半干旱区放牧管理草地土壤优先流特征及其影响因素研究

侍世玲，韩若琳，蒙仲举

（内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018）

0 引 言

优先流是土壤水分在绕过多孔基质区[1]，同时沿着某些路径运动的现象[2]。优先流非均匀性、非平衡性等性质导致运动形式与类型多样，影响水分在各层之间的转换，对地表径流以及地下水平衡具有重要的作用[3]。例如，土壤优先流可通过影响入渗过程，减少径流和土壤侵蚀，提高植被根系蓄水能力，加速根系水分快速运动，从而显著影响干旱地区的草地退化[4]。但在地质地貌较特殊的区域，优先流现象的发生会引起滑坡、崩塌等地质灾害，对当地居民的人身和财产安全造成严重威胁[5]。

干旱、半干旱草原生态系统对气候变化和人为干扰十分敏感，放牧是草资源利用与交换的主要方式[6]。随着社会对经济发展的需求增加，长期过度放牧活动破坏了草原生态系统的稳定性和多样性，削减了其再生性和承载性能。牧草与畜牧量的矛盾愈加突出，加重对草地资源的破坏，形成恶性循坏[7]，影响植被营养物质的积累[8]，引起植被退化[9]，甚至草地沙化。土壤水分是半干旱区植物生长的基础[10,11]，草原生态系统生态恢复的关键因素是保持土壤水分平衡。有限的降雨量和较高的潜在蒸散发量导致半干旱地区包气带蓄水不足[12]，降水的优先入渗是半干旱草地土壤水分补给的重要来源[13]。由于土壤入渗是地表径流和植被生长发育的限制因子[14]，因此，针对此过程的研究对草地水土保持及生态环境建设意义重大。近年来，诸多国内外学者关于放牧管理措施对草地生态系统的影响做了大量研究与实验，如陈瑜等研究表明，放牧强度与草原地下生物量呈负相关[15]；耿林昇等研究表明，放牧活动会导致土壤质地恶化，使得土壤粒径变粗[16]。然而，大多数研究主要集中于放牧强度对土壤理化性质以及生物的影响。放牧活动会引起土壤变形、植物根系结构及形态发生改变。水分是半干旱区草地植被可持续的关键因子，根系所形成的大孔系通道会影响水分和溶质运移的过程。鉴于此，本研究以内蒙古中部荒漠草原不同放牧管理草地为研究对象，通过野外模拟降雨试验，获得不同放牧管理草地土壤剖面水分运动路径图像，研究放牧管理对草地水分溶质运移的影响，为内蒙古荒漠草原地区植被恢复与水土保持工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古包头市达茂旗境内的希拉穆仁草原，地处内蒙古四子王旗、武川县与达茂旗三地交接处。季风气候不明显，降水分布不均，降雨量平均在300～450 mm，多集中于7-9月份[17]。草场植被类型以多年旱生草本为主，优势种主要有克氏针茅（Stipa krylovii）、羊草（Leymus chinensis）等[18]。

1.2 试验方法

1.2.1 样地布设

本研究以内蒙古中部的希拉穆仁草原为试验样地，地理位置（111°13′～111°49′E，41°21′～41°52′N）。选择当地常见的3种放牧管理（禁牧GE、冬季放牧CG、自由放牧FG）下的草地作为试验点，各试验点内分别设置3个100 m²的小区进行试验。

1.2.2 染色示踪试验

在每块试验小区内选择地势平坦的样地进行染色示踪试验，试验前将地表枯落物和砾石清理干净，将长、宽、高分别为50 cm×50 cm×30 cm的自制方形不锈钢板缓慢砸入样地土壤中，砸入深度为20 cm，露出地面高度为10 cm，然后将4 g/L的亮蓝溶液7.5 L均匀喷洒于矩形框内[19]。24 h后去除钢板，用土壤刀以水平宽度5 cm为一层缓慢地分层挖掘垂直剖面，并用佳能数码相机以固定焦距拍摄土壤垂直剖面染色图像，试验共获取90个垂直剖面染色图像用于分析。

1.2.3 土样采集及测定

（1）土样采集。在每个试验小区样方四角0～40 cm土层采集土壤样品，采样包括：用直径5 cm、高5 cm的环刀采取原状土样，用以测定土壤含水量、土壤容重（BD）、总孔隙度（TP）、毛管孔隙度（NP）、非毛管孔隙度（NCP）、饱和持水量；并在相同位置采集原状土样约1 kg用铝盒储存，土样在室内背光处风干后用四分法分成两份，用于测定土壤机械组成、土壤有机碳含量以及土壤水稳定性团聚体，每个土层3次重复。

（2）指标测定。土壤团聚体稳定性采用快速润湿法测量，并由平均重量直径来确定；通过105 ℃烘箱干燥24 h至恒重（Wd）来测定土壤含水量。BD、TP和平均重量直径的计算公式如下：

式中：MWD为平均重量直径，mm；V为土壤环刀体积，cm3；Wc为环刀重量，g；ds为土壤颗粒密度（取2.65 g/cm3）；γi为第i个目的孔径，mm；γi+1为第i个筛网的泥沙重量分数；n为筛网数。

土壤有机碳采用重铬酸钾稀释热法测定，土壤机械组成使用Malvern Mastersizer-3000 仪器测定。

1.2.4 染色图像解析

（1）垂直染色图像参数解析。结合形态学与数理统计学，假定土壤剖面存在层次区分，土壤结构水平方向上均质，垂直方向异质，解析垂直染色图像的染色面积比、基质流深度等参数来分析土壤染色形态的同时，以揭示土壤优先流染色形志特征。

（2）土壤剖面染色面积比（DC）。土壤剖面染色面积比是指某一土壤深度处（或土壤整个剖面中）染色面积占土壤剖面总宽度（或剖面中总染色面积）的比例，用像素面积来表示染色面积，表达式[20]：

式中：DC为土壤剖面染色面积比，%；D为土壤剖面总染色面积，mm2或cm2；ND为土壤剖面未染色区域总面积，mm2或cm2，此次研究土壤剖面总宽度为500 mm（500 pixels）。

（3）基质流深度（UniFr）。研究将土壤染色面积比＞80%时的土壤深度定义为基质流深度[21]。

（4）优先流比（PFfr）。土壤染色剖面上优先流区占总染色面积的比例为优先流比[22]，表达式：

式中：PFfr为土壤剖面优先流区染色面积比，%；UniFr为土壤剖面基质流区对应的土壤剖面深度，即基质流深度，cm；W为土壤剖面水平染色宽度，cm；TSA为土壤剖面染色区总面积，cm2。

（5）长度指数（Li）。土壤剖面按照一定宽度平均分为若干层，其下一层与上一层差值的绝对值之和为长度指数[23]，表达式：

式中：Li为土壤剖面第i+1层与第i层之差绝对值的和，%；DCi+1、DCi为土壤剖面第计i+1层、第i层对应的染色面积比，%；n为土壤剖面垂直土层数。

1.3 数据处理分析

本研究数据使用Microsoft Excel 2019进行整理、处理，所用统计分析均使用SPSS 24.0软件，使用Origin Pro 2021b软件制图；采用Pearson相关分析法分析不同管理措施草地土壤优先流与各环境因子之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同放牧管理条件下草地土壤优先流特征

2.1.1 不同放牧管理条件下草地垂直剖面土壤优先流特征

不同放牧管理草地土壤水分入渗染色路径存在较大差异（见图1），禁牧草地染色路径空间异质性较大，团块状分化现象明显，禁牧草地最大染色入渗深度超过30 cm，且入渗深度越大，水流染色路径越窄，表明存在优先流现象使得水流快速通过土壤基质并形成长条状染色路径。此外，相同禁牧草地染色路径分布也存在差异，表明土壤优先流有着较强的空间异质性。总体来看，禁牧草地染色路径表明土壤水分运动存在明显的空间分化作用，且土壤优先流运动形式明显。

图1 禁牧草地土壤优先流染色形态特征Fig.1 Characteristics of soil preferential flow staining in forbidden grazing grassland

通过分析冬季放牧草地土壤优先流染色形态特征发现（见图2），在冬季放牧条件下的草地土壤染色深度变浅，最深不过25 cm，随土层深度增加而出现的染色形态带状、团块状分化程度大幅减轻。在相同的降水环境下，冬季放牧草地土壤染色形态分化现象减少，水流的优先流运动受削弱。与禁牧草地相比，冬季放牧草地土壤水流向下运动受到限制，放牧活动破坏了草地土壤优先流的发生与发展。

图2 冬季放牧草地土壤优先流染色形态特征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较冬季放牧草地更浅，最大入渗深度不超过15 cm，染色形态的带状、团块状分化现象较弱，仅有零星分布（见图3）。在相同的降水环境下，自由放牧草地优先流现象不显著，结合图2和图1的染色形态变化可知，随着放牧活动的增加，土壤优先流的发生受到限制，自由放牧草地几乎无优先流现象出现。以上可以说明，放牧行为的发生严重影响了的土壤水流运动，放牧强度的增加会逐渐破坏土壤产生优先流的能力。

图3 自由放牧草地土壤优先流染色形态特征Fig.3 Morphological characteristics of soil preferential flow dyeing in free-grazing grassland

染色面积比（DC）可以直观的反应入渗水流在土壤中运动路径的截面面积占土壤剖面总面积的百分比[24]。3种放牧管理草地土壤剖面染色面积比存在较大差异（见图4），禁牧草地DC随土壤深度增加缓慢减小，10个不同土层间染色面积比曲线存在差异，表明不同土层水流路径变化较大。整体来看，禁牧草地土壤剖面DC变异最大，10个不同土层间染色面积比曲线存在差异，不同土层间水流路径变化较大，自由放牧草地土壤剖面DC变异最小，冬季放牧草地DC变异与禁牧草地相似，DC介于禁牧草地与自由放牧草地之间。

图4 不同放牧管理草地垂直剖面染色面积变化Fig.4 Changes of vertical profile staining area of different grazing management grasslands

基质流深度（UniFr）体现优先流发育起始位置，其数值是以染色面积比为80%的深度进行确定的，此项指标位置之上的土层染色面积大多连续且均匀，而此深度之下的水流形态多体现为优先流，其数值越大，基质流面积越大，优先流占剖面水流面积越小[21]。最大入渗深度（MaxD）体现土壤剖面中水流面积，此值越大则土壤剖面中水流面积越大。DC体现染色面积和土壤剖面总面积的比值[24]，这项数值能体现水流运动在不同放牧管理草地土层中的广度。优先流比（PFfr）体现优先流在全部水流运动中的占比[22]。长度指数（Li）反映由优先流产生造成的染色形态在土壤层中的空间差异性[25]。不同放牧管理草地垂直土壤剖面优先流特征指标如表1所示。表1中数据显示，草地土壤中UniFr、PFfr、Li、MaxD、DC的峰值均出现在禁牧草地各样地，分别为7.99 cm、53.77 cm、162.75%、19.07 cm、22.41%；最小值均出现在自由放牧草地各样地，分别为4.37cm、25.02 cm、109.32%、9.41 cm和13.31%。可见在不同放牧管理草地中优先流特征指标数值变化趋势相同，整体呈现禁牧草地＞冬季放牧草地＞自由放牧草地。通过显著性计算分析，不同放牧管理草地土壤中UniFr和PFfr无明显差异（p＞0.05），Li、MaxD、DC存在显著性差异（p＜0.05）。这说明放牧活动不是单独影响优先流，而是对水流运动的整体破坏。而差异较为明显的Li、MaxD、DC三项数值的具体变化随放牧强度增加而差异变大，且数值本身渐小，说明放牧活动强度对于优先流的影响大于放牧活动的发生。也就是放牧的发生影响整体水流运动，而强度的增加限制优先流的产生。

表1 不同放牧管理草地垂直土壤剖面优先流特征指标Tab.1 Characteristics of preferential flow of vertical soil profiles in different grazing management grasslands

2.1.2 不同放牧管理条件下草地水平剖面土壤优先流特征

不同放牧管理草地水平剖面染色面积比变化特征如图5所示，3种放牧管理草地水平剖面DC总体上呈现表层土壤大于深层土壤的现象，且随土层深度增加迅速减小。禁牧管理下，草地土层5 cm深时的土壤DC为85.68%～90.70%，10 cm深时土壤DC为31.68%～63.50%均大于冬季放牧草地和自由放牧草地，分别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土层深度3个放牧管理草地土壤DC与5 cm和10 cm土层深度相似；在20 cm土层深度冬季放牧草地和自由放牧草地均无染色现象，这表明禁牧草地在15 cm土层以上就出现了优先流现象，导致禁牧草地染色路径能够到达20 cm土层深度。

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

当不同深度同一染色半径优先流路径在同一坐标点大量聚集时，其在图像中的分布位置为红黑色，图中不同颜色表示优先流路径聚集度不同，深蓝色表示聚集度一般，浅蓝色表示出现聚集现象，黄色表示聚集度高，红黑色表示在该样地聚集度最大，聚集度越高表示土壤优先流在不同土层间连通性较好。从图6中可以看出不同半径染色路径聚集情况，如禁牧草地＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm优先流路径分布均较广，其中＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm优先流路径在空间上存在一定关联。对于冬季放牧草地而言，＜2 mm优先流路径分布范围最广，其次为2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm优先路径分布相对较分散，其中＞10 mm路径聚集度最小，仅有右上角出现大量聚集现象。自由放牧草地优先流路径聚集程度与冬季放牧草地相似，自由放牧草地＜2 mm优先流路径分布范围最广，＞10 mm路径聚集度最小。

如图7所示，禁牧草地5～10 cm土层＜2 mm、2～5 mm、5～10 mm和＞10 mm 4个优先流路径数量分别为408、165、29和7个。虽然＞10 mm优先流路径数量在4个等级中最少，但其对剖面染色面积的贡献率最大，随着土壤深度增加，＞10 mm优先流路径的面积比逐渐增加。禁牧草地5～10 cm土层＞10 mm优先流路径面积比为62.99%、2.81%和29.96%；冬季放牧草地5～10 cm土层＞10 mm优先流路径面积比为73.77%、36.45%和82.86%；自由放牧草地5～10 cm土层＞10 mm优先流路径面积比为82.15%、77.32%和72.05%。这表明禁牧草地＞10 mm优先流路径随土层深度增加对水流运动的贡献率逐渐增加。

图7 不同放牧管理草地水平剖面不同径级优先流路径数量特征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优先流的类型划分与程度分析

2.2.1 不同放牧管理下草地土壤优先流的类型划分

土壤垂直剖面中独立的染色路径形态与土壤水流流动方式有关，通过对不同宽度染色路径进行统计与分析可以对土壤剖面中的水流类型进行划分[24]，从而进一步探究土壤剖面优先流的发育与分类。不同放牧管理草地垂直剖面染色路径宽度数量特征如图8所示。不同放牧管理草地染色路径宽度以W＜20 mm宽度最多，20 mm＜W＜200 mm宽度路径次之，W＞200 mm宽度路径最少。W＞200 mm宽度路径主要分布于0～10 cm土层中，W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm宽度路径相间分布于各土层中，但W＜20 mm宽度路径数量显著多于20 mm＜W＜200 mm宽度路径。W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm宽度路径随土壤深度增加呈逐渐增加的趋势，在10 cm土壤深度时染色路径数量达到最大值，后随土壤深度增加逐渐减小。冬季放牧草地和自由放牧草地垂直剖面染色路径数量分布特征与禁牧草地相似。

图8 不同放牧管理草地垂直剖面染色路径宽度数量特征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宽度染色路径面积占比如图9所示。随土壤深度的增加，不同放牧管理草地W＞200 mm宽度路径面积占比呈逐渐减少趋势，而W＜20 mm和20 mm＜W＜200 mm宽度路径面积占比随土壤深度的增加呈逐渐增加趋势。禁牧草地剖面染色路径以20 mm＜W＜200 mm宽度路径为主，其次为W＜20 mm和W＞200 mm宽度路径。冬季放牧草地剖面染色路径与禁牧草地相似，冬季放牧草地样地3的20 mm＜W＜200 mm宽度路径明显多于W＜20 mm和W＞200 mm宽度路径。自由放牧草地剖面逐渐也以20 mm＜W＜200 mm宽度路径为主。

图9 不同放牧管理草地垂直剖面染色路径宽度变化Fig.9 Variation of dyeing path width of vertical profile of grassland under different grazing management

如图10所示，不同放牧管理草地土壤剖面水流模式存在较大差异，各放牧管理草地均有优先流现象出现，但优先流程度和类型不同。其中均质基质流在冬季放牧草地占比最多，非均质基质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。混合作用和低相互作用大孔隙流在冬季放牧草地总体占比最多，其中自由放牧草地以低相互作用大孔隙流为主，表明在自由放牧草地也有优先流现象存在。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别占44.47%、47.47%和48.44%。

图10 不同放牧管理草地土壤优先流类型划分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优先流的程度分析

为综合评价不同放牧管理草地优先流发育特征，消除不同指标间的差异，将5个优先流参数指标通过标准化和极差法处理，得到各管理草地措施优先流综合评价指数PFI，如图11所示，可知禁牧的土壤优先流评价指数PFI均值为0.89，冬季放牧为0.62，自由放牧为0.17，禁牧草地PFI与冬季放牧、自由放牧间存在显著差异（p＜0.05），表明禁牧草地优先流发育程度最高（见表2）。

表2 各指标标准化平均值、均方差、权重系数Tab.2 Standardized mean, mean square deviation and weight coefficient of each index

图11 不同放牧管理草地土壤优先流评价指数Fig.11 Evaluation index of soil preferential flow in grasslands under different grazing management

2.3 草地土壤优先流在不同放牧管理下发生变化的影响因素分析

相关性分析结果如表3所示。土壤容重（BD）与MaxD、Li显著相关（p＜0.05），与有机碳（SOC）、UniFr、DC、PFfr呈负相关。UniFr与大于0.25 mm水稳性团聚体（WR0.25）极显著相关（p＜0.01），与非毛管孔隙度（NCP）、砂粒（Sand）含量、PFfr负相关。MaxD与粉粒（Silt）含量、Sand含量、黏粒（Clay）含量、SOC、DC、Li极显著相关（p＜0.01），与NCP负相关。PFfr与染色面积比DC显著相关（p＜0.05），与Sand含量呈负相关。DC与Silt含量、Sand含量、Clay含量极显著相关（p＜0.01），与总孔隙度（TP）、毛管孔隙度（NP）、WR0.25、Li显著相关（p＜0.05），与NCP负相关。Li与Sand含量显著相关（p＜0.05），与NCP呈负相关。

表3 土壤优先流形态参数与环境因子间的关系Tab.3 Relationship between soil preferential flow morphology parameters and environmental factors

3 讨 论

土壤优先流的染色形态特征在一定程度上可以反映植物在生长过程根系形成网状结构以及土壤优先流的发育过程[26]。不同放牧管理草地土壤优先流变化特征呈现显著差异。在相同降水条件下，禁牧草地土壤水分入渗染色路径比冬季放牧草地和自由放牧草地更加明显，禁牧草地土壤水分入渗染色路径空间异质性较大，随着放牧活动加剧，染色路径团块状分化逐渐减弱，优先流运动受到削减（图1～图3）。以往研究表明，土壤优先流发生主要与土壤结构[27]、地形[28]、水文过程[29]、植被根系和年限[14]以及群落类型[30]等因素相关。在本研究中，3种放牧管理草地水平剖面染色面积比总体呈现表层土壤大于深层土壤（图5），土壤优先流染色面积比均随着土层深度的增加而减小（图4），这是由于草本植物根系分布及微生物活动大多集中于土壤表层[31]。禁牧草地土壤垂直剖面染色面积比曲线差异最明显，在15 cm土层以上出现优先流现象，导致禁牧草地染色路径达20 cm土层深度，禁牧草地优先流路径分布范围较冬季放牧和自由放牧广（图5），且自由放牧草地土壤优先流发育程度在3个放牧管理草地中最低（图11）。这是由于牧草地处于完全禁止放牧活动的状态，草原生态系统较稳定，植被生长状况良好，从根源上断绝牲畜踩踏和过度放牧；此外，土壤中植物根系的生长和死亡所形成的孔隙通道是土壤水分和溶质快速运移的重要通道[13]，是土壤中优先流路径的重要来源[32]，禁牧草地的植被群落排除了放牧活动等人为因素的干扰，植物根系发育良好，其所形成的孔隙通道能够为优先流的发育提供条件[23]。染色路径数量能够反映优先流的连通性和分支性[33]，不同放牧管理草地染色路径宽度以W＜20 mm宽度最多，在10 cm土壤深度处染色路径数量达到峰值，后随土壤深度呈递减的变化趋势，该结果与李胜龙[33]和张建中[34]等人的研究结果一致。3种放牧管理草地均质基质流主要分布在土壤表层，但禁牧草地具有最大的基质流深度，自由放牧染色深度小是由于牲畜踩踏，增加土壤的压实度和土壤容重，无法形成较好的垂直优先路径。土壤基质与水流的交互作用随土壤深度的增加而逐渐消失[35]，导致3个放牧管理草地土壤大孔隙与土壤基质间水分交换能力差异的影响因素不同（图10）。禁牧草地促进土壤结构的自然恢复，提高土壤的孔隙度，形成以植物根系为主的大孔隙[36]，增加优先流路径数量增加，使其具有较高的渗透能力和沿土壤剖面的良好垂直连通性[37]，这与Zhang Y[38]等人的研究结果一致，植物根系诱导优先流的产生。此外，研究发现土壤优先流发育指标与土壤物理性质密切相关，与Sand含量呈显著负相关关系，与WR0.25、Clay和Silt含量呈正相关关系，这是本研究影响优先流生成和发育的关键性因子。

4 结 论

（1）相同降雨量下，禁牧管理草地水分入渗深度最大，染色路径空间异质性最强；不同放牧管理草地土壤剖面染色面积比各土层间水流路径变化较大，整体表现为禁牧草地（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径宽度以W＜20 mm为主，其土壤剖面水流存在较大差异，冬季放牧草地均值基质流占比较大，深层土壤优先流以大孔隙流动为主，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别占44.47%、47.47%和48.44%。各放牧管理草地均有优先流现象发生，但优先流发育程度不同，多指标综合评价结合表明禁牧草地PFI为0.89，优先流发育程度最高。

（3）土壤机械组成、有机碳、0.25 mm水稳性团聚体等环境因子与土壤优先流发育指标有显著相关性，其中，土壤机械组成与土壤优先流发育指标呈极显著相关关系（p＜0.01），是土壤优先流生成和发育的主要影响因子。