現(xiàn)象的隨機(jī)性

本研究顯示，土壤中發(fā)生大孔隙流現(xiàn)象存在明顯的隨機(jī)性。每次重復(fù)試驗(yàn)所觀測到的大孔隙流的出現(xiàn)位置都不固定；但是，對各次重復(fù)試驗(yàn)測得的孔壁含水率以及二側(cè)基質(zhì)流區(qū)含水率分別取平均值，結(jié)果顯示，在孔隙下部出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率最大，這與大部分關(guān)于土壤大孔隙流問題的研究結(jié)果類似[18]。這表明了大孔隙流的“優(yōu)先流”和“指流”現(xiàn)象，其不僅能繞過基質(zhì)流區(qū)在土壤深層積水，還能在孔隙下部起到“源”的作用，向周圍基質(zhì)流區(qū)入滲。吳繼強(qiáng)等[19]研究也有類似結(jié)果，其研究發(fā)現(xiàn)，在入滲初期，水分會向大孔隙域聚集，并通過大孔隙的孔壁向基質(zhì)域進(jìn)行水平方向的入滲。盛豐等[20]在用單離子示蹤技術(shù)研究大孔隙對水和溶質(zhì)的輸移時發(fā)現(xiàn)，示蹤劑溶液在土壤大孔隙中入滲得越深，其運(yùn)移到深層土壤時的濃度越高，所以會對周圍土壤起到“源”的作用。

3.2 大孔隙流的過渡區(qū)

根據(jù)土壤水動力學(xué)理論，土壤非飽和流是從基質(zhì)吸力小的地方向基質(zhì)吸力大的地方運(yùn)動。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，土壤大孔隙的孔壁體積含水率大于其二側(cè)基質(zhì)流區(qū)的土壤體積含水率，即孔壁土壤的基質(zhì)吸力小于相應(yīng)長度的基質(zhì)流區(qū)的基質(zhì)吸力，這表明孔壁上的水分不是從同長度的基質(zhì)流區(qū)水平匯積來的，應(yīng)該是從上層土壤運(yùn)動下來的。上部土層的水分在重力和基質(zhì)吸力共同作用下，向下層土壤“擴(kuò)散”運(yùn)動[21]；當(dāng)遇到孔隙時，基質(zhì)流路徑被阻斷（即毛管吸力被阻斷），水分無法穿過孔隙橫斷面進(jìn)行水平運(yùn)動，因此，將沿著孔隙壁面垂直向下運(yùn)動。隨著水分沿孔隙壁面逐步匯積，導(dǎo)致孔壁上某些位置的含水率大于同長度處基質(zhì)流區(qū)的含水率，表現(xiàn)出優(yōu)先流現(xiàn)象，并在孔隙一定長度處形成大孔隙流現(xiàn)象[22]；因此，孔隙的下部出現(xiàn)大孔隙流的概率大，此結(jié)果與呂捷等[18]的研究結(jié)果一致；其試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤水分并沒有直接通過大孔隙傳遞至孔隙底端，而是先在基質(zhì)區(qū)下滲；當(dāng)水分下滲至孔隙一定長度時，孔隙附近的基質(zhì)區(qū)的水分開始向大孔隙中匯積。另外，水分在基質(zhì)流區(qū)進(jìn)行“擴(kuò)散”運(yùn)動時，由于起點(diǎn)和路徑不同，使其在孔壁上的匯積位置也不同，因此，顯示出大孔隙流的隨機(jī)性。從基質(zhì)流到達(dá)孔隙壁面，到孔壁面出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象（即水分匯積），水分運(yùn)動經(jīng)過的孔隙長度就是基質(zhì)流向大孔隙流轉(zhuǎn)化的過渡段。在本文試驗(yàn)中，各處理的孔隙都存在這樣一個過渡段，表明了土壤大孔隙產(chǎn)生大孔隙流的效率。

3.3 大孔隙流的影響因素

由于土壤中的大孔隙流現(xiàn)象具有隨機(jī)性，所以，大孔隙流現(xiàn)象出現(xiàn)的概率是判斷各種影響因素對大孔隙流影響程度的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中對通地表孔隙和不通地表孔隙均設(shè)定了3種影響大孔隙流的因素，分別是灌水量、孔隙長度和土壤初始含水率。試驗(yàn)結(jié)果顯示出，不通地表的大孔隙總體上比通地表的大孔隙更容易產(chǎn)生大孔隙流；而且，孔隙長度因素和土壤初始含水率因素對大孔隙流出現(xiàn)的影響程度比灌水量因素的影響程度大，如圖3所示。

圖3顯示，對于通地表的孔隙，隨著灌水量的不斷增加，出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率穩(wěn)定不變，說明灌水量條件下對大孔隙流出現(xiàn)的概率影響不大；孔隙長度因素和出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著孔隙長度的增加，其出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率逐漸增大，其增大的平均比率為1.5。土壤初始含水率因素與出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，此結(jié)果與王巖等[7]、趙嬌娜[9]的研究結(jié)果類似。王巖等[7]研究表明，土壤的初始含水率越高，水分及溶質(zhì)的遷移越不明顯；趙嬌娜[9]使用亮藍(lán)染色劑對深層土壤染色，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤的初始含水率越大，土壤中水分入滲的速率越慢。灌水量、孔隙長度和初始含水率等因素影響下，通地表孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率的平均值分別為12.5%、16.67%、8.33%。

圖3 不同變量處理下出現(xiàn)大孔隙流的概率

對于不通地表的孔隙，其出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率隨灌水量或孔隙長度呈“U”形變化；近似地，其出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率和灌水量和孔隙長度等因素均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但出現(xiàn)大孔隙流的概率和初始含水率呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著土壤初始含水率的增加，其出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率逐漸增大，且增大比率平均為1.5。但是通過對出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的概率的平均值分析發(fā)現(xiàn)，孔隙長度影響下的大孔隙流出現(xiàn)的概率平均值為33.93%，比初始含水率影響下的平均值25%大14.3%。由此可說明，孔隙長度因素對大孔隙流出現(xiàn)的影響程度比土壤初始含水率因素的影響程度大。

總體而言，對于通地表孔隙和不通地表的孔隙，均表現(xiàn)出孔隙長度因素對出現(xiàn)大孔隙流的概率的影響程度最大，土壤的初始含水率因素次之，灌水量因素影響最小。因?yàn)楫?dāng)孔隙長度增大后，孔隙壁面的長度增大，水分在壁面上運(yùn)動的距離增長，增加了水分匯積的機(jī)會，因此能增大產(chǎn)生大孔隙流的概率。

通過對土層含水率分布進(jìn)行分析可知，在不同灌水量、孔隙長度、初始含水率條件下，孔隙頂部出現(xiàn)大孔隙流的概率很小，而距孔隙頂部30 cm處，出現(xiàn)大孔隙流的概率分別為0%、4.76%、2.08%；距孔隙頂部40 cm處，出現(xiàn)大孔隙流的概率分別為4.17%、7.14%、4.17%。由此可知，在孔隙30～40 cm長度處是容易出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的最高位置，這可以給生產(chǎn)中設(shè)計大孔隙流導(dǎo)管的長度提供參考。

3.4 大孔隙流現(xiàn)象的應(yīng)用要求

由于非飽和土壤存在一定的基質(zhì)吸力，所以，在非飽和土壤中進(jìn)行排水排鹽較為困難。Chen等[23]將人工制作的大孔隙流導(dǎo)管組裝在排水暗管上，實(shí)現(xiàn)了非飽和土壤的排水排鹽效果。但是，當(dāng)大孔隙流導(dǎo)管連通地表或者接近地表時，將影響農(nóng)田耕作或作物根系的生長。另外，土壤基質(zhì)流向大孔隙流轉(zhuǎn)化時需要一定的過渡段，而這一過渡段就是水分沿著孔隙向下運(yùn)動并逐步匯積成重力流所需要的長度；所以，要求大孔隙流導(dǎo)管應(yīng)該具有最短的長度，才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管中出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象。本文試驗(yàn)顯示，對于不同的孔隙長度，埋在土層下的孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率大于通地表的孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率。這對設(shè)計大孔隙流導(dǎo)管有一定的參考作用。

4 結(jié)論

1）本研究表明，土壤中出現(xiàn)大孔隙流的現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性及不連續(xù)性?？傮w而言，孔隙上部出現(xiàn)大孔隙流的概率小，而孔隙下部出現(xiàn)大孔隙流的概率大。在不同的灌水量、孔隙長度和初始含水率影響下，孔隙0～30 cm長度處出現(xiàn)大孔隙流的概率為2.08%～7.14%，而孔隙40～70 cm長度處出現(xiàn)大孔隙流的概率為14.58%～19.05%。

2）在不同的孔隙長度影響下，不通地表的孔隙比通地表的孔隙更容易出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象。試驗(yàn)顯示，在不同的孔隙長度影響下，不通地表的孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率為33.33%，而通地表的孔隙出現(xiàn)大孔隙流的概率為19.05%。

3）孔隙長度因素對出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的影響作用大于土壤初始含水率因素對出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的影響作用，而灌水量因素對出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的影響較小。試驗(yàn)顯示，不同的孔隙長度和土壤初始含水率影響下出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的增長幅度平均值均為1.5，而不同的灌水量影響下出現(xiàn)大孔隙流現(xiàn)象的增長幅度平均值為0。

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Factors Affecting Macropore Flow in Unsaturated Soil

ZHANG Jinhua, LI Mingsi*, HAN Han, LIU Xingshuang, XU Qiang, LAN Mingju

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

【Objective】Preferential flow in macropores is a common hydrological phenomenon in soil. The purpose of this paper is to elucidate the factors that could affect macropore flow.【Method】The experiment was conducted in tanks repacked with a fine sandy loam soil. Macropores with diameter of 4 mm were artificially created in the soil with their top ends either exposed to the soil surface or hidden in the soil. The length of the macropores varied from 50 cm to 70 cm, and the initial soil water content varied from 5.7% to 13.3%. The tanks were drip-irrigated by 50 L, 60 L and 70 L of water, respectively. Occurrence of macropore flow was judged by appearance of liquid water on the wall of the macropores at different depths, as well as matric potential in the soil matrix. 【Result】Macropore flow did occur but varied with soil depth. The probability of its appearance was 2.08%～7.14% in the top 0～30 cm of soil, and 14.58%～19.05% in the 40～70 cm of soil. It was also found that the probability of macropore flow occurring in the macropores which stretched to the soil surface was 13.04%, less than the 27.54% in the macropores hidden in the soil. The factors that affected macropore flow more significantly was ranked in the descending order: pore depth (length) >initial water content >irrigation amount. 【Conclusion】The vertical length of the macropores affected the occurrence of macropore flow in unsaturated soil most; macropore flow is more likely to occur in the subsoil than in the topsoil.

unsaturated soil; macropore flow; matrix suction; farmland drainage; soil water movement

1672 - 3317（2022）07 - 0070 - 09

S152；S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022023

張錦華, 李明思, 韓寒, 等. 非飽和土壤中大孔隙流的影響因素研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(7): 70-77, 103.

ZHANG Jinhua, LI Mingsi, HAN Han, et al. Factors Affecting Macropore Flow in Unsaturated Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 70-77, 103.

2022-01-12

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51790533）

張錦華（1992-），男。碩士研究生，主要從事灌溉原理與新技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail: 92205@163.com

李明思（1965-），男。教授，主要從事灌溉原理與新技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail: leemince@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳