盧慧，呂剛，劉建華，張卓，王鋒佰

1.遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；4.國有彰武縣章土臺林場，遼寧 彰武 123203

優(yōu)先流過程能使水和溶質(zhì)快速通過大孔隙到達深層土壤或進入地下水（呂海深等，2020），影響水分在各層中的轉換，對地下水位平衡具有重要影響作用，這種作用對于長期缺水的干旱半干旱地區(qū)效果尤為明顯。在干旱荒漠地區(qū)，優(yōu)先流提高了植被根系蓄水能力，也使得水分通過根系快速運動（張勇勇等，2017）?；哪躺持参镔A存土壤水分和養(yǎng)分均較高，便于荒漠區(qū)種子萌發(fā)和生長，進而影響干旱區(qū)植被分布和組成。目前，研究土壤優(yōu)先流多聚焦于林地、農(nóng)地與土壤裂隙對優(yōu)先流影響等方面（劉目興等，2013；張英虎等，2015；張中彬等，2015；Yan et al.，2016；段曉倩等，2016；Lü et al.，2017；余海龍等，2019；Hou et al.，2023），而對于沙地土壤優(yōu)先流的研究較為鮮見。劉元波等（1995）從干旱地水分傳遞過程、降雨入滲機制、入滲過程與特征3個方面研究了沙地水分再分配過程，姚淑霞等（2013）研究發(fā)現(xiàn)科爾沁沙地土壤的入滲性能隨沙漠化程度的增強而增強，阿拉木薩等（2004）發(fā)現(xiàn)降雨對沙地土壤水分影響劇烈，有植被土壤降雨后土壤水分變化平緩下滲淺，隨著植被年齡的增加淺層土壤截留降雨能力不斷增強。呂剛等（2018）對遼西北風沙地不同植物群落入滲能力進行研究，發(fā)現(xiàn)草地的入滲能力較林地大。

遼西北是遼寧省沙化極其嚴重的區(qū)域，位于科爾沁沙漠南緣。樟子松作為良好的防風固沙樹種，自人工引種到遼西北地區(qū)以來，有效地抑制了科爾沁沙地南侵，土地沙化得到有效控制。然而，隨著人工樟子松林齡的增大，樟子松表現(xiàn)處大面積“衰退”現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)，章古臺沙地樟子松人工固沙林其生命周期僅僅為60—65 a，較正常樟子松林地生命周期縮短20—40 a，隨著林齡增長，土壤水分利用失衡、土壤水分短缺可能是樟子松人工固沙林衰退的主要原因（吳祥云等，2004），加之風沙土土壤含水量低，水分入滲速度快，在土壤裂隙、土壤動物、植物根系等的共同作用下容易產(chǎn)生土壤大孔隙，進而促進優(yōu)先流的產(chǎn)生（Graham et al.，2011；徐宗恒等，2012），造成土壤水分滲漏，最終導致植物衰敗或死亡。因此，研究遼西北風沙地不同林齡樟子松人工林地土壤優(yōu)先流特征，分析植物根系對優(yōu)先路徑的影響，可為研究風沙地樟子松人工林衰退機制與植被重建提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省國有彰武縣章古臺林場內(nèi)（圖1），屬溫帶季風性濕潤森林草原氣候，年均降水量490 mm左右，多集中在6—8月，多年平均蒸發(fā)量為1590 mm，無霜期152 d，日平均風速大于10 m·s?1為 10 d（呂剛等，2019）。土壤屬風沙土，土壤顆粒以砂粒為主，沙層深厚，土壤瘠薄，有機質(zhì)含量低，無土壤層次，其土壤結構松散，缺乏淀積層，土壤保墑性較差。植被屬蒙古植物、長白植物系和華北植物區(qū)系交錯地區(qū)，代表性的有樟子松（Pinus sylvestrisL.var.mongholica）、油松（Pinus tabulaeformisCarr.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）、荊條（Vitex negundo）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、興安胡枝子（Lespedeza davurica）、多葉隱子草（Cleistogenes polyphylla）、百里香（Thymus mongolicus）、大針茅（Stipa grandis）等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Diagram of the study area

2 研究方法

2.1 樣地設置

本試驗于2018年7—9月在位于國有彰武縣章古臺林場內(nèi)樟子松人工林進行，以荒草地為對照，在綜合考慮造林時立地條件和造林密度的相對一致性，選擇24、38、49 a等3個林齡樟子松林地為研究對象，每種類型分別布設20 m×20 m的標準樣地，各個樣地基本特征表1。

表1 不同林齡樟子松人工林基本特征Table 1 Basic characteristics of Pinus sylvestris var.mongolica plantation at different ages

2.2 野外染色示蹤試驗

本試驗中在各個樣地設置了3處土壤優(yōu)先流觀測樣點，再分別選取3個開挖剖面（A、B、C）。首先用標桿圍城1個20 m×20 m的樣地，樣方選在3—4株相鄰樟子松中心且地表相對平坦處，使染色剖面距各樟子松基本等距，以減少主根對觀測結果的影響。各試驗樣點優(yōu)先流觀測剖面數(shù)量為3個，以作為重復進行分析。清除樣方頂部的植被和石塊后，用0.65 m×0.5 m的鐵板交錯圍起，每塊鐵板連接處錯開5 cm距離以保證鐵板間的封閉性。之后將鐵板埋入地下30 cm，同時將距鐵板內(nèi)壁5 cm以內(nèi)的土壤用木錘夯實，防止染色溶液沿鐵板內(nèi)壁縫隙側漏影響觀測結果。用噴壺將20 L 4 g·L?1亮藍溶液噴灑到樣地上，均勻且快速噴灑，染色后在樣地表面覆蓋一層塑料布和綠色植被，防止蒸發(fā)和外界的干擾。染色示蹤試驗效果見圖2。

圖2 染色示蹤試驗效果圖Figure 2 Diagram of experimental installation for brilliant blue FCF dye tracer test

24 h之后挖掘土壤剖面，首先在水平方向前后去掉7.5 cm，然后再每隔15 cm左右開挖1個土壤染色剖面，共挖取3個染色剖面，剖面深度視染色深度而定。每次開挖剖面后用小鏟子修平土壤剖面，并用毛刷刷去修整剖面時附著在其表面的多余土壤顆粒。修整完畢后用數(shù)碼相機拍照，要求鏡頭與土壤剖面垂直以降低或消除由此產(chǎn)生的試驗誤差。在拍照過程中用兩把標尺比例尺，分別置于土壤剖面頂端水平方向和染色剖面垂直方向上，便于準確計算染色的實際面積。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤容重、土壤含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度用環(huán)刀法測定；土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤機械組成采用LA-300激光粒度儀測定，本試驗測定的各樣地土壤機械組成均采用國際制的分類方法對土壤進行分類（中國科學院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978；張洪江，2013）。具體結果見表2。

表2 土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil

2.4 根系的測定方法

在每個染色地點開挖的剖面染色區(qū)域分五層自上而下采樣，每層長、寬、高分別為10 cm，將其土壤和根系分別裝入塑料袋中，帶回實驗室進行篩選，利用清水將根系表面的土壤清洗干凈，再利用 winRHIZO根系分析系統(tǒng)獲取植物根系指標（表3）。

表3 根系指標Table 3 Root index

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

應用Adobe Photoshop CS6和Image-proPlus 6.0軟件對染色剖面圖像進行處理，Excel 2007和SPSS 21.0軟件、Origin 8.0軟件處理數(shù)據(jù)和擬合模型。

3 結果與討論

3.1 不同林齡樟子松人工林土壤優(yōu)先流特征

由圖3可知，不同林齡樟子松人工林各樣地土壤剖面均出現(xiàn)了不同程度的優(yōu)先流現(xiàn)象。由于土壤結構及植被根系數(shù)量和分布特征不同，其不同剖面土壤優(yōu)先流特征存在差異，其中可能出現(xiàn)的植物根孔與動物洞穴進一步增加了土壤優(yōu)先流最大染色深度的不確定性，并且當孔洞的深度達到一定長度時，還會與土壤自身孔隙發(fā)生連通，加劇優(yōu)先流現(xiàn)象。因此取同一樣地最大染色深度平均值作為該樣地最大染色深度。24、38、49 a樟子松林地與對照樣地土壤優(yōu)先流最大染色深度依次為26.66、32.07、35.38、37.31 cm，表現(xiàn)為對照樣地大于樟子松林地。研究發(fā)現(xiàn)，對照組優(yōu)先流最大染色深度最大，這是由于對照組土壤為原生風沙土，自然含水率較低，而土壤自然含水率又對土壤優(yōu)先流的最大入滲深度有重要影響（張勇勇等，2017），當土壤含水量較低時，土壤顆粒干燥，水分均勻入滲困難，土壤中因干旱導致的裂隙發(fā)育得較好，容易產(chǎn)生優(yōu)先流現(xiàn)象，且水分入滲深度遠。

圖3 土壤優(yōu)先流形態(tài)的垂直染色圖像特征Figure 3 Vertical staining image characteristics of soil preferential flow patterns

對比不同林齡樟子松人工林地染色圖像發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流入滲深度隨著林齡的增長明顯加深，49 a樟子松林地比24 a樟子松林地增加了32.70%，這主要是由于隨著林齡的增加，49 a樟子松林地根系長度、密度和重量等增幅顯著，加之土壤表層枯枝落葉、苔蘚、地衣通過微生物進行分解作用，分解形成的腐殖質(zhì)使得樹旁的土質(zhì)相對疏松，有機質(zhì)含量更高，促進了土壤團聚體的形成，而良好的團聚體結構對應著土壤大孔隙含量較高，優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯（鄭欣等，2018；孟晨等，2019；王金悅等，2021）。

3.2 不同林齡樟子松人工林染色面積比變化

染色面積比可直觀反映土壤優(yōu)先流分布特征（呂剛等，2018）。由圖 4可知，隨著土層深度的加深，24、38、49 a樟子松林地和對照樣地的優(yōu)先流染色面積比呈減小的變化趨勢，各樣地0—10 cm土層染色面積比依次為 97.2%、84.74%、92.8%、98.45%，且各樣地之間無顯著差異（P>0.05），這可能是因為表層枯枝落葉在微生物的作用下加速分解，轉化為有機質(zhì)，有機質(zhì)含量的提高使得原本松散的沙土具有了一定粘結性，持水能力提高進而間接影響了優(yōu)先流染色面積；與0—10 cm土層相比，各個樣地10—20 cm土層優(yōu)先流染色面積比有所減小，其數(shù)值依次為52.92%、53.1%、73.53%、91.14%，對照組最大，與24 a樟子松林地、38 a樟子松林地之間差異顯著（P<0.05）；對照組和49 a樟子松林地20—30 cm中優(yōu)先流染色面積比顯著大于24 a、38 a樟子松林地（P<0.05）；各個樣地30—40 cm土層優(yōu)先流染色面積比均為最小，其數(shù)值依次為 0.98%、2.17%、6.85%、7.23%，對照樣地顯著大于24 a樟子松林地（P<0.05）。對比樟子松林地和對照樣地優(yōu)先流染色面積比可知，對照樣地各個土層均大于樟子松林地，這是由于對照組土壤質(zhì)地松散，土壤結構性差或基本無結構，較其他土壤持水、蓄水能力弱、入滲能力強，因此優(yōu)先流現(xiàn)象明顯（閆加亮等，2015）。土壤優(yōu)先流染色面積比與樟子松林齡增長緊密相關，并且土層深度越深，這種增大現(xiàn)象越明顯。這可能是由于隨著林齡的增長，其根系逐漸向下延伸，隨著根系的擴張，大孔隙含量增加的可能性越多所致，產(chǎn)生優(yōu)先流幾率增加。

圖4 不同土層土壤優(yōu)先流染色面積比Figure 4 Area ratio of preferential flow dyeing in different soil layers

3.3 根系對優(yōu)先流的影響

土壤優(yōu)先流的形成與根系分布狀況關系密切（邵一敏等，2020）。由表 4可知，土壤優(yōu)先流染色面積比與植物根系指標均呈正相關關系，其中根長密度與染色面積比呈極顯著正相關（P<0.01），與根質(zhì)量密度、根表面積密度和根體積密度未達到顯著水平（P>0.05）。因此，重點分析根長密度對土壤優(yōu)先流的影響。

表4 染色面積比與植物根系Spearman相關分析Table 4 Correlation Analysis between Dye Area Ratio and Spearman of Plant Roots

各個樣地40—50 cm土層無染色區(qū)域，因此沒有采集植物根系。由表3可知，不同樣地根長密度與土層深度的增加呈反比，土層越深，根長密度越小。0—10 cm土層根長密度最大，49 a樟子松林地、對照、38 a樟子松林地、24 a樟子松林地根長密度數(shù)值依次為 7.302、6.931、4.868、3.799 cm·cm?3。30—40 cm土層根長密度則表現(xiàn)為 38 a樟子松林地>49 a樟子松林地>24 a樟子松林地>對照，其數(shù)值依次為 2.080、1.563、1.086、0.354 cm·cm?3，表現(xiàn)為不同林齡樟子松林地根系特征指標間差異顯著。并且隨著土層的加深，38 a樟子松林地根長密度高于 49 a樟子松林地，說明隨著樟子松林齡增長，到一定年限則生長緩慢，并會出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。

染色區(qū)不同土層根長密度貢獻度見圖 5。貢獻度是染色區(qū)該層根系與整個剖面根系之和的比值。4個樣地都是土壤表層貢獻度更大，均值在 23.6%左右，這是由于植被根系在土壤表層分布密度較大，同時土壤表層死根系自身分解成為有機物，形成土壤團聚體，改善土壤理化性質(zhì)。根系主要通過交錯和穿插作用分布在土壤表層，使本來緊實板結的土壤變得更加松動，土壤結構發(fā)生變化，同時土壤表層死根系由于自身的死亡腐爛，轉化為有機物，加快土壤團聚體的形成，進而有效改善土壤理化性質(zhì)（林代杰等，2010），根系通道某種程度上促進了土壤水和溶質(zhì)的運移（Jorgensen et al.，2002）。優(yōu)先流區(qū)根系含量較高，土壤剖面染色面積比作為優(yōu)先流程度指標，與根系含量有一定聯(lián)系。

圖5 染色區(qū)不同土層根長密度貢獻度Figure 5 Contribution degree of root length density in different soil layers in dyeing area

圖6為各個樣地土壤優(yōu)先流染色面積比與根長密度的關系。由圖6可知，各個樣地染色面積比隨根長密度的增加而增加，且染色面積比與根長密度均呈顯著線性相關（其擬合曲線F值依次為33.899、26.187、13.132、13.472，P<0.05）。4個樣地的根長密度都在0—10 cm土層表現(xiàn)較好，在0—10 cm以下，植物根系數(shù)量、含量和直徑均有所減小，進而導致土壤大孔隙密度和植物根系通道減小，染色面積比也隨之減小。隨著林齡的增長，土壤中根系腐爛及自身死亡會增多，死根系形成的路徑更容易誘導優(yōu)先流的產(chǎn)生（牛健植等，2007），在野外試驗時觀察到死根系周圍有明顯的染色。結果表明，隨著樟子松林林齡的增加，根長密度也增加，染色面積比也增加，其中根系所產(chǎn)生的土壤大孔隙和根系死亡所產(chǎn)生的孔隙有決定性的影響效果。根系所產(chǎn)生的土壤大孔隙和根系死亡所產(chǎn)生的孔隙對優(yōu)先流有決定性的影響效果。

圖6 根長密度與染色面積比特征關系Figure 6 Relationship between root length density and dyeing area ratio

4 結論

（1）24、38、49 a樟子松林地土壤優(yōu)先流最大染色深度依次為 26.66、32.07、35.38 cm，優(yōu)先流入滲深度隨著林齡的增長明顯加深，且與土壤自然含水率和有機質(zhì)關系密切。缺乏良好土壤結構且干燥的荒草地土壤更容易出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象。

（2）不同林齡樟子松人工林在各土層深度中，對照組土壤優(yōu)先流染色面積較之樟子松林地大；對于樟子松林地，其隨著林齡的增長，染色面積比也隨之增長。4個樣地染色面積比與土層深度呈顯著線性相關。

（3）根長密度為根系對優(yōu)先流影響的最密切指標，各樣地根長密度與土層深度呈反比，均為土壤表層貢獻度最大。隨著樟子松林齡增長，到一定年限則生長緩慢，甚至會出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，不同林齡樟子松林地根系特征指標間差異顯著，直接影響土壤優(yōu)先流入滲特征。不同林齡樟子松和對照樣地染色面積比與根長密度均呈顯著相關。