桂北岩溶区典型农地土壤优先流特征

李振东, 朱彦光, 陈晓冰,2, 甘 磊, 张宗急, 方荣杰, 程芳丽

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院, 广西 桂林 541004; 2.桂林理工大学,广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心, 广西 桂林 541004; 3.桂林理工大学,广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西 桂林 541004; 4.桂林市农业科学院, 广西 桂林 541004)

优先流是土壤中一种常见的水分运动形式，农田中优先流的发生会使水分携带溶质快速向地下深处入渗[1]，缩短农作物对水肥的吸收时间，造成水肥流失[2]。并且，肥料随水分运移到地下深层还会增大地下水受污染的风险，破坏环境[3-5]。

广西岩溶地貌广泛分布，全区共有81.86万hm2的石灰土壤，其中有20.41万hm2用于耕地使用[6]。岩溶这种特殊的地质条件，形成的土壤裂隙和孔隙高度发育，优先流现象普遍发生[7]。国外对岩溶区的优先流研究较早且已取得一定成果，基于优先流运动特点，Ayadi等[8]采用同位素示踪法研究了地中海岩溶区地下水质变化，Pacheco等[9]采用层次聚类分析方法研究了岩溶区地下水时空变化过程。此外，Paquette等[10]采用同位素示踪法研究了岩溶区冻土径流机制和优先流路径中水分含量变化。而我国对于优先流的研究也主要集中在东北黑土区[11]、黄土高原区[12]、南方花岗岩[13]、南方紫砂岩区[14]等地，随着研究的深入和对岩溶区生态环境的逐渐重视，一些学者也开始逐步对岩溶区优先流开展相关研究[6]。但对于岩溶区农地优先流，目前国内外研究较少。优先流的影响因素较多，在不同环境下优先流特征也存在一定差异性，王发等[15]对退耕和耕作的农地优先流现象进行研究发现，耕作方式的不同使得土壤结构改变，发育有不同特征的土壤孔隙，进而改变土壤中优先流特征。也有研究表明，不同利用类型的土壤与优先流现象的发生存在着一定联系[16]，不同植物和不同的耕作方式对土壤环境的影响不相同，进而对优先流的发育也有不同的影响。陈国靖等[17]对宁夏林地和草地的土壤结构进行研究，发现人类耕作活动会破坏土壤团聚体，而土壤中团聚体越多，土壤孔隙发育情况越好，优先流的通道更多。但是对于岩溶区不同农地间的土壤环境差异，特别是农作物种类差异会对优先流的发生及其变化产生何种影响，仍缺少相关分析研究。

针对以上问题，本文以广西桂北岩溶区3种典型农地，即玉米地、花生地和水稻田的土壤优先流为研究对象，通过野外染色示踪法，结合图像形态学、数理统计以及分形理论等方法，分析研究桂北岩溶区不同农地土壤间的优先流特征，为西南岩溶区土壤水分运动理论发展提供一定基础，也为岩溶区合理利用土地资源，提高施肥和灌溉效率，减少地下水受污染提供一定科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西桂林市农业科学院农作物种植试验区内，地理位置为25°4′N，109°44′E。研究区内地势平坦，平均海拔高度160 m，属于亚热带季风气候，多年平均降水量1 894 mm，年平均气温18.5 ℃。试验时间为2017年12月1日至2018年1月15日。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与布设 在研究内选取3块分别种植有玉米(YM)、花生(HS)、水稻(SD)的农地，农地尺寸均为长15 m和宽20 m，且3块试验地均未进行翻耕。3块样地施肥水平分别为：玉米地施基肥复合肥37.50 g/m2，钙镁磷肥15.00 g/m2，追施尿素15.00 g/m2，硫酸钾15.00 g/m2，复合肥52.50 g/m2；花生地基肥施用钙镁磷肥75.00 g/m2，花期喷施2次叶面肥(磷酸二氢钾和硼肥)；水稻田基肥施复合肥60.00 g/m2，追肥施尿素18.75 g/m2，氯化钾15.00 g/m2。在3块农地内的作物种植带之间分别随机选取4个试验观测点，同一样地间每个试验点间隔至少2 m，清理表面枯枝落叶和杂草。然后将长、宽、高分别为60 cm，60 cm和30 cm的矩形金属样框垂直缓慢砸入土壤中，砸入深度为15 cm，以形成染色试验观测样方，且在样方上覆盖聚乙烯塑料薄膜进行预处理，以保证样地在染色试验前的土壤前期含水量相近，时间为24 h。样地基本情况见表1。

1.2.2 染色示踪试验 24 h后移除塑料薄膜，以当地累积24 h降雨量25 mm为试验标准，配置9.5 L且溶液浓度为4 g/L的亮蓝溶液，用带有恒流泵的喷头以150 ml/min的速度均匀喷洒到金属样方内的土壤中(图1)。喷洒结束后，再将塑料薄膜继续覆盖在金属样方上。24 h后移除薄膜和金属样方，选取样方中间50×50 cm的区域染色土壤进行染色剖面垂直挖掘，挖掘方式为每层10 cm的垂直深度，且最大挖掘深度为50 cm，即本研究最大染色深度。并使用高分辨率的数码相机对土壤垂直染色剖面进行拍摄，拍摄过程中配测量标尺和灰阶比色卡，以获取土壤垂直染色剖面图像。

表1 样地基本情况

图1 染色剖面处理示意图

1.2.3 土壤染色图像处理 在得到土壤染色剖面图像后，利用ERDAS IMAGINE 2016 软件对其进行校正处理，并使用PhotoshopCS 6.0将校正后的图像进行裁剪，本研究裁剪后的尺寸为500×500 pixels，并继续对图像进行颜色替换，将土壤染色部分替换成黑色，土壤未染色部分替换成白色，最后形成黑白二色图。再将得到的图像进行阈值调整和降噪，使替换颜色后的图像与染色原始图像相一致。最后将所得图像导入Image Pro Plus 6.0软件中，利用软件分割和计数功能将图像转换成由0(黑色)和255(白色)组成的二值数据矩阵，导入到Excel中，再进行相应参数计算分析。

1.2.4 优先流特征参数

(1) 染色面积比。染色面积比[18]是将染色剖面图分成若干层，本文取每层厚度为1 mm。将每张染色图片转换成数值矩阵后，计算每层黑色像素点所占比例，即染色面积比。表达式为：

(1)

式中:DC为每层染色面积比(%);D为每层黑色像素面积(mm2);ND为每层白色像素总面积(mm2)。同理，统计数值矩阵中黑色像素总面积比上剖面总面积即可得总的染色面积比。

(2) 基质流深度。基质流深度[19]是指土壤中水分以基质流形式运动的垂直深度，单位为mm。本文将染色面积比大于等于80%的土层深度定义为基质流深度。

(3) 优先流比。优先流比[19]是指土壤染色剖面中，优先流区域的面积占总染色面积的比值。表达式为：

(2)

式中:PF-fr为土壤优先流比(%)；UniFr为基质流深度(mm)；W为土壤剖面染色宽度(mm)；TotStAr为土壤剖面总染色面积(mm2)。

1.2.5 分形维数 土壤优先流形成的湿润锋迹线具有不规则和无序的复杂几何形态，因此可以用分形维数来表征土壤优先流湿润锋迹线的形态特征，从而反映土壤优先流的发生程度。同时，分形维数不仅可以用来分析单位长度线的特征，还可以对比图形的复杂性[20]，而土壤染色形态具有不规则和无序性，亦可用分形维数来分析其土壤染色形态特征。

本文采用计盒法来分析湿润锋迹线和染色形态的分形维数，取边长为r的正方形盒子覆盖图像，则有一部分盒子不会覆盖在图像上，将覆盖在图像上的盒子数定为N(r)，然后将r缩小则N(r)会增大，当r趋近于0时，则得到湿润锋迹线和染色图形的分形维数FD[21-22]。表达式为:

(3)

式中:FD为分形维数；N(r)为覆盖在图形上的盒子数；r为盒子边长。

当湿润锋迹线分形维数等于1的时候，表示此时入渗的水流为均匀流，当分形维数大于1的时候，表示此时发生优先流，而分形维数越大则优先流现象越明显[23]。同理染色形态分形维数越大，表示染色形态越不规则，即土壤优先流现象越明显。本文在获取土壤染色图像的染色形态图片和湿润锋迹线后，采用ImageJ软件来计算湿润锋迹线的分形维数。

2 结果与分析

2.1 土壤染色形态分析

对3种典型农地进行野外染色示踪试验，得到土壤染色形态垂直剖面，以分析土壤染色形态特征。每个典型农地分别开挖得到20个垂直剖面，总计60张土壤染色形态图像。本文仅分别在每种农地中选取1个具有代表性的染色剖面进行形态特征分析。

图2 不同农地土壤染色形态

从图2中可以看出，玉米地在0—15 cm深度范围内的土壤出现大面积团块状染色形态，随后出现明显的树枝状染色形态，上下连通性较好。在20—35 cm深度范围染色形态呈团块状，与上层树枝状染色形态联通。团块状染色形态的出现表明在这一深度范围内存在较多侧向孔隙，水分以侧向运动为主。在35—50 cm土层深度处虽然也存在团块状染色形态，但较20—35 cm深度范围的团块状染色形态黑色像素点更少，说明在这一深度范围内土壤孔隙开始减少，水分入渗形式以垂向运移为主，随着时间推移，水分入渗深度可达50 cm。而花生地仅在0—10 cm深度范围出现大面积的团块状染色形态，随后染色形态呈指状分布。在相同外部条件下，花生地大面积染色形态深度范围较小，则更快出现染色形态分化现象。从图中可以看出在4 cm深度之后染色形态呈团块状，说明此时优先流现象已开始发生，但水分入渗形式主要还是以侧向流动为主，优先流现象较玉米地更弱。花生地表层为熟土，下层为生土，果实生长在土壤表层且呈簇状生长，生长过程中果实膨胀长大[24]，这也使得土壤表层结构疏松，存在较多侧向孔隙，水分入渗较为迅速。同时花生生长在表层，深层土壤受植物影响较小，孔隙发育程度相对表层较小，表现为在土壤15 cm深度之后开始出现3条明显的指状染色形态和少数面积较小的团块状染色形态，说明其中存在侧向孔隙通道，水分在快速向下入渗的过程中发生了侧向运移，但水分入渗主要还是以向下运移为主。而玉米地相比花生地染色分化剧烈，水分快速向下运移现象更为明显。在46 cm深度之内花生地染色达到最大深度，相比玉米地达到50 cm染色深度，花生地水分入渗能力较弱。对比玉米地和花生地，水稻田大面积染色形态仅出现在0—4 cm深度范围内，表明水稻田出现染色形态分化现象相对玉米地和花生地更快。在4—28 cm深度范围出现4条指状染色形态和少量团块状染色形态，染色形态连通性较好。水分入渗以垂向入渗为主，伴有少量侧向运移现象。水分在经过土壤表层大面积入渗后，沿着4条明显的孔隙通道快速向下入渗，在土层深度28 cm达到最大染色深度，相比玉米地和花生地，优先流现象较弱。

2.2 土壤优先流变化分析

分别对玉米地、花生地、水稻田的20个土壤垂直染色剖面图像进行处理，得到基质流深度、染色面积比、优先流比和最大染色深度4个优先流特征参数。

图3 3种样地土壤染色面积比

从图3中可以看出，玉米地的土壤染色面积比均随土层深度的增加呈先减小再增大再减小的“W”型变化，在土壤0—20 cm深度范围内染色面积比快速减小，在20—40 cm深度范围出现明显波峰(28.74%)。主要是由于这一深度范围染色形态呈团块状，染色面积较大，因此染色面积比出现波峰型变化。而花生地土壤染色面积比随深度呈“S”型变化，水分在以基质流入渗后染色形态开始分化，土壤染色面积比迅速减小。由于花生生长特性，导致土壤表层孔隙发育，水分在快速向下入渗时还伴有侧向入渗的现象，表现为团块状的优先流染色形态，因此在这一深度范围内土壤染色面积比减小的趋势变缓。之后出现数条竖直的孔隙通道，其形成的染色面积小于团块状的染色面积，土壤染色面积比减小的趋势加快后又减缓。相比玉米地和花生地。水稻田染色面积比随深度变化曲线呈“L”型，在0～10 cm深度范围快速减小，在10—48 cm深度范围内变化趋势减缓。对比图2可以发现，水稻田在0—4 cm出现大面积染色形态，随后分化为4条指状染色形态。在0—10 cm染色面积比减小80.78%，而10—50 cm染色面积比仅减小17.69%，即图3中土壤染色面积比从快速变化到变化趋势减缓的过程。

基质流深度即水分以基质流形式入渗的深度范围，从而表征优先流现象发生的快慢程度[19]。从表2可以看出，基质流深度最大的是玉米地(5.55 cm),其次是花生地(3.81 cm)，水稻田基质流深度最小(2.36 cm)。说明在相同外部供水条件下，水稻田最先发生优先流，其次为花生地，玉米地发生优先流现象较为滞后。但从图2和图3中我们可以看出，玉米地最晚发生优先流现象，但优先流现象更明显，即表现为在15～50 cm深度发育有大面积的树枝状和团块状染色形态，染色形态深度达50 cm。从总染色面积比、优先流比、最大染色深度3个参数也可以看出。在相同外部条件下，玉米地的总染色面积比(33.50%)分别是花生地(22.84%)和水稻田(12.55%)的1.47倍和2.67倍；最大染色深度(49.36 cm)大于花生地(43.99 cm)和水稻田(30.92 cm)，三者差异性显著(p<0.05)。优先流比即水分入渗过程中优先流所占比重[23]，见表1，玉米地优先流比最大(71.59%),其次为花生地(68.58%)，而水稻田(62.03%)最小。在相同外部条件下，玉米地总染色面积比和最大染色深度、优先流比均最大，即玉米地中水分入渗能力较强，优先流现象明显，其次为花生地，水稻田因土壤中水分长期处于过饱和状态，前期含水量较高，水分入渗深度较小，也因此优先流现象相对玉米地和花生地较弱。

表2 不同农地土壤优先流特征参数

注：表中数据均为平均值±标准差，n=20；同列数据不同字母表示差异显著(p<0.05)。

2.3 土壤优先流发育程度分析

土壤优先流现象形成的湿润锋迹线和染色形态具有不规则和无序的复杂几何形态，分形维数越大，土壤湿润锋迹线和染色形态特征越不规则，即优先流发育程度越高[20-23]，结果如图4所示。

注：D表示湿润锋迹线分形维数；Ds表示染色形态分形维数。

图4 不同农地湿润锋迹线与染色形态分形维数

图中曲线分别为3种典型农地的平均湿润锋迹线，玉米地的湿润锋迹线在30—45 cm深度范围内，斜率为0.42，无明显平缓的湿润锋迹线，说明玉米地在0—50 cm水平宽度范围均有优先流活动。而花生地湿润锋迹线在15—32 cm深度范围之内，水分入渗深度小于玉米地。在0—25 cm水平宽度范围之内变化较为平缓，即这一宽度内水分入渗深度相似，即无明显的优先快速入渗现象。在25—50 cm水平宽度湿润锋迹线呈波浪形变化，有4个明显的波峰，波峰的出现说明有4条较发育的孔隙通道，水分沿着这些通道快速向下入渗，优先流主要出现在25—50 cm水平宽度范围。相对于花生地和玉米地，水稻田湿润锋迹线在8—20 cm深度范围之内，水分入渗能力最弱。同时在0—30 cm水平宽度湿润锋迹线呈波浪形变化，整体缓慢向下延伸，但波动幅度相对玉米地和花生地较小，在30—50 cm水平宽度范围变化较为平缓，说明水稻田存在快速向下运移的入渗水流，主要在0—20 cm水平宽度范围活动，即优先流现象发育。

通过湿润锋迹线可以表征3种典型农地均有优先流现象发生，且玉米地存在数条优先流通道使得水分在其中快速向下入渗。而花生地仅部分宽度范围湿润锋迹线波动较大，湿润锋深度范围小于玉米地。相对于玉米地和花生地，水稻田湿润锋迹线深度范围最小，随深度变化趋势更为平缓。湿润锋迹线可以定性的分析3种典型农地优先流现象，而本文引入分形维数对优先流进行定量评价。湿润锋迹线的平均分形维数由大到小表现为玉米地(1.34)、花生地(1.28)、水稻田(1.26)。玉米地湿润锋迹线分形维数最大，即其不规则性最高，因此优先流发育程度相对最高。花生地和水稻田的湿润锋迹线分形维数差异性不显著(p>0.05)，但通过湿润锋迹线的分析发现，花生地相比水稻田水分入渗深度更大，且湿润锋迹线变化更为明显。同时对3种典型农地染色形态分形维数分析发现，玉米地染色形态分形维数最大(1.75)，这也进一步说明了，玉米地优先流发育程度最高。其次为花生地(1.73)，水稻田染色形态分形维数最小(1.65)，两者染色形态分形维数差异性显著(p<0.05)，说明花生地染色形态相比水稻田更为复杂，即花生地优先流发育程度相比水稻田更高。

3 讨 论

田间土壤水分入渗包括基质流和优先流入渗形式，基质流深度即土壤中基质流发生的深度范围。基质流深度越大，土壤中发生基质流的时间越长，相对的优先流现象的发生则越滞后[19]。本文研究得出玉米地基质流深度分别是花生地和水稻田的1.18倍和1.91倍，说明玉米地优先流现象发育相对滞后，而水稻田最先发育优先流现象。然而对于基质流深度的大小是否也表征优先流现象的强弱，张东旭等[23]对3种不同农地优先流研究结果显示，南瓜地、柑橘地、玉米地的基质流深度和平均总染色面积比分别为(2.30 cm，1.50 cm，3.50 cm)和(22.80%，17.26%，13.87%)，南瓜地优先流程度最高，其次为柑橘地，玉米地优先流程度最低，基质流深度的大小与优先流发育程度无相关关系，因此本文还引入了其他参数对优先流进行分析。同时，上述学者研究得出的玉米地基质流深度和平均总染色面积比均小于本研究结果(4.51 cm，32.09%)，这主要受土壤类型的影响。同时，本文研究结果显示玉米地平均总染色面积比分别是花生地和水稻田的1.40倍和2.56倍，三者差异性显著(p<0.05)，染色面积越大，说明水分运动范围越大，间接也说明了土壤中大孔隙越多，更容易发育优先流。Flury等[18]也指出在相同外部条件下染色面积比越大，优先流现象更明显，因此相比花生地和水稻田，玉米地的孔隙较为发育，其次为花生地。张中彬等[25]对红壤区水稻田研究结果显示，水稻田大孔隙主要集中在0—20 cm深度内，而本文水稻田土壤染色部分在0—30 cm深度内，水分会沿着大孔隙快速向下入渗，因此土壤染色部分也可以看作土壤中孔隙的分布，本文水稻田土壤染色深度范围大于上述学者研究结果，不同土壤类型的情况下，孔隙发育情况也会有所差距，但上述学者和本文对水稻田研究结果均显示大孔隙主要分布范围小于本文研究的玉米地和花生地的大孔隙分布范围，说明水稻田发育优先流的潜力低于玉米地和花生地。

相对于平均总染色面积比描述了整体的水分运动，优先流比则能直观的描述土壤染色区域中优先流发育所形成的染色占比[23]。陈晓冰等[6]对不同耕作方式甘蔗地优先流的研究得出，耕作的甘蔗地优先流比(82.89%)小于免耕甘蔗地(88.61%)，免耕甘蔗地优先流发育程度较高，而其免耕甘蔗地基质流深度和平均总染色面积比(2.13 cm，35.13%)均小于耕作甘蔗地(3.08 cm 35.72%)。本文研究得出玉米地的优先流比为71.59%，分别是花生地和水稻田的1.04倍和1.15倍，但玉米地的基质流深度和平均总染色面积比均大于花生地和水稻田，与陈晓冰等[6]得出的优先流比大的甘蔗地基质流深度和平均总染色面积比较小的结果不同，这主要是因为，优先流比是优先流部分染色面积与总染色面积的比值，当玉米地基质流深度和平均总染色面积比均大于花生地和水稻田时，则玉米地和花生地、水稻田的基质流深度与平均总染色面积比的比值不能确定大小，即优先流比可能大也可能小，这也说明仅靠优先流比和基质流深度、总染色面积比并不能完全的得出优先流发育程度大小的结论，需结合其他数据对其进行分析。

吕刚等[26]对海州露天煤矿复垦排土场种植不同植物的土壤的优先流研究显示，总体趋势上土壤染色面积比随深度增加而减小，同时不同利用类型的土壤优先流染色面积比变化趋势不同，其玉米地染色面积比最大值为44.36%，小于本文结果(98.38%)，而其玉米地最大染色面积出现在0—5 cm深度内，本文玉米地最大染色面积出现深度为0—1 cm。耕作会在一定程度上改变土壤的孔隙结构，而不同耕作方式也会改变土壤孔隙的数量与分布，又因为土层越深土壤受耕作和植物根系的影响越小，因此，最大染色面积比均出现在土壤表层，染色面积比随深度变化明显，而染色面积比的差异还说明不同土壤环境会改变土壤水分入渗能力。蒋小金[11]等对东北典型黑土耕地优先流现象研究的结果显示，水分垂向运移受到阻碍时，开始侧向入渗，此时染色面积比增大，土壤染色形态呈团块状。本文图3显示，玉米地在20—40 cm深度范围出现波峰型变化和花生地出现的“S”型变化，这一深度染色面积比变化趋势减缓，同时图2中这一深度染色形态部分呈团块状分布，即在团块状染色形态处，水分运动出现了侧向入渗现象。戴翠婷[27]等对三峡库区不同利用类型紫色土壤优先流研究也发现这一现象，同时其研究结果显示玉米地无明显侧向运移现象，这主要是本研究中的玉米地水分入渗在通过覆土层后受到阻碍，发生侧向运移，部分水分则继续向下入渗形成优先流。花生地和水稻田未出现明显的侧向运移现象，表现为土壤染色面积比随深度变化趋势线较为平滑，说明上下层土壤结构密度的改变会影响土壤水分入渗的方式。

潘网生等[28]研究认为分形维数可以用来评价湿润锋迹线。而张东旭等[23]对3种农地湿润锋迹线进行研究结果显示，3种农地分形维数分别为1.33(南瓜地)，1.25(柑橘地)，1.23(玉米地)，同时南瓜地优先流发育程度最高，玉米地优先流发育程度最低。本文研究玉米地湿润锋迹线分形维数为1.34，大于上述学者所得结果，说明土壤环境对优先流发育的影响较大。而本文综合染色形态特征和优先流参数特征分析结果显示玉米地优先流发育程度最大，其次为花生地，水稻田优先流发育程度最小。这主要是因为玉米地在植物生长过程中，土壤在灌溉后经历干湿循环，容易发育孔隙，因此水分入渗能力较强，基质流深度大。又由于孔隙数量多且分布范围广，优先流现象较为发育。而花生地植物植株覆盖在土壤表面，减少水分散发，水稻田土壤水分长期处于过饱和状态，孔隙发育相对玉米地较少，且水分的大面积入渗深度相对较小，即更快发生优先流的同时优先流的发育程度也相对较小。沃飞等[29]对太湖水稻土研究结果显示，3种水稻土在0—30 cm深度发育优先流的能力最强，而本文水稻田平均最大染色深度为30.92 cm，这也间接说明本文水稻田染色主要集中在0—30 cm土层深度内，水分以优先流形式入渗深度小于玉米地和花生地，优先流发育程度相对最低。这一结果也说明了湿润锋迹线分形维数和优先流发育程度呈正相关关系。同时也表明，本文提出的染色形态的分形维数方法也可以表征优先流的发育程度，在一定程度上可以直接对土壤染色形态分形维数进行分析，以简化分析过程。

4 结 论

(1) 桂北岩溶区玉米地优先流现象形成的染色形态由树枝状变为团块状再到树枝状，土壤在20—40 cm深度范围存在较多侧向孔隙通道；而花生地和水稻田染色形态均呈指状，同时，花生地水分快速向下运移的过程中还伴有明显的水分侧向运移现象。

(2) 相同供水条件下，玉米地的平均基质流深度达5.55 cm，是花生地的1.46倍，优先流发生时间相对滞后。而水稻田的平均基质流深度仅为2.36 cm，最快发生优先流现象。

(3) 玉米地平均优先流比为71.59%，其次为花生地(68.58%)，水稻田(62.03%)最小；玉米地的湿润锋迹线分形维数为1.34，分别是花生地和水稻田的1.05倍和1.06倍，即玉米地优先流发育程度最高，其次为花生地，水稻田优先流发育程度相对最小。