土壤裂隙對農(nóng)田土壤優(yōu)先流的影響及其控制因子

尤 今，王樹謙

（河北工程大學水利工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

近十幾年來，由于土地資源的不合理利用導(dǎo)致了一系列的水土流失和環(huán)境污染問題，土壤溶質(zhì)優(yōu)先遷移現(xiàn)象日益被人們所重視，并逐漸成為了水文學、土壤學等領(lǐng)域的焦點之一。農(nóng)田土壤干縮過程中產(chǎn)生的裂隙可作為優(yōu)先流通道，使部分土壤水入滲繞過土壤基質(zhì)，沿裂隙快速下滲，被廣泛認為是水文學中的常見現(xiàn)象[1,2]。裂隙在灌溉或降雨過程中可作為優(yōu)先流的路徑，加速水分入滲，降低水肥的利用效率，增加地下水污染的風險[3]，同時是泥石流、山體滑坡和崩塌及水土流失等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素之一[4]。當雨水由斜坡表面進入裂隙土壤時，它會在裂隙網(wǎng)絡(luò)中流動并滲入土壤基質(zhì)，與無裂隙土壤相比，裂隙的存在增加了土壤水的入滲量、側(cè)流量，最終影響山坡水文學。

Beven 和Germann[5]于1982年研究發(fā)現(xiàn)土壤水和溶質(zhì)會繞過土壤基質(zhì)沿優(yōu)先流路徑快速下滲，土壤大孔隙雖然僅占土壤體積的0.1%～5%，但它們對降雨或農(nóng)田灌溉后土壤水分入滲和污染物的淋溶具有重要影響。Weiler 和Fluhler[6]利用染色法分析了不同灌溉強度和初始含水率下土壤優(yōu)先流模式及側(cè)向滲透特征。國內(nèi)如張麗華[7]、盛豐[8,9]和朱磊[10,11]等學者對優(yōu)先流現(xiàn)象進行了大量研究，研究成果對優(yōu)先流理論研究、模型理論完善及觀測技術(shù)的改進具有指導(dǎo)意義。但上述研究多集中在動植物活動形成的大孔隙及其誘導(dǎo)的土壤優(yōu)先流，而對干旱半干旱區(qū)常見的土壤裂隙，特別是表層裂隙所形成的優(yōu)先流研究則少見報道。且相關(guān)研究從優(yōu)先流的定義、類型、程度、特征、尺度、方法、模型等方面說明了優(yōu)先流的意義，少有從定量的角度對優(yōu)先流特征進行研究。本文基于模擬土壤裂隙、降雨強度及降雨歷時的田間試驗，采用染色示蹤方法，通過對入滲深度、染色面積、優(yōu)先流入滲對總?cè)霛B貢獻率等參數(shù)的分析，闡明土壤干縮裂隙作用下農(nóng)田水分運動以及溶質(zhì)運移特征與規(guī)律，并探討這些規(guī)律在農(nóng)業(yè)灌溉和提高農(nóng)業(yè)用水效率中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在寧夏中寧縣引黃灌區(qū)（105.67°E，37.48°N）進行。中寧縣位于寧夏回族自治區(qū)中部西側(cè)，處于內(nèi)蒙古高原和黃土高原的過渡帶，屬北溫帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫9.5 ℃，年平均降水202.1 mm，其中6-8月的降水量占全年降水量的61%；年蒸發(fā)量1 947.1 mm，為年平均降水量的9.6 倍。田間持水率（質(zhì)量）為23.82%，土壤有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為14.47 g/kg，pH值為7.58。試驗區(qū)土壤物理性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗區(qū)土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties in the study site

1.2 染色示蹤試驗

根據(jù)降雨強度和降雨歷時不同，將坡面人工裂隙條件下優(yōu)先流試驗分S1 至S6 共6 組處理（表2）。每組處理試驗區(qū)域長100 cm，寬100 cm，去除表面浮土并形成與水平面夾角為10°的傾斜坡面。電鉆打孔并用厚度為0.5 cm 的鋼板擠壓入土壤，分別沿x和y軸方向每隔20 cm擠壓出一條裂隙，共10條，每條裂隙深度為30 cm，長80 cm，形成人工土壤裂隙矩形網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

表2 染色示蹤試驗布置Tab.2 The experiment setup of the dye tracer test

圖1 試驗布置圖Fig.1 The illustration of the experimental setup.

降雨開始前在試驗區(qū)域一側(cè)開挖工作剖面（平行于Z-Y平面），并取土樣裝于鋁盒，在105 ℃烘箱中烘干12 h，測量土壤初始含水量。在模擬降雨器的水源中加入示蹤劑碘化鉀（20 g/L)，根據(jù)表2的設(shè)計，進行人工降雨處理，待示蹤劑溶液完全滲入地表之后，用防雨篷布將試驗區(qū)覆蓋以避免蒸發(fā)。降水處理持續(xù)12 h 后，亦即確保示蹤劑溶液完全滲入土壤后，沿x軸方向每隔10 cm 在試區(qū)逐層開挖垂直剖面，在仔細修理至平整的剖面表面噴淋次氯酸鈉指示液，使水流經(jīng)區(qū)域變?yōu)樯钏{紫顏色，然后立即對試驗剖面拍照記錄，并分別在剖面0、10、20、30、40、50、60、70、80 cm 的深度采集1 cm 厚的土壤樣品，其中0、10、20、30、40、50 cm 深度每層取9份土壤樣品，60、70、80 cm 深度每層取3 份土壤樣品，一組剖面共計57 份土壤樣品。采取的土壤樣本放置已知重量的鋁盒稱重后，放置烘箱完全烘干并再次稱重，計算其土壤含水量。

1.3 圖像處理

田間拍攝的土壤剖面原始圖像以JPG格式保存，圖像大小為2048像素×1228像素。

土壤剖面原始圖像經(jīng)必要的矯正和如下處理，生成黑白二值圖像，以便進行定量分析。①用Photoshop調(diào)整圖像尺寸，并轉(zhuǎn)化為256 色RGB 模式的BMP 格式。②基于水流攜帶的染色顯色示蹤劑流經(jīng)土壤并使之顯色、土壤顏色灰度值發(fā)生變化的特性，通過Matlab 軟件對每個像素進行分析，確定每個像素點的染色與否（二進制圖像中染色像素被定義為黑色，非染色像素為白色），得出模擬的二值剖面圖，并轉(zhuǎn)化為可以進行分析的數(shù)據(jù)文件。

經(jīng)過校正照明和幾何畸變的原始圖像和計算機處理過后的二值圖像見圖2和圖3。

圖2 經(jīng)過校正照明和幾何畸變的原始圖像Fig.2 the original image after correction for lighting and geometric distortion

圖3 計算機處理過后的二值圖像Fig.3 A binary image after applying the dye detection algorithm

1.4 二值圖像的數(shù)據(jù)處理

根據(jù)圖像處理輸出的二值數(shù)據(jù)，計算優(yōu)先流參數(shù)、量化優(yōu)先流的特征。采用實際入滲深度（ID）量化土壤水分流動的可變性[15]，用染色面積百分比（DC）直接定量描述垂直剖面運動軌跡，用入滲均勻度S2表示土壤水分在裂隙區(qū)及基質(zhì)區(qū)入滲深度是否均勻。上述3個參數(shù)的計算如下。

（1）染色面積百分比（DC）：

式中：當坐標a(xi,yi,zi)立方體像素點被染色時，定義a(xi,yi,zi)=1，如果未被染色，定義a(xi,yi,zi)=0，xy為剖面總像素點個數(shù)。

（2）實際入滲深度（ID）指試驗區(qū)域土壤水入滲所到達的最大區(qū)域，即：

式中：Δh立方體像素點的長度，取平均則得到各組試驗的平均入滲深度：

（3）入滲均勻度（S2）：

1.5 優(yōu)先流指數(shù)

優(yōu)先流比（PF-fr）、優(yōu)先流入滲量(PIV)、優(yōu)先流入滲對總?cè)霛B的貢獻（contribution）及染色面積比變異系數(shù)（Cv）等是分析土壤優(yōu)先流特征的主要參數(shù)。

（1）優(yōu)先流比（PF-fr）：

式中：UniFr為均勻入滲深度（染色面積為80%時入滲深度）；X剖面寬度（本研究中剖面寬度為100 cm）；TSA為被染色區(qū)域總面積。

（2）優(yōu)先流入滲量(PIV)及其對總?cè)霛B量的貢獻(Contribution)：

式中：Vi，Vj為第i，j層深度土壤水分入滲量。

式中：θtu為降雨后土壤質(zhì)量含水率；θiu為初始土壤質(zhì)量含水率；U代表每層土壤樣品序列編號；Vs為土層體積。

優(yōu)先流入滲貢獻量可以定義為優(yōu)先流入滲量(PIV)占總?cè)霛B量(TIV)的比例，即：

（3）染色面積比變異系數(shù)（Cv）：

通過對染色土壤剖面圖片進行等分處理，計算不同土壤深度染色面積比及其變異系數(shù)，以表征土壤優(yōu)先流發(fā)育的相對成熟程度。優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)可以直觀反映土壤剖面不同深度染色區(qū)域的變化，土壤優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)越小，土壤優(yōu)先流發(fā)育程度越高

式中：Cv為土壤優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)；S為染色面積比的標準差；為優(yōu)先流染色面積比的平均值；xi土壤剖面在i深處染色面積比；n為土壤剖面染色圖片平均等分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面裂隙對土壤水分入滲影響

由表3可知，與無裂隙對照相比，在30 mm/h 降雨強度下，有裂隙處理組平均入滲深度增大了5.70 cm，平均入滲均勻度增大了17.4；50 mm/h 平均入滲深度增大了21.34 cm，平均入滲均勻度增大了83.0。由圖4可見，裂隙區(qū)域在云圖呈現(xiàn)網(wǎng)格線條變粗，50 mm/h 處理顏色沿裂隙網(wǎng)絡(luò)由藍變紅且網(wǎng)格完整性較好；基質(zhì)區(qū)顏色多呈藍色，顏色變化無規(guī)律。與無裂隙對照處理相比，降雨強度增大及降雨歷時的延長均有助于優(yōu)先流形成，但降雨強度增大較之歷時延長對入滲均勻度的影響更為劇烈，因此，降雨強度可能是優(yōu)先流發(fā)育的首要因子。該現(xiàn)象可能歸咎于優(yōu)先流的不平衡特征，即優(yōu)先流路徑的水通量要高于土壤基質(zhì)的水通量，優(yōu)先流快速流動的特性使土壤水分入滲繞過土壤基質(zhì)沿裂隙快速下滲。降雨強度越大，土壤表層含水率越快達到飽和，此時裂隙在土壤水分入滲中起重要作用，裂隙可作為優(yōu)先流路徑，增大了土壤水入滲量。

圖4 土壤水分入滲空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of infiltration depth under different treatments

表3 土壤優(yōu)先流的變化特征Tab.3 Characteristics of soil preferential flow

2.2 不同坡面位置的裂隙對優(yōu)先流影響

表3給出了不同處理下的優(yōu)先流指數(shù)。降雨強度為30 mm/h，降雨歷時為60 min 時有裂隙S1、S2 處理較無裂隙S3 處理平均染色面積增大了9.5%，平均優(yōu)先流比增大了8.7%，優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻值增加了31.3%。此時土壤水分入滲基質(zhì)流和優(yōu)先流同時進行，優(yōu)先流入滲量與基質(zhì)流入滲量相近。降雨強度為50 mm/h，降雨歷時為30 min 時有裂隙處理較無裂隙處理染色面積增大了36.0%，優(yōu)先流比增大了22.2%，優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻值增加了33.6%。值得注意的是在S5 處理中優(yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻值均超過50%，此時優(yōu)先流占主導(dǎo)地位?？芍严兜拇嬖谠龃罅藘?yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻，顯著改變了土壤水分入滲模式。土壤裂隙的存在促進優(yōu)先流的發(fā)育，優(yōu)先流通道增多，優(yōu)先流入滲量變大。與前文結(jié)論一致，降雨強度較大處理與降雨歷時較久試驗相比，入滲深度、均勻入滲深度、染色面積、優(yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻值均顯著增加。與無裂隙處理相比，裂隙存在試驗組的均勻入滲深度、染色面積、優(yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻同樣顯著增加。

將S2、S3、S4、S5處理的剖面6（坡面底端至坡面頂端的第6 個垂直剖面）記做S2-6、S3-6、S4-6、S5-6，對試驗結(jié)果做進一步分析驗證。對比可知，各垂直剖面均勻入滲深度、染色面積、優(yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻值基本符合試驗整體規(guī)律。降雨強度為30 mm/h，降雨歷時為60 min時由圖5（a）可見土壤裂隙的存在增加了土壤水分入滲深度，但由于降雨強度較小，大部分土壤水分入滲以基質(zhì)流為主，入滲深度未達到裂隙底端。由圖S3-6 可見土壤水分入滲均勻，此時優(yōu)先流比僅為3.9%，幾乎不存在優(yōu)先流入滲，均勻入滲深度值與入滲深度值接近，表層土壤含水率變化值較大。降雨強度為50 mm/h，降雨歷時為30 min 時可見在S4-6、S5-6 垂直剖面上土壤水分入滲深度均達到裂隙底端，兩組試驗含水率變化值出現(xiàn)波動，先隨入滲深度的增加而減少，在20 cm 深度處達到波谷，隨后增加并在30 cm 深度處達到波峰，同時染色面積比在30 cm 深度出現(xiàn)波動，結(jié)合圖像可知0～10 cm 深度區(qū)域為基質(zhì)流區(qū)域，土壤水分變化曲線與S3-6 相似，優(yōu)先流的快速移動特征使部分土壤水分繞過土壤基質(zhì)快速到達裂隙底端，30 cm 深度處由于優(yōu)先流通道結(jié)束，到達裂隙底端的土壤水進行進一步的入滲及測滲，含水率變化曲線隨深度線緩慢下降。

圖5 土壤水分在剖面中的分布與變化Fig.5 Distribution and variation of soil water along profile

3 結(jié) 論

本文從定量角度對六組處理的優(yōu)先流特征參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，坡面土壤裂隙在降雨重新分配中起重要作用。裂隙的存在增大了土壤水分入滲量同時減少了地表徑流量，延緩了地表徑流形成的時間，同時，增加了均勻入滲深度、平均染色面積、優(yōu)先流比和優(yōu)先流入滲對總?cè)霛B貢獻率。較無裂隙處理，降雨強度為50 mm/h有裂隙處理均勻入滲深度增大了9.4、平均染色面積增大了36.0%、優(yōu)先流比增大了8.7、優(yōu)先流入滲對總?cè)霛B貢獻率增大了31.3%；降雨強度為30 mm/h 有裂隙處理組均勻入滲深度增大了3.1、平均染色面積增大了9.5%、優(yōu)先流比增大了22.2、優(yōu)先流入滲對總?cè)霛B貢獻率增大了33.6%。降雨歷時及降雨強度均能促進激活裂隙通道作為優(yōu)先流通道，有利于優(yōu)先流形成。降雨強度增大時，優(yōu)先流發(fā)育較快且未抑制基質(zhì)流發(fā)育；降雨歷時增大時，基質(zhì)流區(qū)增加同時也促進優(yōu)先流發(fā)育。降雨強度的增加較降雨歷時增加對促進優(yōu)先流發(fā)育效果更為明顯。