尤 今，王树谦
（河北工程大学水利工程学院，河北 邯郸 056038）
近十几年来，由于土地资源的不合理利用导致了一系列的水土流失和环境污染问题，土壤溶质优先迁移现象日益被人们所重视，并逐渐成为了水文学、土壤学等领域的焦点之一。农田土壤干缩过程中产生的裂隙可作为优先流通道，使部分土壤水入渗绕过土壤基质，沿裂隙快速下渗，被广泛认为是水文学中的常见现象[1,2]。裂隙在灌溉或降雨过程中可作为优先流的路径，加速水分入渗，降低水肥的利用效率，增加地下水污染的风险[3]，同时是泥石流、山体滑坡和崩塌及水土流失等环境地质灾害的诱发因素之一[4]。当雨水由斜坡表面进入裂隙土壤时，它会在裂隙网络中流动并渗入土壤基质，与无裂隙土壤相比，裂隙的存在增加了土壤水的入渗量、侧流量，最终影响山坡水文学。
Beven 和Germann[5]于1982年研究发现土壤水和溶质会绕过土壤基质沿优先流路径快速下渗，土壤大孔隙虽然仅占土壤体积的0.1%～5%，但它们对降雨或农田灌溉后土壤水分入渗和污染物的淋溶具有重要影响。Weiler 和Fluhler[6]利用染色法分析了不同灌溉强度和初始含水率下土壤优先流模式及侧向渗透特征。国内如张丽华[7]、盛丰[8,9]和朱磊[10,11]等学者对优先流现象进行了大量研究，研究成果对优先流理论研究、模型理论完善及观测技术的改进具有指导意义。但上述研究多集中在动植物活动形成的大孔隙及其诱导的土壤优先流，而对干旱半干旱区常见的土壤裂隙，特别是表层裂隙所形成的优先流研究则少见报道。且相关研究从优先流的定义、类型、程度、特征、尺度、方法、模型等方面说明了优先流的意义，少有从定量的角度对优先流特征进行研究。本文基于模拟土壤裂隙、降雨强度及降雨历时的田间试验，采用染色示踪方法，通过对入渗深度、染色面积、优先流入渗对总入渗贡献率等参数的分析，阐明土壤干缩裂隙作用下农田水分运动以及溶质运移特征与规律，并探讨这些规律在农业灌溉和提高农业用水效率中的应用。
1.1 研究区概况
试验在宁夏中宁县引黄灌区（105.67°E，37.48°N）进行。中宁县位于宁夏回族自治区中部西侧，处于内蒙古高原和黄土高原的过渡带，属北温带季风气候区，年平均气温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%；
年蒸发量1 947.1 mm，为年平均降水量的9.6 倍。田间持水率（质量）为23.82%，土壤有机质平均质量分数为14.47 g/kg，pH值为7.58。试验区土壤物理性质如表1所示。
表1 试验区土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties in the study site
1.2 染色示踪试验
根据降雨强度和降雨历时不同，将坡面人工裂隙条件下优先流试验分S1 至S6 共6 组处理（表2）。每组处理试验区域长100 cm，宽100 cm，去除表面浮土并形成与水平面夹角为10°的倾斜坡面。电钻打孔并用厚度为0.5 cm 的钢板挤压入土壤，分别沿x和y轴方向每隔20 cm挤压出一条裂隙，共10条，每条裂隙深度为30 cm，长80 cm，形成人工土壤裂隙矩形网络（图1）。
表2 染色示踪试验布置Tab.2 The experiment setup of the dye tracer test
图1 试验布置图Fig.1 The illustration of the experimental setup.
降雨开始前在试验区域一侧开挖工作剖面（平行于Z-Y平面），并取土样装于铝盒，在105 ℃烘箱中烘干12 h，测量土壤初始含水量。在模拟降雨器的水源中加入示踪剂碘化钾（20 g/L)，根据表2的设计，进行人工降雨处理，待示踪剂溶液完全渗入地表之后，用防雨篷布将试验区覆盖以避免蒸发。降水处理持续12 h 后，亦即确保示踪剂溶液完全渗入土壤后，沿x轴方向每隔10 cm 在试区逐层开挖垂直剖面，在仔细修理至平整的剖面表面喷淋次氯酸钠指示液，使水流经区域变为深蓝紫颜色，然后立即对试验剖面拍照记录，并分别在剖面0、10、20、30、40、50、60、70、80 cm 的深度采集1 cm 厚的土壤样品，其中0、10、20、30、40、50 cm 深度每层取9份土壤样品，60、70、80 cm 深度每层取3 份土壤样品，一组剖面共计57 份土壤样品。采取的土壤样本放置已知重量的铝盒称重后，放置烘箱完全烘干并再次称重，计算其土壤含水量。
1.3 图像处理
田间拍摄的土壤剖面原始图像以JPG格式保存，图像大小为2048像素×1228像素。
土壤剖面原始图像经必要的矫正和如下处理，生成黑白二值图像，以便进行定量分析。①用Photoshop调整图像尺寸，并转化为256 色RGB 模式的BMP 格式。②基于水流携带的染色显色示踪剂流经土壤并使之显色、土壤颜色灰度值发生变化的特性，通过Matlab 软件对每个像素进行分析，确定每个像素点的染色与否（二进制图像中染色像素被定义为黑色，非染色像素为白色），得出模拟的二值剖面图，并转化为可以进行分析的数据文件。
经过校正照明和几何畸变的原始图像和计算机处理过后的二值图像见图2和图3。
图2 经过校正照明和几何畸变的原始图像Fig.2 the original image after correction for lighting and geometric distortion
图3 计算机处理过后的二值图像Fig.3 A binary image after applying the dye detection algorithm
1.4 二值图像的数据处理
根据图像处理输出的二值数据，计算优先流参数、量化优先流的特征。采用实际入渗深度（ID）量化土壤水分流动的可变性[15]，用染色面积百分比（DC）直接定量描述垂直剖面运动轨迹，用入渗均匀度S2表示土壤水分在裂隙区及基质区入渗深度是否均匀。上述3个参数的计算如下。
（1）染色面积百分比（DC）：
式中：当坐标a(xi,yi,zi)立方体像素点被染色时，定义a(xi,yi,zi)=1，如果未被染色，定义a(xi,yi,zi)=0，xy为剖面总像素点个数。
（2）实际入渗深度（ID）指试验区域土壤水入渗所到达的最大区域，即：
式中：Δh立方体像素点的长度，取平均则得到各组试验的平均入渗深度：
（3）入渗均匀度（S2）：
1.5 优先流指数
优先流比（PF-fr）、优先流入渗量(PIV)、优先流入渗对总入渗的贡献（contribution）及染色面积比变异系数（Cv）等是分析土壤优先流特征的主要参数。
（1）优先流比（PF-fr）：
式中：UniFr为均匀入渗深度（染色面积为80%时入渗深度）；
X剖面宽度（本研究中剖面宽度为100 cm）；
TSA为被染色区域总面积。
（2）优先流入渗量(PIV)及其对总入渗量的贡献(Contribution)：
式中：Vi，Vj为第i，j层深度土壤水分入渗量。
式中：θtu为降雨后土壤质量含水率；
θiu为初始土壤质量含水率；
U代表每层土壤样品序列编号；
Vs为土层体积。
优先流入渗贡献量可以定义为优先流入渗量(PIV)占总入渗量(TIV)的比例，即：
（3）染色面积比变异系数（Cv）：
通过对染色土壤剖面图片进行等分处理，计算不同土壤深度染色面积比及其变异系数，以表征土壤优先流发育的相对成熟程度。优先流染色面积比变异系数可以直观反映土壤剖面不同深度染色区域的变化，土壤优先流染色面积比变异系数越小，土壤优先流发育程度越高
式中：Cv为土壤优先流染色面积比变异系数；
S为染色面积比的标准差；
为优先流染色面积比的平均值；
xi土壤剖面在i深处染色面积比；
n为土壤剖面染色图片平均等分数。
2.1 坡面裂隙对土壤水分入渗影响
由表3可知，与无裂隙对照相比，在30 mm/h 降雨强度下，有裂隙处理组平均入渗深度增大了5.70 cm，平均入渗均匀度增大了17.4；
50 mm/h 平均入渗深度增大了21.34 cm，平均入渗均匀度增大了83.0。由图4可见，裂隙区域在云图呈现网格线条变粗，50 mm/h 处理颜色沿裂隙网络由蓝变红且网格完整性较好；
基质区颜色多呈蓝色，颜色变化无规律。与无裂隙对照处理相比，降雨强度增大及降雨历时的延长均有助于优先流形成，但降雨强度增大较之历时延长对入渗均匀度的影响更为剧烈，因此，降雨强度可能是优先流发育的首要因子。该现象可能归咎于优先流的不平衡特征，即优先流路径的水通量要高于土壤基质的水通量，优先流快速流动的特性使土壤水分入渗绕过土壤基质沿裂隙快速下渗。降雨强度越大，土壤表层含水率越快达到饱和，此时裂隙在土壤水分入渗中起重要作用，裂隙可作为优先流路径，增大了土壤水入渗量。
图4 土壤水分入渗空间分布图Fig.4 Spatial distribution of infiltration depth under different treatments
表3 土壤优先流的变化特征Tab.3 Characteristics of soil preferential flow
2.2 不同坡面位置的裂隙对优先流影响
表3给出了不同处理下的优先流指数。降雨强度为30 mm/h，降雨历时为60 min 时有裂隙S1、S2 处理较无裂隙S3 处理平均染色面积增大了9.5%，平均优先流比增大了8.7%，优先流入渗量对总入渗量的贡献值增加了31.3%。此时土壤水分入渗基质流和优先流同时进行，优先流入渗量与基质流入渗量相近。降雨强度为50 mm/h，降雨历时为30 min 时有裂隙处理较无裂隙处理染色面积增大了36.0%，优先流比增大了22.2%，优先流入渗量对总入渗量的贡献值增加了33.6%。值得注意的是在S5 处理中优先流比及优先流入渗量对总入渗量的贡献值均超过50%，此时优先流占主导地位。可知裂隙的存在增大了优先流比及优先流入渗量对总入渗量的贡献，显著改变了土壤水分入渗模式。土壤裂隙的存在促进优先流的发育，优先流通道增多，优先流入渗量变大。与前文结论一致，降雨强度较大处理与降雨历时较久试验相比，入渗深度、均匀入渗深度、染色面积、优先流比及优先流入渗量对总入渗量的贡献值均显著增加。与无裂隙处理相比，裂隙存在试验组的均匀入渗深度、染色面积、优先流比及优先流入渗量对总入渗量的贡献同样显著增加。
将S2、S3、S4、S5处理的剖面6（坡面底端至坡面顶端的第6 个垂直剖面）记做S2-6、S3-6、S4-6、S5-6，对试验结果做进一步分析验证。对比可知，各垂直剖面均匀入渗深度、染色面积、优先流比及优先流入渗量对总入渗量的贡献值基本符合试验整体规律。降雨强度为30 mm/h，降雨历时为60 min时由图5（a）可见土壤裂隙的存在增加了土壤水分入渗深度，但由于降雨强度较小，大部分土壤水分入渗以基质流为主，入渗深度未达到裂隙底端。由图S3-6 可见土壤水分入渗均匀，此时优先流比仅为3.9%，几乎不存在优先流入渗，均匀入渗深度值与入渗深度值接近，表层土壤含水率变化值较大。降雨强度为50 mm/h，降雨历时为30 min 时可见在S4-6、S5-6 垂直剖面上土壤水分入渗深度均达到裂隙底端，两组试验含水率变化值出现波动，先随入渗深度的增加而减少，在20 cm 深度处达到波谷，随后增加并在30 cm 深度处达到波峰，同时染色面积比在30 cm 深度出现波动，结合图像可知0～10 cm 深度区域为基质流区域，土壤水分变化曲线与S3-6 相似，优先流的快速移动特征使部分土壤水分绕过土壤基质快速到达裂隙底端，30 cm 深度处由于优先流通道结束，到达裂隙底端的土壤水进行进一步的入渗及测渗，含水率变化曲线随深度线缓慢下降。
图5 土壤水分在剖面中的分布与变化Fig.5 Distribution and variation of soil water along profile
本文从定量角度对六组处理的优先流特征参数进行了统计分析，结果表明，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渗量同时减少了地表径流量，延缓了地表径流形成的时间，同时，增加了均匀入渗深度、平均染色面积、优先流比和优先流入渗对总入渗贡献率。较无裂隙处理，降雨强度为50 mm/h有裂隙处理均匀入渗深度增大了9.4、平均染色面积增大了36.0%、优先流比增大了8.7、优先流入渗对总入渗贡献率增大了31.3%；
降雨强度为30 mm/h 有裂隙处理组均匀入渗深度增大了3.1、平均染色面积增大了9.5%、优先流比增大了22.2、优先流入渗对总入渗贡献率增大了33.6%。降雨历时及降雨强度均能促进激活裂隙通道作为优先流通道，有利于优先流形成。降雨强度增大时，优先流发育较快且未抑制基质流发育；
降雨历时增大时，基质流区增加同时也促进优先流发育。降雨强度的增加较降雨历时增加对促进优先流发育效果更为明显。