全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 远期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
全球气候变暖对凋落物分解的影响 宋摇 飘袁张乃莉袁马克平袁等 渊员猿圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
从系统到景观院区域物质流分析的景观取向 张晓刚袁曾摇 辉 渊员猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
论湿地生态系统服务的多维度价值评估方法 宋豫秦袁张晓蕾 渊员猿缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
保幼激素在昆虫中的分子作用机理 金敏娜袁林欣大 渊员猿远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
岩画和壁画类文物微生物病害研究进展 李摇 强袁葛琴雅袁潘晓轩袁等 渊员猿苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 猿杂技术的图们江流域湿地生态安全评价与预警研究 朱卫红袁苗承玉袁郑小军袁等 渊员猿苑怨冤噎噎噎噎噎噎
跨界保护区网络构建研究进展 王摇 伟袁田摇 瑜袁常摇 明袁等 渊员猿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
速生树种尾巨桉和竹柳幼苗耗水特性和水分利用效率 邱摇 权袁潘摇 昕袁李吉跃袁等 渊员源园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种增温情景对入侵植物空心莲子草形态可塑性的影响 褚延梅袁杨摇 健袁李景吉袁等 渊员源员员冤噎噎噎噎噎噎噎
气象要素及土壤理化性质对不同土地利用方式下冬夏岩溶作用的影响 刘摇 文袁张摇 强袁贾亚男 渊员源员愿冤噎噎
施用纳米碳对烤烟氮素吸收和利用的影响 梁太波袁尹启生袁张艳玲袁等 渊员源圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 灾燥则燥灶燥蚤图的林分空间模型及分布格局研究 刘摇 帅袁吴舒辞袁王摇 红袁等 渊员源猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近自然毛竹林空间结构动态变化 仇建习袁汤孟平袁沈利芬袁等 渊员源源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于种实性状的无患子天然群体表型多样性研究 刁松锋袁邵文豪袁姜景民袁等 渊员源缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同林分起源的相容性生物量模型构建 符利勇袁雷渊才袁孙摇 伟袁等 渊员源远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
毛竹材用林林下植被群落结构对多花黄精生长的影响 樊艳荣袁陈双林袁杨清平袁等 渊员源苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
温度和 悦韵圆浓度升高下转 月贼水稻种植对土壤活性碳氮和线虫群落的短期影响
陈摇 婧袁陈法军袁刘满强袁等 渊员源愿员冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国东北地区近 缘园年净生态系统生产力的时空动态 李摇 洁袁张远东袁顾峰雪袁等 渊员源怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
遥感与 郧陨杂支持下的盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价 董张玉袁刘殿伟袁王宗明袁等 渊员缘园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及对导水性能的影响 陆摇 斌袁张胜利袁李摇 侃袁等 渊员缘员圆冤噎噎噎噎噎噎
磷浓度对铜绿微囊藻尧大型溞和金鱼藻三者相互作用的影响 马剑敏靳摇 萍袁郭摇 萌袁等 渊员缘圆园冤噎噎噎噎噎噎
普生轮藻浸提液对两种淡水藻类的化感抑制作用及其数学模型 何宗祥袁刘摇 璐袁李摇 诚袁等 渊员缘圆苑冤噎噎噎噎
北京永定河鄄海河干流河岸带植物的区系分析 修摇 晨袁欧阳志云袁郑摇 华 渊员缘猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于河流生境调查的东河河流生境评价 王摇 强袁袁兴中袁刘摇 红袁等 渊员缘源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
应用 杂宰粤栽模型研究潮河流域土地利用和气候变化对径流的影响 郭军庭袁张志强袁王盛萍袁等 渊员缘缘怨冤噎噎
长白山不同海拔树木生长对气候变化的响应差异 陈摇 力袁尹云鹤袁赵东升袁等 渊员缘远愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石家庄市空气花粉散布规律及与气候因子的关系 李摇 英袁李月丛袁吕素青袁等 渊员缘苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同放牧梯度下呼伦贝尔草甸草原土壤碳氮变化及固碳效应 闫瑞瑞袁辛晓平袁王摇 旭袁等 渊员缘愿苑冤噎噎噎噎噎
南四湖区农田土壤有机质和微量元素空间分布特征及影响因素 武摇 婕袁李玉环袁李增兵袁等 渊员缘怨远冤噎噎噎噎
资源与产业生态
跨国土地利用及其生态影响 陆小璇 渊员远园远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 图们江河流中段要要要图们江位于吉林省东南边境袁发源于长白山东南部的石乙水袁河流的绝大部分是中国与朝鲜的
界河袁下游很小一段为俄罗斯与朝鲜的界河袁并由这里流入日本海袁我国珲春距离日本海最近的地方仅有 员缘噪皂遥 图
们江是我国重要的国际性河流之一袁随着我国经济的迅速崛起袁图们江地区进入到多国合作联合开发阶段袁湿地生
态系统处于中度预警状态袁并有向重度预警发展的趋势袁生态安全面临的威胁越来越严重遥 对该区域进行湿地生态
安全评价与预警研究袁可为图们江流域生态环境的可持续发展提供依据遥 图中河道的远方为朝鲜尧河道近方为
中国遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 6 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.6
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业局林业公益性行业科研专项(201004036)
收稿日期:2012鄄10鄄28; 摇 摇 修订日期:2013鄄06鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: victory6515@ sina.com
DOI: 10.5846 / stxb201210281493
陆斌,张胜利,李侃,马国栋.秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及对导水性能的影响.生态学报,2014,34(6):1512鄄1519.
Lu B, Zhang S L, Li K, Ma G D.Distribution of soil macropores and their influence on saturated hydraulic conductivity in the Huoditang forest region of the
Qinling Mountains.Acta Ecologica Sinica,2014,34(6):1512鄄1519.
秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及
对导水性能的影响
陆摇 斌1,2,张胜利1,2,*,李摇 侃3,马国栋1
(1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌摇 712100;2. 陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站, 杨凌摇 712100;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌摇 712100)
摘要:大孔隙广泛分布于森林土壤中,是定量研究与土壤水分运动有关的重要因素,其研究可深化森林涵养水源机理的认识。
基于田间持水量到饱和含水量之间的土壤孔隙作为大孔隙的标准,利用土壤水分穿透曲线和 Poiseulle 方程研究了秦岭火地塘
林区森林土壤大孔隙分布特征及其对土壤饱和导水率的影响。 结果表明,林区土壤大孔隙当量孔径主要分布在 0.3—3.8 mm
之间;当量孔径>1.5 mm的大孔隙密度较小,其数量仅占大孔隙总数量的 5.37%;各当量孔径的大孔隙密度随土层分布基本呈
现为上层大、下层小的特点,且垂直分布差异显著,其与有机质含量分布有极显著的相关性。 0—60 cm土层大孔隙平均面积比
顺序为:针阔混交林>油松林>落叶阔叶林>华山松林。 不同当量孔径的大孔隙密度与饱和导水率呈显著正相关关系,当量孔径
大于 1.5 mm 的大孔隙密度决定了饱和导水率 84%的变异;大孔隙率平均在 1.6%—13.3%之间,当其小于 5%时,饱和导水率随
着大孔隙率增大而增大。
关键词:秦岭;大孔隙;当量孔径;饱和导水率
Distribution of soil macropores and their influence on saturated hydraulic
conductivity in the Huoditang forest region of the Qinling Mountains
LU Bin1,2, ZHANG Shengli1,2,*, LI Kan3, MA Guodong1
1 College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
2 National Forest Ecosystem Research Station in the Qinling Mountains of Shaanxi, Yangling 712100, China
3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
Abstract: Macroporosity is an important factor related to soil water movement. Relatively little is known abut soil
macroporosity in the Huoditang forest region of the Qinling Mountains. Although they contribute relatively little to total soil
porosity, macropores have a very important influence on saturated hydraulic conductivity and on subsurface flow. The study
of macropores is important for understanding the characteristics of soil water movement and the mechanism of water
conservation under forest vegetation. At the microscopic scale, the flow of water in all soil macropores is related to the size
of the void. Furthermore, water flow rates are controlled by the smallest void in any single continuous flow path (i.e., pore
neck). The objectives of this experiment were to study the distribution of soil macropores in the Huoditang Forest region and
to determine the influence of these macropores on saturated hydraulic conductivity. The volume of soil macropores is
equivalent to the volume of water in a soil at saturation minus the volume of water in the same soil at field capacity. This
definition, along with water breakthrough curves and the Poiseulle formula were used in this study. The results showed that
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the equivalent radii of soil macropores in the Huoditang Forest ranged from 0.3 to 3.8 mm. Macropores with equivalent radii
>1.5 mm made up only 5.37% of the total macropore content. The order of average area proportion of 0—60 cm layer was
mixed forest > Pinus tabulaeformis forest> deciduous broadleaf forest> Pinus armandii forest. Heavy clay may restrict the
development of macropores in the P. armandii forest soil. Macropore density was significantly greater in the upper soil layers
than in the lower soil layers. There was significant correlation between macropore density and the soil organic matter content.
Macropore distribution in the root zone differed significantly among the different forest types. The content of rock fragments
in deeper soil layers also affected macropore distribution. The average densities of macropores with different equivalent radii
were positively related with saturated hydraulic conductivity. The density of macropores with radii >1.5 mm accounted for
84% of the variability in saturated hydraulic conductivity. Soil porosity ranged from 1.6 to 13.3%. The saturated hydraulic
conductivity increased with porosity when porosity was less than 5%. This is because the possibility of such discontinuous
behavior increased both as the size and connectivity of the macropores increased and as the effect of capillary tension within
the macropores became smaller. Pore structure is of crucial importance. In general, macropores, especially those with radii
>1.5 mm, play a critical role in conserving water in forest soils.
Key Words: Qinling; macropores; equivalent radii; saturated hydraulic conductivity
摇 摇 壤中流的产生是森林涵养水源和调节径流的主
要方式,大孔隙在其中起着重要的作用。 大孔隙可
促进侧向表层流和快速旁路流,被认为是为坡面浅
土 层 暴 雨 洪 峰 提 供 重 要 优 先 流 的 路 径[1鄄2];
Wilson[3]、Shipitalo[4]、Weiler[5]等研究发现,虽然土
壤中大孔隙数量很少,但对传导水流有着重要作用,
可明显地增加入渗,减少地表径流。 Carneira 等[6]研
究发现,大孔隙的存在使土壤的饱和导水率增加了
几倍,且对总入渗量贡献率可达到 85%;Wilson、
Noguchi[6]等认为直径大于 l mm 的孔隙对传导水流
有着重要的因素;而 Luxmoore[7]发现大中孔隙的不
同组合有着不同的导水速率。 土壤中大孔隙的孔径
及数量特征直接反映了林地优先路径的组成情况,
研究林地土壤大孔隙分布规律有助于理解林区土壤
的导水性能和壤中流的发展过程。
目前有关大孔隙的研究并未给出严格的定义和
孔径范围,一般将孔径大于 0.03 mm,0.06 mm,0.085
mm,0.1 mm或 1 mm 的孔隙定义为大孔隙;孔径范
围大致为 0.03—3 mm[1,6,8鄄9]。 受动物、植被根系或
土壤自身等因素的影响,不同地区不同植被类型的
大孔隙分布具有不同特点,这也导致了土壤水分运
动空间上的差异[10鄄11]。 所以,要进一步完善林地土
壤水分运动及流域生态水文过程理论,必须深入开
展不同地区多重小尺度上有关大孔隙的研究。
本研究选择在秦岭南坡火地塘林场进行。 秦岭
南坡林区的水源供给集中了陕西省 73%的水资源,
其涵养水源状况对周边及其下游地区社会和经济发
展影响重大。 在林区,径流多以壤中流的形式汇集,
较大空隙的优先流运动起到了至关重要的作
用[12鄄14]。 因此,系统的分析研究该区林地土壤大孔
隙组成与数量分布规律及其对土壤水分运移过程的
影响,有助于进一步理解流域水分运动规律以及林
区壤中流的产汇流特征。 同时,该区也是我国南水
北调中线工程的主要水源地,故该研究还可为调水
区水资源管理提供科学依据。
1摇 研究区概况及研究方法
1.1摇 研究区概况
火地塘林区位于秦岭南坡中山地带中心地段,
选择在火地塘林区开展森林大孔隙的相关研究极具
典型性和代表性[13]。 该区地处北纬 33毅 18忆—33毅
28忆,东经 108毅20忆—108毅39忆,属长江水系汉江流域。
林区海拔范围 900—2450 m,年平均气温 8—10 益,
年平均降水 900—1200 mm,年水面蒸发量 800—950
mm,年总日照时数为 1100—1300 h。 林区腐殖质层
厚约 7—10 cm,森林覆盖率达 91.8%。 主要成林树
种有锐齿栎 (Quercus aliena var. acuteserrata)、油松
(Pinus tabulaeformis)、华山松(Pinus armandii)、红桦
(Betula albo鄄sinensis)、光皮桦(Butula luminifera);伴
生树种有:漆树 ( Toxicodendron)、鹅耳栎 ( Carpinus
turczanoinwii)、 木姜子 ( Litsea phngens )、 青榨械
(Acerdavidii);主要灌木有:榛子(Corylus heterophylla)、
3151摇 6期 摇 摇 摇 陆斌摇 等:秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及对导水性能的影响 摇
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山柳 ( Salix)、刺悬钩子 ( Rubus phngens)、胡枝子
(Lespedeza bicolor Thunb)、山马蝗(Desmodium sp.)、
卫矛(Euonymus alata)等。
试验区土壤以山地棕壤为主,平均厚度为 50
cm。 成土母质以片麻岩、花岗岩、结晶片岩及似斑状
花岗闪长岩风化的坡积和残积物为主。 土壤中石砾
分布较多且形状差异较大,油松林地石砾多介于 2—
30 mm,平均体积含量为 21.08%;针阔混交林和阔叶
林地,臆30 mm的砾石含量在 4%—8%之间,且多镶
嵌有较大直径的半分化岩石。 林地土壤中根系较丰
富,多分布于 0—30 cm土层,直径臆1 mm 的根系生
物量最大。 其中针阔混交林和阔叶林地表层的腐根
较多。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 样地设置
实验选在林区最大的自然集水区火地沟流域进
行。 该区森林植被、地形地貌、土壤等具有秦岭南坡
中山地带的典型特征。 区内植被为松栎林和松桦林
为主的落叶阔叶和针阔叶混交林,主要树种有锐齿
栎、山杨、白桦、油松和华山松等[13]。 根据林区的主
要成林树种分布,本研究设置了 4 种主要林分类型
(表 1)。
表 1摇 研究地土壤(0—60 cm)的基本特征
Table 1摇 Selected soil physical and chemical properties of the experimental site (mean依SD)
林分类型
Vegetation
坡向
Slop aspect
坡度
Slop degree
/ (毅)
砂粒
Sand
/ %
粉粒
Silt
/ %
粘粒
Clay
/ %
有机质含量
Organic matter
/ (g / kg)
容重
Bulk density
/ (g / cm3)
油松林 西南偏南方 27 56.85依6.41 42.39依6.29 0.77依0.21 30.18依4.38 1.13
华山松林 西南方 38 30.03依3.41 68.76依3.43 1.21依0.28 30.02依2.48 1.00
针阔混交林 东北方 37 33.31依5.05 65.90依4.64 0.79依0.41 34.19依6.54 1.03
落叶阔叶林 西南偏南方 37 50.83依5.61 48.67依5.72 0.51依0.11 29.52依4.22 0.91
摇 摇 油松: Pinus tabulaeformis; 华山松: Pinus armandii;针阔混交林 Mixed forest;落叶阔叶林 Deciduous broadleaf forest
1.2.2摇 大孔隙的计算方法
测量土壤大孔隙的方法有很多种(如示踪技术,
土壤切片法,穿透曲线法,张力入渗仪测量法,X 射
线 CT扫描摄像以及雷达探测技术等) [15鄄19]。 从森
林土壤大孔隙水文效应的角度出发,采用土壤水分
穿透曲线和 Poiseulle 方程相结合的方法较合适[7]。
该法测定的是“瓶颈冶大小孔隙,而在微小尺度上,一
个连续水流路径的出流速率受最小尺寸空隙(亦称
为 pore necks)控制[1]。 与其它测定方法相比,该法
所得参数更适合于描述大孔隙与土壤水分运动的关
系,并适于林地多根系多石砾土壤的研究[8]。
根据时忠杰[8]、石辉[15]、Radulovich[17]等的研
究,大孔隙定义为田间持水量到饱和含水量之间的
土壤孔隙。 田间持水量到饱和含水量之间的排水过
程首先是大孔隙排水,然后排水孔隙的孔径逐渐减
小。 对某一固定土样,最大孔隙半径就是第一次出
水时的半径;而土样的最小半径就是当水流开始达
到稳定时的半径[9,15]。 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,
可根据土壤水分穿透曲线理论,将流量方程(1)与
Poiseulle方程(2)联合求解大孔隙的当量孔径(3):
Q = A v = 仔r2子L / t (1)
Q = 仔r4驻P / (8浊子L) (2)
r = 子L (8浊 / [ t驻P]) 1 / 2 (3)
式中,Q为单位流量(cm3 / s);A为孔隙面积(cm2);v
为流速(cm / s);r为孔隙孔径(cm);子 为水流实际路
径的弯曲系数,本研究取 1.2;L 为土柱长度(cm);浊
为水的粘滞系数( g / cm / s);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
隙孔径。 将两孔隙孔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 Qe时,计算相应大孔隙数量(n):
Qe = nAv = n仔r2子L / t (4)
1.2.3摇 土样采集与出流速率的测定。
2012年 5—8月,用环刀(直径 7 cm、高 5.2 cm)
分层(A 层约 0—20 cm、B 层约 20—40 cm、BC 层约
40—60 cm)采集土壤样品,平放并尽量减少颠簸以
保持土样的原状,带回实验室测定水分穿透曲线。
每种植被类型设 3—5 个样点。 将采集的原状土壤
样品置于水中 12 h 以充分饱和,然后放置于粗砂上
放置 12 h,使其达到田间持水量,并在环刀上边缘与
4151 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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土壤样品接触的部分涂上凡士林,以保证水分不能
通过土壤与环刀壁之间的孔隙直接流出。 在土柱上
部放置一张滤纸,以防止水分冲刷破坏表层土壤结
构。 土柱下部过滤板的出流孔密度为 5 个 / cm2。 用
马氏瓶控制水头 2 cm,从加水开始计时,当土柱下部
有水流出时,每隔 5s或 10s收集出流水量,测定其体
积,直到水流通量达到稳定为止。 然后根据测定的
出流水量作水分穿透曲线,确定其水流通量达到稳
定的时间,再参照 1.2.2计算大孔隙的相关指标。 根
据水流稳定后的流量计算饱和导水率(Ks),统一换
算为 10益的饱和导水率(K10)。
土壤有机质含量测定采用重铬酸钾法。
2摇 结果与分析
2.1摇 不同植被类型大孔隙分布特征
研究区土壤大孔隙的当量孔径范围为 0.3—3.8
mm(表 2),该计算结果与王伟[18]和 Germann等[1]所
测土壤大孔隙孔径范围基本一致。 最小孔径 0. 3
mm,与土壤学中土壤通气孔中的粗孔隙孔径下限
(孔径大于 0.3 或 0.2 mm)一致[19],说明研究地森林
土壤大孔隙主要为孔径大于 0.3 mm的通气孔隙。
表 2摇 不同当量孔径的大孔隙密度
Table 2摇 Number of soil macropores in each radius interval
植被类型
Vegetation
土壤层次
Profile
不同当量孔径(mm)大孔隙密度
Number of soil macropores in each radius interval / (个 / m2)
(2.0—3.8)
伊102
(1.5—2.0)
伊103
(1.1—1.5)
伊103
(0.7—1.1)
伊103
(0.5—0.7)
伊104
(0.3—0.5)
伊104
饱和导水率
Saturated Water
Conductivity
/ (mm / min)
油松林摇 摇 A 5.31依2.37 1.38依0.67 2.39依1.27 5.23依2.93 1.01依0.55 1.23依0.71 16.10依7.27
B 2.64依0.90 0.68依0.26 1.32依0.41 2.72依0.89 0.53依0.15 0.87依0.23 11.00依0.10
BC 0.47依0.67 0.15依0.22 0.29依0.22 0.66依0.24 0.13依0.05 0.23依0.09 1.80依0.58
华山松林摇 A 4.91依2.74 1.22依0.60 2.17依1.17 4.72依2.56 0.93依0.52 1.70依0.94 14.10依7.46
B 2.33依1.05 0.72依0.31 1.23依0.52 2.61依1.06 0.53依0.25 0.97依0.10 10.90依3.08
BC 0.45依0.64 0.17依0.24 0.31依0.34 0.61依0.72 0.13依0.15 0.20依0.22 2.10依1.98
针阔混交林 A 5.71依1.58 1.67依0.51 2.94依1.04 6.55依2.14 1.24依0.37 2.42依0.52 11.40依5.16
B 3.93依2.04 1.20依0.68 2.30依1.47 5.12依3.64 1.02依0.75 1.93依1.76 7.20依2.40
BC 1.21依1.71 0.32依0.36 0.52依0.62 1.07依1.16 0.17依0.18 0.38依0.46 3.30依3.74
落叶阔叶林 A 5.75依3.11 1.35依0.67 2.36依1.2 5.39依2.97 1.06依0.58 1.69依0.91 13.30依12.05
B 1.42依0.63 3.76依1.41 0.59依0.21 1.25依0.41 0.22依0.06 0.26依0.09 2.30依0.96
摇 摇 * A、B、BC分别表示林地土壤剖面的淋溶层、淀积层、过渡层 (落叶阔叶林地土层深约 40 cm,过渡层不明显)
摇 摇 大孔隙密度为土壤单位断面积上的平均大孔隙
数量。 火地塘林区,0—60 cm 土壤大孔隙密度在
0郾 14伊104—7.18 伊 104个 / m2之间,平均为 1. 98 伊 104
个 / m2,变异系数为 0.42。 不同样地表层(0—20 cm)
土壤大孔隙平均密度大小顺序为:针阔混交林>落叶
阔叶林>华山松林>油松林;0—60 cm 土层,大小顺
序则为针阔混交林>华山松林>落叶阔叶林>油松
林。 针阔混交林地土壤大孔隙密度最大。 0—60 cm
土层的大孔隙平均密度的变异系数大小顺序为:针
阔混交林>华山松林>落叶阔叶林>油松林。 土壤大
孔隙断面面积与土柱总过水断面面积的百分比(简
称大孔隙面积比)能够综合反映大孔隙半径及密度
等因素对土壤水分运动的影响。 各样地大孔隙面积
比平均为 4.59%,标准差为 2.81%,变异系数为 0.61。
大孔隙面积比最高的为油松林地的 A 层,较小的为
油松林的 C 层和华山松林的 C 层。 0—60 cm 土层
大孔隙平均面积比的顺序为:针阔混交林>油松林>
落叶阔叶林>华山松林。 油松林地的大孔隙面积比
较大可能是土壤中砾石分布影响较大半径大孔隙密
度的缘故;华山松林地石砾含量较低且质地较黏重,
可能对大孔隙的发育有一定限制。 针阔混交林和落
叶阔叶林的土壤大孔隙平均密度和面积比的变异系
数均较大,这可能与该林分类型较为丰富的腐烂根
系有一定关系,也可能是由于所处林地土壤表层镶
嵌的石块以及底部散布的砾石所致。 不同类型林
地、不同土壤层中大孔隙密度变化具有较大差异,说
明植物组成对土壤大孔隙特征具有较为显著的
影响。
2.2摇 大孔隙垂直分布规律
随着林地土壤深度的增加,地表植物根系能够
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作用到的范围逐渐缩小,植物对土壤结构的影响程
度也逐渐降低[20]。 缺少了植物根系的挤压与切割
以及腐根对土体的疏松,林地底层的土壤一般会较
其上层变得更加紧实,从而影响着土壤大孔隙的形
成。 各林地土壤层中,较大孔径孔隙的密度较小,而
较小孔径孔隙的密度较大,且各当量孔径的大孔隙
密度随土层分布基本表现为上层大、下层小的特点
(表 2)。 采用新复极差法的多重比较统计 ( P <
0郾 05)对不同林分不同土层深度中各当量孔径的大
孔隙密度进行分析,表明随林地土壤深度增加,各级
别大孔隙的数量整体呈显著下降趋势(表 3)。 林地
土壤表层,当量孔径 0.5—3.8 mm范围内的大孔隙密
度明显高于底层。 林地表层土壤中,当量孔径为
2郾 0—3.8 mm的平均大孔隙密度在 135—768 个 / m2
之间,而底层仅为 45—121 个 / m2。 该孔径级别土壤
大孔隙的形成可能与植物根系腐烂后形成的孔径较
大的植物根孔有关[21]。 当量孔径为 0.5—2.0 mm的
大孔隙,在表层土壤中的平均数量可达到 4522 个 /
m2。 地被物中灌木、草本植物的浅层根系的腐烂与
生长是植物根孔更新形成的主要来源,因此当量孔
径较大的大孔隙多在土壤表层范围内聚集[21]。 当
量孔径为 0.3—0.5 mm 的大孔隙密度在相邻土层间
变化不显著,说明数量最多的低孔径大孔隙在林地
土壤中的空间分布状态是较为均匀的。 对各当量孔
径的大孔隙密度与对应有机质含量进行相关分析,
二者具有极显著的正相关性(P<0.01) (表 4),表明
有机质对大孔隙的形成有重要作用,对较大孔径孔
隙的作用尤为明显。 土壤有机质具有一定的粘结
力,能够使相对松散的土壤颗粒通过有机质自身的
胶结作用形成团粒结构。 森林枯枝落叶分解和根系
腐烂导致表层土壤有机质含量增加,土壤团聚体增
多,相应地土壤孔隙率增大、孔隙尺度增大、连通性
变好。 Tsukamota[1]研究发现单个大孔隙通常较短,
但通过土壤松散有机物质的节点连接,可形成大孔
隙网络。 Aubertin[1]研究认为此类大孔隙可能至少
占到森林土壤体积的 35%,但会随土层的加深而迅
速减小。
表 3摇 大孔隙密度随土壤深度变化的差异显著性
Table 3摇 Significance of difference of macropore density in each soil depth
土壤层次
Profile
土壤大孔隙的当量孔径范围 Macropore radii intervals / mm
2.0—3.8 1.5—2.0 1.1—1.5 0.7—1.1 0.5—0.7 0.3—0.5
A a a a a a a
B b b b b b ab
BC c c c c c bc
摇 摇 同列不同小写字母间差异达到显著(P<0.05)水平
表 4摇 有机质含量与不同当量孔径大孔隙密度的相关关系
Table 4摇 Correlation analysis between the number of macropores and organic matter for each pore size
参数
Correlation
大孔隙当量孔径 Macropore radii intervals / mm
0.3—0.5 0.5—0.7 0.7—1.1 1.1—1.5 1.5—2.0 2.0—3.8
相关系数 Spearman correlation coefficient 0.753** 0.842** 0.857** 0.854** 0.889** 0.926**
显著性(双侧)Two鄄tailed significances 0.007 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000
摇 摇 **P<0.01
2.3摇 大孔隙对饱和导水率的影响
土壤层的饱和导水率是由不同类型不同性质的
水分运移路径所决定的,而土壤大孔隙是其中一种
重要的路径表现形式[1,22]。 对各土层不同当量孔径
的大孔隙密度和土壤饱和导水率进行相关分析(表
5),发现当量孔径为 0.3—0.5 mm 的大孔隙密度对
饱和导水率具有显著的影响(P<0.05)。 由于不同林
地不同土层内该级别大孔隙的数量最大且变化差异
较小,因此整体上其对饱和导水率空间变化的影响
程度较低。 当量孔径为 0.5—3.8 mm 的大孔隙密度
对饱和导水率的影响极显著(P<0.01),加之其在不
同林分、不同土层中数量变化较大(表 2),因此其对
饱和导水率的空间变化影响程度较高。 大孔隙面积
比与饱和导水率显著相关(P<0.05)也反映了大孔隙
孔径与密度分布共同影响土壤水分运移。 随孔径降
低,大孔隙密度与饱和导水率的相关程度逐渐降低,
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说明土壤中水分传导特性与大孔隙孔径特征具有密
切联系。 油松林地土壤表层(0—20 cm)丰富的根系
石砾分布所形成的较大孔径的孔隙使其具有较强的
导水性能;针阔混交林地底层(40—60 cm)的破碎基
岩是其具有较好深层导水能力的重要原因。 大孔隙
的水分传导作用也是各土层不同径级大孔隙在土壤
水分、质地和寄生生物等因素影响下相互作用、相互
贯通的过程。
表 5摇 饱和导水率与不同当量孔径大孔隙密度的相关关系
Table 5摇 Correlation analysis between the number of macropores and saturated water conductivity for each pore size
参数
Correlation
大孔隙当量孔径 Macropore radii intervals / mm
0.3—0.5 0.5—0.7 0.7—1.1 1.1—1.5 1.5—2.0 2.0—3.8
面积比 / %
Macropore area ratio
相关系数
Spearman correlation coefficient 0.704
﹡ 0.814** 0.809** 0.823** 0.834** 0.871** 0.673﹡
显著性(双侧)
Two鄄tailed significances 0.016 0.002 0.003 0.002 0.001 0.000 0.023
摇 摇 **P<0.01; * P<0.05
摇 摇 进一步研究大孔隙对水分运动影响,对当量孔
径>1.5mm大孔隙密度与饱和导水率进行回归分析,
发现孔径>1.5mm 的大孔隙密度与饱和导水率呈幂
函数关系,且拟合度较高(图 1)。 孔径>1.5mm 的大
孔隙密度仅占总大孔隙密度的 5.37%,但决定了饱
和导水率 84.4%的变异。 Beven 等[1]认为较大孔径
的孔隙可有效排走土壤中的空气,减小了气压对入
渗的抑制;大孔隙也增加了侧向渗透和垂直下渗,从
而影响导水率的变化。 在考虑大孔隙存在时,土壤
中水分运移主要由通过大孔隙中的水流决定,特别
是在土壤接近饱和的情况下,大孔隙中的水流速度
远大于土壤基质流,是非达西流[1,16]。 Peterson[1]等
测量孔径>3 mm 的某单一孔隙出流时,发现其雷诺
数达到 3000,为湍流;有的大孔隙可增加水流通量,
从 1.7到 2.8伊10-5m / s,孔隙率却仅增加了 0郾 002%。
林地土壤较大孔径的孔隙主要分布在表层(表 2),
所以更有利于土壤对降水的吸收与存蓄。
图 1摇 孔径>1.5mm的大孔隙密度与饱和导水率的关系
Fig. 1 摇 The relationship between density of soil macropore
>1郾 5mm and saturated water conductivity
林区土壤平均大孔隙率在 1.6%—13.3%之间。
饱和导水率随着大孔隙率的增加呈幂函数增大;进
一步研究也发现饱和导水率先随大孔隙率的增加而
增大,到一定程度反而下降,呈抛物线型变化,且拟
合度也达到了 0.81。 但在大孔隙体积所占比例小于
5%时,均表现为饱和导水率随大孔隙体积比增大而
升高的趋势(图 2)。 分析其原因,可能是大孔隙体
积比增大到一定程度时,决定其排水能力的主要因
素转为大孔隙联通性和水流型态,而非其数量的多
少[15]。 大孔隙率的微小变化会引起水流通量的突
变,其流态可能是层流,也可能是界于层流与紊流之
间的过渡流。 水流在不规则大孔隙网络中倾向于颈
缩效应[1]。 Beven和 Germann 研究发现土壤样品中
连续且直径为 0.3 mm 的大孔隙要比周围不连续的
直径为 100 mm 的孔隙传导更多的水分。 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。 虽存在土壤有机物质的节点连接[8],但其作用
有限,并且随土层加深大孔隙密度也显著减小(表
图 2摇 大孔隙率与饱和导水率的关系
Fig.2 摇 The relationship between macroporosity and saturated
water conductivity
2),从而影响着对水分的传导。
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3摇 结论与讨论
本研究得出秦岭南坡中山带水源林区土壤大孔
隙当量孔径集中于 0.3—3.8 mm,与以往定义范围基
本一致,但孔径范围上限较大,这可能与该区石砾含
量较大并广泛分布着基岩碎屑和破碎岩石有关,且
林区植被的腐根对较大孔径的大孔隙形成也起重要
作用[23]。 根系腐烂不仅有助于提高土壤有机质,促
进团聚体的形成;也为新根的伸延提供了有效通道。
多数情况,石砾与植物根系交织在一起,共同影响大
孔隙的发育以及土壤水分运动。 土壤大孔隙的形成
因素较为复杂,若需获得更为全面的了解,则需要定
量区分各个因子的作用。
>0.3 mm的各当量孔径大孔隙密度与饱和导水
率均显著相关,这与王伟等[18]研究结果基本一致。
石辉等[15]在研究岷江上游森林土壤大孔隙特征时,
发现孔径大于 1.4 mm 的孔隙数量对饱和导水率影
响最大,可以决定饱和导水率 69%的变异。 本研究
中,当量孔径>1.5 mm的大孔隙密度较小,但决定了
饱和导水率 84.4%的变异。 孔径较大(当量孔径为
1.5—3.8 mm)的大孔隙,在实验林区不同类型林地
土壤中广泛分布,加之该类型大孔隙的水力传导性
能较强,对饱和导水率的变化影响程度也较高。 一
定条件下大孔隙的连通性对水分的入渗起主导作
用[24]。 但因技术原因,本研究未考虑孔隙联通性,
在今后研究中需加强技术研发,予以综合考虑。
总体上,研究区针阔混交林和落叶阔叶林土壤
大孔隙平均密度和面积比较大,因此,针阔混交林和
落叶阔叶林较利于改良土壤渗透性,具有较好的涵
养水源和调节径流的功能。 影响流域水分运动的因
素很多,除植被类型和土壤外,也包括降雨、地质和
地形等[25]。 以往研究中,很少讨论当降雨强度处于
那个范围时,更有利于大孔隙传导水分;是否大孔隙
度越大,导水性越好,还是存在上下限。 此外,未来
还需进一步讨论大孔隙的变异性和有效性,为水源
林区水文生态理论的完善和模型的构建提供参考。
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阅赠灶葬皂蚤糟 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 泽责葬贼蚤葬造 泽贼则怎糟贼怎则藻 蚤灶 葬 糟造燥泽藻鄄贼燥鄄灶葬贼怎则藻 孕澡赠造造燥泽贼葬糟澡赠泽 藻凿怎造蚤泽 泽贼葬灶凿泽
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孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
栽澡藻 蚤皂责葬糟贼 燥枣 怎灶凿藻则泽贼燥则赠 增藻早藻贼葬贼蚤燥灶 泽贼则怎糟贼怎则藻 燥灶 早则燥憎贼澡 燥枣 孕燥造赠早燥灶葬贼怎皂 糟赠则贼燥灶藻皂葬 蚤灶 藻曾贼藻灶泽蚤增藻造赠 皂葬灶葬早藻凿 孕澡赠造造燥泽贼葬糟澡赠泽 藻凿怎造蚤泽
责造葬灶贼葬贼蚤燥灶 云粤晕 再葬灶则燥灶早袁 悦匀耘晕 杂澡怎葬灶早造蚤灶袁 再粤晕郧 匝蚤灶早责蚤灶早袁藻贼 葬造 渊员源苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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灶蚤贼则燥早藻灶袁 葬灶凿 灶藻皂葬贼燥凿藻 糟燥皂皂怎灶蚤贼蚤藻泽 悦匀耘晕 允蚤灶早袁 悦匀耘晕 云葬躁怎灶袁 蕴陨哉 酝葬灶择蚤葬灶早袁 藻贼 葬造早 渊员源愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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源员远员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 薛建辉摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 远期摇 渊圆园员源年 猿月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
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