西南喀斯特地区2 种森林的土壤优先流特征*

管 凝 程金花,2 侯 芳 曾合州 沈子雅 赵梦圆 秦建淼

（1.北京林业大学水土保持学院 云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站 北京100083；2.北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室 北京 100083）

我国是世界上喀斯特地貌面积最大、分布最广且类型最多的国家，其中西南喀斯特地区裸露碳酸盐岩面积较大，且岩溶发育十分强烈（Jianget al.，2014），极易引发水土流失，严重影响自然环境和人文经济的发展，因此，当地的生态修复至关重要。植被恢复是目前喀斯特地区环境综合治理的重要途径，是遏制当地土地退化的关键；但由于喀斯特地区岩石与土壤的土石二元结构以及植被根系形成了多种类型的优先路径，导致降雨及灌溉的水分常以优先流的形式快速下渗，植被恢复效果受到很大影响（Collonet al.，2017；Greenet al.，2014）。

优先流作为可绕过部分土壤基质快速下渗的非均匀流，对生态系统服务和环境质量具有重要影响，已成为土壤侵蚀和山地灾害等科学研究中的一个关键问题（Allaireet al.，2009）。前人对喀斯特地区的水文过程研究证明该地区存在较明显的优先流现象（蔡路路，2021；李焱秋，2020；布亚召，2019；朱晓锋，2018；彭旭东，2018；牟洋等，2020；张兴等，2017），目前关于喀斯特地区优先流的具体研究较少。李瑶等（2021）研究人为踩踏对喀斯特地区森林土壤优先流入渗的影响，结果发现人为踩踏活动会增强优先流强度，且森林植被覆盖能够抑制优先流的发生；Sohrt 等（2014）研究喀斯特岩土界面优先流的运动特征，结果表明岩石露头的降雨径流继续沿岩石-土壤界面以优先流的形式存在于地下，而来自土壤表面的水主要沿垂直方向且更均匀地渗流；王发等（2016）对比喀斯特地区退耕土壤和耕作土壤的优先流特征，结果发现耕地与自然封育退耕区的优先流程度有显著差异；Kan等（2019）对喀斯特地区草地、人工林和天然林的优先流特征进行研究，结果发现草地中的优先流可以促进有效养分积累，而人工林中的优先流会抑制有机质损失。Zhao（2020）和Liu 等（2020）分别指出喀斯特地区广泛分布的露头岩石、土壤中大量存在的裂隙能够建立完整的优先流网络。但目前关于喀斯特地区优先流程度的量化以及优先路径的分布仍缺少相关研究。

针对以上问题，本研究以云南喀斯特地区为研究对象，选取侧柏（Platycladus orientalis）纯林和侧柏、马尾松（Pinus massoniana）、直杆蓝桉（Eucalyptus maideni）混交林2 种森林植被类型，基于野外染色示踪试验，挖掘土壤的竖直剖面和水平剖面，同时借助图像处理技术，结合数理统计分析方法，对喀斯特地区2 种典型森林植被下的土壤优先流特征进行研究，以期为当地森林植被恢复提供一定理论依据。

1 研究区概况

研究区位于云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站（地理坐标102°54′12″E，23°37′13″N），海拔230～2 515 m，属南亚热带季风气候，光照时间和无霜期较长，年有效积温较高，是云贵高原中受西南季风气候影响最显著的区域，也是西南岩溶山地石漠化灾害最严重的区域之一。土壤类型主要为石灰岩红壤，主要造林树种有侧柏、马尾松、直杆蓝桉、云南松（Pinus yunnanensis）、女贞（Ligustrum lucidum）和白枪杆（Fraxinus malacophylla）等。本研究的试验时间为2021 年9 月12 日至10 月11 日。

2 研究方法

2.1 样地选取与布设

选取侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林2 种森林植被类型。为研究2 种森林植被在不同入渗水量下的优先流特征，于每种林地中设置2 块样地，大小均为10 m×10 m，用于开展大雨、暴雨降水量2 种入渗量的模拟试验。纯林样地编号为P1、P2，混交林编号为M1、M2，其基本信息见表1。在每块样地内设立3 组优先流观测点以重复试验，每组包含5 个染色垂直剖面和若干水平剖面（由实际染色深度决定）。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic information of sample plot

2.2 染色示踪试验

优先流染色观测剖面位置确定后，在不破坏土壤腐殖质层的前提下，对地表枯落物和大石砾进行清理，使地表裸露。将长、宽、高分别为130、60、30 cm 的矩形金属框垂直砸入地面5 cm，确保金属框与土壤之间无缝隙，并压实金属框边缘内、外侧土壤，随后用塑料薄膜进行覆盖。在距离观测点约30 cm 处取土以进行土壤基本性质测定，结果见表2。

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

在确保前后一天及当天无降雨的情况下进行试验。为显著区分优先流对不同降水量的响应，并结合研究区实际情况和以往优先流研究经验，P1 和M1 样地染色示踪试验采用研究区24 h 林内大雨降水量25 mm 作为试验标准，P2 和M2 样地采用暴雨降水量60 mm 作为试验标准。使用质量浓度为4 g·L-1的亮蓝染料作为示踪剂进行染色试验，根据模拟降水量和实际耗损量计算出一个染色样方需要配置21.5 L 或48.8 L 溶液。移开覆盖在金属框上的塑料薄膜，用自制稳定恒流喷洒装置将配好的亮蓝染色溶液均匀喷洒在金属框内，喷洒结束后，用塑料薄膜覆盖24 h。

24 h 后，取走塑料薄膜并缓慢移走金属框，将每个染色样方划分为60 cm×60 cm 两部分，间距10 cm，分别进行水平剖面和垂直剖面挖掘，染色剖面开挖时剔除边界的5 cm，故实际开挖的剖面面积为50 cm×50 cm。垂直剖面以水平宽度10 cm 为一层开挖，每个染色样方共挖掘5 个竖直剖面；水平剖面从距地面5 cm 处开挖，随后每5 cm 一层，最大挖掘深度由染色深度决定。每个剖面挖掘完毕后对其进行修整，并用卷尺框出剖面的长度和宽度，用数码相机拍摄每个剖面的染色图像若干张。染色剖面挖掘过程见图1。

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

2.3 数据分析

2.3.1 染色图像处理 借助ERDAS IMAGINE 9.2、Photoshop CS 6.0 和Image ProPlus v6.0 软件对染色图像进行处理，具体步骤主要分为原始图像几何校正、图像光照校正、图像色彩替换以及图像降噪处理（姚晶晶等，2018）。随后通过形态学计算过程确定优先流路径的位置坐标。

2.3.2 优先流特征参数计算 计算染色剖面的染色面积比（陈晓冰等，2019）、平均最大入渗深度（孟凡旭等，2020）、基质流深度、优先流比和长度指数（陈晓冰等，2020）5 个染色形态特征参数，以分析喀斯特地区森林土壤的优先流特征。

染色面积比（DC）指土壤剖面的染色区域面积占总剖面面积的百分比，可以直观反映染料溶液在土壤中的运动情况。其表达式为：

式中：D为剖面染色区域面积（cm2）；ND 为剖面未染色区域面积（cm2）。

平均最大入渗深度（Umax）指各层土壤垂直剖面总染色面积对应的最大深度(cm)的均值。该值越大，土壤剖面水流运动深度越大。

染色面积比在80%以上时的入渗过程主要为基质流入渗，基质流深度（U）即为土壤剖面中染色面积比≥80%时所对应的土壤深度。该值越大，优先流发生越滞后。

优先流比（PF）指土壤垂直染色剖面中优先流区域的染色面积占整个垂直剖面染色总面积的百分比，即基质流以下区域的染色面积占总染色面积的比例（%）。该值越大，优先流发育程度越高。其表达式为：

式中：W为土壤剖面水平宽度（本研究为50 cm）；TSA为土壤垂直剖面总染色面积（cm2）。

长度指数（Li）指土壤垂直剖面深度等分后，相邻土层染色面积比差值的绝对值之和。该值越大，优先流空间变化越剧烈。其表达式为：

式中： DCi+1和 DCi分别为土壤垂直剖面第i+1 层和第i层的染色面积比（%）；n为土壤剖面总层数。

2.3.3 数据处理 采用Microsoft Excel 2016 对数据进行整合，使用SPSS 22.0 软件对数据进行统计和方差分析，借助ERDAS IMAGINE 9.2、Photoshop CS 6.0 和Image ProPlus v6.0 软件对土壤剖面染色图像进行处理，通过Origin Pro 2016 软件进行绘图。

3 结果与分析

3.1 土壤染色形态特征

3.1.1 染色面积比和平均最大入渗深度 染色面积比和平均最大入渗深度是描述降水在土壤垂直剖面运动轨迹的易得参数（孟凡旭等，2020）。由图2 可知，2种森林土壤的染色面积比在表层均大于80%，之后随土层深度增加而递减，说明入渗过程具有非均匀性，存在优先流现象。在模拟降水量相同的情况下，侧柏、马尾松和直杆蓝桉混交林的平均染色面积比和平均最大入渗深度均大于侧柏纯林，土壤水分的运动范围更大，入渗能力更强，说明混交林下植物种类组成复杂，根系网络密集，有利于垂直水分运移通道的形成（吕刚等，2019）。此外，纯林剖面的染色面积比曲线更平滑，而混交林剖面的染色面积比曲线在一定深度处出现回弹，呈“S”形趋势波动变化，原因可能是存在水分的侧向入渗（邵一敏等，2020）。对于侧柏纯林，当模拟降水量由25 mm 提高到60 mm 时，土壤剖面的平均染色面积比提高114.2%，而平均最大入渗深度仅提高41.0%，且染色面积比变化趋势明显趋于平缓，说明当降水量增大时，部分土壤水分会以基质流的形式均匀下渗，虽有优先流产生，但以横向流动为主。而对于混交林，当模拟降水量增大时，土壤剖面的平均染色面积比提高33.1%，平均最大入渗深度提高37.9%，土壤水分的运动范围在横向和纵向上的变化相近。

图2 土壤垂直剖面染色面积比分布Fig.2 Dyeing area ratio of soil vertical profile

由于采集的土壤染色剖面数量较多，本研究仅选取每块样地内具有代表性的1 个土壤纵剖面进行展示和分析。

如图3 所示，侧柏纯林土壤的染色形态分化程度小于混交林。侧柏纯林土壤表层水流均匀入渗，深层处部分染料溶液沿着土壤孔隙呈漏斗状向下流动，出现优先流现象，最大染色深度不超过20 cm，且无独立染色斑块。混交林下土壤表层染色溶液同样均匀入渗，而在深层处，染色形态呈指状或树枝状分布，染料溶液沿着主要的几条垂直孔隙通道向下运动，优先流路径明显；土壤剖面存在零星独立染色斑块，这可能是水流侧向入渗引起的。

图3 土壤垂直剖面染色图像Fig.3 Dyeing image of soil vertical section

3.1.2 优先流特征参数 对垂直剖面染色图像进行进一步解析，提取并计算基质流深度、优先流比和长度指数，以分析和评价喀斯特地区2 种森林的优先流形态特征和发育程度，结果如表3 所示。

表3 优先流特征参数①Tab.3 Characteristic parameters of preferential flow

基质流深度反映土壤优先流发生的初始深度，主要表征优先流的发生情况，其值越大，优先流发生越滞后。当降水量较小时，混交林土壤基质流深度略大于侧柏纯林；当降水量提高到60 mm 时，混交林土壤基质流深度显著小于纯林（P＜0.05）。此外，当降水量提高时，侧柏纯林的基质流深度提高228.7%，而混交林仅提高33.6%，这说明侧柏纯林的土壤基质具有更强的吸附水分能力，当外部供水充足时，其优先流发生时间滞后于混交林。

优先流比反映优先流的发育程度，其值越大，优先流的发育程度越高。混交林下的优先流比高于侧柏纯林，优先流的发育程度更高，且随着降水量增加，二者的差异越显著；此外,当降水量增加时，混交林的优先流比提高0.62%，而侧柏纯林反而降低27.58%，这说明混交林下土壤优先路径连通性更高，当外部供水充足时，更多的水分顺着优先路径快速下渗。

长度指数反映优先流的变化程度，其值越大，优先流的空间变异性越强。在外部供水量相同时，混交林下的长度指数显著高于侧柏纯林（P＜0.05）；随着模拟降水量增加，2 种植被下的优先流长度指数均显著提高。

3.2 优先流路径特征

优先路径的数量特征和空间位置分布是反映优先流特征的重要指标。本研究中由于0～5 cm 表层土壤染色面积较大，基质流和优先流同时存在，该层不能反映土壤优先路径的分布特征，故不对0～5 cm 土层的优先路径进行分析（张东旭等，2016）。通过图像处理技术，对水平染色剖面进行解析，得出4 块样地5～10、10～15 和15～20 cm 土层不同影响半径优先路径的数量，并将所得数据进行平均计算，得出侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林下各层土壤的优先路径数量情况（表4）。

表4 不同影响半径优先路径数量Tab.4 Number of preferential paths with different influence radius

由表4 可知，2 种森林类型下的土壤优先路径主要分布在5～10 和10～15 cm 土层，深层优先路径数量相对较少。1～5 mm 影响半径的优先路径分布较多，＞10 mm 的分布极少，小影响半径的优先路径数量远大于大影响半径，总体来看，各层土壤中影响半径为2.5～5 mm 的优先路径占比最高。对2 种森林类型下的优先路径进行比较发现，二者的优先路径在数量上相近，但从比例而言，混交林大影响半径的优先路径占比在土壤各层均大于纯林，这可能也是其优先流发育程度更高的原因。

通过图像处理软件获取土壤剖面优先路径的平面坐标，并绘制分布图，可更直观看出2 种森林下优先路径的分布特点（图4、5）。由于图像数量较多，本研究只选取每个林地中的1 块样地进行展示，图像从上到下依次为1 mm≤R＜2.5 mm、2.5 mm≤R＜5 mm、5 mm≤R＜10 mm、R≥10 mm，从左到右依次为5～10、10～15 和15～20 cm 土层。

图4 侧柏纯林下土壤优先路径分布Fig.4 Distribution of soil preferential paths under pure Platycladus orientalis forest

图5 侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林下土壤优先路径分布Fig.5 Distribution of soil preferential paths under Platycladus orientalis, Pinus massoniana and Eucalyptus maiden mixed forest

由图4、5 可知，2 种森铃中，大影响半径的优先路径相比小影响半径的分布更分散，且优先路径的分布随土层变化具有异质性。侧柏纯林下的优先路径在5～10 cm 土层处分布范围较大，随着土层深度加深，优先路径呈大团块状分布。而混交林下优先路径分布随土层深度的变异性更强，且相比纯林，其优先路径主要呈零星分布。

4 讨论

土壤优先流的染色形态特征能够反映优先流的分布和变化规律，本研究对喀斯特地区2 种不同森林类型下的土壤染色图像进行解析，结果表明，喀斯特地区侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林下均存在不同程度的优先流现象，且染色面积比随着模拟降水量增加而增大，与姚晶晶等（2018）和Li 等（2021）在重庆四面山所得研究结果一致；2 种森林类型下的平均染色面积比均不超过20%，与Kan 等（2020）在云南喀斯特地区草地的研究结果相似。此外还发现，喀斯特地区土壤在一定深度处会存在横向水流运动现象，蒋小金（2010）和戴翠婷等（2017）在东北黑土区和三峡库区紫色土地区也得出类似优先流现象，但其优先流形态主要呈块状和密集短小分支状，与喀斯特石灰岩红壤区有一定差异，分析其原因，可能是由于喀斯特地区的地质条件构成地下天然排水沟，形成了特殊的地下岩溶管道（Collonet al.，2017）。

比较2 种森林的优先流特征，混交林下的优先流发育程度和变异性均高于纯林，表现为其基质流深度更低、优先流比和长度指数更高，与程竞萱等（2018）在四面山地区的研究结果相似。根据前人研究（Saravanathiibanet al.，2014）可知，优先流与土壤大孔隙息息相关，而根据这2 种森林植被类型下土壤基本性质的研究结果可知，混交林下土壤的非毛管孔隙度总体要高于侧柏纯林，尤其是在10 cm 以下的土层。根据前人研究结果（冯健等，2021），混交林下土壤的地下生物量往往高于纯林，这也是其大孔隙含量较高的原因。此外，张欣等（2014）研究表明，土壤前期含水量越低，优先流现象越明显；本研究中混交林的土壤含水量低于纯林，而优先流程度高于纯林，与前人研究结果一致。

2 种森林下的优先路径主要集中在15 cm 以上土层，且以小影响半径的优先路径为主，与张东旭等（2017）和陈晓冰（2016）在公路边坡和四面山地区的研究结果一致，但本研究中的优先路径数量总体要更多，这可能与喀斯特地区特殊的土石二元结构有关。混交林下的优先路径随土壤深度分布的异质性更强，且大影响半径（＞5 mm）优先路径的比例更高，这与混交林下土壤非毛管孔隙率更高有关，因此可以推测，优先流的发育程度主要取决于大影响半径优先路径，且优先流的空间变异性与优先路径分布的异质性有直接关系。

本研究对喀斯特地区2 种森林的优先流特征进行定性和定量的分析，但未对影响优先流发生的环境因子进行系统研究。未来对喀斯特地区优先流的研究应着重分析优先流特征与当地特殊地质地貌及环境因子的关系，进一步明确喀斯特地区优先流的形成机理。

5 结论

1） 喀斯特地区侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林下均存在优先流现象，混交林下土壤染色形态呈指状或枝状，纯林呈漏斗状。混交林土壤的垂直水分运移通道的连通性强、水分运动范围大，纯林土壤基质吸水能力强，在外部供水充足时，土壤空间中的水分停留时间长。

2） 喀斯特地区混交林下优先流的发育程度和空间变异性更强，这与其大影响半径优先路径比例高、优先路径分布变异性强有直接关系。

3） 喀斯特地区林下土壤的优先路径数量较多，主要分布在15 cm 以上土层，且以小影响半径（＜5 mm）的优先路径为主。混交林下的土壤优先路径随土层深度的变异性更强，且大影响半径（＞5 mm）优先路径的比例（19.0%）要高于纯林（9.0%）。