孔隙结构在平原河流网络区域溶质传输过程中的调控作用：来自CT成像的见解

中国平原河网区农田非点源污染的孔隙结构调控机制研究，基于CT成像技术量化分析了水稻田、果园、菜地不同土层（0-30cm、30-60cm、60-90cm）的孔隙体积、表面积、连通性（动态分形维度d）等结构参数与溶质传输速度（v）、扩散系数（E）的非线性关系，揭示孔隙形态和异质性通过快速通道和表面作用影响溶质迁移，而孔隙连通性主导非平衡传输特性。研究建议通过节水灌溉和秸秆还田改善孔隙结构。

　　

孙晓琴|谢东丽|潘永春|王洪德|曹涛红|葛家敏|朱新妮

中国江苏省南京市河海大学水土保持学院，210098

摘要

平原河流网络（PRN）地区是中国重要的高产农业区，但过度使用化肥和农药导致了严重的非点源（NPS）污染。土壤孔隙结构在调节非点源污染的生成和传输过程中起着关键作用，它通过控制水流和溶质传输来实现这一功能。然而，传统的静态分形参数不足以捕捉溶质传输的实际路径。为了克服这一局限性，我们引入了光谱分形维数（$d$），这是一种基于随机游走理论得出的动态孔隙结构度量方法。在本研究中，我们调查了江苏PRN地区的稻田、果园和菜田，分析了不同深度的孔隙形态、静态分形维数（质量分形维数（$D?$）和表面分形维数（$D?$）以及动态孔隙特性（$d$）。我们利用突破曲线和连续时间随机游走（CTRW）方法确定了溶质传输参数，以评估孔隙结构的作用。研究结果表明，与深层土壤相比，表层土壤具有更多的孔隙和更复杂的孔隙结构，从而导致更高的溶质传输速率（$v$）和扩散系数（$E$）。孔隙形态（如体积、表面积、平均宽度）和异质性（$D?$和$D?$）通过提供快速流动路径和广泛的表面相互作用来控制溶质传输速率和扩散系数；而连通性（$d$）则通过曲折的、增强滞留能力的路径来控制异常传输（$t_1$）和传输时间（$t_2$）。孔隙形状还通过连通性间接影响溶质传输。在各种土地利用类型中，稻田土壤的孔隙结构相对简单且连通性较差。为了改善稻田土壤的孔隙结构并减轻PRN地区的农业非点源污染风险，建议采用节水灌溉并结合秸秆还田。

引言

中国南部的平原河流网络（PRN）地区由于地形平坦、水源丰富和土壤肥沃，是该国主要的高产农业区。近年来，随着城市化的推进和农业经济的快速发展，对食品质量和数量的需求不断增加，这使得PRN地区的农业越来越依赖化肥和农药的使用。过量养分通过土壤渗入地下水并随排水进入河流，以农业非点源污染（ANSP）的形式污染环境（Chen等人，2023年）。此外，PRN地区地势低洼，水动力条件较差，自然净水能力弱，难以有效稀释和降解污染物（Tang等人，2023年）。因此，使用数学模型来阐明土壤中污染物的传输过程对于PRN地区的环境保护至关重要（Akomolafe等人，2024年）。

早期研究假设土壤中的溶质传输遵循菲克定律，因此广泛使用了对流-扩散方程（ADE）（Moreno等人，1997年）。然而，许多实验和数值结果表明，溶质传输的突破曲线（BTC）在大时间尺度上表现出重尾特性，表明其传输行为不符合菲克定律（Akomolafe等人，2024年；Hunt等人，2011年；Levy和Berkowitz，2003年）。因此，需要其他理论来模拟这种非菲克传输行为，例如移动-不动模型（Dentz等人，2011年）、分数阶导数模型（Sun等人，2014年）、渗透理论（Hunt和Ghanbarian，2016年）以及连续时间随机游走（CTRW）（Bijeljic等人，2011年）。其中，连续时间随机游走模型已被证明能够有效量化长尾特性。因此，这一理论对于建模者来说是一个有吸引力和前景广阔的选择（Kwaw等人，2021年；Liu等人，2017年；Zaheer等人，2017年）。然而，现有研究主要集中在模型优化或参数解释上，对溶质传输参数的依赖性分析关注较少。

土壤中的溶质传输受作用在溶质颗粒上的各种力的平衡控制，包括驱动向下运动的重力、抵抗或保持小孔中水分的毛细力以及来自固体表面和流体内部的粘性力（Jarvis，2020年）。因此，可以得出结论，土壤孔隙的形态会影响溶质传输过程。一些现有研究已经探讨了孔隙结构对溶质传输参数的影响（Ghanbarian等人，2023年；Li和Wang，2020年）。孔隙连通性是控制土壤溶质传输的关键因素（Koestel等人，2020年）。连通的孔隙形成连续的路径，使水和溶质能够流动，而不连通的孔隙则与主孔隙网络隔离，几乎不对流动产生贡献。近年来，数字成像技术（如X射线微断层扫描）的发展使得可视化并量化三维孔隙空间成为可能（Lucas等人，2021年）。这项技术使得研究土壤孔隙的连通性成为可能。同时，理论创新也促进了溶质传输的研究。Hatano等人（1992年）认为分形维数是一个有前景的参数，可以独立表征流动模式。Tarquis等人（2012年）将土壤结构视为具有异质性和曲折性的网络，并提出了光谱分形维数（$d$），该维数通过分析随机移动颗粒离开起点的速率来反映孔隙空间的连通性。与静态分形参数相比，光谱分形维数能够测量孔隙网络的动态特性，并准确指示颗粒通过网络的难度（Anderson等人，1996年；Anderson等人，2000年）。因此，光谱分形维数可能在将孔隙结构与溶质传输联系起来方面更具价值。通常，分形维数较高的土壤表现出更快的溶质传输速率。

另一方面，随着土壤深度的增加，有机质含量减少（Balesdent等人，2018年），生物活性也会减弱（Xu等人，2020年）。再加上压实作用（Alaoui等人，2011年），深层土壤的孔隙结构往往不如表层土壤发达。特别是在PRN地区，稻田占主导地位，长期的水淹和反复的耕作加剧了土壤压实，减少了生物扰动。一些研究表明，土壤结构的恶化导致有效的扩散能力增强，但迁移性和横向质量交换能力降低（Jarvis等人，2007年；Radolinski等人，2022年），因为孔隙连通性的降低增加了流动路径的曲折性和异质性，从而增强了纵向扩散性（Li等人，2018年）。这表明，在PRN地区的土壤中，特别是在结构再生能力有限的土地利用类型（如稻田）下，非平衡孔流强度通常会随时间增加（Haws和Rao，2004年）。然而，在结构严重退化的底土中，无论土地利用类型如何，非平衡流动的强化都不能无限持续，因为孔隙网络的连续性和连通性最终会对流动动态产生限制（Jarvis，2020年）。因此，明确不同土地利用类型（如果园、菜田和稻田）中孔隙连通性和溶质传输参数随深度的变化对于更好地理解和管理土壤剖面中的溶质传输行为至关重要。

本研究的主要任务包括：（1）分析不同深度和土地利用类型下三维（3D）连通土壤孔隙的结构特征；（2）基于CTRW方法研究不同深度和土地利用类型的土壤溶质传输参数；（3）确定孔隙结构参数与溶质传输参数之间的相关性，以探究影响溶质传输参数的主要因素。本研究旨在阐明孔隙结构调节土壤中溶质传输的微观机制，从而为预测水分和养分传输过程提供理论基础。

研究地点和实验室实验

采样地点位于中国江苏省常熟市陈塘圩核心示范区（31°32′58″N，120°44′36″E）。在采样地点，选择了三种不同土地利用类型（稻田、果园和菜田）的土壤采样点（图1）。采样工作于2022年进行。在每个采样点，使用土壤钻取工具在三个不同深度（0–30厘米（表层土壤）、30–60厘米、60–90厘米）采集受扰动的土壤样本。每个采样点取一个代表性样本

三维连通孔隙的结构参数

不同处理样本的三维连通孔隙如图4所示。随着土壤深度的增加，孔隙体积趋于减小。详细的结构参数见图5。表层土壤的体积和表面积高于深层土壤。以稻田为例，0–30厘米土壤层的孔隙体积和表面积分别为9.082立方厘米和736.557平方厘米。与30–60厘米和60–90厘米的土壤层相比，

不同土地利用类型下土壤结构的变化

我们的研究结果表明，0–30厘米土壤层的孔隙体积、表面积、复杂性和连通性均高于60–90厘米的底层土壤。这与先前的研究结果一致（Qiao等人，2021年）。人类耕作活动使表层土壤变得疏松，形成了更复杂的孔隙网络（Budhathoki等人，2022年）。同时，大部分根系主要分布在0–30厘米的表层土壤中（Fan等人，2016年）。

结论

本研究利用CT扫描技术定量表征了平原河流网络地区不同土地利用类型和不同土壤深度下的土壤孔隙结构。通过将溶质传输曲线与CTRW模型拟合，我们系统地探讨了孔隙结构属性与传输参数之间的关系，从而确定了影响溶质迁移的关键孔隙指标。表层土壤表现出更复杂和丰富的孔隙网络，从而导致更高的

CRediT作者贡献声明

曹涛红：方法论、数据管理。葛家敏：数据管理。朱新妮：方法论。孙晓琴：撰写——初稿、方法论、资金获取、数据管理。谢东丽：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。潘永春：调查、正式分析。王洪德：撰写——审稿与编辑、监督、调查。

利益冲突声明

我们声明与可能不当影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文所述观点或对手稿“平原河流网络地区孔隙结构在溶质传输过程中的作用：来自CT成像的见解”的评审。所有作者

致谢

本研究部分由国家自然科学基金（项目编号：42407409）和中国博士后科学基金（项目编号：2024M760748）资助。