全 文 ：黄土丘陵区人工油松林地土壤大孔隙定量研究 倡
　 　 倡 �国家重点基础研究（９７３）发展规划项目（２００２CB１１５０２） 、国家自然科学基金项目（４０４７１０７８）和国家自然科学基金重点项目（３０２３０２９０）
资助
　 　 倡倡 �通讯作者
收稿日期 ：２００５唱０３唱０４ 　 改回日期 ：２００５唱０８唱０９
石 　辉１ 　王 　峰２ 　李秧秧３ 倡 倡
（１ ．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 ；
２ ．西南师范大学资源环境科学学院 　重庆 　 ４００７１５ ；３ ．西北农林科技大学水土保持研究所 　杨陵 　 ７１２１００）
摘 　要 　根据水分穿透曲线和 Poiseulle 方程原理 ，定量研究了黄土丘陵区人工油松林地原状土大孔隙的半径范
围 、个数及分布情况 。黄土丘陵区人工油松林地田间持水量至饱和含水量之间的大孔隙半径为 ０畅２ ～ ３mm ，孔径
＞ １mm的特大孔隙仅占大孔隙总数的 ２畅２％ ，表现出特大孔隙较少 、小孔隙较多的特点 。土壤剖面上部的大孔隙加
权平均半径较大 ，随土层深度的增加 ，大孔隙半径逐渐减小 。大孔隙所占过水断面面积在 １畅２７％ ～ １８畅１３％ 之间 ，
大部分样品大孔隙所占过水断面面积 ＜ ５％ 。坡位 、坡度 、坡形 、坡向对大孔隙形成起着重要作用 。大孔隙虽然占
土壤体积的很小一部分 ，但其平均半径与水流通量和饱和导水率之间有显著幂函数关系 ，分别决定了水流通量的
７７％ 和饱和导水率的 ７５％ 变异 。植物强化土壤渗透能力的主要原因之一是根层土壤大孔隙的优势流效应 。
关键词 　人工油松林地 　土壤大孔隙 　水分穿透曲线 　饱和导水率
Quantitative studies on soil macropores under artificial Chinese pine （ Pinus tabuleaformis Carr ．）forest in loess hilly
region ．SHI Hui１ ，WANG Feng２ ，LI Yang唱Yang３ （１ ．Key Laboratory of Northwestern Water Resources and Environmental
Ecology ，Ministry of Education ，College of Environmental and Municipal Engineering ，Xi摧an University of Architecture and
Technology ，Xi摧an ７１００５５ ，China ；２ ．School of Resources and Environments ，Southwest China Normal University ，
Chongqing ４００７１５ ，China ；３ ．Institute of Soil and Water Conservation ，Northwest Sci唱Tech University of Agriculture and
Forestry ，Yangling ７１２１００ ，China） ，CJEA ，２００７ ，１５（１） ：２８ ～ ３２
Abstract　 The radius ，number and distribution of soil macropores under artificial Chinese pine （ Pinus tabuleaformis
Carr ．）forest were quantitatively researched by the water breakthrough curve and Poiseulle equation ．The radius of soil
macropore ，which is defined as the pores between field capacity and saturated water content ，is ０ ．２ ～ ３ mm ，of which the
macropores with the radius larger than １mm account for only ２ ．２％ of total macropore number ．And there are more
macropres in the upper layers of soil profiles than those in the lower layers ．The weighted mean radius of macropores in the
upper layers is larger ，and is gradually decreased along with the soil depth ．The ratio between the macropore area and water
through sectional area is １畅２７％ ～ １８畅１３％ ，and the ratio is less than ５％ for most samples ．The slope position ，gradient ，
shape and direction intensively affect soil macropores ．Although soil macropores account for small portion of the soil vol唱
umes ，there is a remarkable power function relation between the mean radius of soil macropores and water flux ，saturated
hydraulic conductivity ．The mean radius determines ７７％ and ７５％ variances of water flux and saturated hydraulic conduc唱
tivity ，respectively ．The mechanics of intensifying soil penetration by plants is the effect of preferential flow ，which is pro唱
duced by soil macropores formed by roots ．
Key 　 words 　 Artificial Chinese pine forest ，Soil macropore ，Water breakthrough curve ，Saturated hydraulic conductivity
（Received March ４ ，２００５ ；revised Aug ．９ ，２００５）
　 　土壤大孔隙虽然只占整个土壤孔隙很小的一部分 ，但其产生的优势流对土壤水运动产生明显影响［１］ 。
由于大孔隙的存在 ，水分在运动过程中不能与土体发生充分的相互作用 ，而是直接快速地进入土壤深层 ，以
至于部分学者认为大孔隙所形成的优势流 （Preferential flow ）是土壤深层水分可能来源的惟一通道［６］ 。
Beasely ［７］曾发现在森林坡地上 ，降水 ２０min 后出现了壤中流 ，而此时土壤上层剖面并没有达到饱和 ；
Mosley［８］计算之后发现 ，４０％ 的降水沿着大孔隙迅速入渗 ；Harr［９］发现在一些流域的陡坡 ，壤中流占暴雨径
第 １５ 儍卷第 １期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 换　 No ．１
２ ０ ０ ７ 乔年 １ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Jan ．，　 ２００７ 後
流的 ９７％ 。传统的土壤物理理论认为 ，非饱和流的运动特别慢 ，除非下部土壤达到饱和 ，否则壤中流不可能
成为当次降水的主要径流来源［１０］ 。 De Vries和 Chow 等［１１］研究后认为 ，在相同水力导度下 ，大孔隙产生的
优势流可比基质势引起的水分运动更快 ，入渗深度更深 ，大孔隙是壤中流快速出现的主要因素 。 Wilson
等［１２］在森林坡地上的研究表明 ，坡地大孔隙是壤中流的主要机制 ，特别是那些直径大于 １mm 的孔隙 ，虽然
数量很少 ，但对传导水流有着重要的作用 ，大中孔隙的不同组合有着不同的导水速率 。在传统的森林土壤
研究中 ，经常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着土壤物
理中的大孔隙 ，主要指田间含水量与饱和含水量之间的孔隙 ，虽说具体的孔径指标由于毛管势的大小 、孔隙
功能 、水动力学特征和图象处理的精度而划分的标准不同［１３］ ，但一般指孔径 ０畅０３ ～ ３mm的孔隙 。石辉等对
岷江流域森林土壤的研究发现 ，土壤大孔隙半径主要集中于 ０畅３ ～ ２畅４mm 之间 ，平均在 ０畅４８ ～ １畅１７mm 之
间 ，均值为 ０畅８４mm ，均方差为 ０畅２２６ ；半径在 １畅４ ～ ２畅４mm 之间的特大孔隙较少 ，＜ １畅０mm 的小孔隙较多 。
大孔隙的平均半径对于水分出流速率有重要影响 ，特别是半径 ＞ １畅４mm 的孔隙数量影响最大 ，虽然其数量
仅占大孔隙数量的 ５％ 以下 ，但决定了稳定出流速率 ７０％ 的变异［２］ 。
　 　油松适应范围广 ，耐干旱瘠薄 ，是黄土丘陵半干旱半湿润地区的主要造林树种 。由于油松林的作用 ，土
壤水分环境发生了变化 ，对土壤水分的季节性恢复产生了一定的影响 。特别是油松根系能够强化土壤的入
渗能力［３］ ，这可能因为土壤中具有较高入渗能力的大孔隙的形成 ，使地表径流相应较少 ，可有效地防止水土
流失的发生 ；同时 ，通过大孔隙进入深层的水分 ，有利于土壤干层的水分恢复 。因此 ，研究黄土丘陵区人工
油松林土壤大孔隙特征 ，对于认识黄土高原地区植被的生态水文特征 、深层土壤水的补给有重要意义
1 　研究区域概况和研究方法
　 　试验在陕西省宜川县铁龙湾林场中国科学院水土保持研究所森林水文和水土保持试验站完成 。该区
地处黄龙山东缘 ，北纬 ３５°５８′ ，东经 １１０°０５′ ，地貌属于梁状丘陵 ，海拔 ８００ ～ １２００m ，大陆性季风气候 ，多年平
均气温 ９畅８ ℃ ，年均降水量 ５７４畅４mm 。土壤为灰褐色森林土 ，质地中壤 。地带性植被为落叶阔叶林 、温性针
叶林和落叶灌丛 。该区土壤侵蚀模数为 ８０００ ～ １００００t／km２·a 。供测定土壤的人工油松林为 １９６３年植造 ，
分布于松峪沟六架山小流域 ，初植密度为 ６０００株／hm２ ，１９８３ 、１９９２ 年进行抚育间伐 ，间伐后为次生灌木 ，主
要有黄刺玫 、胡颓子 、绣线菊 、忍冬 、连翘 ；草本植物有大披针叶苔草 、铁杆蒿等 。目前每 hm２ 保留 １８００株 ，
平均树高 １２ ～ １５m ，胸径 １３ ～ １６cm ，林地枯枝落叶厚 ４畅０ ～ ５畅０cm ，郁闭度 ０畅７ ～ ０畅８ 。
　 　大孔隙测定的基本原理 。本研究的重点是田间持水量到饱和含水量之间土壤大孔隙的具体孔径范围 。
土壤达到田间持水量以后 ，入渗速率主要受供水强度控制 ，处于层流的范围 ，在假设土壤孔隙为圆形的情况
下可利用 Poiseulle方程建立流量和孔径之间的关系 ：
Q ＝ π r４ Δ p ／（８ ητL ） （１）
对于稳态水流 ，公式为 ：
Q ＝ π r２ τL ／ t （２）
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 。
结合方程（１） 、（２）即可计算出大孔隙的当量孔径 ：
r ＝ τL ／（８ η／［ tΔ p］）１／２ （３）
式中 ，Q 为单位流量（cm３ ／s） ；r为孔隙半径（cm） ；τ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） ；η为水的黏滞系数（g／cm·s） ；Δ p 为压力水头（cm） ；t为从第一次加水开始记时的时间（s） 。通
过对任意时间排水量进行观测 ，可利用（３）式计算出相应的孔隙半径 ，将两个孔隙半径之间按照 ０畅１ ～ ０畅５之
间的间隔 ，形成一定的孔隙范围 ，其计算值则为范围的平均值 。假设某个孔径的孔隙面积为 A （cm２ ） ，水流
速率为 V （cm／s） ，则与流量之间存在（４）式的关系 ：
Q ＝ nAV ＝ nπ r２ V （４）
　 　因此 ，计算出当量孔径后 ，可用（４）式计算不同孔径范围的大孔隙数量 n 。 Raulovich 等将这种方法称作
水分的穿透曲线法［１４］ 。此方法实质上测定的是孔隙“瓶颈”大小 ，有其局限性 ，但仍为大孔隙大小 、数量 、分
级等的研究提供了定量依据 。
样品采集与水分穿透曲线的制作 。利用环刀分层采取原状土样 ，采样点的基本状况见表 １ 。处理采集
的样品使之达到田间持水量 ，采用马氏瓶控制 １ ～ １畅５cm 水头条件下每间隔 ５s测出流流量 ，直到水流稳定 ，
第 １ 媼期 石 　辉等 ：黄土丘陵区人工油松林地土壤大孔隙定量研究 ２９　
表 1 　样点基本状况
Tab畅１ 　 Major characteristics of sampling locations
编号No ． 海拔／mElevation 坡向Slopedirection
坡度／（°）Slopegradient
坡位 、坡形Slope positionand shape
主要植被Vegetations 郁闭度或覆盖度Coverage
枯落物厚／cmLitterthickness
１ １０３２ �东南 ２６ 妸平坡下部 油松林 ０畅７８ ３畅０
２ １０７４ �东北 ２１ 妸凹坡上部 油松林 ０畅７０ ２畅０
３ １０９６ �东 １８ 妸凸坡上部 次生山杨林 ０畅６０ ２畅０
４ １１６３ �东北 ２４ 妸凸坡上部 油松伐后次生灌木林 ０畅５０ １畅０
５ ９９０ �西 ３１ 妸沟底平坡 油松伐后次生灌木林 ０畅５０ １畅０
６ ９９３ �东 ３６ 妸沟底平坡 油松伐后次生灌木林 ０畅４０ １畅０
７ １０４９ �西 ３９ 妸平坡中部 油松伐后次生灌木林 ０畅５５ １畅０
８ １０６８ �西 ２１ 妸平坡中部 油松伐后次生灌木林 ０畅５０ １畅０
９ １０６１ �东北 坡中梯田 油松林 ０畅８０ ４畅５
１０ #１０４３ �东北 沟沿凹坡 油松林 ０ 畅７８ ３畅０
分析时间和出流速率
的关系 （水分穿透曲
线） ，根据上述原理计
算大孔隙的孔径范围
R及个数 n 。根据水流
稳定后的流量计算饱
和导水率 Ks ，为了消
除温度对水黏滞系数
的影响 ，统一换算为
１０ ℃ 的 饱 和 导 水 率
K１０ 。
2 　结果与分析
2畅1 　土壤大孔隙的半径范围与数量
　 　由表 ２可知 ，黄土丘陵区人工油松林土壤大孔隙最小的孔隙半径为 ０畅２mm ，这与土壤学中土壤通气孔
中的粗孔隙半径范围（孔径大于 ０畅３或 ０畅２mm）一致［４］ ，说明在黄土丘陵区的人工油松林中 ，土壤大孔隙主
要是孔径大于 ０畅２mm的粗通气孔隙 。在全部样品中 ，孔径大于 １mm的特大孔隙仅占大孔隙总数的 ２畅４％ ，
０畅５ ～ １畅０mm之间的孔隙占 １５畅７％ ，０畅２ ～ ０畅５mm 之间的孔隙占到总数的 ８１畅９％ ；表现出特大孔隙少而较
小的孔隙多的特点 。对于无破坏的油松林地土壤剖面（样点 １和 ２） ，上部的大孔隙加权平均孔径较大 ，随着
土层深度的增加 ，大孔隙的孔径逐渐减小 ，从表层的近 １畅０mm 降低到 １００cm 处的 ０畅２mm ，在 ４０cm 以下大
幅度减小（表 ２） 。油松采伐后再生植被下的土壤也出现相似的特征（样点 ３ ，６ ，９ 和 １０） 。但部分样品（４ 、５ 、
７ 、８号样点）在部分层次出现了下层孔隙大于上层孔隙的现象 。总体来说 ，土壤上层大孔隙较多 、下层大孔
隙较少的趋势与土壤有机质含量 、土壤动物活动和植物根系的分布一致 。试验区内土壤动物的数量较少 ，
而植物根系主要分布于土壤上层 ，因此植物根系可能是当地土壤大孔隙形成的一个主要原因 。大孔隙所占
过水断面面积在 １畅２７％ ～ １８畅１３％ 之间 ，大部分小于 ５％ ，只有 ３号土样的 １０ ～ ２０cm土层和 ８号样品的 ０ ～
１０cm 土层大于 １０％ 。这与大孔隙只占整个土壤体积的 ０畅１％ ～ ５％ 的结论一致［５］ 。一般 ０畅７ ～ １畅０mm之间
的孔隙较多时 ，大孔隙所占土壤的体积较大 。
2畅2 　不同植被下土壤大孔隙的特征
在坡中部梯形台阶上无破坏的油松林地（样点 ９）０ ～ １０cm 层次土壤大孔隙孔径最大 ，在 １畅０ ～ １畅８mm
之间总数达 １０６ ，其原因可能是本样点油松林枯落物厚 ４畅５cm ，大量的有机物质有利于形成良好的土壤结
构 ，大孔隙较多 ；同时枯落物层防止了细颗粒对大孔隙的堵塞 。油松采伐后形成的山杨次生林下土壤大孔
隙分布亦多（样点 ３） ，其中孔径大于 ０畅９mm的达 １０２ 个 。油松林下土层由上到下 ，田间持水量与饱合含水
量之间的大孔隙呈明显的半径减小 、数量增多的现象（表 ２） ，但无 ＞ １mm 孔径的孔隙 ，可能由于油松根系不
发达且树种单一所致 。油松砍伐后次生灌木的根系活动使土层中大孔隙的分布出现了一定的变化 ，有些样
点（４ ，５ ，７ ，８）出现明显的下层孔径大于上层的现象 ，这可能是由于灌木截流量少 、枯落物稀薄 、土壤腐殖质
含量少 ，经降雨和径流剥离搬运的细颗粒填塞孔隙形成地表土壤结皮 ，使土壤孔隙变小 ，而下层土壤中原有
树木根系腐烂造成较大孔隙 。说明不同植被条件下 ，土壤大孔隙的大小和分布存在很大的差异 。
2畅3 　地形因素对大孔隙分布的影响
土壤大孔隙受坡位 、坡度 、坡形和坡向等地形因素的影响 。上坡部位的大孔隙加权半径明显大于下坡
部位 ，如样点 ２ ＞ 样点 １ ，样点 ７和 ８ ＞ 样点 ５和 ６ ，样点 ９ ＞样点 １０ ；坡度大的样点孔隙半径大于坡度小的样
点 ，如样点 ７ ＞样点 ８ ，样点 ６ ＞ 样点 ５ 。凹坡较平坡 、凸坡有大孔隙的优势 ，如样点 １０ ＞ 样点 １ ＞样点 ４ ，这可
能由于凹坡湿度大 ，腐殖质含量高 ，生物活动频繁 ，有利于大孔隙形成 ；阳坡大于阴坡 ，如样点 ６ ＞ 样点 ５ ，是
由于阳坡干湿交替明显 ，土壤随水分增减变化迅速发生膨胀或收缩而产生的结果 。地形主要是通过降水 、
径流剥离和沉积作用 ，使土壤易于流失处的细小颗粒被流水带走 ，在另一部位发生沉积 ，封闭了土壤孔隙 ，
抑制了大孔隙的形成和发育 。地形对大孔隙作用的大小顺序是坡位 ＞坡度 ＞坡形 ＞坡向 。
３０　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
表 2 　土壤大孔隙的半径范围和数量
Tab畅２ 　 The radius ranges and numbers of soil macropores
编号 土层／cm 半径范围／mm 半径中值／mm 个数／个·dm － ２ 加权平均半径／mm 出流通量／mm·min －１ �K １０ /
No ． Depth Radius Radius Number Weighting average Effluent ／mm· min － １ U·cm － ２ranges median radius
１ 墘０ L～ １０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ １２ :０ x畅８６ ９ 1畅８８ ７ 亮畅４９
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ １６８ :
１０ L～ ２０ ０ v畅７ ～ ０ C畅５ ０ X畅６０ ４０３ :０ x畅６０ ４ 1畅３４ ３ 亮畅１０
２０ L～ ４０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ １２ :０ x畅９１ ３ 1畅５４ ２ 亮畅７６
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ３６ :
４０ L～ ６０ ０ v畅３ ～ ０ C畅２ ０ X畅２５ ３４２９ :０ x畅２５ １ 1畅３３ １ 亮畅０４
６０ L～ ８０ ０ v畅３ ～ ０ C畅２ ０ X畅２５ ４２１４ :０ x畅２５ １ 1畅５６ １ 亮畅２０
８０ L～ １００ ０ M畅２３ ～ ０ C畅２ ０ X畅２２ ３１３４ :０ x畅２２ ０ 1畅６６ ０ 亮畅５１
２ 墘０ L～ １０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ １３２ :１ x畅１０ ３２ 1畅０３ ２８ 亮畅１０
１０ L～ ２０ ０ v畅６ ～ ０ C畅５ ０ X畅５５ １４３ :０ x畅４２ ４ 1畅８２ ３ 亮畅９５
０ v畅５ ～ ０ C畅３ ０ X畅４０ １２４３ :
２０ L～ ４０ ０ v畅４ ～ ０ C畅３ ０ X畅３５ １１５２ :０ x畅３５ ２ 1畅２５ １ 亮畅９１
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６０ L～ ８０ ０ v畅４ ～ ０ C畅３ ０ X畅３５ １１５２ :０ x畅３５ １ 1畅８６ １ 亮畅５０
８０ L～ １００ ０ v畅４ ～ ０ C畅３ ０ X畅３５ ８８７ :０ x畅３５ １ 1畅６１ １ 亮畅３４
３ 墘０ L～ １０ １ v畅０ ～ ０ C畅９ ０ X畅９５ ６６ :０ x畅８３ ５２ 1畅７３ ５０ 亮畅７０
０ v畅９ ～ ０ C畅７ ０ X畅８０ ２３９ :
１０ L～ ２０ １ v畅０ ～ ０ C畅９ ０ X畅９５ ３６ :０ x畅８１ ２８ 1畅０４ ２６ 亮畅４５
０ v畅９ ～ ０ C畅７ ０ X畅８０ ８５１ :
２０ L～ ４０ ０ v畅７ ～ ０ C畅５ ０ X畅６０ ７６ :０ x畅４３ ２ 1畅２８ １ 亮畅８４
０ v畅５ ～ ０ C畅３ ０ X畅４０ ３９６ :
４ 墘０ L～ １０ ０ v畅９ ～ ０ C畅８ ０ X畅８５ ２２ :０ x畅７６ １８ 1畅０２ １７ 亮畅００
０ v畅８ ～ ０ C畅７ ０ X畅７５ １３８ :
１０ L～ ２０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ １７ :０ x畅８８ ９ 1畅４９ ７ 亮畅７３
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ １２２ :
２０ L～ ４０ ０ v畅５ ～ ０ C畅４ ０ X畅４５ １２８９ :０ x畅４５ ５ 1畅４０ ４ 亮畅５０
５ 墘０ L～ １０ ０ v畅４ ～ ０ C畅３ ０ X畅３５ ９４８ :０ x畅３５ ２ 1畅２０ １ 亮畅９３
１０ L～ ２０ ０ v畅６ ～ ０ C畅５ ０ X畅５５ １８９ :０ x畅５５ ２ 1畅１８ １ 亮畅８５
２０ L～ ４０ ３ v畅０ ～ ２ C畅０ ２ X畅５０ ９ :１ x畅９３ ５２ 1畅３９ ４８ 亮畅５１
２ v畅０ ～ １ C畅０ １ X畅５０ １２ :
６ 墘０ L～ １０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅００ ４４ :０ x畅９８ ８ 1畅０８ ６ 亮畅７３
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ８ :
１０ L～ ２０ １ v畅１ ～ １ C畅０ １ X畅０５ ５３ :０ x畅９５ ９ 1畅６３ ７ 亮畅７６
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ５６ :
２０ L～ ４０ ０ v畅８ ～ ０ C畅７ ０ X畅７５ ２５７ :０ x畅７５ ８ 1畅４９ ６ 亮畅９６
７ 墘０ L～ １０ １ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅００ １７ :０ x畅８８ １７ 1畅３９ １６ 亮畅４１
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ５６ :
１０ L～ ２０ １ v畅６ ～ １ C畅２ １ X畅４０ １７ :０ x畅８８ １６ 1畅０２ １３ 亮畅１３
１ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ ２２ :
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ９６ :
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１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ２０ :
８ 墘０ L～ １０ ０ v畅９ ～ ０ C畅８ ０ X畅８５ ４９ :０ x畅７６ １１ 1畅３５ ９ 亮畅３０
０ v畅８ ～ ０ C畅７ ０ X畅７５ ６０１ :
１０ L～ ２０ １ v畅６ ～ １ C畅４ １ X畅５０ １４ :０ x畅９２ １７ 1畅０７ １３ 亮畅９９
１ v畅４ ～ １ C畅０ １ X畅２０ ８ :
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ １１０ :
２０ L～ ４０ ０ v畅５ ～ ０ C畅４ ０ X畅４５ ４４８ :０ x畅４５ １ 1畅８０９ １ 亮畅４６
９ 墘０ L～ １０ １ v畅８ ～ １ C畅５ １ X畅６５ ２４ :１ x畅２６ ９５ 1畅５５５ ９０ 亮畅１５
１ v畅５ ～ １ C畅２ １ X畅３５ １６ :
１ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ ６６ :
１０ 灋０ L～ １０ １ v畅３ ～ １ C畅２ １ X畅２５ ２１ :１ x畅００ ２２ 1畅８３２ ２１ 亮畅１４
１ v畅２ ～ １ C畅０ １ X畅１０ １９ :
１ v畅０ ～ ０ C畅７ ０ X畅８５ ４９ :
第 １ 媼期 石 　辉等 ：黄土丘陵区人工油松林地土壤大孔隙定量研究 ３１　
2畅4 　土壤大孔隙对水流通量与饱和导水率的影响
　 　大孔隙中运动的水流可不与周围土壤母质中的水分发生相互作用 ，在极短的时间内移动到深层土壤
中 。虽然大孔隙可能只占整个土壤体积的一小部分（０畅１％ ～ ５畅０％ ） ，但对水的入渗通量和再分布有着深刻
的影响 。土壤平均大孔隙直径与水流通量和饱和导水率之间呈现幂函数的关系（图 １） 。由于土壤的大孔隙
一般仅占土壤体积的 ５％ 左右 ，但决定了水流通量的 ７７％ 和饱和导水率的 ７５％ ，说明土壤大孔隙对水流运
动具有重要的影响 。在黄土高原地区的一些研究表明 ，不同植被下土壤的渗透能力沿着土层深度出现由高
到低的变化 ，与根系上多下少的分布密切相关［３］ ，而植物根系又是形成土壤大孔隙的主要成因 ，极少数特大
孔隙的存在可显著增大土壤的导水能力 ，植物根系提高土壤对降雨渗透能力的实质是根系活动所形成的大
孔隙优势流效应 。
图 1 　土壤大孔隙平均半径与水流通量和饱和导水率之间的关系
Fig ．１ 　 Relationships between mean radius of soil macropores and water flux ，soil saturated hydraulic conductivity
3 　小 　结
　 　在黄土丘陵区人工油松林地 ，田间持水量至饱和含水量之间的大孔隙半径在 ０畅２ ～ ３mm 之间 ，孔径大
于 １mm的特大孔隙仅占大孔隙总数的 ２畅４％ ，０畅５ ～ １畅０mm 之间的孔隙占 １５畅７％ ，０畅２ ～ ０畅５mm 之间的孔
隙占到总数的 ８１畅９％ ；表现出特大孔隙少而较小的孔隙多的特点 。无破坏的油松林地土壤剖面上部的大孔
隙加权平均孔径较大 ，随着土层深度的增加 ，大孔隙的孔径逐渐减小 ，从表层的近 １畅０mm 降低到 １００cm 处
的 ０畅２mm ，在 ４０cm以下大幅度减小 。大孔隙所占过水断面面积在 １畅２７％ ～ １８畅１３％ 之间 ，有 ８０％ 的大孔隙
所占过水断面面积小于 ５％ 。坡位 、坡度 、坡形 、坡向对大孔隙的形成起着重要的作用 。大孔隙虽然占土壤
体积的很小一部分 ，但大孔隙的平均半径与水流通量和饱和导水率之间有显著的幂函数关系 ，分别决定了
水流通量的 ７７％ 和饱和导水率的 ７５％ 变异 。植物根系形成的大孔隙的存在可显著增大土壤的导水能力 ，是
根系强化土壤渗透能力的实质所在 。在黄土高原的人工植被建设过程中 ，出现了土壤干层这一不良的生态
水文现象 ，直接限制了植被的恢复 。由植被作用所形成的土壤大孔隙 ，具有较高的入渗能力 ，可减少地表径
流的形成 ，有效防止水土流失的发生 。同时 ，通过大孔隙入渗进入深层的水分 ，有利于土壤干层的水分恢
复 ，满足植物生长的水分需求 。
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３２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷