阮曉晗，白一茹，王幼奇，高小龍

(1.寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

優(yōu)先流是在重力和土壤水力的結(jié)合作用下水分穿透并繞過(guò)了大部分土壤基質(zhì)和毛孔，沿某些特定路徑快速進(jìn)入土壤的非平衡流現(xiàn)象[1]，廣泛存在于各種異質(zhì)性滲透介質(zhì)和土壤中。土壤優(yōu)先流能夠反映土壤結(jié)構(gòu)體的大孔隙狀況[2]、增加土體水分運(yùn)動(dòng)通道[3]，在水分虧缺地區(qū)，優(yōu)先流可以提高水分傳導(dǎo)效率[4]，為植物根系提供水分[5]，是土壤水分補(bǔ)給的重要來(lái)源之一[6]。土壤礫石[7]、裂隙[8]、植物根系[9]、動(dòng)物活動(dòng)[10]及人為耕作措施[11]等易在土壤內(nèi)部形成大孔隙導(dǎo)致優(yōu)先流出現(xiàn)。壓砂地是西北地區(qū)充分利用有限降水資源的一種旱作農(nóng)業(yè)模式，其土壤表面覆蓋礫石改變了地表過(guò)水?dāng)嗝妗⑿纬纱罂紫禰12]，為優(yōu)先流發(fā)育和存在創(chuàng)造了有利條件。因此深入研究?jī)?yōu)先流和基質(zhì)流特征對(duì)明晰壓砂地土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有積極作用，為提高壓砂地土壤水分利用效率提供參考。

近些年，一些學(xué)者對(duì)礫石類(lèi)型[13]、覆蓋顆粒大小[14]、形狀[15]、含量[16]及其在土壤基質(zhì)中的分布[17]等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明礫石覆蓋度[18]、覆蓋量[19]及礫石的空間分布[20]對(duì)水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。一般而言土壤礫石含量增加會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙增大，有利于水分入滲，進(jìn)而促進(jìn)基質(zhì)流和優(yōu)先流發(fā)育和形成[21]。在三峽庫(kù)區(qū)，戴翠婷等[22]對(duì)3種不同類(lèi)型土地進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)礫石和大孔隙特征共同影響土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在北方土石山區(qū)，趙思遠(yuǎn)等[23]研究發(fā)現(xiàn)不同坡位的土石介質(zhì)改變了土石山區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程，促進(jìn)了優(yōu)先流產(chǎn)生。在西北黃土區(qū)，邵明安等[24]研究發(fā)現(xiàn)在一定程度上含礫石土壤中礫石對(duì)于水分入滲過(guò)程、土壤飽和導(dǎo)水率等水力學(xué)參數(shù)及土壤持水性能有一定的影響。在巴基斯坦約旦河西岸，Jakob等[25]以染色示蹤劑進(jìn)行小范圍灌溉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含有礫石的土壤中優(yōu)先流現(xiàn)象明顯。在寧夏壓砂地區(qū)，白一茹等[26]對(duì)不同礫石覆蓋厚度條件下壓砂地的土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與裸地相比礫石覆蓋厚度會(huì)顯著增加累計(jì)入滲量，提高水分入滲速率。綜上可知，礫石會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，促進(jìn)優(yōu)先流形成及發(fā)育。優(yōu)先流在土壤中存在廣泛，但是由于不同區(qū)域的氣候、地形、土壤理化性質(zhì)、耕作方式和土石狀況等差異，礫石在土壤中的存在方式及其對(duì)優(yōu)先流入滲的影響也有很大差異。由于壓砂地的覆蓋和獨(dú)特耕作方式使得其入滲過(guò)程較其他土壤類(lèi)型更為復(fù)雜。針對(duì)壓砂地優(yōu)先流區(qū)域和基質(zhì)流區(qū)域入滲特征，尤其是以年限變化為主要因素影響下的優(yōu)先流和基質(zhì)流特征研究較為缺乏。

隨著壓砂地耕作年限增加，覆蓋層土石混合程度及比例發(fā)生顯著變化，進(jìn)而改變了土壤結(jié)構(gòu)、重構(gòu)了土壤大孔隙分布特征、增加了土壤水分運(yùn)動(dòng)通道，其優(yōu)先流和基質(zhì)流發(fā)育程度和發(fā)生路徑也產(chǎn)生相應(yīng)變化。因此本研究以寧夏中部干旱帶不同年限壓砂地土壤剖面為研究對(duì)象，通過(guò)原位亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)獲取剖面染色圖像，根據(jù)形態(tài)解析理論分析優(yōu)先流和基質(zhì)流形態(tài)特征，利用特征參數(shù)及分形特征進(jìn)一步明晰優(yōu)先流和基質(zhì)流程度，綜合分析耕作年限對(duì)壓砂地優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的土壤特性分布差異，為改善壓砂地水分生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)旱作農(nóng)業(yè)提供一定的理論幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)(105°22′E，36°76′N(xiāo))，地處寧夏中部干旱帶，屬干旱半干旱氣候，海拔1 679～1 680 m，年平均溫度13.4℃，年日照時(shí)數(shù)2 990 h，多年平均降水量240～260 mm，年蒸發(fā)量3 200 mm左右，無(wú)霜期168～175 d左右。光熱資源十分豐富，晝夜溫差大，土壤為灰鈣土，是硒砂瓜主產(chǎn)區(qū)。覆蓋礫石來(lái)自香山風(fēng)化碎石，覆蓋厚度為15～25 cm。試驗(yàn)時(shí)間為2020年10月。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地選擇與布設(shè) 通過(guò)前期調(diào)研，壓砂地耕層主要分布在0～25 cm土層。在試驗(yàn)區(qū)選取2、5、10、20、30 a和40 a的壓砂地隨機(jī)設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)，樣地按不同年限標(biāo)記為A1、A2、A3、A4、A5和A6(圖1)。由于試驗(yàn)前一周有降雨，試驗(yàn)小區(qū)各樣地水分含量基本一致，平均土壤含水量為12.58%±0.49%。選取地勢(shì)平坦區(qū)域，清除表面枯枝落葉及雜草，盡量避免破壞壓砂地原狀結(jié)構(gòu)，采用70 cm×70 cm×40 cm的隔離裝置垂直砸入土中35 cm，即形成試驗(yàn)觀測(cè)小區(qū)，填實(shí)裝置與土之間的縫隙并敲擊裝置外壁防止側(cè)滲影響試驗(yàn)結(jié)果。為保證樣地在染色試驗(yàn)前的土壤前期含水量相近，處理完畢后在試驗(yàn)裝置上覆蓋聚乙烯塑料薄膜防止降雨等其他影響，靜置24 h后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定 在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)挖開(kāi)表面礫石覆蓋層直至土壤層，整平后用環(huán)刀取垂直方向上0～10 cm土層的原狀土，共3個(gè)重復(fù)。利用環(huán)刀樣測(cè)定土壤容重、土壤總孔隙度及飽和導(dǎo)水率。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sampling plots

土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定采用定水頭法[27]，計(jì)算方法：

Ks=10Q×L/A×ΔH×t

(1)

式中,Ks為飽和導(dǎo)水率(mm·min-1)；Q為滲透量(ml)；L為土層厚度(cm)；ΔH為滲流路徑的總水頭差(cm)；t為滲透時(shí)間(min)；A為水流經(jīng)過(guò)的橫截面積(cm2)。

為了便于比較不同溫度下所測(cè)得的Ks值，將其換算為10℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

(2)

式中，K10為溫度為10℃時(shí)的Ks(mm·min-1)；Kt為溫度為t(℃)時(shí)的飽和導(dǎo)水率(mm·min-1)；t為水溫(℃)。

1.2.3 礫石分選 2020年9月20日至10月5日進(jìn)行不同年限壓砂地礫石分選。在研究區(qū)壓砂地集中分布區(qū)域以網(wǎng)格法均勻布點(diǎn)，選取2、5、10、20、30 a和40 a壓砂地，根據(jù)各年限壓砂地在研究區(qū)內(nèi)所占面積比分別選取11、31、33、15、6、6個(gè)樣點(diǎn)，共計(jì)102個(gè)樣點(diǎn)。在每一個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)選取50 cm×50 cm范圍內(nèi)礫石覆蓋層全部砂石風(fēng)干后用50、31.5、25、16、10、5、2 mm篩子逐層過(guò)篩，選取不同粒徑的礫石進(jìn)行稱重、記錄，壓砂地礫石粒徑配比情況見(jiàn)表2。

表2 不同種植年限壓砂地礫石粒徑配比/%Table 2 Gravel particle size ratio of gravel-sand mulched fields with different planting years

1.3 土壤優(yōu)先流特征分析

1.3.1 染色示蹤試驗(yàn) 試驗(yàn)前移除表面覆膜，基于研究區(qū)0～25 cm耕層過(guò)飽和水量，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)最大灌水量制定染色溶液量，配制36 L濃度為4 g·L-1的亮藍(lán)(FCF，C37H34N2Na2O9S3)溶液均勻噴灑在70 cm×70 cm的裝置范圍內(nèi)的壓砂地上，當(dāng)樣地表面無(wú)積水后在表面鋪設(shè)聚乙烯塑料薄膜防止降雨及蒸發(fā)等影響。待24 h后移除表面薄膜，將裝置取出，選擇試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)中心50 cm×50 cm區(qū)域每10 cm切垂直縱剖面，挖開(kāi)深度為50 cm，布設(shè)標(biāo)尺后，使用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)在距剖面相同距離、相同高度的位置對(duì)各個(gè)土壤垂直染色剖面進(jìn)行拍攝，選取其中有代表性的剖面圖像進(jìn)行分析。拍攝過(guò)程中配測(cè)量標(biāo)尺和灰階比色卡，以便后續(xù)圖像處理與分析，染色剖面見(jiàn)圖2所示。

圖2 染色剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of stained profile

1.3.2 圖像處理 將圖像導(dǎo)入Adobe Photoshop CC 2019中，根據(jù)圖像中布設(shè)的標(biāo)尺對(duì)圖片進(jìn)行幾何矯正和色彩校正，得到裁剪后尺寸為500×500 pixels的圖像，調(diào)整飽和度和對(duì)比度以加大染色區(qū)域與非染色區(qū)域色彩對(duì)比，選擇染色區(qū)域丟棄色彩轉(zhuǎn)化為灰度圖，調(diào)整閾值使圖像顯示效果與實(shí)際染色效果一致，選擇非染色區(qū)域填充為白色(用255表示)，染色區(qū)域?yàn)楹谏?用0表示)，整個(gè)圖片顏色數(shù)值為0或255。將處理后的圖像導(dǎo)入Image Pro Plus 6.0中，將待測(cè)圖像數(shù)值化并轉(zhuǎn)為Excel待分析。

1.3.3 染色特征參數(shù)

(1)染色面積比(Dc)

(3)

式中，Dc為剖面染色面積比，D為剖面染色面積(cm2)，S為圖像總面積(cm2)。

(2)最大染色深度(MDSD)，染色劑下滲的最大深度。

(3)基質(zhì)流深度(UniFr)，染色面積比>80%的染色區(qū)域?yàn)榛|(zhì)流區(qū)域，其最大深度為基質(zhì)流深度。

(4)基質(zhì)流比(Pfr)，染色區(qū)域中基質(zhì)流區(qū)域占總?cè)旧珔^(qū)域的百分比。

(4)

式中,Pfr為土壤剖面基質(zhì)流占比(%)，UniFr為基質(zhì)流深度(cm)，W為土壤剖面寬度，Totstar為總?cè)旧娣e(cm2)。

(5)優(yōu)先流比(PF-fr)，染色區(qū)域中優(yōu)先流區(qū)域占總?cè)旧珔^(qū)域的百分比。土壤優(yōu)先流比越高，說(shuō)明研究范圍內(nèi)的土壤優(yōu)先流發(fā)育程度越高[28]。

PF-fr=1-Pfr

(5)

式中，PF-fr為土壤剖面優(yōu)先流占比(%)。

(6)土壤染色剖面變異系數(shù)(CV)，土壤剖面內(nèi)部染色差異程度。

(6)

1.3.4 分形維數(shù) 分形維數(shù)是量化自然界中不規(guī)則形狀的數(shù)學(xué)方法，土壤優(yōu)先流現(xiàn)象形成的濕潤(rùn)鋒跡線是不規(guī)則和無(wú)序的幾何形態(tài)，具有明顯分形特征[29]。選擇邊長(zhǎng)為r的正方形小盒子，對(duì)濕潤(rùn)峰跡線進(jìn)行覆蓋，統(tǒng)計(jì)覆蓋濕潤(rùn)鋒跡線的小盒子數(shù)記為N(r)。當(dāng)縮小盒子尺寸直至趨近于0時(shí)得到分形維數(shù)(FD)，其公式為：

(7)

若FD=1，表明濕潤(rùn)鋒跡線為直線，此時(shí)入滲狀態(tài)完全均勻，無(wú)明顯優(yōu)先流狀況；若FD>1，表明濕潤(rùn)鋒跡線波動(dòng)，存在優(yōu)先流發(fā)育，且FD越大，濕潤(rùn)鋒跡線不規(guī)則程度越高，說(shuō)明入滲均勻程度越差，優(yōu)先流發(fā)育程度越高。本文土壤剖面濕潤(rùn)鋒跡線FD值由FractalFox 2.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限壓砂地染色形態(tài)分析

圖3給出了不同種植年限壓砂地的染色形態(tài)，黑色為染色區(qū)域，白色為未染色區(qū)域?？梢钥闯鲭S著種植年限增加，礫石覆蓋層與下層土壤邊界逐漸模糊。各樣地的染色表現(xiàn)出以基質(zhì)流形式均勻染色和濕潤(rùn)峰鋸齒狀波動(dòng)優(yōu)先流染色相結(jié)合，隨后在土壤下層不同層面表現(xiàn)出一定優(yōu)先流特征，基本呈現(xiàn)出種植年限越長(zhǎng)基質(zhì)流區(qū)域越小，優(yōu)先流現(xiàn)象出現(xiàn)深度越淺的趨勢(shì)。A1、A2、A3、A4礫石覆蓋層整體染色形態(tài)均勻，說(shuō)明礫石層連通性好，孔隙分布均勻，有利于亮藍(lán)溶液向下遷移，而A5、A6礫石覆蓋層染色深度明顯較淺且分布形態(tài)規(guī)則性差，表明相對(duì)密實(shí)度較大且孔隙較為分散，不利于水分均勻入滲。A1整體以均勻的活塞流入滲為主，基質(zhì)流區(qū)域在整體染色區(qū)域占比較大，入滲接近最大深度位置才出現(xiàn)優(yōu)先流。在0～25 cm土層部分染色較為均勻，存在少數(shù)點(diǎn)狀未染色區(qū)域，可能是由于部分礫石改變了水分運(yùn)動(dòng)通路。25 cm以下出現(xiàn)橫向染色片區(qū)和縱向條帶狀染色區(qū)域，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤出現(xiàn)了優(yōu)先流特征，入滲過(guò)程主要以豎直入滲為主。A2，A3，A4在礫石層內(nèi)主要以基質(zhì)流形式均勻向下入滲，但進(jìn)入土層后均出現(xiàn)了不同程度的優(yōu)先流現(xiàn)象，A2在12 cm左右深度出現(xiàn)不連續(xù)橫向未染色區(qū)域，可能是由于礫石層與土層分界區(qū)域的不連續(xù)性改變了部分水分通道，在這個(gè)間斷層下部3 cm左右又呈現(xiàn)出較為均勻的染色形態(tài)，在18～48 cm土層出現(xiàn)縱向條帶狀優(yōu)先流，可能是由于蚯蚓等生物活動(dòng)造成的。A3礫石層染色較為均勻但染色程度和基質(zhì)流區(qū)域占比較A2更低，其染色圖像在18 cm深度以下出現(xiàn)深度不一的條塊狀染色形態(tài)。A4礫石覆蓋層整體染色形態(tài)均勻性較A3更差，基質(zhì)流范圍主要在0～11 cm的礫石層內(nèi)，1～5 cm局部區(qū)域出現(xiàn)橫向染色程度較淺片區(qū)。11 cm向下染色形態(tài)呈模糊的指狀分布，同時(shí)出現(xiàn)了清晰的縱向洞穴狀染色帶。而A5與A6入滲過(guò)程幾乎只在礫石分布的區(qū)域進(jìn)行，少部分延伸到礫石與土壤混合地帶，入滲形態(tài)極不均勻，基質(zhì)流僅在接近地表的淺層區(qū)域存在且基質(zhì)流區(qū)域面積較小，A5染色區(qū)域與未染色區(qū)域邊界模糊，說(shuō)明A5礫石層中存在大量土壤且內(nèi)部分布有大量密集的孔隙，水分通過(guò)這些孔隙傳導(dǎo)形成染色區(qū)域和未染色區(qū)域的過(guò)渡邊界。A6基質(zhì)流區(qū)較A5更小，染色區(qū)域邊界清楚且染色區(qū)域深淺不一，可能由于長(zhǎng)期棄耕且缺水導(dǎo)致土壤嚴(yán)重板結(jié)，形成了密度較大的土塊與礫石混合物，水分難以由地表向下傳遞，大部分只能通過(guò)礫石在土體中形成的大孔隙傳導(dǎo)，同時(shí)由于土壤與礫石兩種介質(zhì)存在水分傳導(dǎo)的差異性進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部染色程度不同。

圖3 垂直剖面染色圖像Fig.3 Images of vertical stained profiles

2.2 不同種植年限壓砂地染色特征參數(shù)分析

分別對(duì)A1、A2、A3、A4、A5和A6樣地的土壤剖面染色圖像進(jìn)行分析處理，得到染色面積比(Dc)、基質(zhì)流深度(UniFr)、基質(zhì)流比(Pfr)、優(yōu)先流比(PF-fr)、最大染色深度(MDSD)和染色剖面變異系數(shù)(CV)6個(gè)染色特征參數(shù)，不同種植年限壓砂地垂直剖面染色特征參數(shù)見(jiàn)圖4。一般情況下，染色劑由上至下入滲，上層土壤直接接觸染色溶液且接觸面積大，因此Dc逐層由上到下越來(lái)越小，在下層土壤染色形態(tài)分化明顯。隨種植年限增長(zhǎng)，Dc呈減小趨勢(shì)，A1、A2、A3、A4、A5的Dc分別是A6的3.59、2.35、2.33、1.88倍和1.27倍。各樣地剖面水分入滲過(guò)程主要以基質(zhì)流形式進(jìn)行，入滲至一定深度后染色形態(tài)開(kāi)始分化，Dc層間波動(dòng)明顯。UniFr反映基質(zhì)流入滲的深度，也代表優(yōu)先流出現(xiàn)的邊界，與A1相比A2、A3、A4、A5、A6的UniFr分別減少42.73%、50.65%、60.36%、77.06%、80.42%，隨種植年限增長(zhǎng)不同處理的UniFr變小，即隨種植年限增長(zhǎng)基質(zhì)流區(qū)域越小，優(yōu)先流出現(xiàn)深度越淺。Pfr為基質(zhì)流區(qū)域占比，值越大說(shuō)明基質(zhì)流區(qū)域越大，水分下滲以基質(zhì)流方式入滲范圍越大。各樣地的Pfr表現(xiàn)為A1(98.61%)>A2(86.35%)>A3(74.89%)>A4(74.48%)>A5(64.11%)>A6(63.76%)，即各樣地基質(zhì)流區(qū)在整體染色區(qū)的占比較大，基質(zhì)流是染色溶液入滲的主要方式，且隨種植年限增長(zhǎng)，基質(zhì)流占比減小，基質(zhì)流區(qū)域減小。PF-fr表征了土壤優(yōu)先流染色區(qū)域占整個(gè)土壤剖面染色區(qū)域的比例，其值越大，說(shuō)明該樣地優(yōu)先流占整個(gè)水分運(yùn)動(dòng)的比例越大，優(yōu)先流現(xiàn)象明顯。各樣地的PF-fr表現(xiàn)為A6>A5>A4>A3>A2>A1，種植年限越長(zhǎng)其PF-fr越大。MDSD是土壤水分入滲能力的表征，各樣地的MDSD依次為A2>A1>A3>A4>A5>A6，表明除A2外壓砂地土壤水分入滲能力隨種植年限增加而減小。土壤CV可以定量表征土壤剖面染色的均勻程度，A1、A2、A3、A4、A5、A6的CV分別為0.09、0.38、0.17、0.22、0.31、0.28，除A2樣地外不同樣地水分分布的不均勻程度隨年限增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)。

圖4 垂直剖面染色特征參數(shù)Fig.4 Vertical dyeing characteristic parameters

2.3 不同種植年限壓砂地濕潤(rùn)鋒跡線及分形維數(shù)分析

分形理論最初由Bains[30]提出，隨后由Tyler等[31]引入土壤科學(xué)研究。濕潤(rùn)鋒跡線分析可以反映不同區(qū)域水分入滲的深度，進(jìn)而說(shuō)明入滲在水平方向不同位置的差異性，這種差異可能是由土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)差異造成的。濕潤(rùn)鋒跡線的分形維數(shù)(FD)是土壤水分入滲不均勻程度的表征，分形維數(shù)越大表明其濕潤(rùn)鋒波動(dòng)越明顯，優(yōu)先流發(fā)育越明顯。從圖3可以看出，A1的濕潤(rùn)鋒跡線在25～35 cm深度范圍內(nèi)，濕潤(rùn)鋒跡線波動(dòng)明顯但波動(dòng)幅度較小，說(shuō)明A1樣地優(yōu)先流出現(xiàn)較為滯后且發(fā)育程度不高。A2的濕潤(rùn)鋒跡線在17～48 cm土層深度范圍內(nèi)，濕潤(rùn)鋒波動(dòng)程度遠(yuǎn)高于A1，說(shuō)明優(yōu)先流發(fā)育明顯程度高于A1。A3濕潤(rùn)鋒跡線在19～35 cm土層深度范圍內(nèi)，左側(cè)區(qū)域整體入滲深度較右側(cè)更深且更均勻，右側(cè)區(qū)域濕潤(rùn)鋒跡線斜率較大，優(yōu)先流深度不一。A4濕潤(rùn)鋒跡線在15～30 cm土層深度范圍內(nèi)，有明顯入滲較深的條帶狀區(qū)域。A5濕潤(rùn)鋒跡線主要在5～20 cm土層深度范圍內(nèi)，總體入滲深度明顯小于種植年限短的樣地，濕潤(rùn)鋒邊界模糊無(wú)明顯分界線，整體呈片區(qū)狀分布，片區(qū)內(nèi)染色較為均勻。A6濕潤(rùn)鋒跡線總體在5～18 cm土層深度范圍內(nèi)，在6個(gè)樣地中整體入滲深度最淺，但染色邊界清晰且濕潤(rùn)鋒波動(dòng)明顯。通過(guò)分析濕潤(rùn)鋒跡線特征可以發(fā)現(xiàn)不同種植年限樣地均有優(yōu)先流發(fā)育，由于MDSD不同，年限短的樣地濕潤(rùn)鋒分布區(qū)域較大，年限長(zhǎng)的則呈相反趨勢(shì)。濕潤(rùn)鋒跡線可以定性分析不同年限樣地優(yōu)先流狀況，并且分形維數(shù)可以進(jìn)一步定量分析優(yōu)先流發(fā)育程度。不同樣地濕潤(rùn)鋒跡線的分形維數(shù)為A6>A5>A4>A2>A3>A1(表3)，種植年限增長(zhǎng)樣地濕潤(rùn)鋒跡線的分形維數(shù)呈增大趨勢(shì)，其水分入滲的不均勻性越高，因此優(yōu)先流發(fā)育水平相對(duì)越高。

表3 不同樣地濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)Table 3 Fractal box dimension of soil dyeing profile image of sampling plots

3 討 論

隨著種植年限增加壓砂地礫石覆蓋層從純礫石階段逐漸轉(zhuǎn)化為土石混合階段，與此同時(shí)，由于人為的機(jī)械破碎及風(fēng)化作用導(dǎo)致礫石的破碎化，礫石粒徑呈減小趨勢(shì)，且大量細(xì)土摻入到礫石層中、同時(shí)部分礫石進(jìn)入下層土壤，因此種植年限越長(zhǎng)，表層礫石覆蓋層>5 mm粒徑礫石減少、<5 mm粒徑礫石及細(xì)土增加。樣地A1、A2、A3、A4、A5、A6土壤容重分別為1.48、1.53、1.54、1.61、1.62、1.63 g·cm-3，土壤容重隨種植年限增長(zhǎng)而增大；土壤飽和導(dǎo)水率A1(1.06 mm·min-1)>A2(0.33 mm·min-1)>A3(0.24 mm·min-1)>A4(0.15 mm·min-1)>A5(0.09 mm·min-1)>A6(0.08 mm·min-1)，說(shuō)明隨種植年限增加，土壤導(dǎo)水能力逐漸減弱。原因在于壓砂地土體的層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其耕作方式與普通農(nóng)田不同，壓砂地一旦鋪成幾乎不進(jìn)行擾動(dòng)性較大的翻耕，在大型機(jī)械、重力和人為踩踏等共同作用下土壤容重增加、孔隙度變小，進(jìn)而導(dǎo)致土體中有效水分運(yùn)動(dòng)通道減少、抑制了土壤水分傳導(dǎo)過(guò)程，這與王超等[32]研究結(jié)果一致。

通過(guò)亮藍(lán)染色試驗(yàn)獲取的剖面優(yōu)先流染色形態(tài)圖像，發(fā)現(xiàn)隨種植年限增加，樣地Dc、UniFr、Pfr和MDSD都呈減小趨勢(shì)，PF-fr和Cv都呈增大趨勢(shì)。一般而言，水分以基質(zhì)流形式入滲越深其優(yōu)先流發(fā)育越滯后[33]。原因在于壓砂地種植初期，礫石覆蓋層和土壤層界限明顯，水分通過(guò)礫石層迅速進(jìn)入質(zhì)地較為均一且疏松的土壤層，因此種植年限小的壓砂地水分在土壤層中以基質(zhì)流入滲為主，同時(shí)由于礫石層儲(chǔ)水能力弱，水分大部分在土體中分布，所以表現(xiàn)出溶液染色較深的現(xiàn)象(圖3，A1、A2)。隨種植年限增加，壓砂地由原來(lái)礫石覆蓋層和土壤層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥潦旌辖橘|(zhì)統(tǒng)一體且容重變大，導(dǎo)致土石混合介質(zhì)中細(xì)土增加，水分有效庫(kù)容與持水能力明顯增加，下滲過(guò)程中染色溶液留滯于土石混合介質(zhì)層，表現(xiàn)為溶液染色較淺的現(xiàn)象(圖3，A5、A6)，同時(shí)由于礫石的存在，導(dǎo)致染色溶液在該介質(zhì)中形成了明顯的優(yōu)先流特征。即壓砂地種植年限增長(zhǎng)耕作層的土石混合比逐漸增大，容重增大、水分通道彎曲程度增加，迫使水分對(duì)通道進(jìn)行選擇，阻礙了水分均勻入滲進(jìn)行的同時(shí)抑制了基質(zhì)流、促進(jìn)了優(yōu)先流發(fā)育，因此種植年限越長(zhǎng)，土體剖面Dc、MDSD與UniFr越小。A2樣地UniFr小于A3且出現(xiàn)明顯優(yōu)先流特征，由于A2存在明顯動(dòng)物活動(dòng)導(dǎo)致的通道，示蹤溶液在此疏松通道內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)并向四周擴(kuò)散[34]，說(shuō)明動(dòng)物活動(dòng)形成的大孔隙可以促進(jìn)優(yōu)先流發(fā)育。Schaik等[35]研究發(fā)現(xiàn)土壤優(yōu)先流比越長(zhǎng)，優(yōu)先流程度越高。本研究中種植年限越長(zhǎng)Pfr越小，而PF-fr越大，說(shuō)明種植年限越長(zhǎng)水分難以以基質(zhì)流形式向下均勻入滲，而通過(guò)優(yōu)先流形式繼續(xù)入滲，入滲形式雖然仍以基質(zhì)流為主，但基質(zhì)流區(qū)域占比減小，優(yōu)先流占比增大，因此其優(yōu)先流發(fā)育程度逐漸提高。隨壓砂地種植年限增加，土壤容重顯著增加(P<0.05)、飽和導(dǎo)水率顯著減小(P<0.05)，在染色形態(tài)上表現(xiàn)為MDSD減小，因此Pfr隨種植年限增加而減小。PF-f、Cv隨種植年限增加總體上均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明年限越長(zhǎng)優(yōu)先流發(fā)育程度提高，原因在于隨種植年限增加土石混合程度明顯增加，且長(zhǎng)期耕作壓實(shí)導(dǎo)致土壤容重顯著增大，明顯改變了土體孔隙度及其分布特征，導(dǎo)致染色溶液入滲均勻程度變差，出現(xiàn)MDSD和基質(zhì)流深度明顯減小，優(yōu)先流發(fā)育程度變大的現(xiàn)象。

越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)圖像分析確定分形尺寸，以此分析優(yōu)先流狀況并取得了良好的效果[36-38]。分形維數(shù)能夠定量評(píng)價(jià)染色形狀的不規(guī)則程度，能夠較為精確地評(píng)估和分析土壤剖面優(yōu)先流發(fā)育程度。本文研究表明A1、A2、A3、A4、A5與A6樣地隨種植年限增加分形維數(shù)呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明其剖面濕潤(rùn)鋒跡線的不規(guī)則性越大，水分入滲在剖面水平方向上各個(gè)位置所能達(dá)到的最大入滲深度差異性較大、入滲不均勻性大，優(yōu)先流發(fā)育程度越高，與染色特征參數(shù)獲取的結(jié)果一致。可以看出分形維數(shù)能夠反映優(yōu)先流發(fā)育程度，且結(jié)果具有參考性。本文利用染色特征參數(shù)和分形維數(shù)分析不同年限壓砂地優(yōu)先流發(fā)育程度，雖然能夠較為直觀描述不同種植年限壓砂地優(yōu)先流特征，但是對(duì)于其大孔隙三維分布特征和優(yōu)先流通道的空間結(jié)構(gòu)尚未明晰，因此為了更好闡明壓砂地優(yōu)先流發(fā)育過(guò)程及其機(jī)制，后續(xù)應(yīng)引入CT掃描等方法進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)壓砂地剖面染色形態(tài)可以看出，隨著種植年限增加土石混合程度增加，礫石覆蓋層與下層土壤邊界逐漸模糊，整體上隨土壤深度增加剖面染色水流形態(tài)從均勻的活塞流向指流轉(zhuǎn)變，基質(zhì)流區(qū)域減小，優(yōu)先流區(qū)域增大。

2)隨種植年限增加染色面積變小、壓砂地土壤基質(zhì)流占比和基質(zhì)流深度減小，優(yōu)先流占比增大，基質(zhì)流占主導(dǎo)的水分入滲形式逐漸減弱，優(yōu)先流特征變得更加明顯。

3)染色濕潤(rùn)鋒跡線的分形維數(shù)為A6(1.41)>A5(1.40)>A4(1.35)>A3(1.23)>A2(1.22)>A1(1.06)，A6樣地優(yōu)先流濕潤(rùn)鋒跡線的不規(guī)則性最高，A1樣地最低。即隨種植年限增長(zhǎng)，壓砂地優(yōu)先流發(fā)育程度呈提高趨勢(shì)。