中国云南中部莫攀山不同海拔梯度下土壤优先流的特征及其影响因素

《Plant and Soil》：Characteristics of soil preferential flow and its influencing factors under different elevation gradients in Mopan Mountain, Central Yunnan, China

云南薄荷山不同海拔植被-土壤结构与优先流耦合机制研究。采用染料示踪与根系扫描技术，揭示中海拔（2011m）阔叶林区优先流最显著（染区比37.98%，优先流比48.84%），低海拔（1630m）灌木林次之，高海拔（2565m）草本区最弱。根系体积密度贡献率达82.1%，主导垂直优先流通道形成；土壤总孔隙率（58.54%）与非毛细管孔隙（>0.5mm）构成物理基础，而有机质（14.59g/kg）与黏粒（18.13%）分别通过孔隙堵塞与机械压缩抑制流态。揭示了海拔梯度通过调控植被根系结构与土壤孔隙网络，形成"根系-土壤-优先流"协同作用机制，为山地生态系统水文过程建模提供依据。

　　
该研究以云南哀牢山为对象，系统探讨了垂直海拔梯度对土壤优先流形态及驱动机制的影响。研究区域横跨海拔1260米至2614米的显著梯度，选取高海拔草本区（2565米）、中海拔常绿阔叶林区（2011米）和低海拔混交林-灌木区（1630米）三个典型样带，通过整合染色剂追踪实验、根系形态分析及土壤物理化学特性检测，揭示了植被类型与海拔梯度共同塑造的优先流发育规律。

在方法学层面，研究采用分层抽样结合三维成像技术，建立包含9个重复样方的系统观测网络。通过铁框控制实验空间，结合 methylene blue 染色剂实现水流路径的可视化追踪。创新性地将根系三维扫描技术与图像分析系统结合，量化了根系体积密度（82.1%解释力）、根长密度等关键参数对优先流的影响。值得注意的是，研究特别设计了50cm×50cm中央观测区以规避铁框边缘效应，并通过分层采样（0-10cm、10-20cm、20-30cm）捕捉不同土层动态。

核心发现表明，优先流发育存在显著垂直分异：中海拔常绿阔叶林区表现出最强烈的优先流（染色面积37.98%，优先流比率48.84%），其深层根系网络（平均根体积密度4.2 mm3/cm3）与高孔隙率（总孔隙率58.54%）形成协同效应，构建了贯穿土层的多级导水通道。与之对比，高海拔草本区因细根密集（根长密度1.4 cm/cm3）但土壤紧实（容重1.27 g/cm3）、高黏粒含量（18.13%）导致优先流呈现碎片化特征，最大入渗深度仅10.17cm。低海拔灌木区虽形成密集的树根导流网络（根体积密度3.8 mg/cm3），但受有机质富集（20-30cm土层14.59 g/kg）和砾石含量影响，出现显著的侧向渗流分流，使优先流比率（38.9%）低于中海拔森林。

研究创新性地揭示了"根系-土壤结构-优先流"的级联调控机制。通过冗余分析（RDA）发现，根体积密度对优先流参数的解释力达82.1%，证实深根系网络是形成连续导水通道的关键。同时，主成分分析（PCA）显示土壤总孔隙率（载荷系数0.89）和有效孔隙率（0.91）构成优先流的主控因子，与李永涛等（2022）在哀牢山开展的雨养入渗研究结论一致。研究特别指出，有机质存在双重效应：在低海拔灌木区，过高的有机质（14.59 g/kg）通过包裹孔隙和分解产物沉积产生物理阻塞，抑制优先流发展；而在中海拔森林区，有机质通过改良团聚体结构（稳定系数提高37%）反而增强导水能力。

环境梯度的影响呈现非线性特征。高海拔区（>2500米）因低温冻融循环（年均温17-20℃）导致土壤微结构发育，形成浅层离散导水通道；中海拔区（2000-2500米）受湿润季风影响（年降水800-1000mm），形成稳定深层导水网络；低海拔区（<1800米）则受季节性干湿交替作用，产生显著的侧向渗流扩散。这种梯度效应在土壤容重（1.27-1.50 g/cm3）、黏粒含量（12%-18.13%）等物理性质上均有清晰反映。

研究突破传统单因素分析框架，构建了三维调控模型：1）垂直根系构型（高海拔细根密集 vs 中海拔深根网状 vs 低海拔浅根层积）调控导水通道密度；2）土壤孔隙结构（非毛细管孔隙占比>40% vs <20%）决定水流连续性；3）有机质动态平衡（高海拔低有机质 vs 中海拔有机质富集 vs 低海拔过量化）影响孔隙堵塞程度。这种多尺度耦合机制解释了为何中海拔森林优先流比率（48.84%）显著高于其他梯度，其深层导水网络（最大入渗深度34.93cm）较草本区（10.17cm）提升2.4倍。

生态工程启示方面，研究证实深根系树种（如滇池松）对改善区域水文条件具有显著效益，其导水通道可提升30%以上渗透效率。同时揭示了有机质管理的必要性：在低海拔种植区，通过调控有机质分解速率（如添加外源酶制剂）可使导水孔隙率提升15%-20%。此外，研究提出的"梯度阈值"概念（海拔2000米附近）为生态修复提供了关键指标，当海拔梯度超过1000米时，优先流发育模式会发生根本转变。

该成果为山地生态系统水文过程研究提供了新范式，其方法体系（三维成像+根系扫描+多参数耦合分析）已被国际水文学界引用。研究特别强调，在气候变化背景下，山地垂直带谱的完整性对维持优先流平衡至关重要，海拔梯度每上升100米，导水通道密度增加约18%，但土壤容重同步上升0.03 g/cm3，这种负反馈关系需要纳入生态水文模型。后续研究建议开展同位素示踪追踪，深入解析不同海拔区水分运移的时空耦合机制。