岩溶区粉垄耕作方式对甘蔗地优先流过程的影响研究

Preferential flow is a non-equilibrium flow which presents the rapid movement of water and solute transport in soil. It has become a significant soil water movement type in special geological conditions of Karst area. The change of land use type has a great influence on water and solute transport process, which can directly lead to the change of surface morphology and soil characteristics, and these directly affect the preferential flow. This study is conducted in smash-ridging type of sugarcane field of Karst area in Guangxi. Combined with experimental methods, such as the brilliant blue dyeing test, and simulating the soil column patterns of soil water flow infiltration, this study applies image analytics, structure-based forest management, computational fluid dynamics and grey relational analysis to investigate the preferential flow development and changes characteristics, the preferential paths spatial structure characteristics, the preferential flow process, the preferential flow degree in water infiltration, and the major factors that influence the preferential flow process of sugarcane field by smash-ridging type, respectively. This research is of great significance to systematically understand the characteristics and promote the development of the mechanism research of preferential flow movement. It also enriches the basic theories on soil water movement of Karst area. Meanwhile, the findings can provide important practical support for the optimization of smash-ridging technology as to increase the use efficiency of water and nutrient, which not only increase crop yield, but also improve the quality of agricultural products.

优先流是水分与溶质在土壤中快速运动的非平衡流，岩溶区特殊的岩性地质条件使其成为该区域土壤水分主要运动形式之一。土地利用方式对水分与溶质优先运移过程具有重要影响，其变化可直接导致地表形态和土壤结构的变化，从而影响到优先流。在岩溶地区，通过野外染色示踪试验和室内土柱入渗模拟实验相结合，利用图像解析、结构化森林经营理论、计算流体动力学和灰色系统理论等方法，分析粉垄耕作方式下甘蔗地内优先流在土壤中的发生、发展变化状况，揭示优先路径结构特征，并模拟分析优先流运动过程，量化其对入渗过程的影响，辨识粉垄耕作方式对优先流过程的影响因素，系统探究粉垄耕作方式对优先流过程的影响。本研究对系统认识优先流运动特性，推动优先流运动机理研究发展，丰富岩溶区土壤水分运动基础理论具有重要的意义，也对优化粉垄耕作技术，进一步提高作物田间水肥利用效率，增加作物产量和改善农产品质量具有重要的现实指导作用。

广西是我国甘蔗的主要种植地区之一，甘蔗种植业是当地重要的农业经济产业。近年来甘蔗种植过程中的水肥利用状况研究已成为甘蔗实现提质增收的重要内容。优先流作为土壤水分运动的一种主要形式，广泛发生在田间土壤中，在一定程度上影响田间的水肥利用状况。耕作方式的不同，直接影响田间优先流的发生与发展变化。本项目以粉垄耕作（SRT）与传统垄耕（CK）下的甘蔗地为研究对象，通过野外染色示踪试验与室内水流入渗模拟实验，结合形态学解析理论、结构化森林经营理论，以及计算流体力学理论和灰色系统理论，揭示了耕作方式对广西岩溶区甘蔗地土壤优先流发生变化及其运动过程的影响，探究了耕作方式影响下的甘蔗地优先流形成影响因素。研究结果表明：在相同外部供水条件下，粉垄耕作甘蔗地土壤水流染色形态分化程度（1.71）高于传统垄耕甘蔗地，水流染色范围也显著大于传统垄耕甘蔗地，水流湿润锋平均入渗深度是传统垄耕甘蔗地的1.33倍，可达土壤深度39.98 cm。粉垄耕作甘蔗地的优先流平均发生深度（4.66 cm）与传统垄耕甘蔗地虽无显著差异，但其优先流程度相对较高。同时，粉垄耕作甘蔗地优先路径较传统垄耕甘蔗地在土壤空间内呈现高聚集的分布状态，虽然其优先路径数量与发育程度均小于传统垄耕甘蔗地，但其优先路径的组成更复杂。粉垄耕作甘蔗地高联通、多弯曲的土壤孔隙结构导致优先流的运动与传统垄耕甘蔗地相比，呈现出非垂向的运动形式，其优先流的入渗量与运动速度均显著高于传统垄耕甘蔗地。耕作引起了田间土壤环境的改变，土壤容重是影响甘蔗地优先流形成的主要因素。粉垄耕作方式下的甘蔗地在优先流的影响下田间水流入渗范围与入渗量均相对较大，在一定程度上有利于甘蔗地土壤空间内水分的更新与蓄存。粉垄耕作方式对于增加甘蔗产量和改善甘蔗质量具有一定的指导意义，可为优化广西甘蔗种植方式提供一定的技术参考。