稻田—田埂过渡区土壤优先流特征研究*

李胜龙 易 军 刘目兴 张 君 杨 燕 张海林

（地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，华中师范大学城市与环境科学学院，武汉 430079）

水稻是人类赖以生存的主要粮食作物，其种植范围分布较广，全世界有超过50%的人口以大米为主食［1］。受水稻生长及增产需要，每年需灌溉大量淡水并施加大量化肥及农药［2］。一方面，由于稻田（Paddy field）耕作层土壤受人为耕作影响，土壤大孔隙分布较广，优先流作用强烈，加速农药、化肥等对地下水的污染［3-5］；另一方面，长期耕作使得土壤受机械压实，易在耕作层下形成质地紧实的犁底层［6-7］。田内水分受犁底层阻挡，垂直渗漏量较少，转而以侧向流形式散失［8-9］。

田埂（Ridge）位于稻田四周，一般可分为两种，即修筑于两块稻田之间的田间田埂和修筑于稻田与灌溉沟渠之间的田沟田埂。其中，田间田埂的修建主要便于农事劳作行走以及田块区分，而田沟田埂还具有配合沟渠进行灌溉与排水的功能。虽然田埂占田内面积比率较小，但其受耕作活动影响较小，穴居动物活动频繁，土体内孔洞较多，导致大孔隙分布较广，优先流较田内更强烈［10-11］。研究表明，水稻生育期通过田埂区域流失的水分可占灌溉和降水总量的30%以上［10,12］。田间水分通过田埂的快速渗漏，不仅造成大量灌溉水的流失，也加剧地表水和地下水的污染程度［6,13］。而且，田埂类型的差异，可能造成不同的水流路径和优先流强度。当相邻稻田地形差异较小时，水分通过田间田埂时主要在田埂正下方发生垂直入渗；而田间水分流经田沟田埂区域时，水分会以垂直渗漏和侧向流的形式快速散失［8,10］。此外，田沟田埂近沟渠面暴露于大气，导致其较田间田埂受到更强烈的土壤动物活动和杂草生长影响，这种影响可能会造成更多的土壤大孔隙分布和更强烈的优先流现象，而已有研究较少考虑田埂类型差异。

目前，研究土壤优先流的方法有多种，其中，染色示踪法是较为常用的研究方法［14-16］。该方法将染色剂以一定比例溶解于水并均匀喷洒于土壤表层以进行土壤原位定点染色试验，通过获取并处理土壤染色剖面数字图像以分析土壤水流形态学特征。该过程不仅可直接观察水分和溶质在土壤中的运动轨迹，还能半定量化分析土壤水分运动及优先流特征差异［15,17］。而在染色剂的选择上有多种［18］，由于食品级亮蓝具有高渗透性、无毒性、低吸附性、与土壤颜色差异大且价格低廉等优点，目前被广泛用于野外染色示踪试验［19-20］。

江汉平原是我国重要商品粮生产基地，水稻为主要作物类型。近年来，由于三峡大坝的修建和“南水北调”中线工程的实施，三峡下游长江段和丹江口水库下游汉江段夏季输水量减少，导致江汉平原地区水稻生长季的灌溉水源减少，稻田季节性干旱频率增加［21-22］。此外，水稻种植中过量施肥引起的氮素流失导致该地区水体富营养化问题凸显［23］。本研究以江汉平原典型稻田—田埂过渡区土壤为研究对象，通过田间染色示踪和室内样品分析等方法，对比该过渡区不同位点土壤染色特征差异，揭示稻田—田埂过渡区土壤优先流特征差异与发生机制，研究结果可为制定合理的稻田管理措施以减少稻田水氮渗漏提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江汉平原（11 0°3 0′～11 6°0 6′E，29°22′～31°30′N）位于中国湖北省中南部，两湖平原的北部，系长江和汉江泛滥淤积形成的冲积平原，总面积为3.76×104km2。该区地处暖温带季风气候区，雨热同季，年平均气温16.1℃，无霜期243～275 d。多年平均降水量为1 100～1 400 mm。其中，年降水量的70%～85%集中在4—9月。研究区土壤母质以近现代河流冲积物和湖相沉积物为主，地下水位多年平均1.0 m左右。水稻为该区最主要作物类型，种植历史悠久。稻田土壤类型多为潜育型和潴育型水稻土，典型剖面产状为Ap—P—C，土壤质地为壤土和黏壤土。稻田耕作层土壤团粒状发育良好，犁底层多为块状结构，有根锈条纹［24］。

1.2 样地选取

研究样点位于华中师范大学江汉平原农田监测站（112°20′E，29°58′N），地处江汉平原中南部，站区农田以双季稻种植和水稻/小麦轮作为主。在经多次现场调查和当地农民访谈后，选定同一稻田（双季稻种植；早、晚稻生育期分别为4—7月和7—11月）两种不同类型稻田—田埂过渡区（田间田埂与田沟田埂过渡区）开展试验［25］。试验稻田长约60 m（田间田埂），宽约27 m（田沟田埂），水稻种植年限大于100 a。田埂均为20世纪80 年代初期农村土改分田时修建，之后并未移动，仅在每年耕作时对田埂表层土壤进行填补与修缮。

野外染色示踪试验与土壤样品采集于2016年4月初开展，期间稻田尚未耕作。将位于两块稻田之间的区域命名为“田间田埂过渡区”（田埂高10 cm，宽45 cm），将位于稻田和沟渠之间的田埂命名为“田沟田埂过渡区”（田埂高15 cm，宽60 cm）［25］。将过渡区划分为“田内”、“过渡带”和“田埂”等不同位点，其中“过渡带”介于田内和田埂之间，宽20 cm。

1.3 染色示踪与图像处理

以亮蓝溶液为示踪剂于田间田埂和田沟田埂过渡区开展染色示踪实验。沿水平和垂直方向分别挖取染色剖面［8］。每个剖面挖取完毕后，立即放置标尺进行遮光拍照。参照Janssen和Lennartz［8］及Weiler和Flühler［26］等染色图像处理方法，获得土壤染色面积比（Stained area ratio，SAR）和染色路径（Stained path）等水流特征参数。其中，SAR是指剖面内染色面积占剖面面积的百分比，反映水流在整个土壤剖面的变化规律［26］。而染色路径指垂直染色剖面的二值化图像内，每行像元中单个独立的或多个连续的染色像元，均视为独立的染色路径（染色像元个数大于等于1）。染色路径一般可分为染色路径数（Stained path number，SPN）和染色路径宽度（Stained path width，SPW），共同反映优先流的连通性和分支性［27］。其中，SPN指垂直染色图像内，所统计的每行像元中独立染色路径数量，SPW指每条独立染色路径对应的土壤实际水平宽度［26］。结合稻田土壤实际染色状况，确定SPW划分标准为小于10 mm、0～80 mm和大于80 mm，以表1为依据划分不同位点优先流类型。

表1 优先流分类标准Table 1 Criteria for classification of preferential flows

1.4 数据处理

本文垂直染色剖面形态学参数（SAR、SPN与SPW）和优先流类型结果均为5张剖面图片处理得出的平均值。数据用Excel 2016处理，并用SPSS 22进行相关性分析和单因素方差分析，以Origin 9.0作图。

2 结 果

2.1 过渡区土壤剖面染色面积比

由过渡区各位点总染色面积比盒状图可知，各位点SAR整体上由大到小体现为过渡带、田埂、田内（图1）。各位点SAR随深度的增加而波动下降。0～20cm土层SAR较高，占整个染色面积的53.85%～88.55%，其中，田内在8～10 cm SAR达到90.00%以上；20 cm以下过渡区各位点SAR较低，整体上低于15.00%。

田内、过渡带和田埂S A R在不同深度土层差异显著（图1，表2）。0～1 0 c m各位点S A R随土壤深度增加而增加，且平均S A R由大到小依次为田内、过渡带、田埂。1 0～3 0 c m土层各位点S A R急剧下降，且田内下降最快，下降幅度达96.65%～99.17%，过渡带次之（88.31%～93.21%），田埂最慢（69.36%～87.51%）。30～90 cm土层平均SAR由大到小依次为田埂、过渡带、田内。如表2，各发生层土壤平均SAR显示田埂在18 cm以下区域高于田内，且16～35 cm土层田沟田埂过渡区田埂位点SAR为田内的4.19倍。

各过渡区水平剖面SAR与垂直剖面SAR能较好对应，随着土壤深度增加，田内和过渡带位点水平SAR急剧降低，而田埂则出现先增加后急剧降低趋势，且20 cm以下土层各位点水平SAR由大到小依次为田埂、过渡带、田内（图2）。田内0～5 cm水平剖面SAR最高，平均达64.11%～72.78%，且染色区域呈连续分布；5 cm 以下田内水平剖面SAR急剧下降，而田埂位点平均水平剖面SAR为田内的2.04倍～2.27倍，且20 cm染色区域以不连续点状分布为主。

2.2 过渡区染色路径数与染色路径宽度分布

图1 过渡区垂直剖面不同位点染色面积比Fig. 1 Stained area ratio （SAR） of the vertical profiles in the intermediate zones relative to sampling sites

表2 不同深度土层染色图像形态学参数Table 2 Morphological parameters of the dye tracer image relative to soil layer

过渡区各位点平均SPN均随深度增加呈现先增加后波动下降趋势，且在深度5～15 cm处SPN最大（图3）。在0～10 cm田内平均SPN最多，最高达31条；随着深度增加，在深度20 cm以下土层SPN由大到小依次为田埂、过渡带、田内，其中，田沟田埂过渡区的田埂位点20～80 cm平均达10条，为田内和过渡带的2.0倍。不同过渡区田埂位点SPN虽在0～20 cm差异较小，但20 cm以下土层田沟田埂位点SPN逐渐高于田间田埂，虽田间田埂在60～80 cm土层有小峰值出现，但整体上依旧小于田沟田埂。

图2 过渡区水平染色面积比及染色剖面Fig. 2 The horizontal stained soil area ratio and sections of dyed soil in the intermediate zones

图3 过渡区不同位点染色路径数Fig. 3 Stained path number （SPN） in the intermediate zones relative to sampling sites

过渡区SPW显示，各位点染色区域主要集中于0～20 cm土层，占整体SAR的53.58%～88.55%，其中10～80 mm SPW 占多数；各过渡区20 cm以下土层SPW均以小于10 mm和10～80 mm为主（图4）。不同位点同深度土层SPW差异较大，在0～20 cm土层，田内SPW以10～80mm和大于80 mm为主；而过渡带和田埂则以小于10 mm和10～80 mm为主，大于80 mm整体占比较低（0.23%～4.20%）。20 cm以下土层，田内、过渡带和田埂SPW均以小于10 mm和10～80 mm为主，但过渡带和田埂明显高于田内，其中，田埂小于10 mm SPW平均值为田内的2.70倍～2.94倍。

2.3 过渡区不同位点优先流类型与水流特征

过渡区各位点水流类型均呈现明显的优先流特征，且整体上以高相互作用大孔隙流为主（图5）。过渡区不同位点0～30 cm土层优先流类型差异较大，田内表现为非均质指流—高相互作用大孔隙流，过渡带和田埂位点多以混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流相间分布，且非均质指流仅在表层0～5 cm少量分布。30 cm以下土层，过渡区各位点优先流类型差异不大，均为高相互作用大孔隙流。两种田埂位点0～30 cm土层优先流类型有较大差异，田间田埂混合作用大孔隙流分布较多，而田沟田埂位点则仅有高相互作用大孔隙优先流分布。

图4 过渡区不同位点染色路径宽度Fig. 4 Stained path width （SPW） in the intermediate zones relative to sampling sites

如图6，各过渡区水分通过田埂区域的垂直渗漏和侧向渗漏明显高于田内区域。尽管田内0～20 cm土层被染色较多，但在20 cm以下染液分布极少，表明田内该深度几乎无垂直入渗水流。由过渡带流向田埂的侧向水流较为明显，不仅过渡带表层染色较多，且同深度土层，田埂区域垂直方向染色区域较田内多；水平方向上，水流能横跨整个田埂，侧向流明显。另外，不同类型田埂水流特征差异明显，田沟田埂在0～20 cm染色区域少于田间田埂，但20 cm以下染色区域逐渐高于田间田埂，且田沟田埂侧向流更为明显。

3 讨 论

3.1 耕 作与生物活动对田埂过渡区水分入渗和染色分布比的影响

耕作活动影响犁底层的形成，进而造成田埂过渡区的染色分布特征分异［28］。田内耕作层以下土层（20～35 cm）受耕作机械压实作用明显，易形成结构紧实的犁底层［28-29］。传统田埂的修筑采用田内表层土壤，若稻田开垦前未进行过农业耕作，则田埂下部无犁底层，导致田埂较高的水分渗漏速率［8］。而当田埂修筑于原稻田耕作层之上时，稻田原犁底层则位于田埂之下。在田埂修建后，田埂区域不再受耕作压实，仅在种植期间会对其表层进行修缮，田埂之下的原犁底层会长期保存。由于长期不受农耕机械压实作用，严格意义上讲田埂的该层不能再称为犁底层，故Janssen和Lennartz［13］将该层定义为“硬质层（Hard pan）”。但长期未耕作使得残留于田埂的根系腐烂，硬质层逐渐形成多孔结构，导致田埂该层的渗透性能高于田内［8，13］，最终导致过渡带和田埂下方土壤比田内具有更高的SAR。而垂直和水平染色剖面的SAR呈现一致的分布规律，进一步证实了研究结果的可靠性。

图5 过渡区不同位点水流类型Fig. 5 Type of water flow in the intermediate zones relative to sampling sites

图6 过渡区优先流特征Fig. 6 Characteristics of preferential flow in the intermediate zones

农业耕作、土壤内穴居动物活动及植物根系分布等因素均会影响土壤孔隙的垂直分布，进而导致不同位点土壤染色分布特征差异［30-31］。田内耕作层容重小，总孔隙高，且耕作后作物残茬保留于表层土壤，水分易通过大孔隙和秸秆残茬形成的优先流路径快速垂直渗漏。但结构紧实的犁底层阻挡了水分的垂直入渗，增加了染色剂在耕作层的滞留时间，进而导致田内耕作层SAR最高，犁底层及其以下土层SAR极低。Janssen和Lennartz［8］对整个稻田—田埂过渡区的染色试验结果也表明，受田内犁底层的影响，田内20～30 cm处SAR急剧降低，特别是长期耕作的稻田。Patil等［7］的研究结果表明，受翻耕影响，田内犁底层阻挡水分的垂直入渗，使得田内水分侧向流渗漏明显。在整个稻田—田埂过渡区，由于大量水分在犁底层之上滞留，而田内染色喷洒区和非喷洒区被铁板隔开，导致耕作层中存储的大量染液将以侧向流形式由过渡带流向田埂，田埂和田内孔隙的差异会影响过渡区的染色分布特征。Kukal和Aggarwal［32］研究表明，稻田的泥浆化和机械压实作用虽然导致稻田总水分流失量降低54.0%～58.0%，但通过田埂区域流失的水量占比却显著提高，这是由于田埂土壤的高导水性能导致田内大量水分通过该区快速流失。由于过渡带介于田内和田埂之间，表层土壤干湿交替非常频繁，导致多裂隙发育且孔隙连通性较强。染色实验时也在过渡带发现了较多平行于田埂方向的裂隙，导致染液施加后更易通过这些裂隙快速入渗。且Greve等［33］通过灌溉条件下土壤裂隙发育过程的研究表明，由裂隙产生的土壤大孔隙能极大促使土壤优先流的产生。因此，过渡带和田埂优先流作用整体上较田内明显。

3.2 耕作与生物活动对田埂过渡区水流路径及优先流类型的影响

土壤孔隙特征的差异不仅影响SAR，还会影响表征水流类型的SPN和SPW等参数［34-35］。SPN和SPW能共同反映优先流的连通性与分支性，SPN越多，表明有效的水流路径越多，但过高的SPN也会伴随着较小的SPW，意味着大孔隙的水流与土壤水交换作用较弱，水流类型表现为低相互作用的大孔隙流。而SPW越宽，则反映孔隙中的水分与孔隙周围土体的水分交换作用更明显，往往表现为基质流或高相互作用大孔隙流。田内表层土壤受耕作影响强烈，土质较为疏松，孔隙较多，单位土体的比表面积较大，且水分入渗较快，此外，下层土体对水分垂直入渗的阻挡也增加了染液与表层土壤充分接触的时间，故其SPN较高且SPW较宽（以10～80 mm和大于80 mm为主），反映在优先流类型上表现为非均质指流（基质流）。犁底层对水分垂直渗漏的阻碍作用导致田内中、下层土壤SAR和SPN急剧降低。此外，由于下层土体较为紧实，导致大孔隙和土壤基质的水分交换较弱，染色区主要分布在大孔隙周围，因此SPW多以小于10 mm为主。同时，由于亮蓝染液喷洒于田内，染液需要由过渡带侧向渗漏于田埂，且田埂的高渗透性导致染液滞留时间较田内短，使得田埂0～20 cm土层SAR和SPW低于田内。田埂中、下土层穴居动物（蚯蚓和蝼蛄等）的活动导致更多优先流路径的形成［11］，而田内犁底层以下土层染色区域较少，因此，田埂SAR和SPN均较田内高，大孔隙流现象明显。田埂硬质层土壤容重较田内犁底层低［25］，表明其土壤较田内松散，因此大孔隙和土壤的水分交换作用更强，导致田埂该层土壤比田内的SPW

更宽。闫佳亮等［36］通过对农田土壤优先流的研究也发现，昆虫对土体的扰动不仅增加土壤大孔隙含量，同时也极大促使优先流的产生。此外，野外调查过程中，还发现田埂有较多杂草生长，表明其土壤中较田内位点存在更多根系，而根孔也是导致优先流产生的重要原因［31］。

3.3 不同类型田埂过渡区水分流失途径与渗漏特征

田间田埂和田沟田埂的灌溉条件、植物根系和地形特征等因素差异，导致两者的土壤理化性质、大孔隙和水分流失特征也存在一些区别。田间田埂处于两块稻田之间，其两侧长期处于淹水状态，不利于土壤动物长期活动；田沟田埂靠沟一侧在灌溉期淹水，而其他时间暴露于大气，土壤动物活动更为频繁，导致田沟田埂更多的动物孔穴分布。此外，在水稻种植期间，农民一般会持续清除近稻田侧田埂的杂草，而较少清除田沟田埂外侧杂草，因此，田沟田埂杂草生长更为茂盛，根孔形成的优先流路径较田间田埂更多。动物孔穴和植物根系的共同作用导致田沟田埂优先流作用较田间田埂明显，表现为20 cm以下土层更大的SAR和SPN，以及更宽的SPW。由于田间田埂介于两稻田之间，两侧均受田内灌溉的影响，且研究区地势平坦，田块间地势差异小，因此跨田埂的水分交换较小，即使跨过该类型田埂也不会导致水分的流失，使得水分通过田间田埂以垂直渗漏为主［10］；而田沟田埂位于存在地势差的稻田和灌溉沟之间，水分不仅会在田埂下方垂直入渗，也会以侧向流形式于田埂外侧流失［6，10］。田间水分经过田埂区域的快速流失，不仅造成灌溉水分的损失，还会加速氮素的流失，造成地下水污染等问题。后期将通过水稻生长季田埂区域的原位定点监测试验，量化田埂对稻田水氮流失的贡献率。

4 结 论

受耕作活动、土壤动物活动和植物根系等因素影响，稻田—田埂过渡区不同位点土壤水流特征分异明显。由于犁底层的存在，田内水分的垂直渗漏量显著减少，导致田内中、低层土壤SAR和SPN极低。过渡带和田埂位点受耕作影响较小，蚯蚓、蝼蛄等穴居动物活动强烈，土壤优先流强于田内，其中、低层土壤SAR和SPN由大到小依次为田埂、过渡带、田内。在各位点的SPW和水流类型上，田内耕作层染色路径较过渡带和田埂宽，为非均质指流—高相互作用大孔隙流；而过渡带和田埂位点较田内有更多宽度较窄的染色路径分布，其优先流类型为混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流。受田埂土壤类型差异影响，田沟田埂优先流现象较田间田埂明显，20 cm以下土层表现为更大的SAR、SPN和SPW；受田埂地形特征差异影响，田间田埂水分流失以快速垂直渗漏为主，而田沟田埂区域水分快速流失以垂直渗漏和跨田埂侧向流两种路径发生；田沟田埂区域水分流失风险高于田间田埂。综上，稻田水分通过田埂区域的快速渗漏，加剧了稻田水分流失风险。