土壤水文功能的滞后现象：土壤质地、管理方式及采样方向的影响

《Soil and Tillage Research》：Hysteresis of soil hydrological functions. Influence of soil texture, management, and sampling direction

　　尼古拉斯·吉列尔莫·波利奇（Nicolás Guillermo Polich）| 路易斯·阿尔贝托·洛萨诺（Luis Alberto Lozano）| 拉斐尔·比利亚雷亚尔（Rafael Villarreal）| 玛丽亚·帕斯·萨拉萨尔（María Paz Salazar）| 吉多·劳塔罗·贝洛拉（Guido Lautaro Bellora）| 马丁·帕拉佐洛（Martín Palazzolo）| C. 格曼·索拉科（C. Germán Soracco）

拉菲斯大学（LAFIS），阿根廷拉普拉塔市农业与林业科学学院，地址：Calles 60 和 119，CC 31，邮编 1900。阿根廷。

摘要：本研究探讨了土壤水文功能的滞后现象，重点关注土壤持水曲线（SWRC）和非饱和导水率曲线（UKC），以及它们对采样方向、农业管理方式与土壤质地的影响。实验在阿根廷潘帕斯地区的三个具有不同质地的地点进行（壤土、粉壤土和砂壤土），评估了两种农业管理方式：裸地休耕（BF）和覆盖休耕（CF）。结果表明，SWRC 和 UKC 都存在显著的滞后现象，且在质地较粗的土壤中这种现象更为明显，尤其是在覆盖休耕条件下。SWRC 的滞后受土壤质地和管理方式影响，而与采样方向无关，这证实了其标量性质。相比之下，UKC 的滞后表现出方向依赖性，体现了其矢量特性。各向异性分析显示，UKC 在干燥和湿润过程中的行为有所不同，水平方向样品的导水率通常较高，尤其是在具有层状结构的土壤中。种植覆盖作物会增强滞后现象，这可能是由于孔隙结构的变化所致。这些发现强调了在土壤水文研究中考虑滞后性和各向异性的必要性，以改进水资源管理策略，尤其是在应对气候变率的农业系统中。

1. 引言
据估计，到2050年全球人口将达到95亿，这将要求食品产量增加100%（Assouline等，2015；Sippo等，2025；Vasel-be-hagh和Ting，2020）。对有限且稀缺的水资源的需求将继续增加，竞争也会加剧（Cosgrove和Loucks，2015；Jamali等，2025）。因此，21世纪农业面临的重大挑战是更高效地利用水资源，因为农业是用水量最大的生产活动，占当前用水量的60-70%（Alfonso等，2020）。土壤是植物水分的主要来源，因此管理土壤水分状态在农业系统中至关重要（Gavrilescu，2021），尤其是在资源随时间逐渐减少的脆弱系统中。潘帕斯地区有许多报告指出，由于大规模采用免耕技术（NT），土壤质量正在退化，影响了水分渗透、储存和再分配等水文过程（Alvarez等，2009；Peralta等，2024；Sasal等，2006；Wilson等，2020）。这种背景下，提高对土壤主要水文功能的认识、测定及参数化变得尤为重要。

最重要的土壤水力特性包括土壤持水曲线（SWRC），它定义了体积含水量（θ，单位：cm3/cm3）与水头（h，单位：cm）之间的关系；以及非饱和导水率曲线（UKC），后者描述了水力传导率（K）随水头的变化关系（Mualem，1976；van Genuchten，1980）。这些水力特性受多种因素影响，包括土壤质地、结构、温度，尤其是土壤容重或孔隙比，这些因素直接影响孔隙大小分布和连通性（Gao等，2021）。在测定和建模这些水力特性时存在方法学和概念上的限制。通常，SWRC 通过解吸实验获得，但已知 SWRC 具有滞后现象（Haines，1930；Hillel，1982；Poulovassilis，1962）。滞后行为表明，θ 和 h 之间的关系在湿润过程和干燥过程中可能不同（Hillel，1982）。这种行为主要归因于“瓶颈”效应：在湿润过程中，较大孔隙控制水分变化；而在排水过程中，较小孔隙起主导作用（Konyai等，2006）。一般来说，高水头范围内的粗质土壤中滞后现象更为明显（Hillel，1998）。除了孔隙几何形状外，土壤容重（或孔隙比）也被认为是影响 SWRC 滞后的关键因素，因为它直接影响孔隙大小分布和连通性。密度变化，无论是自然因素还是管理措施导致的，都会改变滞后环的幅度和形状。多项研究表明，这种现象主要发生在接近饱和状态时（Bagarello等，2005；Kargas和Londra，2015；Rudiyanto等，2013）。Witkowska-Walczak（2006）指出，滞后现象与土壤类型有关，壤土中的滞后现象比粉粘土更明显。Gao等（2021）利用新模型发现，滞后行为可能取决于孔隙比和土壤密度。近期研究还强调，这些与密度相关的效应对土壤水力特性的参数化和模拟具有重要意义，尤其是在瞬态湿润-干燥条件下。此外，不同的农业做法会改变孔隙空间几何结构，从而影响土壤水力特性（Chandrasekhar等，2018），进而影响 SWRC 的滞后现象程度。Ball和Robertson（1994）发现，耕作土壤的滞后现象比免耕土壤更为明显，这表明孔隙结构和功能存在差异。多项研究表明，覆盖作物可通过改变土壤结构和孔隙大小分布来修改土壤水力特性（Araya等，2021；Chalise等，2019；Gabriel等，2019）。Polich等（2022）发现，冬季覆盖作物的种植改变了土壤孔隙配置，增加了孔隙度，并影响了接近饱和和中等饱和区域的滞后行为。

由于 UKC 是根据多孔系统配置定义的，当将其与水头关系绘制成图时也可能表现出滞后现象（van Dam等，1996；Scarfone等，2020；Usowicz和Lipiec，2025）。UKC 的滞后机制尚未完全明了（Gallage等，2013）。有报告指出，滞后现象会导致水分从根区重新分布过程延迟，从而影响水分输出（Kargas等，2021）。其他研究表明，这种现象可能对植被有益，因为滞后效应会保留更多水分在根区，减缓水分在土壤中的移动（van Dam等，1996；Leung等，2015；Wang等，2024）。在分析矢量特性（如 K）时，其方向性也是一个重要因素。文献中关于饱和状态下 K 的各向异性的研究较多，而非饱和条件下的各向异性研究较少（Raats等，2004）。各向异性通常由土壤的自然结构（D?rner和Horn，2009；Hillel，1982）或管理变化（Beck-Broichsitter等，2020；Jing等，2008；Pulido-Moncada等，2021）引起。关于 K 的各向异性，研究结果存在矛盾。例如，Jing等（2008）发现砂质Ultisol和粘质Alfisol在接近饱和状态时，垂直方向的 macropores 更多，因此 K 值更高；Beck-Broichsitter等（2020）在具有砂质蒙皮的紧实Luvisol中发现水平方向的 K 值高于垂直方向。Lozano等（2013）在潘帕斯地区的Argiudol土壤中研究了0–500 cm水头范围内的 K 各向异性，发现从饱和到100 cm水头范围内存在各向异性，水平方向的 K 值最高，这归因于层状结构。Polich等（2023）发现，覆盖作物管理改变了土壤孔隙配置，使得中等饱和范围的 UKC 各向异性趋于各向同性。此外，大多数此类研究仅分析了单一过程（干燥或湿润），如果不考虑滞后现象，可能会导致不完整或矛盾的结论，难以解释和比较不同研究结果。因此，需要更多研究同时考虑滞后现象以及不同类型土壤和管理方式下水文功能的方向性差异。了解水分在干燥和湿润过程中的动态及其空间动态，有助于更有效地管理水资源，尤其是在当前气候变率背景下。

我们提出以下假设：i) SWRC 的滞后现象显著，受管理和土壤质地影响，但与采样方向无关；ii) UKC 的滞后现象显著，受管理方式、土壤质地和采样方向的影响。基于这些假设，本研究的目标是：i) 分析并量化两种不同质地土壤在两种管理方式下的SWRC滞后现象；ii) 在相同实验条件下分析并量化 UKC 的滞后现象。

2. 材料与方法
2.1. 实验地点与处理方式
实验在阿根廷潘帕斯地区的三个代表性地点进行。这三个地点属于阿根廷国家农业技术研究所（INTA）的长期田间试验基地，具有不同的土壤质地：Chascomús地区的Abruptic Argiudoll（A层厚度为30 cm）；Pergamino地区的Typic Argiudoll（A层厚度为25 cm）；Gral. Villegas地区的Entic Haplustoll（A层厚度为30 cm）。表1列出了主要特征，表2展示了每种土壤的孔隙特性。这些土壤位于湿润温带气候区，气温很少低于0°C，因此地面不会冻结。

2.2. 土壤采样与水力特性测定
每个处理组在景观中选择地理位置相邻的样地。在每个处理组内，选择中心区域5×5米的代表性区域（避开明显的车轮轨迹）。在该区域内随机选取采样点进行土壤采样。采样深度为土壤前10厘米。每个地点和处理组分别取三个垂直方向的样品（高度10厘米，直径7厘米）和三个水平方向的样品（在A层前10厘米范围内，深度2–9厘米）。采样时使用土壤采样器，确保在湿润状态下进行，以避免扰动土壤结构。从这些样品中，每个样品的中心部分提取一个子样本（高度8厘米，直径2.5厘米，体积39.3立方厘米）。子样本在实验室中饱和条件下进行处理，以避免田间采样时可能造成的边缘扰动（Ramirez Reyes等，2025）。这种处理方式确保了干燥和湿润过程不会持续过长时间，从而减少方法误差。为了最小化蒸发动力学中的诱导梯度（顶部干燥程度较高，底部湿润程度较高），选择了小直径的子样本。样本总数为36个。2.3 实验装置的描述和土壤特性的确定 所选择的方法旨在实现对同一未受扰动土壤样本的干燥和湿润过程的连续且非破坏性的表征，这对于分析滞后现象至关重要。与野外方法相比，实验室方法具有多项优势，包括可以直接使用测量设备、更好地控制实验程序、精确调节样本饱和度、使用明确定义的样本几何形状以及更高的测量精度（Madsen等人，2008年）。与通常提供离散平衡点且需要长时间平衡的传统方法（如压力板装置或基于沙子的技术）不同，侧向蒸发和水平渗透的结合能够更详细和动态地评估θ–h关系。此外，这些方法还减少了样本的扰动，并确保了干燥和湿润过程之间的边界条件一致。然而，需要注意的是，由于张力计的空化现象，蒸发方法仅适用于高吸力范围，而渗透方法代表的是可能不同于野外规模过程的受控条件。所有实验都是在20°C的恒定环境条件下进行的。2.3.1 干燥和湿润持水曲线的确定 干燥曲线是使用侧向蒸发方法确定的。蒸发方法常用于同时确定土壤持水能力和水力传导率之间的关系（Schindler等人，2010年）。样本的水平放置消除了重力梯度，因此流动主要受基质势梯度控制，这可以提高土壤特性确定的准确性（Hu等人，2021年）。使用精密天平（±0.01克）记录样本重量的变化，同时使用微张力计（T5 Tensiometer，METER Group, Inc.，美国）监测土壤水压力头。将样本浸入容器中并从底部开始饱和以避免空气被困，然后插入两个直径为0.5厘米、长度为1厘米的多孔陶瓷尖端的微张力计。传感器安装时陶瓷尖端位于土壤芯样本的中心。然后，在样本的一侧覆盖一层尼龙网。这种材料对气体是通透的，在实验时间内蒸发可以忽略不计，而另一侧保持暴露状态以促进蒸发。因此，边界条件为覆盖面无流动且压力头为h=0，未覆盖面则自由蒸发。蒸发持续进行，直到压力头接近约1000厘米，以防止张力计的空化（当h>1000厘米时），并且该方法可以在不移除张力计的情况下继续进行。在此阶段，每隔5分钟记录一次θ和h的值。一旦达到目标压力头，就覆盖样本的两侧以允许内部水分重新分布。当两个张力计记录到相同的土壤水压力头值时，认为平衡已完成。然后通过使用微型渗透仪（Soracco等人，2019年）的水平渗透来确定湿润曲线。这种方法可以更好地控制过程，并且比大多数现有方法耗时更少。对水入口施加轻微的张力以产生缓慢的流速，从而能够捕捉到更细致的动态变化，每隔2分钟记录一次θ和h的值。当样本达到饱和状态时，程序结束，这可以通过两个张力计中的h值接近0厘米来指示。图1展示了实验室装置和测量参数的变化过程。下载：下载高分辨率图像（330KB）下载：下载全尺寸图像图1. 用于确定土壤干燥和湿润持水曲线的实验室装置以及代表性样本的测量参数变化过程。摘自Polich等人（2022年）。2.3.2.3.2 干燥和湿润水力传导率曲线的确定 UKC是根据使用瞬时剖面法获得的数据确定的（Hu等人，2021年；Schindler和Müller，2006年）。水力传导率根据公式（1）计算：(1)Kh=ΔV/2AΔt，其中ΔV是从天平上记录的质量损失计算出的体积变化（1克=1立方厘米），A是蒸发面积。在时间t时样本中两个位置的压力头值h1(t)和h2(t)被用来计算每个时间间隔（Δt=t2-t1，t2>t1）内的平均水力梯度im：(2)im=1/2(h1(t1)?h2(t1))/Δz+h1(t2)?h2(t2)/Δz 在固定的h值（100、200、300和400厘米）下分别确定了四个K值，分别记为K(100)、K(200)、K(300)和K(400)。2.3.3 SWRC的滞后程度 滞后程度（H）可以定义为湿润和干燥曲线之间的最大含水量差异与θs和θr之间差异的比值：(3)H=Δθ_max/θs?θr 2.3.4 各向异性指数 各向异性指数（AI）是水平方向测得的参数值与垂直方向测得的参数值之比的对数：(4)AI=log10(KH/KV)，其中KH和KV分别是水平和垂直方向测得的水力传导率值。2.4 统计分析 为了评估研究因素对SWRC滞后程度的影响，对垂直和水平样本进行了双因素方差分析（ANOVA）。考虑的因素包括土壤处理（两个水平：BF和CF）和地点（三个水平：CHA、PER和VIL）。为了评估K(100)、K(200)、K(300)和K(400)的滞后程度，对垂直和水平样本进行了单因素方差分析，以水文过程（两个水平：干燥和湿润）作为主要因素，并进一步按土壤处理（BF、CF）和地点（CHA、PER、VIL）进行数据划分。计算了所有参数的标准差。使用Fisher的最小显著差异（LSD）检验（Sokal和Rohlf，1995年）进行了均值比较。小写字母表示处理之间的显著差异。当各向异性指数（AI）显著不等于零时，认为存在各向异性。对干燥和湿润过程进行了单样本t检验，零假设设为0。所有分析均使用InfoStat软件（Di Rienzo等人，2008年）进行。3. 结果与讨论 3.1 土壤持水曲线的滞后图2展示了不同地点和处理的干燥和湿润持水曲线。结果与之前的研究一致，证实了滞后现象是显著的，必须加以考虑（Bondí和Castellini，2022年；Rafraf等人，2016年；Witkowska-Walczak，2006年）。下载：下载高分辨率图像（311KB）下载：下载全尺寸图像图2. Chascomús地点（CHA）、Pergamino地点（PER）和Gral. Villegas地点（VIL）在两种处理方式（裸露休耕、BF和覆盖休耕、CF）下的干燥和湿润过程持水曲线。不同研究地点之间的滞后行为存在差异，这证实了这一现象取决于土壤质地和密度，正如Witkowska-Walczak（2006年）和Gao等人（2021年）先前报道的那样。在PER和VIL中，从饱和状态到大约100厘米的h范围内观察到了滞后现象，这与大孔和中孔的范围相对应。然而，PER BF在中间h范围内表现出意外的滞后行为，湿润曲线中的含水量略高于干燥曲线。不过，这些差异很小，可能是由于方法的精度造成的。进一步的研究应该更详细地探讨这种行为，以确定它是由方法学限制引起的还是反映了土壤的固有性质。Kargas和Londra（2015年）在免耕条件下发现类似范围（20–150厘米h）内的壤土中干燥和湿润曲线之间存在最大差异。在 sandy loam 土壤中，Bagarello等人（2005年）表明，在–50至–3厘米的压力头范围内，干燥时的体积含水量是湿润时的1.16–1.22倍。Rudiyanto等人（2013年）进一步证明，水在团聚体孔隙中保留时表现出明显的滞后行为，这在双峰持水曲线的初始部分得到体现。图3展示了不同地点和处理的垂直样本的滞后程度。下载：下载高分辨率图像（45KB）下载：下载全尺寸图像图3. 不同研究地点（Chascomús，CHA；Pergamino，PER和Gral. Villegas，VIL）和处理方式（裸露休耕，BF和覆盖休耕，CF）的垂直样本的滞后程度（H）值。小写字母表示地点x处理之间的显著差异（LSD，p<0.05）。获得的值范围为0.03至0.23，与之前的发现一致（Rafraf等人，2016年）。VIL的H值最高，其次是PER和CHA（p<0.05）（图3）。在质地较粗的土壤中，滞后行为更为明显，这与Witkowska-Walczak（2006年）的观察结果一致，她发现在分析3–5毫米团聚体的重新压实的样本时，壤土的滞后程度高于粉质粘土土壤。正如Gao等人（2021年）所报告的，滞后行为也可能受到地点体积密度的影响（壤土、粉质粘土和 sandy loam 土点的体积密度分别为1.17克/立方厘米、1.20克/立方厘米和1.38克/立方厘米）。关于管理效应，在PER和VIL地点发现了显著差异，其中CF处理方式的滞后值高于BF处理方式（p<0.05）。这表明影响土壤结构和孔隙系统功能的管理措施可以改变滞后程度的大小（Ball和Robertson，1994年）。冬季覆盖作物的引入通过根系活动和增加的有机碳输入改变了孔隙功能（Behrends Kraemer等人，2017年；Duval等人，2016年；Gabriel等人，2019年）。同样，Bondí和Castellini（2022年）发现，随着堆肥含量的增加， sandy loam 土壤中的滞后行为增强。表面有机碳的积累改善了土壤结构，并促进了土壤生物群的发展，进而促进了有机残渣的结合和结构性孔隙的形成（Barker等人，2018年；Domínguez和Bedano，2016年；Novelli等人，2013年）。这一过程还增加了多孔系统的连通性，并促进了作为水分运动优先路径的稳定生物孔的开发（Blanco-Canqui等人，2015年；Chalise等人，2019年）。特别是，大孔的增加改变了SWRC在低吸力范围内的斜率，因为这些孔在干燥时排水迅速，在湿润时快速充满，从而产生了排水和湿润轨迹之间的差异（Hillel，1998年）。图4展示了不同地点和处理的水平样本的滞后程度（H）。下载：下载高分辨率图像（47KB）下载：下载全尺寸图像图4. 不同研究地点（Chascomús，CHA；Pergamino，PER和Gral. Villegas，VIL）和处理方式（裸露休耕，BF和覆盖休耕，CF）的水平样本的滞后程度（H）值。小写字母表示地点x处理之间的显著差异（LSD，p<0.05）。水平样本的记录值范围为0.02至0.28，与垂直样本的记录值相似。表3显示了每个地点和处理的垂直和水平值的比较结果。如前所述，由于孔隙率是一个标量属性，它不应该随采样方向而变化（Polich等人，2023年）。尽管H的数值差异较小且不显著，但结果表明采样方向之间的滞后行为相似，表明滞后现象不受样本方向的影响。这些轻微的差异可能是由于虽然采样的是均匀层，但采样深度存在差异（垂直样本为1–9厘米，而水平样本为4–6.5厘米）。表3. 不同研究地点（Chascomús，CHA；Pergamino，PER和Gral. Villegas，VIL）和处理的垂直和水平样本的滞后程度（H）值。小写字母表示按处理和地点划分的方向之间的显著差异。地点处理H [-]垂直水平CHABF0.03 a0.02 aCF0.05 a0.04 aPERBF0.05 a0.02 aCF0.16 a0.19 aVILBF0.14 a0.11 aCF0.23 a0.28 a3.2 水力传导率曲线的滞后 在本研究中，UKC的滞后受到样本方向、土壤类型和管理方式的影响。表4和图5展示了在垂直样本中，每个地点、处理方式（干燥或湿润）以及水力过程（100、200、300和400厘米深度）下的K值。在所有三个地点，无论在哪种K值下，干燥和湿润处理之间都没有观察到显著差异，这表明在 questa 管理方式下，UKC（水分特征曲线）没有表现出滞后现象。

表4. 不同研究地点（Chascomús, CHA；Pergamino, PER 和 Gral. Villegas, VIL）、处理方式（覆盖休耕, CF；裸露休耕, BF）以及过程（干燥；湿润）下，不同水头下的水力传导率（K）的平均值（±标准差，n=3）。小写字母表示处理方式之间的显著差异；（LSD, P < 0.05）。

| 地点 | 处理方式 | 过程 | K(100) | K(200) | K(300) | K(400) |
|-----------|--------|-----------|-------------|-------------|-------------|
| Chascomús | CF | 干燥 | 0.13±0.076a | 0.07±0.036a | 0.03±0.014a | 0.02±0.008a |
| | BF | 湿润 | 0.09±0.062a | 0.03±0.009a | 0.01±0.004a | 0.01±0.002a |
| Pergamino | CF | 干燥 | 0.17±0.143a | 0.07±0.053a | 0.03±0.020a | 0.02±0.010a |
| | BF | 湿润 | 0.08±0.085a | 0.03±0.030a | 0.03±0.029a | 0.02±0.011a |
| Gral. Villegas | CF | 干燥 | 0.10±0.032a | 0.04±0.013a | 0.02±0.007a | 0.01±0.004a |
| | BF | 湿润 | 0.10±0.037b | 0.06±0.008a | 0.03±0.004a | 0.02±0.002a |
| | | | | | |
| | CF | 干燥 | 0.16±0.04±0.023a | 0.02±0.007a | 0.01±0.004a | 0.01±0.002a |
| | BF | 湿润 | 0.05±0.031a | 0.03±0.016a | 0.02±0.011a | 0.02±0.009a |
| | | | | | |
| | CF | 干燥 | 0.15±0.068b | 0.03±0.006a | 0.02±0.004a | 0.01±0.003a |
| | BF | 湿润 | 0.04±0.012a | 0.02±0.006a | 0.01±0.004a | 0.01±0.004a |
| | | | | | |

图5. 显示了Chascomús（CHA）、Pergamino（PER）和Gral. Villegas（VIL）两个地点在两种处理方式（裸露休耕, BF 和覆盖休耕, CF）下，垂直样本中干燥和湿润过程的水力传导率（K）曲线。星号表示在相应水头（h）下干燥和湿润曲线值之间的显著差异。

然而，在PER和VIL的CF处理方式下，检测到了显著差异，其中PER的K(100)和K(200)以及VIL的K(100)在干燥过程中的值更高。这些结果表明，覆盖作物改变了土壤孔隙系统的配置，从而影响了UKC的滞后现象。这种效应可能归因于干燥和湿润过程中填充的孔隙大小和形状的差异，进而影响了水力传导率（Gallage等人，2013年）。由于K取决于充满水的孔隙的比例及其连通性，覆盖作物引起的结构差异可能会加剧UKC的滞后现象，在接近饱和的排水范围内显示出更高的值。

表5和图6展示了在水平样本中，每个地点、处理方式以及水力过程（湿润或干燥）下100、200、300和400厘米深度的K值。由于K是一个矢量属性，其与垂直样本的表现不同。在所有三个地点，BF处理方式下的K(100)表现出滞后现象，而垂直样本则没有。相反，PER和VIL的CF处理方式表现出与垂直样本相似的行为。然而，在CHA中，K(100)、K(200)和K(300)的滞后现象显著。在所有地点中，BF处理方式下的效果最为明显，垂直样本中的K(100)值是非滞后的，但在水平样本中表现出滞后现象。

表5. 不同研究地点（Chascomús, CHA；Pergamino, PER 和 Gral. Villegas, VIL）、处理方式（覆盖休耕, CF；裸露休耕, BF）以及过程（干燥；湿润）下，不同水头下的水力传导率（K）的平均值（±标准差，n=3）。小写字母表示处理方式之间的显著差异；（LSD, P < 0.05）。

图6. 显示了Chascomús（CHA）、Pergamino（PER）和Gral. Villegas（VIL）两个地点在两种处理方式（裸露休耕, BF 和覆盖休耕, CF）下，水平样本中干燥和湿润过程的水力传导率（K）曲线。星号表示在相应水头（h）下干燥和湿润曲线值之间的显著差异。

尽管UKC的滞后现象是一个较少研究的现象，但我们的结果表明它可能是显著的，并且在分析不同农业管理方式下的土壤水分动态时应予以考虑。由于K是一个矢量属性，因此也应在不同方向上对其进行评估。图7展示了根据不同地点和处理方式，在干燥和湿润过程中，水平（K?）和垂直（K?）水力传导率值计算出的各向异性指数（AI）作为水头（h）的函数。

图7. 根据不同地点（Chascomús, CHA；Pergamino, PER 和 Gral. Villegas, VIL）和处理方式（覆盖休耕, BF；覆盖休耕, CF）的干燥和湿润过程，水力传导率（K）值计算的各向异性指数（AI）作为水头（h）的函数。根据t检验结果被认为是各向异性的值用虚线方框标出。

在CHA中，两种处理方式下以及在两种过程中，K(100)、K(200)、K(300)和K(400)都表现出各向同性。这与D?rner和Horn（2009年）的报告一致，他们指出发育良好的、聚集的土壤预计不会表现出土壤功能的各向异性。在PER中，干燥过程中100、200、300和400厘米深度的K值在BF处理方式下表现出各向异性，水平方向的值更高。这种行为可能与阿根廷潘帕斯地区无耕作条件下粉质土壤中的层状结构有关，这显著影响了水分入渗（Lozano等人，2013年；Sasal等人，2006年；Villarreal等人，2020年）。在CF处理方式下，K(100)表现出各向同性，表明土壤管理可以影响UKC，特别是在对应于较大孔隙的低水头时。在湿润过程中，两种处理方式的K值都表现出各向同性，这表明在干燥过程中孔隙的方向性主要影响水分运动。

这些结果突显了在同时考虑滞后性和各向异性的情况下研究非饱和条件下水分运动的复杂性。之前关于K各向异性的研究通常分别分析干燥或湿润过程（Assouline和Or，2006年；Beck-Broichsitter等人，2020年；Jing等人，2008年；Lozano等人，2013年）。我们的发现表明，必须分析这两种过程才能准确评估优先方向性行为，因为仅评估一个过程或忽略滞后性可能会导致不完整、错误或矛盾的结论。总体而言，土壤的各向同性或各向异性取决于所分析的过程、土壤类型和管理方式，例如覆盖作物的种植。然而，尽管分析了均匀的层位，但需要注意的是，采样设计意味着采样深度略有不同（垂直样本为1-9厘米，而水平样本为4-6.5厘米），这可能会影响结果。此外，本研究的结果和结论基于在有限数量地点进行的受控实验室实验。因此，在将这些发现外推到其他土壤类型、气候条件或田间尺度过程时需要谨慎，因为在这些情况下，时间变异性、生物活动和大气作用等因素可能起重要作用。在现场进行研究以进一步调查这些变量并更好地理解它们的动态及其对生产和土壤水分有效利用的影响将是有趣和必要的。

4. 结论

本研究证明，SWRC和UKC的滞后现象都是显著的，并且受到土壤质地和管理方式的强烈影响。相比之下，SWRC的滞后性不受采样方向的影响，而UKC的滞后性由于水力传导率的矢量性质而表现出明显的方向依赖性。结果强调，管理方式，特别是覆盖作物的加入，改变了土壤孔隙结构和连通性，从而影响了滞后性的大小和水力传导率的方向性行为。这些效应在质地较粗的土壤中更为明显，其中大孔隙动态起着主导作用。我们的发现还强调，仅分析干燥或湿润过程可能会导致对土壤水力行为的解释不完整或误导性。同时考虑滞后性和各向异性可以更全面地理解土壤中的水分动态。

尽管该研究是在受控实验室条件下并在有限数量的地点进行的，但观察到的趋势的一致性表明土壤结构、管理和滞后性之间的关系是稳健的。然而，在将这些结果外推到其他土壤类型、气候条件或田间尺度过程时应谨慎。总体而言，这项工作有助于提高对不同管理方式下土壤水力行为的理解，并强调了在分析和解释土壤水分动态时考虑滞后性和方向性效应的重要性。

CRediT作者贡献声明：

María Paz Salazar：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、数据管理。
Guido Lautaro Bellora：撰写——审阅与编辑、方法学、调查。
Luis Alberto Lozano：撰写——审阅与编辑、监督、调查、形式分析、概念化。
Rafael Villarreal：撰写——审阅与编辑、调查、数据管理。
Martín Palazzolo：撰写——审阅与编辑、方法学、调查。
C. Germán Soracco：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、概念化。
Nicolás Guillermo Polich：撰写——初稿、验证、方法学、调查、概念化。

资金支持

本研究得到了ANPCyT（PICT-2017–0202项目）、CONICET（PIP 2017–0345项目）和UNLP（PI+D 11A335项目）的支持。