全 文 ：四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系*
王摇 伟1 摇 张洪江1**摇 程金花1 摇 吴煜禾1 摇 杜士才2 摇 王摇 冉1
( 1 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083; 2 重庆市林业局, 重庆 401147)
摘摇 要摇 为研究土壤大孔隙数量、分布特征与优先流发生之间的关系,在使用亮蓝染色法划
分林地优先流发生区域基础上,利用穿透曲线理论方法,对重庆四面山典型亚热带阔叶林土
壤剖面染色和未染色区域内的土壤大孔隙进行了量化分析.结果表明:研究林地土壤剖面内
大孔隙半径多在 0郾 3 ~ 3郾 0 mm,大孔隙率为 6郾 3% ~ 10郾 5% ,随着土壤深度的增加,大孔隙呈
现出聚集态的分布特征.各孔径范围内,染色区域的土壤大孔隙数量较未染色区域高出约 1
个数量级.半径>0郾 3 mm,尤其是半径>1郾 5 mm的大孔隙数量,是影响林地优先流发生的主要
通道.森林土壤 0郾 3 ~ 3郾 0 mm孔径范围内,大孔隙数量与其对应的土壤水分稳定出流速率呈
显著的正相关关系,其中在 0郾 7 ~ 1郾 5 mm和 1郾 5 ~ 3郾 0 mm孔径范围内大孔隙数量与稳定出流
速率相关程度最大,相关系数分别为 0郾 842 和 0郾 879.发生优先流的染色区内大孔隙联通状况
优于未染色区,两区中 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 孔径范围内的联通大孔隙数量差异最大,相差 78郾 3% .
染色区内大孔隙数量随土壤深度的增加逐渐减少,“漏斗冶状的孔隙分布特征可以形成有效的
水压梯度,有利于水分优先运移.
关键词摇 阔叶林摇 大孔隙摇 优先流摇 水分穿透曲线摇 染色示踪.
文章编号摇 1001-9332(2010)05-1217-07摇 中图分类号摇 S152. 2,S152. 5摇 文献标识码摇 A
Macropore characteristics and its relationships with the preferential flow in broadleaved for鄄
est soils of Simian Mountains. WANG Wei1, ZHANG Hong鄄jiang1, CHENG Jin鄄hua1, WU Yu鄄
he1, DU Shi鄄cai2, WANG Ran1 ( 1School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry Universi鄄
ty, Beijing 100083, China; 2Chongqing Forestry Bureau, Chongqing 401147, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2010,21(5): 1217-1223.
Abstract: Brilliant blue dyeing and water breakthrough curve were applied to study the number and
distribution of macropores and their relations to the preferential flow in typical sub鄄tropic broad鄄
leaved forest soils of Simian Mountains. The radii of the macropores were mainly between 0郾 3 and
3郾 0 mm, with the macroporosities in the range of 6郾 3% to 10郾 5% , and the macropores were al鄄
ways distributed in aggregation with increasing soil depth. The number of the macropores in each ra鄄
dius interval of dye鄄stained areas was tenfold increase than that of blank areas. The number of the
macropores with radius larger than 0郾 3 mm, especially larger than 1郾 5 mm, was the most important
factor affecting the occurrence of preferential flow. Significant correlations were found between the
number of macropores and the water steady effluent volume, with the highest correlation coefficients
of 0郾 842 and 0郾 879 for the radii intervals of 0郾 7-1郾 5 mm and 1郾 5-3郾 0 mm, respectively. Macro鄄
pore continuity in dye鄄stained areas was better than that in blank areas, especially in the radius in鄄
terval of 1郾 5-3郾 0 mm, with the biggest difference of 78郾 31% . In dye鄄stained areas, the number of
macropores decreased gradually with soil depth. The filler鄄like distribution of macropores formed an
effective water pressure gradient, which resulted in the preferential transport of water.
Key words: broadleaved forest; soil macropore; preferential flow; water breakthough curve; dye鄄
ing tracer method.
*国家自然科学基金项目(40771042)、瑞典 IFS基金项目(D / 3492鄄2)和高等学校博士学科点科研基金项目(20070022023)资助.
**通讯作者. E鄄mail:zhanghj@ bjfu. edu. cn
2009鄄10鄄26 收稿,2010鄄02鄄26 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 5 月摇 第 21 卷摇 第 5 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
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2010,21(5): 1217-1223
摇 摇 优先流(preferential flow)作为描述在多种环境
条件下发生的非平衡流过程的术语,近年来越来越
受到国内外学者的关注[1-4] . 水分和溶质在多孔介
质中发生优先传导过程的通道称为优先路径(pref鄄
erential flow paths) [5] .染色法是野外观测土壤优先
流和确定优先路径经常采用的方法. Ehlers[6]最早
采用染色法来描述优先路径在土壤中的分布. Omoti
等[7]利用荧光剂染色紫外光下拍照的方法研究了
淋溶土壤的优先路径. Flury等[8]和 Forrer 等[9]曾使
用亮蓝观测土壤优先流状况,并利用图像处理技术
建立了优先路径在土壤剖面上的分布图. Noguchi
等[10]提出利用丙烯酸纤维树脂乳剂的方法来克服
土壤有机质对染色效果的影响. 在国内,陈风琴
等[11]和李伟莉等[12]使用亮蓝对不同地区森林土壤
优先流现象进行了初步观测;章明奎等[13]采用亮蓝
染色方法对污染土壤中重金属的优先流迁移进行了
研究.
土壤大孔隙是发生优先流的主要原因.作为土
壤中优先路径的大孔隙一般呈聚集状分布,一定区
域内大孔隙数量和分布特征决定了优先流现象的发
生[14-15] .测量土壤大孔隙的方法有多种,依据水力
学理论的穿透曲线法和张力渗透法能够对大孔隙进
行量化估算[16-19] . Radulovich等[16]在研究溶质穿透
曲线法[20]的基础上,采用水分穿透曲线法计算了次
生林地土壤大孔隙的半径范围和数量;石辉等[16]将
该方法也应用于岷江上游不同森林植被下土壤大孔
隙特征的研究中.
以往研究中,国内外学者多关注于优先流发生
区域内的孔隙特征,忽略了优先流发生区与其周围
大孔隙数量和分布状况的变化,以及这种变化影响
优先流发生的原因. 本文在使用亮蓝染色方法确定
林地优先流发生区域的基础上,以穿透曲线法对重
庆四面山的典型亚热带阔叶森林内染色和未染色区
域的土壤大孔隙进行量化分析,研究土壤大孔隙数
量和分布特征,及其与优先流发生的关系,旨在为土
壤水分优先流模型建立提供必要参数,为土壤大孔
隙对森林土壤水分运移的影响提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于重庆市四面山,地理位置介于 106毅
17忆—106毅30忆 E,28毅31忆—28毅43忆 N,其气候属北半球
亚热带季风性湿润区,多年平均气温 13郾 7 益,年均
降雨量 1522郾 3 mm,无霜期为 285 d.日最大降雨量
160郾 5 mm郾 ,雨季集中在 5—9 月,占年平均降雨总
量的 62郾 17% .年平均日照时数为 1082郾 7 h,其中生
长季 5—9 月的日照时数约占全年日照时数的
64% .
研究区内海拔 1150 ~ 1200 m 地带分布有典型
的亚热带阔叶林.其中,阔叶乔木以扁刺锥(Castan鄄
opsis platyacantha)、石栎 ( Lithocarpus glaber)、枫香
(Liquidambar formosana)、城口桤叶树(Clethra farge鄄
sii)、木荷(Schima superba)和润楠(Machilus pingii)
等为主,平均郁闭度为 0郾 55;林下灌、草主要为腺萼
马银花(Rhododendron bachii)、光叶山矾(Symplocos
lancifolia)、冬青( Ilex purpurea)、紫花杜鹃(Rhodo鄄
dendron mariae)和芒萁(Dicranopteris linearis)等. 地
表枯落物覆盖厚度较大,厚度在 2郾 6 ~ 3郾 5 cm.森林
土壤主要为黄棕色砂壤土和壤土,厚度一般在 20 ~
60 cm,多呈微酸性至酸性且其抗侵蚀能力较差,研
究区土壤主要理化性质见表 1.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 优先流发生区域的观测摇 使用亮蓝(brilliant
blue)作为示踪剂,对土壤层中的优先流发生状况及
优先路径进行观测. 采用随机布点方法在研究区阔
叶森林内设置 6 个土壤剖面作为重复. 在选定的试
验点中,先去除土壤表层的枯枝落叶层,平整表面,
再将一个长伊宽伊高为 70 cm伊70 cm伊50 cm、厚 0郾 5
cm的铁框埋入土中 30 cm,并将距铁框内壁 5 cm以
内土壤用木锤捣实,防止染料沿铁框内壁缝隙下漏
表 1摇 研究区土壤的主要理化性质
Tab. 1摇 Selected soil physical and chemical properties of the experimental site (mean依SD)
土壤深度
Soil
depth
(cm)
土壤密度
Bulk density
(g·cm-3)
砂 粒
Sand
(% )
粉 粒
Silt
(% )
粘 粒
Clay
(% )
有机质
Organic matter
(% )
饱和含水量
Saturated volumetric
water content
(cm3·cm-3)
饱和入渗率
Saturated hydraulic
conductivity
(10-3 cm·s-1)
0 ~ 10 1郾 02依0郾 08 65郾 77依5郾 21 29郾 50依4郾 60 4郾 74依0郾 73 8郾 28依2郾 32 0郾 50依0郾 03 2郾 10依0郾 85
10 ~ 20 1郾 11依0郾 04 49郾 98依7郾 47 42郾 11依6郾 00 7郾 92依1郾 49 3郾 90依1郾 70 0郾 49依0郾 02 0郾 98依0郾 58
20 ~ 30 1郾 21依0郾 24 39郾 64依7郾 17 49郾 88依5郾 71 10郾 49依1郾 85 2郾 25依1郾 20 0郾 44依0郾 10 0郾 87依0郾 32
30 ~ 40 1郾 31依0郾 12 36郾 41依4郾 11 52郾 01依2郾 53 11郾 54依1郾 77 1郾 39依0郾 39 0郾 42依0郾 05 0郾 55依0郾 22
40 ~ 50 1郾 40依0郾 07 38郾 03依3郾 29 50郾 58依1郾 64 11郾 40依1郾 91 1郾 03依0郾 32 0郾 38依0郾 04 0郾 26依0郾 11
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图 1摇 亮蓝染色实验土壤剖面示意图
Fig. 1 摇 Schematic diagram of the soil profile in brilliant blue
dyeing experiment.
(图 1).将亮蓝粉末配制成 4 g·L-1的亮蓝溶液,并
在铁框中央面积 50 cm伊50 cm 的土壤上均匀喷洒
10 L. 24 h 后,以每层 10 cm 的深度挖掘土壤剖面,
根据各层染色的结果,将被亮蓝染色的区域定义为
优先流发生区;未被染色的区域作为对比区.各层剖
面均用 500 万像素的数码相机拍摄,利用 Photoshop
进行校正,去除拍照时相机镜头与土体表面的角度
效应,并将图像进行反相处理,使染色区域为黑色或
灰色,未染色区域为白色. 利用 Image pro Plus 6郾 0
准确计算染色区域的面积比例.
1郾 2郾 2 土样采集与水分穿透曲线的测定摇 在每层土
壤中的染色和未染色区域内,分别用高 4 cm、直径 9
cm的取土环刀取原状土样,然后将土样浸泡在清水
中使之饱和,放置 12 h 使其含水量达到田间持水
量.随后将土样放置于土壤水分渗透仪(ST70A,中
国),控制 8 cm 的压力水头,当土柱下部有水流出
时,每间隔 5 s 收集出流水量,然后计量间隔为 5 s
的流量,直至流量达到稳定.
1郾 2郾 3 土壤大孔隙数量的计算方法摇 本研究中的大
孔隙定义为土水势在 0 ~ -5 kPa范围内的可持留水
分孔隙.土壤达到田间持水量后,其基质势近乎于
0,水分渗透速率主要受供水强度控制. 试验中土壤
水分运动速率较慢,处于层流范围,假设土壤孔隙为
圆形的情况下,可根据水分穿透曲线理论[16],将流
量方程:
Q = Av = 仔r2子L / t (1)
与 Poiseulle方程:
Q = 仔r4驻P / (8浊子L) (2)
联合求解,大孔隙的当量孔径:
r = 子L(8浊 / [ t驻P]) 1 / 2 (3)
其中:Q 为单位流量 ( cm3 ·s-1 ); A 为孔隙面积
(cm2);v 为流速( cm·s-1 );r 为孔隙半径( cm);子
为水流实际路径的弯曲系数,本研究取 1郾 2;L 为土
柱长度(cm);浊 为水的粘滞系数( g·cm-1·s-1 );
驻P为压力水头(cm);t 为从首次加水开始记时的时
间(s).
对任意时间水分出流流量进行观测,并利用式
(3)计算出相应的孔隙半径. 将两孔隙半径之间按
照一定间隔划分出一个孔隙范围,以其平均值作为
计算值,当间隔排水量为 Qc 时,根据式(4)计算相
应大孔隙数量(n):
Qe =nAv=n仔r2子L / t (4)
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 15郾 0 进行数据的统计分析和检验.
统计分析采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比
较判断土壤优先流发生区域随土壤深度增加的变
化,以及一定深度内染色和未染色区域土样水分稳
定出流速率、土壤大孔隙数量的差异. 方差分析前,
检验各组数值是否满足正态分布及方差是否具有齐
性,如不满足,对相应数值进行转换以满足方差分析
要求.方差分析后,采用 Duncan 检验对各水平均值
进行比较,并对不同孔径土壤大孔隙数量和水分稳
定出流速率之间进行 Spearman相关分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 四面山亚热带阔叶森林土壤优先流发生区域
分布
亮蓝是一种观测优先流分布的理想示踪染料,
具有无毒、易迁移和在土壤中染色清晰等优点.染色
试验表明,经 24 h 渗透后,亮蓝在研究区林下至约
50 cm深土壤层内迁移路径分布明显. 根据垂直方
向的染色剖面图像(图 2),可以清晰地观测到土壤
水分基质流和优先流的发生. 经单因素方差分析和
多重比较,不同深度土层染色面积差异显著(P <
0郾 05),染色面积比例随深度的增加显著降低.受基
质流的影响,0 ~ 10 cm 土壤大部分被亮蓝染色,亮
蓝在该水平剖面中分布较为均匀,优先流现象不明
显,土壤中基质流态的水分能够运移到达的深度在
8郾 5 ~ 13郾 5 cm. 10 cm 以下土壤受土壤优先路径的
影响,染色区域呈一定的集中分布趋势(图 3),由经
优先路径运移的优先流部分水分能达到的深度为
41郾 5 ~ 50 cm,优先流发生区域的土壤水分运移速度
约较未发生优先流的区域提高了 2 ~ 3 倍.由于该地
区 50 cm土壤层已达到母质层顶部,其下主要以基
岩碎石为主,故本文对此区域不作分析.
在 0 ~ 50 cm土层中,亮蓝染色的区域主要位于
91215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 伟等: 四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 森林土壤优先路径垂直分布土壤与染色面积比例
Fig. 2摇 Vertical distributing images and dye stained area frac鄄
tion of preferential flow paths (mean依SD, n=6).
较明显的孔穴和裂隙周围,呈聚集状分布,且上、下
层土壤染色区域有较明显的联通性. 染色区域形状
不规则,亮蓝以许多连续或不连续的分支无规则地
分布在土壤剖面上.
2郾 2摇 不同区域的土壤水分穿透曲线
对采集的土样进行水分穿透试验,根据出流速
率和时间,分别得到各土层染色区和未染色区内土
样的水分穿透曲线(图 4).
摇 摇 不同区域内土样的水分穿透曲线呈现一定的差
异. 0 ~ 50 cm 土壤层土样的水分稳定出流速率,染
色区依次为 0郾 674、0郾 403、0郾 362、0郾 327 和 0郾 347
cm3·s-1;未染色区依次为 0郾 234、0郾 184、0郾 151、
0郾 159 和 0郾 164 cm3·s-1 . 单因素方差分析结果说
明,10 cm 土壤层土样的稳定出流速率均较 20 ~ 50
cm层土样具有显著差异(P<0郾 05). 这主要是由于
森林土壤表层植物根系分布较密集,根系不断分割
挤压土壤,使其土壤结构相对下层更容易形成较多
的大孔隙.此外,枯落物的腐殖质化过程可以使表层
土壤获取更多的有机物质,增加表层土壤的团粒结
构,从而使表层土壤形成更易透水的大孔隙数量增
加. 40 ~ 50 cm 土壤层土样的稳定出流速率较 30 ~
40 cm土壤层有所提高,可能是由于 40 ~ 50 cm 土
壤层接近母质层,其中含有部分基岩碎石,可以形成
一定的垂直孔隙,有利于水流的穿过.
图 3摇 典型剖面土壤优先路径水平分布图像
Fig. 3摇 Forest soil horizontal distributing images of preferential
flow paths in typical profiles.
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图 4摇 不同区域 0 ~ 50 cm土壤层的水分穿透曲线
Fig. 4摇 Water breakthough curves of 0-50 cm soil layers in dye
stained area and blank area (mean依SD, n=6).
玉:染色区域 Dye鄄stained area; 域:未染色区域 Blank area. 下同 The
samebelow.
摇 摇 各深度土壤层中染色区和未染色区土样的水分
稳定出流速率均有显著差异(P<0郾 05),染色区土样
的稳定出流速率均较未染色区土样提高 1郾 09 ~
1郾 88 倍.稳定穿透速率的差异与染色试验中观测的
基质流与优先流流速差异基本一致,从而导致染色
过程中染色溶液多集中在被染色的优先流区域运
移.染色区土样的水分在 35 ~ 40 s 左右即达到稳定
出流;未染色区土样中水分达到稳定的时间一般较
染色区土样推迟 5 ~ 10 s.这一方面说明大孔隙对水
流运移的阻力小,对流速的影响较大;另一方面,也
说明染色区较未染色区更有利于水分的垂直运移.
2郾 3摇 不同区域的土壤大孔隙数量与分布特征
大孔隙普遍存在于森林土壤中.本文所研究的
阔叶林土壤层染色区与未染色区土壤样品中均含有
一定数量的土壤孔隙(表 2). 根据利用水分穿透曲
线计算得到的土样中孔隙状况,该区阔叶林土壤大
孔隙半径集中在 0郾 3 ~ 3郾 0 mm.根据大孔隙数量级,
可将其分为 0郾 3 ~ 0郾 5 mm、0郾 5 ~ 0郾 7mm、0郾 7 ~ 1郾 5
mm和 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 4 个孔径范围. 经单因素方差
分析,4 个孔径范围内大孔隙的数量具有极显著差
异(P<0郾 01),随孔径的大小顺序,其数量依次提高
约 10 倍.经测算,各孔径范围内染色区土样的大孔
隙较未染色区也呈极显著差异,数量上高出约 1 个
数量级.这种数量上的差异使得优先流容易在土壤
大孔隙分布密集的区域发生,而这部分大孔隙更易
成为优先路径.
摇 摇 在 0 ~ 40 cm土壤层中,染色区土样各孔径范围
内的大孔隙数量均随土壤深度的增加而降低;40 ~
50 cm土壤层土样大孔隙数量较 30 ~ 40 cm 土壤层
有所提高.半径 0郾 3 ~ 1郾 5 mm 范围的大孔隙数量与
土壤深度呈负相关,半径 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 的大孔隙数
量在 20 ~ 30 cm 土壤层中达到最低值,随后有所增
加.这可能是因其下层剖面为淀积层与母质层的过
渡层,残留的碎裂基岩为完全风化成土,碎石屑含量
相对较多,有利于高半径的大孔隙形成.
未染色区大孔隙的数量分布特征与染色区基本
相同,但 20 ~ 30 cm土层较 10 ~ 20 cm和 30 ~ 40 cm
两层土壤大孔隙数值明显减小,其大孔隙率仅为
6郾 3% ,从而使未染色区内出现明显的大孔隙“断
层冶.这一方面可能是林内的灌草植物根系在该层
土壤中分布的空间变异性较大,未染色区内植物根
系分布稀疏,影响了大孔隙的形成;另一方面,可能
由于本层土壤位于剖面中部,垂直大孔隙多于此处
发生断裂,减少了联通孔隙数量. 该区半径 0郾 3 ~
1郾 5 mm范围的大孔隙数量也与深度呈反比趋势,但
40 ~ 50 cm层半径 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 的大孔隙数量低于
30 ~ 40 cm层,说明该区碎裂基岩的深度较染色区
浅,碎石屑的分布区域较广.这也可能是影响未染色
区 30 ~ 40 cm层的大孔隙数量异常变化的原因.
12215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 伟等: 四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 不同区域土壤大孔隙数量及大孔隙率
Tab. 2摇 Number of soil macropores and macroporosity in dye stained area and blank area
土壤深度
Soil depth
(cm)
区域
Area
不同半径范围的大孔隙数量
Number of soil macropores in each radius interval ( ind·m-2)
3郾 0 ~ 2郾 0 mm 2郾 0 ~ 1郾 5 mm 1郾 5 ~ 1郾 0 mm 1郾 0 ~ 0郾 7 mm 0郾 7 ~ 0郾 5 mm 0郾 5 ~ 0郾 3 mm
大孔隙率
Macroporosity
(% )
0 ~ 10 DA 1郾 90伊102 2郾 54伊102 1郾 65伊103 7郾 04伊103 1郾 24伊104 1郾 21伊105 10郾 5
BA 0郾 32伊102 0郾 96伊102 1郾 15伊103 4郾 36伊103 0郾 99伊104 0郾 85伊105 7郾 1
10 ~ 20 DA 1郾 72伊102 2郾 61伊102 1郾 39伊103 5郾 66伊103 1郾 08伊104 1郾 10伊105 9郾 3
BA 0郾 19伊102 0郾 84伊102 1郾 07伊103 4郾 09伊103 0郾 97伊104 0郾 87伊105 7郾 0
20 ~ 30 DA 1郾 28伊102 2郾 38伊102 1郾 42伊103 5郾 07伊103 1郾 15伊104 1郾 11伊105 9郾 2
BA 0郾 09伊102 0郾 71伊102 1郾 08伊103 3郾 62伊103 0郾 87伊104 0郾 78伊105 6郾 3
30 ~ 40 DA 0郾 94伊102 2郾 82伊102 1郾 29伊103 4郾 42伊103 1郾 08伊104 1郾 09伊105 8郾 8
BA 0郾 17伊102 0郾 95伊102 1郾 11伊103 4郾 11伊103 0郾 90伊104 0郾 87伊105 7郾 0
40 ~ 50 DA 1郾 29伊102 3郾 06伊102 1郾 17伊103 3郾 92伊103 0郾 96伊104 0郾 99伊105 8郾 1
BA 0郾 08伊102 0郾 63伊102 1郾 09伊103 4郾 19伊103 0郾 90伊104 0郾 80伊105 6郾 7
DA:染色区域 Dye stained area;BA:未染色区域 Blank area.
2郾 4摇 阔叶森林土壤大孔隙与优先流发生的关系
土壤孔隙的孔径范围和数量与优先流发生与否
具有十分密切的关系. 根据 Spearman 相关分析结
果,在 0郾 3 ~ 0郾 5 mm、0郾 5 ~ 0郾 7mm、0郾 7 ~ 1郾 5 mm 和
1郾 5 ~ 3郾 0 mm 4 个孔径范围内,发生优先流的染色
区与其周围未染色区内的孔隙数量与其对应的水分
稳定出流速率均呈显著的正相关关系(表 3),其中
0郾 7 ~ 1郾 5 mm 和 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 与稳定出流速率的
相关程度最大,相关指数分别为 0郾 842 和 0郾 879.与
未染色区相比,染色区各层土壤大孔隙具有显著的
差异(P<0郾 05),表现为染色区大孔隙数量较未染色
区均高约 1 个数量级. 由于受到植物根系发育和土
壤动物活动的影响,土壤中大孔隙在空间分布上存
在不确定性,发生优先流的染色区内聚集了多数的
大孔隙,平均孔径较其周围偏大,在非饱和的条件
下,水分会优先从此区域发生输移. 这说明半径>
0郾 3 mm 的大孔隙数量,尤其是半径>1郾 5 mm 的大
孔隙数量,是影响森林优先流发生的主要因素.
摇 摇 由图 5 可见,染色区的大孔隙数量随土壤深度
的增加逐渐减少.这种分布形式有利于在土壤中形
表 3摇 不同孔径范围大孔隙数量与水分稳定出流速率的相
关分析
Tab. 3摇 Correlation analysis between the number of macro鄄
pores and stable effluent volume for each pore size
参数
Correlation
大孔隙孔径范围
Macropore radii intervals (n=30)
0郾 3 ~
0郾 5 mm
0郾 5 ~
0郾 7 mm
0郾 7 ~
1郾 5 mm
1郾 5 ~
3郾 0 mm
Spearman相关系数
Spearman correlation coefficient
0郾 669* 0郾 697* 0郾 842** 0郾 879**
双侧显著性检验
Two鄄tailed significances
0郾 034 0郾 025 0郾 002 0郾 001
* P<0郾 05;** P<0郾 01.
成“漏斗冶,从而形成有效的水压梯度,利于水分垂
直向运动.而未染色区内大孔隙分布成“M冶形,即
30 cm土层中大孔隙总数量明显减少,使土层与其
下的土壤通道不能有效地连接,阻碍了水分的运移.
因此,在同时供水情况下,染色区内水分能够快速下
移,使其表层周围的水分汇集到此区域的顶端,沿该
区路径移动,从而使得该区域土壤在染色实验中被
亮蓝染色.
土壤中的垂直大孔隙受到植物根系、动物活动
和土壤结构等因素的影响,其间往往不是联通的,存
在着断孔和死孔,影响着水分的传导和优先流的发
生.根据前述的计算结果,染色区内可能联通的大孔
隙数量在 0郾 3 ~ 0郾 5 mm、0郾 5 ~ 0郾 7mm、0郾 7 ~ 1郾 5 mm
和 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 4 个孔径范围,分别较未染色区高
21郾 3% 、6郾 2% 、8郾 2%和 78郾 3% . 由于 1郾 5 ~ 3郾 0 mm
的大孔隙数量与稳定流量的相关性最大,直接导致
了这些大孔隙集中的染色区较其周围更容易发生优
先流现象.
图 5摇 不同区域各土壤层大孔隙数量分布
Fig. 5摇 Distribution of total macropore amounts in each soil lay鄄
er of dye stained area and blank area.
2221 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 21 卷
3摇 结摇 摇 论
阔叶森林土壤优先流的发生区域主要位于较大
的孔穴和裂隙周围,呈聚集状分布,亮蓝染色区域形
状不规则,上、下层染色区域有较明显的联通性. 根
据水分穿透曲线和 Poiseulle 方程,计算出土壤大孔
隙半径集中于 0郾 3 ~ 3郾 0 mm,平均半径 0郾 469 ~
0郾 485 mm.
半径>0郾 3 mm,尤其是半径>1郾 5 mm 的大孔隙
数量,是影响森林优先流发生的主要通道.大孔隙数
量与其对应的稳定出流速率均呈显著的相关关系.
染色区大孔隙数量较未染色区均高约 1 个数量级,
大孔隙密度的差异在一定程度上影响着优先路径分
布和优先流的发生.
土壤大孔隙的联通状况和分布特征也影响优先
流的发生.染色区内大孔隙联通状况优于未染色区,
孔径 1郾 5 ~ 3郾 0 mm 的联通大孔隙染色区与未染色
区相差 78郾 3% .染色区的大孔隙数量随土壤深度的
增加逐渐减少,“漏斗冶状的孔隙分布特征可以形成
有效的水压梯度,有利于水分快速垂直运移.
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作者简介摇 王摇 伟,男,1983 年生,博士研究生.主要从事水
土保持和森林水文研究. E鄄mail: vane_bjfu@ 126. com.
责任编辑摇 李凤琴
32215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 伟等: 四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系摇 摇 摇 摇 摇