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（），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。
