李振東, 朱彥光, 陳曉冰,2, 甘 磊, 張宗急, 方榮杰, 程芳麗

(1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué),廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004; 3.桂林理工大學(xué),廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004; 4.桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

優(yōu)先流是土壤中一種常見(jiàn)的水分運(yùn)動(dòng)形式，農(nóng)田中優(yōu)先流的發(fā)生會(huì)使水分?jǐn)y帶溶質(zhì)快速向地下深處入滲[1]，縮短農(nóng)作物對(duì)水肥的吸收時(shí)間，造成水肥流失[2]。并且，肥料隨水分運(yùn)移到地下深層還會(huì)增大地下水受污染的風(fēng)險(xiǎn)，破壞環(huán)境[3-5]。

廣西巖溶地貌廣泛分布，全區(qū)共有81.86萬(wàn)hm2的石灰土壤，其中有20.41萬(wàn)hm2用于耕地使用[6]。巖溶這種特殊的地質(zhì)條件，形成的土壤裂隙和孔隙高度發(fā)育，優(yōu)先流現(xiàn)象普遍發(fā)生[7]。國(guó)外對(duì)巖溶區(qū)的優(yōu)先流研究較早且已取得一定成果，基于優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，Ayadi等[8]采用同位素示蹤法研究了地中海巖溶區(qū)地下水質(zhì)變化，Pacheco等[9]采用層次聚類分析方法研究了巖溶區(qū)地下水時(shí)空變化過(guò)程。此外，Paquette等[10]采用同位素示蹤法研究了巖溶區(qū)凍土徑流機(jī)制和優(yōu)先流路徑中水分含量變化。而我國(guó)對(duì)于優(yōu)先流的研究也主要集中在東北黑土區(qū)[11]、黃土高原區(qū)[12]、南方花崗巖[13]、南方紫砂巖區(qū)[14]等地，隨著研究的深入和對(duì)巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境的逐漸重視，一些學(xué)者也開(kāi)始逐步對(duì)巖溶區(qū)優(yōu)先流開(kāi)展相關(guān)研究[6]。但對(duì)于巖溶區(qū)農(nóng)地優(yōu)先流，目前國(guó)內(nèi)外研究較少。優(yōu)先流的影響因素較多，在不同環(huán)境下優(yōu)先流特征也存在一定差異性，王發(fā)等[15]對(duì)退耕和耕作的農(nóng)地優(yōu)先流現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，耕作方式的不同使得土壤結(jié)構(gòu)改變，發(fā)育有不同特征的土壤孔隙，進(jìn)而改變土壤中優(yōu)先流特征。也有研究表明，不同利用類型的土壤與優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生存在著一定聯(lián)系[16]，不同植物和不同的耕作方式對(duì)土壤環(huán)境的影響不相同，進(jìn)而對(duì)優(yōu)先流的發(fā)育也有不同的影響。陳國(guó)靖等[17]對(duì)寧夏林地和草地的土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)人類耕作活動(dòng)會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體，而土壤中團(tuán)聚體越多，土壤孔隙發(fā)育情況越好，優(yōu)先流的通道更多。但是對(duì)于巖溶區(qū)不同農(nóng)地間的土壤環(huán)境差異，特別是農(nóng)作物種類差異會(huì)對(duì)優(yōu)先流的發(fā)生及其變化產(chǎn)生何種影響，仍缺少相關(guān)分析研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以廣西桂北巖溶區(qū)3種典型農(nóng)地，即玉米地、花生地和水稻田的土壤優(yōu)先流為研究對(duì)象，通過(guò)野外染色示蹤法，結(jié)合圖像形態(tài)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及分形理論等方法，分析研究桂北巖溶區(qū)不同農(nóng)地土壤間的優(yōu)先流特征，為西南巖溶區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)理論發(fā)展提供一定基礎(chǔ)，也為巖溶區(qū)合理利用土地資源，提高施肥和灌溉效率，減少地下水受污染提供一定科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物種植試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，地理位置為25°4′N(xiāo)，109°44′E。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，平均海拔高度160 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量1 894 mm，年平均氣溫18.5 ℃。試驗(yàn)時(shí)間為2017年12月1日至2018年1月15日。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與布設(shè) 在研究?jī)?nèi)選取3塊分別種植有玉米(YM)、花生(HS)、水稻(SD)的農(nóng)地，農(nóng)地尺寸均為長(zhǎng)15 m和寬20 m，且3塊試驗(yàn)地均未進(jìn)行翻耕。3塊樣地施肥水平分別為：玉米地施基肥復(fù)合肥37.50 g/m2，鈣鎂磷肥15.00 g/m2，追施尿素15.00 g/m2，硫酸鉀15.00 g/m2，復(fù)合肥52.50 g/m2；花生地基肥施用鈣鎂磷肥75.00 g/m2，花期噴施2次葉面肥(磷酸二氫鉀和硼肥)；水稻田基肥施復(fù)合肥60.00 g/m2，追肥施尿素18.75 g/m2，氯化鉀15.00 g/m2。在3塊農(nóng)地內(nèi)的作物種植帶之間分別隨機(jī)選取4個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)，同一樣地間每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間隔至少2 m，清理表面枯枝落葉和雜草。然后將長(zhǎng)、寬、高分別為60 cm，60 cm和30 cm的矩形金屬樣框垂直緩慢砸入土壤中，砸入深度為15 cm，以形成染色試驗(yàn)觀測(cè)樣方，且在樣方上覆蓋聚乙烯塑料薄膜進(jìn)行預(yù)處理，以保證樣地在染色試驗(yàn)前的土壤前期含水量相近，時(shí)間為24 h。樣地基本情況見(jiàn)表1。

1.2.2 染色示蹤試驗(yàn) 24 h后移除塑料薄膜，以當(dāng)?shù)乩鄯e24 h降雨量25 mm為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，配置9.5 L且溶液濃度為4 g/L的亮藍(lán)溶液，用帶有恒流泵的噴頭以150 ml/min的速度均勻噴灑到金屬樣方內(nèi)的土壤中(圖1)。噴灑結(jié)束后，再將塑料薄膜繼續(xù)覆蓋在金屬樣方上。24 h后移除薄膜和金屬樣方，選取樣方中間50×50 cm的區(qū)域染色土壤進(jìn)行染色剖面垂直挖掘，挖掘方式為每層10 cm的垂直深度，且最大挖掘深度為50 cm，即本研究最大染色深度。并使用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對(duì)土壤垂直染色剖面進(jìn)行拍攝，拍攝過(guò)程中配測(cè)量標(biāo)尺和灰階比色卡，以獲取土壤垂直染色剖面圖像。

表1 樣地基本情況

圖1 染色剖面處理示意圖

1.2.3 土壤染色圖像處理 在得到土壤染色剖面圖像后，利用ERDAS IMAGINE 2016 軟件對(duì)其進(jìn)行校正處理，并使用PhotoshopCS 6.0將校正后的圖像進(jìn)行裁剪，本研究裁剪后的尺寸為500×500 pixels，并繼續(xù)對(duì)圖像進(jìn)行顏色替換，將土壤染色部分替換成黑色，土壤未染色部分替換成白色，最后形成黑白二色圖。再將得到的圖像進(jìn)行閾值調(diào)整和降噪，使替換顏色后的圖像與染色原始圖像相一致。最后將所得圖像導(dǎo)入Image Pro Plus 6.0軟件中，利用軟件分割和計(jì)數(shù)功能將圖像轉(zhuǎn)換成由0(黑色)和255(白色)組成的二值數(shù)據(jù)矩陣，導(dǎo)入到Excel中，再進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)計(jì)算分析。

1.2.4 優(yōu)先流特征參數(shù)

(1) 染色面積比。染色面積比[18]是將染色剖面圖分成若干層，本文取每層厚度為1 mm。將每張染色圖片轉(zhuǎn)換成數(shù)值矩陣后，計(jì)算每層黑色像素點(diǎn)所占比例，即染色面積比。表達(dá)式為：

(1)

式中:DC為每層染色面積比(%);D為每層黑色像素面積(mm2);ND為每層白色像素總面積(mm2)。同理，統(tǒng)計(jì)數(shù)值矩陣中黑色像素總面積比上剖面總面積即可得總的染色面積比。

(2) 基質(zhì)流深度?；|(zhì)流深度[19]是指土壤中水分以基質(zhì)流形式運(yùn)動(dòng)的垂直深度，單位為mm。本文將染色面積比大于等于80%的土層深度定義為基質(zhì)流深度。

(3) 優(yōu)先流比。優(yōu)先流比[19]是指土壤染色剖面中，優(yōu)先流區(qū)域的面積占總?cè)旧娣e的比值。表達(dá)式為：

(2)

式中:PF-fr為土壤優(yōu)先流比(%)；UniFr為基質(zhì)流深度(mm)；W為土壤剖面染色寬度(mm)；TotStAr為土壤剖面總?cè)旧娣e(mm2)。

1.2.5 分形維數(shù) 土壤優(yōu)先流形成的濕潤(rùn)鋒跡線具有不規(guī)則和無(wú)序的復(fù)雜幾何形態(tài)，因此可以用分形維數(shù)來(lái)表征土壤優(yōu)先流濕潤(rùn)鋒跡線的形態(tài)特征，從而反映土壤優(yōu)先流的發(fā)生程度。同時(shí)，分形維數(shù)不僅可以用來(lái)分析單位長(zhǎng)度線的特征，還可以對(duì)比圖形的復(fù)雜性[20]，而土壤染色形態(tài)具有不規(guī)則和無(wú)序性，亦可用分形維數(shù)來(lái)分析其土壤染色形態(tài)特征。

本文采用計(jì)盒法來(lái)分析濕潤(rùn)鋒跡線和染色形態(tài)的分形維數(shù)，取邊長(zhǎng)為r的正方形盒子覆蓋圖像，則有一部分盒子不會(huì)覆蓋在圖像上，將覆蓋在圖像上的盒子數(shù)定為N(r)，然后將r縮小則N(r)會(huì)增大，當(dāng)r趨近于0時(shí)，則得到濕潤(rùn)鋒跡線和染色圖形的分形維數(shù)FD[21-22]。表達(dá)式為:

(3)

式中:FD為分形維數(shù)；N(r)為覆蓋在圖形上的盒子數(shù)；r為盒子邊長(zhǎng)。

當(dāng)濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)等于1的時(shí)候，表示此時(shí)入滲的水流為均勻流，當(dāng)分形維數(shù)大于1的時(shí)候，表示此時(shí)發(fā)生優(yōu)先流，而分形維數(shù)越大則優(yōu)先流現(xiàn)象越明顯[23]。同理染色形態(tài)分形維數(shù)越大，表示染色形態(tài)越不規(guī)則，即土壤優(yōu)先流現(xiàn)象越明顯。本文在獲取土壤染色圖像的染色形態(tài)圖片和濕潤(rùn)鋒跡線后，采用ImageJ軟件來(lái)計(jì)算濕潤(rùn)鋒跡線的分形維數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤染色形態(tài)分析

對(duì)3種典型農(nóng)地進(jìn)行野外染色示蹤試驗(yàn)，得到土壤染色形態(tài)垂直剖面，以分析土壤染色形態(tài)特征。每個(gè)典型農(nóng)地分別開(kāi)挖得到20個(gè)垂直剖面，總計(jì)60張土壤染色形態(tài)圖像。本文僅分別在每種農(nóng)地中選取1個(gè)具有代表性的染色剖面進(jìn)行形態(tài)特征分析。

圖2 不同農(nóng)地土壤染色形態(tài)

從圖2中可以看出，玉米地在0—15 cm深度范圍內(nèi)的土壤出現(xiàn)大面積團(tuán)塊狀染色形態(tài)，隨后出現(xiàn)明顯的樹(shù)枝狀染色形態(tài)，上下連通性較好。在20—35 cm深度范圍染色形態(tài)呈團(tuán)塊狀，與上層樹(shù)枝狀染色形態(tài)聯(lián)通。團(tuán)塊狀染色形態(tài)的出現(xiàn)表明在這一深度范圍內(nèi)存在較多側(cè)向孔隙，水分以側(cè)向運(yùn)動(dòng)為主。在35—50 cm土層深度處雖然也存在團(tuán)塊狀染色形態(tài)，但較20—35 cm深度范圍的團(tuán)塊狀染色形態(tài)黑色像素點(diǎn)更少，說(shuō)明在這一深度范圍內(nèi)土壤孔隙開(kāi)始減少，水分入滲形式以垂向運(yùn)移為主，隨著時(shí)間推移，水分入滲深度可達(dá)50 cm。而花生地僅在0—10 cm深度范圍出現(xiàn)大面積的團(tuán)塊狀染色形態(tài)，隨后染色形態(tài)呈指狀分布。在相同外部條件下，花生地大面積染色形態(tài)深度范圍較小，則更快出現(xiàn)染色形態(tài)分化現(xiàn)象。從圖中可以看出在4 cm深度之后染色形態(tài)呈團(tuán)塊狀，說(shuō)明此時(shí)優(yōu)先流現(xiàn)象已開(kāi)始發(fā)生，但水分入滲形式主要還是以側(cè)向流動(dòng)為主，優(yōu)先流現(xiàn)象較玉米地更弱?；ㄉ乇韺訛槭焱?，下層為生土，果實(shí)生長(zhǎng)在土壤表層且呈簇狀生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中果實(shí)膨脹長(zhǎng)大[24]，這也使得土壤表層結(jié)構(gòu)疏松，存在較多側(cè)向孔隙，水分入滲較為迅速。同時(shí)花生生長(zhǎng)在表層，深層土壤受植物影響較小，孔隙發(fā)育程度相對(duì)表層較小，表現(xiàn)為在土壤15 cm深度之后開(kāi)始出現(xiàn)3條明顯的指狀染色形態(tài)和少數(shù)面積較小的團(tuán)塊狀染色形態(tài)，說(shuō)明其中存在側(cè)向孔隙通道，水分在快速向下入滲的過(guò)程中發(fā)生了側(cè)向運(yùn)移，但水分入滲主要還是以向下運(yùn)移為主。而玉米地相比花生地染色分化劇烈，水分快速向下運(yùn)移現(xiàn)象更為明顯。在46 cm深度之內(nèi)花生地染色達(dá)到最大深度，相比玉米地達(dá)到50 cm染色深度，花生地水分入滲能力較弱。對(duì)比玉米地和花生地，水稻田大面積染色形態(tài)僅出現(xiàn)在0—4 cm深度范圍內(nèi)，表明水稻田出現(xiàn)染色形態(tài)分化現(xiàn)象相對(duì)玉米地和花生地更快。在4—28 cm深度范圍出現(xiàn)4條指狀染色形態(tài)和少量團(tuán)塊狀染色形態(tài)，染色形態(tài)連通性較好。水分入滲以垂向入滲為主，伴有少量側(cè)向運(yùn)移現(xiàn)象。水分在經(jīng)過(guò)土壤表層大面積入滲后，沿著4條明顯的孔隙通道快速向下入滲，在土層深度28 cm達(dá)到最大染色深度，相比玉米地和花生地，優(yōu)先流現(xiàn)象較弱。

2.2 土壤優(yōu)先流變化分析

分別對(duì)玉米地、花生地、水稻田的20個(gè)土壤垂直染色剖面圖像進(jìn)行處理，得到基質(zhì)流深度、染色面積比、優(yōu)先流比和最大染色深度4個(gè)優(yōu)先流特征參數(shù)。

圖3 3種樣地土壤染色面積比

從圖3中可以看出，玉米地的土壤染色面積比均隨土層深度的增加呈先減小再增大再減小的“W”型變化，在土壤0—20 cm深度范圍內(nèi)染色面積比快速減小，在20—40 cm深度范圍出現(xiàn)明顯波峰(28.74%)。主要是由于這一深度范圍染色形態(tài)呈團(tuán)塊狀，染色面積較大，因此染色面積比出現(xiàn)波峰型變化。而花生地土壤染色面積比隨深度呈“S”型變化，水分在以基質(zhì)流入滲后染色形態(tài)開(kāi)始分化，土壤染色面積比迅速減小。由于花生生長(zhǎng)特性，導(dǎo)致土壤表層孔隙發(fā)育，水分在快速向下入滲時(shí)還伴有側(cè)向入滲的現(xiàn)象，表現(xiàn)為團(tuán)塊狀的優(yōu)先流染色形態(tài)，因此在這一深度范圍內(nèi)土壤染色面積比減小的趨勢(shì)變緩。之后出現(xiàn)數(shù)條豎直的孔隙通道，其形成的染色面積小于團(tuán)塊狀的染色面積，土壤染色面積比減小的趨勢(shì)加快后又減緩。相比玉米地和花生地。水稻田染色面積比隨深度變化曲線呈“L”型，在0～10 cm深度范圍快速減小，在10—48 cm深度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)減緩。對(duì)比圖2可以發(fā)現(xiàn)，水稻田在0—4 cm出現(xiàn)大面積染色形態(tài)，隨后分化為4條指狀染色形態(tài)。在0—10 cm染色面積比減小80.78%，而10—50 cm染色面積比僅減小17.69%，即圖3中土壤染色面積比從快速變化到變化趨勢(shì)減緩的過(guò)程。

基質(zhì)流深度即水分以基質(zhì)流形式入滲的深度范圍，從而表征優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生的快慢程度[19]。從表2可以看出，基質(zhì)流深度最大的是玉米地(5.55 cm),其次是花生地(3.81 cm)，水稻田基質(zhì)流深度最小(2.36 cm)。說(shuō)明在相同外部供水條件下，水稻田最先發(fā)生優(yōu)先流，其次為花生地，玉米地發(fā)生優(yōu)先流現(xiàn)象較為滯后。但從圖2和圖3中我們可以看出，玉米地最晚發(fā)生優(yōu)先流現(xiàn)象，但優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯，即表現(xiàn)為在15～50 cm深度發(fā)育有大面積的樹(shù)枝狀和團(tuán)塊狀染色形態(tài)，染色形態(tài)深度達(dá)50 cm。從總?cè)旧娣e比、優(yōu)先流比、最大染色深度3個(gè)參數(shù)也可以看出。在相同外部條件下，玉米地的總?cè)旧娣e比(33.50%)分別是花生地(22.84%)和水稻田(12.55%)的1.47倍和2.67倍；最大染色深度(49.36 cm)大于花生地(43.99 cm)和水稻田(30.92 cm)，三者差異性顯著(p<0.05)。優(yōu)先流比即水分入滲過(guò)程中優(yōu)先流所占比重[23]，見(jiàn)表1，玉米地優(yōu)先流比最大(71.59%),其次為花生地(68.58%)，而水稻田(62.03%)最小。在相同外部條件下，玉米地總?cè)旧娣e比和最大染色深度、優(yōu)先流比均最大，即玉米地中水分入滲能力較強(qiáng)，優(yōu)先流現(xiàn)象明顯，其次為花生地，水稻田因土壤中水分長(zhǎng)期處于過(guò)飽和狀態(tài)，前期含水量較高，水分入滲深度較小，也因此優(yōu)先流現(xiàn)象相對(duì)玉米地和花生地較弱。

表2 不同農(nóng)地土壤優(yōu)先流特征參數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=20；同列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤優(yōu)先流發(fā)育程度分析

土壤優(yōu)先流現(xiàn)象形成的濕潤(rùn)鋒跡線和染色形態(tài)具有不規(guī)則和無(wú)序的復(fù)雜幾何形態(tài)，分形維數(shù)越大，土壤濕潤(rùn)鋒跡線和染色形態(tài)特征越不規(guī)則，即優(yōu)先流發(fā)育程度越高[20-23]，結(jié)果如圖4所示。

注：D表示濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)；Ds表示染色形態(tài)分形維數(shù)。

圖4 不同農(nóng)地濕潤(rùn)鋒跡線與染色形態(tài)分形維數(shù)

圖中曲線分別為3種典型農(nóng)地的平均濕潤(rùn)鋒跡線，玉米地的濕潤(rùn)鋒跡線在30—45 cm深度范圍內(nèi)，斜率為0.42，無(wú)明顯平緩的濕潤(rùn)鋒跡線，說(shuō)明玉米地在0—50 cm水平寬度范圍均有優(yōu)先流活動(dòng)。而花生地濕潤(rùn)鋒跡線在15—32 cm深度范圍之內(nèi)，水分入滲深度小于玉米地。在0—25 cm水平寬度范圍之內(nèi)變化較為平緩，即這一寬度內(nèi)水分入滲深度相似，即無(wú)明顯的優(yōu)先快速入滲現(xiàn)象。在25—50 cm水平寬度濕潤(rùn)鋒跡線呈波浪形變化，有4個(gè)明顯的波峰，波峰的出現(xiàn)說(shuō)明有4條較發(fā)育的孔隙通道，水分沿著這些通道快速向下入滲，優(yōu)先流主要出現(xiàn)在25—50 cm水平寬度范圍。相對(duì)于花生地和玉米地，水稻田濕潤(rùn)鋒跡線在8—20 cm深度范圍之內(nèi)，水分入滲能力最弱。同時(shí)在0—30 cm水平寬度濕潤(rùn)鋒跡線呈波浪形變化，整體緩慢向下延伸，但波動(dòng)幅度相對(duì)玉米地和花生地較小，在30—50 cm水平寬度范圍變化較為平緩，說(shuō)明水稻田存在快速向下運(yùn)移的入滲水流，主要在0—20 cm水平寬度范圍活動(dòng)，即優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)育。

通過(guò)濕潤(rùn)鋒跡線可以表征3種典型農(nóng)地均有優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生，且玉米地存在數(shù)條優(yōu)先流通道使得水分在其中快速向下入滲。而花生地僅部分寬度范圍濕潤(rùn)鋒跡線波動(dòng)較大，濕潤(rùn)鋒深度范圍小于玉米地。相對(duì)于玉米地和花生地，水稻田濕潤(rùn)鋒跡線深度范圍最小，隨深度變化趨勢(shì)更為平緩。濕潤(rùn)鋒跡線可以定性的分析3種典型農(nóng)地優(yōu)先流現(xiàn)象，而本文引入分形維數(shù)對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。濕潤(rùn)鋒跡線的平均分形維數(shù)由大到小表現(xiàn)為玉米地(1.34)、花生地(1.28)、水稻田(1.26)。玉米地濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)最大，即其不規(guī)則性最高，因此優(yōu)先流發(fā)育程度相對(duì)最高?；ㄉ睾退咎锏臐駶?rùn)鋒跡線分形維數(shù)差異性不顯著(p>0.05)，但通過(guò)濕潤(rùn)鋒跡線的分析發(fā)現(xiàn)，花生地相比水稻田水分入滲深度更大，且濕潤(rùn)鋒跡線變化更為明顯。同時(shí)對(duì)3種典型農(nóng)地染色形態(tài)分形維數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，玉米地染色形態(tài)分形維數(shù)最大(1.75)，這也進(jìn)一步說(shuō)明了，玉米地優(yōu)先流發(fā)育程度最高。其次為花生地(1.73)，水稻田染色形態(tài)分形維數(shù)最小(1.65)，兩者染色形態(tài)分形維數(shù)差異性顯著(p<0.05)，說(shuō)明花生地染色形態(tài)相比水稻田更為復(fù)雜，即花生地優(yōu)先流發(fā)育程度相比水稻田更高。

3 討 論

田間土壤水分入滲包括基質(zhì)流和優(yōu)先流入滲形式，基質(zhì)流深度即土壤中基質(zhì)流發(fā)生的深度范圍?；|(zhì)流深度越大，土壤中發(fā)生基質(zhì)流的時(shí)間越長(zhǎng)，相對(duì)的優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生則越滯后[19]。本文研究得出玉米地基質(zhì)流深度分別是花生地和水稻田的1.18倍和1.91倍，說(shuō)明玉米地優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)育相對(duì)滯后，而水稻田最先發(fā)育優(yōu)先流現(xiàn)象。然而對(duì)于基質(zhì)流深度的大小是否也表征優(yōu)先流現(xiàn)象的強(qiáng)弱，張東旭等[23]對(duì)3種不同農(nóng)地優(yōu)先流研究結(jié)果顯示，南瓜地、柑橘地、玉米地的基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比分別為(2.30 cm，1.50 cm，3.50 cm)和(22.80%，17.26%，13.87%)，南瓜地優(yōu)先流程度最高，其次為柑橘地，玉米地優(yōu)先流程度最低，基質(zhì)流深度的大小與優(yōu)先流發(fā)育程度無(wú)相關(guān)關(guān)系，因此本文還引入了其他參數(shù)對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行分析。同時(shí)，上述學(xué)者研究得出的玉米地基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比均小于本研究結(jié)果(4.51 cm，32.09%)，這主要受土壤類型的影響。同時(shí)，本文研究結(jié)果顯示玉米地平均總?cè)旧娣e比分別是花生地和水稻田的1.40倍和2.56倍，三者差異性顯著(p<0.05)，染色面積越大，說(shuō)明水分運(yùn)動(dòng)范圍越大，間接也說(shuō)明了土壤中大孔隙越多，更容易發(fā)育優(yōu)先流。Flury等[18]也指出在相同外部條件下染色面積比越大，優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯，因此相比花生地和水稻田，玉米地的孔隙較為發(fā)育，其次為花生地。張中彬等[25]對(duì)紅壤區(qū)水稻田研究結(jié)果顯示，水稻田大孔隙主要集中在0—20 cm深度內(nèi)，而本文水稻田土壤染色部分在0—30 cm深度內(nèi)，水分會(huì)沿著大孔隙快速向下入滲，因此土壤染色部分也可以看作土壤中孔隙的分布，本文水稻田土壤染色深度范圍大于上述學(xué)者研究結(jié)果，不同土壤類型的情況下，孔隙發(fā)育情況也會(huì)有所差距，但上述學(xué)者和本文對(duì)水稻田研究結(jié)果均顯示大孔隙主要分布范圍小于本文研究的玉米地和花生地的大孔隙分布范圍，說(shuō)明水稻田發(fā)育優(yōu)先流的潛力低于玉米地和花生地。

相對(duì)于平均總?cè)旧娣e比描述了整體的水分運(yùn)動(dòng)，優(yōu)先流比則能直觀的描述土壤染色區(qū)域中優(yōu)先流發(fā)育所形成的染色占比[23]。陳曉冰等[6]對(duì)不同耕作方式甘蔗地優(yōu)先流的研究得出，耕作的甘蔗地優(yōu)先流比(82.89%)小于免耕甘蔗地(88.61%)，免耕甘蔗地優(yōu)先流發(fā)育程度較高，而其免耕甘蔗地基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比(2.13 cm，35.13%)均小于耕作甘蔗地(3.08 cm 35.72%)。本文研究得出玉米地的優(yōu)先流比為71.59%，分別是花生地和水稻田的1.04倍和1.15倍，但玉米地的基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比均大于花生地和水稻田，與陳曉冰等[6]得出的優(yōu)先流比大的甘蔗地基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比較小的結(jié)果不同，這主要是因?yàn)?，?yōu)先流比是優(yōu)先流部分染色面積與總?cè)旧娣e的比值，當(dāng)玉米地基質(zhì)流深度和平均總?cè)旧娣e比均大于花生地和水稻田時(shí)，則玉米地和花生地、水稻田的基質(zhì)流深度與平均總?cè)旧娣e比的比值不能確定大小，即優(yōu)先流比可能大也可能小，這也說(shuō)明僅靠?jī)?yōu)先流比和基質(zhì)流深度、總?cè)旧娣e比并不能完全的得出優(yōu)先流發(fā)育程度大小的結(jié)論，需結(jié)合其他數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析。

呂剛等[26]對(duì)海州露天煤礦復(fù)墾排土場(chǎng)種植不同植物的土壤的優(yōu)先流研究顯示，總體趨勢(shì)上土壤染色面積比隨深度增加而減小，同時(shí)不同利用類型的土壤優(yōu)先流染色面積比變化趨勢(shì)不同，其玉米地染色面積比最大值為44.36%，小于本文結(jié)果(98.38%)，而其玉米地最大染色面積出現(xiàn)在0—5 cm深度內(nèi)，本文玉米地最大染色面積出現(xiàn)深度為0—1 cm。耕作會(huì)在一定程度上改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，而不同耕作方式也會(huì)改變土壤孔隙的數(shù)量與分布，又因?yàn)橥翆釉缴钔寥朗芨骱椭参锔档挠绊懺叫?，因此，最大染色面積比均出現(xiàn)在土壤表層，染色面積比隨深度變化明顯，而染色面積比的差異還說(shuō)明不同土壤環(huán)境會(huì)改變土壤水分入滲能力。蔣小金[11]等對(duì)東北典型黑土耕地優(yōu)先流現(xiàn)象研究的結(jié)果顯示，水分垂向運(yùn)移受到阻礙時(shí)，開(kāi)始側(cè)向入滲，此時(shí)染色面積比增大，土壤染色形態(tài)呈團(tuán)塊狀。本文圖3顯示，玉米地在20—40 cm深度范圍出現(xiàn)波峰型變化和花生地出現(xiàn)的“S”型變化，這一深度染色面積比變化趨勢(shì)減緩，同時(shí)圖2中這一深度染色形態(tài)部分呈團(tuán)塊狀分布，即在團(tuán)塊狀染色形態(tài)處，水分運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了側(cè)向入滲現(xiàn)象。戴翠婷[27]等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同利用類型紫色土壤優(yōu)先流研究也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，同時(shí)其研究結(jié)果顯示玉米地?zé)o明顯側(cè)向運(yùn)移現(xiàn)象，這主要是本研究中的玉米地水分入滲在通過(guò)覆土層后受到阻礙，發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，部分水分則繼續(xù)向下入滲形成優(yōu)先流?；ㄉ睾退咎镂闯霈F(xiàn)明顯的側(cè)向運(yùn)移現(xiàn)象，表現(xiàn)為土壤染色面積比隨深度變化趨勢(shì)線較為平滑，說(shuō)明上下層土壤結(jié)構(gòu)密度的改變會(huì)影響土壤水分入滲的方式。

潘網(wǎng)生等[28]研究認(rèn)為分形維數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)濕潤(rùn)鋒跡線。而張東旭等[23]對(duì)3種農(nóng)地濕潤(rùn)鋒跡線進(jìn)行研究結(jié)果顯示，3種農(nóng)地分形維數(shù)分別為1.33(南瓜地)，1.25(柑橘地)，1.23(玉米地)，同時(shí)南瓜地優(yōu)先流發(fā)育程度最高，玉米地優(yōu)先流發(fā)育程度最低。本文研究玉米地濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)為1.34，大于上述學(xué)者所得結(jié)果，說(shuō)明土壤環(huán)境對(duì)優(yōu)先流發(fā)育的影響較大。而本文綜合染色形態(tài)特征和優(yōu)先流參數(shù)特征分析結(jié)果顯示玉米地優(yōu)先流發(fā)育程度最大，其次為花生地，水稻田優(yōu)先流發(fā)育程度最小。這主要是因?yàn)橛衩椎卦谥参锷L(zhǎng)過(guò)程中，土壤在灌溉后經(jīng)歷干濕循環(huán)，容易發(fā)育孔隙，因此水分入滲能力較強(qiáng)，基質(zhì)流深度大。又由于孔隙數(shù)量多且分布范圍廣，優(yōu)先流現(xiàn)象較為發(fā)育。而花生地植物植株覆蓋在土壤表面，減少水分散發(fā)，水稻田土壤水分長(zhǎng)期處于過(guò)飽和狀態(tài)，孔隙發(fā)育相對(duì)玉米地較少，且水分的大面積入滲深度相對(duì)較小，即更快發(fā)生優(yōu)先流的同時(shí)優(yōu)先流的發(fā)育程度也相對(duì)較小。沃飛等[29]對(duì)太湖水稻土研究結(jié)果顯示，3種水稻土在0—30 cm深度發(fā)育優(yōu)先流的能力最強(qiáng)，而本文水稻田平均最大染色深度為30.92 cm，這也間接說(shuō)明本文水稻田染色主要集中在0—30 cm土層深度內(nèi)，水分以優(yōu)先流形式入滲深度小于玉米地和花生地，優(yōu)先流發(fā)育程度相對(duì)最低。這一結(jié)果也說(shuō)明了濕潤(rùn)鋒跡線分形維數(shù)和優(yōu)先流發(fā)育程度呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)也表明，本文提出的染色形態(tài)的分形維數(shù)方法也可以表征優(yōu)先流的發(fā)育程度，在一定程度上可以直接對(duì)土壤染色形態(tài)分形維數(shù)進(jìn)行分析，以簡(jiǎn)化分析過(guò)程。

4 結(jié) 論

(1) 桂北巖溶區(qū)玉米地優(yōu)先流現(xiàn)象形成的染色形態(tài)由樹(shù)枝狀變?yōu)閳F(tuán)塊狀再到樹(shù)枝狀，土壤在20—40 cm深度范圍存在較多側(cè)向孔隙通道；而花生地和水稻田染色形態(tài)均呈指狀，同時(shí)，花生地水分快速向下運(yùn)移的過(guò)程中還伴有明顯的水分側(cè)向運(yùn)移現(xiàn)象。

(2) 相同供水條件下，玉米地的平均基質(zhì)流深度達(dá)5.55 cm，是花生地的1.46倍，優(yōu)先流發(fā)生時(shí)間相對(duì)滯后。而水稻田的平均基質(zhì)流深度僅為2.36 cm，最快發(fā)生優(yōu)先流現(xiàn)象。

(3) 玉米地平均優(yōu)先流比為71.59%，其次為花生地(68.58%)，水稻田(62.03%)最?。挥衩椎氐臐駶?rùn)鋒跡線分形維數(shù)為1.34，分別是花生地和水稻田的1.05倍和1.06倍，即玉米地優(yōu)先流發(fā)育程度最高，其次為花生地，水稻田優(yōu)先流發(fā)育程度相對(duì)最小。