紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量评价

王红兰，蒋舜媛，崔俊芳，唐翔宇



紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量评价

王红兰1,2，蒋舜媛2，崔俊芳1※，唐翔宇1

（1. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2. 四川省中医药科学院，成都 610041）

为阐明大孔隙丰富且孔径呈两极分化的紫色土坡耕地土壤大孔隙流的运移规律，通过室内土柱试验获取耕作层0～20 cm、非耕作层20～40 cm原状土柱和填装土柱的穿透曲线，分析饱和条件下土壤大孔隙流发生规律，并采用解析法CXTFIT软件拟合了水分优先运移参数，PFSP指标（大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值）定量评价土壤大孔隙流的贡献率。研究结果表明：1）以填装土柱水流为平衡基质流计算，耕作层0～20 cm原状土柱中大孔隙流的导水贡献率为66.2%～68.5%，而Br-累积淋出量占总淋出量的62.3%～66.1%。对于非耕作层20～40 cm，土壤大孔隙流导水贡献率为0.2%～1.7%，而Br-随大孔隙流运移的比例却达14.5%～20.5%。说明耕作层土壤中大孔隙流现象远比在非耕作层土壤中更为显著；2）PFSP值结果表明大孔隙流作用对穿透曲线延展量的贡献率最大，两区交换运移作用次之，水动力弥散作用的最小。即PFSP值越大，大孔隙流对总水流通量的贡献率越大。

土壤; 径流; 坡地；大孔隙流；土柱试验；Br-示踪

0 引 言

土壤大孔隙流（Macropore flow）是优先流（Preferential flow）的一种，是指土壤水分和溶质（养分、盐分、胶体及污染物等）沿大孔隙、狭长裂隙及蚯蚓孔洞等优先通道，绕过结构紧实、透水性差的土壤基质快速运移至土壤深部或地下水中[1-2]。由于大孔隙的存在，一方面，土壤水分和养分不能被作物有效利用，增大了农业灌水和施肥的渗漏损失，造成资源浪费，增加农业投入[3]；另一方面，进入土体污染物通过大孔隙流进入地下水，引起水体污染和环境安全问题[4]。因此，大孔隙流不仅是水文水资源领域[5]，而且是环境[6]、农业[7]、工程地质[8]等领域关注的热点问题之一。目前，对优先流的研究主要集中于大孔隙流路径观测技术[9-10]、发生影响因素[11-12]、大孔隙流模拟[13-14]等方面。

水分穿透曲线法是室内模拟土壤大孔隙流最为常用的方法。该方法通过在水中加入土壤吸附性较弱的离子（如溴离子、氯离子、碘离子、硝酸根离子等）、同位素或染料作为标记物，采用模拟人工降雨的方式进行室内土柱水分穿透曲线试验，测定出流量和标记物的出流浓度，获取标记物的穿透曲线，从而划分土壤大孔隙优先水流。Paseka等[15]通过观测不同示踪剂施加方式下原状土穿透曲线的变化规律，比较了观测资料与传统的溶质运移数值模拟结果的差异。Pot等[16]基于不同降雨强度下2种农药在原状草甸土柱中的穿透曲线，研究了降雨强度对溶质优先迁移的影响，进一步揭示2种农药在土壤中运移的差异。郭会荣等[17]的研究结果表明土壤溶质优先运移具有快速穿透，穿透曲线不对称和拖尾等特点。孙龙等[18]将染色法、穿透曲线法和Poiseulle方程相结合，研究了不同柑橘地土壤大孔隙空间分布特征，发现土壤大孔隙率与稳定出流速率呈极显著正相关关系。

目前，有关紫色土壤大孔隙流的研究主要集中于三峡库区紫色土砂岩区域[19-20]，对农田土壤的相关研究报道却很少。因此，本研究以川中丘陵区坡耕地土壤为研究对象，通过室内原状土（含大孔隙）和填装土土柱试验，获取示踪剂Br-离子的穿透曲线，阐明饱和条件下水分优先迁移的变化规律，揭示翻耕后大孔隙的变化对土壤大孔隙流的影响。该研究结果对紫色土丘陵山区的农业灌水、施肥的高效利用以及污染物的优先迁移通道研究具有重要指导意义。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡（105°27′E，31°16′N），海拔400～600 m，属中丘-深丘地貌，林地植被为桤柏混交林和散生乔木为主，农作物以玉米、小麦、油菜和水稻为主。土壤以石灰性紫色土和水稻土为主，中亚热带气候，年均气温17.3 ℃，年均降雨量826 mm[21]。

1.2 试验土柱

在试验区内选取一块典型坡耕地，于2015年4月30日（翻耕前）和5月6日（翻耕后，旋耕机翻耕，深度约15～20 cm）采集耕作层0～20 cm和非耕作层20～40 cm的原状土柱。具体操作步骤为：将不锈钢圆环（直径15 cm，高20 cm）轻轻打入土壤中，把圆环四周的土壤全部挖出（图1），随后用铁铲将土柱从根部铲断削平，使用滤纸垫好并用纱布包裹土柱尤其是土柱两端，防止土粒脱落，然后带回实验室进行试验。为避免室内降雨实验过程中人为失误导致土柱的不可利用，每个土层重复2次。

在原状土柱采样点附近分2层（0～20和20～40 cm）取适量分散土，待土壤自然风干，除去各种杂质（根系、石砾等）后过筛2 mm，按田间容重分层（2 cm/层）将土壤均匀装入相同尺寸的不锈钢圆环中，总厚度为20 cm。为了避免出现人为的土层界面，每次倒入土样前先把上次压过的土面抓毛。

图1　田间采样图

土壤基本理化性质如表1所示。耕作层0～20和非耕作层20～40 cm土层的土壤基本理化性质如表1所示。由表1可知，土壤pH值介于7.18～8.03，且碳酸钙质量分数介于182.52～192.41 g/kg，为石灰性紫色土。土壤有机质质量分数随着土层深度的增加减小，表层质量分数高达11.04g/kg，而非耕作层20～40 cm的有机质质量分数仅为3.78 g/kg。从土壤粒级的含量来看，各层土壤的砂粒质量分数最大，均在46%以上，粉粒在40.76%～41.65%之间，黏粒百分含量相对较少，其值均低于10%。

表1 土壤基本理化性质

1.3 降雨入渗模拟试验

采用蠕动泵结合降雨器给土柱进行人工降雨（降雨水源为自来水经RO反渗透法获取的去离子水），用50 mL玻璃管收集底孔出流的水溶液，用秒表记录时间。降雨器上面安装20个直径0.5 mm，呈圆状均匀分布的注射针头，从针头处出流水滴的直径约为2 mm，针头的出流点距土柱内土壤表面10 cm。通过调节蠕动泵的参数设定降雨强度，保证每次土柱试验的降雨量均相等。

人工降雨前对每个土柱用去离子水进行饱和，饱和后用2 L去离子水进行淋溶，以使土柱达到物理与化学平衡，淋溶结束后马上进行降雨试验。采用蠕动泵结合降雨器将100 mg/L KBr溶液施加到土壤表面，并同步打开秒表记录时间。随后在土柱表面进行人工降雨，雨强根据土柱的饱和导水率来确定，降雨持续24 h以上，保证所有的Br-均随水流流出土柱。试验过程中通过调节蠕动泵的参数来控制雨强，尽量保证降雨的均匀性，并保证同一土层深度土柱的降雨总量和时间基本相等。

降雨时，用自动采样收集器收集底孔出流水样，根据其出流速度的具体情况设定采样时间间隔，保证取样管50 mL玻璃管的水不溢出，取样直至水样中未能监测到示踪剂Br-为止（初次试验预估时间）。取样的同时记录水样编号以及与之对应的开始时间和结束时间，最后对所取水样统一进行汇总出流量，采用流动分析仪测量出流液中示踪剂Br-的浓度。

1.4 水样分析方法

采用流动分析仪分2段浓度梯度测定水样中Br-离子浓度变化情况。高浓度标准曲线设定9个浓度梯度：96，84，72，64，56，48，36，24和16 mg/L；低浓度标准曲线设定6个点：20，16，12，8，4和2 mg/L。以此保证准确测定Br-离子浓度变化趋势。标准曲线测定结果如图2所示。

图2 流动分析仪检测溴离子标准曲线

1.5 定量评价方法

1.5.1 水分优先运移参数模拟

基于室内原状和填装土柱试验获取的Br-穿透曲线，采用CXTFIT软件中“对流弥散平衡运移模型（CDE）”来刻画装填土柱中的水分运移；采用物理非平衡运移模型“两区模型（Two-region model）”来描述原状土柱中水分运移过程，分别获取水分迁移的模型参数。

1.5.2 时间矩分析方法

采用时间矩分析方法定量刻画穿透曲线形状，时间矩的具体表达式如下

式中是无量纲空间坐标；是无量纲时间，用孔隙体积表示；和0分别为溶质浓度和输入溶质浓度；下标是矩的阶数。

本研究认为可用零阶矩0来表示土柱出流液示踪剂质量，一、二阶矩分别用来刻画穿透曲线（Break through curves, BTCs）的均值和偏差系数[17]。此外，还经常用到标准矩（′）和中心矩（μ）来刻画穿透曲线的相关信息。

标准矩：

中心矩：

二阶中心矩（2）数值上等于穿透曲线的平均延展量（指穿透曲线在其均值附近波动的大小）；三阶中间矩（2）可用于刻画BTCs的非对称。偏态系数也可以用来描述穿透曲线的非对称，具体表达式为：

1.5.3 大孔隙流的评价指标（PFSP）

研究表明：大孔隙流影响下的水分快速运移主要由水动力弥散作用、两区作用以及大孔隙流作用等3部分组成[22]，所以土壤中Br-运移引起的穿透曲线BTCs的延展程度就是由这3部分作用形成的。因此，穿透曲线的延展量（2）等于水动力弥散作用（dis 2）、两区作用（tr 2）以及大孔隙流作用（pf 2）3部分的加和，即：

其中

式中dis 2和tr 2值分别用填装土柱模型模拟获得的、动水区比例因子和质量交换系数值以及原状土柱模型模拟得到的阻滞因子值来计算。0为无量纲初始时间，0=。pf 2值根据式（5）计算得到。该方法认为水动力弥散作用以及实际的两区作用对穿透曲线延展的总贡献量由均质填装（无优先流）土柱的参数反映，而导致原状土柱穿透曲线高度不对称性的机制是大孔隙流的存在[17]。

为了刻画大孔隙流对穿透曲线延展量的影响，可用综合指标PFSP来定量评价：

PFSP反映了大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值，因此可以作为刻画大孔隙流贡献率的定量指标。

2 结果与分析

2.1 Br-穿透曲线特征

根据原状土柱和填装土柱出流液检测的试验数据绘制Br-穿透曲线，以出流液的相对浓度（/0）作纵坐标，孔隙体积（/0）为横坐标。这里的相对浓度（/0）是指出流液浓度与施加的示踪剂浓度之比；孔隙体积（/0）即出流液体积与土柱有效孔隙体积之比，如图3所示。

较早的初始穿透和出流液中溶质相对浓度为0.5时孔隙体积/0<1可作为判断土壤优先水流存在的依据[23]。由图3可知，当出流液Br-相对浓度为0.5时，翻耕前后0～20 cm原状土柱的孔隙体积分别为0.185和0.207 PV，20～40 cm土层的孔隙体积则分别为0.174和0.116 PV；填装土柱对应的孔隙体积分别为1.005和1.025 PV，说明原状土柱中存在优先流。倪余文等[24]采用上述方法亦得出了原状草甸棕壤原状土中有优先流的发生。

注：C为溶质浓度，C0为输入溶质浓度；V为出流液体积，V0为土柱有效孔隙体积。

在整个试验过程，原状土柱的穿透曲线均位于填装土柱的上方，说明原状土柱中大孔隙的存在，使示踪剂Br-穿透曲线具有优先、快速穿透的特征，即土壤水流中包含大孔隙流和基质流。在Br-投加初期，大孔隙流对Br-的迁移起着主导作用，基质流的影响不明显。在Br-淋洗阶段，随着大孔隙及孔隙壁上的Br-被洗出，大孔隙流中的Br-相对浓度较低，对出流液浓度贡献较小。由于这时基质流中的Br-浓度仍相对较高，基质流对出流液浓度的影响起主导作用。由于大孔隙流的快速分流作用，使通过基质的水流通量降低，造成存在于基质中的Br-浓度变化缓慢。故而呈现图3所示的Br-穿透曲线变化趋势。

表2给出不同土柱土壤大孔隙流的Br-迁移特征。由表2可知，原状土柱的Br-累积淋出量总是高于填装土柱（图4）的对应值。对于0～20 cm耕作层，翻耕前后原状土柱的累积淋出量（指收集到的出流总体积）为7 572和7 057 mL，Br-累积淋出量为407.34和365.77 mg；填装土的累积出流量为2 383 mL，Br-累积淋出量为137.97 mg。以填装土柱水流为平衡基质流，计算得到大孔隙水流占原状土柱排水总量的68.5%和66.2%，而其造成的Br-累积淋出量占总淋出量的66.1%和62.3%。对于非耕作层20～40 cm，翻耕前后土壤大孔隙水流分别占土柱排水总量的1.7%和0.2%，而大孔隙水流携带Br-运移的百分比分别为20.5%和14.5%。由此说明土壤大孔隙流可引起溶质大量、快速地迁移，即土壤大孔隙流在溶质迁移过程中作用是不可忽视的[24]。

表2 土壤大孔隙流的Br-迁移特征

此外，耕作层0～20 cm中土壤大孔隙流占总水流通量的比值远远大于非耕作层的对应值（翻耕前后耕作层为68.5%和66.2%，非耕作层则为1.7%和0.2%），说明丰富的大孔隙可以协助水分和溶质快速运移至土层深部、乃至地下水中，尽管大孔隙体积含量仅占土壤总孔隙度的0.61%～3.06%[25]。

图4 Br-累积淋出量变化曲线

2.2 时间矩定量刻画

基于不同土柱的穿透曲线，采用公式（1）－（3）计算，获得BTCs的时间矩计算结果，见表3。

表3 各土柱穿透曲线的时间矩计算结果

注：1为一阶矩；2为二阶矩；0为零阶中间矩；1为一阶中间矩；2为二阶中间矩；3为三阶中间矩。

Note:1is first moment;2is second moment;0is zeroth central moment;1is first central moment;2is second central moment;3is third central moment.

根据时间矩的原理：二阶中心矩（2）可以描述穿透曲线的平均延展量，偏态系数可用来描述穿透曲线的非对称性。由表3可知，0～20 cm翻耕前后的原状土柱二阶中心矩值（16.36和22.88）均大于填装土柱的对应值（9.81），20～40 cm土层也呈现相似规律。这是因为原状土柱中不仅有两区作用和对流扩散引起的穿透曲线延展量，也有孔隙大流作用引起的穿透曲线延展量。对于耕作层0～20 cm原状土柱，翻耕后土柱的二阶中心矩2值（22.88）大于翻耕前土柱的对应值（16.36），说明翻耕作用增加了穿透曲线BTCs的平均延展量。

对于偏态系数，4个原状土柱均不为零，表明穿透曲线的不对称性。翻耕前后原状土柱偏态系数的绝对值均大于对应土层填装土柱的值，说明大孔隙越发育，土柱BTCs越不对称。需要说明的是，理想的均质填装土柱的偏态系数值应为0，但实际试验结果有偏差，然而这并不影响本研究采用偏态系数值来刻画穿透曲线的拖尾和不对称性规律。

2.3 水分运移参数模拟结果分析

采用解析法CXTFIT软件模拟获得不同类型土柱的BTCs拟合结果（图5）及模型参数（表4）。由图5可知，水分运移模型模拟得到的穿透曲线与室内土柱试验测得的穿透曲线拟合较好，确定性系数2均大于0.98，说明模型反演得到的参数合理。

表4给出了不同土柱水分运移参数模拟结果。由表4可知，0～20 cm耕作前原状土柱的孔隙流速、水动力弥散系数明显大于20～40 cm原状土柱的对应值，前者分别为后者3倍和6倍。这是因为水动力弥散系数取决于实际流速，流速越大，弥散系数也越大。阻滞因子则呈现相反规律，即孔隙流速越大，大孔隙流越发育的土柱，值越小，这是因为大孔隙流的存在使部分溶质直接通过大孔隙优先流出，阻滞作用变弱；对于动水区比例因子，0～20 cm翻耕前后原状土柱的值均大于20～40 cm原状土柱的对应值，说明大孔隙含量丰富，大孔隙流更为发育的耕作层0～20 cm原状土柱中动水比例较大。两区的质量交换系数则是0～20 cm翻耕后的原状土柱的最小，其他土柱的值比较接近。

对比分析耕作层0～20 cm翻耕前后原状土柱的模型参数可知（表4），翻耕后土柱的孔隙流速、水动力弥散系数分别比翻耕前土柱对应值高16.7%和22.2%，阻滞因子则降低了23.9%。说明翻耕后土壤对水分运移的阻滞作用变弱，水分运移速度增大，可导致水、养分及污染物快速到达土壤深层乃至地下水中，增加地下水污染风险[26]。

图5 不同土桩实测（点）与模拟（线）穿透曲线对比

表4 不同土柱中穿透曲线参数模拟结果

注：为孔隙流速；为水动力弥散系数；为阻滞因子；为动水区比例因子；为质量交换系数；2为确定性系数；MSE为均方根误差。

Note:is pore velocity;is coefficient of hydrodynamic dispersion;is retardation factor;is factor of moving water ratio;is mass transfer coefficient;2is coefficient of determination; MSE is mean squared error, MSE.

2.4 大孔隙流的定量评价

基于时间矩和CXTFIT软件模拟得到的水分优先迁移参数，分别计算不同深度原状土柱的PFSP值，见表5。

表5 各土柱PFSP计算结果表

注：2为穿透曲线的总延展量；dis 2为水动力弥散作用对穿透曲线延展量的贡献量；tr 2为两区作用对穿透曲线延展量的贡献量；pf 2为大孔隙流作用对穿透曲线延展量的贡献量。

Note:2is total extension of breakthrough curve;dis 2 is contribution to the experimental variance due to hydrodynamic dispersion;tr 2 is contribution to the experimental variance due to two region transport;pf 2 is contribution to the experimental variance due to macropore flow.

对于PFSP值，0～20 cm原状土柱的PFSP值较大，介于291.4%～578.6%，20～40 cm非耕作层的对应值较小，最小可达201.2%。说明土壤大孔隙越发育，数量越多，大孔隙流对水流的贡献越大[17]。

综上所述，PFSP值可以定量刻画优先水流对穿透曲线延展量的贡献率。即PFSP值越大，大孔隙流对总水流通量的贡献越大。

3 讨 论

土壤孔隙既是土壤保持水分以供植物有效利用的场所，也是水和溶质快速、远距离运移的主要通道[27]。由于大孔隙的存在，水及溶质可以通过大孔隙快速运移到达土壤深部乃至地下水中，造成土体和地下水体的污染[28]。刘目兴等[29]通过室内原状土柱试验发现森林土壤中孔径>1 mm的大孔隙仅占大孔隙总数量的1.26%～8.55%，但决定了饱和导水率的84.7%的变异。李勇等[30]研究发现当土壤中存在约5%（体积分数）的大孔隙时，土柱底部（100 cm深度）有效磷渗漏速率高达29.9 kg/(m2·d)，显著高于无大孔隙土柱的有效磷渗漏速率（0.13 kg/(m2·d)），表明太湖地区农田土壤大孔隙引起的优势流对有效磷的下渗起主导作用。本试验条件下，通过对比分析耕作层和非耕作层土壤原状土柱Br-穿透特征，发现耕作层0～20 cm原状土柱中大孔隙流造成Br-累积淋出量占总淋出量的62.3%～66.1%，非耕作层20～40 cm的则占总淋出量的14.5%～20.5%，表明土壤大孔隙流可引起Br-快速的迁移，这与李勇等[30]的研究结果基本一致。这是因为耕作层土壤较为疏松，容重较低（表1），能够有效导水并协助溶质快速运移的大孔隙有效孔隙度含量较高，故呈现上述变化规律。同时，翻耕作用采用模型模拟和预测水及溶质在土壤中的迁移行为是优化管理土壤和地下水污染状况的本质需求。溶质与土壤和地下含水层之间复杂的物理、化学和生物作用通常增加了模拟和预测的困难，尤其是在田间原状非均质土壤中。由于田间原状土壤质地、结构、化学组成等化学物理特性都随时间和空间发生变化，这种非均质性进一步增加了模拟水及溶质在土壤中迁移的难度。本研究基于室内原状和填装土土柱试验获取的Br-穿透曲线，采用CXTFIT软件中“对流弥散平衡运移模型（CDE）”来刻画填装土柱中的水分运移，采用物理非平衡运移模型—“两区模型（Two-region model）”来描述原状土柱中水分运移过程，分别获取水分迁移的模型参数，并采用时间矩方法和PFSP综合指标（大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值）定量评价土壤大孔隙流的发生程度。研究结果表明大孔隙流作用对水分穿透曲线延展量的贡献率最大，两区交换运移作用次之，水动力弥散作用的最小。即PFSP值越大，大孔隙流对总水流通量的贡献率越大。这与郭会荣等[17]的研究结果基本一致。郭会荣等人研究亦发现，2根27 cm大孔隙贯通土柱PFSP值最大，其次是1根27 cm大孔隙贯通土柱，再次是2根18 cm大孔隙在土柱上部，进一步表明大孔隙越多，大孔隙流越发育，对水流的贡献也越大。

4 结 论

本研究通过测定耕作层0～20 cm和非耕作层20～40 cm翻耕前后的原状土柱与填装土柱的Br-穿透曲线，对比分析各土柱水分优先迁移的特点，得出以下基本结论：

1）土壤大孔隙流造成Br-优先迁移的比例远大于大孔隙流在总水流通量中的比例。土壤大孔隙流可引起Br-快速地迁移，表明在溶质迁移过程中土壤大孔隙流的作用是不可忽视的。

2）紫色土耕作层土壤中大孔隙越发育，大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值越大，大孔隙流对总水通量的贡献率越大。

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Quantitative evaluation of macropore flow in purple soil of sloping cropland

Wang Honglan1,2, Jiang Shunyuan2, Cui Junfang1※, Tang Xiangyu1

(1.610041; 2.610041)

The importance of macropore flow as a preferential flow mechanism for infiltrating water and transport of solutes has been generally recognized during a couple of decades. Macropore flow plays significant roles in the structured soil, such as leading to more infiltration and thus reducing overland flow and rapidly transferring pesticides and other pollutants through the soil macropores into the groundwater. Due to its critical effect on field-scale soil water flow and transport of contaminants in soils, macropore flow is gaining more interest. In this study, soil samples were collected at depths of 0-20 cm and 20-40 cm from sloping cropland of purple soil, which are located at Yanting Agro-ecological Experimental Station of Purple Soil (105°27¢E, 31°16¢N), hilly central Sichuan, Southwest China. Using Br-tracer and simulated rainfall methods, lab-scaled disturbed and undisturbed soil column experiments were conducted to characterize the preferential transport behavior and evaluate the contribution of preferential flow based on simulations with the CXTFIT model. The breakthrough curves (BTCs) for each soil column were also obtained by analyzing the dynamics of Br-in the outflow. The integrated parameter, PFSP, defined as the ratio of extended quantity of BTCs due to preferential flow to extended quantity of BTCs caused by hydrodynamic dispersion and two-region effect, was calculated based on BTCs and CXTFIT datasets of the undisturbed soil columns. The BTCs of undistributed soil column showed an early breakthrough of Br-and also an upturned tail, indicating the presence of both preferential flow and matrix flow in studied soil. The preferential flow contributed 66.2%-68.5% of water discharge and 62.3%-66.1% of cumulative Br-discharge from undisturbed soil columns collected at the 0-20 cm depth, and at the 20-40 cm depth, their contributions was 0.2%-1.7% and 14.5%-20.5%, respectively. These implied that preferential flow made a much greater contribution to cumulative Br-discharge for the soils at the 0-20 cm depth compared to the soils at the 20-40 cm depth. Transport parameters of Br-were obtained by fitting its BTCs in the soil column with two-region model and CXTFIT software. It was found that the values of pore velocity and hydrodynamic diffusion coefficient for the soil at the depth of 0-20 cm were higher than those at 20-40 cm depth, while the retardation factor, with higher value indicating more preferential flow developed in the soil, showed contrast trend for the 2 depths. This was due to the fact that Br-quickly migrates with preferential flow through soil macropores, which may weaken the retardation effect. As for the dynamic watershed scale factor, the value was higher at the depth of 0-20 cm than that of 20-40 cm, indicating the higher percentage of flowing water in the soil column collected at 0-20 cm depth that has better developed preferential flow. The mass transfer coefficient value of the undisturbed soil column taken at 0-20 cm after plowing activity was the lowest, while the values were close among other soil columns. The PFSP value, which can ascertain the contribution of preferential flow out of other mechanisms, revealed that macropore flow made the biggest contribution to the extended quantity of BTCs, two-region effect made the second and hydrodynamic dispersion made the third, indicating PFSP can be a useful index to quantify the contribution extent of macropore flow.

soils; runoff; slope; macropore flow; soil column experiment; Br-tracing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.021

S157.1

A

1002-6819(2017)-22-0167-08

2017-05-23

2017-11-06

国家重点研发计划课题（2016YFD0800203），国家自然科学基金项目（41501237，41471268）

王红兰，博士，助理研究员。主要从事土壤生态环境研究。 Email：honglanwang2010@126.com

崔俊芳，博士，助理研究员。主要从事土壤物理研究。 Email：jfcui@imde.ac.cn