盧華興，趙洋毅,2＊，段 旭,2，朱夢雪，涂曉云，楊文艷

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650224)

土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移是土壤學(xué)研究的難點和熱點[1]，優(yōu)先流是一種常見的非均勻性土壤水分運(yùn)動，是土壤水和溶質(zhì)繞過土壤基質(zhì)優(yōu)先通過導(dǎo)水能力強(qiáng)的優(yōu)先路徑，快速向土壤深層和地下水運(yùn)移的現(xiàn)象[2]。優(yōu)先流在地表水、地下水和土壤水的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用，其發(fā)生可以減少地表徑流和增加入滲[3]，提高土壤含水率、碳儲量和養(yǎng)分含量，促進(jìn)林木生長[4]，同時提高水資源利用效率與森林涵養(yǎng)水源能力[5]，對地下水補(bǔ)給和森林水文有顯著影響[6]。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)作為評價土壤特征和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[7]，在維持土壤孔隙和通氣性、提高水分滲透性和持水能力[8]、協(xié)調(diào)養(yǎng)分的消耗和積累、改善土壤肥力[9]、促進(jìn)植物根系伸展[10]等方面起著重要作用。開展土壤優(yōu)先路徑和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)研究，在生態(tài)文明建設(shè)新形勢下對提高水源涵養(yǎng)林質(zhì)量、林區(qū)生態(tài)功能重建和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)意義。

土壤結(jié)構(gòu)是土壤水分運(yùn)動和優(yōu)先流及優(yōu)先路徑形成的影響因素之一，牛健植等[11]根據(jù)“空間異質(zhì)性=空間變異=土壤結(jié)構(gòu)”的觀點，認(rèn)為土壤優(yōu)先流的異質(zhì)性主要來源于土壤結(jié)構(gòu)。優(yōu)先流可以發(fā)生在任何非結(jié)構(gòu)性土壤層，而結(jié)構(gòu)性土壤首先出現(xiàn)在表層[12]；吳慶華[13]證實，結(jié)構(gòu)性好的土壤，優(yōu)先流現(xiàn)象和染色深度更明顯。程金花等[14]發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致土壤含水量不同，對優(yōu)先流和優(yōu)先路徑的形態(tài)特征和表現(xiàn)形式起重要作用。通常情況下，透水性不好的土層容易發(fā)生側(cè)向流，結(jié)構(gòu)性好的粉砂和黏質(zhì)土壤層，優(yōu)先路徑以大孔隙流為主[15]。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是最常見的土壤結(jié)構(gòu)，然而，國內(nèi)外學(xué)者對于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與優(yōu)先流及優(yōu)先路徑的關(guān)系持有不同的觀點，Jarvis等[16]研究發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在水平方向上促進(jìn)土壤水分、溶質(zhì)與土壤基質(zhì)接觸，延長部分土壤水分快速向下運(yùn)移的時間，從而在垂直方向上抑制優(yōu)先流及優(yōu)先路徑的發(fā)育；Bouma[17]提出，大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)具有毛細(xì)屏蔽作用，使土壤水分和溶質(zhì)僅能沿著大孔隙通道運(yùn)動而不能進(jìn)入土壤基質(zhì)，對優(yōu)先流和基質(zhì)流起分離作用；而Wuest[18]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流區(qū)域的土壤團(tuán)聚體含量顯著高于基質(zhì)流區(qū)域。由此可見，土壤結(jié)構(gòu)（尤其是團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)）是土壤水分運(yùn)動不可或缺的因素，對優(yōu)先流和優(yōu)先路徑的形成、發(fā)生有直接作用，但土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對優(yōu)先流及優(yōu)先路徑如何響應(yīng)仍然具有不確定性。

滇中亞高山磨盤山地處我國云貴高原、橫斷山地和青藏高原南緣的地理結(jié)合部，區(qū)位特征明顯，是云南亞熱帶北部氣候與南部氣候的復(fù)合型生態(tài)過渡帶，兼具低緯氣候、季風(fēng)氣候和山地氣候的特點[19]。植被類型多以中山半濕性常綠闊葉林為主[20]，由于長年受強(qiáng)風(fēng)、低溫和土壤脊薄影響，海拔2900 m左右地帶形成罕見的高山矮曲林（高山櫟林），保留著原始的森林群落面貌。此外，磨盤山作為云南新平縣重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)，其森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土和調(diào)節(jié)氣候等重要的生態(tài)功能[20]。目前，針對云南低緯度高海拔森林區(qū)域土壤優(yōu)先路徑和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的研究鮮有報道。因此，本研究以該地區(qū)云南松(Pinus yunnanensisFranch.)林、華山松(Pinus armandiiFranch.)林、高山櫟(Quercus semecarpifoliaSmith.)林和滇油杉(Keteleeria evelynianaMast.)林4種林地土壤為研究對象，通過野外染色示蹤、室內(nèi)圖像處理和土壤團(tuán)聚體測定，分析4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及優(yōu)先路徑特征，探討以下問題：（1）研究區(qū)4種林地類型對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、土壤優(yōu)先路徑是否有影響？（2）土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與優(yōu)先路徑存在何種關(guān)系？通過以上研究，揭示滇中林地土壤優(yōu)先路徑形成機(jī)理，深化對磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水文過程的認(rèn)識，以期為滇中亞高山森林管理、林區(qū)水源涵養(yǎng)林建設(shè)、天然林植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平縣磨盤山國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站和長期科研基地內(nèi)（23°46′18″～23°54′34″ N，101°12'06″～101°12'12″ E），氣候類型為中亞熱帶高原性氣候，海拔1 260.0～2 914.4 m，相對高差大；最高氣溫33 ℃，最低氣溫-2.2 ℃，年平均氣溫15 ℃，年日照時數(shù)為2 380 h；降雨主要集中在6—8月，年均降水量1 050 mm，干濕分明、雨熱同季。土壤基巖以砂巖類巖石為主，土壤類型主要是第三紀(jì)古紅土發(fā)育的山地紅壤、玄武巖紅壤和棕黃壤[19]，局部地區(qū)有黃壤分布，土壤整體偏酸性，pH值3.74～4.96，土層厚度1 m左右，以中厚土壤層為主。滇中亞高山磨盤山是以云南特有中山半濕性常綠闊葉林為主的重要林區(qū)，森林資源豐富，植被類型多樣，且隨海拔上升呈垂直分布特征，有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶中山針闊混交林、針葉林（以華山松、滇油杉、云南松純林為主）和高山櫟林等森林類型[21]，是云南森林群落的重要組成部分。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

在研究區(qū)4種林地內(nèi)設(shè)置面積為100 m×100 m的固定樣地各1塊，分別在各個固定樣地內(nèi)選擇植被均勻、林分結(jié)構(gòu)一致、地形相似、土壤形成母質(zhì)一致的地段布設(shè)4塊20 m×20 m的樣方，在每個樣方內(nèi)選擇3個試驗點開展染色示蹤試驗，同時，在各個樣方內(nèi)利用5點取樣法分層采集原狀混合土樣，采樣深度為0～50 cm，以土層深度10 cm為間隔，混合土樣帶回實驗室風(fēng)干后，用于測定土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，樣地基本狀況見表1。

表1 研究區(qū)4種林地基本狀況Table 1 Basic conditions of four forest lands in the study area

2.2 染色示蹤及優(yōu)先路徑提取

于2020年7月1日至9月10日開展染色示蹤試驗，以濃度4 g·L-1的亮藍(lán)溶液20 L（模擬當(dāng)?shù)?4 h累計降雨量40 mm）作為染色示蹤劑，試驗過程參考盧華興等[22]前期的研究報道。示蹤試驗所獲取的染色圖像通過Photoshop CS5、Image Pro Plus 6.0和Surfer 15等圖像處理軟件進(jìn)行解譯，以獲取不同影響半徑范圍下優(yōu)先路徑的位置分布特征和數(shù)量特征，優(yōu)先路徑的提取過程參考盧華興等[23]在滇南地區(qū)的研究方法。

2.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)測定與參數(shù)計算

原狀混合土樣自然風(fēng)干后除去粗根及石礫等雜物，將大土塊沿著自然斷裂面剝離為1 cm大小的土塊，參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1 227—1999，用機(jī)械篩分法測定＞5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1、0.25～0.5、＜0.25 mm 6個粒級水穩(wěn)定團(tuán)聚體含量，然后計算粒級＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(WSA)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、平均質(zhì)量比表面積(MWSSA)、結(jié)構(gòu)體破壞率(PAD)、分形維數(shù)(D)等團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)[24-27]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件進(jìn)行初步整理和分析；用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行Duncan差異性分析、雙因素方差分析；用Origin 2021軟件進(jìn)行主成分分析和Pearson相關(guān)分析；用DPS軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，然后計算灰色關(guān)聯(lián)度[28]和耦合度[29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 不同林地及粒級土壤團(tuán)聚體特征變化 由圖1可知：6個粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體中，高山櫟林地＞5.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量最大，含量為60.65%；華山松林地1.0～2.0、0.5～1.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量最大，而其它2.0～5.0、0.25～0.5、＜0.25 mm 3個粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量最大的是云南松林地。比較同一林地不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，研究區(qū)4種林地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體多分布于＞5.0、2.0～5.0 mm粒級中，大粒級的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體占主導(dǎo)地位。總體看，研究區(qū)4種林地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量變化趨勢表現(xiàn)為隨粒級的減小基本呈減小的趨勢，且4種林地不同粒級土壤團(tuán)聚體含量差異顯著 (P＜0.05)，在同一粒級范圍內(nèi)，林地類型對團(tuán)聚體含量的影響差異顯著(P＜0.05)。

圖1 研究區(qū)4種林地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量Fig.1 Content of soil water stable aggregates in four forest lands in the study area

由表2可知：不同林地類型對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響顯著(P＜0.05)，且不同林地類型對各個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的影響作用不同。研究區(qū)4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)差異大，較其他3種林地，高山櫟林地MWD、GMD、D值最大，而WSA、MWSSA、PAD等特征指標(biāo)占有優(yōu)勢的林地依次分別是滇油杉林、云南松林、華山松林，其中，4種林地WSA平均值均大于90%。WSA值越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗蝕性越好[24]，表明研究區(qū)4種林地土壤具有穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)和良好的抗蝕性。MWD、GMD可反映不同粒級團(tuán)聚體的分布狀況，MWD和GMD值越大，土壤平均粒徑團(tuán)聚度和穩(wěn)定性越好[25]，由此說明，高山櫟林地有助于增加土壤團(tuán)聚度，提高土壤穩(wěn)定性。分形維數(shù)是土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，可以反映水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢，即土壤分形維數(shù)越小，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好[27]。根據(jù)分形維數(shù)大小可認(rèn)為，4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性依次為：華山松林＞滇油杉林＞云南松林＞高山櫟林。綜上所述，林地類型對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度較大。

表2 研究區(qū)4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征Table 2 Structural characteristics of soil aggregates in four forest lands in the study area

3.1.2 林地類型與土層深度對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

由表3可知：林地類型和土層深度對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響作用不同，林地類型和土層深度對WSA、MWD、GMD、MWSSA、PAD和D均影響極顯著(P＜0.01)；林地類型與土層深度的交互效應(yīng)對WSA、MWD、GMD、MWSSA和PAD的影響極顯著(P＜0.01)，而對D的影響顯著(P＜0.05)。

表3 林地類型、土層深度與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的雙因素方差分析Table 3 Two factor ANOVA of forest land type,soil depth and soil aggregate structure

3.1.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與各粒級的相關(guān)分析 由表4可知：各個粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系。粒級＞5.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與MWD、GMD呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，1.0～2.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與MWD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與GMD、D呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，但與PAD呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。0.5～1.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與WSA、PAD呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與MWD、D呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。0.25～0.5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與WSA、MWD、GMD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，但與MWSSA、D呈極顯著或顯著正相關(guān)。粒級＜0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與WSA、PAD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與MWSSA、D呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。用相關(guān)系數(shù)來評價不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的貢獻(xiàn)，粒級2.0～5.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對所有土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響不大；粒級＞5.0、1.0～2.0、0.25～0.5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對MWD、GMD的貢獻(xiàn)較大，相關(guān)系數(shù)的絕對值大于0.56；粒級0.5～1.0、＜0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對PAD、D的貢獻(xiàn)較大，相關(guān)系數(shù)的絕對值大于0.64。由此說明，不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量是團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要影響因素。此外，各個團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)之間也存在相關(guān)性，WSA與MWSSA、D、PAD均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)，MWD與GMD、MWSSA，GMD與MWSSA以及PAD與D均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)，說明上述各個指標(biāo)適用于評價團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征。

表4 不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between water stable aggregate content of different particle sizes and soil aggregate structure

3.2 土壤優(yōu)先路徑特征

3.2.1 不同林地土壤優(yōu)先路徑的位置分布 由圖2可看出：云南松林地染色半徑＞10 mm的優(yōu)先路徑在0～50 cm土層中的連通性最好，染色半徑≤1 mm的優(yōu)先路徑連通性最差；華山松林地染色半徑1～2.5、2.5～5、5～10和＞10 mm的優(yōu)先路徑連通性相似，相比以上4個染色半徑，染色半徑≤1 mm優(yōu)先路徑的連通性最差。滇油杉林地和高山櫟林地在0～50 cm土壤優(yōu)先路徑的連通程度具有一致性，即染色半徑5～10、＞10 mm的優(yōu)先路徑連通性較好，染色半徑≤1、1～2.5 mm的優(yōu)先路徑連通性相對較差。研究區(qū)內(nèi)4種林地土壤優(yōu)先路徑的連通性存在一定差異性，主要原因是林木根系[23]和土壤結(jié)構(gòu)[16-18]顯著影響其對應(yīng)染色半徑范圍內(nèi)優(yōu)先路徑的連通性。

圖2 研究區(qū)4種林地土壤優(yōu)先路徑的位置特征Fig.2 Location characteristics of soil priority paths of four forest lands in the study area

比較4種林地同一染色半徑下不同土層深度優(yōu)先路徑的連通性發(fā)現(xiàn)：華山松林地染色半徑≤1、1～2.5 mm的優(yōu)先路徑在20～30 cm的土層中連通性較好，而染色半徑5～10、＞10 mm的優(yōu)先路徑在30～40、40～50 cm的土層中連通性最好。滇油杉林地染色半徑≤1、1～2.5、2.5～5、5～10 mm的優(yōu)先路徑在0～20 cm的表層土壤中連通性較好，染色半徑＞10 mm的優(yōu)先路徑在30～40 cm土層連通性最好。高山櫟林地土壤優(yōu)先路徑的連通性在30～40、40～50 cm土層中最佳，與云南松林地基本一致。整體而言，以華山松林地5個染色半徑的優(yōu)先路徑連通性最好，其次是云南松林地和高山櫟林地，滇油杉林地的優(yōu)先路徑連通性最差。

3.2.2 不同染色半徑土壤優(yōu)先路徑的數(shù)量特征 由表5可知：研究區(qū)4種林地中，高山櫟林地優(yōu)先路徑數(shù)量最多（3974），其次是云南松林地和滇油杉林地，華山松林地的土壤優(yōu)先路徑數(shù)量最少（2770）。水平方向上，4種林地同一土層不同染色半徑的優(yōu)先路徑數(shù)量由大到小均表現(xiàn)為：≤1、1～2.5、2.5～5、5～10、＞10 mm，即隨著染色半徑的增大，同一土層優(yōu)先路徑的數(shù)量逐漸減小，說明林地土壤中小徑級的土壤孔隙在數(shù)量上占有一定的優(yōu)勢，大徑級土壤孔隙可能是小徑級土壤孔隙演化形成的。豎直方向上，4種林地5個染色半徑的優(yōu)先路徑數(shù)量在土層深度方向的變化存在差異，4種林地土壤優(yōu)先路徑總數(shù)以及滇油杉林地、高山櫟林地不同染色半徑的優(yōu)先路徑數(shù)量均隨土壤深度的增加而降低，表層土壤優(yōu)先路徑數(shù)量顯著大于深層，說明土壤優(yōu)先路徑數(shù)量隨土壤深度增加而降低[23]。由于林地土壤空間異質(zhì)性，云南松林地和華山松林地不同染色半徑的優(yōu)先路徑數(shù)量均隨土壤深度的變化無明顯的規(guī)律性。

3.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與優(yōu)先路徑的關(guān)系

3.3.1 土壤優(yōu)先路徑數(shù)量與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析 由表6可知：各個染色半徑范圍內(nèi)（≤1、1～2.5、2.5～5、5～10和＞10 mm）優(yōu)先路徑數(shù)量之間及與優(yōu)先路徑總數(shù)均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。土壤優(yōu)先路徑總數(shù)與MWD、GMD、PAD均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與MWSSA呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，而與D呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。土壤優(yōu)先路徑數(shù)量與MWD、GMD、MWSSA、PAD、D等多個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)具有相關(guān)性，說明土壤優(yōu)先路徑的形成在一定程度上受土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響。

表6 不同影響半徑優(yōu)先路徑數(shù)量與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis between the number of priority paths with different influence radii and soil aggregate structure

3.3.2 優(yōu)先路徑影響因素的主成分分析 通過主成分分析對6個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)進(jìn)行主成分提取，由表7可知：主成分1、2、3的初始特征值均＞1，累積方差貢獻(xiàn)率為94.643%，說明這3個主成分基本能反映不同林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的有效信息占94.643%，僅有5.357%的信息損失。在主成分1中，MWD、GMD、MWSSA載荷值的絕對值較大，均＞0.87，其中，MWSSA的載荷值為負(fù)值，其它指標(biāo)的載荷值均為正值，說明MWSSA越小，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越好。在主成分2中，WSA、PAD、D載荷值的絕對值＞0.79，其中，WSA、PAD的載荷值為負(fù)值。主成分3中，PAD、D載荷值的絕對值較大。比較3個主成分所有指標(biāo)載荷值的絕對值，＞0.8的指標(biāo)依次為GMD(0.955) ＞MWSSA (-0.930) ＞MWD (0.875) ＞PAD (-0.871)，說明這6個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)中，GMD、MWSSA、MWD、PAD能較好地評價土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征，對優(yōu)先路徑形成的貢獻(xiàn)度較大。

表7 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的主成分分析Table 7 Principal component analysis of structural characteristics of soil aggregates

3.3.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和優(yōu)先路徑的灰色關(guān)聯(lián)分析 將土壤優(yōu)先路徑數(shù)量作為母序列，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征作為子序列，即子序列為：土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征 ={WAS，MWD，GMD，MWSSA，PAD，D}，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，由圖3可知：各個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與優(yōu)先路徑數(shù)量的關(guān)聯(lián)系數(shù)介于0.601～0.782，均值為0.672，屬于中等或較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，表明不同林地土壤優(yōu)先路徑數(shù)量與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)間有一定的關(guān)聯(lián)作用，且聯(lián)系和反饋較為緊密。云南松、華山松、滇油杉林地PAD的關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，分別為0.782、0.701、0.742，屬于較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，說明PAD對土壤優(yōu)先路徑的影響和反饋作用較明顯；高山櫟林地MWSSA的關(guān)聯(lián)系數(shù)達(dá)0.771，說明高山櫟林地MWSSA是影響土壤優(yōu)先路徑形成的關(guān)鍵土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。將4種林地土壤優(yōu)先路徑數(shù)量與各個團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的平均關(guān)聯(lián)度按大小排序依次為0.742(PAD) ＞0.683 (GMD) ＞0.675 (MWD) ＞0.666 (D) ＞0.660 (WSA) ＞0.630 (MWSSA)，均＞0.62，關(guān)聯(lián)度為中度，說明這類指標(biāo)是影響土壤優(yōu)先路徑的重要土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)指標(biāo)，與上文主成分分析的結(jié)論基本一致。

圖3 研究區(qū)4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的灰色關(guān)聯(lián)度Fig.3 Grey relational degree of soil aggregate structure of four forest lands in the study area

3.3.4 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和優(yōu)先路徑的耦合度分析

考慮土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與優(yōu)先路徑的相互作用和耦合程度，利用耦合度模型計算不同林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)和優(yōu)先路徑的耦合協(xié)調(diào)程度。4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和優(yōu)先路徑的耦合度介于0.662～0.728，平均耦合度為0.683，系統(tǒng)整體水平屬于弱協(xié)調(diào)，說明土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與優(yōu)先路徑的形成并未達(dá)到最佳的耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，可能是4種林地的植被類型存在差異，植被在生長過程中根系向四周延伸，破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不利于形成良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。4種林地類型的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度按耦合度C值排序為：0.728（云南松林）＞0.681（華山松林）＞0.663（高山櫟林）＞0.662（滇油杉林），其中，云南松林地耦合度最大，屬于中度協(xié)調(diào)，其粒級2.0～5.0 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和MWSSA顯著大于其他3種林地，且云南松林地優(yōu)先路徑總數(shù)量顯著大于華山松、滇油杉林地，說明大粒級的團(tuán)聚體提高土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和變異程度，增加土壤孔隙數(shù)量，有利于優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生和優(yōu)先路徑數(shù)量的增多，從而使得優(yōu)先路徑和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)步改善，協(xié)調(diào)發(fā)展。滇油杉林地土壤層中存在不同粒級的石礫，破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，阻礙優(yōu)先路徑的形成，導(dǎo)致系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度下降。

4 討論

4.1 林地類型對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是土壤結(jié)構(gòu)的基本反映，團(tuán)聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性對土壤肥力狀況、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗蝕性有重要影響[8]。研究表明，研究區(qū)4種林地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體差異明顯，大粒級團(tuán)聚體含量占一定優(yōu)勢，且隨粒級減小團(tuán)聚體含量呈減小的趨勢，這可能與研究區(qū)林地土壤缺少人為活動有關(guān)。王軼浩等[30]認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在林木生長和植被恢復(fù)過程中依靠自然演變，小粒級團(tuán)聚體逐漸向大粒級團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變；吳秀坤等[31]發(fā)現(xiàn)，林地表層土壤地被植物和枯落物的覆蓋，增加表層土壤入滲率，有效防止雨滴對土壤大粒級團(tuán)聚體的沖擊，有利于大團(tuán)聚體的形成和保持。4種林地粒徑＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均大于90%，說明研究區(qū)林地具有良好的土壤結(jié)構(gòu)和抗蝕性[24]。林地土壤表層枯落物被分解后，歸還土壤轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，有效促進(jìn)土壤顆粒之間的膠結(jié)作用[25]，增加土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性[32]。聶浩亮等[33]發(fā)現(xiàn)，林分類型對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響顯著，林分類型影響凋落物產(chǎn)量和分解速率，進(jìn)而造成土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異[34]。研究區(qū)4種林分中，華山松和滇油杉林地土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，且這2種林分土壤有機(jī)質(zhì)含量差異規(guī)律與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一致。孫金兵等[35]證實，土壤有機(jī)質(zhì)含量與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著相關(guān)，土壤顆粒與有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤團(tuán)聚體的形成。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受土層深度和植被類型的影響，魏霞等[26]研究發(fā)現(xiàn)，土層深度變化對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征存在顯著影響，隨土層深度的增加，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸減弱，且植被類型對土壤結(jié)構(gòu)的影響比土層深度更大，本研究結(jié)果與之基本一致。

4.2 林地類型對土壤優(yōu)先路徑的影響

研究區(qū)4種林地土壤優(yōu)先流現(xiàn)象明顯，但由于受土壤空間異質(zhì)性[12]和優(yōu)先流自身特征[11]（環(huán)繞性、快速穿透性和側(cè)向入滲等）影響，優(yōu)先路徑的發(fā)育程度存在差異。從優(yōu)先路徑的位置分布看，華山松林地優(yōu)先路徑的連通性最好，其次是云南松林地和高山櫟林地，滇油杉林地連通性最差；從優(yōu)先路徑數(shù)量看，數(shù)量大小依次為：高山櫟林（3 974）＞云南松林（3513）＞滇油杉林（3171）＞華山松林（2770），優(yōu)先路徑連通性較好的林地土壤在數(shù)量上不一定占有優(yōu)勢，相反，優(yōu)先路徑數(shù)量最大的林地土壤連通性并不是最佳，這可能是染色圖像處理過程中造成的誤差，導(dǎo)致同一林地土壤優(yōu)先路徑的連通性和數(shù)量不一致。研究區(qū)4種林地優(yōu)先路徑發(fā)育均較好，程競萱等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在重慶四面山土壤優(yōu)先流發(fā)育程度為天然針闊混交林地＞天然闊葉林地＞農(nóng)地；Zhang等[37]提出，林地土壤比果園土壤有更多的優(yōu)先流動路徑，均說明林地土壤優(yōu)先流具有優(yōu)勢性。研究區(qū)4種林地表層土壤優(yōu)先路徑數(shù)量較多，顯著多于深層土壤，其原因主要還是表層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，枯落物的分解增加表層土壤有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體數(shù)量[38]。隨著土層深度增加，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和水分下滲能力減弱，優(yōu)先路徑數(shù)量逐漸減少，這與盧華興等[23]在滇南地區(qū)的研究結(jié)果一致。華山松林地土質(zhì)疏松，大孔隙數(shù)量多，有利于水分在土壤層中垂直運(yùn)移，且其土壤表層枯落物和腐殖質(zhì)較厚，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，形成更多的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤孔隙的通透性和優(yōu)先路徑的連通性[39]。挖掘染色剖面時發(fā)現(xiàn)，滇油杉林地土壤中含有不同粒級的石礫，這可能是導(dǎo)致滇油杉林地土壤優(yōu)先路徑連通性較差的原因。

4.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑的影響

通過主成分分析、相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析，表明土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響土壤優(yōu)先路徑的形成。華山松林地表層土壤土質(zhì)疏松，云南松林地深層土壤黏性大、透水性差，土壤結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致云南松和華山松林地優(yōu)先路徑數(shù)量隨土壤深度分布不規(guī)律的主要原因。程金花等[14]認(rèn)為，土壤結(jié)構(gòu)是形成優(yōu)先路徑的基礎(chǔ)，土壤結(jié)構(gòu)通過改變土壤含水率間接影響優(yōu)先路徑的形成；Wuest[18]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)流區(qū)域的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)含量明顯比優(yōu)先路徑附近區(qū)域低。土壤優(yōu)先路徑數(shù)量與各個土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)水平屬于中等或較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，其中，PAD的關(guān)聯(lián)度平均值達(dá)0.742，MWSSA的關(guān)聯(lián)度最小，說明PAD最能反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對土壤優(yōu)先路徑的影響程度。魏霞等[26]認(rèn)為，PAD是反映土壤團(tuán)聚體受到侵蝕后崩解、破壞的程度，而MWSSA反映土壤團(tuán)聚體質(zhì)量的準(zhǔn)確性不高，不利于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的表達(dá)。4種林地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和優(yōu)先路徑的平均耦合度為0.683，系統(tǒng)整體水平屬于弱協(xié)調(diào)，說明土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)并不是優(yōu)先路徑形成的限制因素，優(yōu)先路徑的形成可能受其他因素（如林木根系）的影響。程金花等[40]認(rèn)為，林地土壤中的林木根系能夠產(chǎn)生孔隙，促進(jìn)優(yōu)先路徑的形成，同時也能使土壤團(tuán)聚體破碎，堵塞土壤孔隙而不利于優(yōu)先路徑的形成。

5 結(jié)論

(1) 4種林地土壤具有良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性依次為：華山松林＞滇油杉林＞云南松林＞高山櫟林，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)受林地類型、土層深度的影響顯著(P＜0.05)，且與不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有相關(guān)性。

(2) 林地土壤優(yōu)先流具有優(yōu)勢性，華山松林優(yōu)先路徑的連通性優(yōu)于云南松林、高山櫟林和滇油杉林，0～10 cm表層土壤土質(zhì)疏松，優(yōu)先路徑數(shù)量較多，隨著土層深度增加，優(yōu)先路徑數(shù)量逐漸減少。

(3) WSA、MWD、GMD、MWSSA、PAD、D能較好地評價土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征，與優(yōu)先路徑數(shù)量的關(guān)聯(lián)度大于0.62，屬于中度關(guān)聯(lián)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是影響優(yōu)先路徑形成的重要因素。

(4) 不同林地類型土壤優(yōu)先路徑與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的耦合度為0.683，系統(tǒng)整體水平屬于弱協(xié)調(diào)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不是優(yōu)先路徑形成的限制因素，4種林地耦合協(xié)調(diào)程度依次為：0.728（云南松林）＞0.681（華山松林）＞0.663（高山櫟林）＞0.662（滇油杉林）。