中国西南地区梯田-垄田过渡带土壤优先流特性研究

《Agricultural Water Management》：Characterization of soil preferential flow in the paddy field-ridge transition zone of terrace, Southwest China

　　梯田系统土壤水分运动及 preferential flow 特征研究显示，哈尼梯田不同海拔的田块与埂间存在显著差异。中海拔地区 preferential flow 比例最高（97.33%），且土壤有机质、孔隙结构等指标与 preferential flow 参数呈显著相关性。研究证实田埂是主要的水分侧向流失通道，中海拔区因土壤结构最优导致 preferential flow 强度最大，而高海拔区因有机质流失和土壤压实抑制 preferential flow 发展。建议通过深耕松土、精准灌溉调控等措施减少水分养分流失并维持梯田稳定性。

　　
中国西南部哈尼梯田系统的水文特性与偏流机制研究

摘要
哈尼梯田作为中国重要农业文化遗产，其独特的梯田生态系统对水土保持具有关键作用。本研究通过多尺度观测和系统分析，揭示了海拔梯度对梯田系统偏流特征的影响规律，阐明了土壤物理性质与偏流参数的耦合机制，提出了针对性水分管理策略。研究发现在海拔1,497米至1,882米的梯田系统中，中海拔区（1,694米）的偏流强度达到峰值，稻田与埂土的偏流参数差异显著。土壤有机质含量与偏流路径密度呈显著正相关，而黏粒含量则呈现负相关关系。研究结果为梯田生态系统的可持续发展提供了理论支撑。

1. 引言
偏流作为非平衡态水分迁移的重要机制，通过特大型孔隙网络实现快速运移。这种水分传输方式在坡地农业系统中尤为显著，其发生发展与土壤结构、地形格局及人类活动密切相关。哈尼梯田作为典型的人地协同系统，其垂直海拔梯度（1,05米至3,074米）导致土壤属性呈现显著分异特征，为研究偏流的空间分异规律提供了独特样本。

研究区域具有典型的高原山地气候特征，年均温16.6℃，年降水1,500-2,000毫米。土壤类型主要为水耕砖红壤，机械组成以粉粒为主（85.87%-88.06%），黏粒含量2.6%-4.53%。梯田系统包含四个核心要素：森林覆盖区、传统村落、梯田系统及灌溉水系，形成独特的水文循环体系。长期的水稻种植导致土壤结构发生显著改变，特别是表层土壤有机质含量高达30.95g/kg，形成典型的耕作层。

2. 材料与方法
研究选取玉?梯田区三个典型海拔样地（H1:1,497米；H2:1,694米；H3:1,882米），每个样地设置稻田-埂过渡带实验区。采用分层环刀法采集0-60厘米土层样本，测定土壤容重、孔隙率、有机质等物化指标。染色追踪实验通过特定浓度蓝色染料（4g/L）的灌溉施用，结合三维成像技术分析偏流通道的空间分布特征。

研究设计包含三个核心模块：
（1）土壤采样系统：采用分层环刀法（0-20cm,20-40cm,40-60cm）结合激光粒度仪（Bettersize 2000）进行土壤物化特性分析，重点检测容重（BD）、孔隙率（Pt）、有机质（SOM）等关键参数。
（2）染色追踪实验：构建100×100×30cm垂直土柱，通过恒头渗透仪测定饱和渗透系数（Ks），结合图像处理技术计算染色面积比（SAR）、染色路径数（SPN）等指标。
（3）数据分析方法：运用单因素方差分析（ANOVA）和斯皮尔曼相关分析，结合ArcMap空间制图技术，建立海拔梯度-土壤属性-偏流参数的耦合模型。

3. 主要研究结果
3.1 土壤物理性质分异特征
（1）容重分布：中海拔区稻田表层（0-20cm）容重最低（0.76g/cm3），而高海拔区（H3）因有机质流失导致表层容重升高至0.96g/cm3，深层（40-60cm）容重增加幅度达35%-37%。
（2）孔隙结构演变：中海拔区总孔隙率最高（70.08%），非毛细孔隙占比达5.62%，形成典型的大孔隙网络系统。高海拔区毛细孔隙占比下降至46.13%，而黏粒含量上升至4.53%，导致孔隙连通性降低。
（3）有机质梯度：中海拔区稻田有机质含量达30.95g/kg，显著高于高海拔区（28.56g/kg）。土壤有机质与偏流参数呈现显著正相关（r=0.62-0.78，p<0.01）。

3.2 偏流空间分异规律
（1）垂直分异特征：偏流通道主要发育在0-20cm浅层土壤，其中中海拔区SPN值达25条/平方米，显著高于低海拔区（23条/平方米）和高海拔区（19条/平方米）。深层（40-60cm）偏流通道密度下降50%-70%。
（2）水平分异特征：埂土区域PFfr值达97.33%，成为主要偏流通道；稻田区域PFfr值介于40.88%-50.97%，其中中海拔区稻田PFfr值达峰值51.21%。这种空间差异源于梯田系统的"垂直截流-水平输移"机制。
（3）偏流通道形态：中海拔区埂土出现典型宽间距（>100mm）通道，占比达11.26%，而稻田以10-100mm中等间距通道为主（占比68.5%）。高海拔区通道宽度普遍<10mm，与深层容重升高相关。

3.3 关键控制因子解析
（1）地形梯度影响：海拔每升高100米，稻田PFfr值下降约1.2个百分点，而埂土PFfr值仅下降0.5个百分点。这种差异源于梯田"旱地-水田"的交替布局形成的垂向水力梯度。
（2）土壤属性耦合：有机质含量与SPN呈正相关（r=0.71，p<0.001），而黏粒含量与PFfr负相关（r=-0.65，p<0.01）。中海拔区高有机质（32.39g/kg）与低容重（1.06g/cm3）的耦合作用，形成最佳偏流发育条件。
（3）根系调控机制：水稻根系通过分泌有机酸（如柠檬酸、苹果酸）改变土壤表面张力，促进0-20cm浅层偏流。中根系深度（15-30cm）与SPW（通道宽度）呈正相关（r=0.68，p<0.01）。

4. 生态管理启示
（1）梯田改造策略：针对中海拔区（1,694米）PFfr峰值区域，建议实施以下措施：
- 表层土壤改良：通过添加生物炭（5-8t/公顷）改善孔隙连通性
- 深层松土：使用环刀式松土机在20-40cm土层进行深松处理（深度30cm）
- 埂体加固：采用竹篾复合结构加固埂体（厚度≥50cm）

（2）精准灌溉体系：
- 建立海拔梯度差异化的灌溉制度，中海拔区灌溉频率控制在每周1-2次
- 推广滴灌技术（覆盖面积≥80%），减少地表径流
- 设置埂体排水口（间距200m），将渗漏量控制在总灌溉量的15%以内

（3）土壤质量提升：
- 有机质维持：通过秸秆还田（≥3t/公顷）和绿肥轮作，使SOM含量年提升0.5-0.8g/kg
- 黏粒调控：在低海拔区（H1）实施等高线种植，减少黏粒迁移损失
- 微生物修复：接种丛枝菌根真菌（Fusarium oxysporum），提升土壤团聚体稳定性

5. 研究创新与展望
本研究首次揭示梯田系统中"海拔梯度-土壤属性-偏流通道"的三级耦合机制，突破传统单一尺度研究的局限。创新点包括：
（1）建立梯田垂直系统（VTS）水分平衡模型，整合偏流损失与土壤稳定性的定量关系
（2）发现水稻根系通过"物理锚固-化学溶蚀-生物分泌"三重机制调控偏流通道
（3）提出梯田系统"四区两带"治理框架：核心保护区（海拔1,800米以上）、改良试验区（中海拔）、技术示范区（低海拔）和监测预警区，配套埂体截流带与灌溉调控带

未来研究可结合三维激光扫描技术，构建梯田系统偏流通道的数字孪生模型。同时建议开展长期定位观测（周期≥5年），以揭示气候变化（如降水模式改变）与人类活动叠加影响下的偏流演变规律。

结论：
哈尼梯田系统的偏流特征呈现显著的海拔分异规律，中海拔区因"高有机质-低容重-优孔隙结构"的协同作用，形成最活跃的偏流系统。稻田的垂直封堵效应与埂体的水平导流功能共同构成梯田特有的水分调控网络。建议采取"分层治理-梯度调控"策略，重点加强中海拔区埂体工程建设和低海拔区土壤改良，可实现梯田系统水分利用效率提升30%以上，同时降低滑坡风险指数42%-58%。该研究成果为山地农业系统可持续发展提供了新的理论范式和实践路径。