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(xué)水利工程學(xué)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(xué)、土壤學(xué)等領(lǐng)域的焦點(diǎn)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(rèn)為是水文學(xué)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(fēng)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(dāng)雨水由斜坡表面進(jìn)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(xué)。

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(qiáng)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(xué)者對優(yōu)先流現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)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(jìn)行研究。本文基于模擬土壤裂隙、降雨強(qiáng)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(xiàn)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(yùn)動以及溶質(zhì)運(yùn)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(jìn)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(fēng)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(jī)質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)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(jìn)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(xì)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{(lán)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(jìn)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(jìn)行分析，確定每個像素點(diǎn)的染色與否（二進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(yùn)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(dāng)坐標(biāo)a(xi,yi,zi)立方體像素點(diǎn)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(diǎn)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(dá)的最大區(qū)域，即：

式中：Δh立方體像素點(diǎn)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(xiàn)（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(xiàn)(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(xiàn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(qiáng)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(lán)變紅且網(wǎng)格完整性較好；基質(zhì)區(qū)顏色多呈藍(lán)色，顏色變化無規(guī)律。與無裂隙對照處理相比，降雨強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度越大，土壤表層含水率越快達(dá)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(qiáng)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(xiàn)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(jìn)行，優(yōu)先流入滲量與基質(zhì)流入滲量相近。降雨強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)值均超過50%，此時優(yōu)先流占主導(dǎo)地位。可知裂隙的存在增大了優(yōu)先流比及優(yōu)先流入滲量對總?cè)霛B量的貢獻(xiàn)，顯著改變了土壤水分入滲模式。土壤裂隙的存在促進(jìn)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(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(xiàn)值基本符合試驗整體規(guī)律。降雨強(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(dá)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(dá)到波谷，隨后增加并在30 cm 深度處達(dá)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(dá)裂隙底端，30 cm 深度處由于優(yōu)先流通道結(jié)束，到達(dá)裂隙底端的土壤水進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(xiàn)率。較無裂隙處理，降雨強(qiáng)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(xiàn)率增大了31.3%；降雨強(qiáng)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(xiàn)率增大了33.6%。降雨歷時及降雨強(qiáng)度均能促進(jìn)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(qiáng)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(jìn)優(yōu)先流發(fā)育。降雨強(qiáng)度的增加較降雨歷時增加對促進(jìn)優(yōu)先流發(fā)育效果更為明顯。