浅层裂隙土壤优先流特征及生态水文功能在脆弱喀斯特生态系统中

《Frontiers in Forests and Global Change》：Preferential flow characteristics and ecohydrological functions of shallow fissure soils in fragile karst ecosystems

　　

引言：优先流（preferential flow）是控制喀斯特（karst）生态系统中降雨再分配、地下水补给和生态水文功能的关键水文过程。然而，浅层喀斯特裂隙（shallow karst fissure, SKF）土壤中优先流的形成及其生态意义仍未被充分量化。方法：研究人员在中国西南部贵州省西秀区（Xixiu District）的SKF土壤中开展了野外染料示踪实验，使用亮蓝FCF（Brilliant Blue FCF）来表征垂直流动模式，并识别土壤水力性质和根系控制因素。结果：优先流表现出强烈的垂直异质性：染料染色面积比（Dc）在0–10 cm层较高（68.62–98.75%），但随深度快速下降，而最大染色深度在不同裂隙间变化范围为23.0–74.6 cm，表明地下水分连通性存在显著的空间变异性。容重（bulk density, BD）是Dc最强的负向控制因子（r = ?0.697），而总孔隙度（total porosity, TP）、非毛管孔隙度（non-capillary porosity, NCP）、饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, Ks）、饱和含水量（saturated water content, SWC）、毛管含水量（capillary water content, CWC）、田间持水量（field capacity, FC）、根长密度（root length density, RLD）和根表面积密度（root surface area density, RSAD）总体上促进了优先流的发展。偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）进一步识别出BD、SWC、CWC、NCP、TP、FC和Ks为主要预测因子，其变量重要性投影（variable importance in projection, VIP）值大于1。这些因子解释了Dc观测变异的约52–55%。结果表明，SKF土壤中的优先流受土壤结构、水力性质和根系诱导的生物孔隙共同调控。讨论：优先流通过增强深层水分再分配和表层岩溶带（epikarst）补给，同时可能增加浅层根区的渗漏，从而发挥双重生态水文功能。这些发现提高了对喀斯特裂隙土壤中水分运动机理的理解，并为石漠化地区的植被恢复和水土保持提供了指导。

**论文解读：脆弱喀斯特生态系统中浅层裂隙土壤的优先流特征及生态水文功能**

**研究背景与问题**
喀斯特（karst）生态系统是全球水文异质性最强、生态最脆弱的区域之一，尤其在西南中国，碳酸盐岩溶蚀形成了土壤基质、表层岩溶裂隙、岩石裂隙与地下管道组成的双重或多重水文结构，导致强烈的表层-地下连通性和快速水分渗漏。土壤水分入渗是连接降水、土壤储水、植物吸水、地表径流和地下水补给的基础过程，但在当前水文评估中常被简化为均匀基质流。然而，越来越多的野外证据表明，水分和溶质常绕过大部分土壤基质，通过有限但高导水性的路径快速运移，这一过程被称为优先流（preferential flow）。优先流可通过大孔隙、裂隙、根系通道、土壤-岩石界面等结构不连续体发生，虽仅占土壤体积的一小部分，却可能主导入渗、深层渗漏和溶质再分配。在喀斯特地区，浅层不连续土壤、裸露基岩和石漠化严重制约植被恢复与生态系统可持续性，而优先流可能增强入渗能力、减少地表径流、促进地下水补给，但也可能加速养分淋溶、污染物运移和根区水分损失。然而，浅层喀斯特裂隙（shallow karst fissure, SKF）土壤中优先流垂直组织的量化研究仍不足，特别是近地表广泛分布的入渗如何快速汇聚为离散路径、哪些土壤和根系属性最好地解释这一转变、以及由此形成的连通性主要支持深层储水还是促进浅层根区渗漏，这些问题亟待阐明。

**研究内容与结论**
研究人员在中国西南部贵州省安顺市西秀区（Xixiu District, Guizhou Province）的9个SKF土壤采样点（包括草地、灌木地、林地和耕地）开展了野外染料示踪实验，使用亮蓝FCF（Brilliant Blue FCF）溶液表征垂直流动模式，并结合土壤物理、水力性质和根系指标分析控制因素。研究发现：优先流在SKF土壤中表现出强烈的垂直异质性，染料染色面积比（Dc）在0–10 cm层较高（68.62–98.75%），但随深度快速下降，而最大染色深度在不同裂隙间变化范围为23.0–74.6 cm，表明地下水分连通性存在显著空间变异。容重（BD）是Dc最强的负向控制因子（r = ?0.697），而总孔隙度（TP）、非毛管孔隙度（NCP）、饱和导水率（Ks）、饱和含水量（SWC）、毛管含水量（CWC）、田间持水量（FC）、根长密度（RLD）和根表面积密度（RSAD）总体上促进优先流发展。偏最小二乘回归（PLSR）进一步识别出BD、SWC、CWC、NCP、TP、FC和Ks为主要预测因子（VIP > 1），这些因子解释了Dc观测变异的约52–55%。回归模型（R2 = 0.518–0.549）表明，优先流在SKF土壤中受土壤结构、水力性质和根系诱导生物孔隙的共同调控。优先流具有双重生态水文功能：增强深层水分再分配和表层岩溶带补给，同时可能增加浅层根区的渗漏。该研究发表在《Frontiers in Forests and Global Change》，为理解喀斯特裂隙土壤水分运动机理提供了科学依据，并指导石漠化地区的植被恢复与水土保持。

**主要关键技术方法**
研究人员在贵州省安顺市西秀区选取9个SKF土壤采样点（包括草地、灌木地、林地和耕地），开展野外染料示踪实验：将4 g·L^?1的亮蓝FCF（Brilliant Blue FCF）溶液均匀喷洒于约0.5 m × 0.5 m（约40 mm降雨当量）区域，60分钟内缓慢施加以避免地表径流，覆盖塑料膜防止蒸发，24小时后垂直挖掘土壤剖面（10 cm间隔，每个样点取3个剖面作为空间子样本），拍摄图像并使用Adobe Photoshop CS5校正透视畸变，转换为二进制图像（染为1，未染为0），用MATLAB计算染料染色面积比（Dc）和最大染色深度。同时，在10 cm深度间隔采集100 cm3环刀原状土样，测定饱和导水率（Ks，常水头法）、容重（BD）、非毛管孔隙度（NCP）、毛管孔隙度（CP）、总孔隙度（TP）、饱和含水量（SWC）、毛管含水量（CWC）、田间持水量（FC）及土壤有机质（SOM，重铬酸钾氧化法），并按国际分类标准测定颗粒组成。根系从土样中分离后，用WinRHIZO Pro软件扫描并计算根长密度（RLD）和根表面积密度（RSAD）。数据分析采用Pearson相关分析和偏最小二乘回归（PLSR），通过变量重要性投影（VIP）识别主要控制因子，并辅以逐步回归构建经验方程。

**研究结果**
**3.1 优先流在SKF土壤中的垂直特征**
通过染料示踪实验，研究人员发现Dc随土壤深度增加而降低，但最大染色深度在不同裂隙间变化显著（23.0–74.6 cm）。表层（0–10 cm）平均Dc高达68.62–98.75%，表明入渗初期相对均匀；随后Dc快速下降并稳定在16.95–38.16%，变异系数呈波动增加或先增后减趋势，表明优先流从近地表广泛湿润转变为深层通道化流动，垂直异质性强烈。

**3.2 SKF土壤的理化与根系属性**
SKF土壤的物理、水力及根系属性表现出显著空间异质性（表2）。例如，Ks范围为0.38–1.76 mm·min^?1，BD为1.05–1.24 g·cm^?3，黏粒和粉粒含量占主导（33.89–56.87%和35.14–60.84%），SOM变化较大（57.21–177.95 g·kg^?1），RLD和RSAD也差异显著，为优先流空间变异提供了结构与水力基础。

**3.3 影响SKF土壤优先流的因素**
Pearson相关分析显示，BD与Dc呈高度显著负相关（r = ?0.697，p < 0.01），NCP和TP与Dc高度显著正相关（r = 0.512和0.506，p < 0.01），黏粒含量显著负相关（r = ?0.357），Ks、SWC、CWC和FC均高度显著正相关（r = 0.415–0.589，p < 0.01），RLD高度显著正相关（r = 0.400），RSAD显著正相关（r = 0.372），而CP、粉粒、砂粒和SOM无显著关系。

**3.4 优先流的主导控制因子与预测模型**
PLSR分析表明，单组分模型最优（Q2cum最大，RMSECV最小），该组分解释Dc变异的45.57%，两组分累计解释58.03%。VIP值识别出BD（1.603）、SWC（1.354）、CWC（1.273）、NCP（1.178）、TP（1.164）、FC（1.145）和Ks（1.066）为主导预测因子。逐步回归生成三个经验方程（式2–4），R2分别为0.518、0.521和0.549，表明土壤结构和水力属性是主要控制，根系特征提供额外解释力。

**讨论总结与结论翻译**
**讨论总结**：优先流在SKF土壤中形态和发育受土壤结构与植被共同影响。Dc随深度递减，但深层仍保持水力活性，将入渗水快速输送到裂隙系统，建立浅层土壤与深层表层岩溶带的连通性。容重是最强负向控制，而孔隙度和水力性质（Ks、SWC等）促进优先流，根长密度通过形成生物孔隙增强连通性，但土壤有机质影响不显著，表明结构控制优先于有机质效应。优先流具有双重生态水文功能：一方面增强深层再分配和表层岩溶带补给，提高干旱期水分可用性；另一方面可能增加根区渗漏，导致水分损失。生态后果取决于有益补给与过量排水间的平衡。在石漠化恢复中，应优先改善土壤结构（降低容重、增加孔隙度），并优化植被选择与种植密度，以调控优先流强度，实现降雨利用效率最大化。

**结论翻译**：本研究表征了SKF土壤中优先流过程，并识别了不同植被和土壤条件下的主导控制因素。主要结论如下：SKF土壤中的优先流高度异质且受结构约束。Dc随深度递减，而最大染色深度在不同裂隙间变化显著（23.0–74.6 cm）。土壤结构和水力属性是优先流发育的主要控制因素：BD、TP、NCP、SWC、CWC、FC和Ks调控优先路径的启动、连续性和强度。根系性状，尤其是根长密度（RLD），通过生物孔隙形成进一步增强优先连通性。回归模型解释了Dc变异的51.8–54.9%。优先流在SKF系统中具有双重生态水文功能：它促进快速垂直水分再分配和表层岩溶带补给，从而改善降雨利用，但也可能增加深层渗漏并减少浅层根区水分保持。这一权衡凸显了生态恢复中调控优先连通性的必要性。总之，这些发现阐明了喀斯特裂隙土壤中优先流机制，并支持石漠化地区改进的植被恢复和土壤管理。