“Rock and Root”：在落基山地区的优先水流现象中，哪一个因素发挥了更重要的作用？

《CATENA》：Rock and root: Which played more important roles in preferential flow in the rocky mountain area

本研究在华北岩石山区，通过CT与染色实验，揭示岩石碎片含量随坡度升高显著增加（达21.09%），而根系特征（量密度、表面积密度、体积密度）在低坡位更丰富。PLSPM模型表明岩石碎片是主导因素（贡献率>70%），粗岩覆盖率超过6.92%会抑制preferential flow，证实岩石结构对preferential flow的影响强于根系系统，为半干旱山区水资源管理提供依据。

　　在复杂的自然环境中，岩石和植物根系对优先流（Preferential Flow, PF）的影响一直是一个值得深入研究的领域。优先流是水文过程中的关键现象，它指的是水分在土壤矩阵中不均衡地移动，通过一些特定的通道或路径绕过大部分土壤，从而加快水流速度。这种现象在山地环境中尤为显著，因为这里的水文条件通常较为特殊，如水资源短缺、土壤层较薄以及岩石碎片含量较高，这些因素共同加剧了水文挑战。因此，理解岩石和根系如何影响优先流，对于优化水资源管理和促进生态恢复具有重要意义。

本研究的目的是探讨岩石和根系结构在北中国岩石山地环境中对优先流的影响。通过使用计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）和示踪实验（Dye Tracing Experiments），我们能够更准确地捕捉土壤中优先流的路径和动态。研究结果表明，岩石碎片的含量和覆盖度随着坡度的升高而增加，其中中等大小的岩石碎片颗粒在各个坡位中占据主导地位。相比之下，根系特征，如数量密度、表面积密度和体积密度，主要集中在坡度较低的区域。此外，示踪实验所获得的染色区域，以及优先流长度指数和最大入渗深度，呈现出随着土壤深度增加而减少的趋势，而上坡则表现出显著更高的数值。

岩石碎片在优先流的形成中起到了至关重要的作用。它们通过增强土壤的水力传导性并促进大孔隙的形成，为水分的快速传输提供了直接的通道。然而，当粗大岩石碎片的覆盖度超过一定阈值时，可能会抑制优先流。研究发现，粗大岩石碎片的覆盖度阈值约为6.92%，超过这一值后，优先流将受到明显限制。这表明岩石碎片在优先流调控中具有显著的主导地位，其作用不仅体现在提供通路，还涉及控制优先流的强度和范围。

根系系统在优先流的形成中同样扮演着重要角色。植物根系通过在土壤中形成稳定的通道，改变了土壤的水文响应，包括水分吸收、养分获取、溶质保留以及土壤保持等过程。研究显示，根系在土壤中的分布不仅影响优先流的路径，还可能在某些条件下促进优先流。然而，根系也可能在某些情况下抑制土壤渗透性，特别是在根系初期生长阶段或在高度多孔的土壤中。这表明根系对优先流的影响具有一定的复杂性和不确定性，其作用可能因土壤条件和植被类型的不同而变化。

研究进一步发现，岩石和根系的相互作用在优先流的形成中起到了关键作用。岩石碎片和根系共同影响优先流的路径和强度，而不是单独作用。例如，在严重的岩石荒漠化地区，稀疏的植被导致根系发育不足，而高含量的岩石碎片则减少了有效的土壤矩阵空间，这些因素共同抑制了快速的水分入渗。这表明，在岩石山地环境中，岩石碎片对优先流的影响更为显著，其作用不仅体现在提供物理通道，还涉及调控土壤结构和水文动态。

本研究采用了偏最小二乘路径建模（Partial Least Squares Path Modeling, PLSPM）方法，这是一种多变量统计方法，用于构建和评估复杂的因果模型。PLSPM方法结合了结构方程建模和回归分析的优点，特别适合于分析复杂的路径关系。通过这种方法，我们能够量化根系系统和岩石碎片在优先流形成中的相对贡献。研究结果表明，岩石碎片在优先流的调控中具有更强的主导作用，而根系系统的影响则相对有限。

此外，研究还发现，在岩石山地环境中，优先流的频率和强度随着土壤深度的增加而减少。这意味着，在坡度较高的区域，优先流更容易发生，而在坡度较低的区域，优先流的频率和强度则相对较低。这一现象可能与岩石碎片和根系的分布特征有关，因为它们在不同坡位中具有不同的影响。例如，岩石碎片在上坡区域的含量较高，而根系在下坡区域更为丰富。这种分布差异可能导致优先流在不同坡位中表现出不同的行为。

研究还指出，岩石和根系的相互作用在优先流的形成中具有显著影响。在某些情况下，岩石碎片和根系共同作用，促进优先流的形成；而在另一些情况下，它们的相互作用可能抑制优先流。例如，岩石碎片的覆盖度超过一定阈值后，可能会减少优先流的路径数量，从而抑制水分的快速传输。同样，根系在某些条件下可能促进优先流，但在其他条件下可能抑制优先流。这种复杂性表明，岩石和根系对优先流的影响并非单一，而是相互作用的结果。

研究还强调了岩石山地环境中优先流的时空分布特征。由于土壤结构和环境因素的异质性，优先流的分布可能呈现出显著的时空变化。例如，在不同的坡位和土壤深度中，优先流的频率和强度可能有所不同。这种时空变化使得优先流的研究更加复杂，同时也对水资源管理和生态恢复提出了更高的要求。因此，通过定量分析优先流的特征及其与影响因素的关系，对于指导不同地区的生态恢复具有重要意义。

本研究的结果不仅为理解岩石山地环境中的优先流提供了新的视角，也为未来的水资源管理提供了重要的参考。通过分析岩石碎片和根系对优先流的影响，我们能够更好地预测和管理山地地区的水文过程。此外，研究还揭示了岩石碎片和根系在优先流形成中的相互作用，为优化土壤结构和提高水分利用效率提供了科学依据。这些发现对于改善山地生态系统的水文管理具有重要的实践意义。

总之，本研究通过计算机断层扫描和示踪实验，系统地分析了岩石和根系在优先流形成中的作用。研究结果表明，岩石碎片在优先流的调控中具有更强的主导作用，而根系系统的影响相对有限。此外，研究还揭示了岩石碎片和根系在优先流形成中的相互作用，为优化山地地区的水文管理提供了重要的科学依据。这些发现不仅有助于深入理解优先流的机制，也为未来的生态恢复和水资源管理提供了重要的参考。