基于多指标分析和分形维数的不同种植年限压砂地基质流与优先流特征研究

阮晓晗，白一茹，王幼奇，高小龙

(1.宁夏大学地理科学与规划学院,宁夏 银川 750021；2.宁夏大学生态环境学院,宁夏 银川 750021)

优先流是在重力和土壤水力的结合作用下水分穿透并绕过了大部分土壤基质和毛孔，沿某些特定路径快速进入土壤的非平衡流现象[1]，广泛存在于各种异质性渗透介质和土壤中。土壤优先流能够反映土壤结构体的大孔隙状况[2]、增加土体水分运动通道[3]，在水分亏缺地区，优先流可以提高水分传导效率[4]，为植物根系提供水分[5]，是土壤水分补给的重要来源之一[6]。土壤砾石[7]、裂隙[8]、植物根系[9]、动物活动[10]及人为耕作措施[11]等易在土壤内部形成大孔隙导致优先流出现。压砂地是西北地区充分利用有限降水资源的一种旱作农业模式，其土壤表面覆盖砾石改变了地表过水断面、形成大孔隙[12]，为优先流发育和存在创造了有利条件。因此深入研究优先流和基质流特征对明晰压砂地土壤水分运动过程具有积极作用，为提高压砂地土壤水分利用效率提供参考。

近些年，一些学者对砾石类型[13]、覆盖颗粒大小[14]、形状[15]、含量[16]及其在土壤基质中的分布[17]等方面进行了研究，结果表明砾石覆盖度[18]、覆盖量[19]及砾石的空间分布[20]对水分运动过程产生重要影响。一般而言土壤砾石含量增加会导致土壤孔隙增大，有利于水分入渗，进而促进基质流和优先流发育和形成[21]。在三峡库区，戴翠婷等[22]对3种不同类型土地进行染色示踪试验发现砾石和大孔隙特征共同影响土壤水分运动过程。在北方土石山区，赵思远等[23]研究发现不同坡位的土石介质改变了土石山区土壤水分运动过程，促进了优先流产生。在西北黄土区，邵明安等[24]研究发现在一定程度上含砾石土壤中砾石对于水分入渗过程、土壤饱和导水率等水力学参数及土壤持水性能有一定的影响。在巴基斯坦约旦河西岸，Jakob等[25]以染色示踪剂进行小范围灌溉试验，发现含有砾石的土壤中优先流现象明显。在宁夏压砂地区，白一茹等[26]对不同砾石覆盖厚度条件下压砂地的土壤水分入渗过程进行研究，发现与裸地相比砾石覆盖厚度会显著增加累计入渗量，提高水分入渗速率。综上可知，砾石会改变土壤结构和孔隙状况，促进优先流形成及发育。优先流在土壤中存在广泛，但是由于不同区域的气候、地形、土壤理化性质、耕作方式和土石状况等差异，砾石在土壤中的存在方式及其对优先流入渗的影响也有很大差异。由于压砂地的覆盖和独特耕作方式使得其入渗过程较其他土壤类型更为复杂。针对压砂地优先流区域和基质流区域入渗特征，尤其是以年限变化为主要因素影响下的优先流和基质流特征研究较为缺乏。

随着压砂地耕作年限增加，覆盖层土石混合程度及比例发生显著变化，进而改变了土壤结构、重构了土壤大孔隙分布特征、增加了土壤水分运动通道，其优先流和基质流发育程度和发生路径也产生相应变化。因此本研究以宁夏中部干旱带不同年限压砂地土壤剖面为研究对象，通过原位亮蓝染色示踪试验获取剖面染色图像，根据形态解析理论分析优先流和基质流形态特征，利用特征参数及分形特征进一步明晰优先流和基质流程度，综合分析耕作年限对压砂地优先流区和基质流区的土壤特性分布差异，为改善压砂地水分生态环境、促进旱作农业提供一定的理论帮助。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏中卫市兴仁镇(105°22′E，36°76′N)，地处宁夏中部干旱带，属干旱半干旱气候，海拔1 679～1 680 m，年平均温度13.4℃，年日照时数2 990 h，多年平均降水量240～260 mm，年蒸发量3 200 mm左右，无霜期168～175 d左右。光热资源十分丰富，昼夜温差大，土壤为灰钙土，是硒砂瓜主产区。覆盖砾石来自香山风化碎石，覆盖厚度为15～25 cm。试验时间为2020年10月。

1.2 试验方法

1.2.1 样地选择与布设 通过前期调研，压砂地耕层主要分布在0～25 cm土层。在试验区选取2、5、10、20、30 a和40 a的压砂地随机设置试验小区，样地按不同年限标记为A1、A2、A3、A4、A5和A6(图1)。由于试验前一周有降雨，试验小区各样地水分含量基本一致，平均土壤含水量为12.58%±0.49%。选取地势平坦区域，清除表面枯枝落叶及杂草，尽量避免破坏压砂地原状结构，采用70 cm×70 cm×40 cm的隔离装置垂直砸入土中35 cm，即形成试验观测小区，填实装置与土之间的缝隙并敲击装置外壁防止侧渗影响试验结果。为保证样地在染色试验前的土壤前期含水量相近，处理完毕后在试验装置上覆盖聚乙烯塑料薄膜防止降雨等其他影响，静置24 h后进行后续试验。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

1.2.2 土壤物理性质测定 在每个试验小区内挖开表面砾石覆盖层直至土壤层，整平后用环刀取垂直方向上0～10 cm土层的原状土，共3个重复。利用环刀样测定土壤容重、土壤总孔隙度及饱和导水率。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of sampling plots

土壤饱和导水率测定采用定水头法[27]，计算方法：

Ks=10Q×L/A×ΔH×t

(1)

式中,Ks为饱和导水率(mm·min-1)；Q为渗透量(ml)；L为土层厚度(cm)；ΔH为渗流路径的总水头差(cm)；t为渗透时间(min)；A为水流经过的横截面积(cm2)。

为了便于比较不同温度下所测得的Ks值，将其换算为10℃时的饱和导水率：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

(2)

式中，K10为温度为10℃时的Ks(mm·min-1)；Kt为温度为t(℃)时的饱和导水率(mm·min-1)；t为水温(℃)。

1.2.3 砾石分选 2020年9月20日至10月5日进行不同年限压砂地砾石分选。在研究区压砂地集中分布区域以网格法均匀布点，选取2、5、10、20、30 a和40 a压砂地，根据各年限压砂地在研究区内所占面积比分别选取11、31、33、15、6、6个样点，共计102个样点。在每一个样点内选取50 cm×50 cm范围内砾石覆盖层全部砂石风干后用50、31.5、25、16、10、5、2 mm筛子逐层过筛，选取不同粒径的砾石进行称重、记录，压砂地砾石粒径配比情况见表2。

表2 不同种植年限压砂地砾石粒径配比/%Table 2 Gravel particle size ratio of gravel-sand mulched fields with different planting years

1.3 土壤优先流特征分析

1.3.1 染色示踪试验 试验前移除表面覆膜，基于研究区0～25 cm耕层过饱和水量，同时结合研究区最大灌水量制定染色溶液量，配制36 L浓度为4 g·L-1的亮蓝(FCF，C37H34N2Na2O9S3)溶液均匀喷洒在70 cm×70 cm的装置范围内的压砂地上，当样地表面无积水后在表面铺设聚乙烯塑料薄膜防止降雨及蒸发等影响。待24 h后移除表面薄膜，将装置取出，选择试验小区内中心50 cm×50 cm区域每10 cm切垂直纵剖面，挖开深度为50 cm，布设标尺后，使用高分辨率的数码相机在距剖面相同距离、相同高度的位置对各个土壤垂直染色剖面进行拍摄，选取其中有代表性的剖面图像进行分析。拍摄过程中配测量标尺和灰阶比色卡，以便后续图像处理与分析，染色剖面见图2所示。

图2 染色剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of stained profile

1.3.2 图像处理 将图像导入Adobe Photoshop CC 2019中，根据图像中布设的标尺对图片进行几何矫正和色彩校正，得到裁剪后尺寸为500×500 pixels的图像，调整饱和度和对比度以加大染色区域与非染色区域色彩对比，选择染色区域丢弃色彩转化为灰度图，调整阈值使图像显示效果与实际染色效果一致，选择非染色区域填充为白色(用255表示)，染色区域为黑色(用0表示)，整个图片颜色数值为0或255。将处理后的图像导入Image Pro Plus 6.0中，将待测图像数值化并转为Excel待分析。

1.3.3 染色特征参数

(1)染色面积比(Dc)

(3)

式中，Dc为剖面染色面积比，D为剖面染色面积(cm2)，S为图像总面积(cm2)。

(2)最大染色深度(MDSD)，染色剂下渗的最大深度。

(3)基质流深度(UniFr)，染色面积比>80%的染色区域为基质流区域，其最大深度为基质流深度。

(4)基质流比(Pfr)，染色区域中基质流区域占总染色区域的百分比。

(4)

式中,Pfr为土壤剖面基质流占比(%)，UniFr为基质流深度(cm)，W为土壤剖面宽度，Totstar为总染色面积(cm2)。

(5)优先流比(PF-fr)，染色区域中优先流区域占总染色区域的百分比。土壤优先流比越高，说明研究范围内的土壤优先流发育程度越高[28]。

PF-fr=1-Pfr

(5)

式中，PF-fr为土壤剖面优先流占比(%)。

(6)土壤染色剖面变异系数(CV)，土壤剖面内部染色差异程度。

(6)

1.3.4 分形维数 分形维数是量化自然界中不规则形状的数学方法，土壤优先流现象形成的湿润锋迹线是不规则和无序的几何形态，具有明显分形特征[29]。选择边长为r的正方形小盒子，对湿润峰迹线进行覆盖，统计覆盖湿润锋迹线的小盒子数记为N(r)。当缩小盒子尺寸直至趋近于0时得到分形维数(FD)，其公式为：

(7)

若FD=1，表明湿润锋迹线为直线，此时入渗状态完全均匀，无明显优先流状况；若FD>1，表明湿润锋迹线波动，存在优先流发育，且FD越大，湿润锋迹线不规则程度越高，说明入渗均匀程度越差，优先流发育程度越高。本文土壤剖面湿润锋迹线FD值由FractalFox 2.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限压砂地染色形态分析

图3给出了不同种植年限压砂地的染色形态，黑色为染色区域，白色为未染色区域。可以看出随着种植年限增加，砾石覆盖层与下层土壤边界逐渐模糊。各样地的染色表现出以基质流形式均匀染色和湿润峰锯齿状波动优先流染色相结合，随后在土壤下层不同层面表现出一定优先流特征，基本呈现出种植年限越长基质流区域越小，优先流现象出现深度越浅的趋势。A1、A2、A3、A4砾石覆盖层整体染色形态均匀，说明砾石层连通性好，孔隙分布均匀，有利于亮蓝溶液向下迁移，而A5、A6砾石覆盖层染色深度明显较浅且分布形态规则性差，表明相对密实度较大且孔隙较为分散，不利于水分均匀入渗。A1整体以均匀的活塞流入渗为主，基质流区域在整体染色区域占比较大，入渗接近最大深度位置才出现优先流。在0～25 cm土层部分染色较为均匀，存在少数点状未染色区域，可能是由于部分砾石改变了水分运动通路。25 cm以下出现横向染色片区和纵向条带状染色区域，说明在这个区域内土壤出现了优先流特征，入渗过程主要以竖直入渗为主。A2，A3，A4在砾石层内主要以基质流形式均匀向下入渗，但进入土层后均出现了不同程度的优先流现象，A2在12 cm左右深度出现不连续横向未染色区域，可能是由于砾石层与土层分界区域的不连续性改变了部分水分通道，在这个间断层下部3 cm左右又呈现出较为均匀的染色形态，在18～48 cm土层出现纵向条带状优先流，可能是由于蚯蚓等生物活动造成的。A3砾石层染色较为均匀但染色程度和基质流区域占比较A2更低，其染色图像在18 cm深度以下出现深度不一的条块状染色形态。A4砾石覆盖层整体染色形态均匀性较A3更差，基质流范围主要在0～11 cm的砾石层内，1～5 cm局部区域出现横向染色程度较浅片区。11 cm向下染色形态呈模糊的指状分布，同时出现了清晰的纵向洞穴状染色带。而A5与A6入渗过程几乎只在砾石分布的区域进行，少部分延伸到砾石与土壤混合地带，入渗形态极不均匀，基质流仅在接近地表的浅层区域存在且基质流区域面积较小，A5染色区域与未染色区域边界模糊，说明A5砾石层中存在大量土壤且内部分布有大量密集的孔隙，水分通过这些孔隙传导形成染色区域和未染色区域的过渡边界。A6基质流区较A5更小，染色区域边界清楚且染色区域深浅不一，可能由于长期弃耕且缺水导致土壤严重板结，形成了密度较大的土块与砾石混合物，水分难以由地表向下传递，大部分只能通过砾石在土体中形成的大孔隙传导，同时由于土壤与砾石两种介质存在水分传导的差异性进一步导致内部染色程度不同。

图3 垂直剖面染色图像Fig.3 Images of vertical stained profiles

2.2 不同种植年限压砂地染色特征参数分析

分别对A1、A2、A3、A4、A5和A6样地的土壤剖面染色图像进行分析处理，得到染色面积比(Dc)、基质流深度(UniFr)、基质流比(Pfr)、优先流比(PF-fr)、最大染色深度(MDSD)和染色剖面变异系数(CV)6个染色特征参数，不同种植年限压砂地垂直剖面染色特征参数见图4。一般情况下，染色剂由上至下入渗，上层土壤直接接触染色溶液且接触面积大，因此Dc逐层由上到下越来越小，在下层土壤染色形态分化明显。随种植年限增长，Dc呈减小趋势，A1、A2、A3、A4、A5的Dc分别是A6的3.59、2.35、2.33、1.88倍和1.27倍。各样地剖面水分入渗过程主要以基质流形式进行，入渗至一定深度后染色形态开始分化，Dc层间波动明显。UniFr反映基质流入渗的深度，也代表优先流出现的边界，与A1相比A2、A3、A4、A5、A6的UniFr分别减少42.73%、50.65%、60.36%、77.06%、80.42%，随种植年限增长不同处理的UniFr变小，即随种植年限增长基质流区域越小，优先流出现深度越浅。Pfr为基质流区域占比，值越大说明基质流区域越大，水分下渗以基质流方式入渗范围越大。各样地的Pfr表现为A1(98.61%)>A2(86.35%)>A3(74.89%)>A4(74.48%)>A5(64.11%)>A6(63.76%)，即各样地基质流区在整体染色区的占比较大，基质流是染色溶液入渗的主要方式，且随种植年限增长，基质流占比减小，基质流区域减小。PF-fr表征了土壤优先流染色区域占整个土壤剖面染色区域的比例，其值越大，说明该样地优先流占整个水分运动的比例越大，优先流现象明显。各样地的PF-fr表现为A6>A5>A4>A3>A2>A1，种植年限越长其PF-fr越大。MDSD是土壤水分入渗能力的表征，各样地的MDSD依次为A2>A1>A3>A4>A5>A6，表明除A2外压砂地土壤水分入渗能力随种植年限增加而减小。土壤CV可以定量表征土壤剖面染色的均匀程度，A1、A2、A3、A4、A5、A6的CV分别为0.09、0.38、0.17、0.22、0.31、0.28，除A2样地外不同样地水分分布的不均匀程度随年限增长呈增大趋势。

图4 垂直剖面染色特征参数Fig.4 Vertical dyeing characteristic parameters

2.3 不同种植年限压砂地湿润锋迹线及分形维数分析

分形理论最初由Bains[30]提出，随后由Tyler等[31]引入土壤科学研究。湿润锋迹线分析可以反映不同区域水分入渗的深度，进而说明入渗在水平方向不同位置的差异性，这种差异可能是由土壤内部结构和物理性质差异造成的。湿润锋迹线的分形维数(FD)是土壤水分入渗不均匀程度的表征，分形维数越大表明其湿润锋波动越明显，优先流发育越明显。从图3可以看出，A1的湿润锋迹线在25～35 cm深度范围内，湿润锋迹线波动明显但波动幅度较小，说明A1样地优先流出现较为滞后且发育程度不高。A2的湿润锋迹线在17～48 cm土层深度范围内，湿润锋波动程度远高于A1，说明优先流发育明显程度高于A1。A3湿润锋迹线在19～35 cm土层深度范围内，左侧区域整体入渗深度较右侧更深且更均匀，右侧区域湿润锋迹线斜率较大，优先流深度不一。A4湿润锋迹线在15～30 cm土层深度范围内，有明显入渗较深的条带状区域。A5湿润锋迹线主要在5～20 cm土层深度范围内，总体入渗深度明显小于种植年限短的样地，湿润锋边界模糊无明显分界线，整体呈片区状分布，片区内染色较为均匀。A6湿润锋迹线总体在5～18 cm土层深度范围内，在6个样地中整体入渗深度最浅，但染色边界清晰且湿润锋波动明显。通过分析湿润锋迹线特征可以发现不同种植年限样地均有优先流发育，由于MDSD不同，年限短的样地湿润锋分布区域较大，年限长的则呈相反趋势。湿润锋迹线可以定性分析不同年限样地优先流状况，并且分形维数可以进一步定量分析优先流发育程度。不同样地湿润锋迹线的分形维数为A6>A5>A4>A2>A3>A1(表3)，种植年限增长样地湿润锋迹线的分形维数呈增大趋势，其水分入渗的不均匀性越高，因此优先流发育水平相对越高。

表3 不同样地湿润锋迹线分形维数Table 3 Fractal box dimension of soil dyeing profile image of sampling plots

3 讨 论

随着种植年限增加压砂地砾石覆盖层从纯砾石阶段逐渐转化为土石混合阶段，与此同时，由于人为的机械破碎及风化作用导致砾石的破碎化，砾石粒径呈减小趋势，且大量细土掺入到砾石层中、同时部分砾石进入下层土壤，因此种植年限越长，表层砾石覆盖层>5 mm粒径砾石减少、<5 mm粒径砾石及细土增加。样地A1、A2、A3、A4、A5、A6土壤容重分别为1.48、1.53、1.54、1.61、1.62、1.63 g·cm-3，土壤容重随种植年限增长而增大；土壤饱和导水率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)，说明随种植年限增加，土壤导水能力逐渐减弱。原因在于压砂地土体的层状结构导致其耕作方式与普通农田不同，压砂地一旦铺成几乎不进行扰动性较大的翻耕，在大型机械、重力和人为踩踏等共同作用下土壤容重增加、孔隙度变小，进而导致土体中有效水分运动通道减少、抑制了土壤水分传导过程，这与王超等[32]研究结果一致。

通过亮蓝染色试验获取的剖面优先流染色形态图像，发现随种植年限增加，样地Dc、UniFr、Pfr和MDSD都呈减小趋势，PF-fr和Cv都呈增大趋势。一般而言，水分以基质流形式入渗越深其优先流发育越滞后[33]。原因在于压砂地种植初期，砾石覆盖层和土壤层界限明显，水分通过砾石层迅速进入质地较为均一且疏松的土壤层，因此种植年限小的压砂地水分在土壤层中以基质流入渗为主，同时由于砾石层储水能力弱，水分大部分在土体中分布，所以表现出溶液染色较深的现象(图3，A1、A2)。随种植年限增加，压砂地由原来砾石覆盖层和土壤层逐渐转变为土石混合介质统一体且容重变大，导致土石混合介质中细土增加，水分有效库容与持水能力明显增加，下渗过程中染色溶液留滞于土石混合介质层，表现为溶液染色较浅的现象(图3，A5、A6)，同时由于砾石的存在，导致染色溶液在该介质中形成了明显的优先流特征。即压砂地种植年限增长耕作层的土石混合比逐渐增大，容重增大、水分通道弯曲程度增加，迫使水分对通道进行选择，阻碍了水分均匀入渗进行的同时抑制了基质流、促进了优先流发育，因此种植年限越长，土体剖面Dc、MDSD与UniFr越小。A2样地UniFr小于A3且出现明显优先流特征，由于A2存在明显动物活动导致的通道，示踪溶液在此疏松通道内快速运动并向四周扩散[34]，说明动物活动形成的大孔隙可以促进优先流发育。Schaik等[35]研究发现土壤优先流比越长，优先流程度越高。本研究中种植年限越长Pfr越小，而PF-fr越大，说明种植年限越长水分难以以基质流形式向下均匀入渗，而通过优先流形式继续入渗，入渗形式虽然仍以基质流为主，但基质流区域占比减小，优先流占比增大，因此其优先流发育程度逐渐提高。随压砂地种植年限增加，土壤容重显著增加(P<0.05)、饱和导水率显著减小(P<0.05)，在染色形态上表现为MDSD减小，因此Pfr随种植年限增加而减小。PF-f、Cv随种植年限增加总体上均呈增加趋势，说明年限越长优先流发育程度提高，原因在于随种植年限增加土石混合程度明显增加，且长期耕作压实导致土壤容重显著增大，明显改变了土体孔隙度及其分布特征，导致染色溶液入渗均匀程度变差，出现MDSD和基质流深度明显减小，优先流发育程度变大的现象。

越来越多的学者通过图像分析确定分形尺寸，以此分析优先流状况并取得了良好的效果[36-38]。分形维数能够定量评价染色形状的不规则程度，能够较为精确地评估和分析土壤剖面优先流发育程度。本文研究表明A1、A2、A3、A4、A5与A6样地随种植年限增加分形维数呈增大趋势，说明其剖面湿润锋迹线的不规则性越大，水分入渗在剖面水平方向上各个位置所能达到的最大入渗深度差异性较大、入渗不均匀性大，优先流发育程度越高，与染色特征参数获取的结果一致。可以看出分形维数能够反映优先流发育程度，且结果具有参考性。本文利用染色特征参数和分形维数分析不同年限压砂地优先流发育程度，虽然能够较为直观描述不同种植年限压砂地优先流特征，但是对于其大孔隙三维分布特征和优先流通道的空间结构尚未明晰，因此为了更好阐明压砂地优先流发育过程及其机制，后续应引入CT扫描等方法进一步加强研究。

4 结 论

1)通过压砂地剖面染色形态可以看出，随着种植年限增加土石混合程度增加，砾石覆盖层与下层土壤边界逐渐模糊，整体上随土壤深度增加剖面染色水流形态从均匀的活塞流向指流转变，基质流区域减小，优先流区域增大。

2)随种植年限增加染色面积变小、压砂地土壤基质流占比和基质流深度减小，优先流占比增大，基质流占主导的水分入渗形式逐渐减弱，优先流特征变得更加明显。

3)染色湿润锋迹线的分形维数为A6(1.41)>A5(1.40)>A4(1.35)>A3(1.23)>A2(1.22)>A1(1.06)，A6样地优先流湿润锋迹线的不规则性最高，A1样地最低。即随种植年限增长，压砂地优先流发育程度呈提高趋势。