荒漠绿洲土壤优先流特征及其对入渗过程的影响

Preferential flow, which moves along continuous cracks, root holes, and macropores through an unsaturated soil profile, plays a significant role in the oasis region with the surface water and groundwater frequent transition. However, the corresponding research on preferential flow in oasis soils is still unclear. In this study, soil preferential flow as a subject was investigated in different landscapes, which occurs in the typical desert-oasis region of the Hexi corridor. By means of dye tracing in-situ field, soil column experiment, model simulation, image interpretation and numerical calculation, we address the three key questions: (1) preferential flow characteristics and its spatial heterogeneity in different landscapes; (2) the dynamical characteristics of preferential flow in different landscapes; (3) the response of preferential flow to the influence factors. The aims of this study are to quantitatively determine the ratios of preferential flow to piston flow in different landscapes, and to explore the influence mechanism of preferential flow on soil water infiltration in oasis field. The findings may promote the study of preferential flow theory in desert-oasis ecosystem, and improve the understanding of the surface water and groundwater transition mechanism in oasis region.

优先流是土壤水分沿裂隙、根孔等大孔隙流动的水流形式，对地表水与地下水转换频繁的绿洲灌区具有重要作用，但目前关于绿洲区土壤优先流的认识并不清楚。本项目选择河西走廊典型荒漠绿洲区，以不同景观类型中土壤优先流为研究对象，采用野外原位染色示踪、室内土柱试验和模型模拟相结合的方法，通过图像解译分析与数值计算，研究：(1)主要景观类型土壤优先流特征及其空间异质性；(2)主要景观类型土壤优先流动态特征；(3)绿洲农田土壤优先流发生的影响因素；以期量化荒漠绿洲主要景观类型土壤剖面优先流和活塞流的比例，揭示优先流对绿洲农田土壤入渗过程的影响机理。研究结果将拓展非均匀性流土壤水分运动理论在荒漠绿洲生态系统中的应用，对提高认识绿洲区地表水与地下水转换规律具有重要现实意义。

优先流是土壤水分沿裂隙、根孔等大孔隙流动的水流形式，对地表水与地下水转换频繁的绿洲灌区具有重要作用，但目前关于绿洲区土壤优先流的认识并不清楚。本项目选择河西走廊典型荒漠绿洲区，以荒漠绿洲土壤优先流为研究对象，采用野外原位染色示踪、CT扫描技术和盘式入渗仪相结合的方法，研究土壤大孔隙及优先流特征绿洲空间尺度异质性规律，量化优先流对荒漠绿洲土壤入渗的贡献比例，揭示优先流对绿洲土壤入渗过程的影响机理。结果表明：老绿洲农田（50年）较外围沙地粘粉粒含量增加了4.3倍，有机质和总氮增加了7.3和6.7倍，容重降低了8.8%；干团聚体重量直径增大，绿洲农田土壤的结构稳定性增强。老绿洲农田大孔隙三维立体结构最为复杂，绿洲农田土壤大孔隙主要集中在0-20 cm耕作层，主要是作物根孔和团聚体孔隙作用形成的，外围沙地大孔隙少且不连续。土壤大孔隙度：老绿洲农田(1.70%) > 新绿洲农田(0.73%) > 外围沙地 (0.09%)，绿洲农田土壤大孔隙度是外围沙地的8.7-18.9倍。老绿洲农田（50年）、新绿洲农田（20年）和外围沙地优先流特征差异显著，优先流的程度为：老绿洲农田>新绿洲农田>外围沙地，老绿洲农田和新绿洲农田入渗的大孔隙流现象明显，而外围沙地入渗过程以漏斗流为主。土壤粘粉粒含量和有机碳是影响荒漠绿洲土壤优先流重要因素，大孔隙是影响土壤优先流程度的最直接因素。新开垦农田、30年农田、30年草地和30年防护林地大孔隙（>1 mm）对水分入渗的贡献率分别为35%、47%、63%和76%，单位面积有效大孔隙数量及大孔隙度（>1 mm）由大到小顺序为：防护林地>草地>30年农田≈新开垦农田，这主要与地表植被状况和土壤中根系有关。研究结果拓展了非均匀性流土壤水分运动理论在荒漠绿洲生态系统中的应用，提升了绿洲区地表水与地下水转换规律的新认识。