全 文 ：生态科学2006年2月第5卷 第1期 ECOLOGICSC ENCEFeb．，2006，25(1)：69～73
岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究
I冻风琴1，石 辉2+(1．山东省水利科学研究院，济南250013；2．茜安建筑科技大学环境与市政工程学院，教育部西
北水资源与环境生态重点实验室，西安710055)
【摘要】 优势流是土壤中存在的一种普遍现象，。对水分运动有重要的影响。为了进一步了解森林涵养水源的机理，
用亮蓝野外染色示踪试验研究了岷江上游垂直梯度上的三种典型植被下土壤中的优势流。从染色结果来看，在三种植
被下的土壤中均存在优势流现象，而这种优势流的产生由于植被、海拔高度、成土过程、根系及土壤动物活动的不同，
复杂程度不一。染色面积的百分数反映了入渗水分在剖面的分布，即使在整体水分仅仅停留在表层10cm以上时，部
分水分可通过优势流进入到土壤底层。三种植被下优势流染色的分形维数在1．59到1．85之间，分维数反映出优势流通
道的复杂性，低海拔的原始暗针叶林土和高海拔的亚高山草甸土具有复杂的优势流通道。优势流的存在对坡面水文过
程产生重要的影响，是今后进一步认识森林水文效应的基础。
关键词：土壤；优势流：染色示踪；分维
中图分类号：S181；$718．553 文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2006)01．069．05
AstudyOUsoilpreferentialflowunderthreev getationsintheupperreachofMinjiangRiverbybfilfiantbluedye
tracer
CHENFeng—qinl7 SHIHui2(1．AcademyofWaterConservancyResearchofShandongPr vince。Ji’nan250013：2．Collegeof
EnvironmentandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055．China)
AbstractPreferentialflowiScommonphenomenainsoil’andhasignificantnfluencetosoilwatermovement．Thesoil
preferentialflowunderthreetypicalvegetationswasresearchedbyusingbrilliantbluedyetracermethodinfield．inorderto
researchtheforestconservingwaterresourcesde ply．Theresultsshowedthatthepreferentialflowexistinallsoilsunderthree
typicalvegetationinupperreachofMiniiangRiveqandthecomplexdegreesofpreferentialflowiSdifferentforeachsoildue
thedeferenceofvegetations，elevations，soilformationpr cesses，actionofrootsandsoiIanimals．Thedyearear tiosreflected
thedistributionofinfiltratedw terinsoilprofiles、althoughmostinfiltratedw errestedwithin10cmnearlysoilsurface，some
waterreachedthebottomofprofilesthroughthepreferentialflowchannels．Thefractalsofpreferentialflowdyeprofilesw re
1．59to1．85，anditreflectedthcomplexityofpreferentialflowchannels．theoilsunderthevirginconiferousfirforestand
sub—alpinemeadowhadhighfractalswithcomplexpreferentialflowchannels．Thepreferentialflowbringskeyinfluencesfor
knowinghydraulicpro essesin lope．andiSabasisforunderstandingthehydrauliceffectsofforest．
Keyword：Soil；Preferentiallow；Dyer cer；Fractal
优势流是土壤中非常普遍的一种水分和溶质运移
形式，它是指土壤在整个入流边界上接受补给，水分
和溶质绕过土壤基质，仅通过少部分土体的快速运移，
又被称为大孔隙流、短路流和管道流等[Il。水流的快
速运动是大孔隙的一个重要特征，这样大孔隙对森林
土壤的入渗产生重要的影响，从而影响到坡面产流和
深层蓄水。
染色法是野外观测土壤优势流经常采用的一种方
法，所用的染料必须有良好的可视性和移动性f2l，对于
不同的研究目的，所选用的染料的种类和性质也不同。
Omoti用萤光染色研究淋溶情况下的优势流路径【3】，
Sollins等人在野外用罗丹明B(RhodamineB)进行染
色，并模拟大的降雨，来研究通过根孔、洞穴、裂隙
和其他大孔隙的优势流情况H]，Natano[5】应用亚甲基蓝
染色对大孔隙的形态进行了观测，Ghodrait和Jury【6】
利用一种阴离子含氮的染料AzoGeranine2G研究了孔
隙形态和水流通道，而Fury掣q和Forrelsl利用亮蓝对
14种土壤中的大孔隙流进行观测，Gish等[9】同样利用
亮蓝研究了免耕条件下水流运动的通道及其影响因
素，Coreyool等对不同性质的染料进行了比较。上述研
究所采用的染料主要对有机质含量低的土壤有效，当
有机质含量高时，土壤的颜色变黑，染料与土壤颜色
对比变小，因此不能用于高有机质含量的森林土壤染
色研究，为了解决这一问题，Noguchi等lllJ提出利用丙
烯酸纤维树脂乳剂这种白色染料的方法，并认为其结
果具有良好的精度。在我国染色法也被用于土壤水分
和溶质运移研究，郑继勇等利用亮蓝染色研究了溶质
收稿日期：2005．09．05收稿，2006—01．20接受
基金项目：国家重点基础研究规划项目(2002CBlll501)、国家自然科学
基金项目(40471078)、国家杰出青年基金项目(30125036)
和陕西省教育厅专项项目(05JK241)资助。
作者简介：陈风琴(1979一)，女，工程师，硕士研究生，研究方向：水
土资源与环境。
+通信作者：石辉，。Emajl：h-shi@sohu，com
万方数据
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1期 陈风琴，等：岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究 7l
灰阶图像中，染色部分呈白色或灰白色，土壤呈灰色
或黑色。选择图像～调整一闽值。用目测法调节阈值，
即一边调节朗值，一边观察图像中染色图形的变化，
直到染色部分面积与实际染色部分基本一致为止。在
图像模式里选择位图，像素值为阂值的一半。然后将
处理过的图像以．gif文件格式存储。在MapInf06．0下
打开存储的图像，计算染色面积，并用标尺量算出每
个图像中1cm所占像素，计算出染色部分的实际面
积。同时利用分形图像处理系统(FIPS)对染色图像
进行分析计算【J圳。
3结果与分析
3．1染色状况分析
把垂直染色剖面照片在Photoshop6．0和
Maplnf06．0下编辑处理后，转入画图软件下，选择反
色，则孔隙为黑色，土壤为白色，并根据比例尺编辑
大小。得到垂直剖面的染色情况(见图l～3)。
由垂直剖面染色图可以看出：在三种植被下的土
壤均存在明显的优势流现象。在原始的冷杉林下，无
论是海拔较高的剖面3(3118m)还是海拔较低的剖
面1(2816m)，当整体染色深度不超过10cm时，由
图l 原始森林不同海拔垂直剖面染色情况
Fig．1Vertialdyedistributionsofprimevalforestindifferentaltitude
掰季窭鲢
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生态科学 24卷
于优势流的存在，部分染色深度达到土壤的最底层，
说明在降雨的时候，即使在整体土壤未饱和的情况下，
部分降雨已经成为壤中流的来源。
3．2染色百分比随深度的变化趋势分析
由于亮蓝为水溶性染料，其在土壤剖面的分布可
以看作降水水分的分布。可以根据染色图像得到染色
面积的百分比(图4～6)。从图中可以看出，染色面
积随深度的增加多呈明显的变小趋势。以海拔2816m
的原始森林(剖面1)为例，从表层到土壤最底层，
以10cm为间隔，染色百分比分别是100，78．3，．75，5，
64．4，39，25．5，6．8，6．2。但在有的剖面层次上，染
色酉分比随深度的增加也有波动，以海拔2920m的
原始森林(剖面2)为例，在20cm处染色百分比为
17．3，而在30cm和40cm处又分别高达20．3、31．9。
这可能由于土壤质地的高度非均一性，土壤孔隙分布
错综复杂，也可能存在深层土壤水分的侧向入渗补给。
同时三种植被下染色百分比随深度变化的趋势与海拔
的关系各不同。
染色百分比(％)Rationofdyearea(％)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 00
图4原始暗针叶林下土壤不同剖面染色百分比随深度的变化
Fig．4Theratioofdyeareafordifferentsoilprofilesunder
primevalconiferousfirforest
染色百分比(％)Ratioofdyearea(％)
O． 20 40 60 80 100
1 ；=，／／曩
3
一
●
lO 一·母◇／+
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25
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35· ，
40O∞
45
0
5
35
染色百分比(％)Ratioofdyearea(％)
0 20 40 60 80 100
—&一剖面9
ProfileNo．9
图6亚高山草甸下土壤不同剖面染色百分比随深度的变化
Fig．6Theratioofdyeareafordifferentsoilprofilesundersub
alpinem adow
3．3 染色剖面的分形特征
优势流的存在使染色剖面成为一个复杂的图形，
为了说明不同植被下土壤的优势流染色特征，利用盒
计数法计算了不同染色剖面得到分形维数。原始的
暗针叶林下土壤，在海拔分别为2816m、2920m、
3118m时的分维数分别为1．822、1．671和l。593；对
于高山栎林下土壤，在海拔分别为2832m、2853m、
2930m时的分维数分别为1．712、1．646和1．702；对
于亚高山草甸土壤，在海拔分别为3558m、3690m、
3748m时的分维数分别为1．733、1．808和1．845。分
维数越大，染色图案越复杂，说明优势流成因的复杂
性和土壤性质的复杂性。分维数大于1．8的土壤是低
海拔下的暗针叶原始林土壤和高海拔下的草甸土；而
其余土壤的分维数较小，说明了其优势流的复杂性相
对低。
3．4不同植被下土壤的优势流成因
原始的冷杉林具有乔、灌、草、苔藓等多层次结
构，地表具有多年积累的厚实腐殖质，土壤结构发育
好，整个土层，特别是上部土层由于植物和生物作用
存在大量的大孔隙，并且有明显的裂隙，使水分以很
快的速度通过大孔隙运移到土壤底层。在原始森林下，
染色深度和各深度的染色百分比，低海拔呈现大于高
海拔的趋势，这是因为原始森林低海拔土壤湿度大、
植被类型多样化，整个土层多大孔隙，随着海拔的增
加，植被类型相对有所减少，土壤风化较弱，土壤大
孔隙含量少。
曼s高山栎灌丛下土壤不同剖面染色百分比随深度的变化 相似磊嘉霾?箍蓄享霪蓑募集墨晶妻亨粟券耋?鬈薹Th隐 eratio,eareafordifferentIrofilesundera1．jin5The atioofdyfordiffer ntsoilprofilesunderoak 1⋯”⋯⋯“’6⋯。’4““”。“。”’“7“⋯。7’”1“
forest 质和枯枝落叶覆盖少，表层土壤结构与冷杉林下土壤
一暑一暑岔口=o∽一山。一巡隧喽刊
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万方数据
1期 陈风琴，等：岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究 73
相比较差，整体的染色深度低于冷杉原始林土壤。其
染料多通过树根和草根运移，所下染色深度和各深度
的染色百分比在三个海拔高度上趋于一致。
对于高海拔的亚高山草甸土，由于所处海拔高，
生境恶劣，土层薄，上层草根密布，影响入渗，且土
壤中石砾含量高，岩层松散，砾石相间，分布的随机
性大，在土壤结构体之间、土壤与砾石之间以及砾石
与砾石之间形成优势流的各种通道。整体表现出优势
流现象，但不同的剖面染色的差异较大。
土壤中的大孔隙流与土壤中的根孔以及土石之间
的裂隙有密切关系。从森林、灌丛到亚高山草甸，植
物死亡根系留下的根孔形成大孔隙流的能力为森林>
灌丛>亚高山草甸；但同时从低海拔的森林，到高海
拔的亚高山草甸，土壤中砾石增多，导致由于裂隙形
成的大孔隙有发育；因此大孔隙流是根孔与裂隙分布
的综合结果，不同的组合构成的大孔隙优势流通道、
形状不同。石辉【l7J对当地大孔隙的研究结果表明，林
地表层土壤的大孔隙半径集中在0．7lmm到0．97mm
之间，而灌丛为1．06mm至1．16mm，亚高山草甸为
0．72mm到1．16mm，变异巨大。指流主要由于粗质
土壤上的湿润锋不稳定性所造成的，在亚高山草甸土
壤上，整个剖面由于砾石的含量高，导致了水分运动
过程中的湿润锋不稳定，产生支流形式的优势流；而
林地土壤砾石含量低、质地相对均一，产生的指流的
可能性较小。同时，优势流中的漏斗流主要发生在具
有相对透水性弱的斜坡上，草甸土土层薄，一般仅30
到40cm，因此漏斗流也有可能发生，而森林土壤和
灌丛土壤受漏斗流的影响较小。因此，以根孔多样性
为主要成因的林地优势流，和成因复杂的亚高山草甸
优势流均表现出复杂的染色特征
4小结
利用亮蓝的野外染色示踪试验研究了岷江上游三
种典型植被下土壤中的优势流。从染色结果来看，在
三种植被下的土壤中均存在优势流现象，染色图形的
分维数可以反映出优势流通道的复杂性，而这种优势
流的产生由于植被、海拔高度、成土过程、根系及土
壤动物活动的不同，复杂程度不一。由于优势流的存
在，水分可以通过一些快速通道进入土壤下层，从而
对坡面水文过程产生重要的影响。
由于优势流的存在，降雨直接快速地进入土壤深
层，调节了地表径流和地下径流的比例，对洪水起到
了一定的削弱作用，同时优势流快速进入土壤与岩石
界面的水分又可能是该区容易发生泥石流、滑坡的主
要原因。但野外的染色研究，仅仅反映出优势流存在
的证据和路径，如何将优势流图像结果与水分运动联
系起来，则是有待于进一步研究。
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岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究
作者： 陈风琴， 石辉， CHEN Feng-qin， SHI Hui
作者单位： 陈风琴,CHEN Feng-qin(山东省水利科学研究院,济南,250013)， 石辉,SHI Hui(西安建筑科
技大学环境与市政工程学院,教育部西北水资源与环境生态重点实验室,西安,710055)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2006,25(1)
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