非饱和土壤中大孔隙流的影响因素研究

张锦华，李明思，韩 寒，柳幸爽，徐 强，蓝明菊

▪水土资源与环境▪

非饱和土壤中大孔隙流的影响因素研究

张锦华，李明思*，韩 寒，柳幸爽，徐 强，蓝明菊

（石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

【目的】分析非饱和土壤中大孔隙流现象的影响因素及影响特点。【方法】在装有粉砂壤土的土槽中人工造出直径4 mm的通地表和不通地表的孔隙进行滴灌试验，设置3种灌水量：50、60、70 L；3种孔隙长度：50、60、70 cm；3种土壤初始含水率：5.7%、9.9%、13.3%。通过测定孔隙不同长度处的孔壁土壤含水率及相应长度处基质流区的含水率，并计算其相应的基质吸力，分析孔隙中出现大孔隙流的概率。【结果】土壤中出现大孔隙流的现象具有一定的随机性，孔隙上部（0～30 cm）出现大孔隙流的概率在2.08%～7.14%之间，下部（40～70 cm）出现大孔隙流的概率在14.58%～19.05%之间，上部出现大孔隙流的概率小于下部出现大孔隙流的概率；通地表孔隙出现大孔隙流的概率（13.04%）小于不通地表孔隙出现大孔隙流的概率（27.54%）；3种影响因素对出现大孔隙流的影响程度为：孔隙长度最大，初始含水率次之，灌水量最小。【结论】非饱和土壤中，孔隙长度对出现大孔隙流的概率影响较大；大孔隙流现象通常出现在孔隙的下半部分。

非饱和土壤；大孔隙流；基质吸力；农田排水；土壤水分运动

0 引言

【研究意义】土壤中的大孔隙流是指土壤中的水分和溶质通过大孔隙（大于通常意义的毛细管孔径）而绕过部分基质区迁移到深层土壤中的现象[1]。土壤中的大孔隙流属于重力流，其基本特征是：孔隙中的含水率大于其周围基质流区的含水率，或者孔隙中的水分运动速度快于其周围基质流区的水分运动速度[2]，大孔隙流会产生一定的漏斗吸力，进而促进大孔隙周围基质流区的水分向大孔隙运动[3]。吴继强等[4]指出，有大孔隙存在的土体，其水分入渗量要高于均质土体的同类指标，说明大孔隙会加快水分的入渗；聂锦杰等[5]利用纤维网人工制造的大孔隙流导管研究了大孔隙对暗管排水效果的影响，发现大孔隙流对暗管排水效果具有促进作用。利用大孔隙流的这些特点，有利于实现非饱和土壤中的排水效果。

【研究进展】学者们对大孔隙流的影响因素做了许多室内研究。高朝侠等[6]利用土柱试验对大孔隙流的影响因素进行研究，发现土壤的初始含水率、大孔隙的扭曲性、大孔隙的连通性等因素都会对大孔隙流产生一定的影响；王岩等[7]研究发现土壤的初始含水量对大孔隙流具有一定的影响，土壤的初始含水量越低，土壤中大孔隙流现象越明显；张少妮等[8]在对大孔隙流的影响因素进行研究时，得出大孔隙的扭曲度越大（孔隙弯曲程度越大），大孔隙方向上水分受到的阻力越大，大孔隙流入渗的速度就越慢；赵娇娜[9]在对土壤初始含水率、土壤容重以及植物根系对大孔隙流的影响研究时，得出土壤初始含水率对大孔隙流的形成具有重要影响。Zhou等[10]在30 cm直径的土柱中设置直径为9 mm的大孔隙，研究孔隙的长度、类型、位置等因素对大孔隙中溶质迁移和分布的影响，结果显示，表面开放的孔隙中水分和溶质的运移速度更快；Allaire-leung等[11]在直径为33 cm的土柱中设置直径为10 mm的孔隙，研究大孔隙的连续性对土壤中水分和溶质运移的影响，结果表明，孔隙连续性越强土壤中水分和溶质运移的速度越快。

土壤中影响大孔隙流的因素众多，而且大孔隙的存在有利于非饱和土壤水分的运动和溶质运移。然而，众多关于大孔隙流的研究成果还都是理论探讨，并没有上升到生产应用层面，这是因为土壤中大孔隙的分布和形状具有随机性，给该理论的生产应用带来困难。石河子大学[12]提出的人造大孔隙流导管用于非饱和土壤暗管排水的技术，不仅在一定程度上解决了土壤中大孔隙分布的随机性问题，提高了该理论的实用性；还为解决滴灌盐碱地节水-排盐问题给予了启发。【切入点】但是前人的研究成果是在大孔隙流导管通向地面布置而取得的，大孔隙流导管通向地面的布置形式在实际生产中不利于土壤耕作和作物根系的生长，为了不影响耕作，大孔隙流导管应该埋在耕作层以下。在作物生育期（例如滴灌棉花）田间耕作层中是基质流，若要利用大孔隙流导管将耕作层中的基质流转化成大孔隙流，孔隙中需要留出一定长度的“过渡段”，而这一“过渡段”也是设计大孔隙流导管埋深的重要因素。【拟解决的关键问题】为了探讨这一“过渡段”问题，本文借鉴前人的工作经验，在装有粉砂壤土的土槽中人工制造直径4 mm通地表和不通地表的孔隙进行滴灌试验，研究不同灌水量、孔隙长度、土壤初始含水率对大孔隙流的影响，以期深入了解大孔隙流形成机制，为滴灌盐碱地非饱和土壤暗管排水技术的研发提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年10月—2021年10月在石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程试验中心进行（东经86°03'，北纬44°18'，平均海拔高度450.8 m）。供试土壤取自实验中心北边农学院试验田。用筛分法和比重计法测土壤机械成分：粒径<0.002 mm的土粒量占2.44%，0.002～0.02 mm粒径占77.9%，0.02～2 mm粒径占12.86%；根据国际土壤质地分类标准，该土壤可定为粉砂壤土；土壤干体积质量为1.40 g/cm3，田间体积持水率为26.65%，饱和体积含水率为46.32%。

试验所用玻璃土槽为100 cm×20 cm×80 cm（长×宽×高），土槽底部设有5 cm厚的砂砾石垫层，垫层上部覆盖多孔板，见图1（a）所示。参考前人[13-14]试验方法，试验中的土壤大孔隙用直径4 mm的亚克力玻璃棒作模具、装土完成后抽出玻璃棒而形成；为避免抽出亚克力玻璃棒后土壤向中间孔隙聚集，本文试验中所用土壤均带有一定的初始含水率。

图1 试验装置和大孔隙布置（单位：cm）

注 图1(b)、图1(c)中为土层深度；为砂砾石深度。孔隙长度为70 cm时，为5 cm；孔隙长度为60 cm时，为5 cm；孔隙长度为50 cm时，为5 cm。

1.2 试验方法

试验中对大孔隙埋设方式进行2种处理，分别为孔隙通向填土表面（图1（b））和孔隙埋在填土表层5 cm以下（图1（c））。每种孔隙分别布置在土槽两侧，每侧3个孔隙（图1（d））；其中①—③号为通向填土表面的大孔隙，④—⑥号为埋在土层以下的大孔隙，各孔隙之间相距40 cm，以避免孔隙之间的流态相互干扰。试验中分别设置灌水量、孔隙长度、土壤初始含水率共3个因素，每个影响因素设置3个水平，每个处理设置3个重复，共计27个处理。参照新疆膜下滴灌棉花田间灌水定额指标，苗期灌水定额25 mm、蕾期35 mm，本文试验中设定灌水量分别为50 L（25 mm）、60 L（30 mm）、70 L（35 mm）；由于滴灌棉花计划湿润层深度60 cm，所以本文试验中设定孔隙长度分别为50、60、70 cm；根据孔隙成形和棉花灌水要求的最低含水率下限，试验中设定土壤初始体积含水率分别为5.7%、9.9%、13.3%。每种处理分别进行3次重复，用了9个同规格土槽完成试验。

试验中采用果树输液袋进行滴灌，每个袋子的容量为1 L，每个土槽共放置3个滴头，滴头间距为40 cm，为了保证土壤水分由基质流区过渡到大孔隙中，防止滴头直接向孔隙中滴水，试验中设置滴头距孔隙距离7 cm（图1（d））。输液袋中的水为自来水，试验中调整灌水器（滴头）开关，使滴头流量保持在0.5 L/h左右，以避免因流量过大而产生地表径流，进而影响通地表的大孔隙流的形成。灌水过程中每隔一定时间在土槽外部绘制湿润锋，以此来观测土壤中的水分入渗情况。灌水结束后，待土槽下方排水口停止出水24 h后对土壤进行取样。

1.3 测定指标与方法

直接测定大孔隙中的水分状况是困难的，所以，在试验中采用测定孔隙壁面上的土壤含水率与孔隙周围基质流区的土壤含水率相比较的方法，来判断大孔隙流的生成现象。

1.3.1 含水率的测定

用烘干法测土壤含水率。取样点布置在大孔隙左、右二侧5 cm处以及大孔隙处（图1（d）所示）。用特制的钻头[15]，从孔隙内部取孔隙边壁上的土样，测其含水率。每个取样点垂直向下每10 cm取1个样。每个土槽共设置18个取样点。

1.3.2 土壤水分特征曲线的测定

为了从土壤水吸力方面判定基质流与重力流的区别，试验中需要将所测得的土壤含水率换算成土壤水吸力；所以专门测定了土壤水分特征曲线。灌水结束后，用环刀在土壤中取3个土样，用美国SEC公司生产的压力膜仪测土壤的水分特征曲线，见图2。

图2 土壤水分特征模拟曲线

利用Van Genucheten模型进行土壤水分特征曲线拟合，其参数见表1。

表1 Van Genucheten土壤水分特征曲线模型参数

式中：为土壤体积含水率（cm3/cm3）；s为饱和体积含水率（cm3/cm3）；θ为剩余体积含水率（cm3/cm3）；为拟合系数；为拟合指数；为土壤水吸力（MPa）。

利用幂函数模型进行土壤水分特征曲线拟合，得到粉砂壤土的体积含水率与土壤水吸力的函数。

式中：v为土壤体积含水率（cm3/cm3）；为土壤水吸力（MPa）。

1.4 数据处理

使用Excel表进行数据分析、利用Origin 2017绘制不同变量处理下出现大孔隙流的概率图、利用SPSS软件对数据进行方差分析，对比不同处理之间试验结果的显著性差异。

2 结果与分析

根据文献[2]中对土壤大孔隙流特点的介绍，本文试验中通过对比大孔隙壁上的土壤含水率及基质吸力与其周围基质流区的土壤含水率及基质吸力的大小来判断孔隙中出现大孔隙流的现象。

2.1 灌水量对大孔隙流的影响

在土壤初始体积含水率为5.7%、通地表孔隙长度为70 cm、不通地表的孔隙长度为65 cm时，对不同灌水量下的土壤体积含水率分布进行观测。结果显示，土壤中的大孔隙流现象存在随机性，不论大孔隙通向地表或是不通向地表，大孔隙流现象大多是从孔隙一定长度处开始出现，而且不一定沿着孔隙长度连续出现；不通地表的孔隙出现大孔隙流现象的土层深度要深于通地表的孔隙出现大孔隙流现象的土层深度，如表2所示。

表2 不同灌水量下孔壁土壤含水率分布

注 底部划“_”的数据为出现大孔隙流的土层；同行不同字母表示相同变量不同处理间差异显著（＜0.05）。

对于通地表的孔隙，通过方差分析可知，灌水量为50 L时，仅孔隙长度10 cm处的孔壁土壤含水率比相应长度处基质流区的含水率大1.93%，出现大孔隙流现象的概率为12.5%。灌水量60 L时，仅50 cm长度处的孔壁土壤含水率比相应长度处基质流区的含水率大0.97%，出现大孔隙流的概率为12.5%。灌水量为70 L时，孔隙长度70 cm处孔壁含水率与其相应基质流区的含水率存在显著性差异，且孔壁土壤含水率比相应长度处基质流区的含水率大0.53%，出现大孔隙流的概率为12.5%。随着灌水量的增加出现大孔隙流现象的概率保持稳定，但是出现大孔隙流的土层深度加深。

对于不通地表的孔隙，灌水量50 L所对应的孔隙长度50、60、65 cm处孔壁土壤含水率与其两侧基质流区的含水率存在显著性差异，且孔隙长度50、60、65 cm处孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率分别大1.15%、2.21%、1.83%，出现大孔隙流现象的概率为37.5%。灌水量为60 L时，在孔隙长度40 cm处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的土壤含水率大1.35%，出现大孔隙流现象的概率为12.5%。灌水量为70 L时，在孔隙长度40、50 cm处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的土壤含水率分别大1.24%、1.27%，出现大孔隙流现象的概率为25%。虽然孔隙顶部覆土且灌水，但是，大孔隙流现象均未从孔隙顶部出现，多数情况下是在孔隙下部出现。

非饱和土壤中的土壤水分是从基质吸力低处向基质吸力高处运动[16]；但是，当土壤中存在大孔隙时，水分会向大孔隙汇积。根据粉砂壤土水分特征曲线可知，灌水量为50 L时，通地表孔隙的孔壁基质吸力在59～63 KPa之间波动，相应的基质流区的吸力在58～64 KPa之间波动；其中，孔隙长度10 cm处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区吸力小2.13 KPa。灌水量为60 L时，孔隙长度50 cm处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区吸力小1.29 KPa。同理，灌水量为70 L时，孔隙长度70 cm处的孔壁基质吸力比相应长度处的基质流区的吸力分别小0.81 KPa。这一现象表明，在这些长度处的孔壁土壤水分不是从基质流区水平汇积到孔壁上的，而应该是从基质流区沿垂直方向运动到孔壁上的。由于土壤中存在孔隙，造成基质流路径阻断，所以在孔隙壁面上会出现水分汇积。

对于不通地表的孔隙，灌水量为50 L时，孔隙长度50、60、65 cm处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区的吸力分别小2.34、4.51、4.46 KPa。灌水量为60 L时，孔隙长度40 cm处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区的吸力分别小0.25 KPa。同理，灌水量为70 L时，孔隙长度40、50 cm处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区的吸力分别小1.69、2.21 KPa。孔隙上部覆盖土层后，孔隙中会产生气堵现象[17]，尽管如此，基质流区的水分仍然会向孔隙壁面汇积。

2.2 孔隙长度对大孔隙流的影响

在土壤初始体积含水率为5.7%、灌水量为50 L时，对不同的孔隙长度下的土壤体积含水率分布进行观测。结果显示，土壤中的大孔隙流现象仍然存在随机性以及不连续性。如表3所示。

表3 不同孔隙长度下孔壁土壤含水率分布

对于通地表的孔隙，当孔隙长度为50 cm时，孔壁土壤含水率与相应长度处基质流区的含水率进行对比均未出现显著性差异（>0.05）。当孔隙长度为60 cm时，在孔隙20 cm长度处，其孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的土壤含水率大1.48%，出现大孔隙流现象的概率为12.5%。当孔隙长度为70 cm时，在孔隙30、40、60 cm长度处，其孔壁土壤含水率比其二侧基质流区土壤含水率分别大1.64%、1.48%、1.66%，出现大孔隙流现象的概率为37.5%。随着孔隙长度的增大，出现大孔隙流现象的概率也增大。

对于不通地表的孔隙，孔隙长度为50 cm时，在孔隙30、40、50 cm长度处，其孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率分别大0.97%、0.94%、1.51%，出现大孔隙流现象的概率为50%。当孔隙长度为60 cm时，仅在孔隙60 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率大1.95%，出现大孔隙流现象的概率为14.30%。当孔隙长度为65 cm时，在孔隙40、60、65 cm长度处孔壁土壤含水率与其二侧基质流区的含水率存在显著性差异，其孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率分别大1.22%、1.38%、0.82%，出现大孔隙流现象的概率为37.5%。孔隙上部被覆盖后，大孔隙流出现的概率并没有随着孔隙长度的增大而增大，但是，大孔隙流现象均未从孔隙顶部出现。

对土壤水吸力分析可知，关于通地表的孔隙，当孔隙长度为60 cm时，孔隙20 cm长度处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区的吸力小2.08 KPa。当孔隙长度为70 cm时，孔隙30、40、60 cm长度处的孔壁基质吸力比相应长度的基质流区的吸力分别小2.81、2.31、2.55 KPa。

对于不通地表的孔隙，当孔隙长度为50 cm时，孔隙30、40、50 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的吸力分别小1.32、1.20、2.27 KPa。当孔隙长度为60 cm时，孔隙60 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的基质吸力小1.45 KPa。当孔隙长度为65 cm时，孔隙40、60、65 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的基质吸力分别小2.31、2.55、2.85 KPa。

从上述孔隙基质吸力可以看出，孔隙中出现大孔隙流现象的位置也存在孔壁基质吸力小于孔隙周围土壤的基质吸力的现象，说明孔壁上的水分不是直接从水平方向汇积来的。

2.3 土壤初始含水率对大孔隙流的影响

在灌水量为50 L、通地表孔隙长度为70 cm、不通地表的孔隙长度为65 cm时，对不同初始体积含水率下的土壤含水率分布进行观测，结果显示，土壤中的大孔隙流现象存在随机性和不连续性，如表4所示。

表4 不同土壤初始含水率下孔壁土壤含水率分布

对于通地表的孔隙，土壤的初始体积含水率为5.7%时，孔隙40 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率大1.20%，出现大孔隙流现象的概率为12.50%。土壤的初始体积含水率为9.90%时，孔隙70 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的土壤含水率大1.58%，出现大孔隙流现象的概率为12.50%。当土壤的初始体积含水率为13.30%时，孔壁土壤含水率与相应长度处基质流区的含水率进行对比均未出现显著性差异（>0.05）出现大孔隙流现象的概率为0。

对于不通地表的孔隙，土壤的初始体积含水率为5.70%时，孔隙50 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率大4.53%，出现大孔隙流现象的概率为12.5%。当土壤的初始体积含水率为9.90%时，孔隙30、40 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的土壤含水率分别大1.08%、2.45%，出现大孔隙流的概率为25%。当土壤的初始体积含水率为13.30%时，孔隙50、60、70 cm长度处的孔壁土壤含水率比其二侧基质流区的含水率分别大1.23%、2.29%、2.79%，出现大孔隙流现象的概率为37.50%。试验显示，在孔隙顶部覆盖的情况下，随着初始体积含水率的增大，出现大孔隙流现象的概率逐渐增大。

对粉砂壤土的基质吸力进行分析可知，关于通地表的孔隙，当土壤的初始体积含水率为5.70%时，孔壁基质吸力在58～65 KPa之间波动，其基质流区的吸力在60～63 KPa之间波动；其中，孔隙40 cm长度处的孔壁基质吸力比其相应长度的基质流区吸力小1.53 KPa。当土壤的初始体积含水率为9.90%时，孔隙70 cm长度处的孔壁基质吸力比其相应长度的基质流区吸力小2.56 KPa。

对于不通地表的孔隙，当土壤的初始体积含水率为5.70%时，孔隙50 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的基质吸力小11.05 KPa。当土壤的初始体积含水率为9.90%时，孔隙30、40 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的吸力分别小1.51、1.58 KPa。当土壤的初始体积含水率为13.30%时，孔隙50、60、70 cm长度处的孔壁基质吸力比相应的基质流区的吸力分别小1.49、2.78、4.10 KPa。

上述对土壤基质吸力的分析结果同样显示出孔壁上的水分不是直接从水平方向汇积来的。

3 讨论

3.1 大孔隙流现象的随机性

本研究显示，土壤中发生大孔隙流现象存在明显的随机性。每次重复试验所观测到的大孔隙流的出现位置都不固定；但是，对各次重复试验测得的孔壁含水率以及二侧基质流区含水率分别取平均值，结果显示，在孔隙下部出现大孔隙流现象的概率最大，这与大部分关于土壤大孔隙流问题的研究结果类似[18]。这表明了大孔隙流的“优先流”和“指流”现象，其不仅能绕过基质流区在土壤深层积水，还能在孔隙下部起到“源”的作用，向周围基质流区入渗。吴继强等[19]研究也有类似结果，其研究发现，在入渗初期，水分会向大孔隙域聚集，并通过大孔隙的孔壁向基质域进行水平方向的入渗。盛丰等[20]在用单离子示踪技术研究大孔隙对水和溶质的输移时发现，示踪剂溶液在土壤大孔隙中入渗得越深，其运移到深层土壤时的浓度越高，所以会对周围土壤起到“源”的作用。

3.2 大孔隙流的过渡区

根据土壤水动力学理论，土壤非饱和流是从基质吸力小的地方向基质吸力大的地方运动。本文试验数据显示，土壤大孔隙的孔壁体积含水率大于其二侧基质流区的土壤体积含水率，即孔壁土壤的基质吸力小于相应长度的基质流区的基质吸力，这表明孔壁上的水分不是从同长度的基质流区水平汇积来的，应该是从上层土壤运动下来的。上部土层的水分在重力和基质吸力共同作用下，向下层土壤“扩散”运动[21]；当遇到孔隙时，基质流路径被阻断（即毛管吸力被阻断），水分无法穿过孔隙横断面进行水平运动，因此，将沿着孔隙壁面垂直向下运动。随着水分沿孔隙壁面逐步汇积，导致孔壁上某些位置的含水率大于同长度处基质流区的含水率，表现出优先流现象，并在孔隙一定长度处形成大孔隙流现象[22]；因此，孔隙的下部出现大孔隙流的概率大，此结果与吕捷等[18]的研究结果一致；其试验发现，土壤水分并没有直接通过大孔隙传递至孔隙底端，而是先在基质区下渗；当水分下渗至孔隙一定长度时，孔隙附近的基质区的水分开始向大孔隙中汇积。另外，水分在基质流区进行“扩散”运动时，由于起点和路径不同，使其在孔壁上的汇积位置也不同，因此，显示出大孔隙流的随机性。从基质流到达孔隙壁面，到孔壁面出现大孔隙流现象（即水分汇积），水分运动经过的孔隙长度就是基质流向大孔隙流转化的过渡段。在本文试验中，各处理的孔隙都存在这样一个过渡段，表明了土壤大孔隙产生大孔隙流的效率。

3.3 大孔隙流的影响因素

由于土壤中的大孔隙流现象具有随机性，所以，大孔隙流现象出现的概率是判断各种影响因素对大孔隙流影响程度的标准。试验中对通地表孔隙和不通地表孔隙均设定了3种影响大孔隙流的因素，分别是灌水量、孔隙长度和土壤初始含水率。试验结果显示出，不通地表的大孔隙总体上比通地表的大孔隙更容易产生大孔隙流；而且，孔隙长度因素和土壤初始含水率因素对大孔隙流出现的影响程度比灌水量因素的影响程度大，如图3所示。

图3显示，对于通地表的孔隙，随着灌水量的不断增加，出现大孔隙流现象的概率稳定不变，说明灌水量条件下对大孔隙流出现的概率影响不大；孔隙长度因素和出现大孔隙流现象的概率呈正相关关系，即随着孔隙长度的增加，其出现大孔隙流现象的概率逐渐增大，其增大的平均比率为1.5。土壤初始含水率因素与出现大孔隙流现象的概率呈负相关关系，此结果与王岩等[7]、赵娇娜[9]的研究结果类似。王岩等[7]研究表明，土壤的初始含水率越高，水分及溶质的迁移越不明显；赵娇娜[9]使用亮蓝染色剂对深层土壤染色，试验发现土壤的初始含水率越大，土壤中水分入渗的速率越慢。灌水量、孔隙长度和初始含水率等因素影响下，通地表孔隙出现大孔隙流的概率的平均值分别为12.5%、16.67%、8.33%。

图3 不同变量处理下出现大孔隙流的概率

对于不通地表的孔隙，其出现大孔隙流现象的概率随灌水量或孔隙长度呈“U”形变化；近似地，其出现大孔隙流现象的概率和灌水量和孔隙长度等因素均呈负相关关系。但出现大孔隙流的概率和初始含水率呈正相关关系，即随着土壤初始含水率的增加，其出现大孔隙流现象的概率逐渐增大，且增大比率平均为1.5。但是通过对出现大孔隙流现象的概率的平均值分析发现，孔隙长度影响下的大孔隙流出现的概率平均值为33.93%，比初始含水率影响下的平均值25%大14.3%。由此可说明，孔隙长度因素对大孔隙流出现的影响程度比土壤初始含水率因素的影响程度大。

总体而言，对于通地表孔隙和不通地表的孔隙，均表现出孔隙长度因素对出现大孔隙流的概率的影响程度最大，土壤的初始含水率因素次之，灌水量因素影响最小。因为当孔隙长度增大后，孔隙壁面的长度增大，水分在壁面上运动的距离增长，增加了水分汇积的机会，因此能增大产生大孔隙流的概率。

通过对土层含水率分布进行分析可知，在不同灌水量、孔隙长度、初始含水率条件下，孔隙顶部出现大孔隙流的概率很小，而距孔隙顶部30 cm处，出现大孔隙流的概率分别为0%、4.76%、2.08%；距孔隙顶部40 cm处，出现大孔隙流的概率分别为4.17%、7.14%、4.17%。由此可知，在孔隙30～40 cm长度处是容易出现大孔隙流现象的最高位置，这可以给生产中设计大孔隙流导管的长度提供参考。

3.4 大孔隙流现象的应用要求

由于非饱和土壤存在一定的基质吸力，所以，在非饱和土壤中进行排水排盐较为困难。Chen等[23]将人工制作的大孔隙流导管组装在排水暗管上，实现了非饱和土壤的排水排盐效果。但是，当大孔隙流导管连通地表或者接近地表时，将影响农田耕作或作物根系的生长。另外，土壤基质流向大孔隙流转化时需要一定的过渡段，而这一过渡段就是水分沿着孔隙向下运动并逐步汇积成重力流所需要的长度；所以，要求大孔隙流导管应该具有最短的长度，才能实现导管中出现大孔隙流现象。本文试验显示，对于不同的孔隙长度，埋在土层下的孔隙出现大孔隙流的概率大于通地表的孔隙出现大孔隙流的概率。这对设计大孔隙流导管有一定的参考作用。

4 结论

1）本研究表明，土壤中出现大孔隙流的现象具有一定的随机性及不连续性。总体而言，孔隙上部出现大孔隙流的概率小，而孔隙下部出现大孔隙流的概率大。在不同的灌水量、孔隙长度和初始含水率影响下，孔隙0～30 cm长度处出现大孔隙流的概率为2.08%～7.14%，而孔隙40～70 cm长度处出现大孔隙流的概率为14.58%～19.05%。

2）在不同的孔隙长度影响下，不通地表的孔隙比通地表的孔隙更容易出现大孔隙流现象。试验显示，在不同的孔隙长度影响下，不通地表的孔隙出现大孔隙流的概率为33.33%，而通地表的孔隙出现大孔隙流的概率为19.05%。

3）孔隙长度因素对出现大孔隙流现象的影响作用大于土壤初始含水率因素对出现大孔隙流现象的影响作用，而灌水量因素对出现大孔隙流现象的影响较小。试验显示，不同的孔隙长度和土壤初始含水率影响下出现大孔隙流现象的增长幅度平均值均为1.5，而不同的灌水量影响下出现大孔隙流现象的增长幅度平均值为0。

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Factors Affecting Macropore Flow in Unsaturated Soil

ZHANG Jinhua, LI Mingsi*, HAN Han, LIU Xingshuang, XU Qiang, LAN Mingju

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

【Objective】Preferential flow in macropores is a common hydrological phenomenon in soil. The purpose of this paper is to elucidate the factors that could affect macropore flow.【Method】The experiment was conducted in tanks repacked with a fine sandy loam soil. Macropores with diameter of 4 mm were artificially created in the soil with their top ends either exposed to the soil surface or hidden in the soil. The length of the macropores varied from 50 cm to 70 cm, and the initial soil water content varied from 5.7% to 13.3%. The tanks were drip-irrigated by 50 L, 60 L and 70 L of water, respectively. Occurrence of macropore flow was judged by appearance of liquid water on the wall of the macropores at different depths, as well as matric potential in the soil matrix. 【Result】Macropore flow did occur but varied with soil depth. The probability of its appearance was 2.08%～7.14% in the top 0～30 cm of soil, and 14.58%～19.05% in the 40～70 cm of soil. It was also found that the probability of macropore flow occurring in the macropores which stretched to the soil surface was 13.04%, less than the 27.54% in the macropores hidden in the soil. The factors that affected macropore flow more significantly was ranked in the descending order: pore depth (length) >initial water content >irrigation amount. 【Conclusion】The vertical length of the macropores affected the occurrence of macropore flow in unsaturated soil most; macropore flow is more likely to occur in the subsoil than in the topsoil.

unsaturated soil; macropore flow; matrix suction; farmland drainage; soil water movement

1672 - 3317（2022）07 - 0070 - 09

S152；S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022023

张锦华, 李明思, 韩寒, 等. 非饱和土壤中大孔隙流的影响因素研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(7): 70-77, 103.

ZHANG Jinhua, LI Mingsi, HAN Han, et al. Factors Affecting Macropore Flow in Unsaturated Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 70-77, 103.

2022-01-12

国家自然科学基金重大项目（51790533）

张锦华（1992-），男。硕士研究生，主要从事灌溉原理与新技术应用研究。E-mail: 92205@163.com

李明思（1965-），男。教授，主要从事灌溉原理与新技术应用研究。E-mail: leemince@126.com

责任编辑：白芳芳