荒漠砾幂通常发育于干旱半干旱荒漠地区，广泛分布在风化岩屑层、湖积阶地、冲（洪）积扇、冲（洪）积阶地等地貌中。荒漠砾幂地表由一至数层紧密堆积的砾石碎屑嵌入由细颗粒物质组成的孔泡层（Av层）中形成^［1］。由于地表封闭且呈镶嵌状，荒漠砾幂在防治风沙、调控水分和养分分布、维持地表生境等方面发挥着特殊作用^［2］。过去几十年里，绿洲扩张、过度放牧、砂石偷采等活动已造成局部区域植被退化或消失，直接影响着区域内生态系统稳定性。为此，当地政府实施封禁、造林、监测等措施，以促进区域生态修复，但其忽略了荒漠砾幂的生态水文效应，导致恢复效果和治理成效欠佳。因此，探究荒漠砾幂生态系统的生态水文功能，对促进荒漠区生态修复和管理具有重要的现实价值。

荒漠砾幂在地表水文过程调控^［3］、植被生长发育^［4］与空间格局分布^［5］、生态系统稳定性维持^［6］等方面发挥着关键作用。在单次降水事件中，因荒漠砾幂土壤水分入渗有限，多余水分以径流形式蓄积在低洼区域，或沿水道输送至其他区域^［7-10］。在水分运移的同时，土壤中细小固体颗粒、盐分、养分等物质也随之输移^［11-15］，并在空间上产生差异^［4，16］，进而影响植被的空间分布^［3，15］。其中，土壤水分入渗为影响水分运移的关键环节，不少学者已对入渗成因进行了定量分析，并认为水分入渗受到荒漠砾幂层^［3，17］、土壤颗粒组成^［18-20］、地表植被覆盖^{［15，21］}、微地貌^［15］等因素的影响。如Wang等^［17］在河西走廊荒漠区，使用盘式入渗仪测定土壤入渗性能，发现砾幂层对水分入渗有阻碍作用；再如Wang等^［21］在腾格里沙漠，通过TRD探针测定不同植被覆盖下的土壤水分入渗特征，发现荒漠植被根系的数量和分布位置是影响水分入渗的关键因素。然而，目前研究多关注于整体的水分入渗，却忽略了其大孔隙作用对荒漠砾幂土壤水分入渗的贡献。Meadows等^［22］通过染色示踪法探究不同地表年龄下荒漠砾幂土壤水分入渗机制时，发现荒漠砾幂Av层存在优先流现象，其中在发育较年轻或较差的地表以基质流为主，而在发育较年老或较好的地表以优先流为主。王德金^［15］对临泽北部的荒漠砾幂土壤进行测试，发现荒漠砾幂优先流现象受到微地貌形态、地表覆盖、空间位置及土壤理化性质等多因素协同调控。然而，当前有关荒漠砾幂优先流的研究相对匮乏，其形成机制、运移路径及其生态水文效应尚不明晰。

因此，本研究以河西走廊中部临泽绿洲北部荒漠为研究区，采用土壤剖面调查和染色示踪试验等方法，探究荒漠砾幂典型微地貌单元的优先流特征及其影响因素，以期为荒漠生态保护与可持续管理提供理论支撑与技术依据。

研究区位于河西走廊中部临泽绿洲北部的荒漠区域（39°25′—39°42′N，99°57′—100°20′E），平均海拔为1 390 m（图1A）。该区为河西走廊凹陷地带，位于张掖盆地西北部、合黎山南部区域。为典型的干旱荒漠气候，夏季干热少雨，冬季寒冷干燥。年平均气温为7.6 ℃，极端最高气温为39.1 ℃，极端最低气温为-27.3 ℃；多年平均降水量为116.8 mm，65%以上降水集中在7—9月；年均潜在蒸发量可达2 390 mm；近地表风沙活动频繁，集中在3—5月，平均风速为3.2 m⸱s^-1，最高风速可达21 m⸱s^-1。土壤以灰棕漠土、灰漠土为主。地表植被具有抗旱、耐盐碱特征，代表性植物有泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、红砂（Reaumuria songarica）、珍珠猪毛菜（Salsola passerina）、蒙古韭（Allium mongolicum）、芨芨草（Achnatherum splendens）、白茎盐生草（Halogeton arachnoideus）、刺毛碱蓬（Suaeda acuminata）、刺沙蓬（Salsola ruthenica）、籽蒿（Artemisia sieversiana）、画眉草（Eragrostis pilosa）等。

在山丘-绿洲之间的荒漠区，沿NE-SW方向依次选取3个人为干扰相对较少的样地，样地大小为100 m×100 m（图1A，表1）。整体上，样地地表相对平坦，平地-洼地相互镶嵌，侵蚀沟穿插于地表之上（图1C），其中，平地和洼地面积较大，分别为60.86%和37.56%，水道占1.58%^［15］，地表均被砾幂结壳覆盖（图1B），地表砾石主要呈尖棱角状、棱角状、次棱角状，土壤剖面主要呈砾幂结壳-Av-Bk-Btk的组成形式。样地1位于剥蚀山丘下方典型水道两侧，地表平坦，受绿洲影响较小，有大量细小侵蚀沟，地表砾石覆盖度为25.61%，土壤结构为中等强度的块状、棱柱状和片状，代表性植被为泡泡刺、灌木亚菊（Ajania fruticulosa）、红砂等，其覆盖度为20%~30%。样地2位于剥蚀山丘与绿洲间，地表平坦，侵蚀沟宽度较宽，大面积流水冲刷痕迹，地表砾石覆盖度为29.15%，土壤结构主要为中等强度的块状、棱柱状和片状，部分为弱和强的块状结构，代表性植被为泡泡刺、红砂、蒙古韭等，其覆盖度为15%~30%。样地3位于剥蚀山丘下方，距离农田较近，地表平坦，受绿洲影响较大，有大量细小冲蚀沟纵横分布，地表砾石覆盖度为23.23%，土壤结构主要为中等强度的块状、棱柱状和片状，部分为弱和强的块状结构，代表性植被主要为泡泡刺、红砂、蒙古韭等，其覆盖度为10%~20%。

每个样地内，各选取3块平地和洼地，以20 cm×20 cm样方框作为参照，采用智能相机分别对样方框内的地表进行拍照，用以计算地表砾石覆盖度。拍照前，清除地表枯枝落叶、粪便等杂物，并记录采样点位置信息。

地表拍摄完成后，进行土壤染色示踪试验，每块样地1次，总计18次。试验前，清除地表枯枝落叶、粪便等杂物。清理完成后，使用橡皮锤将铁框（50 cm×50 cm×25 cm）缓慢打入地表3~5 cm，并采用细土（≤2 mm）沿边框进行夯实，以防染色溶液发生侧渗；同时将尼龙网（孔径1 mm）铺设于框内以防溶液冲刷地表。将25 L亮蓝溶液（4 g⸱L^-1）缓慢、均匀地喷洒至铁框中。喷洒完毕后，将地膜覆盖于铁框上，以防止水分蒸发。待24 h后，移除地膜、铁框和尼龙网，沿染色中心一侧开挖宽60 cm、深50 cm的土壤剖面，以50 cm×50 cm样方框为参照，对垂直染色剖面进行拍照，以计算优先流特征参数（图2）。拍照后，在染色区域附近（未被染色区域）开挖50 cm深的土壤剖面，拍照记录土壤垂直剖面形态，并测量砾幂结壳与Av层的厚度，分别采用铁铲和环刀采集0~5、5~10、10~20、20~30 cm处的土壤样品。

铁铲采集的土壤样品经风干后，采用筛分法测定土壤砾石（>2 mm）颗粒组成，采用激光粒度仪（Mastersizer 3000）测定土壤细土（≤2 mm）颗粒组成。测定后，土壤颗粒大小依据《Soil Survey Manual》（USDA）^［23］标准可分为6级：粗砾（>10 mm）、中砾（5~10 mm）、细砾（2~5 mm）、沙粒（0.05~2 mm）、粉粒（0.02~0.05 mm）、黏粒（<0.02 mm）。

土壤容重采用烘干法（105 ℃，12 h）烘干环刀（100 cm³）土样进行测定。土壤饱和含水量和田间持水量采用环刀（100 cm³）法测定，具体步骤为：以环刀孔隙侧为底置于托盘中，保持3 mm水深浸泡20 min；取出环刀放置于网架上沥干，每10 min使用电子天平（精度±0.01 g）称量（m₂），直至质量稳定；维持水深略低顶部2 mm浸泡40 min，重复上述称量步骤（m₁）；随后烘干样品（105 ℃，12 h），使用电子天平（精度±0.01 g）称量（m_土）；采用公式（3）~（4）分别计算土壤总孔隙度和毛管孔隙度。土壤饱和导水率采用定水头法测定^［24］，将马氏瓶水头高度调整为5 cm，空环刀置于样品环刀上方，接口处采用橡皮圈密封，随后置于漏斗上方，漏斗下方采用烧杯承接，每1 min更换烧杯，并使用电子天平（精度±0.01 g）称重，直至质量稳定。

地表砾石覆盖度采用图像处理方法进行估算^［15］，具体步骤为：将原始图像裁剪为统一大小（2 000像素×2 000像素）；使用Photoshop CS6软件对图像进行色彩与几何校正；基于校正图像人工标注砾石；对图像进行灰度处理；采用全局自动阈值法对灰度图像进行二值化分割；使用ArcGIS 10.2软件计算图像中黑白像元数目；根据黑白像元数目估算地表砾石覆盖度。

根据环刀法测定的数据，分别计算土壤饱和含水量（SWC）、田间持水量（FC）^［25-27］。

式中：m₁、m₂分别为浸泡40 min和20 min后称量稳定的样品质量（g）；m_土为烘干样品的质量（g）；m_环为环刀的质量（g）。

基于土壤饱和含水量和田间持水量的计算值，分别计算土壤总孔隙度（f_tp）与毛管孔隙度（f_cp）^［25-27］。

式中：SWC为饱和含水量（%）；FC为田间持水量（%）；ρ为土壤容重（g⸱cm^-3）。水密度取1 g⸱cm^-3，故土壤孔隙持水量在数值上等于孔隙体积。

采用图像处理方法对土壤染色剖面图片进行处理，并计算优先流特征参数^［15］。具体步骤为：采用Photoshop CS6软件将原始图像裁剪为统一大小（5 000像素×5 000像素）；对裁剪图像进行色彩与几何校正；基于校正图像人工标注染色和未染色区域；对图像进行灰度处理；采用全局自动阈值法对灰度图像进行二值化分割；将处理后的图像导入ArcGIS 10.2软件统计像元数目，用于计算优先流特征参数（图2）。本研究以染色面积比、基质流入渗深度、优先流比例、优先流长度指数和水分扩散深度为优先流特征参数^［28-33］。

染色面积比（K）为土壤染色面积与剖面总面积之比，可反映土壤水分入渗的路径情况，数值越大，水分入渗路径越发达^［33］。

式中：S_dye为土壤剖面的染色面积（cm²）；S_t为整个土壤剖面的面积（cm²）。

基质流入渗深度（H_mat）为基质流入渗转变为优先流入渗时的最大垂直深度，一般是指土壤剖面上染色面积比大于80%土层所在深度（cm）^［32］。

优先流比例（K_p）为土壤剖面中优先流对应的染色面积占整个土壤剖面总染色面积的比例，可反映优先流的占比情况。

式中：H_mat为基质流入渗深度（cm）；W为土壤垂直剖面染色区域宽度（cm）；S_dye为土壤剖面的染色面积（cm²）。

优先流长度指数（L_i ）为土壤染色剖面垂直等分后，第i层与第i +1层染色面积比之差的绝对值之和，可反映优先流的发育情况。

式中：K为染色面积比（%）；n表示将染色区域在垂直方向上n等分；i表示第i层土层。

水分扩散深度（L）为水分在扩散作用下能够渗透到的最大土层深度（cm），可反映土壤孔隙的连通性。

本研究使用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，采用IBM SPSS 27进行数据分析。单因素方差分析（ANOVA）采用Levene检验进行方差齐性检验。若满足齐次性，则采用LSD法进行多重比较；若不满足齐次性，则采用Games-Howell法进行多重比较。Pearson相关性分析主要分析平地和洼地内土壤性质与优先流特征参数的相关性。制图采用Origin 2022、ArcMap 10.2和Adobe Illustrator 2020软件。

平地和洼地地表均为砾幂结壳所覆盖，其下均存在Av层（图3）。从地表看，平地地表砾石覆盖度为35.15%，明显高于洼地；其结壳厚度为0.78 cm，较洼地厚0.24 cm；但两者Av层厚度间无显著差异，分别为9.92 cm和11.41 cm。从土壤剖面看，平地和洼地土壤性质存在差异，其中土壤总孔隙度、持水能力存在显著差异，土壤颗粒组成、容重和毛管孔隙度差异不显著（图4）。两种微地貌土壤均为土-砾混合介质，细土含量占87%以上，其中细土以粉粒（47.62%）为主，而砾石以粗砾（6.48%）为主。相比于平地，洼地0~5 cm土层砂粒含量低15.13%，粉粒含量高17.15%；洼地5~10 cm和10~20 cm土层的砂粒含量均较低，粉粒含量均较高，但这种差异相对较小；20~30 cm土层的砂粒和粉粒含量则呈相反规律。平地土壤容重平均为1.60 g⸱cm^-3，较洼地低0.07 g⸱cm^-3，相同土层内变化相似，不同土层间无显著差异。平地土壤总孔隙度和毛管孔隙度分别为34.27%和33.82%，分别较洼地高1.36%和2.49%，且只有洼地内0~5 cm和20~30 cm土层的总孔隙度与其他土层存在显著差异。同时，平地土壤饱和含水量和田间持水量分别为22.52%和22.18%，分别较洼地高2.64%和2.76%，且只有洼地内0~5 cm和20~30 cm土层的持水能力与其他土层存在显著差异。此外，0~30 cm土层平地土壤饱和导水率为0.17 cm⸱min^-1，略低于洼地（0.18 cm⸱min^-1）。随着土层深度的增加，平地和洼地的饱和导水率明显增大。不同土层间，洼地内0~5 cm土层的饱和导水率与其他土层存在显著差异，平地内各土层间不存在显著差异；相同土层间，平地与洼地的饱和导水率在10~20 cm土层存在显著差异，其余土层间均不存在显著差异。

采用亮蓝溶液对平地和洼地土壤进行染色示踪试验，其对应的染色情况和分析结果分别如图5和表2所示。洼地内，染色面积比、基质流入渗深度、优先流比例、优先流长度指数和水分扩散深度分别为15.71%±4.26%、4.33±1.53 cm、58.91%±10.79%、84.37%±6.13%和33.16±3.51 cm，变异系数分别为0.27、0.35、0.18、0.07和0.11。相比于洼地，平地的各参数均有所降低，分别降低1.28%、1.83 cm、17.09%、0.12%和1.94 cm，其变异系数分别为0.62、0.60、0.44、0.13和0.14。这表明洼地较平地更有利于优先流的产生，具体表现为，洼地水分入渗路径更发达，优先流出现的深度位置较深、对水分运移的贡献较大，土壤孔隙的竖向连通性较好，并且洼地的水分运移以优先流为主，平地则以基质流为主。此外，平地和洼地的染色形态特征也存在明显差异（图5）。洼地的染色区域颜色深且均匀，其下边缘呈不规则的“锯齿”状，表现出明显的指流特征；而平地的染色区域颜色较浅且不均匀，并呈现出较强的横向发展趋势。这种形态上的差异不仅直观地反映了量化数据的结论，还表明平地的孔隙系统可能更利于水分的侧向扩散，而洼地可能具有更发达的竖向大孔隙网络。这些差异与平地和洼地的土壤性质和植被分布差异密切相关。

为进一步分析荒漠砾幂对土壤优先流入渗的影响，探究了两种微地貌下土壤物理性质与优先流的Pearson相关性（图6）。不同微地貌内，影响优先流特征参数的因素存在明显差异。平地内，K、H_mat 和L均与Av层厚度呈显著负相关。相比而言，洼地内K和H_mat均与地表砾石覆盖度呈正相关。K_p、L与粗砾石含量呈显著正相关。L_i 与砂粒含量呈显著正相关，而与细砾石含量和中砾石含量分别呈极显著和显著负相关。这表明平地和洼地内优先流特征参数的影响因素不同，平地Av层厚度限制优先流的产生，而洼地地表砾石覆盖度、粗砾石和砂粒含量显著促进优先流的发育，细砾石和中砾石含量则显著抑制优先流发育。

荒漠砾幂在长期形成与演化过程中，受到细小颗粒物质沉积、碎屑嵌入、重力和水文作用等非生物因素的影响^［33-36］，地势较高的区域被剥蚀以填补低洼区域，逐渐形成地表起伏较小、覆盖荒漠砾幂结壳的微地貌，这一过程深刻影响着土壤层的物理性质和结构、水分以及地表植被的空间分布差异^［4，36］。与莫哈维沙漠^［4］、索诺兰沙漠^［37］、撒哈拉沙漠^［38］、利比亚高原北部^［39］、塔尔沙漠^［40］等区域相似，临泽绿洲北部荒漠也存在完整的荒漠砾幂结构，即地表为砾幂结壳，其下分布由细颗粒物质组成的Av层^［15］。整体上，临泽北部荒漠地表呈现相对贫瘠的荒漠砾幂围绕着植被相对丰富的洼地，侵蚀沟穿插交错的地表镶嵌景观，地表植被集中分布于洼地和水道两侧，这与微地貌形态、土壤物理性质、水分空间分布规律有较大关系。本研究表明，平地和洼地内的土壤层性质不仅在地表砾石覆盖度、结壳厚度、Av层厚度方面存在差异，同时其在0~30 cm土层间的性质也存在差异。其中，平地的地表砾石覆盖度、砾幂层厚度、孔隙情况和持水能力均高于洼地，Av层厚度和容重均低于洼地。这与微地貌的演化过程具有密切关系。受微地貌影响，平地地表土壤被剥蚀后沉积在洼地地表，使得平地地表砾石逐渐显露，洼地地表砾石被掩埋、遮盖；在重力和入渗作用的影响下，洼地地表沉积的大量细小颗粒逐渐进入土壤，填充土壤缝隙，使得洼地各土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量均小于平地，土壤容重均大于平地（图4），并且细小颗粒的沉积还为Av层提供形成材料，使得Av层厚于平地（图3）。同时，由于平地地表植被稀疏、细小颗粒沉积较少，使得地表缺少缓冲材料，在雨滴长期击打过程中，促进了砾幂结壳的发育，使得平地的砾幂层比洼地厚0.24 cm（图3）^［9］。这种平地与洼地的荒漠砾幂土壤物理特征差异也为植被的生长发育提供了保障，促进其空间分布格局的形成。

荒漠地区降水稀少、地表水匮乏，水分是植被分布和生长的限制因子。与沙漠相比，荒漠砾幂地表荒芜，为一层结皮覆盖。荒漠砾幂地区的生物结皮不仅能促进土壤水分入渗，还能提高地表粗糙度，使得地表水分的滞留时间延长，抑制地表径流的形成，为土壤优先流的发生提供水分^［41-42］。但研究区地表为非生物结皮覆盖，与生物结皮相比，其地表光滑、入渗率较低，在微地貌的作用下，形成超渗产流将水分汇入到洼地或是沿水道输送至其他区域^［7-10］。Wang等^［17］发现荒漠砾幂土壤存在优先流现象，但并未对优先流机制开展相关研究。尽管王德金^［15］从地表覆盖情况方面探究了荒漠砾幂的优先流，但并未对机制做出深入分析。本研究表明，平地和洼地内，土壤物理性质对优先流的影响程度不一。平地K、H_mat、K_p、L_i 和L均低于洼地（表2）。这种现象不仅与荒漠砾幂地表发育年龄^［20］和土壤性质相关，还与微地貌地表植被分布差异有关。洼地较平地面积更小，但其植被覆盖度更高^［15］。一方面，植被根系的生长发育为优先流提供了天然通道，促进了洼地优先流的发育^［43］，使得洼地优先流比例大于平地（表2）；另一方面，植被的代谢物提高了土壤有机物含量，这不仅改善了土壤孔隙结构，促进了水分入渗路径发育^［44］，使得洼地的染色区域颜色较深（图5），染色面积比大于平地（表2），还提高了土壤孔隙连通性^［44］，使得水分均匀入渗到土壤深层，导致洼地的基质流入渗深度大于平地（表2），且染色区域颜色较为均匀（图5）。此外，由于植被能为小型哺乳动物提供食物和庇护，进而吸引其在植被较多的洼地筑巢，这直接促进优先流的发育^［45］。

平地和洼地优先流特征参数的影响因子具有差异性，平地内Av层厚度是抑制优先流产生的主要因素；洼地内地表砾石覆盖度、土壤粗砾石和砂粒含量是促进优先流发育的主要因素，细砾石和中砾石含量是抑制优先流发育的主要因素。受风蚀、水蚀的长期作用，平地和洼地的土壤性质逐渐发生改变，致使地表水力性质产生差异。平地内，Av层厚度约为10 cm（表1），其0~10 cm土层的总孔隙度和毛管孔隙度较洼地更高（图4），但其内植被分布较洼地更少^［15］，使得植被对优先流和孔隙结构的改善作用弱于洼地，导致平地饱和导水率较洼地更低，在0~5 cm土层内尤为明显（图4），进而使得平地内用于优先流运移的水分有限，从而抑制优先流产生。此外，平地内植被分布较少^［15］，其根系生长和代谢物对Av层的孔隙影响十分有限，不足以影响Av层的优先流现象。洼地内，一方面由于其地表沉积的细小颗粒形成的孔隙结构不稳定，入渗发生时容易坍塌堵塞，阻碍水分进入土壤，进而抑制优先流的发育，而地表砾石覆盖增加提高了地表土壤中砾石含量的占比，为土壤孔隙提供更多的支撑，从而提高孔隙稳定性，为优先流的发育提供充足的水分，这与Mandal等^［46］研究结果一致。另一方面，虽然砾石具有疏水性，其能减少土壤的过水断面，使水分以绕流的形式进行运移，一定程度上降低了入渗效率，但洼地地表砾石数量较少（图3），导致其对水分运移的影响小于前者。此外，土壤中的粗砾石与细砾石和中砾石相比，其粒径较大，容易与砾石或土壤结合在土壤内部形成大孔隙，进而促进优先流发展，将水分快速转移至土壤中，这与Ma等^［47］的研究结果一致。同样地，砂粒与粉粒和黏粒相比，其形成的孔隙相对较大，在填充大孔隙时也不易被压实，而保留较多、较大的孔隙，进而促进优先流发生，为水分扩散深度提供更通畅的路径。

本研究从荒漠砾幂微地貌的角度，揭示了平地和洼地内土壤性质和优先流特征的差异，并探索了优先流的影响因素，为荒漠砾幂地区的生态保护与可持续管理的策略制定提供了理论依据。但本研究仅考虑了垂直维度的优先流，未来将结合水平和垂直两个维度，进一步分析两种微地貌内的优先流特征，进而明确荒漠砾幂优先流特征及其影响因素。

本研究通过野外调查与染色示踪试验，探究了河西走廊中部临泽绿洲北部荒漠砾幂地区的平地与洼地两种典型微地貌单元的土壤物理性质及其对优先流特征的影响。结果表明：平地和洼地土壤虽均为细土含量较高的土-砾混合介质，但其物理性质存在明显差异。平地地表砾石覆盖度较洼地更大，结壳更厚，Av层厚度与洼地不存在显著差异。平地表层30 cm土层的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量均较洼地高，其容重和土壤饱和导水率较洼地小。平地和洼地的基质流入渗分别为0~2.5 cm和0~4.33 cm，其水分运移分别以基质流和优先流为主，优先流比例分别为41.82%±18.44%和58.91%±10.79%。受平地和洼地土壤性质差异的影响，平地内优先流特征参数均小于洼地。Pearson分析表明，平地Av层厚度显著抑制优先流产生；洼地地表砾石覆盖度及粗砾石和砂粒的含量显著促进优先流发育，细砾石和中砾石的含量分别极显著和显著抑制优先流发育。