滇中磨盘山典型林分土壤优先流特征及其归因分析

卢华兴，段 旭,2 ，赵洋毅,2，朱梦雪，涂晓云

(1西南林业大学 林学院，云南 昆明650224；2国家林业和草原局云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，云南 昆明 650224)

优先流是土壤中较为常见的土壤水分运动和溶质运移形式[1]，是水和溶质绕过部分多孔介质而沿着特定路径非均匀快速运动的现象[2]，研究表明70%～85%的土壤水分运动都与优先流有关。优先流在地表水、地下水和土壤水的运动转化过程中起着关键作用，其发生可以减少地表径流[3]，提高土壤含水率、碳储量和养分含量，对地下水补给至关重要[4]。森林是陆地生态系统的主体，具有涵养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态系统的重要组成部分。优先流作为土壤和水分连接的纽带，对森林土壤水分运动和溶质迁移产生一定影响[6]，开展森林土壤优先流研究，加深对森林调节水文的认识，在森林涵养水源和调节径流方面具有重要意义[7-8]。

优先流具有快速穿透、侧向入渗、非稳定性等特点[2]，其形成因素和运动规律极其复杂，这使得优先流成为土壤水文学研究的难点问题[9]。土壤理化性质是优先流形成的重要因素，阮芯竹[10]研究发现，土壤容重、总孔隙度、有机质含量等均影响优先流的形成，其中以有机质含量的影响最大。程金花等[11]发现，优先流区的饱和导水率、有机质含量显著高于非优先流区；官琦等[12]进一步研究发现，有机质对优先流的发育有约束作用。程竞萱等[13]认为，土壤质地也会影响优先流的产生，土壤结构和质地的差异导致土壤含水量不同，因此优先流的表现形式也不同[14]。初始含水量影响土壤水分的入渗深度和优先流的非均匀程度[15]，初始含水量较低导致优先流现象更明显[16]，而提升土壤初始含水率可以抑制优先流的发展[17]。时忠杰等[18]发现，土体中的石砾通过影响土壤大孔隙数量、有效孔隙的密度和体积来影响优先流的发生，而土壤大孔隙的分布受土壤容重和有机质含量的影响较大[19]。连经纬等[20]认为，优先流发育程度的增强可以提高土壤有机碳、土壤养分的运移能力。综上所述，土壤容重[10,19]、有机质含量[10-12,19]、初始含水率[14-17]、土壤孔隙度[10,18-19]、土壤质地[13-14]、土壤养分[20]等土壤因子，均会对土壤优先流的形成产生影响。目前，有大量研究方法相继投入到优先流的定性和定量化分析之中，而染色示踪法操作简单，能够直观显示整个土壤剖面中优先流的空间分布[21]，是开展土壤优先流研究较为普遍的野外试验方法[22]。

滇中磨盘山位于滇中亚高山区域，是我国云贵高原、横断山地和青藏高原三大自然地理区域相结合的特殊部位，是一个复合型生态过渡带，森林资源丰富，植被类型多样[23]。磨盘山森林生态系统是重要的水源涵养区，在我国滇中地区发挥着涵养水源、保持水土等重要的生态功能，目前尚没有关于该地区土壤优先流的研究报道。本试验以磨盘山森林生态系统国家定位观测站为研究点，以滇中地区水源涵养林为研究对象，采用染色示踪法，分析土壤理化性质是否是优先流发生的驱动影响因子及它们之间的量化关系，阐释研究区土壤水分运移规律，以期为滇中林区水源涵养、植被生态建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市新平县磨盘山国家林草局森林生态系统国家长期科研基地(23°46′18″～23°54′34″N，101°12′06″～101°12′12″E)，是云南亚热带北部气候与亚热带南部气候的过渡地区，属中亚热带高原性气候，又因地形地貌复杂，兼具低纬气候、季风气候和山地气候的特点[24]。该区海拔1 260.0～2 614.4 m，相对高差大；最高气温33 ℃，最低气温-2.2 ℃，年平均气温15 ℃，年日照时数2 380 h；降雨主要集中在6-8月份，年均降雨量1 050 mm，干湿分明、雨热同季。土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主，局部地区有黄壤和棕黄壤分布，土壤整体偏酸性，土层厚度1 m左右，以中厚土壤层为主。磨盘山地区是以云南特有中山半湿性常绿阔叶林为主的重要原始森林区，森林植被类型随海拔升高呈现出明显的垂直分布特征，主要分布有亚热带常绿阔叶林、云南松针阔混交林、针叶林(主要为华山松林、滇油杉林、云南松林)和高山矮林(主要为高山栎林)等森林类型，是云南森林群落的重要组成部分，具有重要的生态价值。

1.2 研究方法

表1 滇中磨盘山不同林分类型样地的基本状况

1.2.2 染色示踪试验 染色示踪试验于2020年7月1日至9月10日进行，在每块样地内随机选取3个1 m×1 m 的区域进行染色示踪试验，作为3个重复，研究区内共设置48个染色示踪试验点。染色前先平整地块，在不扰动土壤腐殖质层的前提下，除去样地表面的枯枝落叶和碎石，然后将长、宽、高均为70 cm的矩形铁框埋入土中 30 cm，并用木锤夯实铁框内壁5 cm以内的松动土壤，以避免染色溶液沿铁框内壁下漏对观测结果造成影响。选用亮蓝作为染色剂，供水装置采用马氏瓶，在积水渗透方式下将质量浓度为4 g/L的亮蓝溶液20 L(模拟当地24 h大雨累计降雨量25 mm)均匀喷洒在铁框内部中央区域，覆盖帆布并用尼龙绳将四周绑紧，以避免静置过程中降雨等其他水分输入。24 h后，揭去帆布和埋置的铁框，挖掘垂直染色剖面。由于铁框周围区域土壤水分运移情况较不稳定，可能出现水分侧向渗流而影响试验结果，因此对铁框中心50 cm×50 cm的区域进行观测，以水平宽度10 cm为间隔由上至下开挖垂直土壤剖面，并用1 200 万像素相机拍摄垂直剖面染色图像，试验场地现状见图1。

1.2.3 土壤基本理化性质测定 参考中国林业行业标准和《土壤农化分析方法》[25]，采用105 ℃烘干法(LY/T 1213-1999)测定土壤初始含水率，采用环刀法(LY/T 1215-1999)测定土壤容重、孔隙度(包括非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度)、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量和土壤通气度，采用电位法测定土壤pH，采用硫酸-重铬酸钾外源加热法(LY/T 1237-1999)测定土壤有机碳和有机质含量，采用半微量凯氏定氮法(LY/T 1269-1999)测定土壤全氮含量，采用HCIO4-H2SO4消煮法和电子耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定土壤全磷、全钾含量。

1.3 研究内容

1.3.1 不同林分类型的土壤优先流特征 染色图像解析是获得土壤优先流特征的重要过程，主要是对室外原位土体染色示踪试验过程中拍摄的染色图像进行处理和分析，然后进一步获取土壤优先流特征参数。首先利用Photoshop CS5软件将染色图像进行样式编辑和几何校正(裁剪大小为50 cm×50 cm)，通过调整灰度和对比度、颜色替换、降噪处理及图像反相处理，使染色区域变为黑色、未染色区域变为白色，调整图像阈值使染色图像与实际情况一致，即得到土壤优先流的形态特征。然后将处理后的染色图像导入Image Pro Plus 6.0软件中进行图像数值化，得到由0(染色区)和255(未染色区)组成的数据矩阵，并统计黑白像素数量，根据统计结果计算平均染色区域总面积和某一指定土层深度染色区域(优先流区)面积所占的比例，即染色面积比。本研究以1 cm土层深度为间隔计算染色面积比。

1.3.2 不同林分类型土壤优先流染色面积比随土层的变化 根据4种林分类型垂直剖面染色图像每1 cm土层深度的染色面积比，用Excel 2016统计软件绘制土壤优先流染色面积比随土层深度变化的散点图(带平滑线和数据标记散点图)。

1.3.3 林分类型与土层深度对土壤理化性质的影响 测定4种林分类型不同土层深度的土壤基本理化性质，用Excel 2016统计软件整理并录入数据，然后将数据导入SPSS 20.0进行双因素方差分析(Two-way ANOVA)和Duncan多重比较。

1.3.4 不同林分类型土壤优先流与土壤因子的相关性 为探讨研究区4种林分类型的土壤优先流染色面积比与土壤因子的相关性，用SPSS 20.0软件进行Pearson相关分析。

1.3.5 土壤因子对土壤优先流的主成分分析 主成分分析是一种常规的多元统计方法和数据挖掘技术，在不丢失主要变量信息的前提下，选择较少的新变量来代替原来较多的变量，以排除众多信息共存中相互重叠的信息[26]，消除原始变量之间的相关性，通过降维，使复杂问题简化，进而客观地反映各个因子与因变量之间的关系[27]。通过简单的相关分析虽然能解释土壤理化性质与优先流的相关性，但并不能直观、全面地反映诸多土壤因子中影响优先流形成的主要因素，同时为了消除诸多土壤因子之间的相关性，因此进一步采用主成分分析探讨土壤优先流的形成与土壤因子的响应关系。将初始含水率(X1)、土壤容重(X2)、饱和持水量(X3)、毛管持水量(X4)、田间持水量(X5)、非毛管孔隙度(X6)、毛管孔隙度(X7)、总孔隙度(X8)、土壤通气度(X9)、土壤pH(X10)、有机碳含量(X11)、有机质含量(X12)、全氮含量(X13)、全磷含量(X14)、全钾含量(X15)、碳氮比(X16)等16个土壤因子与染色面积比(Y)用Origin 2019软件进行主成分分析。

1.3.6 土壤因子对土壤优先流的通径分析 由于研究区4种林分的土壤因子属性范围不一，借助传统的相关分析、主成分分析方法虽然能比较出对土壤优先流形成产生影响的土壤因子，但不能反映哪些因子起直接作用，哪些因子通过其他因子起间接作用，以及各土壤因子的综合作用，为进一步明确土壤理化性质与优先流之间的关系，将所有可供选择的土壤因子与土壤优先流染色面积比进行通径分析。首先，对因变量染色面积比(Y)进行正态性检验，由于样本容量n=20，属于小样本，因此用SPSS 20.0软件进行正态性检验后选择Shapiro-Wilk Test得出结果，统计量为0.889，显著性0.066>0.05，说明因变量染色面积比(Y)是正态变量，可以采用SPSS 20.0软件进行逐步回归分析。将所有可供选择的土壤因子通过逐步选择加入或剔除部分自变量，建立最优的回归方程：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，该方程的决定系数R2=0.710，显著性检验值P=0.000<0.01，说明各个土壤因子与土壤优先流染色面积比之间有较好的线性关系，耦合程度较高。最终，根据正态性检验和逐步回归分析结果，用Excel 2016统计软件计算各个土壤因子的通径系数和决策系数，进一步明确影响土壤优先流形成的决定性因子和限制性因子。

试验地位于宿迁农业科学研究院运河湾基地，位于暖温带季风气候区，光热资源相对优越，气候温和，四季分明。年均日照总时数2 291 h，年平均气温14.1℃，极端最高气温40.5℃，极端最低气温-16.0℃，年均降水量为893 mm，全年降水量不均匀，夏季雨水多，交通便利，立地条件良好。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤的优先流特征

2.1.1 形态特征变化 图2为研究区4种林分类型土壤的优先流染色图像。

A.云南松林；B.华山松林；C.滇油杉林；D.高山栎林；数字1～3表示同一林分的3个典型垂直染色剖面。下同

由图2可知，4种林分均出现亮蓝染色溶液垂直向下运移的现象，由于土壤的异质性，同一林分土壤优先流染色深度、分布情况、形态特征均存在差异。整体来看，染色区域不均匀地分布在0～40 cm土层，多集中于0～30 cm土层，4种林分垂直剖面平均染色区域总面积分别为1 238.73 cm2(云南松林)、1 147.65 cm2(华山松林)、871.48 cm2(滇油杉林)和847.38 cm2(高山栎林)，分别占整个土壤剖面的49.55%，45.91%，34.80%和33.90%。比较4种林分垂直剖面染色图像可以发现，0～10 cm表层土壤质地疏松，增大了土壤水分横向侧流的几率，使得表层土壤被亮蓝溶液大面积均匀染色，染色率超过80.00%，说明在表层土壤中优先流现象不明显，土壤水分运动主要由基质流主导，其中华山松林的基质流深度达到23.30 cm(见图2-B2)。随着土层深度增加，垂直剖面染色面积逐渐减小，土壤水分运移现象分化明显，染色溶液垂直下移呈现不规则分布，形成连通性较好的优先路径。其中，滇油杉林和高山栎林亮蓝溶液沿着土壤大孔隙绕过部分土壤基质呈漏斗状向下运移，使得垂直染色剖面上出现狭长区域，形成很多优先流路径分支(图2-C1、图2-D1～3)；但云南松林染色区域呈破碎化分布，优先路径不明显(图2-A1、图2-A3)。40 cm以下深土层区域土壤质地紧实，透水性较差，限制了水分向下运动，使得40 cm以下土层几乎没有优先流的存在。

2.1.2 染色面积比变化 图3为研究区4种林分类型土壤优先流染色面积比随土层深度的变化。

图3 滇中磨盘山不同林分类型土壤优先流染色面积比随土层深度的变化

由图3可知，不同林分的染色面积比随土层深度的增加而减小，各林分之间存在一定差异，但总体均呈现下降趋势。4种林分的垂直剖面染色面积比均在0～10 cm表层土壤出现最大值，由于华山松林地表层土壤枯落物和腐殖层较厚，土质疏松，3个剖面表层土壤的染色面积比均达到100.00%。土层深度10 cm以下，4种林分各个剖面的染色面积比波动程度存在较大差异，说明土层10 cm以下优先流发育程度良好，土壤中优先路径的连贯性和优势性增强，水和溶质快速向下运移。华山松林地土壤理化性质稳定，垂直染色剖面(B1、B2、B3)染色面积比随土层深度的波动程度不大，曲线整体呈现反“S”形。高山栎林地染色剖面(D1、D2、D3)染色面积比在 0～10 cm 土层呈逐渐增大的趋势，以10 cm处为转折点，土层10 cm以下染色面积比的波动程度不大，变化趋势与华山松林基本一致，但土层深度30 cm左右染色面积比趋近于0。相比华山松林和高山栎林地，由于土壤空间异质性明显，云南松林和滇油杉林垂直剖面染色面积比变化波动较大，染色面积比曲线出现多个波峰，呈现“先减小、再增加、又减小”的趋势，变化曲线整体上呈多个曲折的“Z”形。研究区4种林分土壤垂直剖面的平均染色面积比随土层深度的变化规律如图4所示。

由图4可知，随着土层深度的增加，染色面积比总体呈减小的趋势。土层0～10 cm平均染色面积比最大，各林分依次为华山松林(100.00%)、高山栎林(97.33%)、云南松林(93.07%)、滇油杉林(87.87%)，这在一定程度上说明表层土壤水分运动是以基质流为主。土层深度达到40 cm以后，4种林分染色面积比趋近于0，说明此时水分入渗能力较差，基本不再发生优先流现象。染色面积比是最直观反映土壤优先流发育程度的指标，染色面积比越大，土壤优先流发育程度越好[28]。因此，比较4种林分垂直剖面的平均染色面积比，认为土壤优先流发育程度为华山松林>云南松林>滇油杉林>高山栎林，优先流现象在针叶林地中更突出。

图4 滇中磨盘山不同林分类型土壤优先流平均染色面积比随土层深度的变化

2.2 不同林分类型土壤的基本理化性质

双因素方差分析结果(表2)表明，林分类型、土层深度以及两者的交互效应对土壤理化性质均有极显著影响(P<0.001)。

表2 滇中磨盘山林分类型与土层深度对土壤理化性质的影响

研究区4种林分土壤理化性质如表3和表4所示，不同林分、不同土层深度的土壤理化性质存在差异。由表3可知，研究区4种林分类型土壤的物理性质差异明显，土壤初始含水率、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度和总孔隙度等的最大值均出现在华山松林，而云南松林的土壤容重及滇油杉林的非毛管孔隙度、土壤通气度也出现最大值，且最大值出现的土层深度不一致，以0～10和20～30 cm土层为主。不同土层深度的土壤物理性质显著不同(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质指标随土层深度增加基本呈减少的趋势。

表3 滇中磨盘山不同林分类型土壤的物理性质

表4 滇中磨盘山不同林分类型土壤的化学性质

由表4可知，相比其他3种林分，除土壤pH和全钾含量外，华山松林地的土壤有机碳含量、有机质含量、全氮含量、全磷含量、碳氮比等土壤化学性质均出现最大值。土层深度的差异导致土壤化学性质显著不同(P<0.05)，随着土层深度的增加，多数土壤化学性质指标(pH、全钾含量除外)逐渐减小。综合比较滇中磨盘山4种林分的土壤理化性质，华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质明显表现出一定的优势，综合华山松林地优先流发育程度较好的结果可知，优先流的发生与土壤理化性质有关。

2.3 土壤理化性质对优先流的影响

2.3.1 不同林分类型土壤优先流与土壤因子的相关性 表5为研究区4种林分类型土壤优先流染色面积比与土壤因子的相关系数。

表5 滇中磨盘山不同林分类型土壤优先流染色面积比与土壤因子的相关性

由表5可知，染色面积比与土壤理化性质具有一定的相关性。云南松林的染色面积比与土壤容重、pH均呈极显著负相关(P<0.01)，与饱和持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度、土壤通气度、有机碳含量、有机质含量以及土壤碳氮比呈极显著正相关关系(P<0.01)。华山松林的染色面积比与毛管持水量、毛管孔隙度显著正相关(P<0.05)，与土壤容重、pH极显著负相关(P<0.01)，与全钾含量显著负相关(P<0.05)，与田间持水量、全磷含量相关性不显著(P>0.05)，与其他土壤因子均达到极显著正相关(P<0.01)。滇油杉林的染色面积比与初始含水率、毛管持水量、毛管孔隙度均呈显著正相关(P<0.05)，与饱和持水量、田间持水量、有机碳含量、有机质含量、全氮含量呈极显著正相关(P<0.01)，与容重、pH、全钾含量表现为负相关关系，且与pH和全钾含量的负相关关系极显著(P<0.01)。高山栎林的染色面积比与土壤容重和全钾含量呈极显著负相关(P<0.01)，与土壤田间持水量、pH、全磷含量、土壤碳氮比的相关性不强，与其他土壤因子显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关。由于林分的差异，染色面积比与土壤理化性质表现的相关性不同，整体来看，除土壤容重、pH、全钾含量外，染色面积比与其他土壤因子均呈正相关关系，说明土壤理化性质与优先流的形成密切相关。

2.3.2 土壤因子对土壤优先流的主成分分析 表6为土壤因子对土壤优先流的主成分分析中各主成分的特征及载荷值。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个主成分的累积方差贡献率为90.208%，说明4个主成分影响土壤优先流形成的有效信息占90.208%，有9.792%的信息损失。其中，主成分1的方差贡献率最大，为63.459%，故主成分1最能反映诸多土壤因子中影响优先流形成的驱动因素。将主成分1中载荷值大于0.8的土壤因子按载荷绝对值大小排序依次为：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)，且均为正载荷，这11个土壤因子是对主成分1影响较大的特征向量，说明主成分1是由这11个土壤因子共同组成的一个综合指标。主成分2的方差贡献率为10.604%，在pH(X10)上有较高的正载荷值(0.759)，说明pH是决定主成分2的主要因子。主成分3、主成分4的方差贡献率均表现在全磷含量(X14)上，但载荷值不足0.7。综合以上4个主成分的特点，可以认为以上13个土壤因子能较好地反映土壤理化性质对土壤优先流的影响，阐释了该研究区范围内土壤优先流形成的驱动因素。

表6 滇中磨盘山不同林分类型土壤因子对土壤优先流影响的主成分分析中各主成分的特征及载荷值

16个土壤因子与染色面积比的主成分分析结果如图5所示，田间持水量(X5)、毛管孔隙度(X7)、毛管持水量(X4)、总孔隙度(X8)、饱和持水量(X3)、全氮含量(X13)、初始含水率(X1)、土壤通气度(X9)、非毛管孔隙度(X6)、有机碳含量(X11)位于第一象限，这10个土壤因子与染色面积比(Y)方向基本一致，说明此类土壤因子与染色面积比的变化趋势呈正相关。其中，田间持水量与染色面积比特征向量所构成的夹角最小，毛管孔隙度次之，说明染色面积比对田间持水量的变化最为敏感，而毛管孔隙度与染色面积比的关系密切，表明田间持水量、毛管孔隙度随土层深度的变化对染色面积比变化存在显著的正效应关系，是直接影响优先流形成的土壤因子。pH(X10)、全钾含量(X15)位于第二象限，有机质含量(X12)、全磷含量(X14)、碳氮比(X16)位于第四象限，这5个土壤因子与染色面积比特征向量的夹角稍大，对优先流的作用虽趋于正效应但敏感性不强，此类土壤因子主要是通过改变其他土壤因子(处于第一象限的因子)而对优先流的发生产生间接影响。此外，土壤容重(X2)位于第三象限，与染色面积比特征向量的方向相反，且夹角接近180°，表明土壤容重随土层深度的变化与染色面积比呈反向变化，土壤容重对优先流的形成具有抑制作用。鉴于此，进一步说明土壤理化性质是影响土壤优先流形成的重要因素之一，与上文染色面积比和土壤理化性质的相关性分析结果一致。

图5 滇中磨盘山不同林分类型土壤因子与土壤优先流染色面积比的主成分分析

2.3.3 土壤因子对土壤优先流的通径分析 表7为土壤优先流染色面积比与土壤因子的通径系数。由表7可知，土壤理化性质对土壤优先流的形成既有直接作用又有间接作用，对染色面积比有直接影响的土壤因子主要是：全氮含量(X13)、有机质含量(X12)、碳氮比(X16)、土壤容重(X2)、饱和持水量(X3)、初始含水率(X1)、pH(X10)，直接通径系数绝对值达到0.63以上，其余自变量的直接通径系数绝对值不足0.42。其中，全氮含量(X13)对染色面积比的直接负效应最大，为-3.903；有机质含量(X12)的直接正效应最大，为3.373。田间持水量(X5)、全钾含量(X15)、土壤通气度(X9)、全磷含量(X14)对染色面积比的直接作用相对较小，对土壤优先流的影响更多地取决于通过其他土壤因子形成的间接作用。比较田间持水量(X5)、全钾含量(X15)、土壤通气度(X9)、全磷含量(X14)的间接作用可以看出，这4个土壤因子主要是通过控制全氮含量(X13)对土壤优先流的形成间接造成最大的负效应或正效应，其间接通径系数分别是田间持水量(-2.931)、全钾含量(1.955)、土壤通气度(-2.787)、全磷含量(-1.710)，间接通径系数的绝对值均大于1.70。综合以上分析可知，土壤理化性质的差异是影响土壤优先流形成与发生的重要因素，直接影响因子主要有全氮含量、有机质含量、碳氮比、土壤容重、饱和持水量、初始含水率、pH等，而间接影响因子主要通过作用于全氮含量、有机质含量等土壤因子而起作用。

表7 滇中磨盘山不同林分类型土壤优先流染色面积比与土壤因子的通径系数

袁志发等[29]指出在通径分析中，决策系数(R2)便于确定各个变量中的决定性因子和限制性因子，当R2>0，表明自变量Xi对Y起决定性作用；反之当R2<0，表明自变量Xi对Y起限制性作用。根据表7中的通径系数计算11个土壤因子的决策系数。按决策系数大小排序为：X2(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)，故通径分析筛选的11个土壤因子中，土壤容重(X2)是影响土壤优先流形成的决定性因子，全氮含量(X13)是限制性因子，全氮含量通过改变其他因子的间接作用来限制土壤优先流的形成。

3 讨 论

通过染色示踪试验，拍照并解析研究区4种林分土壤垂直剖面染色图像，可获取土壤优先流形态特征和数量特征，研究表明4种林分土壤优先流现象比较明显，林地土壤质地属壤土类，具有较好的渗透性，容易形成优先流[30]。不同林分土壤优先流形态特征和数量特征存在差异，针叶林地优先流的发育程度大于阔叶林地，具体表现为华山松林>云南松林>滇油杉林>高山栎林，这与阮芯竹等[19]得出重庆四面山林地土壤优先流染色面积比、染色深度变化规律表现为阔叶林>针叶林的研究结论相反，分析其原因，可能是由于本研究区位于滇中地区，植被类型、土壤性质等因素与重庆四面山有差异，因此优先流的形态特征与发育程度也不尽相同，侯芳等[31]也认为群落空间结构复杂的林分优先流发育较明显。4种林分垂直剖面的染色面积比随土壤深度增加呈逐渐减小的趋势，与阮芯竹等[10]、侯芳等[31]在重庆四面山及笔者等[32]在滇南地区的研究结论一致。表层土壤被亮蓝溶液大面积染色，说明表层土壤水分运动是基质流引起的，而优先流主要发生在浅层基质流以下的土层中，这与王赵男等[1]、程竞萱等[13]的研究结果一致。本研究中华山松林地的染色面积比随土层深度的波动程度不大，整体呈现反“S”形，而云南松林和滇油杉林的染色面积比曲线多次出现波峰，整体呈现出“先减小、再增加、又减小”的“Z”字形变化趋势，这主要是由土壤的异质性引起的，随着土层深度的增加，优先流也表现出一定的空间异质性[13]。优先流现象主要发生在40 cm以上土层中，深层土壤紧实、渗透性差，水分向下运动困难，优先流现象也难以发生，此解释在刘目兴等[22]的研究结果中得到进一步证实。

森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，为林木的存活和繁育提供了场所[33]。本研究结果表明，研究区内4种林分土壤理化性质存在显著差异(P<0.05)，这是因为不同林分类型的树种特性各异，因此对其生长环境产生的影响作用也不同。张发会等[34]研究也发现，不同林分类型对土壤理化性质有不同的影响作用。林分土壤理化性质影响林木对土壤养分的保持和吸收[35]，进而影响林木的生长状况；反过来，林木利用林地空间结构和维持地力，也会因此改善林分土壤理化性质[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质指标随土层深度的增加基本逐渐减小，这与孙龙等[37]研究证明不同土层深度的土壤特性有较大差异的结论一致。土壤初始含水率表层高于深层，这是因为天然林地表凋落物层较厚，土壤蒸发量少，表层土壤贮存水分较多，这与张发会等[34]的研究结果一致。此外，余蔚青等[38]研究发现，土壤孔隙度、饱和持水量主要受土壤容重和土壤质地的影响，深层土壤比表层土壤更紧实，土壤孔隙度(包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及总孔隙度)均表现为表层高于深层，土壤毛管持水量、饱和持水量随土层加深不断减小，即土壤由表及里持水能力不断下降，本研究结果也证实了这一观点。本研究中除pH、全钾含量外，有机质和全氮含量等其他土壤化学性质随土层深度的增加也呈下降趋势，说明土壤养分含量具有“表聚性”特征[34]，这与刘振华等[36]的研究结果一致。

优先流的形成受土壤理化性质的影响，这与程金花等[11]和陈晓冰[28]的研究结论一致。本研究将土壤理化性质与染色面积比进行相关分析，发现初始含水率、土壤容重等土壤因子与染色面积比有显著相关性(P<0.05)，除土壤容重、pH、全钾含量与染色面积比表现为负相关关系外，其他土壤因子均表现为正相关。4种林分染色面积比均与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01)，这与邵一敏等[30]的研究结论一致。李卓等[39]研究表明，土壤容重越大，大孔隙数量越少，土壤入渗能力越差，越不利于优先流的形成。程竞萱等[13]发现，优先流的形成受土壤化学性质影响较大，随着土层深度的增加，全氮和有机质含量变化总体呈减少趋势，土壤优先流染色面积比也逐渐减小。通过主成分分析发现，田间持水量、毛管孔隙度与染色面积比位于同一方向且夹角最小，说明其对优先流的形成产生直接影响。Radulovich等[40]将土壤达到田间持水量时排水的孔隙定义为大孔隙，程竞萱等[13]认为土壤大孔隙具有促进优先流产生的作用，而土壤大孔隙独有的持水特性恰恰是诱导土壤优先流路径形成的原因之一。主成分分析结果表明，土壤容重与染色面积比方向相反且呈最大夹角，表明土壤容重对优先流的形成具有抑制作用。笔者前期的研究也发现，土壤容重小，透水性好，孔隙数量多，有利于优先流路径形成[32]。土壤优先流的形成是一个复杂的过程，初始含水率、土壤容重等土壤理化性质与染色面积比耦合程度较高，说明各个土壤因子共同作用影响优先流的发生。其中，有机质含量、土壤容重、初始含水率、pH等土壤因子有较大的直接通径系数，对优先流的形成起直接作用，同时也通过其他土壤因子的间接作用对优先流的形成产生间接影响。林地土壤表层枯落物和腐殖质可增加土壤有机质含量，使得土壤形成更多的团粒结构，提高孔隙通透性[12]，间接增加土壤优先流形成的概率[13]。通径分析表明，土壤容重是优先流形成的决定性因子，土壤容重在一定程度上影响其他土壤性质，土壤容重小，则土质疏松、孔隙数量多，可提高水分入渗和土壤持水能力，增加土壤含水率[32]。全氮含量是重要的土壤肥力特征指标，而氮素是植物或林木生长所需的必要营养元素，全氮含量较高的土壤有利于林木生长，同时可促进根系在土壤中的分布和生长。程昊天等[41]发现，不同林龄樟子松生长均受到氮素限制，且根际土壤氮素含量高于非根际土壤，但是根系生长会在一定程度上破坏土壤优先流路径，不利于优先流的形成[11,13]，因此全氮含量主要通过控制林木或植物根系生长间接抑制土壤优先流的形成，成为影响优先流形成的限制性因子。

土壤优先流研究是土壤水分运动中的热点和难点，影响土壤优先流形成的因素较多，除土壤理化性质外，植物根系也是影响优先流形成的重要因素[11,13,30]。笔者认为，径级≤1 mm的细根系对优先流路径的形成起着关键作用[32]。牛健植等[14]提出优先流的产生是静态和动态因素作用的结果，静态因素(土壤性质、生物因素、土壤含水率)通过土壤基本性质反映出来，而动态因素表现在降雨强度、灌溉方式、冻融和干湿交替等方面。本研究只针对土壤理化性质对优先流形成的影响进行了定性描述和定量分析，从静态因素的角度系统阐释了优先流的形成机理，试验结果一定程度上受动态因素的干扰。如何量化动态因素与优先流的关系以及静态、动态因素对优先流的共同作用是亟待解决的问题，尚需花费大量时间进一步探索，明确优先流的形成机理，为森林涵养水源以及植被生态建设提供一定的理论基础和科学依据。

4 结 论

(1)滇中磨盘山4种林分优先流现象明显，比较其形态特征和数量特征，优先流现象在针叶林地更突出，优先流发育程度为华山松林>云南松林>滇油杉林>高山栎林。表层土壤水分运动是基质流主导，随着土层深度的增加，染色面积比呈减小的趋势。

(2)不同林分、不同土层的土壤理化性质存在显著差异(P<0.05)。相较云南松、滇油杉和高山栎林地，华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质明显表现出一定的优势。

(3)土壤因子与染色面积比存在一定的相关性，土壤容重、pH、全钾含量表现为负相关关系，其中土壤容重与染色面积比呈极显著负相关(P<0.01)。

(4)土壤理化性质是影响土壤优先流形成的重要因素，是土壤容重、初始含水率、田间持水量、全氮含量等土壤因子共同作用的结果，其中土壤容重是引起优先流染色面积比变化的决定性因子，全氮含量对优先流的形成起着限制性作用。