根系裂隙动态对土壤水分渗透的影响及其在季节变化中的表现

《Smart Agricultural Technology》：The influence of root-crack dynamics on soil water infiltration across seasonal variations

根系生长与土壤开裂的动态互作对渗透率的影响研究。采用双环渗透仪和Minirhizotron相机，在泰国曼谷KMITL进行18个月观测，发现植被区渗透率在干季（裸区1.63×10?? m/s，植被区达8倍增幅）与根系发育（RAR峰值6.3%）及开裂强度因子（CIF）密切相关，干湿循环导致土壤结构重构，根系衰退反而通过孔隙重塑提升渗透。

　　在农业和环境科学领域，土壤入渗能力是影响水循环和作物生长的重要因素。土壤入渗不仅决定了水分如何进入土壤，还对土壤稳定性、作物产量以及水资源管理策略的制定具有深远影响。因此，理解土壤入渗率的变化及其影响因素对于提高农业系统的可持续性和效率至关重要。本研究聚焦于植被与土壤裂隙对入渗率的相互作用，尤其是在湿干循环条件下的影响，旨在为农业土壤管理提供新的视角和科学依据。

植被覆盖在调节土壤入渗过程中扮演着双重角色。一方面，植物根系可以增强土壤结构，形成有助于水分渗透的孔隙网络，从而提高入渗率。另一方面，植物的生长和死亡也会对土壤裂隙的形成和分布产生影响。特别是在干旱季节，土壤因水分减少而发生收缩，导致裂隙的产生，这可能会对入渗过程产生不利影响。然而，一些研究表明，植物根系在一定程度上可以抑制裂隙的扩展，甚至有助于裂隙的闭合，从而对土壤的水分管理产生积极影响。因此，研究植被与裂隙的相互作用，不仅有助于理解土壤的物理特性，还能够揭示其在不同季节和气候条件下的动态变化。

本研究选取了泰国曼谷地区的Khlong Sam Wa作为实验地点，其气候类型为热带季风气候，分为雨季、干季和夏季三个季节。实验区域被划分为三个部分：两个植被区（V1和V2）以及一个裸露区（B）。植被区种植了 Vetiveria zizanioides（又称香根草），这种植物因其在土壤保护和坡地稳定方面的良好表现而被广泛应用于土壤管理实践。香根草的根系具有独特的生长模式，能够垂直深入土壤，而不会横向扩展，从而减少了与其他作物根系之间的竞争。此外，其根系的深度和密度有助于增强土壤的结构稳定性，提高水分渗透效率。

为了研究植被和裂隙对入渗率的影响，本研究采用了一种称为双环入渗仪的设备，这是一种常用于现场测量土壤入渗率的标准方法。双环入渗仪由两个同心环组成，外环用于减少横向水流对测量结果的影响，而内环则用于监测垂直方向的入渗情况。在实验过程中，研究人员通过定期安装和观察双环入渗仪，记录了不同季节条件下土壤入渗的变化。同时，为了监测植物根系的生长和裂隙的形成，研究团队使用了迷你根系摄像机（minirhizotron），这是一种非破坏性方法，可以持续追踪根系的生长动态，并通过图像分析计算出根面积比（RAR）和裂隙强度因子（CIF）。

研究发现，在第一个雨季初期，植被区的根面积比（RAR）较低，仅为0%，表明根系尚未完全建立。随着雨季的推进，根系逐渐发育，RAR在随后的干季达到2.2%，在夏季则进一步上升至4%。然而，这种增长在第二个雨季中有所放缓，最终在第二个干季降至4.5%。这一变化趋势与水分供应和植物生长状态密切相关。在干旱季节，植物根系通过吸收水分维持自身的生存，同时在土壤中形成稳定的孔隙网络，促进水分渗透。然而，当水分供应充足时，根系的生长速度减缓，部分根系可能开始出现腐烂现象，导致土壤结构发生变化，从而影响裂隙的形成和入渗能力。

在裂隙强度因子（CIF）方面，研究发现裸露区的裂隙强度显著高于植被区。这一现象在干季尤为明显，特别是在第一个干季，裸露区的CIF达到5.2%，而植被区的CIF仅为1.6%。随着后续季节的变化，CIF在植被区和裸露区均出现波动。在雨季，由于土壤水分增加，裂隙闭合，CIF下降，而在干季，土壤收缩导致裂隙扩展，CIF上升。值得注意的是，尽管植被区的CIF在干季有所增加，但其数值仍低于裸露区。这表明，虽然植物根系在一定程度上能够减少裂隙的形成，但裸露土壤在干旱条件下的裂隙扩展更为显著。

进一步的分析显示，入渗率的变化与CIF和RAR之间存在显著的关联。在干季，随着CIF的增加，土壤裂隙为水分提供了更高效的渗透路径，从而提高了入渗率。例如，在第一个干季，裸露区的入渗率达到了1.63×10?? m/s，而植被区的入渗率则表现出更显著的提升，达到第一个干季的8倍。这表明，植物根系在干季中通过形成更复杂的孔隙网络，提高了水分的渗透效率。然而，在雨季，随着土壤水分的增加，CIF和入渗率均有所下降，这可能是由于土壤膨胀导致裂隙闭合，同时根系在湿润条件下吸收水分，进一步限制了裂隙的扩展。

研究还发现，植被区的入渗率在第二个干季显著提高，达到了第一个干季的8倍。这一现象与植物根系的腐烂过程密切相关。在根系腐烂的过程中，土壤的孔隙结构发生变化，形成了更多的宏观孔隙，从而提高了水分渗透能力。此外，干湿循环对土壤结构的重塑作用也对入渗率产生了重要影响。随着土壤结构从非聚集状态向聚集状态转变，土壤的渗透能力得到增强，形成了更大的孔隙，为水分提供了更顺畅的渗透路径。

在研究过程中，研究人员还注意到，根系的生长和腐烂对土壤裂隙的形成和闭合具有重要影响。在根系生长阶段，土壤裂隙的扩展受到一定程度的抑制，因为根系通过吸收水分和增强土壤结构，减少了裂隙的形成。然而，随着根系的腐烂，土壤的孔隙结构发生变化，裂隙的形成和扩展得到促进。这一过程在第二个干季尤为明显，裸露区的裂隙强度因子（CIF）从第一个干季的5.2%上升至4%，表明土壤裂隙在干湿循环中呈现出动态变化的特征。

从农业实践的角度来看，这些发现对土壤管理和灌溉策略的优化具有重要意义。在干旱季节，土壤裂隙的形成和扩展可能会对水分渗透产生不利影响，因此需要采取适当的措施来减少裂隙的扩展，例如通过覆盖物或改良土壤结构来提高土壤的抗裂能力。而在湿润季节，土壤裂隙的闭合可能会降低水分渗透效率，因此需要通过合理的灌溉管理来维持土壤的适宜水分含量。此外，植物根系的腐烂过程虽然会导致部分孔隙的减少，但同时也为土壤提供了新的渗透路径，从而在一定程度上提高了水分渗透能力。

研究结果还表明，植被区的入渗能力在干季显著优于裸露区，但这种优势在雨季可能会减弱。因此，在农业系统中，合理的植被管理和土壤结构维护是提高水分利用效率的关键。例如，在干季，通过增加植被覆盖可以有效减少裂隙的扩展，提高土壤的渗透能力；而在雨季，过量的水分可能会导致土壤结构的破坏，影响水分渗透效率，因此需要在雨季期间合理调控灌溉量，避免土壤过度饱和。

总体而言，本研究通过实地观测和数据分析，揭示了植物根系与土壤裂隙在不同季节条件下对入渗率的复杂影响。这些发现不仅为理解土壤水文行为提供了新的视角，还为农业实践中的土壤管理策略提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同植物种类和种植密度对土壤裂隙和入渗率的影响，以及如何通过土壤改良措施来优化水分渗透能力。