全 文 ：黄土塬区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响*
高朝侠1 摇 徐学选1,2**摇 宇苗子2 摇 张少妮2 摇 赵传普1
( 1中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 2 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 土壤导水率及大孔隙数量是决定降雨鄄入渗的重要参数,对模拟土壤水分及溶质运
移、建立流域水文模型具有重要意义.为确定黄土区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响,
本文通过 Hood入渗仪及土壤水分特征曲线,比较了该区刺槐林地、草地、小麦地、苹果林地土
壤导水率、大孔隙度和大孔隙连通性的差异.结果表明: 研究区刺槐林地、草地、小麦地、苹果
林地的平均饱和导水率分别为 58. 60伊10-6、54. 90伊10-6、35. 30伊10-6、23. 40伊10-6 m·s-1,存在
显著性差异.不同土地利用方式下的单位面积有效大孔隙数目、大孔隙度及大孔隙连通性均
依次为:刺槐林地抑草地>小麦地>苹果林地.植被恢复通过植物根系穿插、土壤动物活动等形
成大孔隙,可显著提高土壤入渗性能.黄土区应坚持林草植被恢复措施.
关键词摇 土地利用方式摇 Hood入渗仪摇 导水率摇 大孔隙度
文章编号摇 1001-9332(2014)06-1578-07摇 中图分类号摇 S152摇 文献标识码摇 A
Impact of land use types on soil macropores in the loess region. GAO Zhao鄄xia1, XU Xue鄄
xuan1,2, YU Miao鄄zi2, ZHANG Shao鄄ni2, ZHAO Chuan鄄pu1 ( 1 Institute of Soil and Water Conserva鄄
tion, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100,
Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(6): 1578-1584.
Abstract: Soil hydraulic conductivity and macropores are important parameters for determining the
proportion of precipitation infiltration, simulating soil water and solution transport and establishing
the hydrologic model. To investigate the effect of land use types on macropores in soils, soil hydrau鄄
lic properties, macroporosity and macropore connectivity under different land use types ( locust
forestland, grassland, farmland and apple forestland) in the loess region were measured by Hood
infiltrometer and water retention curve. The results showed that the average hydraulic conductivities
under locust forestland, grassland, farmland and apple forestland were 58. 60伊10-6, 54. 90伊10-6,
35. 30伊10-6, 23. 40伊10-6 m·s-1, respectively. The differences among land use types were statisti鄄
cally significant (P<0. 05). The effective macropores per unit area, macroporosity and macropore
connectivity were highest in locust forestland and grassland, followed by farmland and apple forest鄄
land. As a consequence of vegetation restoration, macropores which developed by plant roots and
animal activity had significantly improved the soil infiltration capability. Restoring woods and
grasses should persist in the loess region.
Key words: land uses; Hood infiltrometer; hydraulic properties; macroporosity.
*国家自然科学基金项目 (41171421 )和中国科学院重点项目
(KZZD鄄EW鄄04鄄03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xuxuexuan@ nwasuaf. edu. cn
2013鄄12鄄19 收稿,2014鄄03鄄29 接受.
摇 摇 大孔隙的存在使土壤中的水分及溶质绕过周围
大部分的土壤基质,并且短时间内到达土壤深层,
产生大孔隙流,此时的非均质流不再符合达西定律,
土壤水分的流速和流量远大于达西定律描述下的运
动特性[1] .土壤大孔隙虽然仅占土壤体积的极小部
分,却在很大程度上影响着水分及溶质在土壤中的
运移[2-3] .测定土壤大孔隙的方法很多,通过入渗仪
测定不同压力下的导水率来推算大孔隙度是一种省
时、省力的方法[4] .目前,学者们利用该方法对大孔
隙流做了大量研究,如 Bodhinayake 和 Cheng[5]研究
了天然草地、雀麦草地及人工草地土壤大孔隙对水
分传导的贡献率;Bucako 等[2]应用 Hood 入渗仪研
究耕作方式对水力参数及大孔隙度的影响;Hold鄄
en[6]比较了不同覆被条件下土壤大孔隙特征,得出
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 6 月摇 第 25 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2014, 25(6): 1578-1584
半径小于 0郾 25 mm 的土壤孔隙仅能解释 22%的水
流通量;Carey 等[7]研究亚北极地区有机土壤不同
等级孔隙对水的传导作用,发现仅占总孔隙度
0郾 01%的大孔隙能够解释约 65%的水流通量.
黄土区历来以土壤侵蚀、水土流失严重而著称,
不仅制约着区域经济的发展,而且使人类赖以生存
的生态环境遭到严重威胁和破坏. 土地利用和覆被
变化(LUCC)引起的黄土区水循环响应问题越来越
受到学者的高度重视.一方面人工林草地耗水量大,
土壤有向干燥化发展的趋势[8],阻碍了降雨对地下
水补给;另一方面,林草地土壤大孔隙多数发育较
好,土壤优先流促进了降雨对地下水的补给[9-10] .许
多研究结果表明,土壤优先流形式在降雨补给地下
水的贡献中占主导地位[9,11] . 以往对黄土区治理流
域的研究发现,其常流水出现增加趋势[12] .因此,需
要探讨农、林、草地土壤大孔隙的特征差异及其土壤
优先流对地下水的补给机制. 本文利用 Hood 入渗
仪分析黄土区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影
响,旨在为黄土区 LUCC 变化下的区域水循环响应
研究提供科学依据.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区为中国科学院长武农业生态试验站王东
沟小流域(35毅12忆16义—35毅16忆00义 N,107毅40忆30义—
107毅42忆30义 E),海拔 950 ~ 1225 m,为典型的黄土塬
区,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温 9. 1
益,年均降水量 579. 6 mm,降水年际变化较大,且年
内分布不均,7—9 月降水量占全年降水总量的 55%
以上.
塬区土地利用方式主要分为 5 类:农用地、林
地、果园、草地以及难利用地. 农地占地面积 147. 4
hm2,占流域面积比例为 17. 8% ;由于苹果种植业的
迅速发展,果园面积达到了 240. 5 hm2,占比
29郾 0% ;林地面积为 254. 7 hm2,占比 30. 7% ;草地
面积 100. 6 hm2,占比 12. 1% ;难利用土地面积
86郾 9 hm2,占比 10. 5% [13] .
1郾 2摇 样地选择及土壤基本性质测定
本试验布设于王东沟小流域的塬坡上,选择刺
槐林地、草地、小麦地、苹果林地 4 种土地利用类
型[14](35毅13忆 N,107毅40忆 E,西向坡,海拔 1095 m,坡
度<15毅). 刺槐人工林面积 0. 68 hm2,刺槐树龄 26
年,郁闭度 80% ,树高(6. 8依1. 6) m,株行距 1. 5 m伊
1. 5 m,胸径(6. 4依2. 6) cm;林下有小灌丛,主要为
茅莓(Rubus parvifolius),郁闭度 55% ,株高(62. 8 依
11. 8) cm,密度 2 ~ 3 株·m-2;草本植物主要为白羊
草(Bothriochloa ischaemum),盖度 75% ,株高(42. 5依
11. 9) cm;其他伴生植物有:甘青针茅(Stipa przew鄄
alskyi)、赖草 ( Aneurolepidium dasystachys)、野牯草
(Arundinella hirta var. ciliate)、兴安胡枝子(Lespede鄄
za davurica)等.草地面积 0. 4 hm2,20 世纪 80 年代
初退耕为草地,为白羊草(Bothriochloa ischaemum)
群落,株高 60 cm,盖度 90% .农田面积 0. 5 hm2,耕
作年限逸20 a,耕种期间多种植玉米、小麦,试验时
作物为小麦.苹果林地面积 0. 15 hm2,林龄 15 a,郁
闭度 58% ,品种为长枝红富士,株行距 4 m伊5 m,南
北走向;苹果林长势良好,由于果树树干大及果农管
理到位,地面鲜见杂草.
利用马尔文激光分析仪测定土壤机械组成,重
铬酸钾法测定有机质含量,烘干法测定土壤容重及
根系生物量.试验样地表层土壤(0 ~ 20 cm)基本性
质如表 1 所示.
1郾 3摇 土壤水分特征曲线测定
采用环刀法(内径 5. 46 cm、高 5 cm)在各样地
内取土壤表层原状土样,每个样地重复 5 次. 利用
CR21G型高速恒温冷冻离心机测定原状土壤脱湿
过程的土壤水分特征曲线. 在 20 益恒温下设定 14
个不同转速(分别相当于吸力值 0、1、5、10、20、40、
60、80、100、200、300、400、600、1000 kPa)离心到平
衡时间,计算不同吸力下土壤体积含水率.由于离心
表 1摇 研究区表层 0 ~ 20 cm土壤基本性质
Table 1摇 Basic properties of the surface soil layer (0-20 cm) in the study area
土地利用类型
Land use
types
土壤容重
Bulk density
(g·cm-3)
土壤机械组成 Soil separates (% )
粘粒 Clay
(<0. 002 mm)
粉粒 Silt
(0. 002 ~ 0. 02 mm)
砂粒 Sand
(>0. 02 mm)
土壤有机质
Organic carbon
(g·kg-1)
根系生物量
Root biomass
(g·m-2)
A 1. 20 17. 3 37. 2 45. 5 17. 14 211. 81
B 1. 22 15. 6 35. 4 49. 0 14. 85 187. 45
C 1. 25 18. 3 38. 1 43. 6 11. 94 50. 21
D 1. 29 18. 6 38. 8 42. 6 10. 35 8. 28
A: 刺槐林地 Locust forestland; B: 草地 Grassland; C: 小麦地 Wheat farmland; D: 苹果林地 Apple forestland. 下同 The same below.
97516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 高朝侠等: 黄土塬区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响摇 摇 摇 摇 摇
法测定成本较高,故每个样地重复测定 3 次.通过测
定土壤水分特征曲线,可以得到一系列土壤含水量
和土壤吸力值.根据茹林公式 d = 3 / p(d 为与吸力
相当的土壤孔隙直径,p 为所施加吸力的厘米水柱
高)求得与相应吸力相当的土壤孔隙直径[15],从而
间接反映出土壤孔隙大小分布状况.
1郾 4摇 土壤入渗试验
土壤入渗试验于 2013 年 5 月 10—15 日进行,
利用 IL鄄2700 型 Hood入渗仪[16]依次对 4 种土地利
用类型的土壤进行测定,每个样地重复 5 次以上.试
验时尽量选择平整样地,用剪刀齐地面清除样方上
的植被,后将钢圈部分压入土壤,将水罩放置在钢圈
内并在水罩和钢圈之间用过筛子的饱和湿沙密封,
连接好仪器,通过调整马氏瓶调压管调整负压水头,
测定起泡压力(bubble point)到零压力(saturated)之
间,每间隔 1 cm 左右水压力下(即从不饱和到饱
和)的水分渗透速度.
1郾 5摇 数据处理
1郾 5郾 1 导水率的计算摇 土壤导水率与压力的关系可
以用 Gardner指数函数描述:
K(h)= Ks exp(琢h) (1)
式中:K(h)为给定压力下的导水率(m·s-1);h 为
Hood入渗仪中的压力水头( cm);Ks为饱和导水率
(m·s-1);琢为与土壤结构和毛管吸力有关的因子.
稳定入渗量 ( Q) 与圆形入渗面 ( r) 的关系
式[17]:
Q1
仔r2a
=K(h1)(1+
4
仔ra琢
) (2)
Q2
仔r2a
=K(h2)(1+
4
仔ra琢
) (3)
式中:ra为 Hood入渗仪入渗面半径(m);Q1、Q2分别
为压力 h1、h2下的稳定入渗量(m3·s-1);K(h1)、K
(h2)分别为压力 h1、h2下的导水率(m·s-1). 将式
(1)代入式(2)和式(3),可得 lnQ 与 h 的线性关系
(式 4),其中,琢即为直线的斜率.
琢= ln(Q1 / Q2) / (h1-h2) (4)
试验中往往很难精确调整负压水头,为了节省
时间且便于比较,通过拟合 lnQ 与 h(5 ~ 7 个点)的
直线关系,可插值求解精确负压水头下的稳定入渗
量,进而确定导水率.计算结果最终均换算为 10 益
的标准导水率,以供对比分析.
1郾 5郾 2 大孔隙分级摇 根据毛管上升公式(式 5)对大
孔隙进行分级.
r= -2滓cos茁籽gh 抑-
0. 15
h (5)
式中:r 为等效孔隙半径(m);滓 为水的表面张力
(g·s-2);茁为水与孔隙壁的接触角(设定为 0);籽
为水的密度( g·m-3);g 为重力加速度(m·s-2 ).
-3 cm水头压力对应 0. 1 cm 的等效孔径,-6 cm 水
头压力对应 0. 05 cm的等效孔径.
1郾 5郾 3 大孔隙度计算摇 以往研究大孔隙最通用的计
算方法是 Watson 和 Luxmoore[18]提出的方法(以下
简称 WL法).该法主要是通过泊肃叶公式计算大孔
隙数目及大孔隙度:
N=
8滋Km
仔pg( rm) 4
(6)
兹m =N仔( rm) 2 =
8滋Km
籽g( rm) 2
(7)
式中:N为单位面积有效大孔隙的最大数目;滋 为水
的粘滞系数(g·m-1·s-1);Km为大孔隙的张力传导
度,指设定不同梯度压力下相邻两个压力 K(h)之
间的差值(m·s-1 ); rm为设定孔隙范围的最小值
(m); 兹m为大孔隙度(% ).
Watson 和 Luxmoore[18]提出的大孔隙度计算公
式认为,小于等效直径的孔隙可以解释 100%的水
流通量,而大于等效直径的孔隙可看作被空气充满,
对水流通量贡献率为 0.另外,公式中分母采用的是
最小孔隙半径,实际上计算出来的是单位面积有效
大孔隙的最大数目和最大大孔隙度. 随后,Bodhi鄄
nayke等[19](以下简称 BK法)提出了计算大孔隙度
的修正公式,该公式将孔隙数量用区间上的定积分
予以表示(式 8).进一步推导,大孔隙度可用式(9)
表达.求解积分,最终结果如式(10)所示.
n( r) = 乙b
a
p(r)dr (8)
兹m(a,b) =
滋2籽g
滓2 乙
h(b)
h(a)
dK(h)
dh h
2dh (9)
兹m(a,b) =
2滋籽gKs
滓2
{exp(- 2滓琢籽gb )(
4滓2
(籽gb)2
+ 4滓籽gb琢 +
2
琢2
) - exp( - 2滓琢籽ga )(
4滓2
(籽ga)2
+ 4滓籽ga琢 +
2
琢2
)} (10)
式中:a、b分别为设定孔径的下、上限值(m),孔隙
的最大上限值为 0. 5 cm[5];n( r)为(a,b)半径范围
内的孔隙数量;P( r)为给定半径下的单位面积孔隙
数量;兹m(a,b)为(a,b)半径范围内大孔隙度.
0851 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土地利用方式对土壤导水性能的影响
由图 1 可以看出,随着基质吸力(负的压力水
头)的增加,不同土地利用方式下的土壤导水率均
呈现减小趋势.主要原因在于:基质吸力越大,参与
土壤水分传导的孔隙数量越少,导水率也就越低.当
基质吸力为 0 时,所有孔隙均参与水分传导,此时即
为饱和导水率;当基质吸力增加到 0. 3 kPa 时,只有
<1 mm的孔隙参与水分传导,导水率有所降低;基
质吸力增加到 0. 6 kPa 时,仅<0. 5 mm 的孔隙参与
水分传导,导水率更低.
不同土地利用方式下各土壤吸力导水率大小依
次为:刺槐林地>草地>小麦地>苹果林地,平均饱和
导水率(对应的基质吸力为 0)分别为 58. 60伊10-6、
54. 90伊10-6、35. 30伊10-6、23. 40伊10-6 m·s-1,存在
显著差异(P<0. 05),随着基质吸力的升高,各土地
利用方式导水率差异逐渐减小.其中,刺槐林地和草
地显著大于小麦地和苹果林地,说明植被在自然恢
复过程中对土壤产生了显著影响,使土壤导水率明
显提高.这些影响包括:1)通过根系的挤压、分割作
用,改变土壤结构,尤其是土壤中根孔的增加,有效
增加了土壤的孔隙含量;2)在地表形成枯枝落叶
层,有效防止土壤结皮的发生,从而防止了土壤结皮
对土壤水分的阻碍作用;3)使有机质含量提高,有
机质含量越高,越有利于团聚体的形成[20],促使土
壤容重变小,并且丰富的有机质又成为土壤动物食
物的来源,促使土壤动物活动更加频繁,有利于形成
大孔隙通道;4)不受人类耕作的影响,有利于土壤
动物的生存,由于土壤动物孔隙连通性较好且孔隙
直径较大,使水分在土壤中的运移速度加快,形成大
图 1摇 不同土地利用方式下土壤平均导水率
Fig. 1摇 Mean hydraulic conductivity of soils under different land
use types.
A: 刺槐林地 Locust forestland; B: 草地 Grassland; C: 小麦地 Wheat
farmland; D: 苹果林地 Apple forestland.
孔隙流,从而大大提高土壤导水率.苹果林地的导水
率最低,主要原因在于:果农管理到位,苹果林地仅
剩乔木层,灌木层及草本层均被耕作活动破坏,表层
土壤又缺乏枯枝落叶层的保护,基本不受苹果根系
的影响,而且经常喷水、打农药、修剪枝条等农事活
动,致使土壤表层密实,严重影响土壤水分入渗,以
致其导水率低于长期轮作的农地.
0 ~ 0. 3 kPa及 0 ~ 0. 6 kPa 吸力下导水率的变
化幅度可分别定性反映出 >1 mm、>0. 5 mm大孔隙
数量的丰缺.由图 2 可以看出,刺槐林地和草地的导
水率大幅下降,小麦地的降幅次之,苹果林地最平
缓,表明刺槐林地和草地>1 mm和>0. 5 mm的大孔
隙数量最多,其次是小麦地,苹果林地最少. 值得注
意的是,当基质吸力由 0. 3 kPa 增加到 0. 6 kPa 时,
导水率的降幅较 0 ~ 0. 3 kPa 更平缓,刺槐林地、草
地和小麦的降幅基本相同,表明这几类土地利用方
式下土壤中 0. 5 ~ 1 mm的孔隙数量基本一致,意味
着随着土壤吸力的增大,土壤质地将发挥越来越重
要的作用.
2郾 2摇 不同土地利用方式下土壤大孔隙的数量及其
对饱和导水率的贡献
经典的计算大孔隙度的方法为 WL 法,其值往
往偏大. BK法对其做了修正. 本文同时采用两种方
法并以 BK 法为基准,计算黄土区不同土地利用方
式下土壤的大孔隙度(表 2).
刺槐林地、草地、小麦地和苹果林地单位面积
>1 mm的大孔隙数目分别为(7依4)、(6依4)、(4依4)、
(2依1)个·m-2,>0. 5 mm的大孔隙数目分别为(164依
103)、(158依102)、(104依89)和(59依18)个·m-2 .其
中用 BK法计算出的单位面积有效大孔隙数目及大
孔隙度比 WL法小 18 ~ 25 倍. Holden[6]利用 WL 法
计算出泥炭地表层土壤的大孔隙度 ( > 1 mm)为
0郾 0058% ~ 0. 2169% ;Bodhinayake 和 Cheng[5]计算
出大麦和小麦地的土壤大孔隙度( >1 mm,BK 法)
为 0. 00022% ~ 0. 00116% ,且 BK 法比 WL 法小 10
倍以上;李伟莉等[21]计算结果表明,长白山暗棕色
森林土和棕色针叶林土表层的大孔隙数量( >0. 5
mm,WL法)约在 3 个数量级上.这些研究结果与本
研究结果基本一致.
大孔隙流对饱和导水率的贡献率由大孔隙的当
量孔径(1 或 0. 5 mm)对应的导水率占饱和导水率
的比重求得.由表 2 可以看出,>1 mm 可传导水分
的有效孔隙体积虽然仅占土壤体积的 0郾 0002% ~
0郾 0005% ,但对饱和导水率的贡献却达到36郾 2% ~
18516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 高朝侠等: 黄土塬区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 不同土地利用方式下大孔隙的数量
Table 2摇 Amounts of macropores under different land use types
土地利用
方式
Land use
types
孔隙分布
Pore
distribution
(mm)
WL方法 WL method
单位面积有效
大孔隙数目
Maximum number
of effective macropore
per unit area
( ind·m-2)
最大大孔隙度
Maximum
macroporsity
(% )
BK方法 BK method
单位面积有效
大孔隙数目
Number of effective
macropore per
unit area
( ind·m-2)
大孔隙度
Macroporsity
(% )
大孔隙流对饱和
导水率的贡献率
Contribution of
macropore to
total flow
(% )
A >1 147依94 0. 0116依0. 0074 7依4 0. 0005依0. 0003 46. 72依13. 86
>0. 5 3555依2218 0. 0698依0. 0436 164依103 0. 0032依0. 0020 69. 93依15. 66
B >1 144依103 0. 0113依0. 0081 6依4 0. 0005依0. 0004 44. 59依11. 42
>0. 5 3438依2196 0. 0675依0. 0431 158依102 0. 0031依0. 0020 68. 21依11. 49
C >1 94依86 0. 0074依0. 0067 4依4 0. 0003依0. 0003 44. 58依9. 76
>0. 5 2248依1904 0. 0441依0. 0374 104依89 0. 0020依0. 0017 68. 48依10. 97
D >1 45依10 0. 0036依0. 0008 2依1 0. 0002依0. 0001 36. 19依2. 08
>0. 5 1243依322 0. 0244依0. 0063 59依18 0. 0011依0. 0003 61. 10依2. 00
46. 7% ; > 0. 5 mm 的有效孔隙体积虽然仅占
0郾 0020% ~0. 0032% ,却能解释 61. 1% ~ 69. 9%的
饱和水流通量.土壤作为一种非均匀介质,是由不同
孔径大小的粒径形成,加之黄土颗粒点棱接触式支
架结构[22],是黄土疏松、孔隙丰富的主要原因.传统
土壤学根据土壤水分的类型将土壤孔隙分为毛管孔
隙和非毛管孔隙,非毛管孔隙一般对应土壤物理中
的大孔隙(如根孔、虫孔及裂缝),主要指田间含水
量与饱和含水量之间的孔隙,其值较大.本研究中的
大孔隙量比例极低,原因在于通过 Hood 入渗仪计
算的是可传导水分的大孔隙度,因此认为可传导水
分的大孔隙在土壤水分下渗过程中起着决定作用.
Dunn和 Phillips[23]研究耕作方式对大孔隙特征的影
响发现,免耕和传统耕作土壤中大孔隙(>0. 5 mm)
对饱和导水率的贡献分别为 74%和 79% ;Bodhina鄄
yake和 Cheng[5]通过张力入渗仪计算出在-0. 06 kPa
压力下(相当于>0. 5 mm 大孔隙)天然草地、雀麦草
地和人工草地大孔隙对水分传导的贡献率分别为
51% 、62% 、41% . 吕刚等[24]研究发现,辽西半干旱
区 8 种植被类型大孔隙度虽然仅占土壤体积的(>1
mm,WL法)0. 95% ~ 5. 24% ,却决定了饱和导水率
50%的变异.这些研究成果均与本研究结果相似.
2郾 3摇 不同土地利用方式下土壤大孔隙的连通性
大孔隙连通性指可传导水分的大孔隙度与静态
大孔隙度的比值[5] . Hood入渗仪计算出来的大孔隙
度是通过导水率推算出来,是具有水分传导功能的
大孔隙度.而土壤水分特征曲线法计算出的大孔隙
度是通过土壤体积含水率估算出来,是静态的大孔
隙度.绝大部分静态孔隙实际并不具备水分传导功
能 ,以>1 mm大孔隙度为例,土壤水分特征曲线法
表 3摇 不同土地利用方式下大孔隙(>1 mm)的连通性
Table 3摇 Macropore connectivity (>1 mm) under different
land use types
土地利用类型
Land use
types
WRC
(% )
大孔隙连通性
Macropore connectivity
WL方法
WL method
BK方法
BK method
A 3. 0 0. 003852 0. 000171
B 2. 9 0. 003973 0. 000177
C 2. 1 0. 003523 0. 000157
D 1. 8 0. 001991 0. 000096
WRC: 土壤水分特征曲线法计算出的>1 mm的大孔隙度 Macroporsi鄄
ty calculated from soil water characteristic curve data.
估算值是 Hood 入渗仪的 230 ~ 510 倍(WL 法)及
5300 ~ 11000 倍(BK 法) (表 3). 由此可见,可传导
水分的大孔隙实际占静态总大孔隙的比重非常小.
Buczko等[2]发现,压力膜法计算出的大孔隙度( >1
mm)是 Hood入渗仪的 150 ~ 350 倍,与本研究结果
基本一致.
免耕土壤(刺槐林地和草地)有利于土壤动物
的生存,土壤动物活动频繁,孔隙连通性较好;小麦
地和苹果林地受到人类耕作的影响,不利于土壤动
物生存,孔隙连通性较差,尤其是苹果林地,由于农
事活动频繁,土壤往往被压实,抑制了土壤动物活
动,大孔隙既不发育亦缺少连通性.说明大孔隙连通
性对土壤水分入渗起决定性作用.
3摇 讨摇 摇 论
植被在自然恢复过程中,不受人类耕作活动的
影响,通过根系和枯枝落叶对表层土壤结构及组成
产生影响,使土壤基本性质得到一定程度的改善,具
体表现为土壤容重降低、有机质含量升高、大孔隙数
量增多、连通性发育程度提高、导水能力增强. 人类
2851 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
耕作活动影响大孔隙的形成并破坏大孔隙连通性是
本文 4 种土地利用方式导水率及大孔隙数量差异的
主要原因.研究发现,免耕或少耕土壤的导水性能明
显大于传统耕作[2,5,25-26];勃海峰等[27]认为,土壤的
平均入渗速率和饱和导水率随着退耕年限的增加而
增加;王国梁等[28]认为,灌木和草本群落在小流域
植被恢复中起着至关重要的作用,对土壤稳定入渗
率的影响最大.以上结论与本研究结果基本吻合.
植被恢复通过植物根系穿插、土壤动物活动等
形成大孔隙,为优先流的发生提供了必要的路径,使
降雨通过这些大孔隙通道以优先流的方式快速向土
壤深层运移,从而对深层土壤或地下水形成补给.已
有研究得出,在黄土塬区,活塞流和优先流并存于降
雨入渗过程中[10] .甚至一些同位素信息证实了黄土
区存在降雨鄄地下水的转化[9] . 因此,黄土区应坚持
采取植被恢复措施.
有研究证实,黄土区优先流的发生程度与土地
利用类型有关,高耗水型人工林草地因水分负平衡
所形成的深厚土壤干层会减弱这种优先补给发生的
可能性[10];也有人建议在退耕还林、还草时,应优先
考虑恢复灌木和草本植物[28] . 因此,植被恢复后形
成的大孔隙通道能多大程度补偿由于土壤低湿层削
弱的补给能力还有待于进一步研究,以便选择合适
的植被恢复群落,推进生态恢复进程.
黄土塬区土地利用方式会影响土壤的入渗能
力,明显表现为农地的饱和入渗能力远低于林、草
地.引起土壤入渗能力差异的主要原因是耕作活动
影响了土壤大孔隙的形成,破坏了大孔隙连通性.单
位面积有效大孔隙数目及大孔隙度由大到小顺序
为:刺槐林地抑草地>小麦地>苹果林地,说明生产
活动降低了土壤大孔隙. 大孔隙虽然仅占土壤体积
的极小一部分,却对土壤水分传导起到了至关重要
的作用.如果黄土区坚持退耕还林、还草等生态植被
建设政策,土壤在根系穿插、土壤动物活动影响下,
大孔隙必将进一步发育,大孔隙优先流会对区域水
循环、水环境产生更明显的作用———即地下水循环
会逐渐得到增强.
致谢摇 感谢张乐涛在论文撰写及修改过程中提出建设性意
见!
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作者简介摇 高朝侠,女,1989 年生,硕士研究生.主要从事流
域水循环研究. E鄄mail: zhaoxiagao@ sina. com
责任编辑摇 杨摇 弘
4851 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷