优先流是一种土壤中普遍存在的快速非平衡水分运动形式,它能够促进水分和溶质快速向土层深度运动,导致养分和水分利用率显著下降,并影响地下水质量。将优先流的研究尺度从坡面扩大到集水区,有助于全面认识优先流对区域水循环的影响,从而为有效地管理和保护水资源提供一定的理论基础。本研究以重庆市江津区四面山的典型集水区为研究对象,采用多离子染色示踪试验与积水渗透相结合的方法,借助图像处理技术、方差分析、相关性分析、配对样本T检验以及变异性分析等手段,系统研究了 25 mm和60 mm入渗水量条件下集水区不同部位的16个样地(编号为S1-S16)的土壤优先流染色形态特征、入渗深度空间分布和变异性特征,并对优先流染色形态特征进行了定量评价,同时还分析了集水区优先流对养分运移的影响。主要研究结果具体如下:(1)样地内部和整个集水区尺度的染色形态均表现出较明显的空间异质性。一般情况下,基质流和优先流同时发生,前者主要分布在土壤表层,后者则发生在表层土壤以下。随着土层深度的增加,水平和垂直剖面的染色面积比基本上呈逐渐下降的趋势,水平剖面的染色分布则逐渐由片状分布为主变为以块状或者点状分布为主。集水区中下部的S7—S10优先流发育程度较高,最高可以入渗至60cm,而底部的S14—S16则相对较弱。入渗水量为25mm时,集水区中部以上的区域染色面积变异程度较高,下部相对较小。入渗水量增加至60mm,不仅可以增大基质流面积和各层土壤的染色面积比,加大染色区域片状分布程度,还可以削弱集水区尺度染色面积比的变异程度。(2)实际入渗深度和最大入渗深度在样地内部及集水区尺度的空间异质性表明优先流运动具有明显的非均匀性特征。入渗水量从25 mm上升至60 mm可以显著提高实际入渗深度和最大入渗深度,二者均在S8取得最大值,分别为55 cm和60cm。实际入渗深度虽然在样地内部表现出更大的差异性,但是其变化范围总体上小于最大入渗深度。入渗水量的增加可以显著降低实际入渗深度和最大入渗深度的变异性。与染色面积比的变化趋势相似,集水区中部以上的实际入渗深度变异系数明显大于底部,表现出更大的变异性。(3)集水区16个优先流观测样地的总染色面积比(Dc)、基质流深度(UF)、优先流比(PF)和优先流长度指数(L,)等染色形态参数空间差异性显著,且受入渗水量不同程度的影响(P<0.05)。入渗水量为25 111mm时,集水区S1—S4的总染色面积比、基质流深度和优先流长度指数比其他样地大,而优先流比则相反。入渗水量、总染色面积比、基质流深度以及优先流长度指数之间相互呈显著正相关关系,并且均与优先流比呈显著负相关关系(P<0.05)。集水区优先流的染色形态特征受大孔隙率和植被特征不同程度的影响。(4)集水区优先流对养分的运移作用也具有明显的空间异质性。Br-和NO3_均在S8达到最大运移深度60cm。集水区底部优先流的运移深度虽然较小,但是水分可以随壤中流快速运移至河道污染地表水。集水区不同部位的Br-和N03_含量随土层深度的增加主要呈现逐渐降低和先增加后减小2种变化趋势(P<0.05),并且二者在同一样地的变化趋势一般不同。优先流对Br-和NO3-运移的影响程度受优先路径运移能力和入渗阶段的综合影响。第一阶段每个样地的水分均主要沿着优先路径向下运动;第二阶段过程中,水分在S3和S11的土壤表层发生了明显的侧向运动,表现为较大的N03_含量;而在第三阶段中,水分在一半以上的观测样地中发生了明显的侧向运动,表现为较大的Br_含量。另外,后一阶段可以促进前一阶段保留在土壤优先路径中的水分继续向深层运移。综上所述,入渗水量的增加可以促进优先流向土层更深处发展,集水区中下部的优先流入渗深度和发育程度最大,底部入渗深度最小,但是侧向运动明显。这些研究结果可以为森林管理和区域水环境保护提供一定的理论指导。集水区人工林的抚育过程中,可以通过避免强降雨前施肥来降低优先流对地表水和地下水的污染。