西南喀斯特地區(qū)2 種森林的土壤優(yōu)先流特征*

管 凝 程金花,2 侯 芳 曾合州 沈子雅 趙夢圓 秦建淼

（1.北京林業(yè)大學水土保持學院 云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站 北京100083；2.北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室 北京 100083）

我國是世界上喀斯特地貌面積最大、分布最廣且類型最多的國家，其中西南喀斯特地區(qū)裸露碳酸鹽巖面積較大，且?guī)r溶發(fā)育十分強烈（Jianget al.，2014），極易引發(fā)水土流失，嚴重影響自然環(huán)境和人文經(jīng)濟的發(fā)展，因此，當?shù)氐纳鷳B(tài)修復至關重要。植被恢復是目前喀斯特地區(qū)環(huán)境綜合治理的重要途徑，是遏制當?shù)赝恋赝嘶年P鍵；但由于喀斯特地區(qū)巖石與土壤的土石二元結構以及植被根系形成了多種類型的優(yōu)先路徑，導致降雨及灌溉的水分常以優(yōu)先流的形式快速下滲，植被恢復效果受到很大影響（Collonet al.，2017；Greenet al.，2014）。

優(yōu)先流作為可繞過部分土壤基質快速下滲的非均勻流，對生態(tài)系統(tǒng)服務和環(huán)境質量具有重要影響，已成為土壤侵蝕和山地災害等科學研究中的一個關鍵問題（Allaireet al.，2009）。前人對喀斯特地區(qū)的水文過程研究證明該地區(qū)存在較明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象（蔡路路，2021；李焱秋，2020；布亞召，2019；朱曉鋒，2018；彭旭東，2018；牟洋等，2020；張興等，2017），目前關于喀斯特地區(qū)優(yōu)先流的具體研究較少。李瑤等（2021）研究人為踩踏對喀斯特地區(qū)森林土壤優(yōu)先流入滲的影響，結果發(fā)現(xiàn)人為踩踏活動會增強優(yōu)先流強度，且森林植被覆蓋能夠抑制優(yōu)先流的發(fā)生；Sohrt 等（2014）研究喀斯特巖土界面優(yōu)先流的運動特征，結果表明巖石露頭的降雨徑流繼續(xù)沿巖石-土壤界面以優(yōu)先流的形式存在于地下，而來自土壤表面的水主要沿垂直方向且更均勻地滲流；王發(fā)等（2016）對比喀斯特地區(qū)退耕土壤和耕作土壤的優(yōu)先流特征，結果發(fā)現(xiàn)耕地與自然封育退耕區(qū)的優(yōu)先流程度有顯著差異；Kan等（2019）對喀斯特地區(qū)草地、人工林和天然林的優(yōu)先流特征進行研究，結果發(fā)現(xiàn)草地中的優(yōu)先流可以促進有效養(yǎng)分積累，而人工林中的優(yōu)先流會抑制有機質損失。Zhao（2020）和Liu 等（2020）分別指出喀斯特地區(qū)廣泛分布的露頭巖石、土壤中大量存在的裂隙能夠建立完整的優(yōu)先流網(wǎng)絡。但目前關于喀斯特地區(qū)優(yōu)先流程度的量化以及優(yōu)先路徑的分布仍缺少相關研究。

針對以上問題，本研究以云南喀斯特地區(qū)為研究對象，選取側柏（Platycladus orientalis）純林和側柏、馬尾松（Pinus massoniana）、直桿藍桉（Eucalyptus maideni）混交林2 種森林植被類型，基于野外染色示蹤試驗，挖掘土壤的豎直剖面和水平剖面，同時借助圖像處理技術，結合數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對喀斯特地區(qū)2 種典型森林植被下的土壤優(yōu)先流特征進行研究，以期為當?shù)厣种脖换謴吞峁┮欢ɡ碚撘罁?jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（地理坐標102°54′12″E，23°37′13″N），海拔230～2 515 m，屬南亞熱帶季風氣候，光照時間和無霜期較長，年有效積溫較高，是云貴高原中受西南季風氣候影響最顯著的區(qū)域，也是西南巖溶山地石漠化災害最嚴重的區(qū)域之一。土壤類型主要為石灰?guī)r紅壤，主要造林樹種有側柏、馬尾松、直桿藍桉、云南松（Pinus yunnanensis）、女貞（Ligustrum lucidum）和白槍桿（Fraxinus malacophylla）等。本研究的試驗時間為2021 年9 月12 日至10 月11 日。

2 研究方法

2.1 樣地選取與布設

選取側柏純林和側柏、馬尾松、直桿藍桉混交林2 種森林植被類型。為研究2 種森林植被在不同入滲水量下的優(yōu)先流特征，于每種林地中設置2 塊樣地，大小均為10 m×10 m，用于開展大雨、暴雨降水量2 種入滲量的模擬試驗。純林樣地編號為P1、P2，混交林編號為M1、M2，其基本信息見表1。在每塊樣地內設立3 組優(yōu)先流觀測點以重復試驗，每組包含5 個染色垂直剖面和若干水平剖面（由實際染色深度決定）。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic information of sample plot

2.2 染色示蹤試驗

優(yōu)先流染色觀測剖面位置確定后，在不破壞土壤腐殖質層的前提下，對地表枯落物和大石礫進行清理，使地表裸露。將長、寬、高分別為130、60、30 cm 的矩形金屬框垂直砸入地面5 cm，確保金屬框與土壤之間無縫隙，并壓實金屬框邊緣內、外側土壤，隨后用塑料薄膜進行覆蓋。在距離觀測點約30 cm 處取土以進行土壤基本性質測定，結果見表2。

表2 土壤基本性質Tab.2 Basic properties of soil

在確保前后一天及當天無降雨的情況下進行試驗。為顯著區(qū)分優(yōu)先流對不同降水量的響應，并結合研究區(qū)實際情況和以往優(yōu)先流研究經(jīng)驗，P1 和M1 樣地染色示蹤試驗采用研究區(qū)24 h 林內大雨降水量25 mm 作為試驗標準，P2 和M2 樣地采用暴雨降水量60 mm 作為試驗標準。使用質量濃度為4 g·L-1的亮藍染料作為示蹤劑進行染色試驗，根據(jù)模擬降水量和實際耗損量計算出一個染色樣方需要配置21.5 L 或48.8 L 溶液。移開覆蓋在金屬框上的塑料薄膜，用自制穩(wěn)定恒流噴灑裝置將配好的亮藍染色溶液均勻噴灑在金屬框內，噴灑結束后，用塑料薄膜覆蓋24 h。

24 h 后，取走塑料薄膜并緩慢移走金屬框，將每個染色樣方劃分為60 cm×60 cm 兩部分，間距10 cm，分別進行水平剖面和垂直剖面挖掘，染色剖面開挖時剔除邊界的5 cm，故實際開挖的剖面面積為50 cm×50 cm。垂直剖面以水平寬度10 cm 為一層開挖，每個染色樣方共挖掘5 個豎直剖面；水平剖面從距地面5 cm 處開挖，隨后每5 cm 一層，最大挖掘深度由染色深度決定。每個剖面挖掘完畢后對其進行修整，并用卷尺框出剖面的長度和寬度，用數(shù)碼相機拍攝每個剖面的染色圖像若干張。染色剖面挖掘過程見圖1。

圖1 染色剖面挖掘示意Fig.1 Schematic diagram of soil staining profile

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 染色圖像處理 借助ERDAS IMAGINE 9.2、Photoshop CS 6.0 和Image ProPlus v6.0 軟件對染色圖像進行處理，具體步驟主要分為原始圖像幾何校正、圖像光照校正、圖像色彩替換以及圖像降噪處理（姚晶晶等，2018）。隨后通過形態(tài)學計算過程確定優(yōu)先流路徑的位置坐標。

2.3.2 優(yōu)先流特征參數(shù)計算 計算染色剖面的染色面積比（陳曉冰等，2019）、平均最大入滲深度（孟凡旭等，2020）、基質流深度、優(yōu)先流比和長度指數(shù)（陳曉冰等，2020）5 個染色形態(tài)特征參數(shù)，以分析喀斯特地區(qū)森林土壤的優(yōu)先流特征。

染色面積比（DC）指土壤剖面的染色區(qū)域面積占總剖面面積的百分比，可以直觀反映染料溶液在土壤中的運動情況。其表達式為：

式中：D為剖面染色區(qū)域面積（cm2）；ND 為剖面未染色區(qū)域面積（cm2）。

平均最大入滲深度（Umax）指各層土壤垂直剖面總染色面積對應的最大深度(cm)的均值。該值越大，土壤剖面水流運動深度越大。

染色面積比在80%以上時的入滲過程主要為基質流入滲，基質流深度（U）即為土壤剖面中染色面積比≥80%時所對應的土壤深度。該值越大，優(yōu)先流發(fā)生越滯后。

優(yōu)先流比（PF）指土壤垂直染色剖面中優(yōu)先流區(qū)域的染色面積占整個垂直剖面染色總面積的百分比，即基質流以下區(qū)域的染色面積占總染色面積的比例（%）。該值越大，優(yōu)先流發(fā)育程度越高。其表達式為：

式中：W為土壤剖面水平寬度（本研究為50 cm）；TSA為土壤垂直剖面總染色面積（cm2）。

長度指數(shù)（Li）指土壤垂直剖面深度等分后，相鄰土層染色面積比差值的絕對值之和。該值越大，優(yōu)先流空間變化越劇烈。其表達式為：

式中： DCi+1和 DCi分別為土壤垂直剖面第i+1 層和第i層的染色面積比（%）；n為土壤剖面總層數(shù)。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2016 對數(shù)據(jù)進行整合，使用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和方差分析，借助ERDAS IMAGINE 9.2、Photoshop CS 6.0 和Image ProPlus v6.0 軟件對土壤剖面染色圖像進行處理，通過Origin Pro 2016 軟件進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 土壤染色形態(tài)特征

3.1.1 染色面積比和平均最大入滲深度 染色面積比和平均最大入滲深度是描述降水在土壤垂直剖面運動軌跡的易得參數(shù)（孟凡旭等，2020）。由圖2 可知，2種森林土壤的染色面積比在表層均大于80%，之后隨土層深度增加而遞減，說明入滲過程具有非均勻性，存在優(yōu)先流現(xiàn)象。在模擬降水量相同的情況下，側柏、馬尾松和直桿藍桉混交林的平均染色面積比和平均最大入滲深度均大于側柏純林，土壤水分的運動范圍更大，入滲能力更強，說明混交林下植物種類組成復雜，根系網(wǎng)絡密集，有利于垂直水分運移通道的形成（呂剛等，2019）。此外，純林剖面的染色面積比曲線更平滑，而混交林剖面的染色面積比曲線在一定深度處出現(xiàn)回彈，呈“S”形趨勢波動變化，原因可能是存在水分的側向入滲（邵一敏等，2020）。對于側柏純林，當模擬降水量由25 mm 提高到60 mm 時，土壤剖面的平均染色面積比提高114.2%，而平均最大入滲深度僅提高41.0%，且染色面積比變化趨勢明顯趨于平緩，說明當降水量增大時，部分土壤水分會以基質流的形式均勻下滲，雖有優(yōu)先流產(chǎn)生，但以橫向流動為主。而對于混交林，當模擬降水量增大時，土壤剖面的平均染色面積比提高33.1%，平均最大入滲深度提高37.9%，土壤水分的運動范圍在橫向和縱向上的變化相近。

圖2 土壤垂直剖面染色面積比分布Fig.2 Dyeing area ratio of soil vertical profile

由于采集的土壤染色剖面數(shù)量較多，本研究僅選取每塊樣地內具有代表性的1 個土壤縱剖面進行展示和分析。

如圖3 所示，側柏純林土壤的染色形態(tài)分化程度小于混交林。側柏純林土壤表層水流均勻入滲，深層處部分染料溶液沿著土壤孔隙呈漏斗狀向下流動，出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象，最大染色深度不超過20 cm，且無獨立染色斑塊?；旖涣窒峦寥辣韺尤旧芤和瑯泳鶆蛉霛B，而在深層處，染色形態(tài)呈指狀或樹枝狀分布，染料溶液沿著主要的幾條垂直孔隙通道向下運動，優(yōu)先流路徑明顯；土壤剖面存在零星獨立染色斑塊，這可能是水流側向入滲引起的。

圖3 土壤垂直剖面染色圖像Fig.3 Dyeing image of soil vertical section

3.1.2 優(yōu)先流特征參數(shù) 對垂直剖面染色圖像進行進一步解析，提取并計算基質流深度、優(yōu)先流比和長度指數(shù)，以分析和評價喀斯特地區(qū)2 種森林的優(yōu)先流形態(tài)特征和發(fā)育程度，結果如表3 所示。

表3 優(yōu)先流特征參數(shù)①Tab.3 Characteristic parameters of preferential flow

基質流深度反映土壤優(yōu)先流發(fā)生的初始深度，主要表征優(yōu)先流的發(fā)生情況，其值越大，優(yōu)先流發(fā)生越滯后。當降水量較小時，混交林土壤基質流深度略大于側柏純林；當降水量提高到60 mm 時，混交林土壤基質流深度顯著小于純林（P＜0.05）。此外，當降水量提高時，側柏純林的基質流深度提高228.7%，而混交林僅提高33.6%，這說明側柏純林的土壤基質具有更強的吸附水分能力，當外部供水充足時，其優(yōu)先流發(fā)生時間滯后于混交林。

優(yōu)先流比反映優(yōu)先流的發(fā)育程度，其值越大，優(yōu)先流的發(fā)育程度越高?；旖涣窒碌膬?yōu)先流比高于側柏純林，優(yōu)先流的發(fā)育程度更高，且隨著降水量增加，二者的差異越顯著；此外,當降水量增加時，混交林的優(yōu)先流比提高0.62%，而側柏純林反而降低27.58%，這說明混交林下土壤優(yōu)先路徑連通性更高，當外部供水充足時，更多的水分順著優(yōu)先路徑快速下滲。

長度指數(shù)反映優(yōu)先流的變化程度，其值越大，優(yōu)先流的空間變異性越強。在外部供水量相同時，混交林下的長度指數(shù)顯著高于側柏純林（P＜0.05）；隨著模擬降水量增加，2 種植被下的優(yōu)先流長度指數(shù)均顯著提高。

3.2 優(yōu)先流路徑特征

優(yōu)先路徑的數(shù)量特征和空間位置分布是反映優(yōu)先流特征的重要指標。本研究中由于0～5 cm 表層土壤染色面積較大，基質流和優(yōu)先流同時存在，該層不能反映土壤優(yōu)先路徑的分布特征，故不對0～5 cm 土層的優(yōu)先路徑進行分析（張東旭等，2016）。通過圖像處理技術，對水平染色剖面進行解析，得出4 塊樣地5～10、10～15 和15～20 cm 土層不同影響半徑優(yōu)先路徑的數(shù)量，并將所得數(shù)據(jù)進行平均計算，得出側柏純林和側柏、馬尾松、直桿藍桉混交林下各層土壤的優(yōu)先路徑數(shù)量情況（表4）。

表4 不同影響半徑優(yōu)先路徑數(shù)量Tab.4 Number of preferential paths with different influence radius

由表4 可知，2 種森林類型下的土壤優(yōu)先路徑主要分布在5～10 和10～15 cm 土層，深層優(yōu)先路徑數(shù)量相對較少。1～5 mm 影響半徑的優(yōu)先路徑分布較多，＞10 mm 的分布極少，小影響半徑的優(yōu)先路徑數(shù)量遠大于大影響半徑，總體來看，各層土壤中影響半徑為2.5～5 mm 的優(yōu)先路徑占比最高。對2 種森林類型下的優(yōu)先路徑進行比較發(fā)現(xiàn)，二者的優(yōu)先路徑在數(shù)量上相近，但從比例而言，混交林大影響半徑的優(yōu)先路徑占比在土壤各層均大于純林，這可能也是其優(yōu)先流發(fā)育程度更高的原因。

通過圖像處理軟件獲取土壤剖面優(yōu)先路徑的平面坐標，并繪制分布圖，可更直觀看出2 種森林下優(yōu)先路徑的分布特點（圖4、5）。由于圖像數(shù)量較多，本研究只選取每個林地中的1 塊樣地進行展示，圖像從上到下依次為1 mm≤R＜2.5 mm、2.5 mm≤R＜5 mm、5 mm≤R＜10 mm、R≥10 mm，從左到右依次為5～10、10～15 和15～20 cm 土層。

圖4 側柏純林下土壤優(yōu)先路徑分布Fig.4 Distribution of soil preferential paths under pure Platycladus orientalis forest

圖5 側柏、馬尾松、直桿藍桉混交林下土壤優(yōu)先路徑分布Fig.5 Distribution of soil preferential paths under Platycladus orientalis, Pinus massoniana and Eucalyptus maiden mixed forest

由圖4、5 可知，2 種森鈴中，大影響半徑的優(yōu)先路徑相比小影響半徑的分布更分散，且優(yōu)先路徑的分布隨土層變化具有異質性。側柏純林下的優(yōu)先路徑在5～10 cm 土層處分布范圍較大，隨著土層深度加深，優(yōu)先路徑呈大團塊狀分布。而混交林下優(yōu)先路徑分布隨土層深度的變異性更強，且相比純林，其優(yōu)先路徑主要呈零星分布。

4 討論

土壤優(yōu)先流的染色形態(tài)特征能夠反映優(yōu)先流的分布和變化規(guī)律，本研究對喀斯特地區(qū)2 種不同森林類型下的土壤染色圖像進行解析，結果表明，喀斯特地區(qū)側柏純林和側柏、馬尾松、直桿藍桉混交林下均存在不同程度的優(yōu)先流現(xiàn)象，且染色面積比隨著模擬降水量增加而增大，與姚晶晶等（2018）和Li 等（2021）在重慶四面山所得研究結果一致；2 種森林類型下的平均染色面積比均不超過20%，與Kan 等（2020）在云南喀斯特地區(qū)草地的研究結果相似。此外還發(fā)現(xiàn)，喀斯特地區(qū)土壤在一定深度處會存在橫向水流運動現(xiàn)象，蔣小金（2010）和戴翠婷等（2017）在東北黑土區(qū)和三峽庫區(qū)紫色土地區(qū)也得出類似優(yōu)先流現(xiàn)象，但其優(yōu)先流形態(tài)主要呈塊狀和密集短小分支狀，與喀斯特石灰?guī)r紅壤區(qū)有一定差異，分析其原因，可能是由于喀斯特地區(qū)的地質條件構成地下天然排水溝，形成了特殊的地下巖溶管道（Collonet al.，2017）。

比較2 種森林的優(yōu)先流特征，混交林下的優(yōu)先流發(fā)育程度和變異性均高于純林，表現(xiàn)為其基質流深度更低、優(yōu)先流比和長度指數(shù)更高，與程競萱等（2018）在四面山地區(qū)的研究結果相似。根據(jù)前人研究（Saravanathiibanet al.，2014）可知，優(yōu)先流與土壤大孔隙息息相關，而根據(jù)這2 種森林植被類型下土壤基本性質的研究結果可知，混交林下土壤的非毛管孔隙度總體要高于側柏純林，尤其是在10 cm 以下的土層。根據(jù)前人研究結果（馮健等，2021），混交林下土壤的地下生物量往往高于純林，這也是其大孔隙含量較高的原因。此外，張欣等（2014）研究表明，土壤前期含水量越低，優(yōu)先流現(xiàn)象越明顯；本研究中混交林的土壤含水量低于純林，而優(yōu)先流程度高于純林，與前人研究結果一致。

2 種森林下的優(yōu)先路徑主要集中在15 cm 以上土層，且以小影響半徑的優(yōu)先路徑為主，與張東旭等（2017）和陳曉冰（2016）在公路邊坡和四面山地區(qū)的研究結果一致，但本研究中的優(yōu)先路徑數(shù)量總體要更多，這可能與喀斯特地區(qū)特殊的土石二元結構有關?；旖涣窒碌膬?yōu)先路徑隨土壤深度分布的異質性更強，且大影響半徑（＞5 mm）優(yōu)先路徑的比例更高，這與混交林下土壤非毛管孔隙率更高有關，因此可以推測，優(yōu)先流的發(fā)育程度主要取決于大影響半徑優(yōu)先路徑，且優(yōu)先流的空間變異性與優(yōu)先路徑分布的異質性有直接關系。

本研究對喀斯特地區(qū)2 種森林的優(yōu)先流特征進行定性和定量的分析，但未對影響優(yōu)先流發(fā)生的環(huán)境因子進行系統(tǒng)研究。未來對喀斯特地區(qū)優(yōu)先流的研究應著重分析優(yōu)先流特征與當?shù)靥厥獾刭|地貌及環(huán)境因子的關系，進一步明確喀斯特地區(qū)優(yōu)先流的形成機理。

5 結論

1） 喀斯特地區(qū)側柏純林和側柏、馬尾松、直桿藍桉混交林下均存在優(yōu)先流現(xiàn)象，混交林下土壤染色形態(tài)呈指狀或枝狀，純林呈漏斗狀?；旖涣滞寥赖拇怪彼诌\移通道的連通性強、水分運動范圍大，純林土壤基質吸水能力強，在外部供水充足時，土壤空間中的水分停留時間長。

2） 喀斯特地區(qū)混交林下優(yōu)先流的發(fā)育程度和空間變異性更強，這與其大影響半徑優(yōu)先路徑比例高、優(yōu)先路徑分布變異性強有直接關系。

3） 喀斯特地區(qū)林下土壤的優(yōu)先路徑數(shù)量較多，主要分布在15 cm 以上土層，且以小影響半徑（＜5 mm）的優(yōu)先路徑為主?；旖涣窒碌耐寥纼?yōu)先路徑隨土層深度的變異性更強，且大影響半徑（＞5 mm）優(yōu)先路徑的比例（19.0%）要高于純林（9.0%）。