干旱區綠洲農田土壤大孔隙與水分入滲特征*

賈昂元，張勇勇?，趙文智，康文蓉

（1. 中國科學院西北生態環境資源研究院，中國生態系統研究網絡臨澤內陸河流域研究站，中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室，蘭州 730000；2. 中國科學院大學，北京 100049）

河西走廊中段綠洲是我國重要的農業生產區，也是國內單季糧食產量較高的區域之一。近35 年以來，人為開墾使綠洲面積增加了1.5 倍。由于不同的開墾年限以及人為耕作措施的影響，形成了不同類型的綠洲農田土壤，其特殊的土壤母質，氣候條件和管理方式對土壤孔隙結構和水分運動過程產生著深刻的影響。荒漠綠洲農田土壤由于受到干濕交替、凍融作用和土壤特性等非生物因素和動物洞穴、植物根系等生物因素的影響，大孔隙廣泛存在。荒漠綠洲區土壤水分運動的研究以往多關注均勻流，也有相關學者通過染色示蹤技術表明了荒漠綠洲地區存在優先流現象，發現大孔隙流現象是荒漠綠洲區土壤水分運動的重要形式之一。土壤大孔隙雖然只占土壤體積的 0.1%～5%，但卻可傳導90%的水流通量，對土壤水分運動起著關鍵作用。綠洲農田灌溉水分利用效率提高、養分流失和地下水污染與土壤大孔隙引起的優先流現象有著密切關系。大孔隙作為土壤優先流通道，將水分傳至土壤深層，影響著荒漠綠洲區的生態水文過程。

目前對大孔隙的研究方法主要有滲透儀法、染色示蹤法、CT 掃描技術以及溶質穿透曲線法等。染色示蹤法觀測簡單直觀，適合在農田進行土壤大孔隙流現象研究。Zhang 等將染色技術應用到水稻田土壤裂隙的研究，李勝龍等利用染色技術研究了稻田—田埂過渡區的優先流特征。通過染色可以觀察到土壤大孔隙流形態特征，但難以獲得土壤三維孔隙結構特征，缺乏對土壤大孔隙的定量化研究。近年來CT 掃描技術被國內外學者廣泛應用在土壤大孔隙結構研究中，CT 掃描是一種無損的3D 成像技術，能夠在不破壞土壤結構的情況下，獲取土壤大孔隙結構，進一步分析得到土壤大孔隙結構的特征參數。Hu等利用CT掃描技術研究了青海湖流域不同土地利用類型的大孔隙結構，結果表明土壤類型是影響土壤大孔隙特征的重要因素之一。

目前關于土壤大孔隙特征的研究多集中在水分條件較好的草地、林地、水稻田等，而對干旱區綠洲農田的大孔隙特征的研究相對較少，特別是綠洲農田的土壤大孔隙結構特征如何？大孔隙的產生對綠洲農田水分入滲的影響如何？基于上述認識，本文將CT 掃描和原位染色示蹤技術相結合，對干旱區典型綠洲農田的大孔隙特征進行了較為全面深入的探究，旨在揭示大孔隙對荒漠綠洲農田水分入滲過程的影響，提高荒漠綠洲區地表水與地下水轉換規律的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處甘肅省河西走廊中段（99°51′—100°30′E，38°57′—39°42′N，海拔1 374 m）。該區是典型的干旱荒漠氣候，年平均氣溫7.6℃，年平均日照時數3 051 h，年平均風速3.2 m·s，多年平均降水量為117 mm，蒸發量2 388 mm，7—9 月降水量約占全年降水量的60%。研究區主要景觀類型有外圍荒漠、荒漠綠洲過渡帶和中心綠洲區。黑河中游是西北干旱區典型的綠洲灌溉農業，農業種植主要依賴于黑河地表水和地下水灌溉，以種植玉米為主。近幾十年來，荒漠邊緣被逐步開墾，形成了不同開墾年限的綠洲農田，土壤類型為灌漠土。其中新開墾的邊緣綠洲農田土壤有機質低，保水性能差，土壤為砂土；經過百年尺度耕作的老綠洲農田，由于人為施肥灌溉，其土壤肥力較高，土壤質量好；分布在北山山前的綠洲，受地層條件和山洪洪水所攜帶泥沙淤積，開墾形成的山前綠洲農田，土壤耕作層主要是黏土層，土壤為黏土（圖1）。

圖1 研究區樣地分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the study area

1.2 試驗設計

2019 年7—10 月在研究區選取了三種典型農田：老綠洲農田、邊緣綠洲農田、山前綠洲農田開展試驗。利用高30 cm，內徑19 cm 的PVC 管在三個樣地進行原狀土柱的采集，每個樣地取3 個重復，共計9 個土柱。在原狀土柱轉運過程中注意對樣品的保護，確保其土壤結構的完整性，為避免土壤水分的蒸發，采樣結束后利用保鮮膜將土柱的兩端密封。采集的原狀土柱在臨澤縣人民醫院利用CT 機（Optima CT520，GE，USA）進行掃描，激發電壓為100 kvp，電流為100 mA，掃描圖像的水平分辨率為0.469 mm，垂直分辨率為0.625 mm，由于受到CT 掃描分辨率的限制，本研究中綠洲農田土壤大孔隙孔徑大于0.47 mm。為避免作物根系對土壤結構的影響，原狀土柱的采集和入滲試驗均在玉米農田的行間空地上進行。

在采集原狀土柱的樣點附近，開展單環染色入滲試驗，單環直徑20 cm，設計灌水量為100 mm，與當地實際灌水定額保持一致。入滲試驗中，采用亮藍溶液作為染色劑，濃度為4 g·L，利用馬氏瓶供水，保持定水頭5 cm。入滲過程中記錄馬氏瓶水位刻度隨時間變化（實驗剛開始時，每3 min 記錄一次水面位置，30 min 以后每10 min 記錄一次），在每個樣地進行3 個重復。入滲完成24 h 后，入滲濕潤鋒基本穩定，垂直開挖土壤剖面，剖面深度為40 cm。將剖面修理平整后，用相機對染色剖面進行拍照，為避免陽光直射，采取遮光拍照獲取染色剖面圖像。并在0～30 cm 土層每隔10 cm 采集土壤樣品，測定土壤容重、飽和含水量、總孔隙度和機械組成等基本性質。采用環刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度和飽和含水量等，土壤機械組成采用激光粒度儀（Mastersizer 2000）測定。

1.3 數據處理

為消除邊緣效應的影響，CT 掃描后的原始圖像去除上下各20 張圖像，并選擇中間12 cm×12 cm 的感興趣區域進行分析。采用目視解譯分析方法，利用Image-J 對圖像進行閾值分割，對照每個土柱CT掃描的原始圖像，進行對比選取合理的閾值，進行二值化閾值分割處理。利用Image-J 中的3D viewer模塊對圖像進行三維結構重建，構建土壤大孔隙三維結構圖，利用Image-J 中的BoneJ 插件構建三維骨架結構，其中孔隙數、孔隙度、大孔隙面積密度、平均孔隙體積、分形維數、分支密度、連接點密度、平均孔隙直徑、連通性密度均可通過Image-J 直接計算得出。

利用Excel 對數據進行計算處理，利用SPSS 20.0 對數據進行單因素方差分析、顯著性檢驗和相關性分析，利用Origin 2018 進行制圖。

2 結 果

2.1 綠洲農田土壤基本物理性質

表1 顯示了綠洲農田土壤的基本物理性質，0～30 cm 土層的三種綠洲農田砂粒含量存在顯著性差異（＜0.05），但不同土層間的差異并不顯著，老綠洲、邊緣綠洲農田的砂粒含量分別為山前綠洲的2.58 倍、3.43 倍。根據美國農業部土壤質地分類標準，山前綠洲農田質地為粉黏壤土，老綠洲農田質地為壤質砂土，邊緣綠洲農田質地為砂土。邊緣綠洲和山前綠洲農田的土壤容重顯著大于老綠洲農田（＜ 0.05），但老綠洲農田的總孔隙度最大，為45%。

表1 綠洲農田土壤基本物理性質Table 1 Basic soil physical properties in different oasis croplands

2.2 綠洲農田土壤大孔隙特征

由圖2 可知，三種綠洲農田的土壤大孔隙大多集中于農田的耕作層（0～20 cm）。老綠洲農田的孔隙發育好，土壤大孔隙結構復雜，土壤孔隙的連續性較好；老綠洲農田土壤的大孔隙度明顯高于邊緣綠洲農田和山前綠洲農田，且在20 cm 土層以下，仍有一定數量的大孔隙分布。邊緣綠洲農田大孔隙相對較少，且其連通性低，在10～20 cm 土層中，有少量的連續性孔隙分布，可能是由腐爛的作物根系形成的。不同類型的綠洲農田土壤大孔隙結構呈現明顯的異質性特征。

圖2 綠洲農田土壤三維孔隙結構圖Fig. 2 Three-dimensional visualization of soil macropore networks in different oasis croplands

經過Image-J 軟件處理計算得到不同綠洲農田土壤大孔隙特征參數（表2），土壤大孔隙度表現為：老綠洲農田（0.54%）＞山前綠洲農田（0.22%）＞邊緣綠洲農田（0.14%）。老綠洲農田的大孔隙度、大孔隙數、分形維數、分支密度、連接點密度、連通性密度和山前綠洲農田、邊緣綠洲農田之間存在顯著性差異（＜0.05）。土壤大孔隙分形維數與土壤結構密切相關，老綠洲農田的分形維數特征值顯著高于其他兩種農田（＜0.05）。山前綠洲、老綠洲、邊緣綠洲的土壤大孔隙平均直徑分別為3.27 mm、3.14 mm、3.58 mm，不同綠洲農田的平均土壤大孔隙體積、平均孔隙直徑差異不顯著（0.05）。較低的分支密度、連接點密度和連通性密度意味著土壤大孔隙連通性較差，而老綠洲農田的分支密度、連接點密度以及連通性指數最大，因此其大孔隙連通性最好。

表2 土壤大孔隙特征參數Table 2 Macropore characteristics of all soil columns in different oasis croplands

如圖3 所示，三種綠洲農田的大孔隙面積密度均表現出隨土壤深度增加而波動性減小，并在不同深度處存在峰值現象。邊緣綠洲的大孔隙面積密度在10～15 cm 土層深度處呈現波動性峰值，可能是由于該層次土壤中存在較大裂縫引起的。山前綠洲農田和邊緣綠洲農田20 cm 土層以下的大孔隙面積密度較小，而老綠洲農田的大孔隙面積密度與上層差異較小，表明在20 cm 土層下依舊存在著一定數量的大孔隙。老綠洲農田與邊緣綠洲農田、山前綠洲農田的平均大孔隙面積密度存在顯著性差異（＜ 0.05）。

圖3 土壤大孔隙面積密度隨深度變化Fig. 3 Distribution of macropore area density along the soil core column depth in different oasis croplands

2.3 綠洲農田土壤水分入滲特征

在土壤水分入滲過程中，通常用初始入滲速率、穩定入滲速率、累計入滲量等指標來衡量土壤的入滲性能。由圖4 可知，在土壤水分入滲過程中，邊緣綠洲的累計入滲量大于老綠洲和山前綠洲，山前綠洲、老綠洲、邊緣綠洲90 min 累計入滲量分別為26.2 mm、33.9 mm、58.3 mm，表明山前綠洲農田的入滲速率最慢，入滲性能低于其他兩種農田。

圖4 綠洲農田累計入滲量隨時間變化曲線Fig. 4 Cumulative infiltration in different oasis croplands

三種綠洲農田的入滲指標存在差異（圖5），穩定入滲速率表現為邊緣綠洲農田（0.48 mm·min）＞老綠洲農田（0.28 mm·min）＞山前綠洲農田（0.16 mm·min），有顯著性差異（＜0.05）。初始入滲速率表現為邊緣綠洲農田（3.02 mm·min）＞山前綠 洲 農 田（ 2.47 mm·min） ＞老 綠 洲 農 田（1.99 mm·min），邊緣綠洲和山前綠洲的初始入滲速率顯著大于老綠洲農田（＜0.05）。邊緣綠洲農田的入滲能力較高，其穩定入滲速率為老綠洲的1.71倍、山前綠洲的3 倍，這主要是由于土壤機械組成決定的（表1）。

圖5 綠洲農田土壤水分入滲速率差異Fig. 5 Difference of water infiltration rates in different oasis croplands

2.4 綠洲農田土壤水分運動的染色特征

如圖6 所示，三種綠洲農田的土壤染色特征存在差異，邊緣綠洲農田的入滲以基質流為主，基質流入滲深度占其總入滲深度比例高，達到79%，入滲深度淺；而老綠洲最大入滲深度大，土壤水分分布的空間異質性強，優先流現象明顯。由圖7 可知，三種農田的染色面積比隨土層深度的增加而波動下降，總染色面積比為：老綠洲農田（56%）顯著大于邊緣綠洲和山前綠洲（＜0.05）。最大入滲深度為：老綠洲（33 cm）＞山前綠洲（21.8 cm）＞邊緣綠洲（18.4 cm）。老綠洲、山前綠洲、邊緣綠洲的優先流長度指數分別為310、200、174，優先流長度指數越大表示其土壤水分運動的優先流現象明顯。老綠洲農田的優先流長度指數和最大入滲深度大于山前綠洲和邊緣綠洲，土壤水分運動以大孔隙流為主。

圖6 綠洲農田土壤水分入滲染色圖Fig. 6 Binarization image of soil water infiltration in different oasis croplands

圖7 綠洲農田土壤染色面積比隨土層深度的變化Fig. 7 Change in soil dye area ratio in different oasis croplands

2.5 入滲特征的影響因素

由表3 可知，干旱區綠洲農田穩定入滲速率與砂粒含量呈顯著正相關（＜0.01），砂粒含量越高，其穩定入滲速率越大，與黏粒、粉粒含量呈顯著負相關（＜0.01）。最大入滲深度、優先流長度指數與土壤大孔隙度、分形維數、連接點密度、連通性密度呈顯著正相關（＜0.01），土壤大孔隙度越高，且連通性越好，其土壤水分運動的優先流現象越明顯。

表3 入滲特征參數與土壤結構的相關性Table 3 Correlation analysis between infiltration characteristics and soil structure properties

3 討 論

干旱區綠洲農田受到灌溉的干濕交替、作物根系和動物活動等因素的影響，綠洲農田的土壤大孔隙特征存在著異質性。綠洲農田的土壤大孔隙大多集中于0～20 cm 耕作層，這與Zhang 等對紅壤區水稻田研究結果一致，在20 cm 以下為犁底層，受耕作影響小，土壤容重較大，土壤的大孔隙度低。老綠洲的土壤大孔隙結構特征較邊緣綠洲、山前綠洲復雜，且土壤大孔隙度、分形維數、連接點密度顯著高于邊緣綠洲和山前綠洲。農事活動耕作對土壤大孔隙結構發育有一定的影響，蔡太義等利用CT 技術對煤礦區不同復墾年限的土壤孔隙結構的研究表明，隨著復墾年限的延長，土壤大孔隙度、孔隙數量總體呈現逐漸增加的趨勢。老綠洲農田由于開墾時間長，在灌溉、人為耕作和施肥等因素的影響下，其黏粉粒含量要高于邊緣綠洲農田，土壤質量較高，土壤孔隙發育良好，其孔隙結構也更加復雜。邊緣綠洲農田開墾時間較短，砂粒含量大于80%，容重較大，土壤有機質含量低，發育程度較差，土壤大孔隙結構相對簡單。山前綠洲農田由于其耕作層土壤主要是洪水沖積物，黏粉粒含量較高，達到75%，容重較大，但開墾時間短，約10年，其孔隙發育較差，大孔隙度與邊緣綠洲農田差異不顯著。綠洲農田土壤大孔隙結構發育與土壤質地、農事耕作活動密切相關，綠洲化過程改變了土壤的理化性質和水力傳導度，土壤大孔隙度增加、孔隙結構逐步形成。

土壤質地是影響土壤水分入滲過程的重要因素，解文艷和樊貴盛對瀟河灌區農田入滲能力的研究表明，土壤質地對土壤入滲能力的影響顯著。邊緣綠洲農田土壤質地為砂土，老綠洲農田為壤砂土，山前綠洲農田為粉黏壤土（表1），在整個入滲過程中，邊緣綠洲農田的入滲能力最強。由穩定入滲速率和累計入滲量結果表明，邊緣綠洲農田顯著大于老綠洲、山前綠洲，主要是因為其砂粒含量較高。本研究與譚麗麗的研究結果一致，其通過對濱州農田入滲的研究結果表明，土壤的穩滲速率、累積入滲量與黏粒含量呈顯著負相關；呂剛等在遼西北風沙地的研究也表明穩定入滲率與土壤中粉粒含量呈負相關。同時，土壤水分入滲的性能與孔隙度、容重表現出很強的相關性，魏恒等對塔里木河上游綠洲不同植被類型土壤水分入滲的研究表明，土地利用類型對入滲的影響較大。在干旱區綠洲農田，土壤穩定入滲速率主要受土壤質地的影響。

土壤大孔隙是形成土壤優先流的主要原因之一，王發等研究表明耕作方式改變了土壤結構，形成了不同特征的土壤大孔隙，進而影響著土壤優先流運動特征。邊緣綠洲和山前綠洲的土壤大孔隙度低，大孔隙連通性差，入滲以基質流為主，平均最大入滲深度在20 cm 左右，優先流長度指數較低，大孔隙流現象不明顯。而老綠洲農田的大孔隙度、分形維數、分支密度、連接點密度等大孔隙特征參數優于邊緣綠洲和山前綠洲，大孔隙連通性好，土壤大孔隙結構復雜；最大入滲深度和優先流長度指數顯著大于山前綠洲和邊緣綠洲，大孔隙特征參數與優先流程度表現出很強的相關性，更易產生大孔隙流現象。郭會榮等通過溶質穿透實驗表明，大孔隙度越高，優先流對溶質穿透曲線的貢獻越大。土壤大孔隙為土壤水分的運動提供了優先流通道，使其能夠繞過部分土壤基質向土壤深處運動，不同的土壤大孔隙結構特征影響著綠洲農田的水分入滲過程。干旱區綠洲農田受到農事活動措施（開墾年限、耕作和灌溉等）及自然因素（土壤母質、干濕凍融交替等）的綜合作用，改變了土壤理化性質、水力傳導度及其土壤結構的演變過程，形成了不同土壤類型的綠洲農田，土壤大孔隙度增加、孔隙結構形成，影響著綠洲農田土壤水分入滲的途徑和過程。

4 結 論

干旱區綠洲農田的土壤大孔隙特征及土壤水分入滲特征存在差異。老綠洲農田大孔隙度、大孔隙數、分形維數、連接點密度、連通性密度顯著大于山前綠洲、邊緣綠洲（＜0.05）。三種綠洲農田的穩定入滲速率存在著顯著性差異（＜0.05），穩定入滲速率和累計入滲量表現為：邊緣綠洲農田 ＞老綠洲農田＞山前綠洲農田。老綠洲農田的優先流長度指數和最大入滲深度大于山前綠洲和邊緣綠洲，其土壤水分運動優先流現象明顯。綠洲農田的土壤水分入滲特征與土壤質地、土壤大孔隙特征有較強的相關性，土壤質地對穩定入滲率影響較大，而大孔隙在土壤水分運移過程發揮著重要作用。綠洲化過程改變了土壤的理化性質和入滲特性，老綠洲土壤大孔隙度增加、孔隙結構形成，孔隙連通性好，更易產生優先流，土壤水分運動的空間異質性程度高。