全 文 ：植被发育玄武岩斜坡土体大孔隙尺寸
及其主要影响因素*
官摇 琦1 摇 徐则民2**摇 田摇 林2
( 1昆明理工大学地球科学系, 昆明 650093; 2昆明理工大学土木系, 昆明 650500)
摘摇 要摇 极端异常气候诱发植被发育斜坡发生滑坡灾害的数量逐年攀升,土体大孔隙产生的
优先流对其有重要影响.本文结合水分穿透曲线和 Poiseulle方程对马卡山植被发育玄武岩斜
坡土体大孔隙的半径范围、数量、平均体积进行估算,分析了该区土体大孔隙分布情况及其主
要影响因素.结果表明:研究区域主要植被下土体大孔隙半径在 0. 3 ~ 1. 8 mm,主要集中在
0郾 5 ~ 1. 2 mm,1. 4 ~ 1. 8 mm的大半径孔隙相对较少, 而<1. 4 mm的小半径孔隙较多.随着剖
面发育,大孔隙表现为上部土层多、下部土层少的特点.大孔隙平均体积决定了稳定出流速率
84. 7%的变异.在影响大孔隙平均体积大小的诸多因素中,植被根系质量密度与其呈线性关
系,相关系数为 0. 70,土壤有机质含量与其呈线性关系,相关系数为 0. 64.
关键词摇 土体大孔隙摇 半径范围和数量摇 平均体积摇 水分穿透曲线摇 Poiseulle方程
文章编号摇 1001-9332(2013)10-2888-09摇 中图分类号摇 P642. 22摇 文献标识码摇 A
Sizes of soil macropores and related main affecting factors on a vegetated basalt slope. GUAN
Qi1, XU Ze鄄min2, TIAN Lin2 (1 Department of Earth Science, Kunming University of Science and
Technology, Kunming 650093, China; 2Department of Civil Engineering, Kunming University of Sci鄄
ence and Technology, Kunming 650500, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(10): 2888-2896.
Abstract: The landslide on vegetated slopes caused by extreme weather has being increased steadi鄄
ly, and the preferential flow in soil macropores plays an important role in the landslide. By using
water breakthrough curve and Poiseuille equation, this paper estimated the radius range, amount,
and average volume of soil macropores on a vegetated basalt slope of Maka Mountain, Southwest
China, and analyzed the distribution of the soil macropores and the main affecting factors. In the
study area, the radius of soil macropores ranged from 0. 3 to 1. 8 mm, mainly between 0. 5 and
1郾 2 mm. The large鄄radius macropores (1. 4-1. 8 mm) were lesser, while the small鄄radius macro鄄
pores (<1. 4 mm) were more. With the development of soil profile, soil macropores were more in
upper layers and lesser in deeper layers. The average volume of the macropores contributed 84. 7%
to the variance of steady effluent rate. Among the factors affecting the average volume of the large
macropores, vegetations root mass had a linear relationship, with the correlation coefficient being
0郾 70, and soil organic matter content also had a linear relationship, with the correlation coefficient
being 0. 64.
Key words: soil macropore; radius range and amount; average volume; water breakthrough curve;
Poiseuille equation.
*国家自然科学基金鄄云南联合基金重点项目(U1033601)和交通部
西部科技项目(200831876723)资助.
**通讯作者. E鄄mail: abc5100@ 188. com
2013鄄01鄄16 收稿,2013鄄07鄄13 接受.
摇 摇 20 世纪中期以来,全球变暖趋势日益严重,强
降雨等极端异常气候引发的次生灾害频率逐年攀
升,已引起全球相关领域学者的高度重视. 1987 年 7
月,意大利 Valtellina 植被发育的谷坡区(以木本植
被为主)遭受 180 mm 的强降雨,诱发大量滑坡,密
度高达 6 ~ 7 处·km-2[1] . 1993 年 11 月,400 mm 强
降雨在香港大屿山岛诱发滑坡 828 处,密度高达
6 处·km-2[2] .据许增旺[3]对该岛 1945—1994 年间
5670 个滑坡的统计,近 97%的滑坡发生于植被发育
的林地及草甸区. 1998 年 6 月,美国俄亥俄州东南
部遭受了 72 h、165 mm的强降雨,诱发了大量滑坡,
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 10 月摇 第 24 卷摇 第 10 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, Oct. 2013,24(10): 2888-2896
77 号洲际公路仅 64 km 路段就有 60 余处滑坡,造
成 1. 79 亿美元的经济损失,植被(以灌木为主)是
导致此次滑坡灾害发生的重要因素之一[4] . 通过以
上实例可以看出,滑坡灾害高发区的山区流域斜坡
一般覆盖有不同类型的植被,从时间顺序上看,降雨
与滑坡是通过“降雨寅部分雨水穿透植被盖层转化
为斜坡地下水寅地下水与岩土体相互作用寅滑坡冶
这一系列过程而发生间接联系. 有植被发育的林地
土壤对水分的储存与调节发挥着巨大作用,并且在
植被生长发育的不同阶段,对土壤的理化性质有不
同的影响[5] .由于土壤的胀缩、干湿交替、冻融作用
(干裂缝)、土壤中溶质的溶解、土体动物的生命活
动(动物通道)、植物根系发育以及死亡后留下的根
系通道、土壤团聚体等形成的大孔隙在林地土体中
普遍存在.大孔隙的存在明显加速土壤水分的下渗,
加快了地下水的响应速度,从而导致水分在运动过
程中不能与大部分土体充分发生相互作用,直接进
入深层土壤,使部分学者认为,由于大孔隙所产生的
优先流(preferential flow)成为深层土壤水分来源可
能的唯一方式[6] .同时,表层土壤水分下渗过快,也
影响到植物根系对水分的利用率[7] . Beasely[8]研究
发现,森林坡地降水 20 min 后出现壤中流(即表层
流),同时土壤上层剖面并未达到饱和状态;Mos鄄
ley[9]计算后发现,40%的降水几乎未经过土壤上
层,直接通过大孔隙迅速入渗;Harr[10]研究发现,在
一些陡坡流域中,壤中流提供了暴雨径流的 97% .
大孔隙系统能够优化地下水补给环境,促进斜
坡水循环,从而加剧植被发育斜坡发生滑坡灾害的
潜在可能性. 主要表现在以下两方面:1)在非饱和
环境中,强降雨过程中部分雨水通过土体大孔隙快
速下渗到下部土层,可能造成部分土体含水率增大,
基质吸力(负孔隙水压力)减小,土体抗剪强度减
小,斜坡失稳. 2)在饱和环境中,大部分雨水可能通
过土体大孔隙快速绕过上部土层直接渗透到土岩界
面形成上层滞水,然而上层滞水含水层的正孔隙水
压力造成土体有效强度降低和滑坡的发生. 强降雨
过程中雨水通过大孔隙下渗有可能造成局部潜水含
水层水位抬升,并且斜坡土体中潜水孔隙水压力季
节性波动引起的周期性胀缩削弱了土体介质的粒间
连接,最终造成斜坡失稳;同样在降雨期间,斜坡内
部深层的承压水可能会由于其水位抬升及其含水层
超孔隙水压力诱发滑坡.
由于目前对大孔隙的研究还不是很成熟,对大
孔隙的理解和定义不同,各种方法得到的大孔隙半
径范围并不一致,导致不同学者对大孔隙范围的划
分存在分歧.土壤大孔隙一般可以从以下三方面去
定义[11]:1)土壤大孔隙三维空间尺度(孔径 0. 03 ~
3 mm);2)排空大孔隙中水量所需压力值(5 kPa);
3)土壤导水率大小(1 ~ 10 mm·h-1). 大孔隙普遍
存在于温湿气候区的植被发育斜坡非饱和带[12-13];
强降雨期间,大孔隙中优先流或紊态非达西流的出
现不仅使非饱和带呈现紊流、层流并存的格局[14],
而且导致湿润前锋面不水平、非平面,甚至非连续,
远远超出了基于达西定律的 Richards模型所能描述
的范畴,同时也在很大程度上决定着斜坡地下水对
降雨的水量响应行为.因此,对于划分大孔隙范围相
对科学的办法是利用水分动力学的相关观点[15-16] .
本文所指土体大孔隙的孔径范围在 0. 03 ~ 3 mm.有
机质本身及其降解产物中的有机胶结物质是控制土
壤团聚体形成和稳定的重要因素. 根系发育需要有
机质转化而来的养分,一般情况下,腐烂的树根一年
能够形成一定数量的连续贯通的大孔隙,成为快速
的导水通道,如 Gaiser[17]在 1 hm2范围内的林地(以
阔叶植被为主)中发现 4000 多个垂直的根孔. 以有
机质为食物来源的土体动物的生命活动,是形成动
物通道的主要因素,蚯蚓通道和蚂蚁通道同样作为
土体大孔隙的主要类型,对土壤水分的运移有重要
影响[18-19] .说明来自植物、动物、微生物的残体及其
分泌、排泄物中的有机质(OM)是影响植被发育斜
坡土体大孔隙形成的重要因素. 本文利用 Poiseuille
方程和水分穿透曲线研究植被发育斜坡土壤大孔隙
的分布情况,并结合有机质含量、土壤颗粒粒度分布
和根系质量密度的测定,初步探讨了植被发育斜坡
大孔隙特征及其影响因素.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
本试验地点设置在云南省昆明市呈贡县段家营
流域马卡山斜坡区 ( 24毅 51忆 34义—24毅 51忆 55义 N,
102毅52忆04义—102毅52忆20义 E),位于段家营西侧,试验
地距昆明理工大学呈贡校区 2. 5 ㎞.该区属北亚热
带低纬高原季风气候,并受滇池小气候调节,冬暖夏
凉,四季如春;年均气温 14. 7 益,1 月平均气温
7. 7 益,7 月平均气温 19. 9 益,年均无霜期 285 d,年
均日照时数 2200 h. 年均降水量 789. 6 mm,干湿季
分明,降雨集中在 4—10 月,期间降雨量占全年的
80% ,盛行西南风.马卡山最高峰海拔 2085 m,坡脚
海拔 2002 m,坡高 83 m,平均坡度 35毅.试验区植被
988210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 官摇 琦等: 植被发育玄武岩斜坡土体大孔隙尺寸及其主要影响因素摇 摇 摇 摇 摇
覆盖度在 95%以上,主要植被有 24 种,其中,木本
植物以云南松(Pinus yunnanensis)为主,其数量占该
区所有木本植被总量的 60%以上,另有华山松(Pi鄄
nus armandii)、云南油杉 (Keteleeria evelyniana)、圆
柏(Sabina chinensis)、蓝桉(Euealyptus globulus)、小
雀花(Campylotropis polyantha)、西南栒子(Cotoneas鄄
ter franchetii)、刺萼悬钩子(Rubus alexeterius)、细齿
叶柃(Euryanitida Korthals)、车桑子(Dodonaea vis鄄
cose)等;草本植物以狗牙根(Cynodon dactylon)为
主,其数量占所有草本植被总量的 60%以上,另有
白草(Pennisetum flaccidum)、蔗茅(Erianthus rufipi鄄
lus)、野艾蒿(Artemisia laandulaefolia)、白花鬼针草
(Bidens pilosa var. radiate)等.研究区域斜坡土体的
成土母质均为峨眉山玄武岩,并且研究区域位于峨
眉山玄武岩分布带的中心地区,取样所选土壤剖面
同样较典型,土层厚度在 500 mm 左右,随着土壤剖
面发育,深度达到500 mm时,即有大量玄武岩腐岩
出露.土壤以黄棕壤为主,成土母质为玄武岩风化的
残积物和坡积物. 在 300 mm 左右的土层中出现大
量蚂蚁洞.
1郾 2摇 土样采集
2012 年 7 月中旬,在研究区域利用 100 cm3(直
径 50 mm,高 50 mm)的环刀分别在草本和木本植被
发育区域各选取一种有代表性的植被,进行土壤取
样,共 30 个样品.木本植物以云南松为代表,草本植
物以狗牙根为代表,两种植被各分为 3 组取样,每组
5 个样品,即每种植被下有 15 个样品,尽量减少人
为扰动,带回实验室,测定土壤水分穿透曲线. 距样
点水平距离 100、150、200、250 mm范围内,分 5 层取
土样,每层间隔 100 mm,每层土样都由 3 点取样,用
来测定土样容重、有机质含量、根系质量密度、土壤
颗粒粒度分布,最后取 3 点平均值(表 1).
1郾 3摇 数据处理
依据 Radulovich等[20]提出的方法,把土体大孔
隙定义为介于田间持水量与饱和含水量之间的孔
隙,土体大孔隙水势一般在 0 ~ 5 kPa[21],当其达到
田间持水量之后,由土壤基质(固体)的吸附力和毛
管力造成的势能几乎为 0,此时水分入渗速率主要
受供水强度影响.由于土壤水分运动较慢,处于层流
范围,假设土体孔隙为圆形,利用 Poiseulle 方程[22]
建立流量与孔径之间的关系:
Q=仔r4驻p / (8浊子L) (1)
当水流达到稳定状态时,有:
Q=仔r2子L / t (2)
由土壤学的基本原理可知,在田间持水量与饱
和含水量之间,土壤水分的排水过程首先是大孔隙
排水,然后排水的孔径逐渐减小. 对于某个固定土
样,其最大孔隙半径就是第 1 次出水时的半径;最小
孔隙半径为水流开始达到稳定时的半径,当水流达
到稳定状态时,土样中所有大孔隙开始持续排水.因
此,结合式(1)、(2)即可算出该土样大孔隙的当量
孔径:
r=子L[8浊 / ( t驻p)] 1 / 2 (3)
式中:Q 为单位流量 ( cm3 ·s-1 ); r 为孔隙半径
(cm);子为水流实际路径与土柱长度的比值,一般
取 1. 2; L 为土柱长度 ( cm);浊 为水的粘滞系数
(g·cm-1·s-1);吟p 为压力水头(cm);t 为从第一
次加水开始计时的时间( s) .通过对任意时间排水
表 1摇 取样地点基本概况
Table 1摇 Basic conditions of sampling sites
植被类型
Vegetation
坡度
Slope
(毅)
海拔
Elevation
(m)
取样深度
Sampling depth
(mm)
容重
Bulk density
(g·cm-3)
砂粒
Sand
(% )
粉粒
Silt
(% )
粘粒
Clay
(% )
根系质量密度
Root mass
density
(g·kg-1)
有机质含量
Organic
matter
content
(% )
总孔隙率
Total
porosity
(cm3·cm-3)
土壤剖面描述
Soil profile
description
CDP 18. 7 2022 0 ~ 100
100 ~ 200
200 ~ 300
300 ~ 400
400 ~ 500
1. 05
1. 11
1. 13
1. 21
1. 19
57
52
56
48
52
36
37
34
43
41
7
11
10
9
7
4. 54
1. 80
1. 57
0. 39
0. 46
3. 8
2. 0
1. 6
0. 2
0. 1
0. 16
0. 09
0. 14
0. 04
0. 04
D鄄1、P鄄1、SC鄄1
D鄄2、P鄄2、SC鄄2
D鄄2、P鄄1、SC鄄2
D鄄3、P鄄2、SC鄄3
D鄄3、P鄄3、SC鄄4
PYF 23 1999 0 ~ 100
100 ~ 200
200 ~ 300
300 ~ 400
400 ~ 500
1. 21
1. 29
1. 19
1. 23
1. 22
46
44
53
40
39
40
39
40
47
45
14
17
7
13
16
6. 46
4. 38
4. 54
1. 33
0. 83
4. 9
2. 7
2. 7
0. 6
0. 2
0. 21
0. 17
0. 27
0. 07
0. 02
D鄄1、P鄄1、SC鄄1
D鄄1、P鄄2、SC鄄1
D鄄2、P鄄2、SC鄄2
D鄄2、P鄄3、SC鄄3
D鄄3、P鄄3、SC鄄4
CDP: 狗牙根 Cynodon dactylon; PYF: 云南松 Pinus yunnanensis.下同 The same below. D代表土壤分化程度,1、2、3 分别代表强、中、弱; P代表
土壤结构性,1、2、3 分别代表好、中、差; SC代表土壤松紧程度,1、2、3、4、5 分别代表极疏松、疏松、稍紧实、紧实、极紧实 D represented the differ鄄
entiation, 1, 2 and 3 were for strong, moderate and weak, respectively. P represented the pedality, 1, 2 and 3 were for good, medium and bad, respec鄄
tively. SC represented the soil compactness, 1, 2, 3, 4 and 5 were for extremely loose, loose, slight compactness, compactness and extremely compact鄄
ness, respectively.
0982 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 24 卷
量进行观测,可利用式(3)计算出相应的孔隙半径,
并用一定间隔(0. 1 ~ 0. 3 mm)形成相应的孔隙范围
(假设有 t1 孔隙半径 r1和 r2,此时 r1 ~ r2即为相应的孔隙范
围),假设某个孔隙的孔径面积为 A( cm2),水流速
率为 V(cm·s-1),则单位流量为:
Q=nAV=n仔r2V (4)
求出了大孔隙当量孔径之后,可利用上式计算
大孔隙的数量(n).
摇 摇 求出相应的孔隙范围之后,在每个大孔隙半径
范围中取其中间半径值,转化为相应的孔隙面积,并
乘以相应半径范围内大孔隙的数量,得到该范围大
孔隙的总面积,再乘以土柱长度,得到相应的大孔隙
体积,最后对所有大孔隙半径范围内的大孔隙体积
加权平均,得到大孔隙平均体积.
1郾 4摇 测定方法
1郾 4郾 1 水分穿透曲线的测定摇 将取回的土样放置在
水中 12 h,使其充分饱和,然后放置 12 h 使其达到
田间持水量.为了避免水分在下渗过程中,从土壤与
环刀内壁之间的孔隙流出,在环刀边缘和内壁均匀
涂抹薄层(<0. 5 mm)医用凡士林[23] .在土柱表层放
置一张滤纸(GB 1915—1980 定性滤纸),防止水分
的冲刷破坏表层土壤结构,尤其针对表层土壤团聚
体的结构性孔隙. 用马氏瓶控制水头 1 cm,从加水
时开始计时,当土柱下部有水流出时,每隔 5 s 收集
出水流量,直到水流通量达到稳定为止,根据记录的
出水流量和时间制作水分穿透曲线.
1郾 4郾 2 有机质含量的测定摇 采用重铬酸钾容量法测
定有机质含量.
1郾 4郾 3 土壤颗粒粒度分布摇 >2 mm的土壤颗粒采用
筛分法;<2 mm的土壤颗粒采用高通量全自动样品
处理湿法激光粒度分析仪(型号:LS 13320).
1郾 4郾 4 根系质量密度 摇 室内采用淘洗、筛分等方法
选出植被根系,在室温下放置 24 h 之后,称量根系
质量,计算不同深度的根系密度.
1郾 5摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 和 Origin 8. 0 软件对
数据进行分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同植被下土壤水分穿透曲线的差异
由于不同植被下土壤剖面发育程度不同,研究
区狗牙根和云南松下土壤的水分穿透曲线表现出明
显差异(图 1).总体上,水分穿透曲线的变化主要集
图 1摇 狗牙根和云南松下土壤水分穿透曲线
Fig. 1摇 Soil water breakthrough curve of CDP and PYF.
CDP: 狗牙根 Cynodon dactylon; PYF: 云南松 Pinus yunnanensis.下同
The same below.
中在 0 ~ 300 mm土层,而在 300 ~ 500 mm土层中相
对稳定. 0 ~ 100 mm 土层水分穿透曲线的变异程度
相对较高.
云南松各土层水分穿透曲线的变异程度均高于
狗牙根.根据现场对两地土壤剖面的发育情况调查
表明,随着土壤深度的增加,土壤有机质含量逐渐减
少,根系含量依次减少,土壤动物、微生物活动频率
逐渐降低,土壤分化逐渐减弱,大孔隙逐渐减少. 0 ~
100 mm 土层的根系较多,土层分化强烈,土壤颗粒
较小,有机质含量较高,土壤团聚体较多,土壤动物
活动较频繁,因此,孔隙较多、孔隙度较大、透水性较
好.出流速率在 100 ~ 200 mm 土层迅速降低,并在
200 ~ 300 mm 土层缓慢增加,可能与第 2 层出现粘
土聚集带有关. 300 ~ 400 mm 土层根系含量与
400 ~ 500 mm土层相差不大,有机质含量均较低,土
壤分化弱,土体动物、微生物活动迹象不明显,导致
土体孔隙较少,透水性较差.由于木本植物云南松净
初级生产力高于狗牙根,土壤剖面发育较草本植被
好,有机质含量较高,根系较发育,孔隙度较大,因此
大部分土层的稳定出流速率均高于狗牙根;并且云
南松下土体的变异性较强,尤其是在 0 ~ 200 mm 土
层.
本文中的土壤水分穿透曲线自有水流开始到水
198210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 官摇 琦等: 植被发育玄武岩斜坡土体大孔隙尺寸及其主要影响因素摇 摇 摇 摇 摇
流稳定,大约需要 50 ~ 60 s,说明在此时间段内,大
孔隙对水流流速的影响显著,对水流的阻力相对较
小.虽然两种植被下的土层稳定出流速率随着土壤
剖面的发育呈逐渐减小趋势,但对降雨过程中土壤
水分通过土体大孔隙下渗的影响不明显,大部分雨
水仍然能够通过腐岩岩体结构面和岩体裂隙继续下
渗,从而加快地下水的响应速度,影响斜坡的稳定
性.
2郾 2摇 不同植被下土体大孔隙分布特征
2郾 2郾 1 大孔隙尺寸分布 摇 由表 2 可以看出,研究区
狗牙根下土体大孔隙半径范围在 0. 3 ~ 1. 6 mm,主
要集中在 0. 6 ~ 1. 2 mm,平均在 0. 62 ~ 0. 93 mm;云
南松下土体大孔隙半径范围在 0. 3 ~ 1. 8 mm,主要
集中在 0. 5 ~ 1. 2 mm,平均在 0. 50 ~ 0. 90 mm.该结
果与石辉等[24] 的研究结果 (主要集中在 0. 3 ~
2郾 4 mm,平均在 0. 48 ~ 1. 17 mm)稍有差异,原因可
能是石辉等[24]研究区域内的植被生长环境优于本
文所涉及的研究区域,植被类型、土壤类型、年降雨
量、相对湿度等因素更有利于土体大孔隙的发育.对
两种植被下土体大孔隙平均半径随深度变化的特征
分析得出:上部土层孔隙大,下部土层孔隙小,并且
随土层深度加深,土体大孔隙半径范围均呈递减
表 2摇 两种植被下土体大孔隙数量、半径范围、平均体积、稳定出流速率
Table 2摇 Numbers, radius range, mean volume and steady effluent rate of soil macropores under two vegetations
植被类型
Vegetation
type
深度
Depth
(mm)
半径范围
Radius range
(mm)
中点半径
Middle radius
(mm)
大孔隙数量
Amounts
(number·m-2)
大孔隙平均体积
Macropore mean
volume
(cm3·cm-3)
平均半径*
Mean radius
(mm)
稳定出流速率
Steady effluent rate
(mL·s-1)
CDP 0 ~ 100 1. 6 ~ 1. 4 1. 50 2038 0. 01 0郾 93 0郾 28
1. 4 ~ 1. 2 1. 30 3057 0. 02
1. 2 ~ 1. 0 1. 10 12739 0. 05
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 31423 0. 08
0. 8 ~ 0. 7 0. 75 20127 0. 04
100 ~ 200 1. 3 ~ 1. 0 1. 15 8407 0. 04 0郾 81 0郾 16
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 16560 0. 04
0. 8 ~ 0. 7 0. 75 18344 0. 03
0. 7 ~ 0. 6 0. 65 15796 0. 02
200 ~ 300 1. 3 ~ 1. 0 1. 15 11465 0. 05 0郾 80 0郾 22
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 17834 0. 04
0. 8 ~ 0. 6 0. 70 29682 0. 05
300 ~ 400 0. 9 ~ 0. 7 0. 80 11717 0. 02 0郾 67 0郾 08
0. 7 ~ 0. 5 0. 60 10701 0. 01
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 9427 0. 02
400 ~ 500 0. 8 ~ 0. 6 0. 70 11332 0. 02 0郾 62 0郾 08
0. 6 ~ 0. 3 0. 45 37197 0. 01
PYF 0 ~ 100 1. 8 ~ 1. 5 1. 65 2720 0. 02 0郾 90 0郾 36
1. 5 ~ 1. 2 1. 35 9294 0. 05
1. 2 ~ 1. 0 1. 10 10504 0. 04
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 40385 0. 10
0. 8 ~ 0. 7 0. 75 26649 0. 05
100 ~ 200 1. 6 ~ 1. 2 1. 40 7779 0. 05 0郾 77 0郾 20
1. 2 ~ 1. 0 1. 10 11983 0. 05
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 28779 0. 07
0. 8 ~ 0. 5 0. 65 41093 0. 06
200 ~ 300 1. 7 ~ 1. 4 1. 55 2181 0. 02 0郾 81 0郾 33
1. 4 ~ 1. 2 1. 30 9142 0. 05
1. 2 ~ 1. 0 1. 10 12346 0. 05
1. 0 ~ 0. 8 0. 90 33571 0. 09
0. 8 ~ 0. 6 0. 70 69962 0. 11
300 ~ 400 0. 8 ~ 0. 6 0. 70 30639 0. 05
0. 6 ~ 0. 4 0. 50 35887 0. 03 0郾 60 0郾 08
400 ~ 500 0. 7 ~ 0. 5 0. 60 15797 0. 02
0. 5 ~ 0. 3 0. 40 33670 0. 01 0郾 50 0郾 04
*大孔隙的平均半径为大孔隙数量的加权平均结果 Macropore mean radius was the average value of macropore amounts.
2982 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 24 卷
的变化规律.两种植被大孔隙平均半径差异主要表
现在0 ~ 300 mm土层.大孔隙最大半径范围一般出
现在0 ~ 100 mm土层中(狗牙根 1. 4 ~ 1. 6 mm, 云
南松 1郾 5 ~ 1. 8 mm);100 ~ 200 mm和 200 ~ 300 mm
土层中,两种植被下土体大孔隙半径范围的差异明
显,狗牙根为 0. 6 ~ 1. 3 mm,云南松为 0. 5 ~ 1. 7
mm.这可能主要是由于植被根系一般在该土层发育
较好,该层的根系多于下部土层,但不同种类植被的
根系发育情况不同,导致两种植被相应土层大孔隙
发育情况有明显差异. 有机质的加入(枯枝落叶层
和根系代谢)、移出、更新在表层有较好的循环过
程,导致土壤动物、微生物活动频繁,随着土层的加
深,土体越来越致密,根系含量逐渐减少,有机质迁
移路径、方式相应减少,导致土体动物生命活动逐渐
微弱,孔隙度变小,数量减少. 狗牙根和云南松下土
体大孔隙的最小半径范围相差不大,分别为 0. 3 ~
0. 6 mm和 0. 3 ~ 0. 5 mm,但均为土壤通气孔中的粗
孔隙半径范围(孔径大于 0. 3 或 0. 2 mm)的 1 ~ 2
倍.因此,研究区域内土体大孔隙在降雨期的排水过
程迅速,尤其是当土壤饱和时,水分运动更剧烈,明
显加快了土壤水分的下渗和地下水的响应速度,从
而影响斜坡的稳定性.
2郾 2郾 2 大孔隙数量摇 两种植被土壤均表现为大半径
孔隙(>1. 4 mm)较少、小半径孔隙较多的特点. 狗
牙根下土体大孔隙最大的半径范围为 1. 4 ~
1. 6 mm,每平方米仅 2038 个,占狗牙根下土体大孔
隙总数量的 0. 8% ;最小半径范围为 0. 3 ~ 0. 6 mm,
每平方米有 37197 个, 占狗牙根下土体大孔隙总数
量的 13. 9% ;大孔隙半径主要集中在 0. 6 ~ 1. 2
mm, 占狗牙根下土体大孔隙总数量的 80. 2% .石辉
等[24]研究表明,所有属于草本植被的土壤样品中,
土体大孔隙最大半径范围在 1. 2 ~ 1. 7 mm,每平方
米有 4300 个,占草本植被总大孔隙数量的 2. 2% ;
最小半径范围在 0. 5 ~ 0. 7 mm,每平方米有 85600
个,占草本植被总大孔隙数量的 44. 6% ,大孔隙半
径主要集中在 0. 5 ~ 1. 2 mm,占草本植被总大孔隙
数量的 91. 4% .云南松下土体大孔隙最大半径范围
为1. 5 ~ 1. 8 mm,每平方米仅 2720 个,占云南松下
土体大孔隙总数量的 0. 6% ;最小半径范围为 0. 3 ~
0. 5 mm,每平方米 33670 个,占云南松下土体大孔
隙总数量的 8. 0% ;大孔隙主要集中在半径为 0. 5 ~
1. 2 mm范围内,占云南松下土体大孔隙总数量的
76. 2% .石辉等[24]研究表明,所有属于木本植被的
土壤样品中,土体大孔隙最大半径范围在 1. 6 ~ 2. 4
mm,每平方米仅有 1300 个,占木本植被总大孔隙数
量的 0郾 3% ;最小半径范围在 0. 3 ~ 0. 5 mm,每平方
米有 74900 个, 占木本植被总大孔隙数量的
15郾 3% ;大孔隙半径主要集中在 0. 3 ~ 1. 4 mm 范围
内,占木本植被总大孔隙数量的 94% . 对比本文与
石辉等[24]的研究结果发现,不同植被类型、土壤类
型、年降雨量、相对湿度等因素对土体大孔隙各半径
范围内的数量有重要影响.总体上,木本植被下的大
孔隙数量远大于草本植被,并且木本植被中大孔隙
半径主要集中在 0. 3 ~ 1. 4 mm,草本植被中大孔隙
半径主要集中在 0. 5 ~ 1. 2 mm.随着土层的加深,土
壤大孔隙数量有逐渐减小趋势,上部土层大孔隙数
量存在较大变异,这可能是由于草本和木本植被下
土壤剖面发育程度不同,根系生长情况、石砾含量和
空间分布存在差异.
2郾 2郾 3 大孔隙平均体积 摇 总体上,云南松各土层大
孔隙平均体积均高于狗牙根相应土层;随着土壤深
度的增加,两种植被下土壤大孔隙平均体积均呈逐
渐减小趋势;200 ~ 300 mm 土层大孔隙平均体积均
大于 100 ~ 200 mm 土层(图 2),这可能是由于在
100 ~ 200 mm 土层内粘土大量聚集,将原生大孔隙
堵塞,部分生物孔隙出现在 200 ~ 300 mm 土层(蚂
蚁洞).云南松土体比狗牙根更适宜土体生命活动,
从而发育了更多的生物孔隙. 大孔隙越多、体积越
大,彼此之间就有更多的机会相互联系、相互作用,
从而形成更大的孔隙.
2郾 2郾 4 大孔隙稳定出流速率摇 当水流达到稳定状态
时,土样中所有大孔隙开始持续排水,因此大孔隙平
均体积在一定程度上可以反映其对稳定出流速率的
影响.由图 3 可以看出,稳定出流速率与土壤大孔隙
平均体积呈极显著相关关系(R2 = 0. 8473) .在不考
图 2摇 狗牙根和云南松下大孔隙平均体积随土壤深度的变
化
Fig. 2摇 Variation of macropore mean volume with soil depth of
CDP and PYF.
398210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 官摇 琦等: 植被发育玄武岩斜坡土体大孔隙尺寸及其主要影响因素摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 稳定出流速率、根系质量密度和有机质含量与大孔隙
平均体积的关系
Fig. 3摇 Relation of steady effluent rate, root mass density and
organic matter content and macropore mean volume.
虑土体大孔隙连通程度的情况下,大孔隙平均体积
对水分稳定出流速率有一定程度的影响. Logsdon
等[25]认为,大孔隙的连通程度比孔隙尺寸对土壤水
分运动有更显著的影响. 对于土体大孔隙对优先流
的贡献,应结合大孔隙半径范围、大孔隙平均体积、
连通程度、各尺寸大孔隙的空间连接形式共同研究.
在降雨期间,土体水分的渗透能力与大孔隙平均体
积的关系密切,土层中大孔隙平均体积越大,其连通
程度越好,倾角越小,对水流的阻力越小,土体水分
能更迅速地入渗到下部土层,从而对地下水位的抬
升造成一定程度影响,进而影响斜坡的稳定性,增大
了滑坡发生的潜在可能性.
2郾 3摇 影响植被发育斜坡大孔隙形成的主要因素
2郾 3郾 1 根系质量密度摇 土壤根系一方面对土体有加
筋作用,发挥其固土能力,有利于斜坡的稳定性,当
然,不同类型的植被根系对土体加筋效果不同,从而
对边坡稳定性的影响程度也不同[26-28] . 另一方面,
植被在生长发育过程中根系的生长和死亡会形成根
孔,根系生长受重力作用以垂向为主(垂直根系),
水平根系形成构架根,它们在土体中往往与其他植
被彼此交叉,共同形成土体错综复杂的根系三维网
络孔隙系统,其对于降雨入渗会产生重要影响.降雨
期间大部分雨水首先通过植被盖层下渗到下部土
层,其中根系通道起着重要作用,Gish 等[29]认为,植
物根系通道是形成优先流的主要因素;同样,其也是
形成土体大孔隙的重要因素[30] .在影响大孔隙体积
大小的诸多因素中,狗牙根和云南松的植被根系质
量密度均与大孔隙平均体积呈线性相关,相关系数
分别为 0. 65 和 0. 74. 狗牙根根系质量密度与大孔
隙平均体积的相关性好于云南松(图 3),说明草本
植被下根系的生长对大孔隙的影响更大. 木本植被
下土壤生物群落结构相对复杂,土体动物、微生物的
种类、数量都与草本植被下有一定差异,土壤发育环
境受多重因素影响,植被根系对大孔隙的形成只是
重要的影响因素之一.
2郾 3郾 2 土壤有机质含量摇 土壤有机质含量是影响土
体大孔隙形成的又一重要因素,是土壤生命活动重
要的能量来源.土壤团聚体是土壤结构的基本单位,
在土壤表层普遍存在,团聚体之间结构性孔隙尺寸
远大于其单体颗粒间孔隙尺寸,团聚体的存在可大
幅提高土体透水性能,以及改良土壤通气状况.土壤
有机质本身以及微生物分解后的产物可作为有机粘
合剂与部分微生物共同促进土壤团聚体的形成与稳
定.有机质对土壤团聚体稳定性的短期影响是由于
微生物分解作用导致相关产物的更新,长期影响是
因为腐殖质的存在. Haynes和 Beare[31]认为,影响土
壤团聚体稳定性的有机胶结物质中,分解快的有机
胶结物质的胶结能力有限,分解慢的有机胶结物质
对团聚体的稳定性起着重要作用,并且长期有效.因
此,土壤有机质对土壤团聚体的形成与稳定有重要
影响.土壤有机质作为土体动物的重要食物来源,对
动物通道的形成和空间分布有直接影响. 植被根系
的生长发育需要土壤有机质经微生物分解转化而来
的养分,同时根系通道可将土壤有机质、土壤团聚
体、动物通道运送到土壤更深的位置,形成土壤深层
的结构性大孔隙系统,并通过根系通道与土壤浅层
的大孔隙系统连接,共同形成统一的土体大孔隙空
间网络系统.通过对不同深度有机质含量的测定,并
结合各层大孔隙平均体积的计算得知,狗牙根和云
南松的土壤有机质含量均与大孔隙平均体积呈线性
相关,相关系数分别为 0. 67 和 0. 60(图 3),说明土
壤中有机质含量的多少能够影响大孔隙的发育情
4982 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 24 卷
况,进而影响水分下渗,间接影响斜坡的稳定性. 土
壤剖面有机质的迁移受生物活动、土体收缩与膨胀、
孔隙水运移、以及物质沉降等作用共同影响,由此可
见,植被发育斜坡中土壤有机质的迁移与分布对土
体大孔隙发育极限深度有明显约束作用.
3摇 讨摇 摇 论
本文对马卡山植被发育峨眉山玄武岩斜坡下土
壤剖面现场调查、分层取样、室内测定绘制水分穿透
曲线,并结合 Poiseulle 方程计算了土体大孔隙的半
径范围及个数、根系质量密度、有机质含量,对土体
大孔隙的分布情况及影响因素进行初步探讨. 结果
显示:利用水分穿透曲线和 Poiseulle 方程对土体大
孔隙尺寸、数量进行估算,方法简便,并且其结果基
于水分动态测量过程,从一定程度上反映了土壤水
分运动与大孔隙的关系. 马卡山植被发育斜坡土壤
大孔隙分布在 0. 3 ~ 1. 8 mm,主要集中在 0. 5 ~
1. 2 mm.本研究区域土壤发育情况较差,通过现场
调查,平均土层厚度在 500 mm 左右,土体相对较密
实,透水性较差.总体上,随着土壤剖面的发育,大孔
隙数量、半径大小呈递减趋势,并且在 0 ~ 300 mm
土层存在较大变异. 大孔隙平均体积对稳定出流速
率的影响显著,但有学者指出,在土壤非饱和带中的
大孔隙连通程度比其孔径大小对土壤水分运动的影
响更重要[24] .因此若能结合大孔隙尺寸范围、平均
体积、不同孔径孔隙之间的空间组合形式与其连通
程度共同分析其对土壤水分运动的影响,能够从很
大程度上反映大孔隙对产生优先流的贡献. 影响植
被发育斜坡大孔隙形成的因素中,植被根系质量密
度、土壤有机质含量两个因素比较突出.土壤有机质
迁移与分布能够约束土体大孔隙发育的极限深度,
植被根系的生长与死亡除了能形成根系通道外,还
作为各土层大孔隙连接的“桥梁冶,其影响至关重
要.土壤动物活动规律、土壤干裂缝,以及一些物理、
化学因素等对土体大孔隙形成与稳定的影响还有待
进一步深入研究.土体大孔隙对于斜坡失稳的贡献
主要表现在降雨过程中,作为重要快速的导水通道,
明显增大了土体的渗透能力,使大部分雨水能快速
渗入下部土层,进而加快地下水的响应速度,增大了
滑坡灾害发生的几率.
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作者简介摇 官摇 琦,男,1987 年生,硕士研究生.主要从事地
质灾害研究. E鄄mail: gq19871031@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
6982 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 24 卷