盧華興，段 旭,2 ，趙洋毅,2，朱夢(mèng)雪，涂曉云

(1西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明650224；2國(guó)家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，云南 昆明 650224)

優(yōu)先流是土壤中較為常見的土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移形式[1]，是水和溶質(zhì)繞過部分多孔介質(zhì)而沿著特定路徑非均勻快速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象[2]，研究表明70%～85%的土壤水分運(yùn)動(dòng)都與優(yōu)先流有關(guān)。優(yōu)先流在地表水、地下水和土壤水的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用，其發(fā)生可以減少地表徑流[3]，提高土壤含水率、碳儲(chǔ)量和養(yǎng)分含量，對(duì)地下水補(bǔ)給至關(guān)重要[4]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有涵養(yǎng)水源和保持水土的功能[5],而森林植被和森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。優(yōu)先流作為土壤和水分連接的紐帶，對(duì)森林土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移產(chǎn)生一定影響[6]，開展森林土壤優(yōu)先流研究，加深對(duì)森林調(diào)節(jié)水文的認(rèn)識(shí)，在森林涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)徑流方面具有重要意義[7-8]。

優(yōu)先流具有快速穿透、側(cè)向入滲、非穩(wěn)定性等特點(diǎn)[2]，其形成因素和運(yùn)動(dòng)規(guī)律極其復(fù)雜，這使得優(yōu)先流成為土壤水文學(xué)研究的難點(diǎn)問題[9]。土壤理化性質(zhì)是優(yōu)先流形成的重要因素，阮芯竹[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等均影響優(yōu)先流的形成，其中以有機(jī)質(zhì)含量的影響最大。程金花等[11]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流區(qū)的飽和導(dǎo)水率、有機(jī)質(zhì)含量顯著高于非優(yōu)先流區(qū)；官琦等[12]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)對(duì)優(yōu)先流的發(fā)育有約束作用。程競(jìng)萱等[13]認(rèn)為，土壤質(zhì)地也會(huì)影響優(yōu)先流的產(chǎn)生，土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地的差異導(dǎo)致土壤含水量不同，因此優(yōu)先流的表現(xiàn)形式也不同[14]。初始含水量影響土壤水分的入滲深度和優(yōu)先流的非均勻程度[15]，初始含水量較低導(dǎo)致優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯[16]，而提升土壤初始含水率可以抑制優(yōu)先流的發(fā)展[17]。時(shí)忠杰等[18]發(fā)現(xiàn)，土體中的石礫通過影響土壤大孔隙數(shù)量、有效孔隙的密度和體積來影響優(yōu)先流的發(fā)生，而土壤大孔隙的分布受土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響較大[19]。連經(jīng)緯等[20]認(rèn)為，優(yōu)先流發(fā)育程度的增強(qiáng)可以提高土壤有機(jī)碳、土壤養(yǎng)分的運(yùn)移能力。綜上所述，土壤容重[10,19]、有機(jī)質(zhì)含量[10-12,19]、初始含水率[14-17]、土壤孔隙度[10,18-19]、土壤質(zhì)地[13-14]、土壤養(yǎng)分[20]等土壤因子，均會(huì)對(duì)土壤優(yōu)先流的形成產(chǎn)生影響。目前，有大量研究方法相繼投入到優(yōu)先流的定性和定量化分析之中，而染色示蹤法操作簡(jiǎn)單，能夠直觀顯示整個(gè)土壤剖面中優(yōu)先流的空間分布[21]，是開展土壤優(yōu)先流研究較為普遍的野外試驗(yàn)方法[22]。

滇中磨盤山位于滇中亞高山區(qū)域，是我國(guó)云貴高原、橫斷山地和青藏高原三大自然地理區(qū)域相結(jié)合的特殊部位，是一個(gè)復(fù)合型生態(tài)過渡帶，森林資源豐富，植被類型多樣[23]。磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，在我國(guó)滇中地區(qū)發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土等重要的生態(tài)功能，目前尚沒有關(guān)于該地區(qū)土壤優(yōu)先流的研究報(bào)道。本試驗(yàn)以磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)站為研究點(diǎn)，以滇中地區(qū)水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，采用染色示蹤法，分析土壤理化性質(zhì)是否是優(yōu)先流發(fā)生的驅(qū)動(dòng)影響因子及它們之間的量化關(guān)系，闡釋研究區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律，以期為滇中林區(qū)水源涵養(yǎng)、植被生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平縣磨盤山國(guó)家林草局森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家長(zhǎng)期科研基地(23°46′18″～23°54′34″N，101°12′06″～101°12′12″E)，是云南亞熱帶北部氣候與亞熱帶南部氣候的過渡地區(qū)，屬中亞熱帶高原性氣候，又因地形地貌復(fù)雜，兼具低緯氣候、季風(fēng)氣候和山地氣候的特點(diǎn)[24]。該區(qū)海拔1 260.0～2 614.4 m，相對(duì)高差大；最高氣溫33 ℃，最低氣溫-2.2 ℃，年平均氣溫15 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 380 h；降雨主要集中在6-8月份，年均降雨量1 050 mm，干濕分明、雨熱同季。土壤以第三紀(jì)古紅土發(fā)育的山地紅壤和玄武巖紅壤為主，局部地區(qū)有黃壤和棕黃壤分布，土壤整體偏酸性，土層厚度1 m左右，以中厚土壤層為主。磨盤山地區(qū)是以云南特有中山半濕性常綠闊葉林為主的重要原始森林區(qū)，森林植被類型隨海拔升高呈現(xiàn)出明顯的垂直分布特征，主要分布有亞熱帶常綠闊葉林、云南松針闊混交林、針葉林(主要為華山松林、滇油杉林、云南松林)和高山矮林(主要為高山櫟林)等森林類型，是云南森林群落的重要組成部分，具有重要的生態(tài)價(jià)值。

1.2 研究方法

表1 滇中磨盤山不同林分類型樣地的基本狀況

1.2.2 染色示蹤試驗(yàn) 染色示蹤試驗(yàn)于2020年7月1日至9月10日進(jìn)行，在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m 的區(qū)域進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn)，作為3個(gè)重復(fù)，研究區(qū)內(nèi)共設(shè)置48個(gè)染色示蹤試驗(yàn)點(diǎn)。染色前先平整地塊，在不擾動(dòng)土壤腐殖質(zhì)層的前提下，除去樣地表面的枯枝落葉和碎石，然后將長(zhǎng)、寬、高均為70 cm的矩形鐵框埋入土中 30 cm，并用木錘夯實(shí)鐵框內(nèi)壁5 cm以內(nèi)的松動(dòng)土壤，以避免染色溶液沿鐵框內(nèi)壁下漏對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成影響。選用亮藍(lán)作為染色劑，供水裝置采用馬氏瓶，在積水滲透方式下將質(zhì)量濃度為4 g/L的亮藍(lán)溶液20 L(模擬當(dāng)?shù)?4 h大雨累計(jì)降雨量25 mm)均勻噴灑在鐵框內(nèi)部中央?yún)^(qū)域，覆蓋帆布并用尼龍繩將四周綁緊，以避免靜置過程中降雨等其他水分輸入。24 h后，揭去帆布和埋置的鐵框，挖掘垂直染色剖面。由于鐵框周圍區(qū)域土壤水分運(yùn)移情況較不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)水分側(cè)向滲流而影響試驗(yàn)結(jié)果，因此對(duì)鐵框中心50 cm×50 cm的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，以水平寬度10 cm為間隔由上至下開挖垂直土壤剖面，并用1 200 萬像素相機(jī)拍攝垂直剖面染色圖像，試驗(yàn)場(chǎng)地現(xiàn)狀見圖1。

1.2.3 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 參考中國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和《土壤農(nóng)化分析方法》[25]，采用105 ℃烘干法(LY/T 1213-1999)測(cè)定土壤初始含水率，采用環(huán)刀法(LY/T 1215-1999)測(cè)定土壤容重、孔隙度(包括非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度)、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量和土壤通氣度，采用電位法測(cè)定土壤pH，采用硫酸-重鉻酸鉀外源加熱法(LY/T 1237-1999)測(cè)定土壤有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量，采用半微量凱氏定氮法(LY/T 1269-1999)測(cè)定土壤全氮含量，采用HCIO4-H2SO4消煮法和電子耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定土壤全磷、全鉀含量。

1.3 研究?jī)?nèi)容

1.3.1 不同林分類型的土壤優(yōu)先流特征 染色圖像解析是獲得土壤優(yōu)先流特征的重要過程，主要是對(duì)室外原位土體染色示蹤試驗(yàn)過程中拍攝的染色圖像進(jìn)行處理和分析，然后進(jìn)一步獲取土壤優(yōu)先流特征參數(shù)。首先利用Photoshop CS5軟件將染色圖像進(jìn)行樣式編輯和幾何校正(裁剪大小為50 cm×50 cm)，通過調(diào)整灰度和對(duì)比度、顏色替換、降噪處理及圖像反相處理，使染色區(qū)域變?yōu)楹谏?、未染色區(qū)域變?yōu)榘咨?，調(diào)整圖像閾值使染色圖像與實(shí)際情況一致，即得到土壤優(yōu)先流的形態(tài)特征。然后將處理后的染色圖像導(dǎo)入Image Pro Plus 6.0軟件中進(jìn)行圖像數(shù)值化，得到由0(染色區(qū))和255(未染色區(qū))組成的數(shù)據(jù)矩陣，并統(tǒng)計(jì)黑白像素?cái)?shù)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算平均染色區(qū)域總面積和某一指定土層深度染色區(qū)域(優(yōu)先流區(qū))面積所占的比例，即染色面積比。本研究以1 cm土層深度為間隔計(jì)算染色面積比。

1.3.2 不同林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比隨土層的變化 根據(jù)4種林分類型垂直剖面染色圖像每1 cm土層深度的染色面積比，用Excel 2016統(tǒng)計(jì)軟件繪制土壤優(yōu)先流染色面積比隨土層深度變化的散點(diǎn)圖(帶平滑線和數(shù)據(jù)標(biāo)記散點(diǎn)圖)。

1.3.3 林分類型與土層深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響 測(cè)定4種林分類型不同土層深度的土壤基本理化性質(zhì)，用Excel 2016統(tǒng)計(jì)軟件整理并錄入數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 20.0進(jìn)行雙因素方差分析(Two-way ANOVA)和Duncan多重比較。

1.3.4 不同林分類型土壤優(yōu)先流與土壤因子的相關(guān)性 為探討研究區(qū)4種林分類型的土壤優(yōu)先流染色面積比與土壤因子的相關(guān)性，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

1.3.5 土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流的主成分分析 主成分分析是一種常規(guī)的多元統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在不丟失主要變量信息的前提下，選擇較少的新變量來代替原來較多的變量，以排除眾多信息共存中相互重疊的信息[26]，消除原始變量之間的相關(guān)性，通過降維，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)化，進(jìn)而客觀地反映各個(gè)因子與因變量之間的關(guān)系[27]。通過簡(jiǎn)單的相關(guān)分析雖然能解釋土壤理化性質(zhì)與優(yōu)先流的相關(guān)性，但并不能直觀、全面地反映諸多土壤因子中影響優(yōu)先流形成的主要因素，同時(shí)為了消除諸多土壤因子之間的相關(guān)性，因此進(jìn)一步采用主成分分析探討土壤優(yōu)先流的形成與土壤因子的響應(yīng)關(guān)系。將初始含水率(X1)、土壤容重(X2)、飽和持水量(X3)、毛管持水量(X4)、田間持水量(X5)、非毛管孔隙度(X6)、毛管孔隙度(X7)、總孔隙度(X8)、土壤通氣度(X9)、土壤pH(X10)、有機(jī)碳含量(X11)、有機(jī)質(zhì)含量(X12)、全氮含量(X13)、全磷含量(X14)、全鉀含量(X15)、碳氮比(X16)等16個(gè)土壤因子與染色面積比(Y)用Origin 2019軟件進(jìn)行主成分分析。

1.3.6 土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流的通徑分析 由于研究區(qū)4種林分的土壤因子屬性范圍不一，借助傳統(tǒng)的相關(guān)分析、主成分分析方法雖然能比較出對(duì)土壤優(yōu)先流形成產(chǎn)生影響的土壤因子，但不能反映哪些因子起直接作用，哪些因子通過其他因子起間接作用，以及各土壤因子的綜合作用，為進(jìn)一步明確土壤理化性質(zhì)與優(yōu)先流之間的關(guān)系，將所有可供選擇的土壤因子與土壤優(yōu)先流染色面積比進(jìn)行通徑分析。首先，對(duì)因變量染色面積比(Y)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，由于樣本容量n=20，屬于小樣本，因此用SPSS 20.0軟件進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)后選擇Shapiro-Wilk Test得出結(jié)果，統(tǒng)計(jì)量為0.889，顯著性0.066>0.05，說明因變量染色面積比(Y)是正態(tài)變量，可以采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行逐步回歸分析。將所有可供選擇的土壤因子通過逐步選擇加入或剔除部分自變量，建立最優(yōu)的回歸方程：Y=1.825X1-358.760X2-2.604X3+2.106X5+0.977X9-67.121X10+1.623X12-41.016X13+8.597X14-3.284X15-12.147X16+921.376，該方程的決定系數(shù)R2=0.710，顯著性檢驗(yàn)值P=0.000<0.01，說明各個(gè)土壤因子與土壤優(yōu)先流染色面積比之間有較好的線性關(guān)系，耦合程度較高。最終，根據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)和逐步回歸分析結(jié)果，用Excel 2016統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算各個(gè)土壤因子的通徑系數(shù)和決策系數(shù)，進(jìn)一步明確影響土壤優(yōu)先流形成的決定性因子和限制性因子。

試驗(yàn)地位于宿遷農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院運(yùn)河灣基地，位于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，光熱資源相對(duì)優(yōu)越，氣候溫和，四季分明。年均日照總時(shí)數(shù)2 291 h，年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-16.0℃，年均降水量為893 mm，全年降水量不均勻，夏季雨水多，交通便利，立地條件良好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤的優(yōu)先流特征

2.1.1 形態(tài)特征變化 圖2為研究區(qū)4種林分類型土壤的優(yōu)先流染色圖像。

A.云南松林；B.華山松林；C.滇油杉林；D.高山櫟林；數(shù)字1～3表示同一林分的3個(gè)典型垂直染色剖面。下同

由圖2可知，4種林分均出現(xiàn)亮藍(lán)染色溶液垂直向下運(yùn)移的現(xiàn)象，由于土壤的異質(zhì)性，同一林分土壤優(yōu)先流染色深度、分布情況、形態(tài)特征均存在差異。整體來看，染色區(qū)域不均勻地分布在0～40 cm土層，多集中于0～30 cm土層，4種林分垂直剖面平均染色區(qū)域總面積分別為1 238.73 cm2(云南松林)、1 147.65 cm2(華山松林)、871.48 cm2(滇油杉林)和847.38 cm2(高山櫟林)，分別占整個(gè)土壤剖面的49.55%，45.91%，34.80%和33.90%。比較4種林分垂直剖面染色圖像可以發(fā)現(xiàn)，0～10 cm表層土壤質(zhì)地疏松，增大了土壤水分橫向側(cè)流的幾率，使得表層土壤被亮藍(lán)溶液大面積均勻染色，染色率超過80.00%，說明在表層土壤中優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯，土壤水分運(yùn)動(dòng)主要由基質(zhì)流主導(dǎo)，其中華山松林的基質(zhì)流深度達(dá)到23.30 cm(見圖2-B2)。隨著土層深度增加，垂直剖面染色面積逐漸減小，土壤水分運(yùn)移現(xiàn)象分化明顯，染色溶液垂直下移呈現(xiàn)不規(guī)則分布，形成連通性較好的優(yōu)先路徑。其中，滇油杉林和高山櫟林亮藍(lán)溶液沿著土壤大孔隙繞過部分土壤基質(zhì)呈漏斗狀向下運(yùn)移，使得垂直染色剖面上出現(xiàn)狹長(zhǎng)區(qū)域，形成很多優(yōu)先流路徑分支(圖2-C1、圖2-D1～3)；但云南松林染色區(qū)域呈破碎化分布，優(yōu)先路徑不明顯(圖2-A1、圖2-A3)。40 cm以下深土層區(qū)域土壤質(zhì)地緊實(shí)，透水性較差，限制了水分向下運(yùn)動(dòng)，使得40 cm以下土層幾乎沒有優(yōu)先流的存在。

2.1.2 染色面積比變化 圖3為研究區(qū)4種林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比隨土層深度的變化。

圖3 滇中磨盤山不同林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比隨土層深度的變化

由圖3可知，不同林分的染色面積比隨土層深度的增加而減小，各林分之間存在一定差異，但總體均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。4種林分的垂直剖面染色面積比均在0～10 cm表層土壤出現(xiàn)最大值，由于華山松林地表層土壤枯落物和腐殖層較厚，土質(zhì)疏松，3個(gè)剖面表層土壤的染色面積比均達(dá)到100.00%。土層深度10 cm以下，4種林分各個(gè)剖面的染色面積比波動(dòng)程度存在較大差異，說明土層10 cm以下優(yōu)先流發(fā)育程度良好，土壤中優(yōu)先路徑的連貫性和優(yōu)勢(shì)性增強(qiáng)，水和溶質(zhì)快速向下運(yùn)移。華山松林地土壤理化性質(zhì)穩(wěn)定，垂直染色剖面(B1、B2、B3)染色面積比隨土層深度的波動(dòng)程度不大，曲線整體呈現(xiàn)反“S”形。高山櫟林地染色剖面(D1、D2、D3)染色面積比在 0～10 cm 土層呈逐漸增大的趨勢(shì)，以10 cm處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，土層10 cm以下染色面積比的波動(dòng)程度不大，變化趨勢(shì)與華山松林基本一致，但土層深度30 cm左右染色面積比趨近于0。相比華山松林和高山櫟林地，由于土壤空間異質(zhì)性明顯，云南松林和滇油杉林垂直剖面染色面積比變化波動(dòng)較大，染色面積比曲線出現(xiàn)多個(gè)波峰，呈現(xiàn)“先減小、再增加、又減小”的趨勢(shì)，變化曲線整體上呈多個(gè)曲折的“Z”形。研究區(qū)4種林分土壤垂直剖面的平均染色面積比隨土層深度的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，隨著土層深度的增加，染色面積比總體呈減小的趨勢(shì)。土層0～10 cm平均染色面積比最大，各林分依次為華山松林(100.00%)、高山櫟林(97.33%)、云南松林(93.07%)、滇油杉林(87.87%)，這在一定程度上說明表層土壤水分運(yùn)動(dòng)是以基質(zhì)流為主。土層深度達(dá)到40 cm以后，4種林分染色面積比趨近于0，說明此時(shí)水分入滲能力較差，基本不再發(fā)生優(yōu)先流現(xiàn)象。染色面積比是最直觀反映土壤優(yōu)先流發(fā)育程度的指標(biāo)，染色面積比越大，土壤優(yōu)先流發(fā)育程度越好[28]。因此，比較4種林分垂直剖面的平均染色面積比，認(rèn)為土壤優(yōu)先流發(fā)育程度為華山松林>云南松林>滇油杉林>高山櫟林，優(yōu)先流現(xiàn)象在針葉林地中更突出。

圖4 滇中磨盤山不同林分類型土壤優(yōu)先流平均染色面積比隨土層深度的變化

2.2 不同林分類型土壤的基本理化性質(zhì)

雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，林分類型、土層深度以及兩者的交互效應(yīng)對(duì)土壤理化性質(zhì)均有極顯著影響(P<0.001)。

表2 滇中磨盤山林分類型與土層深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

研究區(qū)4種林分土壤理化性質(zhì)如表3和表4所示，不同林分、不同土層深度的土壤理化性質(zhì)存在差異。由表3可知，研究區(qū)4種林分類型土壤的物理性質(zhì)差異明顯，土壤初始含水率、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度等的最大值均出現(xiàn)在華山松林，而云南松林的土壤容重及滇油杉林的非毛管孔隙度、土壤通氣度也出現(xiàn)最大值，且最大值出現(xiàn)的土層深度不一致，以0～10和20～30 cm土層為主。不同土層深度的土壤物理性質(zhì)顯著不同(P<0.05)，除土壤容重外，土壤初始含水率、土壤孔隙度等其他土壤物理性質(zhì)指標(biāo)隨土層深度增加基本呈減少的趨勢(shì)。

表3 滇中磨盤山不同林分類型土壤的物理性質(zhì)

表4 滇中磨盤山不同林分類型土壤的化學(xué)性質(zhì)

由表4可知，相比其他3種林分，除土壤pH和全鉀含量外，華山松林地的土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、碳氮比等土壤化學(xué)性質(zhì)均出現(xiàn)最大值。土層深度的差異導(dǎo)致土壤化學(xué)性質(zhì)顯著不同(P<0.05)，隨著土層深度的增加，多數(shù)土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(pH、全鉀含量除外)逐漸減小。綜合比較滇中磨盤山4種林分的土壤理化性質(zhì)，華山松林地的土壤疏松程度、持水特性、土壤肥力特征等理化性質(zhì)明顯表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，綜合華山松林地優(yōu)先流發(fā)育程度較好的結(jié)果可知，優(yōu)先流的發(fā)生與土壤理化性質(zhì)有關(guān)。

2.3 土壤理化性質(zhì)對(duì)優(yōu)先流的影響

2.3.1 不同林分類型土壤優(yōu)先流與土壤因子的相關(guān)性 表5為研究區(qū)4種林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比與土壤因子的相關(guān)系數(shù)。

表5 滇中磨盤山不同林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比與土壤因子的相關(guān)性

由表5可知，染色面積比與土壤理化性質(zhì)具有一定的相關(guān)性。云南松林的染色面積比與土壤容重、pH均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與飽和持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤通氣度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤碳氮比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。華山松林的染色面積比與毛管持水量、毛管孔隙度顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤容重、pH極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與全鉀含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與田間持水量、全磷含量相關(guān)性不顯著(P>0.05)，與其他土壤因子均達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01)。滇油杉林的染色面積比與初始含水率、毛管持水量、毛管孔隙度均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與飽和持水量、田間持水量、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與容重、pH、全鉀含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，且與pH和全鉀含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系極顯著(P<0.01)。高山櫟林的染色面積比與土壤容重和全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與土壤田間持水量、pH、全磷含量、土壤碳氮比的相關(guān)性不強(qiáng)，與其他土壤因子顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)。由于林分的差異，染色面積比與土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)的相關(guān)性不同，整體來看，除土壤容重、pH、全鉀含量外，染色面積比與其他土壤因子均呈正相關(guān)關(guān)系，說明土壤理化性質(zhì)與優(yōu)先流的形成密切相關(guān)。

2.3.2 土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流的主成分分析 表6為土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流的主成分分析中各主成分的特征及載荷值。由表6可知，主成分1、主成分2、主成分3、主成分4的特征值均大于1，4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為90.208%，說明4個(gè)主成分影響土壤優(yōu)先流形成的有效信息占90.208%，有9.792%的信息損失。其中，主成分1的方差貢獻(xiàn)率最大，為63.459%，故主成分1最能反映諸多土壤因子中影響優(yōu)先流形成的驅(qū)動(dòng)因素。將主成分1中載荷值大于0.8的土壤因子按載荷絕對(duì)值大小排序依次為：X8(0.950)、X7(0.929)、X4(0.929)、X11(0.915)、X12(0.915)、X3(0.914)、X13(0.896)、X6(0.891)、X9(0.891)、X1(0.868)、X5(0.833)，且均為正載荷，這11個(gè)土壤因子是對(duì)主成分1影響較大的特征向量，說明主成分1是由這11個(gè)土壤因子共同組成的一個(gè)綜合指標(biāo)。主成分2的方差貢獻(xiàn)率為10.604%，在pH(X10)上有較高的正載荷值(0.759)，說明pH是決定主成分2的主要因子。主成分3、主成分4的方差貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)在全磷含量(X14)上，但載荷值不足0.7。綜合以上4個(gè)主成分的特點(diǎn)，可以認(rèn)為以上13個(gè)土壤因子能較好地反映土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤優(yōu)先流的影響，闡釋了該研究區(qū)范圍內(nèi)土壤優(yōu)先流形成的驅(qū)動(dòng)因素。

表6 滇中磨盤山不同林分類型土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流影響的主成分分析中各主成分的特征及載荷值

16個(gè)土壤因子與染色面積比的主成分分析結(jié)果如圖5所示，田間持水量(X5)、毛管孔隙度(X7)、毛管持水量(X4)、總孔隙度(X8)、飽和持水量(X3)、全氮含量(X13)、初始含水率(X1)、土壤通氣度(X9)、非毛管孔隙度(X6)、有機(jī)碳含量(X11)位于第一象限，這10個(gè)土壤因子與染色面積比(Y)方向基本一致，說明此類土壤因子與染色面積比的變化趨勢(shì)呈正相關(guān)。其中，田間持水量與染色面積比特征向量所構(gòu)成的夾角最小，毛管孔隙度次之，說明染色面積比對(duì)田間持水量的變化最為敏感，而毛管孔隙度與染色面積比的關(guān)系密切，表明田間持水量、毛管孔隙度隨土層深度的變化對(duì)染色面積比變化存在顯著的正效應(yīng)關(guān)系，是直接影響優(yōu)先流形成的土壤因子。pH(X10)、全鉀含量(X15)位于第二象限，有機(jī)質(zhì)含量(X12)、全磷含量(X14)、碳氮比(X16)位于第四象限，這5個(gè)土壤因子與染色面積比特征向量的夾角稍大，對(duì)優(yōu)先流的作用雖趨于正效應(yīng)但敏感性不強(qiáng)，此類土壤因子主要是通過改變其他土壤因子(處于第一象限的因子)而對(duì)優(yōu)先流的發(fā)生產(chǎn)生間接影響。此外，土壤容重(X2)位于第三象限，與染色面積比特征向量的方向相反，且夾角接近180°，表明土壤容重隨土層深度的變化與染色面積比呈反向變化，土壤容重對(duì)優(yōu)先流的形成具有抑制作用。鑒于此，進(jìn)一步說明土壤理化性質(zhì)是影響土壤優(yōu)先流形成的重要因素之一，與上文染色面積比和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果一致。

圖5 滇中磨盤山不同林分類型土壤因子與土壤優(yōu)先流染色面積比的主成分分析

2.3.3 土壤因子對(duì)土壤優(yōu)先流的通徑分析 表7為土壤優(yōu)先流染色面積比與土壤因子的通徑系數(shù)。由表7可知，土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤優(yōu)先流的形成既有直接作用又有間接作用，對(duì)染色面積比有直接影響的土壤因子主要是：全氮含量(X13)、有機(jī)質(zhì)含量(X12)、碳氮比(X16)、土壤容重(X2)、飽和持水量(X3)、初始含水率(X1)、pH(X10)，直接通徑系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到0.63以上，其余自變量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值不足0.42。其中，全氮含量(X13)對(duì)染色面積比的直接負(fù)效應(yīng)最大，為-3.903；有機(jī)質(zhì)含量(X12)的直接正效應(yīng)最大，為3.373。田間持水量(X5)、全鉀含量(X15)、土壤通氣度(X9)、全磷含量(X14)對(duì)染色面積比的直接作用相對(duì)較小，對(duì)土壤優(yōu)先流的影響更多地取決于通過其他土壤因子形成的間接作用。比較田間持水量(X5)、全鉀含量(X15)、土壤通氣度(X9)、全磷含量(X14)的間接作用可以看出，這4個(gè)土壤因子主要是通過控制全氮含量(X13)對(duì)土壤優(yōu)先流的形成間接造成最大的負(fù)效應(yīng)或正效應(yīng)，其間接通徑系數(shù)分別是田間持水量(-2.931)、全鉀含量(1.955)、土壤通氣度(-2.787)、全磷含量(-1.710)，間接通徑系數(shù)的絕對(duì)值均大于1.70。綜合以上分析可知，土壤理化性質(zhì)的差異是影響土壤優(yōu)先流形成與發(fā)生的重要因素，直接影響因子主要有全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、碳氮比、土壤容重、飽和持水量、初始含水率、pH等，而間接影響因子主要通過作用于全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量等土壤因子而起作用。

表7 滇中磨盤山不同林分類型土壤優(yōu)先流染色面積比與土壤因子的通徑系數(shù)

袁志發(fā)等[29]指出在通徑分析中，決策系數(shù)(R2)便于確定各個(gè)變量中的決定性因子和限制性因子，當(dāng)R2>0，表明自變量Xi對(duì)Y起決定性作用；反之當(dāng)R2<0，表明自變量Xi對(duì)Y起限制性作用。根據(jù)表7中的通徑系數(shù)計(jì)算11個(gè)土壤因子的決策系數(shù)。按決策系數(shù)大小排序?yàn)椋篨2(0.332)>X1(0.113)>X5(0.075)>X9(0.045)>X14(0.010)>X10(-0.031)>X15(-0.043)>X3(-0.892)>X16(-2.188)>X12(-8.200)>X13(-18.543)，故通徑分析篩選的11個(gè)土壤因子中，土壤容重(X2)是影響土壤優(yōu)先流形成的決定性因子，全氮含量(X13)是限制性因子，全氮含量通過改變其他因子的間接作用來限制土壤優(yōu)先流的形成。

3 討 論

通過染色示蹤試驗(yàn)，拍照并解析研究區(qū)4種林分土壤垂直剖面染色圖像，可獲取土壤優(yōu)先流形態(tài)特征和數(shù)量特征，研究表明4種林分土壤優(yōu)先流現(xiàn)象比較明顯，林地土壤質(zhì)地屬壤土類，具有較好的滲透性，容易形成優(yōu)先流[30]。不同林分土壤優(yōu)先流形態(tài)特征和數(shù)量特征存在差異，針葉林地優(yōu)先流的發(fā)育程度大于闊葉林地，具體表現(xiàn)為華山松林>云南松林>滇油杉林>高山櫟林，這與阮芯竹等[19]得出重慶四面山林地土壤優(yōu)先流染色面積比、染色深度變化規(guī)律表現(xiàn)為闊葉林>針葉林的研究結(jié)論相反，分析其原因，可能是由于本研究區(qū)位于滇中地區(qū)，植被類型、土壤性質(zhì)等因素與重慶四面山有差異，因此優(yōu)先流的形態(tài)特征與發(fā)育程度也不盡相同，侯芳等[31]也認(rèn)為群落空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的林分優(yōu)先流發(fā)育較明顯。4種林分垂直剖面的染色面積比隨土壤深度增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，與阮芯竹等[10]、侯芳等[31]在重慶四面山及筆者等[32]在滇南地區(qū)的研究結(jié)論一致。表層土壤被亮藍(lán)溶液大面積染色，說明表層土壤水分運(yùn)動(dòng)是基質(zhì)流引起的，而優(yōu)先流主要發(fā)生在淺層基質(zhì)流以下的土層中，這與王趙男等[1]、程競(jìng)萱等[13]的研究結(jié)果一致。本研究中華山松林地的染色面積比隨土層深度的波動(dòng)程度不大，整體呈現(xiàn)反“S”形，而云南松林和滇油杉林的染色面積比曲線多次出現(xiàn)波峰，整體呈現(xiàn)出“先減小、再增加、又減小”的“Z”字形變化趨勢(shì)，這主要是由土壤的異質(zhì)性引起的，隨著土層深度的增加，優(yōu)先流也表現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性[13]。優(yōu)先流現(xiàn)象主要發(fā)生在40 cm以上土層中，深層土壤緊實(shí)、滲透性差，水分向下運(yùn)動(dòng)困難，優(yōu)先流現(xiàn)象也難以發(fā)生，此解釋在劉目興等[22]的研究結(jié)果中得到進(jìn)一步證實(shí)。

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為林木的存活和繁育提供了場(chǎng)所[33]。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)4種林分土壤理化性質(zhì)存在顯著差異(P<0.05)，這是因?yàn)椴煌址诸愋偷臉浞N特性各異，因此對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生的影響作用也不同。張發(fā)會(huì)等[34]研究也發(fā)現(xiàn)，不同林分類型對(duì)土壤理化性質(zhì)有不同的影響作用。林分土壤理化性質(zhì)影響林木對(duì)土壤養(yǎng)分的保持和吸收[35]，進(jìn)而影響林木的生長(zhǎng)狀況；反過來，林木利用林地空間結(jié)構(gòu)和維持地力，也會(huì)因此改善林分土壤理化性質(zhì)[36]。除土壤容重外，初始含水率、土壤孔隙度等其他土壤物理性質(zhì)指標(biāo)隨土層深度的增加基本逐漸減小，這與孫龍等[37]研究證明不同土層深度的土壤特性有較大差異的結(jié)論一致。土壤初始含水率表層高于深層，這是因?yàn)樘烊涣值乇淼蚵湮飳虞^厚，土壤蒸發(fā)量少，表層土壤貯存水分較多，這與張發(fā)會(huì)等[34]的研究結(jié)果一致。此外，余蔚青等[38]研究發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙度、飽和持水量主要受土壤容重和土壤質(zhì)地的影響，深層土壤比表層土壤更緊實(shí)，土壤孔隙度(包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及總孔隙度)均表現(xiàn)為表層高于深層，土壤毛管持水量、飽和持水量隨土層加深不斷減小，即土壤由表及里持水能力不斷下降，本研究結(jié)果也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。本研究中除pH、全鉀含量外，有機(jī)質(zhì)和全氮含量等其他土壤化學(xué)性質(zhì)隨土層深度的增加也呈下降趨勢(shì)，說明土壤養(yǎng)分含量具有“表聚性”特征[34]，這與劉振華等[36]的研究結(jié)果一致。

優(yōu)先流的形成受土壤理化性質(zhì)的影響，這與程金花等[11]和陳曉冰[28]的研究結(jié)論一致。本研究將土壤理化性質(zhì)與染色面積比進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)初始含水率、土壤容重等土壤因子與染色面積比有顯著相關(guān)性(P<0.05)，除土壤容重、pH、全鉀含量與染色面積比表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系外，其他土壤因子均表現(xiàn)為正相關(guān)。4種林分染色面積比均與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，這與邵一敏等[30]的研究結(jié)論一致。李卓等[39]研究表明，土壤容重越大，大孔隙數(shù)量越少，土壤入滲能力越差，越不利于優(yōu)先流的形成。程競(jìng)萱等[13]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流的形成受土壤化學(xué)性質(zhì)影響較大，隨著土層深度的增加，全氮和有機(jī)質(zhì)含量變化總體呈減少趨勢(shì)，土壤優(yōu)先流染色面積比也逐漸減小。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，田間持水量、毛管孔隙度與染色面積比位于同一方向且夾角最小，說明其對(duì)優(yōu)先流的形成產(chǎn)生直接影響。Radulovich等[40]將土壤達(dá)到田間持水量時(shí)排水的孔隙定義為大孔隙，程競(jìng)萱等[13]認(rèn)為土壤大孔隙具有促進(jìn)優(yōu)先流產(chǎn)生的作用，而土壤大孔隙獨(dú)有的持水特性恰恰是誘導(dǎo)土壤優(yōu)先流路徑形成的原因之一。主成分分析結(jié)果表明，土壤容重與染色面積比方向相反且呈最大夾角，表明土壤容重對(duì)優(yōu)先流的形成具有抑制作用。筆者前期的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤容重小，透水性好，孔隙數(shù)量多，有利于優(yōu)先流路徑形成[32]。土壤優(yōu)先流的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，初始含水率、土壤容重等土壤理化性質(zhì)與染色面積比耦合程度較高，說明各個(gè)土壤因子共同作用影響優(yōu)先流的發(fā)生。其中，有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、初始含水率、pH等土壤因子有較大的直接通徑系數(shù)，對(duì)優(yōu)先流的形成起直接作用，同時(shí)也通過其他土壤因子的間接作用對(duì)優(yōu)先流的形成產(chǎn)生間接影響。林地土壤表層枯落物和腐殖質(zhì)可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，使得土壤形成更多的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高孔隙通透性[12]，間接增加土壤優(yōu)先流形成的概率[13]。通徑分析表明，土壤容重是優(yōu)先流形成的決定性因子，土壤容重在一定程度上影響其他土壤性質(zhì)，土壤容重小，則土質(zhì)疏松、孔隙數(shù)量多，可提高水分入滲和土壤持水能力，增加土壤含水率[32]。全氮含量是重要的土壤肥力特征指標(biāo)，而氮素是植物或林木生長(zhǎng)所需的必要營(yíng)養(yǎng)元素，全氮含量較高的土壤有利于林木生長(zhǎng)，同時(shí)可促進(jìn)根系在土壤中的分布和生長(zhǎng)。程昊天等[41]發(fā)現(xiàn)，不同林齡樟子松生長(zhǎng)均受到氮素限制，且根際土壤氮素含量高于非根際土壤，但是根系生長(zhǎng)會(huì)在一定程度上破壞土壤優(yōu)先流路徑，不利于優(yōu)先流的形成[11,13]，因此全氮含量主要通過控制林木或植物根系生長(zhǎng)間接抑制土壤優(yōu)先流的形成，成為影響優(yōu)先流形成的限制性因子。

土壤優(yōu)先流研究是土壤水分運(yùn)動(dòng)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，影響土壤優(yōu)先流形成的因素較多，除土壤理化性質(zhì)外，植物根系也是影響優(yōu)先流形成的重要因素[11,13,30]。筆者認(rèn)為，徑級(jí)≤1 mm的細(xì)根系對(duì)優(yōu)先流路徑的形成起著關(guān)鍵作用[32]。牛健植等[14]提出優(yōu)先流的產(chǎn)生是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素作用的結(jié)果，靜態(tài)因素(土壤性質(zhì)、生物因素、土壤含水率)通過土壤基本性質(zhì)反映出來，而動(dòng)態(tài)因素表現(xiàn)在降雨強(qiáng)度、灌溉方式、凍融和干濕交替等方面。本研究只針對(duì)土壤理化性質(zhì)對(duì)優(yōu)先流形成的影響進(jìn)行了定性描述和定量分析，從靜態(tài)因素的角度系統(tǒng)闡釋了優(yōu)先流的形成機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果一定程度上受動(dòng)態(tài)因素的干擾。如何量化動(dòng)態(tài)因素與優(yōu)先流的關(guān)系以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)因素對(duì)優(yōu)先流的共同作用是亟待解決的問題，尚需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)一步探索，明確優(yōu)先流的形成機(jī)理，為森林涵養(yǎng)水源以及植被生態(tài)建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)滇中磨盤山4種林分優(yōu)先流現(xiàn)象明顯，比較其形態(tài)特征和數(shù)量特征，優(yōu)先流現(xiàn)象在針葉林地更突出，優(yōu)先流發(fā)育程度為華山松林>云南松林>滇油杉林>高山櫟林。表層土壤水分運(yùn)動(dòng)是基質(zhì)流主導(dǎo)，隨著土層深度的增加，染色面積比呈減小的趨勢(shì)。

(2)不同林分、不同土層的土壤理化性質(zhì)存在顯著差異(P<0.05)。相較云南松、滇油杉和高山櫟林地，華山松林地的土壤疏松程度、持水特性、土壤肥力特征等理化性質(zhì)明顯表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

(3)土壤因子與染色面積比存在一定的相關(guān)性，土壤容重、pH、全鉀含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中土壤容重與染色面積比呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

(4)土壤理化性質(zhì)是影響土壤優(yōu)先流形成的重要因素，是土壤容重、初始含水率、田間持水量、全氮含量等土壤因子共同作用的結(jié)果，其中土壤容重是引起優(yōu)先流染色面積比變化的決定性因子，全氮含量對(duì)優(yōu)先流的形成起著限制性作用。