農田土壤環境監測滲漏池系統的構建技術及應用

王攀磊，徐勝濤，潘艷華，魯 耀，雷寶坤，付利波，朱紅業，王志遠

（1. 云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205； 2. 農業部嵩明農業環境科學觀測實驗站，昆明 650205）

0 引 言

近年來，粗放的農田管理措施導致了耕地質量的連年下降，尤其是農田投入品的過量施用引起的農田氮磷流失，加劇了農業面源污染的風險。因此，土壤中養分的吸收、溶解、沉淀和水文等運移過程逐漸成為農業環境領域的研究熱點，特別是在不同土壤類型（土壤母質、理化性質和水文特征等）和農田管理措施（耕作和施肥等）的共同影響下，土壤滲濾液成分的時空動態特征成為農業環境研究中的重要科學問題[1-6]。滲漏池（lysimeter），又稱蒸滲儀，是監測土壤滲濾液成分（水分、養分、重金屬和農藥殘留等）淋洗特征的重要技術手段。

滲漏池是一種土柱系統，將土壤通過隔離或固定，在其側部或底部安裝監測及收集裝置，以測定不同土壤、作物、氣候和地質條件下的土壤液體滲漏量和養分動態，進而研究土壤-植物-水之間的變化規律[7-8]。在農業生態系統中，滲漏池主要用于研究水、氣、養分、農藥殘留和重金屬等在土壤中的運移規律。1688年，法國學者De la Hire創造性地利用滲漏池開展水土流失監測工作[9]。近年來，隨著農田環境問題的日益突出和國家對生態環境保護的高度重視，滲漏池在農業環境科研工作中得到了廣泛的關注和應用。據Lanthaler等[10]2004年的調查，在歐洲國家100多個研究機構已經建立了近3 000個滲漏池監測系統，主要用于研究農田、森林、草地等生態系統中水、肥、氣、熱以及污染物的變化規律，其中涉及農田生態系統研究的滲漏池占62%。1987年中國在重點農區和主要土壤類型上，逐步建立了 9個土壤肥力和肥料效益長期定位監測基地，以監測研究土壤肥效為主，90年代后直至今日，隨著農業環境問題日漸突出，國內各科研院所也開始陸續建立各類型滲漏池，以監測土壤養分動態為主，多年來，滲漏池已逐漸成為國內農業環境科研基地田間監測設施中重要的組成部分。

滲漏池的實時、精準監測特性可以幫助建立土壤水分、養分、污染物等運移模型，評估不同耕作措施對農田生態系統的影響，進而為完善農田管理策略提供技術支持[11]。本文就滲漏池的分類、構建、布設、取樣方法等內容進行了闡述，比較分析了各類滲漏池的優劣以及人為效應，并針對滲漏池目前存在的缺陷進行討論并提出了建議。

1 滲漏池的分類

滲漏池的分類方法多樣，可按照構建方法、研究功能、甚至大小型號進行分類，如按照土壤裝填方式可分為回填式（backfilling）和原狀土柱（monolithic）；按照是否可稱重分為稱重式（weighable）和非稱重式（non-weighable）；按照排水方式分為自由排水型（free drainage）和張力控制排水型（suction controlled drainage）；按照尺寸大小又可分為大型和小型[8]。

本文根據滲漏池在農業環境監測研究中的實際應用情況，參考Kohnke等[9]的分類方法，將滲漏池的結構分為回填型、原狀土柱型和Ebermayer型三大類。根據已查閱的資料結果顯示，全球范圍內應用的滲漏池以前兩者居多。據Lanthaler等[10]的調查結果，在歐洲應用的滲漏池中，62%為回填型，30%為原狀土柱型。圖1為根據不同構建和監測方式歸納的滲漏池分類示意圖。

1）回填式。回填式滲漏池為半封閉式結構，其特點是先構建好具有垂直壁、頂部和封閉底部的容器，然后按照特定土層原位回填土壤，底部通常鋪設有滲濾層并安裝液體收集裝置，以監測土壤滲漏量及養分流失量。在土壤回填方法上，部分研究按照固定的土層梯度挖取土層并將土壤篩選、混勻后再按照原有層次回填[12-17]，也有研究按照土壤的發育層次進行挖取和回填[18]，其目的均是對土壤剖面進行最大程度的還原。土壤回填至滲漏池后，需人為壓實直至土壤容重接近原始條件，此后在自然條件下經過降雨或灌溉使土壤不斷收縮緊實，可通過檢測土壤導水率來判斷土壤是否達到原始狀態[19]。通常情況下，在開展試驗前，滲漏池分層回填土后需經過數年自然沉降，直至土壤容重恢復或接近田間原始狀態[20]。由于受取土技術限制，19世紀之前滲漏池類型均為回填土式[9]，一直被國內外研究者廣泛沿用至今。

2）原狀土柱式。原狀土柱型的滲漏池結構為半開放式，其土體側壁和田間土壤被隔離裝置所隔離，而底部部分開放用以收集濾液。由于回填土滲漏池不能監測自然狀態下滲漏液的滲漏率和化學成分，英國洛桑試驗站于1870年研究發明了第1個原裝土滲漏池裝置[9]。從構建方法看，原狀土柱系統是指用外力將圓形或方形容器垂直于地面直接嵌入土體中，或是在整塊原始土壤的四周構筑隔離裝置，并在底部鋪設滲濾層，用以接收土壤滲濾液的系統。原狀土柱多數為圓柱形，僅少量為正方形，框體通常由金屬材質制成，即通過將板材滾軋、焊接成環狀圓筒。此外也有滲漏池采用有機玻璃等其他材質[21]。

3）Ebermayer型。Ebermayer型的土體則為全開放式，在此類型的滲漏池中，土壤留在原位，不設置側壁，僅在土體下方濾液收集裝置[22]。從嚴格意義上講，Ebermayer型滲漏池由于未構建隔離裝置，更適合被稱為土體監測系統，而不宜被歸類為滲漏池。因此，本文將著重闡述回填型滲漏池和原狀土柱型滲漏池。

在土壤水文及水土流失領域，為了研究土體的水分平衡，通常在滲漏池底部安裝測重儀，以實時記錄滲漏池的質量，同時通過測定滲漏液的質量，以計算土壤的蒸發和蒸騰量，此類滲漏池被稱為稱重式（weighable）滲漏池。據Lanthaler等[10]的調查，目前在歐洲2000多個滲漏池中，82%的滲漏池為可稱重式，非稱重式（non-weighable）僅占 10%，主要是由于多數滲漏池有監測土壤水分平衡的功能。然而，在重點關注土壤養分滲漏的農業環境監測研究領域，滲漏池可不安裝測重儀。除此之外，稱重式滲漏池在農業環境領域應用較少還有2個重要原因：1）滲漏池通常質量較大，對測重儀的安裝工藝要求較高；2）很多滲漏池底部為混凝土結構，導致無法在其底部安裝測重儀。

各類文獻為滲漏池分類的主要目的是方便讀者了解不同滲漏池的建造原理及方式，實際上，由于研究目的、試驗環境及試驗條件等方面的限制，研究者會采用組合的方式進行研究，并不拘泥于特定的滲漏池類型。

圖1 滲漏池的分類示意圖Fig.1 Schematic diagram of classification of lysimeter

2 滲漏池的構建與布設

不同類型滲漏池構建方式各異。滲漏池土體的承載方式或裝載方法通常是由具體的科學問題、當地地質環境及技術條件等決定的，而滲漏池的構建也決定了試驗采用何種布設方法、取樣方法及相關配套系統，因此滲漏池的構建是監測系統的核心。但總的來說，其構建方式均可歸為2種：第1種由混凝土、鋼筋或磚石構建滲漏池或滲漏場，在其中填入土體，稱為混凝土滲漏池；第 2種是由塑膠或金屬材料鑄成的中空型圓柱框體（cylinder casing）裝載土體，稱為容器類滲漏池。回填式滲漏池的構建方式以第1種為主，少數采用第2種方式[23-24]；而原狀土柱式滲漏池則以第 2種為主。下面將分別針對混凝土滲漏池和容器型滲漏池的構建、布設及取樣方法展開闡述。

2.1 混凝土滲漏池

滲漏池的建設深度至少應達到作物根部最深處，如冬小麥的根部通常會生長至地下2 m[25]，Evett等[26]建議種植冬小麥的試驗地建設滲漏池時其深度應該至少為 2 m。根據德國BBA的標準[27]推薦，滲漏池的面積應不小于0.5 m2，深度應在1.0～1.3 m之間。據調查，混凝土滲漏池的深度一般在1.2～1.8 m之間，也有個別滲漏池的深度達到 3.0 m。滲漏池的橫截面積通常在 2.0～6.0 m2之間。

混凝土滲漏池的建造步驟一般為：根據研究具體要求確定滲漏池的尺寸、數量以及滲漏池群的布局方式，以此計算總占地面積，整體開挖一定深度的規則長方體坑池，用混凝土澆筑底部及四周，根據單個滲漏池的尺寸和布設逐一澆筑池壁。滲漏池結構構建完畢后，將分層挖出土壤過篩混勻并按照原土層回填。構建材料可根據各地區的氣候及地質條件而定，在溫度較低容易產生冰凍的地區可采用防水鋼筋混凝土或素混凝土修筑池壁和池底，避免冬季凍裂，而其他地區可采用磚混結構澆筑，池底應為混凝土。澆筑而成的鋼筋混凝土池壁厚度一般為20～30 cm，磚混池壁厚度應不小于25 cm。滲漏池內外壁兩側、池底均需要進行防滲處理，涂抹防水砂漿，避免滲水。在側面，可設置不同深度的水平放置的滲漏液收集管，以收集、監測不同土層的滲漏量及養分含量；在滲漏池池底，四周向中部傾斜設置形成集水結構，且池底中央通過地漏設置滲濾液采集管，該采集管向觀察池壁一側伸出且設有閥門。池底從下至上依次鋪設濾水材料，通常為由礫石、石英砂、土工布等組成的多層滲漏層。

觀測式滲漏池是一種在國內應用較為廣泛的混凝土式滲漏池[14-15,28]，即在單個滲漏池之間建立觀測通道，其中一面池壁由透明材料構成，用以實時觀察作物根部，測定根部生長率。

混凝土滲漏池的工程構建類型決定了其布設方式為集中建設，每個滲漏池為 1個試驗小區，由大量小區組成為滲漏池群，滲漏池建設的數量依試驗要求而定，較小的滲漏池群數量在10個以內，從構建成本和試驗要求考慮，滲漏池群通常為成排分布。觀測式滲漏池還需在排與排之間建立觀測通道，通道地面應低于滲漏池底部50～100 cm[14-15,29]。各滲漏池分布在地下觀察通道的兩側，相鄰滲漏池由鋼筋混凝土池壁隔開。混凝土式滲漏池的構建和布設方式見圖2。

圖2 混凝土滲漏池的構建及布置方式Fig.2 Construction and layout of concrete-brick lysimeter

2.2 容器類滲漏池

本文關于容器類滲漏池的構建信息多參考國外文獻，國內相關研究也主要以參考國外描述為主[30]，缺少本土原狀土芯所用機械設備、挖填方法的具體信息[10,24,31]。

目前國內外多數原狀土柱的取樣方法[32]仍參考Cameron于1992提出的機械整體取樣法，其步驟可大體分為以下幾步：1）將框體嵌入土壤；2）切斷原裝土柱與底層土壤的連接；3）取出原裝土柱；4）倒置滲漏池裝置；5）安裝底部裝置；6）再次回置滲漏池裝置，完成安裝。具體而言，首先，將無底圓柱桶（可為 PVC、鋼、鈦合金等）放置在土壤表層，然后挖掘去除柱體外圍的土壤，可通過人工、液壓油缸[32]、履帶鋤[33]等措施將金屬框體慢慢壓入土體中，并保證內部土壤不受破壞，圓柱環隨著挖掘深度逐漸下移；其次，當圓柱框體底部下放至所要求深度時，使用切盤插入圓柱環底部的土壤層，切斷圓柱中土壤與下層土壤的連接，得到原狀土柱，使用融化的凡士林（熔點45 ℃）填充、密封土柱和圓柱環之間的縫隙，當凡士林冷卻、凝固后，可以形成有效的密封環，防止產生邊界效應；隨后，將滲漏池置于PVC底盤上，當滲漏池放入溝槽并固定好后，使滲漏池的表面和周圍土壤持平；最后，倒置滲漏池裝置，在底部安裝好滲漏液收集系統、張力控制系統等裝置后，回置滲漏池并運送至實驗室。各國研究人員也對上述方法進行了改進，如 Takamatsu等[34]取樣設備（柱狀）外側為螺旋齒輪，通過旋轉取樣裝置鉆取土柱，提高了取土效率。

原狀土柱滲漏池的可移動性高，其布設方法也較為多樣，常見的主要有3種。具體方法如下：1）根據田間小區的布設將滲漏池系統直接分散放置在田間，如Basso等[33]在8個600 m2的小區中各放置1個滲漏池，Groenendijk等[35]為2個試驗小區各配備了1個原狀土柱滲漏池；2）集中埋置在田間實驗站，如Rupp等[24]、Zhao等[36]研究；3）通過配有空氣懸吊系統的拖車（防治路上顛簸破壞土體）將滲漏池運回實驗室，如Cameron 等[32]、Knowles 等[37]、Di等[38]、Ryan 等[39]、Takamastu[34]等研究。容器類滲漏池的構建和布設方式見圖 3。除此之外，還有部分小型滲漏池被布置在室內開展研究[40-41]。

圖3 原狀土柱裝填及布置方式Fig.3 Construction and layout of undisturbed monolithic lysimeter

2.3 滲漏池的表層構建

根據不同的研究目的、研究對象以及自身建設條件等，滲漏池表層設置方式多樣。根據滲漏池頂部和土壤表層的相對垂直位置，可分為 3類：1）頂部低于土壤表層；2）持平；3）頂部高于土壤表層。前2種屬于無限制徑流滲漏池，第3種屬于限制徑流滲漏池。其分類示意圖見圖1。

2.3.1 無限制徑流滲漏池

Martin等[42]和 Basso等[33]設計的滲漏池，上部被表層土壤完全覆蓋，這類滲漏池設計考慮了自然的地表徑流，也消除了由滲漏池邊緣凸起而隔絕外部區域所造成的邊界效應，同時也利于田間人工和機械操作，其土壤狀態最接近常規的田間狀態，兼顧了原狀土滲漏池和Ebermayer滲漏池的優點。

2.3.2 限制徑流滲漏池

限制徑流滲漏池主要應用于2種研究：1）監測降雨期間土壤表層橫向徑流量及養分損失量；2）水田土壤監測試驗。二者分別對應排水型滲漏池和持水型滲漏池。

對于排水型滲漏池，其主要目的是測定降雨期間的地表徑流量，因此滲漏池的池壁通常高于土壤表層以利于收集雨水，而池內土壤和外部土壤表面持平，同時在池壁側面設置出水口以收集雨流，出水口和土表持平，Zhao等[36]、姜萍等[16]和魯艷紅等[43]所采用滲漏池即為此類。與排水型對應的是持水型滲漏池，其主要目的是在土壤表層維持一定高度的水面，以滿足作物生長需求，典型如水稻種植。因此其池壁同樣高于周圍土表，徑流管設置在高于土表的某一高度，此高度是作物需求的水層高度，通常為5～10 cm，此類滲漏池可見Kay等試驗[16,41,44-45]。而針對水旱輪作系統的滲漏池，應同時考慮水季和旱季的排水，可設置2個出水口[36]。

限制徑流的設置是為了阻擋滲漏池內的地表徑流流出并測定徑流量，因此，由于地表徑流被人為阻攔，所測得的數據并不能完全代表田間自然狀態的徑流量。此外，高出土層的池壁由于隔離了滲漏池和周圍的土壤，會造成邊界效應。

2.4 滲漏池的配備系統

國外的高精度原狀土柱系統在土體各深度安裝水分監測儀、張力儀、取樣器等多種精確監測系統，并通過同步監測周圍田間土壤的水分、基質勢、溫度等，以監測滲漏池土壤條件是否與田間條件一致[35]。根據田間檢測數據，通過在頂部配備水分養分管理系統（如智能灌溉系統等），并在底部安裝張力排水系統，可實時調控滲漏池內部土壤水分等條件，使其環境與外部一致[34]。

在國內，為減少降雨影響，某些野外滲漏池群在滲漏池上方配備自動防雨棚，在作物整個生長階段當外界有雨雪時，對作物生長區進行遮擋，提供自動防雨功能，模擬干旱小環境[12,14]。

此外，滲漏池所在的實驗站通常會配備氣象站，監測空氣溫度、風速、風向、降雨量、日照時數和大氣壓等數據。

3 滲漏池的取樣

3.1 取樣位置

滲漏液的取樣位置根據研究要求有所不同，一般在滲漏池的側部和底部取樣。

3.1.1 底部取樣

在多數滲漏池設計中，均會在池底部安裝滲漏液收集管和收集器，用以測定滲漏液體積及化學成分，估算氮等的淋失量。為便于收集濾液，部分滲漏池將底部設置一定傾斜度以便于滲漏液流向收集裝置一側[30,42-43]，但也有滲漏池為平底[23,28-29]，或直接在底部安裝漏斗[33,41]。為防止土壤被淋洗流失，并利于滲漏液的淋洗，大部分滲漏池在土壤下方鋪設石棉布、石英砂[13,17]、礫石或砂礫[14-15,46-47]，或在下方漏斗內填充礫石等濾水層[14,34,41]，部分滲漏池甚至在管道內裝不銹鋼絲網并覆蓋礫石以改善排水和防止細土沖入[30]。

為了便于收集滲漏液，部分滲漏池設計安裝了自動收集系統，包括收集桶、數據記錄器、水泵以及自動取樣器[28-29]，此系統可在滲漏液達到一定量時自動取樣。國外的滲漏液收集設備基本可以達到自動收集、稱質量、取樣，精度達到0.1 mm[35]。國內部分學者也設計了一種自動取樣裝置，可通過控制器控制電磁閥工作，將滲漏池中滲漏土壤水接入容器中，當達到預設采樣水量時，通過水泵使得容器中水樣循環均勻后，將其引入采樣瓶中，最后排出整個裝置中的所有土壤水，完成一次性采樣收集工作[48-49]。

由于滲漏池的底部隔離了內部土壤與外界環境，使其土壤底部的水勢與田間有所差異，因此收集的滲漏量可能并非真實數據。為此，Cameron等[32,37-38,50]設計了一種可調控的滲濾液收集系統，其底部的滲漏管連接至密封收集桶，各收集桶由真空管連接，可通過控制其吸力和田間土壤保持一致，在此條件下收集滲漏液。此滲漏液收集系統包含快速滲漏系統和慢速滲漏系統，前者由多孔（2 mm，內徑）的250 cm長的空心銅管rotR（5 mm,內徑）構成，這些銅管呈鋸齒狀分布；后者由硅砂（＜70 μm）層和多孔塑料空心管（20 μm）構成。

3.1.2 側面取樣

滲漏池的側面取樣系統安裝程序較為復雜，只有部分滲漏池配有側面取樣系統。國內多數試驗采取從土壤剖面多層次取溶液或取土樣的方法，也稱為土壤溶液提取法，即在土壤剖面和裝置底部均設置多孔陶土頭（真空吸力陶土杯），利用真空泵產生負壓來采集土壤溶液。如Gu等[14]在距離土芯60 cm處設置陶土杯，每個陶土杯連接至布式玻璃瓶，并連接至真空裝置。這種取樣方法在國內外[14,17,28,35-36]均有較多應用。姜萍等[16]的滲漏池僅在池壁設置滲漏管，直接收集濾液，但此種收集方法僅能在土壤水分充足時才可取樣，因此這種情況可能只適用于土壤水分較多的水稻種植系統。為防止土壤進入濾液收集管，韓曉飛等[45]在各土層平鋪3 cm厚粗砂礫，用尼龍網覆蓋并安裝陶土管和排水塑料管，但滲濾層的鋪設很有可能改變了土壤的水文環境、物理結構和生物環境等。混凝土滲漏池側面取樣系統的安裝往往受到環境限制，如此類滲漏池的側壁較厚，打孔安裝取樣裝置存在漏水問題。

與混凝土滲漏池相比，容器類滲漏池側面采樣系統往往更為精細，主要是由于容器類滲漏池可移動性強，所有側面采樣系統的安裝可在地面或實驗室內操作，且其材質多為 PVC、金屬等，側面打孔和裝置安裝更為方便。通常在容器各層次的兩側橫向挖孔直至土壤芯，分別在兩側的孔中安裝取樣真空杯、土壤水分探針、張力計、溫度探針等[32,35,37]，與此同時在田間安裝監測系統，以檢測其內部環境與田間狀態是否一致。

3.2 取樣時間

土壤溶液各養分元素含量具有較高的時間變異性。如在灌溉和降雨期間，農田土壤的滲漏量較高，而在干旱期間，甚至可能沒有滲漏液。又如在施肥后的一定時間內，土壤溶液的氮磷鉀含量會經歷新的高峰期和衰減期，隨后是較長的平穩期。因此，滲漏液取樣時間的選擇需根據農田水分條件和施肥時間來決策。為了準確監測土壤滲漏液在整個種植過程中的養分含量動態變化，取樣時間至關重要，應準確把握土壤滲漏量及滲漏液養分濃度變化的關鍵點。

不同的種植作物和種植模式下，由于作物對水分的需求不同，因此土壤水分條件也有所差異，需要采取不同的取樣時間。在玉米-小麥、小麥-馬鈴薯、玉米、蔬菜等旱作模式下，多數研究在滲漏事件發生關鍵期采集樣品，如降雨及灌溉后收集滲漏液[13-14,19,51]，也有部分研究采用固定頻率收集液體，如 Perego等[52]、Rasse等[29]、Evett等[26]每1周或每2周收集滲濾液。前一種取樣方法可準確監測降雨及灌溉后，滲漏量及滲漏液濃度的動態變化，而后 1種采集的液體可能是不同時期滲漏液的混合樣品，僅能描述土壤在某一時間段內的滲漏狀態，無法監測具體的降水、灌溉、施肥事件下滲漏液的動態變化。Dowdell等[4]也根據滲漏量確定采樣頻率，每30 mm收集1次的采樣方法。

在水稻種植模式下，由于土壤水分條件在時間尺度上較為恒定，即土壤水分始終保持充足，意味著任何時間段土壤均有滲漏液，且滲漏量穩定，因此其采樣時間無需按照降雨、灌溉事件來決定，而是根據施肥時間安排取樣周期。韓曉飛等[45]在施肥后的85 d內每周測量并取1次滲濾液，姜萍等[16]在施肥后第1、2、3、5、7、10、15、20、25、30 天各取樣1次，而在其他時間每兩周采集1次滲漏水，紀雄輝等[30]在施肥后第1、3、7、15、30、50、70 d各收集4 h的滲漏水。

4 討 論

與室內試驗相比，滲漏池法的優勢在于原位監測，土壤條件更接近自然環境[34]，且能夠實現長期監測[13]。同時，由于其特殊的隔離環境，而使得滲漏池中的土壤物理、水分狀況與自然土壤有所不同，進而直接或間接影響（如影響作物生長）農田水分、養分及重金屬等的淋洗過程，這使得研究結果有一定的偏差。具體表現在：1）滲漏池尤其是回填土滲漏池，顯著改變了土壤物理化學以及微生物活動等生物性質，且原始土壤越黏重、發育越成熟，受到的影響越大；2）隨著試驗時間延長，土壤變得板結、緊實，通透性逐漸降低，顯著影響了土壤中的各種反應過程如氮的硝化等；3）滲漏池底部放置的隔離裝置（砂礫層等）和收集裝置在一定程度上仍改變了自然狀態下的滲漏率。

4.1 回填式滲漏池和原狀土柱滲漏池的優缺點分析

回填式滲漏池受環境因素影響較小，且其建設及運行成本較低，適合推廣應用，缺點是土壤在經過篩分、混合過程后，土壤氣候發生了改變。由于在回填過程中增加了土壤中的氧氣含量，因此相應提高了土壤礦化率。因此，一些研究者設計滲漏池時考慮只混合土壤耕作層的土壤，下層土壤擾動程度會有所降低，不會直接改變土壤氣候，但由于上層土壤和下層土壤的分離，也會影響滲漏速率。研究表明回填土滲漏池由于土壤結構改變會造成一定的測定偏差，在團聚體結構良好、分層明顯的土壤中偏差較高，而在沙粒較多的土壤中偏差較低[53]。Carrick等[54]發現，相比于矩形式回填滲漏池，圓筒式原狀土柱滲漏池在滲漏量、溴化物和氮素淋溶方面表現出較高的一致性，很可能是由于回填滲漏池在土壤回填過程中改變了土壤的孔隙分布和孔隙的連續性。

與室內試驗相比，原狀土柱系統的優點在于：1）試驗條件更接近自然環境[34]，能夠保持土壤的原始狀態，更有利于研究土壤水分在土柱中運移和作物吸收的情況；2）建設期相對較短，相對于回填土系統，原狀土柱不需經過長時間，通常需3 a左右[19]的自然沉降，可在短期內投入使用。而其缺點在于：1）對建設儀器要求較高，首先需要在不破壞土體構造的前提下使用裝備將鋼環嵌入土體，對壓力設備要求較高，其次多數過程需將土體整個翻轉并在底部安裝相關設備，對吊塔裝備要求較高，而整個原狀土體的挖掘、填裝和構建，需要同一臺設備實現整個過程的所有操作；2）由于受到材料、挖掘設備及操作方法的限制，原狀土柱的建設面積通常較小，容易形成孤島效應，在運行過程中受環境因素影響較大。

原狀土柱系統應追求最小程度的人為擾動，力求使滲漏池系統的土壤狀態和田間狀態一致。采取的方法包括：1）將滲漏池埋入土層30～50 cm以下，利于人為和機械耕作，使滲漏池監測區域的農田管理措施和大田條件一致。2）Ebermayer滲漏池，通常也在田間建設，其特點是土壤保持在原位，但四周并不構筑隔離裝置，僅在底部安裝滲漏液收集和儲存裝置。

4.2 滲漏池的邊界效應

目前，滲漏池法也實現了自動記錄采樣系統的設計[48-49]。隨著科技進步，滲漏池的構建技術、取樣技術和監測技術愈來愈趨向成熟，然而，滲漏池系統存在的邊際效應仍然是一個亟待解決的問題[32,55]。滲漏池中的土壤存在明顯的邊界效應（boundary effects），包括底部邊界效應和側部邊界效應。

4.2.1 底部邊界效應

1）表面張力。滲漏池底部的土壤-空氣邊界存在表面張力，會影響土壤液體的滲漏過程。在雨季或濕潤地區，充足的水分產生水壓可以克服表面張力，這種限制相對較少。若在旱季或干旱地區，土壤水分含量低，由于液體表面張力的阻礙土壤溶液不易向下淋洗，從而聚集在滲漏池底部，這樣使得滲漏池底部的水分含量要高于同等條件下的自然土壤。這種情況會通過影響作物長勢和水氣環境最終影響氮的淋洗，具體為：①作物長勢：如果滲漏池的設計深度較小，則植物根部可以利用這部分多余的水分，使得滲漏池的植物長勢好于自然土壤，最終導致滲漏池收集的滲漏液量和化學成分有別于自然狀態；②反硝化作用：滲漏池底部聚集水后，淹水的厭氧環境會促進氮的反硝化作用，部分硝酸鹽及亞硝酸鹽還原為氣態氮化物和氮氣，低估氮淋洗量。

2）水分條件。自然狀態下，在多雨或融雪季節，大量水分滲漏至土層底部并進入地下水，當干旱季節來臨，儲存的地下水可使底部土壤在一段時間內保持濕潤；而在滲漏池狀態下，進入底部的滲漏液由于全部被收集至儲存裝置，在干旱季節土壤底部沒有水分保證其濕潤，其土壤相對于自然狀態的土壤更為干燥。

針對上述問題，Dowdell等[4]通過在滲漏池底部安裝多孔真空杯，由真空泵連接，可以人為制造微弱的負壓以吸收底部水分，結果表明此種方法對滲漏量沒有影響。Hertel等[56]基于多種傳感器發明的第3代滲漏池，可以通過測量和比較田間與滲漏池底部同一深度的土壤基質電位來解決邊際效應問題。如果傳感器顯示滲漏池底部有更多的水分，則將水通過吸盤吸出；如果蒸滲儀相對干燥，則注入水分使其與田間水分狀況一致，可減少滲漏池的底部邊際效應，能夠實現對土壤水流量準確監測。有些大型土柱底部安裝張力排水系統（tension drainage system），通過檢測田間原始土壤底部的張力來相應調節滲漏池土壤底部張力，保證滲漏池張力和原始狀態一致[32]。

4.2.2 側部邊界效應

隨著試驗時間延長，滲漏池中的土壤變得板結、緊實，而土壤與池壁之間的孔隙增大逐漸成為水流通道，使得土壤表層積水不經過土體，而直接從縫隙中下滲至滲漏液收集管，因此，和田間原狀土壤相比，滲漏池底部收集的滲漏液量及化學成分有一定偏差，而不能真實反映原始狀態。盡管沒有直接的觀測證據表明土柱和側壁之間存在孔隙，但是Corwin[55]通過追蹤灌溉后Br-離子的運移軌跡和濕潤鋒，發現在滲漏池中確實存在邊際效應。Cameron[57]研究表明，由于邊際效應影響，滲漏池測得的土壤導水率往往比田間實際情況偏高，甚至可達 2倍，其滲漏速率也更高。

邊際效應可通過添加密封劑來緩解或消除（見圖4a）。Cameron等[32,58]在滲漏池的土體和裝置之間填充凡士林，即將高溫液化后的凡士林液體通過銅管注入土體和裝置間的孔隙，從底部逐漸加至頂部，冷卻后產生凡士林密封層可減少土柱系統邊緣水分流動，防止水分流失。研究結果表明在作物生長期間，作物根部不會穿透凡士林層而影響試驗。需要注意的是，凡士林對于土壤養分淋洗試驗是一種良好的密封劑，但由于其對農殘有吸附效果，該方法不適用于農藥殘留試驗研究。

Takamatsu等[34]、Shih等[59]采用了壓縮法以減小邊際效應，如圖 4b所示。具體操作方法為：在取土過程中，機械取土的土柱直徑大于滲漏儀的直徑（0.5 cm左右），以盡量減小土柱和滲漏池壁的孔隙。研究表明，在土柱中加入溴化物后，其在土柱中的滲漏速率較低，2a后仍未在滲漏池底部檢測出溴化物，且每次灌溉后的土壤濕潤鋒均在土壤上層，說明此方法可以有效減少邊際效應。同時，由于土柱直徑大于滲漏池直徑，應使用較為溫和而持續的壓力如水壓將土柱緩緩壓入滲漏池，而不使用機械動力，以免破壞土體結構。Corwin建議，在此過程中，還應持續在土體周圍加入適量水，以使土體保持濕潤，利于土體壓縮。由于需要不斷重復土體濕潤-干燥循環以保證土體均質地進入滲漏池，這種方法通常需要6個月的時間。

Corwin[55]在土柱壁上安裝阻流環來減少其邊緣的流動，示意圖如圖4c所示。阻流環的直徑略大于滲漏池，為 T型帶狀環，一側附著在滲漏池外壁，為垂直方向，另一側為伸長的條帶，為橫向方向，由土柱邊緣深入土壤內部。即在土壤表層下7.5、30和60 cm分別安裝阻流環，且 3個層次的阻流環粗度不同，由粗到細，分別為3.75、2.5和1.25 cm。通過安裝阻流環，可將從側壁流下的水流引導至側面的土壤內部，但此種方法有以下缺點：①受阻流環的安裝位置和安裝密度影響較大，阻流效果比較依賴于阻流環的安裝密度；②只能間斷性地將特定土層的壁流引入土壤內部，而不能覆蓋土層所有深度；③阻流環的安裝很有可能改變了土壤溶液原有的運移軌跡，雖然一定程度減緩了邊際效應，但同時也造成了其他的人為影響。

圖4 減小滲漏池邊際效應方法Fig.4 Methods of reducing sidewall flow of Lysimeter

此外，盡量使用面積較大的滲漏池也是消減邊界效應的有效方法，但由于受到機械裝置取土能力的限制，大型滲漏池通常為回填式滲漏池，而非原狀土柱。因此，在通過構建大型滲漏池來消減邊界效應的同時，也破壞了原有土體結構。

不同學者在消除滲漏池邊際效應的工作上作了各種嘗試和努力，整體而言，其切入點均集中在原裝土柱系統的裝填和密封，而對于場地建設的大型滲漏池，尚未提出有效的解決方案。紀雄輝等[30]在混凝土側壁上涂覆一層防水漆和油基漆成粗糙表面，阻止水分側滲及沿土壤和池壁間隙滲漏，但作者并沒有查閱到相關數據表明此舉是否有效，后續證明試驗還有待開展。國內大多數在研滲漏池為田間建設的大型混凝土構造，如何減小此類滲漏池存在的邊際效應，是中國科研工作者需要思考和解決的問題。

5 建議與展望

5.1 滲漏池的建設原則

就滲漏池的應用目的而言，滲漏池的建設應最大程度地保持非擾動性，這就需要以先進的技術手段作為保障，而在此前提下，可根據試驗條件有針對性地選擇最合適的滲漏池類型。此外，從更廣和更久的尺度，滲漏池的建設還應將系統性和可持續性考慮在內。具體如下：

1）非擾動性。無論農業環境監測研究關注的重點如何，都應將盡可能還原土壤原始狀態作為建設滲漏池的第一目標。

2）針對性。應以其研究需求為導向，結合當地地質地形條件、作物種植環境及自身建設水平等情況，針對性地建設滲漏池。

3）先進性。回顧滲漏池的發展歷程，從水分平衡監測到農業環境監測追蹤，滲漏池的功能演變和擴展總是伴隨著新的科學問題的提出和科學需求的出現，同時，科學技術的進步為滲漏池實現新功能提供了解決方案和手段。歐美等國家的滲漏池設備已廣泛應用智能監控操作系統，通過同時監測滲漏池內外的土壤水分及水勢條件，實時調整灌溉等條件，使滲漏池內部接近田間原位狀態，最大程度減小人為因素的影響。同時，在布局上，通過3點式或5點式等科學布局方法，構建滲漏池監控系統，可把握田間整體狀況。近年來，國外科學工作者發明了一種聚乙烯材料制成的集裝箱式滲漏池組，每個滲漏池組包含3～4個滲漏池容器和1個允許人進入的中央管道，各滲漏池圍繞著中央管道呈三葉草式分布。這種滲漏池造價低廉且便于運輸[8]。

4）系統性。歐洲已建立成熟的滲漏池信息共享平臺Lysimeter Platform[60]，該平臺包含了全球范圍內的各滲漏池站點信息，以列表的形式展示了各試驗站點滲漏池的相關配置和操作方式，幫助科研工作者快速瀏覽相關信息，各試驗站點以注冊形式加入平臺，共享本站點的位置、取樣裝置和土壤信息等。目前，國內尚無試驗站點加入此平臺。因此，針對滲漏池的平臺建設，國內建有滲漏池的科研工作站可通過加入國外平臺以加強交流合作，學習引進國外先進的滲漏池建設及監測技術。同時，還應加強全國滲漏池長期定位監測基地的溝通，建立國內共享平臺，相互借鑒滲漏池的設計方法和建造經驗，形成統一、標準的滲漏池建造技術規程。注重滲漏液對土壤條件、氣候條件、作物種植模式及田間管理措施等因素的響應，完善土壤養分淋失模型的建立，與 GIS相結合建立全國或區域范圍內的農田環境評價監測網，為制定相應的農田管理措施提供決策。

5）可持續性。維持較好的滲漏池可長期運行，成為長期試驗點。如英國Rothamsted試驗站2個滲漏池從1880年運行至今，已有138年歷史，德國Limburgerhof試驗站234個滲漏池從1927年運行至今已有近百年歷史。由于短期試驗不能揭示長期的變化趨勢，長期試驗是不可替代的研究手段。

5.2 滲漏池未來研究重點及發展方向

就研究內容而言，保護性耕作和土地利用變化對土壤-水分的影響以及追蹤土壤養分和外來污染物在土壤中的運動軌跡，是近年來滲漏池應用最為廣泛的科學領域；就研究方法而言，在此過程中需要運用的土壤水文模型、養分運移模型和水分-養分平衡模型等的參數校正是滲漏池研究所需要不斷探索和改進；就研究技術手段而言，如何通過不斷改進滲漏池構建技術和監測技術從而最大程度地減少土壤擾動，是滲漏池的研究重點和發展方向。

6 結 論

綜上所述，混凝土滲漏池構建技術要求低，運行成本相對低廉，但施工量大，建設工期長，試驗適應期長，且土壤擾動大，影響監測數據甚至研究結果，還需克服混凝土的底部和側部滲水問題。而容器類滲漏池的原狀土柱系統，因其土壤條件更接近自然環境，配備系統更完善，可獲取更精準的數據，施工量小，建設期短，可在短期內投入使用，但其取土技術和設備儀器要求較高，構建、運行成本高昂，且土體面積小，更易形成孤島效應。由于人為效應和邊界效應在半封閉的滲漏池系統中無法被同時徹底消除，因此，滲漏池的構建應以具體研究需求為導向，結合當地地質地形條件、作物種植環境及自身建設水平等情況，在試驗可接受的偏差范圍和建設預算內，有針對性地構建適宜自身條件平臺的滲漏池，從而實現低成本和高精確度的研究體系，針對性地構建適合的滲漏池，以更低的構建成本實現更高的數據精準度。

最后，建議以滲漏池監測系統為核心主體，建立長期監測定位試驗，并緊跟技術發展，借助科技手段不斷改進完善監測系統，聯合各滲漏池監測系統建立共享平臺，形成滲漏池建造技術標準，分享數據、模型，打造滲漏池構建網絡。