设施土壤优先流特征及其影响因素研究

刘蕾，王鹤雄，张国印*，郜静，李玭，赵欧亚

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所/河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051；2.中国移动通信集团河北有限公司，河北 石家庄 050035）

优先流是在土壤各向异性的情况下，在众多外部因素的共同作用下，沿着特定路径向下发生非稳定性渗流的现象[1]。优先流的发生可以延迟地表径流峰值，有利于水资源的保护和调控；但也是造成滑坡、泥石流等地质灾害的主要原因之一，特别是其造成的地下水污染以及农田土壤养分流失等现象对人类产生的严重威胁，已经引起世界各国的关注。因此，深入开展优先流的研究工作显得尤为重要。

随着科技进步，优先流的原位研究技术得到了长足发展，目前常用的方法主要有染色示踪技术、非侵入式影像获得技术（CT、MRI、伽马射线等）、地下雷达探测、声波探测技术、电阻率层析成像法等[1]。其中，染色示踪技术简单易行、成本低廉，且结果较为准确，是目前国际上采用较普遍与成功的方法之一。特别是配合计算机图像解译技术，为优先流路径的定义和划分提供了更为形象且准确的方法，目前得到了广泛应用[2-6]。

近年来我国在优先流分布特征及影响因素研究方面逐渐完善，但存在着研究对象相对单一的问题。现有研究多集中在林地、草地等自然生态系统[6～-9]，涉及到农田的研究甚少[5，10]，而对于养分、水分、农药等投入更为集中、环境风险更大的设施生产体系却未见任何报道。本研究针对设施土壤，采用原位亮蓝染色示踪法，结合图像分析技术和统计学方法，研究设施蔬菜生产条件和棚外粮田条件对土壤优先流发生及分布特征的影响，并进一步探索环境因素的作用机理，以期揭示不同土地利用方式下土壤优先流运移规律及驱动因子，为设施土壤优先流模拟及其引起的面源污染防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年6月在河北衡水国家农业科技园区饶阳县大尹村镇南北岩村（地理位置东经115°50′82″、北纬38°16′14″）进行。饶阳县设施蔬菜经过30多年的发展，种植规模达2.27万hm2，居全省第1位。研究区地属冀中平原黑龙港流域，地貌类型为滹沱河洪积平原，南北岩村设施大棚建在废弃的河床上，土壤类型为潮土，质地为砂壤，地下水埋深3～7 m；年平均气温12.2℃，降水量552.6 mm，属温带大陆季风气候。该区典型的农业种植模式为番茄与甜瓜轮作（番茄/甜瓜），其中，秋冬茬为番茄，平均产量67 500～90 000 kg/km2；冬春茬为甜瓜，平均产量约75 000 kg/km2。选择连续种植超过10 a的温室大棚样地及其紧邻的棚外露天样地进行试验，棚内作物为甜瓜（已拉秧），棚外作物为玉米（刚出苗），大棚内外的土壤基本理化性状不同（表1）。

表1 样地土壤的基本理化性状Table 1 Soil basic physical and chemical properties of tested plots

1.2 试验方法

1.2.1 染色示踪试验 在大棚内、外各选取3个重复的1.0 m（长）×1.0 m（宽）小区，相距大于2 m但小于4 m，以免在样地预处理中造成影响；清理枯枝落叶及杂物后，将1.0 m（长）×1.0 m（宽）×0.6 m（高）的金属框砸入样地，砸入深度40 cm，将框体周围土壤压实，确保染色液不会集中沿框壁下渗而影响结果。

染色示踪试验选用无毒且易溶于水的亮蓝溶液进行，不会对土壤造成污染。将配置好的4 g/L亮蓝溶液100 L缓慢倒入小区内，模拟棚内外常规漫灌条件，静置24 h。在不破坏原始样地的基础上缓慢移走金属框，在样方中心区域挖掘宽0.6 m、深至染色消失的垂直土壤剖面，修整剖面后配标尺，采用像素为4 752×3 168的佳能500D数码相机分别对每个剖面进行拍照。每个小区均挖掘2个重复的垂直土壤剖面。

1.2.2 样品采集及测定 染色试验开始前，在各小区金属框4个外边缘10 cm处分别取基础土，每10 cm一层至100 cm，每小区4钻合成1个样品，用于测定棚内、外样地土壤的基本理化性状。

染色试验结束后，垂直剖面每10 cm一层采集土壤样品，测定其理化性质。其中，土壤容重、孔隙度、持水性、饱和导水率测定采用环刀法[11，12]；土壤含水量测定采用烘干法；土壤机械组成测定采用比重计法；土壤有机质含量测定采用重铬酸钾稀释法[13]。采用0.1 m（长）×0.1 m（宽）×0.1 m（高）的小金属框采集根系样品，测定根系特性。采用WinRHIZO扫根测定根系总长度、根系表面积、根系平均直径和根系体积，并计算根长密度；然后将根系样品烘干称重，计算根重密度。每个土层均3次重复。

式中，qrl为根长密度（m/m3）；qrm为根重密度（kg/m3）；Lr为某直径级根系长度（m）；Mr为某直径级根系烘干质量（kg）；Vsoil为土壤体积（m3）。

1.2.3 图像处理与数据分析 使用Photoshop CS 5.1软件对照片进行几何校正和剪裁，保留中心60 cm宽度，垂直至染色消失。而后进行亮度与色彩校正，调整照片明度（-100）、颜色容度差（0～5%），替换颜色，然后进行灰度、阈值调整，使土壤染色部分替换为黑色、未染色部分替换为白色。然后将照片转换为.bmp位图格式，利用Matlab 7.1软件对位图进行处理，输出照片二元（0，255）信息矩阵。0为黑色元素，代表染色；255为白色元素，代表未染色[3，4，6]。将数据导出到Excel中进行统计分析。

本研究中，采用染色面积比、长度指数、土壤优先流程度等指数[14～16]评价不同土地利用类型土壤优先流的发生特征。

1.2.3.1 土壤剖面染色面积比。计算公式为：

式中，DC为土壤剖面染色面积比（%）；D为土壤剖面总染色面积（cm2）；ND为土壤剖面未染色区域总面积（cm2）。

1.2.3.2 长度指数。计算公式为：

式中，Li为土壤剖面第i＋1层与第i层之差绝对值的和（%）；DCi＋1、DCi为土壤剖面第i＋1层与第i层对应的染色面积比（%）；n为土壤剖面垂直层数。

1.2.3.3 优先流程度。优先流程度由统计学中的变异系数（CVp）转换而来，可以直观分析土壤剖面优先流区染色的差异程度，从而评价优先流的发育程度。

式中，CVp为土壤染色面积比变异系数；DCi为土壤剖面第i层对应的染色面积比（%）；n为土壤剖面垂直层数。

本研究中，2种土地利用类型各取了3个样地，每个样地均挖掘了2组剖面，土壤剖面较多，结合样地调查情况和试验图像处理结果，每个样地仅选取1组染色图像为例进行展示，但对每种土地利用类型的优先流染色形态特征结果中的数据分析为全部样地的数据。

利用SPSS 18.0软件进行数据的单因素方差分析、Pearson相关分析和主成分分析；利用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤优先流的发生及染色形态特征

对棚内、外土壤的优先流路径进行分析和评价，结果（表2和图1）显示，不同土地利用类型对土壤优先流的发生与分布影响极大。棚内土壤优先流的发育程度显著高于棚外土壤，使得设施土壤溶质随水分以更快速度向深层土壤和地下水运移，极大地增加了环境污染的风险。

2.1.1 优先流的评价指数DC在一定程度上反映了亮蓝在整个土壤剖面上的分布情况，是在一定深度内土壤水的平均入渗结果，其值越大，说明水分入渗越多，优先流现象越不明显[14]，即独立条状分化的优先流路径较少。一般将DC≥80%的区域定义为基质流区[16，17]，即连续、均匀的水流区域，发生在土壤表层，DC越大表明优先流发育相对滞后。设施蔬菜棚内DC平均值为40.26%～69.14%，显著高于粮田（19.63%～59.63%）；设施土壤基质流深度为8.30～30.43 cm，最大染色深度为36.27～70.14 cm，也显著高于粮田土壤（6.43～10.15 cm，13.42～54.91 cm）。说明设施生产条件显著改变了水分的入渗过程，增大了基质流区域面积，表层优先流现象并不明显，优先流路径更多地分布在土壤深层，使得其水分入渗能力强于粮田土壤，并且优先流路径对入渗的贡献更大。

表2 不同土地利用类型土壤剖面的优先流指数Table 2 Preferential flow parameters of soil profile of different land use types

另外，棚内、外土地利用类型不同，土壤垂直剖面之间的染色形态特征也有所差异。以样地1的2个剖面A1-1和A1-2为例，DC均值和最大染色深度都极为相似，然而基质流深度却差异极大，分别为29.08 cm和8.30 cm，A1-1的优先流发育较A1-2明显滞后，这可能与A1-2表层存在明显的黏土块和砾石有关，染色剂绕过土壤基质，通过优先流路径快速向下迁移。由此可见，即使同一种土地利用方式，由于环境条件、空间位置等差异，不同土壤剖面之间的优先流发育及分布特征也存在一定差异，反映了优先流在土壤空间中的高变异性[6]。

考虑到随着水分入渗，优先流区域的形状变化较基质流明显，因此又引入了Li进行优先流评价。Li越大，优先流现象越明显。棚内土壤的Li为512.19%～1 397.47%，平均736.99%，明显高于粮田土壤（192.46%～438.05%，平均267.17%）。

2.1.2 优先流的垂直变化特征 从土壤垂直剖面的DC变化（图1）可以看出，总体上DC随土壤深度的增加而降低，但不同剖面的变化规律不同。整体上，棚外土壤DC随土层加深降低速率较高，亮蓝在土壤剖面内入渗较浅，说明棚外土壤以浅层基质流区域为主，优先流路径深层分布较少。另外，棚内2个剖面（A1-1、A2-1）和棚外5个剖面（B4-1、B4-2、B5-1、B5-2、B6-2）在一定土壤深度内DC均＞80%且随深度变化不大，但在以下土层DC迅速下降直至消失，整体呈现“L”型变化。说明这7个剖面水分入渗均以基质流为主，其中棚内土壤转折点发生在20 cm左右，棚外土壤发生在10 cm左右，分别对应着棚内、外耕作层的深度，也就是说，人为翻耕、除草和施肥等活动破坏了土壤的原有结构，阻断了耕作层与下层结构性土壤之间的联通孔隙，从而阻碍了优先流的发生，同时松散的表土增加了水分的横向流动。而棚内A1-2、A2-1、A3-1、A3-2及棚外剖面B6-1的DC并不是随土壤深度的增加表现为单调的递减模式变化，在一定土壤范围内染色面积会出现明显的反弹现象，总体呈现类似“S”型的变化，说明随着土壤深度增加，水分入渗呈现出明显的优先流现象。

优先流染色形态变异系数可以反映土壤优先流形态的发生程度，从而揭示沿土壤深度方向上的优先流发展变化程度。从不同土地利用类型土壤剖面的优先流染色形态变化程度（表3）可以看出，棚内土壤的优先流发生较棚外土壤更为复杂。棚内土壤表层10 cm的DC高达70.10%～100%，以基质流为主；在10～30 cm土层，由于人为耕作等活动影响降低以及根系含量增加，促进了优先流的发生与发展，使得变异系数逐渐增大，从基质流和优先流共同作用的水流模式逐渐转变为以优先流为主的水分入渗；在30～50 cm土层，随着浅层根系的减少以及土壤质地的变化，优先流迅速降低；但到达50～60 cm土层时，由于深根的作用，又表现出明显的水流分化，观察到典型的优先流现象；随后染色逐渐消失。总体上，棚内土壤的优先流染色形态变化程度为相对稳定—次活跃—活跃—速变—活跃—速变。棚外土壤的优先流形态变化相对简单，程度为次活跃—速变，其中0～10 cm表层土壤水分以基质流和优先流共同作用入渗。棚外土壤由于质地十分黏重，耕层以下DC变异极大，亮蓝在土壤剖面内入渗更浅，优先流路径深层分布较少。

本研究得到的优先流垂直变化特征与以往研究结果一致，即优先流主要发生在地表浅层基质流以下的土壤中；并且，不同土地利用类型的优先流发育程度差异极大，以往研究也发现，相对于森林和草地，农田土壤优先流发育程度较低[5，6，10，18，19]。然而，目前尚未

图1 不同土地利用类型土壤优先流的染色面积比Fig.1 Dyeing coverage of preferential flow under different land use types

表3 不同土地利用类型土壤剖面的优先流染色形态变化程度Table 3 Variation degrees of soil preferential flow dyeing pattern under different land use types

查到设施菜地土壤优先流发育特征的相关报道。

2.2 土壤优先流形成的影响因素

对不同土地利用类型下土壤理化性质、根系特性与优先流DC进行Pearson相关分析，结果显示，土壤优先流路径受土壤理化性质和根系特性的共同影响。

为了进一步确定土壤理化性质和根系特性对优先流形成及变化的作用机理，本研究对主要影响因子进行了主成分分析。结果显示，影响不同土地利用类型优先流特征的主成分有3个，累积贡献率达到85.84%。为了使各因子在不同主成分之间得到更好解释，本研究对所有因子进行旋转，得到主成分矩阵（表4），3个主成分对优先流变异的解释量分别为48.01%、28.44%和9.39%。其中，主成分1反映了土壤因素的变化情况，与土壤最大持水量、毛管持水量、容重、毛管孔隙度和初始含水量关系最为密切，即主成分1代表了土壤因素中水分及孔隙结构状况；主成分2反映了植物根系特征的变化情况，主要包括根重密度、根长密度、根表面积、根平均直径和根体积（图2）。

表4 主成分分析结果Table 4 Results of principal component analysis

图2 土壤优先流影响因子的主成分载荷图Fig.2 Principal component load diagram of influencing factors of soil preferential flow

从土壤优先流影响因子主成分分析得分图（图3）也能观察到，棚内土壤的优先流发育程度和影响因素与棚外土壤有显著差异；并且2种土地利用方式下不同土层的优先流主要影响因子也不相同。对于棚内土壤，表层0～20 cm土壤优先流发育受到主成分1（土壤孔隙结构及水分状况）的影响更多，而表层以下土壤优先流发育更倾向于受到主成分2（根系特征）的影响。这一影响特征很好地解释了前面得到的设施土壤优先流垂直变化现象：棚内表层土壤孔隙状况良好，优先流可以通过大孔隙向下快速迁移；随着土层加深，DC呈降低趋势，此时由于人为翻耕、除草、施肥等活动破坏了土壤的原有结构，阻断了耕作层与下层结构性土壤之间的联通孔隙，并且随着根系含量增加，从表层到深层土壤优先流主要驱动因素也从土壤因子转变成根系因子，因此，20～30 cm是优先流现象最为明显的土层。与设施土壤相反，粮田土壤表层0～20 cm土壤优先流发育受到主成分2的影响更多；随着土层加深，优先流更多受到主成分1的影响。由于粮田土壤较设施土壤更为紧实、干燥，有机质含量低，且人为耕作较少，因此表层优先流主要沿根系孔径快速通过；但随着土层加深，根系迅速减少，且土壤质地越发黏重，优先流路径深层分布较少，因此发育程度显著低于设施土壤。

图3 土壤优先流影响因子主成分分析得分图Fig.3 Score diagram of principal component analysis for influencing factors of soil preferential flow

以往研究结果表明，优先流的发生与变化特征主要受土壤理化性质和根系特性的影响，但具体的驱动因子却并不一致。程竞萱等[5]指出，根系特性中根重密度和根长密度是不同土地利用类型下（林地、农地）优先流的最主要影响因素；而在土壤性质中，化学性质对优先流的影响大于物理性质。然而，陈晓冰[10]研究发现，对于林地、草地和农地，土壤物理性状对优先流的影响更大，其贡献率顺序为土壤孔隙状况＞水分状况＞质地。另外，优先流的大部分研究集中在自然生态条件的林地、草地，而对农地的研究甚少，特别是对设施蔬菜生产体系的研究尚未发现任何报道。郑欣等[6]研究了北京地区不同土壤类型的优先流分布特征后指出，落叶阔叶林地优先流发育受土壤质地、有机质含量和直径为1～3 mm的根长密度的综合影响。王伟[7]认为土壤孔隙结构是紫色砂岩林地土壤优先流形成的最主要影响因素，可以解释近50%的方差变异；王赵男[9]在黑龙江东部山区林地的研究也得到了类似结果，非毛管孔隙对优先流作用最为明显。高超[8]对凤阳山主要林分类型土壤优先流影响因素的主成分分析结果表明，第一、二、三主成分分别反映了根系特征、石砾含量、非毛管孔隙对优先流路径的影响。

本研究首次探索了养分、水分、农药等投入更为集中的设施集约化生产条件下土壤优先流的发生与分布特征，结果显示，设施土壤优先流发育程度显著高于棚外土壤，使得氮磷等养分、农药等溶质随水分以更快速度向深层土壤和地下水迁移，强调了由此产生的环境风险不容忽视。为了更好地控制此类环境风险，本研究进一步对土壤理化性质和根系特性等环境因素进行了主成分分析，探索设施生产环境因素对优先流形成及变化的作用机理，最终指出设施条件下优先流驱动因子从表层的由土壤孔隙结构和水分状况起决定性作用，转向深层土壤由根系特性所控制。本研究结果与以往森林、草地及粮田优先流的驱动因子均有所差异，因此，设施土壤优先流分布特征研究亟待加强，探索其驱动因子并提出科学的阻控措施对于防控农业面源污染十分必要。

3 结论与讨论

与自然生态系统相比，设施集约化生产环境显著改变了土壤优先流的发生与分布特征，使得设施土壤优先流发育程度显著高于粮田土壤，水分可以更快速度向深层土壤和地下水运移，便随着氮磷养分及农药的迁移，极大地增加了环境污染的风险。除此之外，设施环境还显著改变了土壤优先流发生的驱动因子，表层0～20 cm土壤优先流主要受土壤孔隙结构和水分状况影响，而20 cm以下土层优先流主要受根系特性所控制，与粮田土壤优先流驱动因子正好相反。