侍世玲，韓若琳，蒙仲舉

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引 言

優(yōu)先流是土壤水分在繞過多孔基質(zhì)區(qū)[1]，同時(shí)沿著某些路徑運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象[2]。優(yōu)先流非均勻性、非平衡性等性質(zhì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)形式與類型多樣，影響水分在各層之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)地表徑流以及地下水平衡具有重要的作用[3]。例如，土壤優(yōu)先流可通過影響入滲過程，減少?gòu)搅骱屯寥狼治g，提高植被根系蓄水能力，加速根系水分快速運(yùn)動(dòng)，從而顯著影響干旱地區(qū)的草地退化[4]。但在地質(zhì)地貌較特殊的區(qū)域，優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)引起滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦娜松砗拓?cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[5]。

干旱、半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化和人為干擾十分敏感，放牧是草資源利用與交換的主要方式[6]。隨著社會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求增加，長(zhǎng)期過度放牧活動(dòng)破壞了草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和多樣性，削減了其再生性和承載性能。牧草與畜牧量的矛盾愈加突出，加重對(duì)草地資源的破壞，形成惡性循壞[7]，影響植被營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累[8]，引起植被退化[9]，甚至草地沙化。土壤水分是半干旱區(qū)植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)[10,11]，草原生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因素是保持土壤水分平衡。有限的降雨量和較高的潛在蒸散發(fā)量導(dǎo)致半干旱地區(qū)包氣帶蓄水不足[12]，降水的優(yōu)先入滲是半干旱草地土壤水分補(bǔ)給的重要來源[13]。由于土壤入滲是地表徑流和植被生長(zhǎng)發(fā)育的限制因子[14]，因此，針對(duì)此過程的研究對(duì)草地水土保持及生態(tài)環(huán)境建設(shè)意義重大。近年來，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于放牧管理措施對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響做了大量研究與實(shí)驗(yàn)，如陳瑜等研究表明，放牧強(qiáng)度與草原地下生物量呈負(fù)相關(guān)[15]；耿林昇等研究表明，放牧活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)地惡化，使得土壤粒徑變粗[16]。然而，大多數(shù)研究主要集中于放牧強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)以及生物的影響。放牧活動(dòng)會(huì)引起土壤變形、植物根系結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)生改變。水分是半干旱區(qū)草地植被可持續(xù)的關(guān)鍵因子，根系所形成的大孔系通道會(huì)影響水分和溶質(zhì)運(yùn)移的過程。鑒于此，本研究以內(nèi)蒙古中部荒漠草原不同放牧管理草地為研究對(duì)象，通過野外模擬降雨試驗(yàn)，獲得不同放牧管理草地土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)路徑圖像，研究放牧管理對(duì)草地水分溶質(zhì)運(yùn)移的影響，為內(nèi)蒙古荒漠草原地區(qū)植被恢復(fù)與水土保持工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)茂旗境內(nèi)的希拉穆仁草原，地處內(nèi)蒙古四子王旗、武川縣與達(dá)茂旗三地交接處。季風(fēng)氣候不明顯，降水分布不均，降雨量平均在300～450 mm，多集中于7-9月份[17]。草場(chǎng)植被類型以多年旱生草本為主，優(yōu)勢(shì)種主要有克氏針茅（Stipa krylovii）、羊草（Leymus chinensis）等[18]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地布設(shè)

本研究以內(nèi)蒙古中部的希拉穆仁草原為試驗(yàn)樣地，地理位置（111°13′～111°49′E，41°21′～41°52′N）。選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ姷?種放牧管理（禁牧GE、冬季放牧CG、自由放牧FG）下的草地作為試驗(yàn)點(diǎn)，各試驗(yàn)點(diǎn)內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)100 m2的小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 染色示蹤試驗(yàn)

在每塊試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選擇地勢(shì)平坦的樣地進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)前將地表枯落物和礫石清理干凈，將長(zhǎng)、寬、高分別為50 cm×50 cm×30 cm的自制方形不銹鋼板緩慢砸入樣地土壤中，砸入深度為20 cm，露出地面高度為10 cm，然后將4 g/L的亮藍(lán)溶液7.5 L均勻噴灑于矩形框內(nèi)[19]。24 h后去除鋼板，用土壤刀以水平寬度5 cm為一層緩慢地分層挖掘垂直剖面，并用佳能數(shù)碼相機(jī)以固定焦距拍攝土壤垂直剖面染色圖像，試驗(yàn)共獲取90個(gè)垂直剖面染色圖像用于分析。

1.2.3 土樣采集及測(cè)定

（1）土樣采集。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)樣方四角0～40 cm土層采集土壤樣品，采樣包括：用直徑5 cm、高5 cm的環(huán)刀采取原狀土樣，用以測(cè)定土壤含水量、土壤容重（BD）、總孔隙度（TP）、毛管孔隙度（NP）、非毛管孔隙度（NCP）、飽和持水量；并在相同位置采集原狀土樣約1 kg用鋁盒儲(chǔ)存，土樣在室內(nèi)背光處風(fēng)干后用四分法分成兩份，用于測(cè)定土壤機(jī)械組成、土壤有機(jī)碳含量以及土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，每個(gè)土層3次重復(fù)。

（2）指標(biāo)測(cè)定。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用快速潤(rùn)濕法測(cè)量，并由平均重量直徑來確定；通過105 ℃烘箱干燥24 h至恒重（Wd）來測(cè)定土壤含水量。BD、TP和平均重量直徑的計(jì)算公式如下：

式中：MWD為平均重量直徑，mm；V為土壤環(huán)刀體積，cm3；Wc為環(huán)刀重量，g；ds為土壤顆粒密度（取2.65 g/cm3）；γi為第i個(gè)目的孔徑，mm；γi+1為第i個(gè)篩網(wǎng)的泥沙重量分?jǐn)?shù)；n為篩網(wǎng)數(shù)。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定，土壤機(jī)械組成使用Malvern Mastersizer-3000 儀器測(cè)定。

1.2.4 染色圖像解析

（1）垂直染色圖像參數(shù)解析。結(jié)合形態(tài)學(xué)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)，假定土壤剖面存在層次區(qū)分，土壤結(jié)構(gòu)水平方向上均質(zhì)，垂直方向異質(zhì)，解析垂直染色圖像的染色面積比、基質(zhì)流深度等參數(shù)來分析土壤染色形態(tài)的同時(shí)，以揭示土壤優(yōu)先流染色形志特征。

（2）土壤剖面染色面積比（DC）。土壤剖面染色面積比是指某一土壤深度處（或土壤整個(gè)剖面中）染色面積占土壤剖面總寬度（或剖面中總?cè)旧娣e）的比例，用像素面積來表示染色面積，表達(dá)式[20]：

式中：DC為土壤剖面染色面積比，%；D為土壤剖面總?cè)旧娣e，mm2或cm2；ND為土壤剖面未染色區(qū)域總面積，mm2或cm2，此次研究土壤剖面總寬度為500 mm（500 pixels）。

（3）基質(zhì)流深度（UniFr）。研究將土壤染色面積比＞80%時(shí)的土壤深度定義為基質(zhì)流深度[21]。

（4）優(yōu)先流比（PFfr）。土壤染色剖面上優(yōu)先流區(qū)占總?cè)旧娣e的比例為優(yōu)先流比[22]，表達(dá)式：

式中：PFfr為土壤剖面優(yōu)先流區(qū)染色面積比，%；UniFr為土壤剖面基質(zhì)流區(qū)對(duì)應(yīng)的土壤剖面深度，即基質(zhì)流深度，cm；W為土壤剖面水平染色寬度，cm；TSA為土壤剖面染色區(qū)總面積，cm2。

（5）長(zhǎng)度指數(shù)（Li）。土壤剖面按照一定寬度平均分為若干層，其下一層與上一層差值的絕對(duì)值之和為長(zhǎng)度指數(shù)[23]，表達(dá)式：

式中：Li為土壤剖面第i+1層與第i層之差絕對(duì)值的和，%；DCi+1、DCi為土壤剖面第計(jì)i+1層、第i層對(duì)應(yīng)的染色面積比，%；n為土壤剖面垂直土層數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

本研究數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行整理、處理，所用統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 24.0軟件，使用Origin Pro 2021b軟件制圖；采用Pearson相關(guān)分析法分析不同管理措施草地土壤優(yōu)先流與各環(huán)境因子之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧管理?xiàng)l件下草地土壤優(yōu)先流特征

2.1.1 不同放牧管理?xiàng)l件下草地垂直剖面土壤優(yōu)先流特征

不同放牧管理草地土壤水分入滲染色路徑存在較大差異（見圖1），禁牧草地染色路徑空間異質(zhì)性較大，團(tuán)塊狀分化現(xiàn)象明顯，禁牧草地最大染色入滲深度超過30 cm，且入滲深度越大，水流染色路徑越窄，表明存在優(yōu)先流現(xiàn)象使得水流快速通過土壤基質(zhì)并形成長(zhǎng)條狀染色路徑。此外，相同禁牧草地染色路徑分布也存在差異，表明土壤優(yōu)先流有著較強(qiáng)的空間異質(zhì)性?？傮w來看，禁牧草地染色路徑表明土壤水分運(yùn)動(dòng)存在明顯的空間分化作用，且土壤優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)形式明顯。

圖1 禁牧草地土壤優(yōu)先流染色形態(tài)特征Fig.1 Characteristics of soil preferential flow staining in forbidden grazing grassland

通過分析冬季放牧草地土壤優(yōu)先流染色形態(tài)特征發(fā)現(xiàn)（見圖2），在冬季放牧條件下的草地土壤染色深度變淺，最深不過25 cm，隨土層深度增加而出現(xiàn)的染色形態(tài)帶狀、團(tuán)塊狀分化程度大幅減輕。在相同的降水環(huán)境下，冬季放牧草地土壤染色形態(tài)分化現(xiàn)象減少，水流的優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)受削弱。與禁牧草地相比，冬季放牧草地土壤水流向下運(yùn)動(dòng)受到限制，放牧活動(dòng)破壞了草地土壤優(yōu)先流的發(fā)生與發(fā)展。

圖2 冬季放牧草地土壤優(yōu)先流染色形態(tài)特征Fig.2 Characteristics of soil preferential flow dyeing in winter grazing grassland

自由放牧下的草地土壤染色深度較冬季放牧草地更淺，最大入滲深度不超過15 cm，染色形態(tài)的帶狀、團(tuán)塊狀分化現(xiàn)象較弱，僅有零星分布（見圖3）。在相同的降水環(huán)境下，自由放牧草地優(yōu)先流現(xiàn)象不顯著，結(jié)合圖2和圖1的染色形態(tài)變化可知，隨著放牧活動(dòng)的增加，土壤優(yōu)先流的發(fā)生受到限制，自由放牧草地幾乎無優(yōu)先流現(xiàn)象出現(xiàn)。以上可以說明，放牧行為的發(fā)生嚴(yán)重影響了的土壤水流運(yùn)動(dòng)，放牧強(qiáng)度的增加會(huì)逐漸破壞土壤產(chǎn)生優(yōu)先流的能力。

圖3 自由放牧草地土壤優(yōu)先流染色形態(tài)特征Fig.3 Morphological characteristics of soil preferential flow dyeing in free-grazing grassland

染色面積比（DC）可以直觀的反應(yīng)入滲水流在土壤中運(yùn)動(dòng)路徑的截面面積占土壤剖面總面積的百分比[24]。3種放牧管理草地土壤剖面染色面積比存在較大差異（見圖4），禁牧草地DC隨土壤深度增加緩慢減小，10個(gè)不同土層間染色面積比曲線存在差異，表明不同土層水流路徑變化較大。整體來看，禁牧草地土壤剖面DC變異最大，10個(gè)不同土層間染色面積比曲線存在差異，不同土層間水流路徑變化較大，自由放牧草地土壤剖面DC變異最小，冬季放牧草地DC變異與禁牧草地相似，DC介于禁牧草地與自由放牧草地之間。

圖4 不同放牧管理草地垂直剖面染色面積變化Fig.4 Changes of vertical profile staining area of different grazing management grasslands

基質(zhì)流深度（UniFr）體現(xiàn)優(yōu)先流發(fā)育起始位置，其數(shù)值是以染色面積比為80%的深度進(jìn)行確定的，此項(xiàng)指標(biāo)位置之上的土層染色面積大多連續(xù)且均勻，而此深度之下的水流形態(tài)多體現(xiàn)為優(yōu)先流，其數(shù)值越大，基質(zhì)流面積越大，優(yōu)先流占剖面水流面積越小[21]。最大入滲深度（MaxD）體現(xiàn)土壤剖面中水流面積，此值越大則土壤剖面中水流面積越大。DC體現(xiàn)染色面積和土壤剖面總面積的比值[24]，這項(xiàng)數(shù)值能體現(xiàn)水流運(yùn)動(dòng)在不同放牧管理草地土層中的廣度。優(yōu)先流比（PFfr）體現(xiàn)優(yōu)先流在全部水流運(yùn)動(dòng)中的占比[22]。長(zhǎng)度指數(shù)（Li）反映由優(yōu)先流產(chǎn)生造成的染色形態(tài)在土壤層中的空間差異性[25]。不同放牧管理草地垂直土壤剖面優(yōu)先流特征指標(biāo)如表1所示。表1中數(shù)據(jù)顯示，草地土壤中UniFr、PFfr、Li、MaxD、DC的峰值均出現(xiàn)在禁牧草地各樣地，分別為7.99 cm、53.77 cm、162.75%、19.07 cm、22.41%；最小值均出現(xiàn)在自由放牧草地各樣地，分別為4.37cm、25.02 cm、109.32%、9.41 cm和13.31%。可見在不同放牧管理草地中優(yōu)先流特征指標(biāo)數(shù)值變化趨勢(shì)相同，整體呈現(xiàn)禁牧草地＞冬季放牧草地＞自由放牧草地。通過顯著性計(jì)算分析，不同放牧管理草地土壤中UniFr和PFfr無明顯差異（p＞0.05），Li、MaxD、DC存在顯著性差異（p＜0.05）。這說明放牧活動(dòng)不是單獨(dú)影響優(yōu)先流，而是對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的整體破壞。而差異較為明顯的Li、MaxD、DC三項(xiàng)數(shù)值的具體變化隨放牧強(qiáng)度增加而差異變大，且數(shù)值本身漸小，說明放牧活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于優(yōu)先流的影響大于放牧活動(dòng)的發(fā)生。也就是放牧的發(fā)生影響整體水流運(yùn)動(dòng)，而強(qiáng)度的增加限制優(yōu)先流的產(chǎn)生。

表1 不同放牧管理草地垂直土壤剖面優(yōu)先流特征指標(biāo)Tab.1 Characteristics of preferential flow of vertical soil profiles in different grazing management grasslands

2.1.2 不同放牧管理?xiàng)l件下草地水平剖面土壤優(yōu)先流特征

不同放牧管理草地水平剖面染色面積比變化特征如圖5所示，3種放牧管理草地水平剖面DC總體上呈現(xiàn)表層土壤大于深層土壤的現(xiàn)象，且隨土層深度增加迅速減小。禁牧管理下，草地土層5 cm深時(shí)的土壤DC為85.68%～90.70%，10 cm深時(shí)土壤DC為31.68%～63.50%均大于冬季放牧草地和自由放牧草地，分別大于冬季放牧草地的17.69%～33.63%和自由放牧草地的14.99%～27.55%；在15 cm土層深度3個(gè)放牧管理草地土壤DC與5 cm和10 cm土層深度相似；在20 cm土層深度冬季放牧草地和自由放牧草地均無染色現(xiàn)象，這表明禁牧草地在15 cm土層以上就出現(xiàn)了優(yōu)先流現(xiàn)象，導(dǎo)致禁牧草地染色路徑能夠到達(dá)20 cm土層深度。

圖5 不同放牧管理草地水平剖面染色面積比Fig.5 Ratio of horizontal profile dyeing area of different grazing management grasslands

當(dāng)不同深度同一染色半徑優(yōu)先流路徑在同一坐標(biāo)點(diǎn)大量聚集時(shí)，其在圖像中的分布位置為紅黑色，圖中不同顏色表示優(yōu)先流路徑聚集度不同，深藍(lán)色表示聚集度一般，淺藍(lán)色表示出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，黃色表示聚集度高，紅黑色表示在該樣地聚集度最大，聚集度越高表示土壤優(yōu)先流在不同土層間連通性較好。從圖6中可以看出不同半徑染色路徑聚集情況，如禁牧草地＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm優(yōu)先流路徑分布均較廣，其中＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm優(yōu)先流路徑在空間上存在一定關(guān)聯(lián)。對(duì)于冬季放牧草地而言，＜2 mm優(yōu)先流路徑分布范圍最廣，其次為2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm優(yōu)先路徑分布相對(duì)較分散，其中＞10 mm路徑聚集度最小，僅有右上角出現(xiàn)大量聚集現(xiàn)象。自由放牧草地優(yōu)先流路徑聚集程度與冬季放牧草地相似，自由放牧草地＜2 mm優(yōu)先流路徑分布范圍最廣，＞10 mm路徑聚集度最小。

如圖7所示，禁牧草地5～10 cm土層＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm 4個(gè)優(yōu)先流路徑數(shù)量分別為408、165、29和7個(gè)。雖然＞10 mm優(yōu)先流路徑數(shù)量在4個(gè)等級(jí)中最少，但其對(duì)剖面染色面積的貢獻(xiàn)率最大，隨著土壤深度增加，＞10 mm優(yōu)先流路徑的面積比逐漸增加。禁牧草地5～10 cm土層＞10 mm優(yōu)先流路徑面積比為62.99%、2.81%和29.96%；冬季放牧草地5～10 cm土層＞10 mm優(yōu)先流路徑面積比為73.77%、36.45%和82.86%；自由放牧草地5～10 cm土層＞10 mm優(yōu)先流路徑面積比為82.15%、77.32%和72.05%。這表明禁牧草地＞10 mm優(yōu)先流路徑隨土層深度增加對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)率逐漸增加。

圖7 不同放牧管理草地水平剖面不同徑級(jí)優(yōu)先流路徑數(shù)量特征Fig.7 Quantitative of the number of preferential flow paths of different diameters in the horizontal profile of different grazing management grasslands

2.2 不同放牧管理下草地土壤優(yōu)先流的類型劃分與程度分析

2.2.1 不同放牧管理下草地土壤優(yōu)先流的類型劃分

土壤垂直剖面中獨(dú)立的染色路徑形態(tài)與土壤水流流動(dòng)方式有關(guān)，通過對(duì)不同寬度染色路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析可以對(duì)土壤剖面中的水流類型進(jìn)行劃分[24]，從而進(jìn)一步探究土壤剖面優(yōu)先流的發(fā)育與分類。不同放牧管理草地垂直剖面染色路徑寬度數(shù)量特征如圖8所示。不同放牧管理草地染色路徑寬度以W＜20 mm寬度最多，20 mm＜W＜200 mm寬度路徑次之，W＞200 mm寬度路徑最少。W＞200 mm寬度路徑主要分布于0～10 cm土層中，W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm寬度路徑相間分布于各土層中，但W＜20 mm寬度路徑數(shù)量顯著多于20 mm＜W＜200 mm寬度路徑。W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm寬度路徑隨土壤深度增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，在10 cm土壤深度時(shí)染色路徑數(shù)量達(dá)到最大值，后隨土壤深度增加逐漸減小。冬季放牧草地和自由放牧草地垂直剖面染色路徑數(shù)量分布特征與禁牧草地相似。

圖8 不同放牧管理草地垂直剖面染色路徑寬度數(shù)量特征Fig.8 Characteristics of the width and number of dyeing paths of vertical profiles of different grazing management grasslands

不同放牧管理草地土壤剖面不同寬度染色路徑面積占比如圖9所示。隨土壤深度的增加，不同放牧管理草地W＞200 mm寬度路徑面積占比呈逐漸減少趨勢(shì)，而W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm寬度路徑面積占比隨土壤深度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。禁牧草地剖面染色路徑以20 mm＜W＜200 mm寬度路徑為主，其次為W＜20 mm和W＞200 mm寬度路徑。冬季放牧草地剖面染色路徑與禁牧草地相似，冬季放牧草地樣地3的20 mm＜W＜200 mm寬度路徑明顯多于W＜20 mm和W＞200 mm寬度路徑。自由放牧草地剖面逐漸也以20 mm＜W＜200 mm寬度路徑為主。

圖9 不同放牧管理草地垂直剖面染色路徑寬度變化Fig.9 Variation of dyeing path width of vertical profile of grassland under different grazing management

如圖10所示，不同放牧管理草地土壤剖面水流模式存在較大差異，各放牧管理草地均有優(yōu)先流現(xiàn)象出現(xiàn)，但優(yōu)先流程度和類型不同。其中均質(zhì)基質(zhì)流在冬季放牧草地占比最多，非均質(zhì)基質(zhì)流在禁牧草地占比最多；高相互作用大孔隙流在冬季放牧草地占比最多，在自由放牧草地占比最少?；旌献饔煤偷拖嗷プ饔么罂紫读髟诙痉拍敛莸乜傮w占比最多，其中自由放牧草地以低相互作用大孔隙流為主，表明在自由放牧草地也有優(yōu)先流現(xiàn)象存在。禁牧草地、冬季放牧草地和自由放牧草地高相互作用和混合相互作用的大孔隙流所占比例分別占44.47%、47.47%和48.44%。

圖10 不同放牧管理草地土壤優(yōu)先流類型劃分Fig.10 Classification of soil preferential flow types in different grazing management grasslands

2.2.2 不同放牧管理下草地土壤優(yōu)先流的程度分析

為綜合評(píng)價(jià)不同放牧管理草地優(yōu)先流發(fā)育特征，消除不同指標(biāo)間的差異，將5個(gè)優(yōu)先流參數(shù)指標(biāo)通過標(biāo)準(zhǔn)化和極差法處理，得到各管理草地措施優(yōu)先流綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PFI，如圖11所示，可知禁牧的土壤優(yōu)先流評(píng)價(jià)指數(shù)PFI均值為0.89，冬季放牧為0.62，自由放牧為0.17，禁牧草地PFI與冬季放牧、自由放牧間存在顯著差異（p＜0.05），表明禁牧草地優(yōu)先流發(fā)育程度最高（見表2）。

表2 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化平均值、均方差、權(quán)重系數(shù)Tab.2 Standardized mean, mean square deviation and weight coefficient of each index

圖11 不同放牧管理草地土壤優(yōu)先流評(píng)價(jià)指數(shù)Fig.11 Evaluation index of soil preferential flow in grasslands under different grazing management

2.3 草地土壤優(yōu)先流在不同放牧管理下發(fā)生變化的影響因素分析

相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。土壤容重（BD）與MaxD、Li顯著相關(guān)（p＜0.05），與有機(jī)碳（SOC）、UniFr、DC、PFfr呈負(fù)相關(guān)。UniFr與大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WR0.25）極顯著相關(guān)（p＜0.01），與非毛管孔隙度（NCP）、砂粒（Sand）含量、PFfr負(fù)相關(guān)。MaxD與粉粒（Silt）含量、Sand含量、黏粒（Clay）含量、SOC、DC、Li極顯著相關(guān)（p＜0.01），與NCP負(fù)相關(guān)。PFfr與染色面積比DC顯著相關(guān)（p＜0.05），與Sand含量呈負(fù)相關(guān)。DC與Silt含量、Sand含量、Clay含量極顯著相關(guān)（p＜0.01），與總孔隙度（TP）、毛管孔隙度（NP）、WR0.25、Li顯著相關(guān)（p＜0.05），與NCP負(fù)相關(guān)。Li與Sand含量顯著相關(guān)（p＜0.05），與NCP呈負(fù)相關(guān)。

表3 土壤優(yōu)先流形態(tài)參數(shù)與環(huán)境因子間的關(guān)系Tab.3 Relationship between soil preferential flow morphology parameters and environmental factors

3 討 論

土壤優(yōu)先流的染色形態(tài)特征在一定程度上可以反映植物在生長(zhǎng)過程根系形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及土壤優(yōu)先流的發(fā)育過程[26]。不同放牧管理草地土壤優(yōu)先流變化特征呈現(xiàn)顯著差異。在相同降水條件下，禁牧草地土壤水分入滲染色路徑比冬季放牧草地和自由放牧草地更加明顯，禁牧草地土壤水分入滲染色路徑空間異質(zhì)性較大，隨著放牧活動(dòng)加劇，染色路徑團(tuán)塊狀分化逐漸減弱，優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)受到削減（圖1～圖3）。以往研究表明，土壤優(yōu)先流發(fā)生主要與土壤結(jié)構(gòu)[27]、地形[28]、水文過程[29]、植被根系和年限[14]以及群落類型[30]等因素相關(guān)。在本研究中，3種放牧管理草地水平剖面染色面積比總體呈現(xiàn)表層土壤大于深層土壤（圖5），土壤優(yōu)先流染色面積比均隨著土層深度的增加而減?。▓D4），這是由于草本植物根系分布及微生物活動(dòng)大多集中于土壤表層[31]。禁牧草地土壤垂直剖面染色面積比曲線差異最明顯，在15 cm土層以上出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象，導(dǎo)致禁牧草地染色路徑達(dá)20 cm土層深度，禁牧草地優(yōu)先流路徑分布范圍較冬季放牧和自由放牧廣（圖5），且自由放牧草地土壤優(yōu)先流發(fā)育程度在3個(gè)放牧管理草地中最低（圖11）。這是由于牧草地處于完全禁止放牧活動(dòng)的狀態(tài)，草原生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，植被生長(zhǎng)狀況良好，從根源上斷絕牲畜踩踏和過度放牧；此外，土壤中植物根系的生長(zhǎng)和死亡所形成的孔隙通道是土壤水分和溶質(zhì)快速運(yùn)移的重要通道[13]，是土壤中優(yōu)先流路徑的重要來源[32]，禁牧草地的植被群落排除了放牧活動(dòng)等人為因素的干擾，植物根系發(fā)育良好，其所形成的孔隙通道能夠?yàn)閮?yōu)先流的發(fā)育提供條件[23]。染色路徑數(shù)量能夠反映優(yōu)先流的連通性和分支性[33]，不同放牧管理草地染色路徑寬度以W＜20 mm寬度最多，在10 cm土壤深度處染色路徑數(shù)量達(dá)到峰值，后隨土壤深度呈遞減的變化趨勢(shì)，該結(jié)果與李勝龍[33]和張建中[34]等人的研究結(jié)果一致。3種放牧管理草地均質(zhì)基質(zhì)流主要分布在土壤表層，但禁牧草地具有最大的基質(zhì)流深度，自由放牧染色深度小是由于牲畜踩踏，增加土壤的壓實(shí)度和土壤容重，無法形成較好的垂直優(yōu)先路徑。土壤基質(zhì)與水流的交互作用隨土壤深度的增加而逐漸消失[35]，導(dǎo)致3個(gè)放牧管理草地土壤大孔隙與土壤基質(zhì)間水分交換能力差異的影響因素不同（圖10）。禁牧草地促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的自然恢復(fù)，提高土壤的孔隙度，形成以植物根系為主的大孔隙[36]，增加優(yōu)先流路徑數(shù)量增加，使其具有較高的滲透能力和沿土壤剖面的良好垂直連通性[37]，這與Zhang Y[38]等人的研究結(jié)果一致，植物根系誘導(dǎo)優(yōu)先流的產(chǎn)生。此外，研究發(fā)現(xiàn)土壤優(yōu)先流發(fā)育指標(biāo)與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)，與Sand含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與WR0.25、Clay和Silt含量呈正相關(guān)關(guān)系，這是本研究影響優(yōu)先流生成和發(fā)育的關(guān)鍵性因子。

4 結(jié) 論

（1）相同降雨量下，禁牧管理草地水分入滲深度最大，染色路徑空間異質(zhì)性最強(qiáng)；不同放牧管理草地土壤剖面染色面積比各土層間水流路徑變化較大，整體表現(xiàn)為禁牧草地（21.53%）＞冬季放牧草地（18.49%）＞自由放牧草地（14.25%）。

（2）不同放牧管理草地染色路徑寬度以W＜20 mm為主，其土壤剖面水流存在較大差異，冬季放牧草地均值基質(zhì)流占比較大，深層土壤優(yōu)先流以大孔隙流動(dòng)為主，禁牧草地、冬季放牧草地和自由放牧草地高相互作用和混合相互作用的大孔隙流所占比例分別占44.47%、47.47%和48.44%。各放牧管理草地均有優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生，但優(yōu)先流發(fā)育程度不同，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)合表明禁牧草地PFI為0.89，優(yōu)先流發(fā)育程度最高。

（3）土壤機(jī)械組成、有機(jī)碳、0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體等環(huán)境因子與土壤優(yōu)先流發(fā)育指標(biāo)有顯著相關(guān)性，其中，土壤機(jī)械組成與土壤優(yōu)先流發(fā)育指標(biāo)呈極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），是土壤優(yōu)先流生成和發(fā)育的主要影響因子。