稻田—田埂過渡區土壤優先流特征研究*

李勝龍 易 軍 劉目興 張 君 楊 燕 張海林

（地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，華中師范大學城市與環境科學學院，武漢 430079）

水稻是人類賴以生存的主要糧食作物，其種植范圍分布較廣，全世界有超過50%的人口以大米為主食［1］。受水稻生長及增產需要，每年需灌溉大量淡水并施加大量化肥及農藥［2］。一方面，由于稻田（Paddy field）耕作層土壤受人為耕作影響，土壤大孔隙分布較廣，優先流作用強烈，加速農藥、化肥等對地下水的污染［3-5］；另一方面，長期耕作使得土壤受機械壓實，易在耕作層下形成質地緊實的犁底層［6-7］。田內水分受犁底層阻擋，垂直滲漏量較少，轉而以側向流形式散失［8-9］。

田埂（Ridge）位于稻田四周，一般可分為兩種，即修筑于兩塊稻田之間的田間田埂和修筑于稻田與灌溉溝渠之間的田溝田埂。其中，田間田埂的修建主要便于農事勞作行走以及田塊區分，而田溝田埂還具有配合溝渠進行灌溉與排水的功能。雖然田埂占田內面積比率較小，但其受耕作活動影響較小，穴居動物活動頻繁，土體內孔洞較多，導致大孔隙分布較廣，優先流較田內更強烈［10-11］。研究表明，水稻生育期通過田埂區域流失的水分可占灌溉和降水總量的30%以上［10,12］。田間水分通過田埂的快速滲漏，不僅造成大量灌溉水的流失，也加劇地表水和地下水的污染程度［6,13］。而且，田埂類型的差異，可能造成不同的水流路徑和優先流強度。當相鄰稻田地形差異較小時，水分通過田間田埂時主要在田埂正下方發生垂直入滲；而田間水分流經田溝田埂區域時，水分會以垂直滲漏和側向流的形式快速散失［8,10］。此外，田溝田埂近溝渠面暴露于大氣，導致其較田間田埂受到更強烈的土壤動物活動和雜草生長影響，這種影響可能會造成更多的土壤大孔隙分布和更強烈的優先流現象，而已有研究較少考慮田埂類型差異。

目前，研究土壤優先流的方法有多種，其中，染色示蹤法是較為常用的研究方法［14-16］。該方法將染色劑以一定比例溶解于水并均勻噴灑于土壤表層以進行土壤原位定點染色試驗，通過獲取并處理土壤染色剖面數字圖像以分析土壤水流形態學特征。該過程不僅可直接觀察水分和溶質在土壤中的運動軌跡，還能半定量化分析土壤水分運動及優先流特征差異［15,17］。而在染色劑的選擇上有多種［18］，由于食品級亮藍具有高滲透性、無毒性、低吸附性、與土壤顏色差異大且價格低廉等優點，目前被廣泛用于野外染色示蹤試驗［19-20］。

江漢平原是我國重要商品糧生產基地，水稻為主要作物類型。近年來，由于三峽大壩的修建和“南水北調”中線工程的實施，三峽下游長江段和丹江口水庫下游漢江段夏季輸水量減少，導致江漢平原地區水稻生長季的灌溉水源減少，稻田季節性干旱頻率增加［21-22］。此外，水稻種植中過量施肥引起的氮素流失導致該地區水體富營養化問題凸顯［23］。本研究以江漢平原典型稻田—田埂過渡區土壤為研究對象，通過田間染色示蹤和室內樣品分析等方法，對比該過渡區不同位點土壤染色特征差異，揭示稻田—田埂過渡區土壤優先流特征差異與發生機制，研究結果可為制定合理的稻田管理措施以減少稻田水氮滲漏提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

江漢平原（11 0°3 0′～11 6°0 6′E，29°22′～31°30′N）位于中國湖北省中南部，兩湖平原的北部，系長江和漢江泛濫淤積形成的沖積平原，總面積為3.76×104km2。該區地處暖溫帶季風氣候區，雨熱同季，年平均氣溫16.1℃，無霜期243～275 d。多年平均降水量為1 100～1 400 mm。其中，年降水量的70%～85%集中在4—9月。研究區土壤母質以近現代河流沖積物和湖相沉積物為主，地下水位多年平均1.0 m左右。水稻為該區最主要作物類型，種植歷史悠久。稻田土壤類型多為潛育型和潴育型水稻土，典型剖面產狀為Ap—P—C，土壤質地為壤土和黏壤土。稻田耕作層土壤團粒狀發育良好，犁底層多為塊狀結構，有根銹條紋［24］。

1.2 樣地選取

研究樣點位于華中師范大學江漢平原農田監測站（112°20′E，29°58′N），地處江漢平原中南部，站區農田以雙季稻種植和水稻/小麥輪作為主。在經多次現場調查和當地農民訪談后，選定同一稻田（雙季稻種植；早、晚稻生育期分別為4—7月和7—11月）兩種不同類型稻田—田埂過渡區（田間田埂與田溝田埂過渡區）開展試驗［25］。試驗稻田長約60 m（田間田埂），寬約27 m（田溝田埂），水稻種植年限大于100 a。田埂均為20世紀80 年代初期農村土改分田時修建，之后并未移動，僅在每年耕作時對田埂表層土壤進行填補與修繕。

野外染色示蹤試驗與土壤樣品采集于2016年4月初開展，期間稻田尚未耕作。將位于兩塊稻田之間的區域命名為“田間田埂過渡區”（田埂高10 cm，寬45 cm），將位于稻田和溝渠之間的田埂命名為“田溝田埂過渡區”（田埂高15 cm，寬60 cm）［25］。將過渡區劃分為“田內”、“過渡帶”和“田埂”等不同位點，其中“過渡帶”介于田內和田埂之間，寬20 cm。

1.3 染色示蹤與圖像處理

以亮藍溶液為示蹤劑于田間田埂和田溝田埂過渡區開展染色示蹤實驗。沿水平和垂直方向分別挖取染色剖面［8］。每個剖面挖取完畢后，立即放置標尺進行遮光拍照。參照Janssen和Lennartz［8］及Weiler和Flühler［26］等染色圖像處理方法，獲得土壤染色面積比（Stained area ratio，SAR）和染色路徑（Stained path）等水流特征參數。其中，SAR是指剖面內染色面積占剖面面積的百分比，反映水流在整個土壤剖面的變化規律［26］。而染色路徑指垂直染色剖面的二值化圖像內，每行像元中單個獨立的或多個連續的染色像元，均視為獨立的染色路徑（染色像元個數大于等于1）。染色路徑一般可分為染色路徑數（Stained path number，SPN）和染色路徑寬度（Stained path width，SPW），共同反映優先流的連通性和分支性［27］。其中，SPN指垂直染色圖像內，所統計的每行像元中獨立染色路徑數量，SPW指每條獨立染色路徑對應的土壤實際水平寬度［26］。結合稻田土壤實際染色狀況，確定SPW劃分標準為小于10 mm、0～80 mm和大于80 mm，以表1為依據劃分不同位點優先流類型。

表1 優先流分類標準Table 1 Criteria for classification of preferential flows

1.4 數據處理

本文垂直染色剖面形態學參數（SAR、SPN與SPW）和優先流類型結果均為5張剖面圖片處理得出的平均值。數據用Excel 2016處理，并用SPSS 22進行相關性分析和單因素方差分析，以Origin 9.0作圖。

2 結 果

2.1 過渡區土壤剖面染色面積比

由過渡區各位點總染色面積比盒狀圖可知，各位點SAR整體上由大到小體現為過渡帶、田埂、田內（圖1）。各位點SAR隨深度的增加而波動下降。0～20cm土層SAR較高，占整個染色面積的53.85%～88.55%，其中，田內在8～10 cm SAR達到90.00%以上；20 cm以下過渡區各位點SAR較低，整體上低于15.00%。

田內、過渡帶和田埂S A R在不同深度土層差異顯著（圖1，表2）。0～1 0 c m各位點S A R隨土壤深度增加而增加，且平均S A R由大到小依次為田內、過渡帶、田埂。1 0～3 0 c m土層各位點S A R急劇下降，且田內下降最快，下降幅度達96.65%～99.17%，過渡帶次之（88.31%～93.21%），田埂最慢（69.36%～87.51%）。30～90 cm土層平均SAR由大到小依次為田埂、過渡帶、田內。如表2，各發生層土壤平均SAR顯示田埂在18 cm以下區域高于田內，且16～35 cm土層田溝田埂過渡區田埂位點SAR為田內的4.19倍。

各過渡區水平剖面SAR與垂直剖面SAR能較好對應，隨著土壤深度增加，田內和過渡帶位點水平SAR急劇降低，而田埂則出現先增加后急劇降低趨勢，且20 cm以下土層各位點水平SAR由大到小依次為田埂、過渡帶、田內（圖2）。田內0～5 cm水平剖面SAR最高，平均達64.11%～72.78%，且染色區域呈連續分布；5 cm 以下田內水平剖面SAR急劇下降，而田埂位點平均水平剖面SAR為田內的2.04倍～2.27倍，且20 cm染色區域以不連續點狀分布為主。

2.2 過渡區染色路徑數與染色路徑寬度分布

圖1 過渡區垂直剖面不同位點染色面積比Fig. 1 Stained area ratio （SAR） of the vertical profiles in the intermediate zones relative to sampling sites

表2 不同深度土層染色圖像形態學參數Table 2 Morphological parameters of the dye tracer image relative to soil layer

過渡區各位點平均SPN均隨深度增加呈現先增加后波動下降趨勢，且在深度5～15 cm處SPN最大（圖3）。在0～10 cm田內平均SPN最多，最高達31條；隨著深度增加，在深度20 cm以下土層SPN由大到小依次為田埂、過渡帶、田內，其中，田溝田埂過渡區的田埂位點20～80 cm平均達10條，為田內和過渡帶的2.0倍。不同過渡區田埂位點SPN雖在0～20 cm差異較小，但20 cm以下土層田溝田埂位點SPN逐漸高于田間田埂，雖田間田埂在60～80 cm土層有小峰值出現，但整體上依舊小于田溝田埂。

圖2 過渡區水平染色面積比及染色剖面Fig. 2 The horizontal stained soil area ratio and sections of dyed soil in the intermediate zones

圖3 過渡區不同位點染色路徑數Fig. 3 Stained path number （SPN） in the intermediate zones relative to sampling sites

過渡區SPW顯示，各位點染色區域主要集中于0～20 cm土層，占整體SAR的53.58%～88.55%，其中10～80 mm SPW 占多數；各過渡區20 cm以下土層SPW均以小于10 mm和10～80 mm為主（圖4）。不同位點同深度土層SPW差異較大，在0～20 cm土層，田內SPW以10～80mm和大于80 mm為主；而過渡帶和田埂則以小于10 mm和10～80 mm為主，大于80 mm整體占比較低（0.23%～4.20%）。20 cm以下土層，田內、過渡帶和田埂SPW均以小于10 mm和10～80 mm為主，但過渡帶和田埂明顯高于田內，其中，田埂小于10 mm SPW平均值為田內的2.70倍～2.94倍。

2.3 過渡區不同位點優先流類型與水流特征

過渡區各位點水流類型均呈現明顯的優先流特征，且整體上以高相互作用大孔隙流為主（圖5）。過渡區不同位點0～30 cm土層優先流類型差異較大，田內表現為非均質指流—高相互作用大孔隙流，過渡帶和田埂位點多以混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流相間分布，且非均質指流僅在表層0～5 cm少量分布。30 cm以下土層，過渡區各位點優先流類型差異不大，均為高相互作用大孔隙流。兩種田埂位點0～30 cm土層優先流類型有較大差異，田間田埂混合作用大孔隙流分布較多，而田溝田埂位點則僅有高相互作用大孔隙優先流分布。

圖4 過渡區不同位點染色路徑寬度Fig. 4 Stained path width （SPW） in the intermediate zones relative to sampling sites

如圖6，各過渡區水分通過田埂區域的垂直滲漏和側向滲漏明顯高于田內區域。盡管田內0～20 cm土層被染色較多，但在20 cm以下染液分布極少，表明田內該深度幾乎無垂直入滲水流。由過渡帶流向田埂的側向水流較為明顯，不僅過渡帶表層染色較多，且同深度土層，田埂區域垂直方向染色區域較田內多；水平方向上，水流能橫跨整個田埂，側向流明顯。另外，不同類型田埂水流特征差異明顯，田溝田埂在0～20 cm染色區域少于田間田埂，但20 cm以下染色區域逐漸高于田間田埂，且田溝田埂側向流更為明顯。

3 討 論

3.1 耕 作與生物活動對田埂過渡區水分入滲和染色分布比的影響

耕作活動影響犁底層的形成，進而造成田埂過渡區的染色分布特征分異［28］。田內耕作層以下土層（20～35 cm）受耕作機械壓實作用明顯，易形成結構緊實的犁底層［28-29］。傳統田埂的修筑采用田內表層土壤，若稻田開墾前未進行過農業耕作，則田埂下部無犁底層，導致田埂較高的水分滲漏速率［8］。而當田埂修筑于原稻田耕作層之上時，稻田原犁底層則位于田埂之下。在田埂修建后，田埂區域不再受耕作壓實，僅在種植期間會對其表層進行修繕，田埂之下的原犁底層會長期保存。由于長期不受農耕機械壓實作用，嚴格意義上講田埂的該層不能再稱為犁底層，故Janssen和Lennartz［13］將該層定義為“硬質層（Hard pan）”。但長期未耕作使得殘留于田埂的根系腐爛，硬質層逐漸形成多孔結構，導致田埂該層的滲透性能高于田內［8，13］，最終導致過渡帶和田埂下方土壤比田內具有更高的SAR。而垂直和水平染色剖面的SAR呈現一致的分布規律，進一步證實了研究結果的可靠性。

圖5 過渡區不同位點水流類型Fig. 5 Type of water flow in the intermediate zones relative to sampling sites

圖6 過渡區優先流特征Fig. 6 Characteristics of preferential flow in the intermediate zones

農業耕作、土壤內穴居動物活動及植物根系分布等因素均會影響土壤孔隙的垂直分布，進而導致不同位點土壤染色分布特征差異［30-31］。田內耕作層容重小，總孔隙高，且耕作后作物殘茬保留于表層土壤，水分易通過大孔隙和秸稈殘茬形成的優先流路徑快速垂直滲漏。但結構緊實的犁底層阻擋了水分的垂直入滲，增加了染色劑在耕作層的滯留時間，進而導致田內耕作層SAR最高，犁底層及其以下土層SAR極低。Janssen和Lennartz［8］對整個稻田—田埂過渡區的染色試驗結果也表明，受田內犁底層的影響，田內20～30 cm處SAR急劇降低，特別是長期耕作的稻田。Patil等［7］的研究結果表明，受翻耕影響，田內犁底層阻擋水分的垂直入滲，使得田內水分側向流滲漏明顯。在整個稻田—田埂過渡區，由于大量水分在犁底層之上滯留，而田內染色噴灑區和非噴灑區被鐵板隔開，導致耕作層中存儲的大量染液將以側向流形式由過渡帶流向田埂，田埂和田內孔隙的差異會影響過渡區的染色分布特征。Kukal和Aggarwal［32］研究表明，稻田的泥漿化和機械壓實作用雖然導致稻田總水分流失量降低54.0%～58.0%，但通過田埂區域流失的水量占比卻顯著提高，這是由于田埂土壤的高導水性能導致田內大量水分通過該區快速流失。由于過渡帶介于田內和田埂之間，表層土壤干濕交替非常頻繁，導致多裂隙發育且孔隙連通性較強。染色實驗時也在過渡帶發現了較多平行于田埂方向的裂隙，導致染液施加后更易通過這些裂隙快速入滲。且Greve等［33］通過灌溉條件下土壤裂隙發育過程的研究表明，由裂隙產生的土壤大孔隙能極大促使土壤優先流的產生。因此，過渡帶和田埂優先流作用整體上較田內明顯。

3.2 耕作與生物活動對田埂過渡區水流路徑及優先流類型的影響

土壤孔隙特征的差異不僅影響SAR，還會影響表征水流類型的SPN和SPW等參數［34-35］。SPN和SPW能共同反映優先流的連通性與分支性，SPN越多，表明有效的水流路徑越多，但過高的SPN也會伴隨著較小的SPW，意味著大孔隙的水流與土壤水交換作用較弱，水流類型表現為低相互作用的大孔隙流。而SPW越寬，則反映孔隙中的水分與孔隙周圍土體的水分交換作用更明顯，往往表現為基質流或高相互作用大孔隙流。田內表層土壤受耕作影響強烈，土質較為疏松，孔隙較多，單位土體的比表面積較大，且水分入滲較快，此外，下層土體對水分垂直入滲的阻擋也增加了染液與表層土壤充分接觸的時間，故其SPN較高且SPW較寬（以10～80 mm和大于80 mm為主），反映在優先流類型上表現為非均質指流（基質流）。犁底層對水分垂直滲漏的阻礙作用導致田內中、下層土壤SAR和SPN急劇降低。此外，由于下層土體較為緊實，導致大孔隙和土壤基質的水分交換較弱，染色區主要分布在大孔隙周圍，因此SPW多以小于10 mm為主。同時，由于亮藍染液噴灑于田內，染液需要由過渡帶側向滲漏于田埂，且田埂的高滲透性導致染液滯留時間較田內短，使得田埂0～20 cm土層SAR和SPW低于田內。田埂中、下土層穴居動物（蚯蚓和螻蛄等）的活動導致更多優先流路徑的形成［11］，而田內犁底層以下土層染色區域較少，因此，田埂SAR和SPN均較田內高，大孔隙流現象明顯。田埂硬質層土壤容重較田內犁底層低［25］，表明其土壤較田內松散，因此大孔隙和土壤的水分交換作用更強，導致田埂該層土壤比田內的SPW

更寬。閆佳亮等［36］通過對農田土壤優先流的研究也發現，昆蟲對土體的擾動不僅增加土壤大孔隙含量，同時也極大促使優先流的產生。此外，野外調查過程中，還發現田埂有較多雜草生長，表明其土壤中較田內位點存在更多根系，而根孔也是導致優先流產生的重要原因［31］。

3.3 不同類型田埂過渡區水分流失途徑與滲漏特征

田間田埂和田溝田埂的灌溉條件、植物根系和地形特征等因素差異，導致兩者的土壤理化性質、大孔隙和水分流失特征也存在一些區別。田間田埂處于兩塊稻田之間，其兩側長期處于淹水狀態，不利于土壤動物長期活動；田溝田埂靠溝一側在灌溉期淹水，而其他時間暴露于大氣，土壤動物活動更為頻繁，導致田溝田埂更多的動物孔穴分布。此外，在水稻種植期間，農民一般會持續清除近稻田側田埂的雜草，而較少清除田溝田埂外側雜草，因此，田溝田埂雜草生長更為茂盛，根孔形成的優先流路徑較田間田埂更多。動物孔穴和植物根系的共同作用導致田溝田埂優先流作用較田間田埂明顯，表現為20 cm以下土層更大的SAR和SPN，以及更寬的SPW。由于田間田埂介于兩稻田之間，兩側均受田內灌溉的影響，且研究區地勢平坦，田塊間地勢差異小，因此跨田埂的水分交換較小，即使跨過該類型田埂也不會導致水分的流失，使得水分通過田間田埂以垂直滲漏為主［10］；而田溝田埂位于存在地勢差的稻田和灌溉溝之間，水分不僅會在田埂下方垂直入滲，也會以側向流形式于田埂外側流失［6，10］。田間水分經過田埂區域的快速流失，不僅造成灌溉水分的損失，還會加速氮素的流失，造成地下水污染等問題。后期將通過水稻生長季田埂區域的原位定點監測試驗，量化田埂對稻田水氮流失的貢獻率。

4 結 論

受耕作活動、土壤動物活動和植物根系等因素影響，稻田—田埂過渡區不同位點土壤水流特征分異明顯。由于犁底層的存在，田內水分的垂直滲漏量顯著減少，導致田內中、低層土壤SAR和SPN極低。過渡帶和田埂位點受耕作影響較小，蚯蚓、螻蛄等穴居動物活動強烈，土壤優先流強于田內，其中、低層土壤SAR和SPN由大到小依次為田埂、過渡帶、田內。在各位點的SPW和水流類型上，田內耕作層染色路徑較過渡帶和田埂寬，為非均質指流—高相互作用大孔隙流；而過渡帶和田埂位點較田內有更多寬度較窄的染色路徑分布，其優先流類型為混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流。受田埂土壤類型差異影響，田溝田埂優先流現象較田間田埂明顯，20 cm以下土層表現為更大的SAR、SPN和SPW；受田埂地形特征差異影響，田間田埂水分流失以快速垂直滲漏為主，而田溝田埂區域水分快速流失以垂直滲漏和跨田埂側向流兩種路徑發生；田溝田埂區域水分流失風險高于田間田埂。綜上，稻田水分通過田埂區域的快速滲漏，加劇了稻田水分流失風險。