实验地位于东北林业大学帽儿山实验林场老山实验站内，地理坐标为127°36′~127°39′ E，45°23′~45°26′ N。帽儿山属于长白山系张广才岭余脉，地势丘陵起伏，平均海拔300 m，由南向北渐高，最高海拔805 m，坡度在10°~15°。本区属长白山植物区系，是东北东部山区较典型的天然次生林区，原地带性顶级群落为红松阔叶林，遭受重大破坏后，经几个阶段演替逐渐恢复为现在的天然次生林相。该区森林覆盖率为70.2%，主要的次生演替灌木群落为胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)灌丛，榛子(Corylus heterophylla Fisch)林灌丛，珍珠梅(Sorbaria sorbifolia (L.) A. Br)灌丛及绣线菊(Spiraea salicifolia L.)灌丛。该地区四季分明，冬长夏短，平均气温2.8℃，年平均湿度70%，年降水量600~800 mm，年蒸发量1 093.9 mm，降水集中于7、8月份。无霜期120~140 d。地带性土壤为暗棕壤，包括典型暗棕壤、白浆化暗棕壤、草甸暗棕壤^[5-6]。

在帽儿山实验林场老山试验站，选取地势较为平坦，遭受重大破坏后恢复较好的榛子灌木林。设置面积为400 m²(20 m×20 m)的试验观测样地。机械布设3个样点放置实验专用不锈钢铁框和模拟降雨器，确保每个样点与周围灌木距离相距1 m且数量大体相同。不锈钢铁框长×宽×高(1.0 m×1.0 m×0.6 m)，放入土中0.5 m，模拟降雨器由4根内直径2.5 cm长1 m不锈钢管，每隔0.2 m处安装一个1.2 mm的雾状喷头，组成的相互连通等压的1 m×1 m的降雨器，距离铁框内部土壤平面0.5 m。

于2015年9月27日—10月5日进行试验。选用浓度为4.0 kg·m^-3[7-9]体积25 L(50 mm为当地大雨降雨量)。亮蓝染色剂(Brilliant Blue FCF)，利用模拟降雨器喷洒在选好的样点内，喷洒完毕后用2 m×2 m透明塑料布将铁框密封，防止再降雨和枯枝落叶的落入^[10]。24 h后撤去塑料，开挖剖面，用佳能相机拍摄染色剖面，图像以JPG格式储存。以10 cm为一层，用标准环刀(100 cm³)在剖面10 cm处取原状土柱，分染色与未染色，3个重复，(每层6个)，最终剖面修成80 cm×80 cm×60 cm的矩形剖面。纵向每隔2 cm为准，用相机拍摄剖面，每个剖面拍摄3次，直至染色消失。纵剖面规格：80 cm×60 cm×80 cm。

照片通过Photoshop CS5.0软件做前期处理，经过几何的校准，降噪，二值化的转换，使照片转换成黑白色二元图片，黑色为染色区，白色为未染色区^[11]以JPG格式保存并导入Image-ProPlus 6.0图像处理软件中，将二元图片转换成由0~255像素组成的位图数值矩阵，并将数值矩阵导入Excel表格中^[12]，根据在Photoshop CS5.0软件中所选用的阈值将0~255数值矩阵变为二进制数据矩阵(0，1)来表示，0为未染色，1为染色。进行优先流形态特征参数的计算。

在纵向切剖面的同时，将横向每10 cm的土层内的所有根系全部取出带回，在实验室内将根系样品分成染色与未染色两类，用80目筛子在流水中冲洗，洗好后用滤纸吸干^[13]，用电子游标卡尺测量并分成d＜1 mm，1＜d＜3 mm，3＜d＜5 mm，5＜d＜10 mm，d＞10 mm 5个根系径级，通过EPSON LA 2400进行灰度扫描，计算根长密度，而后在85 ℃条件下烘至恒质量，测出根系干质量，算出根生物量和根质量密度。

先分别算出剖面内5种不同根系径级的优先流区和基质流区的总根长密度，之后用每个根系径级的优先流区的根长密度与该根系径级的总根长密度之比得到该根系径级的优先流区所占的比率即为该根系对优先流的贡献率。

对研究点内的拍摄后的照片经过Image-ProPlus6.0等图像处理软件的处理，提取出研究点内的优先流路径数量和优先流的空间分布情况，见图 1。

图  1  优先流区的二维与三维纵向剖面提取信息

Figure 1.  2D and 3D vertical profiles of the preferential flow area

图 1纵向二维，三维剖面图，白色为未染色区，黑色为染色区^[14]，三维图中柱状长短代表该处染色强度(长为弱，短为强)。

土壤表层染色较为均匀，染色剂呈网状扩散式蔓延并绕过基质区快速下渗，形成极其明显的“优先路径”，整体呈现扭曲环绕特征。染色区域内的“空点”多而密，形成连贯的曲线与直线相互连通的网状通路。染色剖面的“优先路径”大多伴随着土壤内的植物根系、石砾、裂隙出现，图中可以看到明显的沿根系染色和绕过石砾的痕迹。土壤优先流类型主要为大孔隙流，漏斗流和环绕流，并出现侧向入渗现象。

染色剂在表层扩散的同时快速地穿透10~20 cm土层渗透到30 cm以下深层土壤内部，中层染色较浅，表层和底层染色较深的现象。染色路径出现明显的环绕和快速穿透特征^[15]。剖面E和F中，横向间隔与C和D间隔距离相同，优先流现象表现明显，但三维柱状较短，染色深度较强，“空白点”稀疏。说明根系与石砾组成的通路较少，有效的孔隙^[16-17]较多，有利于染色剂的扩散和吸附。所以染色剂入渗放缓，染色深度在37.2 cm处截止。

综上：土壤表层0~5 cm染色较为均匀，土壤水分较为均匀的扩散。5 cm土层以下，土壤水分开始沿着优先流路径流动。优先流现象在20~40 cm土层范围内表现最为明显，最大染色深度为48.3 cm。

根系结构特征是一项很重要的指标^[18]，而单位面积上的根长(根长密度)是衡量根系结构特征的指标之一，决定根系吸收养分和水分的能力。不同土层深度的不同根系径级密度见图 2。

图  2  不同土壤深度下根长密度在优先流区和基质流区的分布

Figure 2.  Distribution of root length density in preferential pathways and soil matrix for different soil depth

由图 2所示：根长密度整体呈现随土壤深度和根系径级的增加而逐渐减小的趋势。根长密度标准差和变异系数见表 1。在10~20 cm处的d＜1 mm径级的根长密度最大。对不同土壤深度和根系径级来说：实验点的优先流区大于基质流区^[19]，在根系径级中，d＜1 mm的根长密度最大，1＜d＜3 mm次之，再次之是3＜d＜5 mm, 5＜d＜10 mm与d＞10 mm最小。

在优先流区和基质流区的根长密度比较中(图 2)，同一土层下的不同根系径级的根长密度相差很大，0~10 cm中，d＜1 mm的根长密度最大，染色区域达到6 094.67 mm·100 cm^-3，1＜d＜3 mm染色区域1 245.63 mm·100 cm^-3。与d＜1 mm相比低了4.53%，3＜d＜5 mm染色区域191.88 mm·100 cm^-3比d＜1 mm相比低了31.2%。d＞5 mm染色区域的根长密度基本为0。在10~20 cm中，d＜1 mm的染色区根长密度高达7 054.14 mm·100 cm^-3，整个剖面最高，1＜d＜3 mm为2 735.78 mm·100 cm^-3，与其相比低了2.59%，3＜d＜5 mm染色区为579.69 mm·100 cm^-3与d＜1 mm相比低了12.2%。同一根系径级下不同土层中根长密度相差也很大。最为显著的是10~20 cm，d＜1 mm的根长密度要比0~10 cm高出1.16%，比20~30 cm高出2.09%。比30~40 cm高11.07%。

根系生长是一个动态的随机性的过程^[20]，研究点中不同土层内的水分和养分的分布，以及土壤内异质性使得根系在水平与垂直的空间分布存在明显的差异，同时活根系与死根系的相互作用，在图 1中均匀染色区有显示。都导致了整个剖面内根长密度出现了较大的差异。

榛子灌木林优先流区根长密度基本都大于基质流区，细根系(d＜1 mm)对优先流贡献率最大(67.9%)，且5个不同根系径级贡献率均值都在58.5%以上，对优先流的形成为促进作用。这是因为灌木内土层土壤有一层致密的枯枝落叶层。这层枯枝落叶层内部与根系营造了许多缺氧状态下的小室，给许多厌氧动物与微生物提供了生存环境，同时也加速了死根系的腐败，使得原来紧实的土壤变的更加松动，土壤结构发生变化，转变为有机物质，加速了土壤团聚体的形成。进而改善了土壤自身理化性质^[21]，与根系结构(活根与死根)构成了相互连通的土壤空间网络，促进了土壤水分与溶质的快速运移。

无论根系径级的不同还是土壤层次的不同，其根长密度有显著的差异，优先流区的根系含量也相对较高，进而得出染色面积百分比与根长密度的关系，图 3。

图  3  染色面积百分比与根长密度的关系

Figure 3.  Relationship between dye coverage and root length density

图 3为实验剖面内不同根系径级根长密度之和与平均染色面积百分比。随着根长密度的增加，到达根长密度最大值时(10 962.11 mm·100 cm^-3), 染色面积百分比也随之增加，而后根长密度降低，染色面积百分比依然增加。这是因为榛子灌木林的根系生长主要集中在土壤表层，致密的枯枝落叶层内土壤团聚体的含量较高，根系与土壤接触，容易在平面内扩散伸长和垂直穿插生长，增加了土壤孔隙的密度，增强了根隙孔道的连通性^[22]。且主根系的伸长穿透力强，易于向下生长，形成较大孔道，改善土壤性质，使土壤松弛度提高，造成了许多大孔隙，利于细根在大孔隙内部的扩散和伸长，在相互作用和共同影响下，为水分和溶质的运移创造了良好的条件^[23]。在土壤下层中土壤紧实，密度高，微生物与动物少，并且夹杂许多大的未风化的石砾，阻碍了根系生长，致使水分无法继续下渗，对优先流的形成起反作用。

根生物量是评价根系吸收养分和水分的能力^[24-26]，即为土壤单位体积内的根系的质量^[28]，对研究点不同根系径级的根系生物量进行分析，见图 4。

图  4  不同土层根系生物量在优先流区和基质流区的变化

Figure 4.  Change of root biomass in preferential flow and soil matrix for different soil depth

由图 4中的数据可以得出剖面内0~10 cm土层内的优先流区比基质流区的总根生物量高出1.38%，10~20 cm高出1.07%，20~30 cm高出1.08%，30~40 cm则是优先流区低于基质流区，低0.99%，优先流区和基质流区根生物量标准差，变异情况见表3，总体呈现出优先流区高于基质流区，且在不同的土层深度中并非有唯一的一种根系径级的根生物量决定了优先路径的产生，虽然有促进优先流现象的产生，但影响不大。以此情况来看，根生物量对优先流的产生在某种程度上是有影响的。但从数据分析上可以看出，效果并不显著。

仅仅得出优先流区的根生物量比基质流区的根生物量整体高出1%左右，并不能清楚的表明根生物量对优先流的作用是正相关还是负相关。因此用优先流区与基质流区根生物量的差值与优先流区根生物量之比(根生物量差值百分比)^[27]来进行分析，见图 5。

图  5  优先流区和基质流区的根生物量差值百分比

Figure 5.  Different between percentages of root biomass in preferential flow and soil matrix

图 5表明：当两区域差值百分比为正时，染色区的根生物量应该较大，处于主导地位，促进优先流路径的产生，当两区域的差值比为负时，未染色区的根生物量较大，处于主导地位，阻碍了优先流现象的发生，但图示中的数据信息却与现实的优先流图像提取信息不相符(图 2)，无论优先流区根生物量大，还是基质流区根生物量大，都有优先流路径的产生，所以根生物量对于优先流现象的产生不起决定性的作用。

根系是形成土壤团聚体和结构孔隙度的一个关键因素^[28]。研究发现，林木根系主要集中在土壤的表层，能够改善土壤理化性质，降低土壤密度^[29]。根在自然生长情况下，与根系接触的土壤会受到膨胀和挤压，使土壤孔隙变大，密度减小，而当根腐烂时，产生孔隙的几率较高，甚至会有明显的土壤管留在土壤中^[30]。利于新的根在孔道中继续生长，给优先流路径提供了发生条件。生长的根与腐烂的根形成一个具有不同孔隙率的非常复杂的网络，森林土壤中的根系与石砾相互连接处有土粒相连，能形成连续的流径，根长密度随土层深度增加而降低，根长密度能反映出根系生长情况，是优先流发生的贡献者^[31]。本研究表明优先流区和基质流区根长密度和根生物量都是随土壤深度的增加而减小，且优先流区要高于基质流区，这与上述的研究结果一致。

在众多研究优先流的实验方法中，野外染色剂示踪法最为直观^[32]，可以直接观察到优先流的现象和优先流路径的走向和数量。本研究区域是黑龙江省东部重要的水源涵养区，生态系统复杂多样化，有明显的优先流现象发生，优先流路径表现得也极为明显。Hagedoen和Bundt^[33]认为，理论上优先流路径应保持稳定至下层土壤，事实上在土壤表层的土壤水分流动系统中，沿根隙孔道的优先流占主导地位，流至土壤中，根密度变小，土壤水分均匀渗透到土壤层中，产生了多条优先流路径。M Ghestem^[34]研究表明在土壤水分的运移活动中，94.7%的水流是通过根系孔道运移的，仅有5.3%是通过其他方式流失的。本研究结果表明，在25 cm以下土壤中出现明显的优先流路径，这与上述结论一致。且优先流区的根长密度总是大于基质流区，同时细根系(d＜1 mm)的优先流贡献率最大，且不同根系径级的优先流贡献率均值都在58.5%以上，类似的结果也在其它研究中有报道^[35]。

染色面积比是作为一个衡量优先流的一个特性指标，可以推测出土壤孔隙度额度数量和孔径的大小^[36]。Bogner^[37]认为染色面积比的可变化性是现实优先流现象的一个重要指标。本文研究中，随着土层深度的增加，染色面积百分比逐渐降低，直至变为0，根长密度也随染色面积的增加而增加。与粗根系(d＞5 mm)相比，细根系(d＜1 mm)与优先流的相关性更好。因为细根系密度多，与土壤接触的表面积大，吸水能力强，渗透性大^[38]，促进优先流现象的产生。

榛子灌木林下草本植物密度大，根系网络极其复杂。20~40 cm土层的优先流现象明显，最大染色深度为48.3 cm，土壤优先流以大孔隙流、漏斗流和环绕流为主。榛子林内5种不同根系径级的优先流贡献率均值都在58.5%以上，细根系(d＜1 mm)的优先流贡献率最大(67.9%)，粗根系(d＞10 mm)优先流贡献率最低。整个剖面中细根系(d＜1 mm)根长密度染色面积最大，在10~20 cm土层内表现尤为明显，高达7 054.14 mm·100cm^-3。榛子灌木林的根生物量是土壤优先流路径的产生因素之一，但不起决定性的作用。