演替梯度下土壤優先流特征及影響因素

曹丹妮, 邸涵悅, 郭忠錄, 馬美景2,

(1.湖北方源東力電力科學研究有限公司, 武漢 430062;2.武漢市水務科學研究院, 武漢 430014; 3.華中農業大學 水土保持研究中心, 武漢 430070)

土壤優先流是指土壤水分快速穿過大孔隙系統，并繞過土壤基質沿著優先途徑在土體剖面內運動的現象[1-2]。優先流是土壤中普遍存在的一種水分運動，它與地表地下水質、土壤養分吸收息息相關[3]，土壤中優先流的發生既可以增加入滲、減少地表徑流，但也會引起土壤養分流失、地下水污染等[4-5]，因此開展土壤優先流特征研究對揭示土壤入滲機制及水土保持工作具有重要意義[6]。

目前，國內外學者采用不同方法(染色示蹤法、樹脂填充法、張力滲透儀法、離子示蹤法等)分析了土地利用方式、土壤初始含水量、根系特性、植被覆蓋、耕作方式、降雨強度等因素對土壤孔隙特征及土壤優先流形態發育特征的影響[7-9]。但是這些研究主要集中在農地和林地內且研究對象較為單一，針對不同演替下紫色土區土壤性質和根系性質等如何影響土壤優先流形態發育特征研究較少。土壤質地、土壤中孔隙的連通性和曲折性、土壤有機質含量等因素對土壤中優先流的運動和發展有重要的影響。Clark等[10]通對美國東部露天煤礦近地表區土壤優先流特征研究發現，重新造林的區域的土壤剖面染色面積和入滲速率明顯高于草地；Jiang等[11]通過對不同耕作方式下土壤優先流特征研究發現，耕作區與未耕作區的土壤優先流特征間有明顯差異，且不同耕作方式下土壤中優先流特征也不同；陳曉冰等[12]對重慶市四面山針闊混交林、竹林和草地進行染色示蹤試驗發現，3種植被條件下土壤中砂粒含量增加、粉粒和黏粒含量的減少在一定程度上均有助于土壤中優先流的發生；呂文星[13]通過對三峽庫區坡面荒地、玉米地、柑橘地進行亮藍染色示蹤試驗發現，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和土壤有機質含量越高，越有助于土壤中水分的快速運移。根系是土壤層的重要組成部分，草本植物、灌木、喬木等具有不同的根系系統，而這些植被的根系系統組合會構成較為復雜的空間網絡結構，從而形成復雜的根系通道，加快優先流過程[3,7]。以胡家山小流域內荒地、草地、灌木、針葉林、喬—灌混合林為研究樣地，運用原位染色示蹤技術，對不同演替階段的土壤優先流形態發育特征及其影響因素進行對比分析，為該區域不同演替階段土壤入滲機制提供一定的理論基礎和實踐參考。

1 研究區概況

試驗地位于湖北省丹江口市胡家山小流域，地理坐標為111°12′22.0″—111°15′20.5″E，32°44′17.8″—32°49′15.6″N，多年平均氣溫16.1℃，多年平均降雨量797.6 mm，屬于北亞熱帶半濕潤季風氣候。流域內土壤類型主要為紫色土、石灰土和黃棕壤。

2 材料與方法

2.1 樣地選取與調查

選取研究區內荒地、草地、灌木、針葉林、喬—灌混合林為研究樣地，進行染色示蹤試驗。研究點土壤類型均為紫色土。草地植被覆蓋度約為96%；灌木群落植被覆蓋度約為60%；針葉林和喬—灌混合林的郁閉度約為88%，92%，地表枯枝落葉層厚度為3～4 cm。樣地詳細情況見表1。

表1 樣地參數

2.2 樣地優先路徑染色示蹤

選取相對平坦的荒地、草地、灌木、針葉林、喬—灌混合林為試驗樣地。試驗前，先去除試驗樣地內的枯枝落葉、樹枝和礫石等，并平整土壤表面。利用噴壺將10 L濃度為4 g/L亮藍溶液均勻噴灑在邊長為50 cm的正方形樣地中，整個試驗過程中無地表徑流產生，噴灑完畢后再用薄膜和綠色植被覆蓋在樣方表面上，防止蒸發和靜置過程中降雨等外部因素的影響。染色24 h后，開挖3個垂直剖面(第一個剖面距離邊框15 cm、第2個剖面距離邊框25 cm、第3個剖面距離邊框35 cm)，總計60個剖面，并用數碼相機沿坡面垂直方向拍攝圖像。首先將拍攝的剖面染色照片經Photoshop 2017軟件處理，之后將其導入Matlab編寫的程序中計算并提取土壤染色剖面各特征參數(未染色區域顏色為白色，染色區域調為黑色)[6]。

2.3 土壤理化性質分析

分4層、每層10 cm采集土樣，測定土壤機械組成、質地、有機質等基本理化性質。其中，容重、孔隙度采用環刀法測定，土壤機械組成采用沉降法測定[14]，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

2.4 根長密度

分4層、每層10 cm采用體積為500 cm3的環刀采集根系樣品(3個重復)，測定土層中根系含量。將樣品置于0.25 mm土樣篩上，用流水沖去根系上的土樣，利用LA-S系列植物圖像分析系統獲取根長密度，方法為：將根系無重疊的放入根盤(根系呈分散狀態)，倒入干凈自來水至根系完全呈淹沒狀態，點擊EPSON Scan圖標，開始掃描根系并獲取根長密度。

3 結果與分析

3.1 演替梯度下土壤優先流分布規律

5種演替梯度下，土壤優先流垂直分布形態特征見圖1，5種演替梯度下的土壤中均產生較為明顯的優先流，隨演替的進行和土層深度的增加，土壤中基質流發育程度越不明顯，但優先流的數量和運移路徑均呈增大趨勢。

荒地和草地群落中，0—5 cm的表層土壤均被亮藍溶液大面積染色，且水平方向上染色分布均勻，說明該深度范圍內優先流發育不明顯，土壤水分以基質流形式運移為主。荒地內，土壤剖面中20 cm以下染色區域較小，開挖土壤剖面發現，20 cm左右存在粘滯層，土壤的滲透性較低，土壤中優先路徑的連通性與延伸性較弱[6]。草地內，剖面染色區域位于0—30 cm的土壤中，且呈聚集分布，優先路徑的連通性較強，一方面可能與土壤斥水性有關，因為土壤斥水性會阻滯或延遲水分入滲，從而迫使水流借助大孔隙、裂隙、根孔等優先通道運動[15]；另一方面與草本植物的根系特性有關，與群落4相比，群落1、群落2和群落3的染色深度較大，原因是群落1、群落2和群落3的優勢種分別是白茅、小蓬草和牛筋草，群落4的優勢種是藎草，與藎草相比、白茅根系和牛筋草根系較粗，小蓬草為直根系草本植物，平均根系直徑也較大，形成較為明顯的根系通道，加速水分運移速率。灌木中，群落1內土壤基質流發生層次較深且水平方向上染色分布均勻，主要分布在0—10 cm深度范圍內，優先流運移較淺，主要分布在10—25 cm深度范圍內，且土壤剖面中僅有1條明顯的優先流路徑；其余3個群落的土壤剖面中均存在2條染色路徑較深的優先流路徑，其中，群落4的2條染色路徑最深，其鋒部可達36 cm。針葉林內，0—3 cm的表層土壤表層染色較為均勻，剖面中亮藍溶液繞過基質區后呈網狀擴散式蔓延下滲，形成明顯的優先路徑。喬—灌混合林內基質流發生層次也比較淺，土壤剖面3 cm以下土壤水分分化較嚴重，土壤剖面染色區域呈不規則狀，優先流路徑大部分由短小的分支組成。林地土壤染色最大深度可達50 cm，遠大于其余3種演替梯度下土壤染色最大深度，一是因為與其余演替階段相比，林地土壤中根系直徑較大且分布較深，導致土壤垂直連通性較好，優先流現象更明顯；二是因為林地群落地表具有3～4 cm的枯枝落葉層，枯枝落葉層內部與根系之間形成適合厭氧動物與微生物生存的環境，同時也會加速土壤中死根系的腐爛，根系腐爛后產生孔隙的幾率較高，進一步影響土壤水分入滲[16-17]。

注：Ⅰ為荒地，Ⅱ為草地，Ⅲ為灌木，Ⅳ為針葉林，Ⅴ為喬—灌混合林，下圖同。

3.2 演替梯度下土壤染色面積比分布特征

5種演替梯度下，土壤剖面染色面積比見圖2，土壤染色面積比在同一演替階段不同深度處以及同一深度處不同演替階段間均表現出明顯的異質性。5種演替梯度下針葉林土壤染色面積比最大、其次是喬—灌混合林、灌木、草地，荒地的土壤染色面積比最小。

圖2 土壤剖面染色面積比變化

荒地和草地群落中，0—5 cm的表層土壤均被染色，土壤染色面積比可達80%以上，隨土層深度增加，染色面積比均減小，但減小趨勢較均勻。草地內，10 cm以下，群落1的土壤染色面積比較大，群落4的土壤染色面積比較小，原因是群落1的優勢種是白茅和小蓬草，群落4的優勢種是藎草和小薹草，可能是因為藎草和小薹草均為須根草本植物、其平均根系直徑較小，而白茅根系較粗且延伸深度較大，小蓬草為直根系草本植物、其平均根系直徑較大，根系直徑增大一定程度上會導致根系與土壤接觸面之間的縫隙增大，進而提高土壤中水分運移的速率。灌木、喬—灌混合林內，隨土層深度增加，染色面積比也呈減小趨勢，但并非單調遞減，其中，灌木中群3和群落4在16，12 cm左右、喬—灌混合林中群落2和群落4在15，25 cm左右均出現局部反彈現象，說明在此處優先流均發生側滲現象。灌木中群落2的染色面積比隨土層深度增加很少出現較大反彈上升的情況，說明以白刺花和小薹草為優勢種的群落的土壤中發生側向流的幾率較小。針葉林內，由于存在水分的側向入滲，隨土層深度增加，土壤染色面積比整體上呈“S”型趨勢減小，先在0—10 cm土層中迅速減小，在10—20 cm土層中略有增大趨勢，20 cm以下又逐漸減小，土壤染色最大深度可達50 cm；群落3在10—30 cm染色較為均勻，染色面積比為36%～42%，說明在此深度范圍內，土壤中水分沿著穩定的滲流通道向深層土壤運移。

3.3 演替梯度下土壤染色路徑分布特征

土壤染色路徑數量的空間變化可以反映出優先路徑的垂直連通狀況和分支性[6,9]。染色路徑寬度(Stained Path Width,SPW)是指在某一指定深度處，被染色的優先流區域所占的寬度。演替梯度下土壤染色路徑數分布特征見圖3，各個群落內，土壤剖面的染色路徑總數和SPW<20 mm的數量隨土層深度的增加其變化規律較一致，均隨土層深度增加表現出多峰狀態，但峰值隨土層深度增加呈減小趨勢；SPW>200 mm的數量隨土層深度增加呈減小趨勢。5種演替梯度下，每個剖面土壤染色路徑總數出現峰值的位置均不同，但都集中在0—20 cm的表層土壤中，說明水分運動在土壤表層分化較嚴重。土壤水分運移以優先流為主時，SPW<20 mm的數量越多，土壤水分運移以基質流為主時，SPW>200 mm的數量越多[18]，由圖3可知，隨演替的進行，染色路徑總數、SPW<20 mm的數量和SPW>200 mm的數量波動趨勢逐漸增大。土壤中染色路徑總數和SPW<20 mm的數量隨演替的進行呈增大趨勢，而SPW>200 mm的數量隨演替的進行呈減小趨勢，一定程度上說明隨演替的進行，土體優先流現象越明顯。

圖3 土壤剖面染色路徑數分布特征

荒地內，土壤中染色路徑總數為0～33個，在2 cm左右，染色路徑總數值最小，說明此深度處，水分運動以基質流為主，無明顯優先流；與其余演替梯度相比，該演替梯度下SPW<20 mm的數量較少，但在10 cm左右，SPW<20 mm的數量最大，說明該位置水分分化較嚴重。草地內，土壤染色路徑數量最大值出現在7—15 cm的土層中，群落1的染色路徑總數和SPW<20 mm的最大值出現在15 cm左右，其深度略大于其余3個群落，與該群落內優勢種白茅的根系特性有關；在10 cm左右土層中，群落4中染色路徑總數值最大，可達54個，10 cm以下，染色路徑總數迅速減小，說明此處土壤優先流分化最嚴重。灌木中，群落4內染色路徑數隨土層深度增加變動幅度相對較小，說明該群落的土壤優先路徑在垂直方向上的連通性較好。林地內，土壤染色路徑數量隨土層深度增加變化波動較頻繁，說明林地內土壤優先流路徑隨土層深度變化極不穩定。針葉林內，在20 cm左右，群落2，群落3和群落4內染色路徑總數和SPW<20 mm的數量均增大，說明此處優先流分化較嚴重。喬—灌混合林中，土層深度在25 cm左右時，群落4的染色路徑數量值較大，開挖土壤剖面發現，此深度處，剖面內存在一個直徑約4 cm的蛇洞，可能是因為蛇洞的存在會使本來緊實的土壤變的松動，促進了土壤水分和溶質的運移。

4 討 論

4.1 土壤理化性質對土壤優先流影響

土壤理化性質與土壤染色面積比之間相關性見表2，土壤容重、毛管孔隙度、土壤有機質含量與土壤染色面積比之間的相關性較強。荒地和草地中，土壤容重與土壤染色面積比之間存在極顯著負相關性(p<0.01)，相關值分別-0.67，-0.71，是因為土壤容重越大，土層越緊實，土壤中大孔隙數量越少，土壤中水分入滲的優先流路徑減少[6]。荒地、草地和灌木群落中，土壤有機質含量與土壤染色面積比之間存在極顯著正相關性(p<0.01)，相關值分別0.68，0.64，0.63；喬—灌混合林中，土壤有機質含量與土壤染色面積比之間也存在顯著正相關性(p<0.05)，相關值為0.57，是因為有機質的存在會促進土壤團粒結構的形成，團粒和團粒之間的非毛管孔隙越多，越有利于水分入滲[19]。

表2 土壤理化性質與土壤染色面積比之間相關性

土壤質地對土壤中優先路徑的形成與發展有一定的影響。鄭欣等[20]通過對北京地區2種類型土壤(淋溶褐土和潮土)研究發現，2種類型土壤的砂粒含量與土壤染色面積比之間存在極顯著正相關關系，粉粒含量和黏粒含量與土壤染色面積比之間存在極顯著負相關關系(p<0.01)。孫龍等[21]對不同林齡柑橘林地土壤特性與優先路徑分布特征進行相關性分析發現，砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量并沒有對優先路徑構成顯著影響。研究發現，灌木和針葉林中，粉粒含量與土壤染色面積比之間存在顯著負相關關系(p<0.05)；5種演替梯度下，砂粒含量、黏粒含量與土壤染色面積比之間無顯著相關關系(p>0.05)，說明5種演替梯度下，砂粒含量和黏粒含量對土壤中優先流染色面積影響不顯著，這可能與各演替梯度下土壤基質差異不大有關。

4.2 根長密度對土壤優先流影響

根長密度是指單位土壤體積所含根系的總長度，一定程度上影響著土壤中水分的運移和傳輸。將5個演替梯度下土壤剖面中的植物根系按照直徑D≤0.5 mm，0.55 mm劃分為5個徑級，計算并得到每個徑級根系的根長密度(圖4)。由圖4可知，植物根系主要分布在0—20 cm表層土壤，各徑級根系的根長密度隨土層深度增加均減小。D≤0.5 mm根長密度最大，其次是0.5

圖4 演替梯度下根長密度分布特征

根長密度與土壤染色面積比之間相關性見表3，根長密度與土壤染色面積比之間總體上呈正相關關系。土壤染色面積比與荒地、草地、灌木和喬—灌混合林的根長密度間具有極顯著相關性(p<0.01)，相關值分別為0.80，0.66，0.6，0.77，而與針葉林相關性系數為0.43，說明植物根系極大地影響著荒地、草地、灌木和喬—灌混合林草地優先流的發生發展，對針葉林的影響較草地小。

表3 根長密度與土壤染色面積比之間相關性

不同根系徑級的根長密度對土壤優先流有著不同的影響。草地和灌木內，土壤染色面積比與根系直徑為D≤0.5 mm和0.52 mm粗根對草地和灌木內土壤優先路徑的影響較小，主要是因為D>2 mm的粗根在土體中所占比例分布較低。針葉林內，土壤染色面積比與各徑級根系的根長密度間均無明顯相關性(p>0.05)；喬—灌混合林內，土壤染色面積比與根系直徑為D≤0.5 mm，0.5

王趙男等[22]通過對長白山系榛子灌木林根系進行染色示蹤試驗發現，D<1 mm的根系對土體優先流的貢獻度最大。研究發現，演替初期，D≤2 mm的細根與土壤染色面積比之間的相關性較大；演替種后期，25 mm粗根系會阻礙土壤優先流路徑的形成，是因為D>5 mm粗根系有破壞土壤穩定性團粒結構的作用，會打破大孔隙在垂直方向上的連通性，進而會降低土壤中優先流的發生概率[13]。

5 結 論

(1) 隨演替的進行，土壤中優先流數量增多且運移路徑增大；5種演替梯度下針葉林土壤染色面積比最大，其次是喬—灌混合林、灌木、草地，荒地的土壤染色面積比最小；隨演替的進行，SPW<20 mm染色路徑數量呈增大趨勢，SPW>200 mm染色路徑數量呈減小趨勢。

(2) 土壤容重、毛管孔隙度、土壤有機質含量與土壤染色面積比之間的相關性較強。其中，荒地和草地中，土壤容重與土壤染色面積比之間存在極顯著負相關性(p<0.01)；荒地、草地和灌木群落中，土壤有機質含量與土壤染色面積比之間存在極顯著正相關性(p<0.01)；喬—灌混合林中，土壤有機質含量與土壤染色面積比之間也存在顯著正相關性(p<0.05)。砂粒含量、黏粒含量與土壤染色面積比之間無顯著相關關系。

(3) 植物根系主要分布在0—20 cm表層土壤，各徑級根系的根長密度隨土層深度增加均減小。不同徑級根系對土壤優先流路徑影響不同，5種演替梯度下，D≤0.5 mm的根長密度與土壤染色面積比之間相關性最顯著，其次是0.55 mm的根長密度與土壤染色面積比之間相關性最不顯著。