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基于计算流体力学分析的蔗田土壤优先流运动过程研究

  • 秦梓城1,2

    机 构：

    1. 桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004

    2. 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004

    ×
  • ， 陈晓冰1,2

    机 构：

    1. 桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004

    2. 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004

    ×
  • ， 刘思佳3,4

    机 构：

    3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004

    4. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004

    ×
  • ， 刘俊杰3,4

    机 构：

    3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004

    4. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004

    ×
  • ， 姜波3,4

    机 构：

    3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004

    4. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004

    ×
  • ， 吴晗3,4

    机 构：

    3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004

    4. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004

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1. 桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；
2. 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；
3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004；
4. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；

Research on soil preferential flow movement process of sugarcane field based on computational fluid mechanics analysis

  • QIN Zi-cheng1,2

    Affiliation：

    1. Guilin University of Technology，Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety in Karst Area，Guilin Guangxi 541004

    2. Guilin University of Technology，Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，Guilin Guangxi 541004

    ×
  • ， CHEN Xiao-bing1,2

    Affiliation：

    1. Guilin University of Technology，Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety in Karst Area，Guilin Guangxi 541004

    2. Guilin University of Technology，Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，Guilin Guangxi 541004

    ×
  • ， LIU Si-jia3,4

    Affiliation：

    3. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base，Guilin Guangxi 541004

    4. Guilin University of Technology，College of Environmental Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004

    ×
  • ， LIU Jun-jie3,4

    Affiliation：

    3. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base，Guilin Guangxi 541004

    4. Guilin University of Technology，College of Environmental Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004

    ×
  • ， JIANG Bo3,4

    Affiliation：

    3. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base，Guilin Guangxi 541004

    4. Guilin University of Technology，College of Environmental Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004

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  • ， WU Han3,4

    Affiliation：

    3. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base，Guilin Guangxi 541004

    4. Guilin University of Technology，College of Environmental Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004

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1. Guilin University of Technology，Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety in Karst Area，Guilin Guangxi 541004；
2. Guilin University of Technology，Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology，Guilin Guangxi 541004；
3. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base，Guilin Guangxi 541004；
4. Guilin University of Technology，College of Environmental Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004；

作者简介:

秦梓城(1996-),硕士研究生,主要从事土壤水分运动研究。E-mail:qinzicheng1006@163.com。

通讯作者:

陈晓冰,E-mail:jayvision_chen@126.com。

DOI:10.11838/sfsc.1673-6257.22021

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目录contents

    摘要

    田间土壤优先流会导致水肥的快速运动，影响作物的吸水需肥效率。为定量探究农田土壤优先流的运动过程，以广西典型农地蔗田为研究对象，将野外染色示踪试验与室内土柱入渗模拟实验相结合，利用形态学解析与计算流体力学的分析方法，对不同耕作方式下蔗田的土壤优先流运动过程进行仿真模拟与分析。结果表明：1） 免耕蔗田土壤垂直剖面染色形态较垄耕蔗田分化程度高，其湿润锋迹线波动幅度较大，水流入渗能力更强，优先流现象显著，且分布相对更广泛。2）在相同外部供水条件下，免耕蔗田土柱的初始出流时间（6 min 1 s）早于垄耕蔗田（8 min 20 s），其质量流率和优先流流速分别是垄耕蔗田的 1.09 和 1.36 倍（P<0.05）。3）相同时间内免耕蔗田表层（0 ～ 10 cm）的压力值较大，水流运动达到稳态时其均值为垄耕蔗田的 1.20 倍，免耕蔗田优先流以垂向运动为主并伴随侧向运动，而垄耕蔗田则呈现水流整体均匀向下入渗。

    Abstract

    Soil preferential flow will lead to the rapid movement of water and fertilizer in the field and affect the efficiency of water absorption and fertilizer demand of crops．Taking the typical sugarcane fields in Guangxi province as the research objects，the methods of the dye tracer technique and indoor soil column infiltration simulation experiment were combined， and the movement of soil preferential flow in sugarcane field under different tillage methods was simulated and analyzed by using morphological analysis and computational fluid dynamics analysis methods in order to quantitatively explore the movement process of soil preferential flow in farmland．The results showed that：1）The differentiation degree of the staining morphology of soil vertical profile in no tillage sugarcane field was higher than that in smash-ridging tillage sugarcane field， the motion morphology of wetting front fluctuated greatly，the water infiltration capacity was stronger，the phenomenon of preferential flow was significant，and the distribution was relatively wider．2）Under the same external water supply conditions，the initial outflow time of soil column in no tillage sugarcane field（6 min 1 s）was earlier than that in ridge tillage sugarcane field（8 min 20 s），and its mass flow rate and preferential flow rate were 1.09 and 1.36 times higher than those in smash-ridging tillage sugarcane field（P<0.05）．3）In the same time，the pressure value of the surface layer（0 ～ 10 cm）of no tillage sugarcane field was relatively large．When the water flow reached the steady state，its average value was 1.20 times that of smash-ridging tillage sugarcane field．The preferential flow of no tillage sugarcane field was mainly vertical movement and accompanied by lateral movement，while the smash-ridging tillage sugarcane field showed uniform downward infiltration of water as a whole.

  • 土壤环境的改变直接影响土壤空间内水流的运动。优先流是一种广泛发生在土壤中的水流运动形式，土壤中的养分会伴随着优先流的发生而快速运移至地下深层，缩短其在土壤中停留的时间，导致养分等溶质难以被土壤充分吸附和降解，影响作物水肥利用的同时，增大地下水受污染的风险[1-2]，对农业发展和生态环境均产生一定程度的影响。

  • 当前，国内外主要通过实验技术观测和理论分析 2 个方面对土壤优先流进行分析研究，其中染色示踪技术[3-4]、CT 扫描[5]、穿透曲线[6] 和雷达探测[7]等为主要的实验技术观测方法。而理论分析方法主要通过构建理论分析模型来进行优先流现象的辨识与预测，相比实验技术观测，数值模型计算分析在一定程度上可补充在实验观测中难以量化的优先流运动特征参数，这些参数是分析优先流运动变化特征及其对土壤水流运动过程影响的关键信息。通过构建双域渗透模型[8]，研究者对裂隙流湿润锋的推移过程进行了模拟，丰富了土壤裂隙优先流预测理论，为抑制农田水肥的流失提供了一定的理论依据。曾辉等[9]通过田间染色示踪与 WHCNS 模型模拟相结合，定量化模拟了硝态氮的淋洗量会在大孔隙的情况下明显增多，揭示出优先流对土壤中溶质和水分运移的影响。朱磊等[10]采用耦合基质区与裂隙网络的优先流模型得出增强灌溉或降雨强度有利于优先流的形成。目前，数值分析相关研究主要集中在分析优先流影响下的溶质运移，以及优先通道发育程度等方面。而对流量、流速、流向等可以反映水流运动过程中变化参数的研究少有报道。研究发现，计算流体力学理论的提出为分析各种工况下的水流运动特征提供了可能[11]，赵崤隆等[12]通过运用计算流体力学软件模拟了磷酸二氢钾溶液随土壤深度增加其扩散系数和渗透率的变化规律，其结果表明随土壤深度的增加扩散能力总体呈辐散性减弱，渗透率也逐渐降低。周建森等[13]通过对不同径级根茎下的植被进行数值模拟，得出随着植被粗度的增大，通道处的流速也会逐渐增大。因此，尝试通过运用计算流体力学理论分析方法，构建土壤多孔介质湍流模型可以获取水流在土壤入渗过程中的特征参数，在一定程度上可分析优先流在土壤中的运动过程，揭示优先流的运动特征。

  • 广西壮族自治区特有的水热环境，适宜于甘蔗的种植，也使其成为我国甘蔗的主要种植地区之一，甘蔗作为广西地区重要的经济作物，其生长过程需要消耗大量水分[14]，而水流运动形式，特别是优先流运动在一定程度上影响了土壤含水量[15]。因此，本研究选取广西典型农地甘蔗地为研究目标，将野外染色示踪试验与室内土柱入渗实验相结合，在水流染色图像分析的基础上，结合计算流体力学理论对蔗田的水流运动过程进行分析，揭示蔗田土壤优先流运动过程，为甘蔗种植过程中的蓄水保墒和提质增产提供数据支撑，同时也给农地土壤水流运动的研究提供一定的理论依据。

  • 1 材料和方法

  • 1.1 研究区概况

  • 研究区位于广西壮族自治区来宾市武宣县的甘蔗种植区内，地理位置为 23°45′N、109°37′E，属于亚热带季风气候区，年均气温为 20.4℃，年均降水量为 1165.4 mm，土壤类型主要为石灰土和红壤，土壤质地为粘壤土和粉粘壤土，试验时间为 2021 年 5～6 月。

  • 1.2 样地选取与处理

  • 在研究区内选择 2 块相邻且长和宽（36 m×30 m）均相等的蔗田作为研究样地，对 2 块样地分别进行垄耕（RD）和免耕（NT）处理，其中垄耕处理即为对土壤进行翻耕处理后起垄进行甘蔗种植，垄间距为 100 cm，而免耕处理即为对样地不进行翻耕处理。

  • 1.3 研究方法

  • 1.3.1 样地布设

  • 在 2 种蔗田种植带行间分别选择 3 个较平整的区域作为染色示踪试验观测点。首先将观测点内土壤表面的枯落物等清理干净，然后把长 60 cm、宽 60 cm 和高 30 cm 的金属样方沿种植带方向缓慢砸入观测点土壤内，砸入深度为 15 cm。再使用塑料薄膜对样方进行 24 h 覆盖处理，以保证在进行染色示踪试验前观测点土壤的含水量相近，减少样地因前期含水量不同而产生的影响。

  • 1.3.2 染色示踪试验

  • 24 h 后缓慢移除金属样方上的塑料薄膜，采用积水入渗的方式，使用带有稳定恒流泵的喷头以 150 mL/min 的速度将 9.5 L（当地 24 h 降雨量累计为 25 mm 的降雨标准）浓度为 4 g/L 的亮蓝染色溶液均匀地喷洒在样方土壤表面。待染色溶液喷洒完毕后，再将塑料薄膜覆盖在样方上。覆盖 24 h 后将塑料薄膜和样方分别移除，选取样方中间 50 cm× 50 cm 的区域为土壤染色剖面挖掘区，以水平宽度 10 cm 为一层来对土壤垂直染色剖面进行挖掘，垂直方向挖至土壤最大染色深度处。挖掘过程中将土壤剖面清理平整，并使用高像素单反相机（Canon EOS50D）对土壤垂直染色剖面进行拍摄，总计获得 30 张垂直染色剖面图像，土壤剖面挖掘过程见图1。

  • 图1 土壤染色剖面示意图

  • 1.3.3 染色图像处理

  • 使用 WEGO 对土壤垂直染色图像进行校正处理，再通过 Photoshop CS 6.0 对校正过的图像进行裁剪处理、颜色替换、降噪和灰度调节处理，并按研究需要将图片处理为 500 pixels×500 pixels（0.1 cm=1 pixels）的黑白图像，再对黑白图像使用 Image pro Plus 6.0 进行分割和二值化处理，得到二值（黑色 0 和白色 255）数据矩阵，用于土壤垂直染色剖面的形态分析。

  • 1.3.4 土柱入渗试验

  • 在距离每个染色示踪试验观测点水平 10～20 cm 处，选择 1 块区域使用直径 10 cm 的聚氯乙烯塑料管制取原状土柱，土壤深度为 50 cm，运回实验室进行原状土柱入渗试验。入渗过程中土柱上端保持 5 cm 水头，当土柱下端开始出流后，以 5 min为时间间隔收集出流液体并测量记录其体积。

  • 1.3.5 土柱入渗仿真模拟

  • 结合土柱入渗试验，利用计算流体力学理论中的有限体积法对土柱进行水流入渗仿真模拟。首先需要建立直径 10 cm、高度 50 cm 的圆柱体模型，其次对模型进行网格划分、出入口、边界条件、控制方程、初始条件和流体属性参数等条件设定，最后设置监控变量进行数值模拟，分析水流的运动过程。

  • 1.4 数据处理

  • 1.4.1 染色分析

  • 1.4.1.1 染色面积比

  • 染色面积比是指土壤剖面染色部分面积占该剖面总面积的百分比[16]，反映土壤中水流运动范围的大小，本文染色部分为图像处理后的黑色像素面积，计算公式如下：

  • DC=DD+ND×100%
    (1)

  • 式中：DC 为土壤剖面染色面积比（%）；D 为黑色像素点总面积（cm2）；ND 为白色像素点总面积 （cm2）。

  • 1.4.1.2 基质流深度

  • 基质流深度[17]是指土壤中水分以基质流形式入渗的垂直深度，本文将染色面积比≥80% 的土层深度定义为基质流深度（cm），其值的大小可以反映出优先流发生的快慢。

  • 1.4.1.3 优先流比

  • 优先流比[17]是指土壤染色剖面中，优先流区域的面积占总染色面积的比值，计算公式如下：

  • PF-fr=1-UniFr⋅W TotstAr ×100%
    (2)

  • 式中：PF-fr 为土壤优先流比（%）；UniFr 为基质流深度（cm）；W 为土壤剖面染色宽度（cm）；TotstAr 为土壤剖面总染色面积（cm2 ）。

  • 1.4.2 土柱入渗分析

  • 1.4.2.1 质量流率

  • 质量流率是指单位时间内通过土柱截面的流体质量。

  • q=mt
    (3)

  • 式中：q 为质量流率（kg/s）；m 为流体质量（kg）；t 为时间（s）。

  • 1.4.2.2 土柱入渗仿真模拟

  • 根据具体的情况采用合理的假设和简化，建立流体力学模型，设定计算域的初始条件、边界条件、控制方程等。

  • 连续性计算方程如下：

  • ∂ρ+∂∂xiρui=0
    (4)

  • 式中：ρ 为流体的密度（kg/m3）；μi 为 i 方向的流体速度分量。

  • 动量守恒计算方程如下：

  • ∂∂tρui+∂∂xjρuiuj=-∂p∂xi+∂τij∂j+ρgi+Fi
    (5)

  • 式中：p 为静压力（Pa）；τij 为应力矢量；ρgi 为 i方向的重力分量；Fi 为由阻力和能源而引起的其他能源项。

  • 能量守恒计算方程如下：

  • ∂∂t(ρh)+∂∂xjρuih=∂∂xik+kt∂T∂xi+Sh
    (6)

  • 式中：h 为熵；k 为分子传导率；kt 为由于湍流传递而引起的传导率；Sh 为定义的体积源。

  • 1.5 数据分析

  • 本研究使用 WEGO、Photoshop CS 6.0 和 Image Pro Plus 6.0 等对染色图进行处理，使用 Excel2019 对数据进行整理分析；利用 SPSS 21.0 对不同耕作方式处理下的染色特征参数进行独立样本 T 检验差异显著性分析、单因素方差分析以及相关性分析，并采用统计学中的均方根误差和独立样本 T 检验对模拟值和实测值的精度进行验证，差异显著性评价水平为 P<0.05；使用 Fluent 2021 R1 对土柱入渗进行仿真模拟；使用 AutoCAD 2016 和 Origin 2021 分别对染色剖面挖掘过程和数据分析结果进行制图。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同耕作方式下蔗田土壤优先流分布

  • 由于 2 种耕作方式下的蔗田染色图像数量较多 （总计 30 张），且同一耕作方式下的土壤染色形态具有相似性，故对 2 种耕作方式下的蔗田仅分别选取 1 张代表性的垂直染色图像进行染色水流运动分布特征分析。

  • 垂直染色图像可以直观地显示土壤优先流运动的分布情况。如图2 所示，垄耕蔗田垂直剖面的染色形态分化程度显著小于免耕蔗田，其表现为垄耕蔗田在 0～5 cm 土壤深度范围内土壤染色呈均匀入渗形式，水流以整体形式运动（染色面积比≥ 80%）为主，在 5～25 cm 土壤深度范围内，出现团块状染色形态，表明在此深度范围内，水流在向下均匀入渗的同时伴随侧向流动。在 25～40 cm 土壤深度范围内，染色形态分化出少量指状染色形态且最大染色深度达 37 cm。免耕蔗田染色水流在 0～3 cm 深度范围内表现为整体均匀入渗形式，在 3～50 cm 土壤深度范围内出现了明显的染色形态分化现象，呈现出较多深染色、高联通的指状染色形态，随着土壤深度的增加，指状染色形态持续向下延伸贯穿整个土壤剖面，在 3～20 cm 土壤深度范围内染色形态呈现团块状与指状染色形态共存的现象。说明垄耕蔗田整体以基质流形式均匀入渗，优先路径数量较少，优先流现象不显著，而免耕蔗田染色分化现象相对明显，且伴随侧向流动，水流入渗能力较强，由此也可以看出耕作方式在一定程度上改变了土壤结构。

  • 图2 不同耕作方式蔗田土壤垂直染色形态图像

  • 水流运动的分化程度可通过湿润锋迹线来进一步分析，不同耕作方式蔗田土壤水流运动形成的湿润锋迹线如图3 所示。垄耕与免耕蔗田的土壤水流运动湿润锋迹线差异显著（P<0.05），垄耕蔗田平均湿润锋深度达 31.70 cm，最大值为 36.39 cm，最小值为 26.08 cm，在土壤水平宽度 0～20 cm 范围内整体波动过程较小，水流入渗过程相对平缓，但在 20～50 cm 土壤水平宽度范围内，湿润锋迹线波动幅度相对较大，表明水分整体入渗时，有优先流现象的发生，但其分布数量相对较少。免耕蔗田的湿润锋迹线主要在土壤深度为 29～43 cm 的范围内显著波动（P<0.05），斜率（0.0168）为垄耕蔗田的 12.92 倍（P<0.05），说明免耕蔗田土壤水流以非均匀运动形式为主，水流快速向下运动的程度较高，呈较多优先流现象发生。免耕蔗田平均湿润锋深度是垄耕蔗田（31.7 cm）的 1.17 倍，且平均染色面积比与垄耕蔗田差异显著（P<0.05），是其 1.2 倍。垄耕蔗田的总染色面积比小于免耕蔗田，但其基质流深度大于免耕蔗田，说明在相同供水条件下，免耕蔗田水流入渗的能力更强，优先流分布范围更大，优先水流现象更显著。

  • 图3 不同耕作方式蔗田土壤水流运动湿润锋迹线

  • 注：图中数值均为平均值，n=5。

  • 2.2 不同耕作方式下蔗田土壤优先流速度

  • 图4 为不同耕作方式下土柱入渗试验所得到的质量流率随时间变化的曲线。不同耕作方式蔗田的平均质量流率在初始阶段均呈现上升的趋势，随水流入渗时间的增加，平均质量流率逐渐下降并达到相对稳定的状态。垄耕蔗田土柱在 8 min 20 s 时开始出流，其初始出流时间滞后免耕蔗田 2 min 19 s，说明垄耕蔗田优先流现象发生的时间晚于免耕蔗田。在相同外部供水条件下，水分在入渗的过程中，垄耕蔗田的质量流率曲线在 18 min 时达到最大，随入渗时间的变化曲线无明显波动，而免耕蔗田的质量流率曲线分别在 26 和 56 min 时出现峰值，并在相对稳定后仍有一些较小的波动发生，垄耕蔗田质量流率达到最大值的时间要较免耕蔗田早 8 min，且稳定后的平均质量流率为 0.289 g/s，是免耕蔗田平均质量流率（0.314 g/s）的 0.92 倍（P<0.05）。说明免耕蔗田的水流先流至出口处，且在相同的时间内其出流量大于垄耕蔗田，平均出流速度较快且变化幅度相对剧烈，水流在入渗过程中较活跃，而垄耕蔗田水流入渗速度相对较慢且水流入渗运动相对稳定。

  • 图4 不同耕作方式蔗田土柱质量流率随时间的变化

  • 注：图中数值均为平均值，n=3。

  • 为表明土柱仿真模拟能真实有效地反映土柱水流入渗情况，将土柱仿真模拟得到土柱下端出流的质量流率与土柱实测质量流率值进行对比分析。通过计算可知垄耕蔗田和免耕蔗田质量流率的均方根误差分别为 0.031 和 0.028 g/s，其均方根误差值均较小，说明模拟值与实测值之间无明显差异。同时由独立样本 T 检验，垄耕蔗田与免耕蔗田的显著性概率分别为 0.318 和 0.547，均大于 0.05，实测值与模拟值之间无显著差异（P>0.05），由此说明土柱的仿真模拟能有效地反映土柱水流的实际运动情况。

  • 为了进一步定量分析土柱内部水流运动的变化情况，揭示 2 种耕作方式下的优先流运动过程，对垄耕蔗田和免耕蔗田的土柱进行水流入渗仿真模拟，以 10 cm 深度为一层，总计获取 5 层的水流速度变化数据，结果如图5 所示。在垄耕蔗田 0～10 cm 土壤深度范围内，水流在 6 min 时开始发生变化，在 60 s 后达到峰值（2.55×10-8 m/s），随着水流入渗时间的增加，各层的流速均呈现先增大后逐渐减小达到稳定的变化趋势，其主要表现为水流先以优先流的形式运动，达到峰值时表现为优先孔道被水流填满，此时优先流运动程度最高，随后开始向周围进行扩散，运动速度逐渐减小至达到稳定。在 10～20、20～30、30～40 和 40～50 cm 土壤深度范围内时，流速从开始变化至峰值所用时间和峰值分别为 70（1 s .75×10-8 m/s）、102 s （1.49×10-8 m/s）、90 s（1.16×10-8 m/s） 和156 s （1.09×10-8 m/s）（P<0.05），在 0～50 cm 土壤深度范围内各层速度上升变化时间和峰值速度的均值分别为 95.6 s 和 8.04×10-8 m/s，土柱水流流速在 52 min 时达到稳定，其稳定后平均流速为 1.09× 10 -8 m/s。免耕蔗田在 0～10 cm 土壤深度范围内水流在 4 min 时开始发生变化，经过 32 s，其流速达到峰值（4.57×10-8 m/s），其值为垄耕蔗田的 1.74 倍，且其余各层时间变化至峰值所用时间与数值分别为 51 s（1.82×10-8 m/s）、90 s（1.62×10-8 m/s）、 116 s（1.53×10-8 m/s）和 120 s（1.38×10-8 m/s） （P<0.05），在 0～50 cm 土壤深度范围内平均速度上升变化时间（81.8 s）和平均峰值流速（1.09× 10-7 m/s）分别为垄耕蔗田的 0.85 倍（P<0.05）和 1.36 倍（P<0.05），且最终土柱在 44 min 时达到稳定，稳定后的平均流速（1.38×10-8 m/s）为垄耕蔗田（1.09×10-8 m/s）的 1.27 倍。说明在同种水流入渗条件下，免耕蔗田土壤空间内优先流现象发生较早，且优先流速较大，水流运动变化较强烈，土壤优先流发育程度更高。

  • 图5 不同耕作方式蔗田各层流速随时间的变化

  • 注：图中 Vy1、Vy2、Vy3、Vy4、Vy5 分别表示水流在 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm 土壤深度时的平均速度，n=3。

  • 2.3 不同耕作方式下蔗田土壤优先流方向

  • 水流的入渗运动是一个随时间不断变化的过程，水流压力的增大伴随含水量也逐渐增大[18]。因此，通过压力值的变化在一定程度上可以反映土壤内水流运动方向的变化情况。通过对土柱入渗进行模拟，可得到垄耕和免耕蔗田土柱由初始状态逐渐到达稳定状态时各层水压力变化的矢量图，如图6 所示，分别选取水流入渗的 10、30 和 50 min 这 3 个时刻来进行压力矢量图的分析，其分别对应的是水流入渗的初始、中间和稳定阶段。在土柱入渗的初始阶段，免耕蔗田的水压力变化范围和水压力值均大于垄耕蔗田，垄耕蔗田水流运动相对滞后。在土柱入渗的中间阶段，垄耕和免耕蔗田的土柱表层均已趋近于压力水头，达到饱和状态，免耕蔗田在土壤 17 cm 深度以下的水压力值逐渐小于垄耕蔗田，说明免耕蔗田的含水量快速减小，优先流现象较显著。随着水流的持续入渗，土柱逐渐达到稳定出流阶段，由 50 min 时的压力矢量图可以看出，垄耕蔗田在 35 cm 以上的水压力值变化幅度较小，而免耕蔗田各层的水压力值变化相对显著，说明垄耕蔗田水流以整体向下入渗为主，免耕蔗田则以优先流的形式快速流动。土柱出口处为自由出流，故垄耕与免耕蔗田在接近出口处的压力值均呈现快速骤减的现象。

  • 图6 不同耕作方式蔗田土柱入渗模拟水压力矢量图

  • 注：n=3。

  • 对土柱各层水压力值的变化进行具体分析，可进一步地表征出水流运动方向的变化，图7 为不同耕作方式下蔗田土柱水流入渗的压力值曲线。由图可知，各层的水流压力值不断变化，在土壤 0～10、10～20、20～30、30～40 和 40～50 cm 深度范围时，垄耕蔗田的压力均值分别逐渐增大至 524、539、562、390 和 92 Pa，免耕蔗田的压力均值在各层稳定后的大小分别为 628、551、 311、284 和 150 Pa，可以看出入渗稳定后在土壤 0～10 和 10～20 cm 深度范围内免耕蔗田的压力均值分别为垄耕蔗田的 1.20 和 1.02 倍（P<0.05）。在 20～30 和 30～40 cm 土壤深度范围内，免耕蔗田的压力均值分别为垄耕蔗田的 0.55 和 0.73 倍（P<0.05）。在土柱入渗达到稳态后，垄耕蔗田 0～30 cm 深度范围内的水压力值均接近于压力水头，水压力值较稳定。由此说明，水流运动主要呈现整体向下入渗，在 20～30 cm 深度范围内的水压力值最大，含水量最高，水流在整体下渗的同时水量在此聚集并发生侧向运移，垄耕蔗田的优先流现象不显著，土壤持水性较好。而免耕蔗田水压力值变化幅度较明显，优先流发育程度高，在 0～20 cm 土壤深度范围内含水量较多，说明在此深度范围内优先路径集中，水流运动以优先流形式为主的同时，水流的侧向运动较剧烈，在 20～40 cm 土壤深度范围内含水量骤减，水流不过多地在孔隙通道中停留，快速运移至深处，水流运动以垂向为主，其结果与野外染色示踪试验染色剖面分析结果的变化趋势相一致。

  • 图7 不同耕作方式下的蔗田土柱水压力模拟曲线

  • 注：图中 P1、P2、P3、P4、P5 分别表示土壤在 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm 深度时的平均水压力，n=3。

  • 3 讨论

  • 耕作方式通过改变田间土壤结构，影响土壤水流的运动，对作物的生长发育产生影响[19]。本研究通过分析土壤剖面的染色数据，垄耕蔗田的基质流深度为免耕蔗田的 1.18 倍（P<0.05），其优先流现象发生相对滞后[17]。免耕蔗田的染色面积比和优先流比分别为垄耕蔗田的 1.25 和 1.22 倍，均呈显著差异（P<0.05），染色面积比越大，优先流现象越显著[16]。免耕蔗田垂直染色剖面水流分化呈显著的指状形态，且水流贯穿整个剖面，而垄耕蔗田染色形态整体分布均匀且最大深度为 35 cm。农地翻耕会改变土层结构，使其耕作层较为疏松，相对免耕对土壤扰动情况较大[20-22]。土壤的大孔隙度越高，孔隙结构连通性越好，优先流极易发生，且加速水流湿润锋的迁移[22-23]，本研究得出免耕蔗田湿润锋迹线的平均深度为垄耕蔗田的 1.17 倍 （P<0.05），免耕蔗田优先流分布范围更广。

  • 通过土柱入渗试验结合计算流体力学对优先流运动速度的变化进行分析，得出垄耕蔗田的平均质量流率是免耕蔗田的 0.92 倍（P<0.05），且出流时间相对滞后。研究发现，耕作处理下平均土壤含水率显著高于免耕农地[15]。在相同外部供水条件下，同一时间内水流入渗量免耕蔗田较大，说明其田间持水性相对较弱，优先流程度相对较高。2 种蔗田的水流入渗速度变化曲线均呈现先增大后减小再趋于稳定的变化趋势，且免耕蔗田变化更显著。有研究表明，在非饱和裂隙土中，水沿裂隙优先流动，并不断从裂隙吸入基质中，基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展[24]。非饱和入渗是引起土壤基质吸力的主要动力，随时间变化，土壤内部基质吸力逐渐递减[25]。本研究结果显示，免耕蔗田初始出流的时间较早，且各层水流流速增至最大时所用的时间均值为垄耕蔗田的 0.85 倍（P<0.05），平均流速为其的 1.27 倍。张文杰等[26]通过对优先流条件下重金属迁移的试验，发现在优先流条件下的土柱达到全浓度出流的时间更短。吴庆华等[27]通过降雨强度对优先流特征的影响及其数值模拟，得出了优先通道较发育的土柱下端初始出流时间也相对较短。免耕蔗田优先通道较发育，优先流速率较大，水流沿孔隙快速下渗，在土壤中停留的时间较短，土壤保水能力较差。

  • 土柱水流入渗压力的变化可以在一定程度上反映出水流运动的方向与含水量的多少，研究者[18]发现累计入渗量随着压力水头的增大而增大，压力越大，水含量越多。结合染色图像可以看出，土柱达到稳态时，免耕蔗田在 0～20 cm 土壤深度范围内其染色较深，含水量较大，发生了水量堆积，导致其水压力值较大，表现为免耕蔗田水流在此深度以优先流快速运动的同时伴随发生侧向流动。随土壤深度的增加，土壤含水量减少，免耕条件下优先流发育程度更高，土壤的持水能力相对较弱[28]。而垄耕蔗田的耕作层与犁底层均增加了其土壤的持水能力，对水分具有减渗的作用[29]，水流整体入渗更加均匀，进一步表明耕作方式影响田间保水保肥。

  • 本研究通过应用计算流体力学中的有限体积法定量分析了土壤优先流运动过程，模拟计算结果和实测数据较吻合，表明运用多相流多孔介质模型在一定程度上可以用于模拟分析土壤优先流的运动过程，与定性分析相比，可直接准确地反映运动过程中水流速度与压力的变化情况。但本研究仅针对原状土柱进行了模拟，由于水流运动的尺度效应，今后需在不同尺度下的土壤空间内开展水流入渗模拟研究，完善土壤水流入渗运动分析理论，为田间作物的增产提供科学支撑。

  • 4 结论

  • 免耕蔗田基质流深度和染色面积比分别是垄耕处理下甘蔗地的 0.84 和 1.2 倍，且平均湿润锋迹线也较垄耕蔗田深。免耕蔗田水流入渗的能力更强，范围更大，优先流现象更显著。

  • 在相同水流入渗条件下，免耕蔗田土柱较垄耕蔗田土柱质量流率大，初始出流时间短，且优先流速度是其 1.36 倍。免耕蔗田优先流现象发生较早，流速较大，土壤优先流发育程度高。

  • 垄耕蔗田水流整体呈均匀向下入渗的形式，而免耕蔗田土壤优先流运动以垂向为主并在表层范围内有侧向运动发生。

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  • 基本信息

    DOI: 10.11838/sfsc.1673-6257.22021

    基金信息

    国家自然科学基金项目(41701248)；
    广西自然科学基金项目(2017GXNSFBA198102)；
    桂林理工大学博士科研启动基金项目(GUTQDJJ2017001)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2022-01-13
    录用日期: 2022-03-18

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