中国北方半干旱草原不同利用方式对土壤优先流影响机制研究

本研究通过染色示踪法定量分析围封、放牧和旅游活动对内蒙古半干旱草原土壤优先流的影响，揭示了不同土地利用方式下土壤理化性质（BD、TP、SOC）、根系特征（RLD、RMD）与优先流参数（PFfr、MaxD、DC）的关联机制，为草原生态水文过程管理和退化草地恢复提供重要理论依据。

　　

引言

半干旱草原作为全球最重要的陆地生态系统之一，其脆弱的水文过程对土地利用变化极为敏感。近年来过度放牧和旅游活动导致内蒙古草原土壤退化加剧，而土壤水分作为植被恢复的关键限制因子，其优先流现象（preferential flow）通过虫孔、根系通道等途径显著影响水分入渗格局。现有研究多聚焦放牧强度对植被的影响，但对不同利用方式下优先流形成机制的定量研究尚存空白。

材料与方法

研究区位于内蒙古希拉穆仁草原（41°20′55″–41°21′23″N），属典型中温带半干旱气候。通过设置围封区（GE）、自由放牧区（FG）和旅游区（TA）三类样地，采用亮蓝染色示踪法模拟10 mm、25 mm、50 mm三级降雨入渗（相当于中雨、大雨、暴雨），结合图像处理技术量化染色面积比（DC）、优先流分数（PF_fr）、基质流深度（UniFr）等参数。同步测定土壤容重（BD）、总孔隙度（TP）、饱和导水率（K_sat）及根系长度密度（RLD）、根质量密度（RMD）等指标。

结果

1. 1.
   土壤与植被特征：围封区土壤容重（1.15 g cm^?3）显著低于放牧区（1.32 g cm^?3）和旅游区（1.41 g cm^?3），黏粒含量（5.30%）、有机碳（SOC）和根系指标（0-10 cm层RMD达3.82 mg cm^?3）均最高。围封区植被盖度（47.65%）较放牧区（33.42%）提升42.6%，但放牧区辛普森指数（0.82）更高，显示物种分布更异质。
2. 2.
   优先流空间分异：
   • •
     10 mm入渗时三类样地均以基质流主导（PF_fr <50%），放牧区优先流分化程度最高（LI=75.3%）；
   • •
     25 mm入渗时围封区PF_fr达56.58%，优先流作用超越基质流，最大入渗深度（MaxD=25.40 cm）为旅游区的1.6倍；
   • •
     50 mm入渗时围封区MaxD增至31.80 cm，但优先流比例下降，表明深层土壤缺乏根系通道限制水分快速运移。
3. 3.
   影响机制：Spearman相关分析显示DC与BD呈显著负相关（r=-0.71, p<0.01），与黏粒含量（r=0.63）、RLD（r=0.58）和RMD（r=0.61）正相关。围封区发达的根系网络（0-20 cm层RLD为12.8 cm cm^?3）与低容重土壤协同形成连续大孔隙，促进优先流发育。

讨论

围封措施通过提升植被盖度和根系生物量优化土壤结构，使25-50 mm降雨事件中优先流发育程度显著高于受干扰样地。然而在10 mm小雨条件下，疏松表土反而促进均匀入渗，印证了"降雨阈值效应"。旅游活动导致的土壤压实使砂粒含量增至68.97%，破坏孔隙连通性，抑制优先流形成。根系特征（尤其是RLD和RMD）被证实为优先流的关键驱动因子，其空间分布（集中分布于0-30 cm）直接决定了水分快速通道的深度边界。

结论

围封草原在25 mm以上降雨时表现出最优的优先流发育能力，其机制源于植被-土壤-根系的良性互馈。建议在半干旱草原管理中优先采用围封措施，并结合轮牧制度平衡生态恢复与牧民生计。未来研究需结合人工降雨模拟和长期定位观测，深化多尺度水文过程机理解析。