全 文 ：绿洲农田土壤优先流特征及其对灌溉量的响应∗
闫加亮１，２　 赵文智１∗∗　 张勇勇１
（ １中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站 ／中国科学院内陆河流域生态水文
重点实验室， 兰州 ７３０００； ２中国科学院大学， 北京 １０００４９）
摘　 要　 优先流是土壤养分和水分快速通过土壤剖面的普遍物理现象．研究农田土壤优先流
特征及其影响因素，对量化绿洲灌溉深层渗漏量、提高水肥利用效率以及降低浅层地下水质
污染的风险具有重要意义．在绿洲农田利用亮蓝溶液进行原位染色示踪试验，结果表明：沟与
垄位置处的染色路径数目在土壤深度 ７．３～１６．７ ｃｍ差异显著，而优先流最大入渗深度差异不
显著．优先流最大入渗深度主要受蚂蚁洞穴和灌溉量的影响，平均灌溉量 １２０ ｍｍ下优先流的
最大入渗深度为（４３．１±５．９） ｃｍ；受到蚂蚁洞的影响，灌溉量 ５５ ｍｍ的样方优先流最大入渗深
度达（６８．３±７．６） ｃｍ．细根（Φ≤２ ｍｍ）与优先流显著相关，粗根与优先流相关性不显著，表明
植物根系中的细根对优先流的产生有重要作用．绿洲农田土壤优先流特征受到灌溉量、垄沟
耕作、蚂蚁洞穴和根系等因素的影响，而蚂蚁洞穴是影响优先流最大入渗深度的不确定因素．
关键词　 染色试验； 染色路径数目； 裂隙面积密度； 地表特征
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０５－１４５４－０７　 中图分类号　 Ｓ１５２．７　 文献标识码　 Ａ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｉｎ ｏａｓｉｓ ｃｒｏｐ⁃
ｌａｎｄ． ＹＡＮ Ｊｉａ⁃ｌｉａｎｇ１，２， ＺＨＡＯ Ｗｅｎ⁃ｚｈｉ１， ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ⁃ｙｏｎｇ１ （ １Ｌｉｎｚｅ Ｉｎｌａｎｄ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｓｔａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｎｅｔｗｏｒｋ ／ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｌａｎｄ Ｒｉｖｅｒ Ｅｃｏｈｙｄｒｏｌｏｇｙ， Ｃｏｌｄ
ａｎｄ Ａｒｉｄ Ｒｅｇｉｏｎｓ， Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，
Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） ．
⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（５）： １４５４－１４６０．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｉｓ ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｈｏｗ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｅｓ ｍｏｖｅ ａｌｏｎｇ ｃｅｒ⁃
ｔａｉｎ ｐａｔｈｗａｙｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅ． Ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ
ｆａｃｔｏｒｓ ｃｏｕｌｄ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ， ｉｍｐｒｏｖｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｕｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ
ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ａｇｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｎｇ ｓｈａｌｌｏｗ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｉｎ ｏａｓｉｓ ｃｒｏｐｌａｎｄ． Ｔｈｅ ｄｙｅ ｔｒａｃｅｒ ｅｘｐｅｒ⁃
ｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｏａｓｉｓ ｃｒｏｐｌａｎｄ， ｕｓｉｎｇ ａ ｂｒｉｌｌｉａｎｔ ｂｌｕｅ ＦＣＦ ｓｏｌｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｆｕｒｒｏｗ， ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｔａｉｎｅｄ ｐａｔｈｓ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｔ
ｔｈｅ ７．３－１６．７ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｙｅ ｄｅｐｔｈ ｈａｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒ⁃
ｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔａｉｎｅｄ ｄｅｐｔｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ
ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗｓ． Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔａｉｎｅｄ ｄｅｐｔｈ ｗａｓ （４３．１±５．９） ｃｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ
１２０ ｍｍ， ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔａｉｎｅｄ ｄｅｐｔｈ ｗａｓ （６８．３±７．６） ｃｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ５５
ｍｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗｓ． Ｒｏｏｔ ｐｌａｙｅｄ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ， ｂｕｔ
ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔｓ （Φ≤２ ｍｍ） ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｉｎ ｏａｓｉｓ ｃｒｏｐｌａｎｄ，
ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ ｒｏｏｔｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ． Ｉｎ ｏａｓｉｓ ｃｒｏｐｌａｎｄ， ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｗｅｒｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ， ｔｈｅ ｆｕｒｒｏｗ ａｎｄ ｒｉｄｇｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ， ｔｈｅ ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ，
ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗｓ ｗｅｒｅ ａｎ ｕｎｃｅｒｔａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｈｅ
ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｙｅ ｔｒａｃｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ； ｓｔａｉｎｅｄ ｐａｔｈ ｎｕｍｂｅｒ； ｃｒａｃｋ ａｒｅａ ｄｅｎｓｉｔｙ； ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃ⁃
ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．
∗国家杰出青年科学基金项目（４１１２５００２）和国家自然科学基金项目（４１４０１０３６）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｏｗｚｈ＠ ｌｚｂ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０７⁃１０收稿，２０１５⁃０２⁃０６接受．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ５月　 第 ２６卷　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｙ ２０１５， ２６（５）： １４５４－１４６０
　 　 优先流是土壤养分和水分快速穿过土壤剖面向
土壤深层入渗的一种普遍物理现象，主要分为大孔
隙流、非稳定流、指流和管状流等类型［１－５］ ． Ｂｅｖｅｎ
等［６］于 １９８２ 年在《Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ》发表
了关于优先流的综述以来，众多国内外学者为优先
流的研究做出了贡献．比如，Ｋｕｎｇ［７］于 １９９０ 年在美
国汉库克农业研究试验站首次对管状流现象进行了
研究；亮蓝被众多学者证实有较好的可视性、无毒，
在优先流的研究中被广泛应用［８－１１］ ．国内学者关于
优先流研究始于 ２１世纪初，Ｃｈｅｎｇ等［１２］研究发现土
地利用变化对优先流路径分布特征有重要影响以及
根系对优先流路径的形成有重要贡献；王伟等［１３］通
过研究大孔隙特征与优先流发生的关系发现，半径
＞０．３ ｍｍ，尤其是半径＞１．５ ｍｍ 的大孔隙是林地优
先流发生的主要通道；徐宗恒等［１４］比较了两类植被
斜坡体优先流的平均染色面积和平均染色路径数
量，发现优先流的发生和发展的活跃程度存在差异．
关于优先流的研究方法与技术以及优先流模型的发
展也都有学者进行了总结［１－２］ ．鉴于优先流越来越受
到广泛的关注，Ｂｅｖｅｎ 等［５］于 ２０１３ 年在《Ｗａｔｅｒ Ｒｅ⁃
ｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ》又发表了关于优先流过去、现在和
未来的综述．
在农田灌溉中，优先流受到耕作方式、地表特
征、裂隙、土壤动物和初始土壤含水量等因素的影
响．Ｓｈｉｐｉｔａｌｏ 等［１５］研究发现，在透水性不好的粘土农
田，土壤水因干燥而开裂的裂隙与犁底层的蚯蚓洞
以优先流的形式通过耕作层入渗到 １ ｍ 深处的排
水管道．Ｇｒｅｖｅ等［１６］通过土柱试验研究发现，即使地
表裂隙闭合仍然可以作为优先流的通道．对于裂隙
来说，不仅在免耕农田中，而且在耕作农田中，都可
以作为优先流路径［１７－１８］ ．土壤动物不仅以其洞穴与
地表裂隙相互作用对优先流有影响，还可以通过疏
松土壤、改变土壤孔隙度，从而影响优先流的特
征［１７］ ．耕作压实虽然可以增加表层土壤容重，减少
表层土壤孔隙度，但也可以增强下层的优先流［１９］ ．
初始土壤含水量对优先流的特征和最大入渗深度亦
有重要影响［２０］ ．
研究农田优先流特征及其影响因素对量化绿洲
灌溉深层渗漏量、提高水肥利用效率以及降低浅层
地下水水质污染的风险具有重要意义，特别是在地
下水位比较低且地表水与地下水交换频繁的地
区［５，２０］ ．黑河中游绿洲农田主要以渠灌为主，地下水
埋深比较浅，约 ４ ｍ，并且农田土壤水分运动及其侧
渗过程一直是该地区关注的重要科学问题．优先流
现象增加了水量平衡估算难度和不确定性，而关于
该地区农田土壤优先流的研究尚且不足．本研究的
目标是：１）研究绿洲农田的优先流染色路径数目和
最大染色深度等特征；２）分析影响绿洲农田优先流
的主要因素及其影响机制．
１　 研究区域与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
本研究区位于张掖绿洲边缘平川镇，选择开垦
５０年以上的玉米田（３９°１９′３９″ Ｎ， １００°０８′２５″ Ｅ）．该
地区属于典型温带干旱气候，年均降水量约 １１７
ｍｍ，年均气温为 ７．６ ℃，年均日照时数 ３０５１ ｈ，年均
无霜期 １６５ ｄ， 年均蒸发量 ２３４１ ｍｍ，地下水位为
３～５ ｍ．地带性土壤为棕漠土，土壤母质为洪积物，
经过长期灌溉、施肥和耕作，形成灌淤旱耕人为土．
表 １为试验地土壤基本理化特性．制种玉米是该地
区农业生产的支柱产业，在玉米生长季约灌溉 ９ 次，
每次平均灌溉量约为 １２０ ｍｍ，为覆膜垄沟种植
方式．
１􀆰 ２　 优先流染色示踪试验
为了满足灌溉前土壤初始含水量的初始条件，
于 ２０１３年 ８月一次例行灌溉前，在试验点随机布设
了 １２个 １．５ ｍ×１．５ ｍ的样方，每个样方都包含完整
的垄（有地膜覆盖）和沟（无地膜覆盖）．样方周围设
置 １５０ ｃｍ×１５０ ｃｍ×５０ ｃｍ 的白铁框，铁框没入土壤
约 １５ ｃｍ，夯实铁框内外边壁，最后在白铁框外围用
土堆实，防止染料侧漏（图 １ａ）．在不破坏地表结构
的前提下，把每个样方的玉米割除并去除土壤表层
的杂物．试验配制 ２ ｇ·Ｌ－１的亮蓝溶液（ｂｒｉｌｌｉａｎｔ ｂｌｕｅ
ＦＣＦ） ，约用１１、１７、２４和２９ ｍｉｎ分别以５５、８５、１２０
表 １　 试验地土壤基本理化性状
Ｔａｂｌｅ １　 Ｂａｓｉｃ ｓｏｉｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｉｔｅ （ｍｅａｎ±
ＳＤ， ｎ＝６）
土壤性状
Ｓｏｉｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ
深度 Ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
０～２０ ２０～１００ 　
土壤颗粒机械组成
Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
沙粒
Ｓａｎｄ （％）
２７．９±７．２ ２３．９±６．１
粉粒
Ｓｉｌｔ （％）
６９．７±６．９ ７３．５±５．６
粘粒
Ｃｌａｙ （％）
２．４±０．４ ２．５±０．５
容重
Ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ （ｇ·ｃｍ－３）
１．４７±０．０５ １．４８±０．０８
饱和导水率
Ｋｓ （ｍｍ·ｈ－１）
１５±９ ４０±２０
有机碳
Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ （ｇ·ｋｇ－１）
１２．７２±０．７６ ７．７５±１．７７
Ｋｓ： Ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．
５５４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 闫加亮等： 绿洲农田土壤优先流特征及其对灌溉量的响应　 　 　 　 　 　
图 １　 试验样方横断面（ａ）和根系取样（ｂ）示意图
Ｆｉｇ． １ 　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｌｏｔ ’ ｓ ｃｒｏｓｓ
ｓｅｃｔｉｏｎ （ａ） ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｒｏｏｔ ｓｉｔｅｓ （ｂ）．
Ⅰ： 根取样位置 Ｓａｍｐｌｅｄ ｓｉｔｅｓ ｏｆ ｒｏｏｔｓ．
和 １４５ ｍｍ的灌溉量处理样方，每种处理 ３ 个重复．
染色 ２４ ｈ后，顺着垄沟断面挖取土壤剖面，每个样
方以 １５ ｃｍ间隔挖 ６ 个 １ ｍ×１ ｍ 剖面．每个剖面用
铁铲铲平，并放置 １ ｍ×１ ｍ 标准框，用数码相机摄
取 ３７８０像素×３７８０像素的图片．图片首先利用 Ｐｈｏ⁃
ｔｏｓｈｏｐ ＣＳ４进行校正，然后利用 ＩｍａｇｅＪ １．４８ｆ依次进
行背景差值、颜色调整和二值化处理，并计算染色面
积特征曲线，最后用 ＭＡＴＬＡＢ Ｒ２０１０ｂ 对二值化图
片进行分析，分别统计染色路径数目和染色路径宽
度．分析比较垄、沟位置处优先流特征差异时，利用
Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ４ 把染色剖面分割成分别包含垄和沟
的两张图片，然后再进行相关图片参数统计与计算．
１􀆰 ３　 取样及室内分析
在挖取染色剖面的同时，从灌溉量 １２０ ｍｍ 处
理的每个样方中，随机选择两个垂直剖面，共选择 ６
个，分别在染色区域内以 １０ ｃｍ 垂直间隔用直径 ７０
ｍｍ、高 ５２ ｍｍ 的环刀（体积 ３００ ｃｍ３）取根系（图
１ｂ），利用 １ ｍｍ 的土壤筛洗根，然后扫描成 ３００ ｐｉ
的图片，用 ＷｉｎＲｈｉｚｏｎ 根分析系统分析粗根（Φ＞２
ｍｍ）和细根（Φ≤２ ｍｍ）的体积．另外，在地表放置
５０ ｃｍ×５０ ｃｍ 标准框，用数码相机获取图片，带回实
验室计算地表裂隙面积密度．在试验样方附近，用环
刀法和铝盒烘干法分别测垄和沟耕作层（０～２０ ｃｍ）
的土壤容重和土壤含水量，取 ６个重复．
１􀆰 ４　 数据处理
采用 ＳＰＳＳ １６．０进行数据的统计和检验．统计分
析采用双尾 ｔ检验判断沟和垄的染色剖面染色路径
数目是否存在差异；采用单因素方差分析比较沟与
垄的地表裂隙面积密度、土壤容重和初始土壤质量
含水量以及有蚂蚁洞和无蚂蚁洞染色剖面最大染色
深度差异是否显著；对根系密度和染色面积进行
Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析（α＝ ０．０５）．利用 Ｅｘｃｅｌ ２００７进行
数据整理，用 ＯｒｉｇｉｎＰｒｏ ８．５作图．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 灌溉量对优先流特征的影响
不同灌溉量的优先流都呈现大孔隙流特征，但
染色面积和染色路径宽度分布特征存在差异（图
２）．灌溉量 ５５和 ８５ ｍｍ的优先流染色面积和染色路
径宽度分布特征都随着土壤深度的增加而减少．优
先流路径宽度以＞２００ ｍｍ 为主，并伴有少量宽度
２０～２００ ｍｍ的优先流路径，优先流路径的水分向土
壤基质扩散的程度较大．灌溉量 １２０ ｍｍ的染色面积
亦随着土壤深度的增加而呈减少的趋势，并且在土
壤深度 ３７ ｃｍ处出现一个小的峰值，表明小部分土
壤水能以优先流的形式入渗到深处，然后再进行扩
散；在土壤深度 ０～１９ ｃｍ，染色路径宽度以＞２００ ｍｍ
为主，并且其染色面积百分比＞６０％，剖面染色面积
呈现均匀染色，随着灌溉量的增加，土壤耕作层（０～
２０ ｃｍ）大量土壤水从优先流路径扩散到土壤基质．
土壤深度 １９ ｃｍ 以下，染色路径宽度转变成以
２０～２００ ｍｍ为主，并伴有宽度＜２０ ｍｍ 的染色路径，
表明一部分土壤水以优先流的形式向下渗，并没有
向土壤基质发生明显的扩散．灌溉量 １４５ ｍｍ的优先
流染色面积也随着深度的增加而减少，在土壤深度
４３ ｃｍ出现一个较大的峰值；优先流染色路径宽度
主要以 ２０ ～ ２００ ｍｍ 为主．随着灌溉量的增加，土壤
水不仅以优先流的形式入渗到土壤深层，而且从优
先流路径向土壤基质扩散的程度较大．优先流路径
均匀染色深度和最大染色深度都随着灌溉量的增加
而呈增加的趋势（图 ３）．灌溉量 ５５、８５、１２０ 和 １４５
ｍｍ的均匀染色都只发生在土壤表层，均匀染色深
度分别是（１０．４±１．６）、（１０．２±１．３）、（１７．７±２．４）和
（２１．５ ± ２􀆰 ８） ｃｍ；而最大染色深度分别是 （２８． ３ ±
４􀆰 １）、（４３．５±２．５）、（４３．２±５．９）和（５９．２±５．６） ｃｍ．
２􀆰 ２　 垄沟耕作对优先流特征的影响
受到地膜覆盖的影响，垄和沟位置处的地表裂
隙存在差异，耕作层的土壤容重和土壤含水量亦
６５４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ２　 不同灌溉量优先流的剖面染色宽度和染色面积．
Ｆｉｇ．２　 Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｉｎｅｄ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｄｙｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ．
存在差异．沟的地表裂隙密度为 （３０９． ９ ± ８６􀆰 ９）
ｃｍ２·ｍ－２， 显著大于垄的地表裂隙密度（１９．１±１􀆰 ２）
ｃｍ２·ｍ－２；虽然沟的耕作层的土壤容重比垄的土壤容
重仅大（０．０８±０．０２） ｇ ·ｃｍ－３，但差异显著；沟与垄的
耕作层的初始土壤质量含水量差异亦显著（表 ２）．
　 　 沟与垄的染色路径数目都随深度的增加呈现先
增加后减少的趋势，且在深度 １５ ｃｍ 左右均达到最
大值，同时存在差异性（图 ４）．在深度 ７．３ ～ １６．７ ｃｍ，
垄的染色路径数目显著大于沟的染色路径数目，垄
与沟的染色路径数目在其他深度差异不显著．此外，
垄与沟的最大染色深度分别为（４１．８±６．３）和（４０．３±
４．１） ｃｍ，无显著性差异．
２􀆰 ３　 根系密度对优先流的影响
植物根系对优先流的产生和发展有重要作用．
如表 ３所示，总根系体积密度（ＶＴＲ）与剖面染色面
积（ＤＳＡ）相关性显著，其中细根体积密度（ＶＦＲ）和
剖面染色面积相关性显著，而粗根体积密度（ＶＣＲ）
和剖面染色面积无显著相关，表明植物根系中的细
表 ２　 地表裂隙密度、耕作层（０～ ２０ ｃｍ）的土壤容重和初始
含水量
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｓｏｉｌ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ
ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｐｌｏｗ ｌａｙｅｒ （０－２０ ｃｍ）
项目 Ｉｔｅｍ 沟 Ｆｕｒｒｏｗ 垄 Ｒｉｄｇｅ
地表裂隙密度
Ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ｄｅｎｓｉｔｙ （ｃｍ２·ｍ－２）
３０９．９±８６．９∗∗ １９．１±１．２
土壤容重
Ｓｏｉｌ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ （ｇ·ｃｍ－３）
１．５３±０．０４∗ １．４５±０．０２
初始土壤质量含水量
Ｉｎｉｔｉａｌ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ （％）
５．６１±０．６６ ７．５５±０．８９∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗Ｐ＜０．０１． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
７５４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 闫加亮等： 绿洲农田土壤优先流特征及其对灌溉量的响应　 　 　 　 　 　
图 ３　 不同灌溉量条件下均匀染色深度（Ａ）和最大染色深度
（Ｂ）
Ｆｉｇ．３ 　 Ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ （ Ａ） ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ （ Ｂ） ｓｔａｉｎｅｄ ｄｅｐｔｈｓ
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔｓ．
图 ４　 沟与垄的染色路径数目
Ｆｉｇ．４　 Ｍｅａｎ ｓｔａｉｎｅｄ ｐａｔｈ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｆｕｒｒｏｗ ａｎｄ ｒｉｄｇｅ．
表 ３　 根系体积密度与染色面积的相关系数
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｏｔ ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｎ⁃
ｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｙｅ ｓｔａｉｎｅｄ ａｒｅａ
ＤＳＡ ＶＦＲ ＶＣＲ
ＶＦＲ ０．４８２∗
ＶＣＲ ０．４２２ ０．７７６∗∗
ＶＴＲ ０．４７７∗ ０．９３１∗∗ ０．９５２∗∗
ＤＳＡ： 染色面积 Ｄｙｅ ｓｔａｉｎｅｄ ａｒｅａ； ＶＦＲ： 细根体积密度 Ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｒｏｏｔｓ； ＶＣＲ： 粗根体积密度 Ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ
ｒｏｏｔｓ； ＶＴＲ： 根总体积密度 Ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｒｏｏｔｓ．
根（Φ≤２ ｍｍ）对优先流的产生有重要作用．
２􀆰 ４　 蚂蚁洞穴对优先流特征的影响
在 ３个灌溉量 ５５ ｍｍ的样方中，有一个样方出
现两个蚂蚁洞．有蚂蚁洞穴样方的染色剖面与无蚂
蚁洞样方的染色剖面存在明显差异（图５），蚂蚁洞
图 ５　 无蚂蚁洞穴（Ａ）和有蚂蚁洞穴（Ｂ）染色剖面特征
Ｆｉｇ．５　 Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔａｉｎｅｄ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗ
（Ａ） ａｎｄ ｗｉｔｈ ａｎｔ ｂｕｒｒｏｗ （Ｂ）．
穴对优先流的产生有重要影响．有蚂蚁洞穴样方的
染色剖面最大染色深度是（６８．３±７．６） ｃｍ，显著大于
无蚂蚁洞穴样方染色剖面的最大染色深度（２８．３±
４􀆰 １） ｃｍ．
３　 讨　 　 论
绿洲玉米农田不同灌溉量的优先流均呈现典型
的大孔隙流特征．前人研究在耕作层和犁底层交界
处经常形成横向流［１５，１８－１９］，但在本研究中并没发现
该现象，这可能主要是因为土壤质地和耕作方式存
在差异．随着灌溉量的增加，土壤水能以优先流的形
式穿过耕作层向犁底层深处渗透（图 ２）．虽然耕作
会破坏土壤结构以及大孔隙的连通性，但秋耕之后
经过 ６个月的歇地期，耕作层土壤亦形成具有一定
连通性的大孔隙结构，而连通性是优先流发生的必
要条件之一［２１］ ．
土壤动物能够通过疏松土壤增加土壤孔隙度，
其洞穴本身就是土壤大孔隙的重要来源，是影响优
先流特征的重要因素之一．Ｓｈｉｐｉｔａｌｏ 等［１５］研究发现，
蚯蚓洞穴不仅可以作为水流的快速通道，还可以和
裂隙发生连通，促使土壤溶质快速向土壤深层渗透．
Ｆａｎ等［１７］研究发现，免耕农田比耕作农田的蚯蚓多
度和生物量大，导致土壤大孔隙增多，所以免耕农田
灌溉入渗量是耕作农田的 １． ４ ～ ２． ０ 倍．灌溉量 ５５
ｍｍ的样方由于受到蚂蚁洞穴的影响，优先流最大
入渗深度可达（６８．３±７．６） ｃｍ，比灌溉量 １４５ ｍｍ 样
８５４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
方的最大入渗深度（５９．２±５．６） ｃｍ 大．在绿洲玉米
田，蚂蚁洞穴增加了优先流最大入渗深度的不确定
性．虽然试验的 １２ 个样方中，只有一个样方有蚂蚁
洞穴，但有研究发现该地区绿洲玉米田节肢动物和
线虫等土壤动物都有相当的多度和丰富度［２２－２４］ ．因
此，农田中灌溉量和土壤动物洞穴相互作用对优先
流发生及其最大入渗深度的影响可能比本试验结果
更明显．
由于覆膜等原因，沟与垄的地表裂隙、容重和初
始土壤含水量存在显著差异（表 ２），这些都直接或
间接的影响到优先流特征．虽然沟的地表裂隙密度
显著大于垄的，但在土壤深度（７．３ ～ １６．７） ｃｍ下，垄
的优先流染色路径数目显著大于沟的染色路径数
目，其他土壤深度的优先流染色路径数目差异不显
著．产生这种结果的原因可能是因为裂隙不仅在干
燥条件下张开的裂隙是优先流的主要通道［１５，１７－１８］，
而且在湿润条件下闭合的裂隙仍然对优先流有重要
贡献［１６，１８］ ．垄与沟优先流路径数目差异的主要原因
可能是因为垄比沟的土壤容重小，导致垄比沟有更
大的土壤孔隙度所引起的［１８－１９］ ．初始土壤含水量对
优先流最大染色深度影响的研究结果存在差异．
Ｂｏｇｎｅｒ等［２５］在森林的壤质土壤研究发现，初始土壤
含水量高比初始土壤含水量低的最大染色深度大；
而 Ｈａｒｄｉｅ 等［２０］在对比砂壤草地和农田的优先流特
征时发现相反的结果．受到裂隙、容重和初始土壤含
水量的综合影响，垄的最大染色深度比沟的大，但差
异不显著．
根系对优先流的产生与发展有重要作用．虽然，
根总体积密度与染色面积显著相关，但不是所有径
级的根系与染色面积均显著相关，只有细根的体积
密度与染色面积显著相关，粗根的体积密度与染色
面积相关性不显著（表 ３）．这说明，不是所有根系对
优先流有贡献，此结果与 Ｌａｎｇｅ等［２６］和 Ｃｈｅｎｇ等［１２］
研究乔木树根与优先流关系一致．对于死根而言，可
能是因为细根比粗根分解速率更快，更易产生大孔
隙为优先流提供通道［１２］；而对于活根，可能是根系
微生物排泄出能够诱发及保持优先流路径的斥水性
物质［２７］，已有研究发现优先流路径中的微生物碳氮
含量显著高于土壤基质［２８－２９］ ．
在该地区，农业生态系统土壤水分运动及其侧
渗过程一直是倍受关注的热点问题，而优先流现象
为这些问题的解决增加了难度和不确定性． Ｌｉｕ
等［３０］和赵丽雯等［３１］用不同的方法计算和评估了该
地区灌溉量和水量平衡，但他们的结果也存在差异．
除了方法上的不同外，没有考虑到优先流的影响可
能也是存在差异的原因之一．本研究定性分析了不
同因素对优先流的影响，为进一步揭示该地区水分
运动机理，在模型模拟过程中，应该考虑包括优先流
的土壤水运移模型，并根据各因素对优先流的影响
确定其在模型中的参数．
４　 结　 　 论
绿洲玉米农田优先流特征受到灌溉量、垄沟耕
作、蚂蚁洞穴和根系等因素的综合影响．优先流最大
入渗深度主要受蚂蚁洞和灌溉量的影响．平均灌溉
量 １２０ ｍｍ 优先流的最大入渗深度为（４３．１ ± ５．９）
ｃｍ，而灌溉量 ５５ ｍｍ 的样方由于受到蚂蚁洞的影
响，优先流最大入渗深度可达（６８．３±７．６） ｃｍ，因此，
灌溉量和蚂蚁洞对优先流的综合影响可能会增加以
优先流形式运移的土壤溶质污染地下水．由垄沟耕
作引起的耕作层土壤容重和土壤含水量以及土壤表
面裂隙密度的差异对耕作层的优先流特征有重要影
响．在土壤深度（７．３ ～ １６．７） ｃｍ 下，垄的染色路径数
目显著大于沟染色路径数目．根系对优先流的产生
与发展有重要作用，在绿洲玉米农田，仅细根与优先
流显著性相关，粗根与优先流相关性不显著，因此植
物根系中的细根（Φ≤２ ｍｍ）对优先流的产生有重
要的影响作用．
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作者简介　 闫加亮，男，１９８５年生，博士研究生． 主要从事绿
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责任编辑　 肖　 红
０６４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷