汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 7 修回日期:2 0 2 2-0 9-1 4 资助项目:国家自然科学基金项目(4 2 0 0 7 0 6 4);山西省研究生教育创新项目(2 0 2 1 Y 4 8 2)第一作者:刘啟霞(1 9 9 6),女,山西怀仁人,硕士研究生,主要从事植被恢复效应研究。E-m a i l:1 6 3 5 3 1 9 3 1 2q q.c o m 通信作者:刘小芳(1 9 8 1),女,山西榆次人,博士,副教授,主要从事植物生理生态研究。E-m a i l:l i u x i a o f a n g 0 41 6 3.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 1 9.刘啟霞,刘小芳,田昕,等.汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1 4 6-1 5 3,1 6 1.L I U Q i x i a,L I UX i a o f a n g,T I ANX i n,e ta l.E f f e c t so fS o i lP r o p e r t i e so nP r e f e r e n t i a lF l o wD e v e l o p m e n tU n d e rD i f f e r e n tL a n dU s eT y p e s i nt h eL o w e rR e a c h e so fF e n h eR i v e rB a s i nJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1 4 6-1 5 3,1 6 1.汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响刘啟霞,刘小芳,田 昕,杨 璐,赵勇钢(山西师范大学 生命科学学院,太原0 3 0 0 3 1)摘 要:目的 揭示汾河流域下游不同土地利用方式下土壤理化性质的异质性,阐明其对优先流发育的影响。方法以汾河流域下游3种土地利用方式为研究对象进行野外染色示踪试验,评价优先流发育程度,分析了土壤染色区分下优先流区与非优先流区土壤性质的差异及其对优先流特征的影响。结果 不同土地利用方式下优先流评价指数表示的优先流发育程度高低依次为草地(1.1 8)、农地(1.1 2)和果园(0.8 8)。土地利用方式、土层和优先流区域对除p H外的土壤性质有显著(p0.0 5)的影响。土壤有机质、总孔隙度、毛管孔隙度和饱和导水率的提高和容重的降低有助于优先流的发育。多元逐步回归分析表明,优先流区的有机质和总孔隙度是影响染色面积比的主要影响因子,非优先流区的有机质、容重、砂粒是影响非染色面积比的主要影响因子。结论 相比农地和果园,草地土壤理化性质在土层以及优先流路径间的异质性更高,对优先流发育程度影响较大。关键词:优先流;染色示踪;多指标评价;土壤理化性质中图分类号:S 1 5 2;S 1 5 3;S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 4 6-0 8E f f e c t so fS o i lP r o p e r t i e so nP r e f e r e n t i a lF l o wD e v e l o p m e n tU n d e rD i f f e r e n tL a n dU s eT y p e s i nt h eL o w e rR e a c h e so fF e n h eR i v e rB a s i nL I U Q i x i a,L I UX i a o f a n g,T I ANX i n,YANGL u,Z HAOY o n g g a n g(S c h o o l o fL i f eS c i e n c e,S h a n x iN o r m a lU n i v e r s i t y,T a i y u a n0 3 0 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h i sp a p e r r e v e a l s t h eh e t e r o g e n e i t yo fp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s i ns o i l su n d e rd i f f e r e n t l a n du s ep a t t e r n s i n t h e l o w e r r e a c h e s o fF e n h eR i v e rb a s i n,a n de x p o u n d s i t s i n f l u e n c eo n t h ed e v e l-o p m e n to fp r e f e r e n t i a l f l o w.M e t h o d sT h r e e l a n du s et y p e s i nt h e l o w e rr e a c h e so f t h eF e n h eR i v e rb a s i nw e r es e l e c t e d i nt h e f i e l ds t a i n i n ga n dt r a c i n ge x p e r i m e n t s t oe v a l u a t e t h ed e v e l o p m e n td e g r e eo fp r e f e r e n t i a lf l o wa n da n a l y z e t h ed i f f e r e n c e so fs o i lp r o p e r t i e sb e t w e e np r e f e r e n t i a l f l o wa r e a sa n dn o n-p r e f e r e n t i a l f l o wa r e a sa n d t h e i r e f f e c t so np r e f e r e n t i a l f l o wc h a r a c t e r i s t i c s.R e s u l t sT h ed e v e l o p m e n td e g r e e so f p r e f e r e n t i a lf l o wi n d i c a t e db yt h e i n d e xo fp r e f e r e n t i a l f l o wu n d e rd i f f e r e n t l a n du s et y p e sw e r eg r a s s l a n d(1.1 8),c r o p-l a n d(1.1 2)a n do r c h a r d(0.8 8),r e s p e c t i v e l y.S o i lp r o p e r t i e so t h e rt h a np H w e r es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yl a n du s e t y p e s,s o i l l a y e r s,a n dp r e f e r e n t i a l f l o wa r e a s(p0.0 5).T h e i n c r e a s eo f s o i l o r g a n i cm a t t e r,t o t a lp o r o s i t y,c a p i l l a r yp o r o s i t ya n ds a t u r a t e dh y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y,a n d t h ed e c r e a s eo f b u l kd e n s i t yc o n t r i b u t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fp r e f e r e n t i a l f l o w.T h em u l t i p l es t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eo r g a n i cm a t t e ra n dt o t a lp o r o s i t yi np r e f e r e n t i a lf l o wa r e a sw e r et h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed y e i n ga r e ar a t i o,w h i l e t h eo r g a n i cm a t t e r,b u l kd e n s i t ya n ds a n dp a r t i c l e s i nn o n-p r e f e r e n t i a l f l o wa r e a sw e r e t h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gt h en o n-d y e i n ga r e ar a t i o.C o n c l u s i o nC o m p a r e dw i t hf a r m l a n da n do r c h a r d,t h e s o i l p h y s i c a l a n dc h e m i c a l p r o p e r t i e so fg r a s s l a n dh a v eh i g h e rh e t e r o g e n e i t yi ns o i l l a y e r sa n dp r e f e r e n t i a l f l o wa r e a s,w h i c hh a sag r e a t e r i m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to fp r e f e r e n t i a l f l o w.K e y w o r d s:p r e f e r e n t i a l f l o w;d y e t r a c e r;m u l t i-i n d e xe v a l u a t i o n;s o i l p h y s i c a l a n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s 优先流是指水分通过优先路径快速运移,在土壤中不均匀流动的过程1。优先流作为生态水文过程中重要的水文循环2,对径流形成、土壤水分入渗、地下水补给、水分再分配等方面具有重要影响3-4。优先流的路径主要是大孔隙所形成的通道,因此优先流的形成和发育受土地利用方式、植被类型、土壤性质等多因素的影响。不同土地利用方式或植被类型下,植物根系生长发育在土体中穿插形成连通性良好的大孔隙或通道5,尤其是土壤表层根系形成的大孔隙网络会成为主要的优先流通道6-7,致使土壤水分运动的形式不同8。土壤中动物的生命活动可以形成大孔隙增强优先流9。不同土地利用方式下也会对土壤性质如有机质积累、水稳性团聚体形成和土壤孔隙等产生显著的影响,进而影响优先流路径1 0-1 1。有研究表明,根据土壤是否染色划分的优先流区(染色区域)和非优先流区(未染色区域),两个区域的容重、有机碳、孔隙度、持水特性等土壤性质存在明显的差异1 2-1 3。但目前对优先流特征指标与两个区域土壤性质异质性关系方面的研究仍较缺乏,需进一步明确。汾河流域是黄河流域的重要组成,汾河流域下游是山西省重要的粮食生产区,同时也是主要的人口聚集区和工业区1 4。现有对区域不同土地利用方式下优先流发育程度的研究较少,并且土壤性质对优先流的影响也尚不明确。因此,本研究以汾河流域下游3种不同土地利用方式下的土壤样地为对象,通过野外染色示踪试验,图像分析优先流分布特征,评价优先流发育程度,对比优先流区与非优先流区土壤性质的差异,阐明土壤性质对优先流形成与发育的影响,以期为区域生态恢复和保护提供一定的科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于汾河流域下游的山西省临汾市尧都区嘉泉村(北纬3 5 5 4 2 1 3 6 1 9 4 8,东经1 1 1 0 5 0 7 1 1 1 4 9 0 4),在临汾盆地中央,属半湿润半干旱地区,暖温带大陆性季风气候,具有多种地貌类型。年均降水量5 5 0mm,年平均气温91 3 C,年平均日照时数为17 4 8.425 1 2.6h,冬冷夏热,无霜期长。区域土地利用方式主要有农地、果园地和荒草地等。农地种植方式为冬小麦夏玉米,果园地主要种植苹果(M a l u sp u m i l a)、核桃(J u g l a n s r e g i a)等,荒草地以撂荒地为主,主要植被有白羊草(B o t h r i o c h-l o ai s c h a e m u m)、荆条(V i t e xn e g u n d ov a r.h e t e r o-p h y l l a)、黄背草(T h e m e d aj a p o n i c a)等。1.2 试验设计研究选取农地、果园地和草地3种土地利用方式样地,于2 0 1 8年8月进行试验,每个样地选取条件相似的两个样方作为重复。农地种植年限超过7 0a,种植方式为冬小麦和夏玉米轮作。草地为农地撂荒4a左右的荒草地,果园为种植1 0a左右的苹果园。1.3 试验方法与指标测定1.3.1 染色示踪试验 使用亮蓝溶液作为染色剂进行野外染色示踪试验1 5-1 6。开始试验前,清理样方表面的枯枝落叶及杂物。将染色试验用的铁框(长5 0c m、宽5 0c m、高3 0c m)垂直砸入土壤中约2 0c m,压实染色框内外周边5c m的土壤。根据当地上一年的最大降雨量计算,用6.7 5L浓度为5g/L亮蓝溶液恒流均匀注入染色框中,并用塑料薄膜覆盖,防止降雨影响及亮蓝溶液挥发。2 4h后,取下塑料薄膜并小心去除染色框,每边去除5c m以消除边缘效应。以水平方向1 0c m为间隔小心挖取垂直剖面,放置标尺和色卡,并用数码相机垂直于土壤剖面进行拍照。拍照用的数码相机为佳能8 0D,像素为60 0 0 40 0 0。所拍得的照片用P h o t o s h o pC C2 0 1 9软件进行几何校正,并对照色卡调整照片的色相、饱和度、明暗程度等,使优先流区(染色区)与非优先流区(非染色区)区分明显1 7。之后,使用软件的切割功能对照片进行切割处理,得到宽度为1c m的图像。用I m a g eJ1.4 8软件调整阈值将处理好的照片进行二值化。调整后的二值化图像优先流区为黑色,非优先流区为白色(图1)。用I m a g e J软件中的A n a l y z eP a r t i c l e s插件对照片进行分析,所获取的数据用来计算各项优先流指标1 8。1.3.2 优先流染色图像特征指标 各优先流特征指标计算公式如下1 9-2 1:染色面积比(DC,%)为土壤垂直剖面染色面积占总面积的百分比,计算公式为:DC=DD+ND1 0 0%(1)式中:D为土壤垂直剖面染色面积(c m2);ND为土壤垂直剖面非染色面积(c m2)。741第5期 刘啟霞等:汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响注:黑色为优先流区,白色为非优先流区。图1 不同土地利用方式下土壤垂直剖面染色图像与优先流指标计算结果示例 非染色面积比(N DC,%)为土壤垂直剖面非染色面积占总面积的百分比,计算公式为:N DC=1-DC(2)基质入渗深度(Un i F r,c m)是水分基质入渗(单位土层染色面积比大于8 0%)所到达的土层深度。优先流分数(PF-f r,%)为土壤垂直剖面优先流区的染色面积占总染色面积的百分比,计算公式为:PF-f r=1-Un i F r4 0To t S t A r1 0 0%(3)式中:Un i F r为 土 壤 垂 直 剖 面 基 质 入 渗 深 度(c m);To t S t A r为土壤垂直剖面总染色面积(c m2)。变异系数(CV)是土壤垂直剖面DC的标准差与均值的比值,表征了染色的差异程度,计算公式为:CV=1n-1ni=1(Dc i-D-C)21nni=1Dc i(4)式中:n为土壤垂直剖面的土层数目,单位土层高度为1c m;Dc i为土壤垂直剖面第i层染色面积比(%);DC为土壤垂直剖面平均染色面积比(%)。长度指数(Li,%)为土壤垂直剖面相邻两层之间DC差值的绝对值求和,通过染色的空间差异来表征优先流的发育情况,计算公式为:Li=5 5i=1|Dc i+1-Dc i|(5)式中:Dc i为土壤垂直剖面第i层染色面积比(%)。峰值(Pi)是在土壤垂直剖面染色面积比随土层深度变化的曲线上作一条染色面积比的垂线,垂线与曲线交点的个数为峰值的数值。1.3.3 优先流评价指数 为消除优先流指标之间的差异,通过极差法对6个优先流表征指标数据进行标准化处理,得到无量纲值并求得均值、均方差与权重系数,据此计算出优先流评价指数(PF I)2 2,综合评价土壤优先流发育程度。PF I数值越大,说明土壤优先流发育程度越高。1.3.4 优先流区与非优先流区土壤性质的测定 在土壤垂直剖面的优先流区与非优先流区分别采铝盒样、环刀样、原状土和混合样,将土壤样品带回实验室内风干一星期后,进行土壤理化性质的测定。土壤理化性质测定采用常用方法2 3-2 4。土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化外加热法,土壤容重、毛管持水量采用环刀法测定,饱和导水率采用定水头法测定,土壤颗粒分析采用马尔文M S2 0 0 0型激光粒度仪测定,p H(土水比12.5)采用电极法测定。841 水 土 保 持 研 究 第3 0卷1.4 数据分析用W i l c o x o n符号秩检验对不同土地利用方式下各优先流特征指标进行显著性差异比较(p0.0 5)。用三因素方差分析L S D法检验土地利用方式、土层、优先流区域对土壤理化性质的影响(p0.0 5)。土壤理化性质与优先流区染色面积比或非优先流区非染色面积比的关系用P e a r s o n系数表示。采用多元逐步回归分析不同土地利用方式下影响优先流区染色面积比和非优先流区非染色面积比的主要土壤因子。所有数据统计分析均通过S P S S1 7.0软件完成,使用O r i g i n2 0 1 9软件进行绘图。2 结果与分析2.1 优先流染色图像特征指标分析3种不同土地利用方式典型的土壤垂直剖面染色分布和优先流指标结果如图1所示。可以看出,果园地存在大面积染色,染色分布相对较为均匀,而草地、农地染色分布较为随机。3种土地的染色面积比呈现随着土层深度的增加而减小的趋势,优先流的路径已经超过4 0c m土层。6个量化优先流发育程度的特征指标在不同土地利用方式间均存在显著性差异(p 0.0 5,图2)。果园与农田在除峰值外的特征指标始终显著差异(p 0.0 5)。不同土地利用方式间的染色面积比和变异系数指标具有显著差异(p 0.0 5)。果园地和草地量化优先流程度的各指标总体趋势相同,均表现出草地优先流程度高于果园地。农地则出现相反的趋势,农地在染色面积比、基质入渗深度、长度指数、峰值的中位数值出现最低趋势,但在优先流分数和变异系数分别表现出居中和最高的趋势。为消除不同优先流指标间的差异,引入优先流评价指数PF I综合评价了不同土地利用方式下优先流的发育程度(图3)。3种土地利用方式的优先流评价指数分别为果园地0.8 8,草地1.1 8和农地1.1 2,可以表示优先流发育程度的高低依次为草地、农地、果园地。注:*表示p0.0 5;*表示p0.0 5。图2 不同土地利用方式下土壤优先流指标箱线图图3 不同土地利用方式下土壤优先流评价指数2.2 优先流区与非优先流区土壤理化性质土地利用方式对有机质、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤颗粒组成(黏粒、粉粒、砂粒)有显著(p 0.0 5)影响(表1)。土层对除p H外的土壤理化性质指标均有显著(p 0.0 5)影响。优先流区域对除非毛管孔隙度和p H外的其他土壤理化性质指标均有显著(p 0.0 5)影响。土地利用方式、土层和优先流区域三因素间的交互作用对非毛管孔隙度、黏粒、粉粒、砂粒均有显著(p 0.0 5)影响。3种土地利用方式下优先流区与非优先流区土壤理化性质的分析结果见表2。不同土地利用方式下的土壤理化性质除p H外均具有显著差异(p0.0 5)。有机质、总孔隙度、非毛管孔隙度、砂粒在果园地最高,粉粒和容重在农地最高,黏粒、p H、毛管孔隙度和饱和941第5期 刘啟霞等:汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响导水率在草地最高。随着土层深度的增加,有机质、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和导水率和砂粒呈现减小的趋势,非毛管孔隙度、容重、黏粒呈现增加趋势,并且3种土地利用方式间土壤理化性质的差异性也减少。优先流区与非优先流区土壤理化性质具有显著差异(p0.0 5),整体上,优先流区有机质、总孔隙度、毛管孔隙度、黏粒、粉粒和饱和导水率高于非优先流区,容重、非毛管孔隙度和砂粒则低于非优先流区。优先流区和非优先流区之间土壤理化性质的差异可能对于土壤水分的优先流路径有重要影响。表1 土地利用方式、土层、优先流区域对土壤理化性质影响的方差分析因子有机质容重总孔隙度毛管孔隙度 非毛管孔隙度黏粒粉粒砂粒饱和导水率p H土地利用方式(A)3.9 8*1.0 31.0 31 1.9 6*2 7.0 3*1 9.4 2*5 6 0.1 8*1 3 2.0 3*0.7 70.0 3土层(B)5 2.6 1*2 8.2 1*2 8.2 1*5 8.6 7*2 4.8 6*6 9.1 3*1 2 8.1 8*2 9 6.0 4*2 5.7 5*0.0 6优先流区域(C)9 6.3 9*4 7.1 0*4 7.1 0*1 5.5 5*2.4 95 6.4 5*5 3.5 7*1 9 2.8 2*1 1 7.8 8*1.4 5AB2.4 42.7 0*2.7 0*6.9 8*1 4.0 3*3 1.0 0*4.5 8*5 7.4 0*0.7 30.1 8AC0.7 40.9 40.9 43.4 0*2.1 11 0.3 3*7 0.5 8*7 2.5 8*0.4 40.0 7BC1 1.2 6*0.0 20.0 26.6 7*1 0.3 4*7 5.0 0*1 3 0.5 5*3 0 1.8 4*1 3.9 2*0.1 4ABC1.3 71.7 51.7 50.8 62.8 3*3 6.8 3*4 9.1 4*1 1 6.4 6*0.2 20.1 9注:*表示p0.0 5;*表示p0.0 1。表2 不同土地利用方式下优先流区和非优先流区土壤理化性质土壤性质土层深度/c m果园地优先流区非优先流区草地优先流区非优先流区农地优先流区非优先流区有机质/(gk g-1)01 05 2.6 0 A3 4.0 0 a b B6 0.9 0 A3 6.8 0 a B5 5.8 0 A2 5.1 0 b B1 02 03 3.0 02 7.6 03 6.8 0 A2 3.3 0 B3 4.3 0 A2 1.9 0 B2 03 03 9.0 0 a A2 6.1 0 B2 8.4 0 b2 1.7 02 6.7 0 b1 9.8 0容重/(gk g-1)01 01.2 2 B1.3 7 A1.2 91.3 51.2 9 B1.3 7 A1 02 01.3 3 b B1.4 7 A1.4 5 a1.4 81.3 2 b B1.4 7 A2 03 01.3 9 a b B1.4 8 A1.3 4 b B1.4 8 A1.4 5 a1.5 1总孔隙度/%01 05 3.8 0 A4 8.2 0 B5 1.4 04 8.9 05 1.3 0 A4 8.2 0 B1 02 04 9.7 0 a A4 4.4 0 B4 5.1 0 b4 4.2 05 0.0 0 a A4 4.5 0 B2 03 04 7.5 0 a b A4 4.1 0 B4 9.5 0 a A4 4.1 0 B4 5.2 0 b4 2.9 0毛管孔隙度/%01 03 5.3 0 b A2 3.7 0 b B3 9.9 0 a3 6.9 0 a4 1.9 0 a A3 6.6 0 a B1 02 03 1.6 02 9.5 03 1.5 03 0.2 02 9.7 03 0.3 02 03 02 6.1 02 3.2 02 7.0 02 6.9 02 6.7 02 6.5 0非毛管孔隙度/%01 01 8.6 0 a B2 4.5 0 a A1 1.5 0 b1 2.0 0 b9.4 0 b1 1.6 0 b1 02 01 8.1 0 a A1 4.9 0 B1 3.7 0 b1 4.0 02 0.3 0 a A1 4.1 0 B2 03 02 1.3 02 0.8 02 2.6 0 A1 7.3 0 B1 8.5 01 6.4 0黏粒/%01 02 8.7 0 a A2 3.5 0 b B2 7.3 0 a A2 5.5 0 a B2 1.9 0 b B2 4.3 0 a b A1 02 03 0.9 0 a A2 3.6 0 c B2 7.9 0 c A2 5.7 0 b B3 0.0 0 b A2 6.2 0 a B2 03 02 3.8 0 c B2 8.6 0 a b A3 0.1 0 a2 9.5 0 a2 7.4 0 b2 7.7 0 b粉粒/%01 03 2.3 0 b A2 8.8 0 c B3 1.4 0 c A3 0.3 0 b B3 3.8 0 a3 4.0 0 a1 02 03 3.6 0 c A3 0.6 0 b B3 4.0 0 b A3 0.5 0 b B3 4.4 0 a B3 5.4 0 a A2 03 03 0.3 0 c B3 3.2 0 b A3 2.8 0 b3 2.7 0 b3 5.0 0 a B3 6.2 0 a A砂粒/%01 03 9.0 0 c B4 7.6 0 a A4 1.3 0 b B4 4.1 0 b A4 4.4 0 a A4 1.7 0 c B1 02 03 5.5 0 b B4 5.8 0 a A3 8.0 0 a B4 3.8 0 b A3 5.6 0 b B3 8.3 0 c A2 03 04 5.8 0 a A3 8.2 0 a B3 7.1 0 b3 7.8 0 a3 7.6 0 b A3 6.1 0 b B饱和导水率/(mmh-1)01 02 9.6 0 A8.8 0 B3 0.8 0 A8.4 0 B2 8.6 0 A8.8 0 B1 02 01 8.0 0 a b A4.6 0 B2 2.6 0 a A8.1 0 B1 5.2 0 b A6.3 0 B2 03 01 0.5 0 A6.0 0 B1 1.7 0 A5.5 0 B1 2.7 0 A6.6 0 Bp H01 08.2 98.3 58.3 58.3 78.3 28.3 61 02 08.2 98.3 58.3 18.3 68.2 98.3 92 03 08.3 48.4 18.3 28.3 68.3 58.3 0注:不同小写字母表示在相同区域和深度的不同样地差异显著(p0.0 5);不同大写字母表示在相同样地和深度的不同区域差异显著(p0.0 5)。051 水 土 保 持 研 究 第3 0卷2.3 优先流指标与土壤理化性质的关系染色面积比能够准确直观地反映土壤优先流程度与分布特征。染色面积比越大,说明水分入渗越多。本研究采用染色面积比和非染色面积比分别对优先流区与非优先流区土壤性质进行相关性分析,以明确两区土壤理化性质异质性对优先流特征的影响。染色面积比与优先流区土壤理化性质的相关性见表3。染色面积比与优先流区的有机质、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和导水率呈极显著正相关,与容重呈极显著负相关(p0.0 1)。结合表2的数据来看,优先流区土壤有机质、总孔隙度、毛管孔隙度和饱和导水率的提高和容重的降低均有助于优先流的形成与发育。表3 优先流区染色面积比与土壤理化性质相关性分析参数有机质容重总孔隙度毛管孔隙度 非毛管孔隙度黏粒粉粒砂粒饱和导水率p H染色面积比0.5 7*-0.5 8*0.5 8*0.5 3*-0.2 3-0.0 9-0.0 1-0.0 30.4 6*-0.0 9有机质-0.4 7*0.4 7*0.7 3*-0.5 8*-0.2 10.0 60.1 80.6 7*0.1 1容重-1.0 0*-0.6 5*0.0 5-0.1 5-0.1 20.1 7-0.5 1*-0.0 9总孔隙度0.6 5*-0.0 50.1 50.1 2-0.1 70.5 1*0.0 9毛管孔隙度-0.8 0*-0.2 6-0.0 30.1 90.8 2*0.0 1非毛管孔隙度0.4 3*0.1 3-0.3 6-0.6 7*0.0 6黏粒0.2 3-0.8 6*-0.1 30.2 1粉粒-0.5 7*0.1 30.2 0砂粒0.0 4-0.2 4饱和导水率0.0 2注:*表示p0.0 5;*表示p0.0 1。土壤垂直剖面非优先流区土壤理化性质与非染色面积比的相关性见表4。土壤垂直剖面非染色面积比与非优先流区土壤有机质、总孔隙度和砂粒呈显著负相关,与容重和粉粒呈极显著正相关(p0.0 5)。结合表2的数据来看,非染色面积比(也即没有优先流的区域占比)高与该区域较低的有机质含量、总孔隙度和砂粒含量以及较高的容重和粉粒含量有关,这些土壤性质均可能限制优先流的发育程度。表4 非优先流区非染色面积比与土壤理化性质的相关性分析参数有机质容重总孔隙度毛管孔隙度 非毛管孔隙度黏粒粉粒砂粒饱和导水率p H非染色面积比-0.6 1*0.5 6*-0.5 6*-0.1 3-0.1 70.3 20.4 4*-0.4 5*-0.1 10.0 1有机质-0.3 9*0.3 9*0.1 30.0 8-0.2 7-0.0 40.1 70.2 1-0.1 5容重-1.0 0*-0.4 9*00.1 20.1 5-0.1 5-0.2 5-0.2 1总孔隙度0.4 9*0-0.1 2-0.1 50.1 50.2 50.2 1毛管孔隙度-0.8 7*0.0 80.0 2-0.0 600.0 3非毛管孔隙度-0.1 5-0.1 00.1 40.1 50.0 9黏粒0.4 9*-0.8 4*0.0 40.1 1粉粒-0.8 8*0.1 4-0.3 1砂粒-0.1 10.1 3饱和导水率0.1 6注:*表示p0.0 5;*表示p0.0 1。将优先流区与非优先流区的有机质(S OM)、容重(B D)、总孔隙度(T P)、毛管孔隙度(C P)、非毛管孔隙度(N P)、黏粒(C l a y)、粉粒(S i l t)、砂粒(S a n d)、饱和导水率(Ks)、p H分别作为自变量X,染色面积比(DC)和非染色面积比(N DC)分别作为因变量Y,进行多元线性逐步回归分析,得到如下方程:DC=0.0 1 S OM+0.0 3 T P-1.7 4(R2=0.4 0,p0.0 5)(6)N DC=-0.0 2 S OM+1.9 8 B D-0.0 3 S a n d-0.6 2(R2=0.5 7,p0.0 5)(7)可以看出,优先流区有机质(S OM)、总孔隙度(T P)是影响优先流区染色面积比的主要影响因子。通径分析结果显示(表5),自变量S OM,T P对因变量DC的直接作用分别为0.4 1,0.3 6。S OM通径系数绝对值最大,表明S OM是染色面积比的最直接影响因素。非优先流区有机质(S OM)、容重(B D)、砂粒(S a n d)是影响非优先流区非染色面积比的主要影响因子。通径分析结果显示(表6),自变量S OM,B D、砂粒(S a n d)对因变量N DC的直接作用分别为-0.3 5,0.3 7,-0.3 3。B D通径系数绝对值最大,表明B D是非染色面积比的最直接影响因素。151第5期 刘啟霞等:汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响表5 优先流区通径分析结果因子相关系数直接作用间接作用S OMT PS OM0.5 80.4 10.1 7T P0.5 50.3 60.1 9表6 非优先流区通径分析结果因子相关系数直接作用间接作用S OMB DS a n dS OM-0.5 5-0.3 5-0.1 4-0.0 6B D0.5 60.3 70.1 40.0 5S a n d-0.4 5-0.3 3-0.0 6-0.0 63 讨 论优先流是非均匀性入渗过程,分布状况也呈现差异性,因而评价优先流发育程度时常用多指标进行表征。本研究中,3种土地利用方式中草地和果园地量化优先流程度的各指标总体趋势相同,且数值均表现出草地高于果园地,农地则出现相反的趋势。优先流分数表明染色区域对应的优先路径占比,长度指数反映优先流路径不规则程度,染色面积比量化了水分的运移量,变异系数体现土层间染色变化程度。草地的优先流分数和长度指数中位数值高于其他两种样地,表明草地优先流程度最高,孔隙之间连通性较好。农地的染色面积比中位数值最低,但其变异系数中位数值最高,水分运移量较低,随土层深度增加染色变化程度较大,与农地表层受耕种影响土壤大孔隙被破坏难以入渗情况相符。果园地的各项指标表明其在3种样地中水分运移量最大,优先入渗占比最低,土层间染色变化程度低。田香姣等2 5对重庆四面山2种土地利用方式下的优先流形态特征参数进行了分析,结果表明受耕作措施和植物根系的不同作用草地优先路径发育程度要比农地要高。这与本研究的结果相似。本研究中3种土地利用方式下优先流指标差异的原因可能与植被类型、土壤性质、耕作方式等因素有关1 5。为全面反映土壤的优先流特征,张东旭等2 6利用多指标评价法计算了优先流程度评价指数,其值越高,优先流现象越明显,优先流发育程度越高。该研究中对比6个优先流特征指标、优先流程度评价指数和分形维数,并分析了坡耕地优先流发育程度,结果表明南瓜地和柑橘地的优先流程度高于玉米地,证明了用优先流评价指数评价优先流程度的可行性与合理性。本研究中优先流分数与优先流评价指数呈现相同趋势,其他5项量化优先流指标中除农地外均与评价指数趋势相同,优先流发育程度由高到低为草地、农地、果园地。这些结果表明本研究采用的优先流综合评价指数可以较好地表明优先流发育程度。土地利用方式、土层和优先流区域对除p H外的土壤性质有显著(p0.0 5)的影响,并且这种影响随着土层深度的增加而降低。有机质、总孔隙度、非毛管孔隙度、砂粒在果园地最高,粉粒和容重在农地最高,黏粒、p H、毛管孔隙度和饱和导水率在草地最高。农地和果园地与草地土壤性质的差异受人为管理模式如耕作、施肥等影响较大2 7-3 0。除此之外,也与植物或作物根系类型、在土层中的分布有关3 1-3 2。本研究中染色面积比与优先流区的有机质、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和导水率呈极显著正相关,与容重呈极显著负相关(p0.0 1)。并且通径分析得出有机质是增大染色面积比的最直接影响因素,而容重则与之相