馬卡山不同植被群落下非飽和帶大孔隙流路徑示蹤試驗(yàn)

張家明，徐則民

昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500

0 引言

受到日益加劇的全球變暖趨勢的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)，極端降雨及與之相伴的山區(qū)流域植被發(fā)育斜坡群發(fā)性失穩(wěn)事件在包括中國在內(nèi)的多山國家的發(fā)生頻率越來越高[1]。徐則民和黃潤秋[1]報(bào)道了近30年來國內(nèi)外植被發(fā)育斜坡在暴雨、大暴雨和特大暴雨環(huán)境下發(fā)生的重大斜坡失穩(wěn)事件。徐則民[2]研究認(rèn)為，大孔隙可以促進(jìn)降水入滲、提高滲流場對降雨過程的敏感度、促進(jìn)斜坡水循環(huán)，無論從巖體長期演化還是從滑坡災(zāi)害激發(fā)的角度看，非飽和帶大孔隙對斜坡穩(wěn)定性都是不利的；在強(qiáng)降雨條件下，植被發(fā)育斜坡非飽和帶中的大孔隙產(chǎn)生大孔隙流，加快地下水對降雨的響應(yīng)是植被發(fā)育斜坡尾隨降雨失穩(wěn)的主要原因。Tsukamoto等[3]指出，在日本幾乎所有的山都被植被覆蓋，山坡地表侵蝕極少發(fā)生，但滑坡經(jīng)常發(fā)生；研究認(rèn)為，在強(qiáng)降雨過程中，大孔隙流對山區(qū)流域滑坡發(fā)生起到重要作用。1998年10月24日-25日，高強(qiáng)度降雨在北愛爾蘭Culicagh山北面誘發(fā)大量泥炭滑坡。Dykes和Kirk[4]研究表明，黏土中的大孔隙是滑坡發(fā)生的必要條件之一。Fan等[5]用有限體積法研究認(rèn)為，大孔隙使更多降水進(jìn)入斜坡體，孔隙水壓力相對較高，可能這是解釋斜坡失穩(wěn)至關(guān)重要的因素之一。Gattinoni和Francani[6]認(rèn)為，大孔隙不僅為亞表層水運(yùn)動(dòng)提供重要通道，而且大孔隙建立的孔隙水壓力促使滑坡發(fā)生。

盡管關(guān)于大孔隙對植被發(fā)育斜坡穩(wěn)定性有不利影響的認(rèn)識較早，但從目前文獻(xiàn)報(bào)道情況來看，大孔隙對植被發(fā)育斜坡穩(wěn)定性影響的研究沒有得到重視，其中一個(gè)重要原因就是大孔隙流路徑評價(jià)的研究水平限制了大孔隙流模型研究。令人擔(dān)憂的是，進(jìn)入21世紀(jì)以來，極端氣候事件發(fā)生頻率越來越高。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）[7]于2012年3月28日發(fā)布的一份報(bào)告顯示，全球極端氣候事件將保持繼續(xù)增加。Rowlands等[8]最新研究表明，全球氣溫上升幅度可能高于以往預(yù)測值。因此，植被發(fā)育斜坡非飽和帶大孔隙流路徑評價(jià)是迫切需要開展研究的重要基礎(chǔ)性課題。

大孔隙廣泛存在于植被發(fā)育斜坡非飽和帶中[9]。土壤大孔隙形成是由于土壤動(dòng)物活動(dòng)、植被根系延伸或腐爛、凍融循環(huán)和干濕交替、地下水流動(dòng)等物理過程、化學(xué)風(fēng)化等。人們普遍認(rèn)為，土壤結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著水流過程[10]，尤其是大孔隙。例如：Watson和Luxmoore[11]認(rèn)為，有96%的水流量僅通過0.32%的土體，活動(dòng)大孔隙對水流有重要影響；Alaoui和 Helbling[12]估算，大孔隙體積占土壤總體積的0.23%～2.00%，但土壤中74%～100%的水通過大孔隙運(yùn)移；Lin等[13]報(bào)道，10%的大孔隙（＞0.50mm）和中孔隙（0.06～0.50mm）傳輸大約89%的土壤總流量。到目前為止，用于研究植被發(fā)育斜坡大孔隙流路徑的方法主要有張力滲透試 驗(yàn)[11，14]、水 分 穿 透 曲 線 法[15-20]、染 色 示 蹤 試驗(yàn)[21-26]和 CT 掃描方法[27-28]。

大孔隙系統(tǒng)連通性、連續(xù)性和彎曲性等影響大孔隙流特征。研究大孔隙流路徑的主要目的是為了建立更加合理的大孔隙流模型，并為進(jìn)一步研究植被發(fā)育斜坡地下水對降雨的響應(yīng)機(jī)理和滑坡孕育機(jī)制奠定基礎(chǔ)。大孔隙不僅是指大尺寸孔隙（等效直徑大于或等于1mm），而且是指具有優(yōu)先流效應(yīng)的大孔隙，那些沒有優(yōu)先流效應(yīng)的死端大孔隙不在研究范圍之內(nèi)。因此，正確評價(jià)具有優(yōu)先流效應(yīng)的大孔隙路徑尤為重要。如上所述，目前主要有4種方法研究植被發(fā)育斜坡大孔隙流路徑，但這些方法在辨識具有優(yōu)先流效應(yīng)的大孔隙方面存在一些缺點(diǎn)：1）張力滲透試驗(yàn)、水分穿透曲線法和CT掃描法本質(zhì)上是小尺度試驗(yàn)，適合研究土心（soil cores）[29]，但不適合研究對滑坡災(zāi)害有貢獻(xiàn)的大孔隙流路徑。這3種試驗(yàn)方法的測試樣品尺寸都比較小，如用于水分穿透曲線法測試的樣品體積為98～200cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑坡體規(guī)模。此外，土壤結(jié)構(gòu)變異性很大。因此，這些方法不適合用于研究對滑坡災(zāi)害有貢獻(xiàn)的大孔隙流路徑。2）張力滲透試驗(yàn)和水分穿透曲線試驗(yàn)本質(zhì)上是積水入滲試驗(yàn)，降雨入滲模擬情況與植被發(fā)育斜坡區(qū)天然降雨情況存在顯著差異，試驗(yàn)結(jié)果高估了大孔隙流路徑。在植被發(fā)育斜坡流域，由于大孔隙廣泛存在于非飽和帶中，降雨強(qiáng)度很少能超過土體入滲能力[30]，因此，不會產(chǎn)生積水入滲。事實(shí)上，大孔隙的入滲量主要取決于大孔隙的攔截水量，而攔截水量主要取決于大孔隙直徑、大孔隙空間位置和降雨強(qiáng)度，地形、水深及水流速度的三維空間分布[31]。不是所有大孔隙都能發(fā)揮攔截功效，換句話說，不是所有大孔隙都能發(fā)揮優(yōu)先流效應(yīng)。在積水入滲試驗(yàn)過程中，所有大孔隙均以最大滲透能力入滲，沒有體現(xiàn)大孔隙的攔截效應(yīng)，試驗(yàn)高估了大孔隙對入滲的影響，也就是說試驗(yàn)結(jié)果高估了大孔隙流路徑。3）染色試驗(yàn)過程剔除枯枝落葉層，與實(shí)際情況相比低估了大孔隙流路徑。植被發(fā)育斜坡與裸坡的一個(gè)顯著差異是植被發(fā)育斜坡存在枯枝落葉層。枯枝落葉層對地表徑流有攔截效應(yīng)，使地表徑流快速流經(jīng)大孔隙，減小對土壤結(jié)構(gòu)的破壞。此外，枯枝落葉層對大孔隙時(shí)效穩(wěn)定具有積極功效。染色試驗(yàn)過程中剔除枯枝落葉層可能導(dǎo)致大孔隙在降雨模擬過程被沉積顆粒堵塞，降低優(yōu)先流效應(yīng)。因此，試驗(yàn)結(jié)果低估了大孔隙流路徑。

為了正確評價(jià)植被發(fā)育斜坡土體中具有優(yōu)先流效應(yīng)的大孔隙流路徑，筆者在馬卡山植被發(fā)育斜坡2種植被群落（草本植被和木本植被）下開展染色示蹤滲透試驗(yàn)，模擬降雨強(qiáng)度動(dòng)態(tài)過程線與試驗(yàn)區(qū)實(shí)際降雨強(qiáng)度過程線相似，而且試驗(yàn)過程盡量避免對枯枝落葉層的擾動(dòng)?；谕寥廊旧拭?，采用高精度圖像采集技術(shù)、圖像處理技術(shù)、非參數(shù)檢驗(yàn)、差方分析和回歸分析（SPSS 17.0）方法討論2種植被群落下大孔隙流路徑差異特征及植被根系、有機(jī)質(zhì)含量、粒度尺寸分布對大孔隙流路徑的影響。研究方法和結(jié)論將對合理評價(jià)植被發(fā)育斜坡大孔隙流路徑具有重要的指導(dǎo)意義，對植被發(fā)育斜坡大孔隙流模型構(gòu)建、地下水對降雨的響應(yīng)機(jī)制及滑坡災(zāi)害孕育機(jī)理研究具有重要理論意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)場地位于金沙江一級支流普渡河流域的螳螂川流域的段家營流域的馬卡山，地理位置為北緯24°51′34″-24°51′55″，東經(jīng) 102°52′04″-102°52′20″，海拔高度為2000～2085m。試驗(yàn)區(qū)下伏基巖主要為二疊系峨眉山玄武巖（P2β），土層厚度為50～100cm，往下為峨眉山玄武巖腐巖，再往下為不同風(fēng)化程度的玄武巖基巖。在試驗(yàn)場地，氣溫為0～31.5℃，平均年降雨量1001.0mm，最小、最大和平均月降雨量分別為13.0mm（2月和12月）、211.0mm（7月）和83.4mm。馬卡山月降雨量有單峰分布特征，峰值位于7月份，降雨具有短歷時(shí)強(qiáng)降雨特征。

在馬卡山主要有2種類型的植被群落，一種為草本植被群落，另一種為木本植被群落。馬卡山植被覆蓋度為90%，其中草本植被群落基蓋度為1.14%，木本植被群落基蓋度為0.30%。草本植被群落的主要物種有狗牙根、白草、蔗茅、野艾蒿、白花鬼針草、黃背草、細(xì)柄草、牛至、絲茅、紫莖澤蘭；木本植被群落的主要物種有小雀花、云南松、華山松、云南油杉、細(xì)齒葉柃、藍(lán)桉、銀荊、沙針、車桑子、圓柏、滇青岡、栓皮櫟。

1.2 試驗(yàn)步驟

課題組于2011年12月-2012年3月，在馬卡山植被發(fā)育斜坡開展了4個(gè)染色滲透試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)條件如表1所示。試驗(yàn)區(qū)1（plot 1）為草本植被群落斜坡，試驗(yàn)區(qū)2（plot 2）為木本植被群落斜坡。2個(gè)試驗(yàn)的滲透量、尺度規(guī)模和示蹤劑完全相同。選擇不同植被群落是為了研究植被根系、土質(zhì)等對大孔隙流路徑的影響。plot1與plot2距離為800m。

染色示蹤滲透試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

第一步是固定好木框。由于在土壤根系帶存在大量根系，因此，首先在坡體表面沿著100cm×100 cm正方形開挖深度為20cm、寬度為3cm的凹槽；然后將內(nèi)尺寸為100cm（長）×100cm（寬）×25cm（高）的正方形木框放入凹槽中；最后用土將木框外側(cè)密封并用木錘擊實(shí)，以防止表土層發(fā)生側(cè)向流。

第二步是開展染色示蹤滲透試驗(yàn)。在開展?jié)B透試驗(yàn)前，在木框前端（下坡方向）1m處開挖一個(gè)寬1.4m、長1.8m和深為1.0m的深溝。在此土壤剖面上，從土壤表面向下在0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm范圍內(nèi)，每層用環(huán)刀（100cm3）取3個(gè)土樣用于測定土壤含水率、容積密度、孔隙度。范圍同上，在每層取2kg土樣測定有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)在每層取1個(gè)1600cm3（10cm×40cm×40cm）土樣測定根系質(zhì)量密度和顆粒尺寸分布。土壤基本物理、化學(xué)性質(zhì)見表2。在開始染色示蹤滲透試驗(yàn)前，先解決3個(gè)問題：選擇哪種染色示蹤劑，施加多少染色劑溶液，施加頻率和強(qiáng)度是多少。亞甲基藍(lán)（C16H18CIN3S·3H2O）是一種吸附性很強(qiáng)的示蹤劑，在亞甲基藍(lán)溶液中有氯離子（Cl-）和有機(jī)團(tuán)（C16H18N3S＋）。亞甲基藍(lán)在植被發(fā)育斜坡土壤示蹤試驗(yàn)中被廣泛使用[23-24，32-34]。因此，本試驗(yàn)也選擇亞甲基藍(lán)作為染色示蹤劑，溶液質(zhì)量濃度為1.5g·L-1。前文已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過大孔隙是指具有優(yōu)先流效應(yīng)的大尺度孔隙（ECD≥1mm）。此外，大孔隙流路徑受施加水量和施加頻率的影響[35]。為了辨識出更多大孔隙流路徑，施加了250L亞甲基藍(lán)溶液，相當(dāng)于250mm的降雨量。與馬卡山現(xiàn)在的降雨量相比，250mm的降雨量相對較大，但未來很長一段時(shí)間極端天氣異常變化，馬卡山地區(qū)可能會出現(xiàn)一次降雨量高達(dá)250mm降雨事件。大孔隙的入滲水量主要取決于大孔隙的攔截水量。因此，結(jié)合降雨模擬開展染料示蹤滲透試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度動(dòng)態(tài)過程曲線（圖2）與馬卡山實(shí)際降雨強(qiáng)度過程性相似。根據(jù)圖2，使用噴水器在試驗(yàn)區(qū)均勻噴灑亞甲基藍(lán)水溶液，試驗(yàn)持續(xù)300min。2個(gè)試驗(yàn)過程中均沒有出現(xiàn)地表積水現(xiàn)象。噴灑完成后，用塑料薄膜遮蓋試驗(yàn)區(qū)以防止水分蒸發(fā)。

表1 試驗(yàn)區(qū)條件Table1 Experimental conditions of the plots

表2 試驗(yàn)區(qū)土體物理、化學(xué)性質(zhì)Table2 Selected physical and chemical properties of experimental plots

圖1 試驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Diagram of the experimental setup

圖2 模擬降雨強(qiáng)度動(dòng)態(tài)過程曲線Fig.2 Dynamic process curves of rainfall intensity simulation

第三步是開挖垂直剖面和拍照。噴灑完亞甲基藍(lán)溶液24h后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)從深溝向上坡方向用鐵鍬和手動(dòng)工具開挖垂直土壤剖面，共開挖3個(gè)剖面且剖面間距為30cm，剖面垂直于斜坡傾向。開挖完成后，用小刀輕輕地削平剖面以防止染色劑拖尾，并用毛刷清除開挖過程時(shí)黏附在土壤剖面上的松散顆粒。這一步要非常小心，避免對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，保持土壤表面光滑。最后用佳能單反數(shù)碼相機(jī)（Canon EOS 5DMark II，EF70-200mm f／2.8L IS II USM）拍攝染色劑染色的土壤剖面，數(shù)碼照片的分辨率是3500×2300像素，把照片下載到電腦后用軟件對照片進(jìn)行最后分析。

1.3 圖像分析

染色示蹤滲透法將染色區(qū)域定義為大孔隙流路徑，非染色區(qū)域定義為基質(zhì)域。圖像分析的目的是獲得圖像的數(shù)據(jù)化信息，如染色覆蓋率等?；谌旧拭嬲掌鶕?jù)以下步驟獲得染色覆蓋率。需要5個(gè)步驟才能得到關(guān)于染色面積的圖表：1）采用圖像編輯軟件Photoshop CS2?幾何校正圖像，輸出像素大小不變的RGB模式的JPG格式圖像文件；2）運(yùn)用Matlab 7.0圖像處理工具箱將RGB模式圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，輸出TIFF格式圖像文件，一個(gè)像素表示1mm×1mm；3）使用Photoshop CS2?對圖像進(jìn)行曝光閥值處理，染色區(qū)域變成黑色，其他區(qū)域變成白色；4）采用Photoshop CS2?將圖像二值化，0代表黑色，225代表白色；5）運(yùn)用Image-Pro Plus 6.0提取圖像位圖數(shù)值矩陣，存入Excel文件。

2 結(jié)果與討論

2.1 大孔隙流路徑分布模式

從圖3可以看出，馬卡山不同植被群落下斜坡非飽和帶大孔隙流路徑分布模式非常復(fù)雜，而且分布模式差異顯著。在草本植被群落斜坡區(qū)，plot 1-1的大孔隙流路徑主要分布在0～30cm的深度，而plot 1-2和plot 1-3的大孔隙流路徑主要分布在0～10cm的深度。在木本植被群落斜坡區(qū)，3個(gè)染色剖面的大孔隙流路徑均主要分布在0～30cm的深度（圖3plot 2）。在0～5cm的深度，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的大孔隙流路徑都呈均勻分布，在5cm以下深度，大孔隙流路徑呈聚集狀態(tài)分布。受到植被根系等因素的共同影響，大孔隙流路徑分布模式有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式（圖3plot 2-3）和局部聚集模式（圖3plot 1-3）。這說明各種類型的大孔隙流路徑不是一直保持鉛垂向下的，而是在三維空間中相互交織形成三維網(wǎng)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)。染色模式變異性很大，也說明小尺度試驗(yàn)不能很好地評價(jià)植被發(fā)育斜坡非飽和帶大孔隙流路徑。

圖3 土壤典型染色剖面模式Fig.3 Typical dye stained patterns for the profiles

根據(jù)圖像處理后得到的Excel文件計(jì)算土壤剖面染色覆蓋率與深度的關(guān)系（圖4，5）。指定深度的染色覆蓋率定義為指定深度的被染色的水平像素點(diǎn)數(shù)與總水平像素點(diǎn)數(shù)（1000）的比值。如圖4所示，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)第1、2、3剖面的大孔隙流路徑最大穿透深度分別為29.9，24.3，23.7cm（plot 1）和32.9，28.0，27.4cm（plot 2）。2種植被群落斜坡對應(yīng)剖面大孔隙流路徑差異顯著（P為檢驗(yàn)水平，P＝（0.000＜0.010）。在0～40cm的深度內(nèi)，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)第1、2和第3剖面的大孔隙流路徑分別占總面積的16.29%，5.58%，7.62%（plot 1）和11.93%，18.57%，16.02%（plot 2）。大孔隙流路徑總體上隨深度增加而減小，但這種減小不是連續(xù)的，而是波動(dòng)變化的。在0～5cm范圍內(nèi)，大孔隙流路徑急劇減小，在5cm以下，大孔隙流路徑緩慢減小。

從不同深度的染色覆蓋率均值（圖5）來看，染色覆蓋率隨深度增加而減?。≒＜0.050）。在0～10 cm深度，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)剖面的染色覆蓋率分別為（44.19±5.40）%、（20.36±8.30）%、（23.63±6.70）%（plot 1）和 （29.22±2.50）%、（49.78±5.30）%、（46.64±7.90）%（plot 2）；在10～20cm深度，以上對應(yīng)數(shù)值分別為（13.95±0.10）%、（1.49±0.00）%、（6.55±0.10%）和 （14.98±0.10）%、（16.60±0.10）%、（14.34±0.10）%；在20～30cm深度，數(shù)值依次分別為（7.02±0.30）%、（0.47±0.00）%、（0.28±0.00）% 和 （3.49±0.10）%、（7.89±0.30）%、（3.09±0.20）%；在30～40cm深度，僅plot 2-1染色覆蓋率為（0.04±0.00）%，其余均為0.00%。這說明草本植被群落斜坡非飽和帶大孔隙流路徑主要分布在0～10cm深度，木本植被群落斜坡非飽和帶大孔隙流路徑主要分布在0～30cm深度。在0～40cm深度內(nèi)，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)剖面染色覆蓋率與深度的Eta統(tǒng)計(jì)量η2分別為 0.666，0.261，0.354（plot 1）和0.665，0.716，0.629（plot 2），說明木本植被群落斜坡非飽和帶大孔隙流路徑與深度的關(guān)聯(lián)度比草本植被群落斜坡區(qū)大。

圖4 2個(gè)試驗(yàn)區(qū)染色覆蓋率與深度的關(guān)系Fig.4 Dye stained coverage vs.depth of the two plots

圖5 2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的平均染色覆蓋率與深度的關(guān)系Fig.5 Relation between depth and average dye coverage of in two experiment plots

2.2 根系對大孔隙流路徑的影響

植被根系在大孔隙流路徑形成中起到重要作用，尤其是直徑大于1mm的大孔隙[35-36]。例如，Aubertin[9]報(bào)道根系通道在森林土壤中至少占35%，但隨著深度增加，根系通道有可能快速減少。不同植被有不同類型的根系系統(tǒng)。因此，地表植被類型一定程度地影響大孔隙系統(tǒng)的空間特征[36-37]。活著的植被根系與根系帶土壤相互作用影響大孔隙流路徑特征。

在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)，都有許多關(guān)于染色分布模式的照片充分證明植被根系對大孔隙流路徑的影響，尤其是在木本植被群落斜坡試驗(yàn)區(qū)。例如圖3plot 2-1和圖6a所示，植被根系越密集的區(qū)域染色面積越多。圖6b展示了plot 2-2直徑約為6mm根系及其外圍染色模式。圖6c給出plot 2-3染色模式照片，從圖中可以看出，植被根系主要分布在剖面左側(cè)，且在剖面左側(cè)有一根直徑大約為2cm的根系，因此，染色區(qū)域主要分布在剖面左側(cè)（圖3plot 2-3和圖6c）。圖6d給出圖6c的局部特寫照片，同樣顯示染色主要分布在根系附近。筆者將這種大孔隙流路徑稱為根-土界面。以上染色剖面說明植被根系顯著影響大孔隙流路徑分布，尤其是鉛垂向下和順坡向下的根系。

如圖7所示，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)3個(gè)染色剖面不同深度平均染色覆蓋率總體隨根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為根系質(zhì)量（g）與土體總質(zhì)量（kg）的比值，單位為g／kg。木本植被群落斜坡（plot 2）根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于草本植被群落斜坡（plot 1）（P＜0.05）。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度，plot 2和plot 1的根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.94，19.14，8.55，5.34g／kg和10.38，5.86，1.25，0.52g／kg。在plot 1（變量下角標(biāo)用1表示，下同），染色覆蓋率（Y1）與根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A1）的線性關(guān)系可表示為：Y1＝0.028A1-0.027，R1＝0.948（R為相關(guān)系數(shù)），F(xiàn)1＝17.715（F為差異顯著水平），P1＝0.052＞0.050）；在plot 2（變量下角標(biāo)用2表示，下同），染色覆蓋率（Y2）與根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A2）的線性關(guān)系可表示為：Y2＝0.018A2-1.116（R2＝0.958，F(xiàn)2＝22.190，P2＝0.042＜0.050）。以上分析表明，2種植被群落斜坡根系質(zhì)量密度與染色覆蓋率均呈高度正相關(guān)關(guān)系（R1＝0.948，R2＝0.958），但木本植被群落斜坡根系對染色覆蓋率的影響程度強(qiáng)于草本植被群落斜坡（F2＝22.190，P2＝0.042＜0.050；F1＝17.715，P1＝0.052＞0.050）。究其原因：草本植被群落斜坡根系主要集中在0～10cm深度，根系直徑主要為1～2mm；木本植被群落斜坡根系主要分布在0～30cm深度，根系直徑主要為2～7mm，最大直徑為26mm。這說明當(dāng)植被根系尺寸更大時(shí)，根系對大孔隙流路徑的影響更顯著。

圖6 植被根系及其附近的染色分布Fig.6 Dye concentrated on living roots

圖7 根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均染色覆蓋率的關(guān)系Fig.7 Relation between mass density of root and the stained coverage ratio

截止目前，對與植被根系有關(guān)的大孔隙流路徑的研究主要集中于腐爛根系通道。但馬卡山植被發(fā)育斜坡染料示蹤滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，在馬卡山，腐爛根系通道較少，最主要的大孔隙流路徑是前文所述的根-土界面，這可能與馬卡山植被生長情況及土壤物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。腐爛根系通道有2種類型：有根皮和無根皮。由于根皮和木質(zhì)部的差異選擇腐蝕過程，植被根系根皮抵抗腐爛的時(shí)間比木質(zhì)部更長，木質(zhì)部腐爛后形成帶根皮的管狀類型大孔隙（文獻(xiàn)[2]的圖1和圖9）；當(dāng)根皮腐爛后，根系形態(tài)就會以空腔的形式保留在土體中，在土體中可以清晰地觀察到根皮組織印模（文獻(xiàn)[2]的圖2）。植被根系腐爛形成的大孔隙通常是管狀和樹枝狀，直徑變化范圍很大[9]。腐爛根系通道經(jīng)常被來自于腐爛根系和枯枝落葉層的松散有機(jī)物填充[2，9，37]，但只要這些大孔隙與地表或與其他類型的有優(yōu)先流效應(yīng)的大孔隙流路徑相連也能充分發(fā)揮優(yōu)先流效應(yīng)。根-土界面是一種重要的大孔隙流路徑（圖6）。筆者認(rèn)為根-土界面形成機(jī)理主要有3種：1）活著的植被根系經(jīng)常沿著團(tuán)聚體間裂縫，先前根系、蚯蚓和其他土壤動(dòng)物區(qū)系制造的連續(xù)性孔隙生長[27，32，38-39]；2）根系進(jìn)入和擴(kuò)展過程擠壓其臨近土體[9，40]；3）在根系生命活動(dòng)過程中，根系不斷交替地吸收和吐出水分，因此根系周圍土體發(fā)生干-濕交替、硬化-軟化循環(huán)，有利于根-土界面的形成[39]。降雨穿過枯枝落葉層或通過莖流進(jìn)入土體，一旦遇到植被根系，根系就會發(fā)生優(yōu)先導(dǎo)流作用，使降水順著根-土界面向下流動(dòng)。

2.3 有機(jī)質(zhì)對大孔隙流路徑的影響

有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤大孔隙形成的另一個(gè)重要因素[41]。有機(jī)質(zhì)來自于植被枯枝落葉層和根系，因此，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能在一定程度上受地表植被種類影響。如圖8所示，平均染色覆蓋率總體隨有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度內(nèi)，plot 1和plot 2的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為39.7，17.6，9.8，5.1g／kg和63.6，19.4，13.1，9.8g／kg。在plot 1，染色覆蓋率（Y1）與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B1）的線性關(guān)系可表示為：Y1＝0.0087B1-0.058（R1＝0.993，F(xiàn)1＝150.514，P1＝0.007＜0.01）；在plot 2，染色覆蓋率（Y2）與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B2）的線性關(guān)系可表示為：Y2＝0.0073 B2-0.039（R2＝0.982，F(xiàn)2＝54.672，P2＝0.018＜0.050）。線性回歸分析表明，2種植被群落斜坡有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與染色覆蓋率均呈高度正相關(guān)關(guān)系（R1＝0.993，R2＝0.982），有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對染色覆蓋率的影響程度均較高，但草本植被群落斜坡有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對染色覆蓋率的影響程度稍強(qiáng)于木本植被群落斜坡（F1＝150.514，P1＝0.007＜0.010；F2＝54.672，P2＝0.018＜0.050）。

團(tuán)聚體間大孔隙是一種重要的大孔隙流路徑。根系分泌及枯枝落物降解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。有機(jī)質(zhì)可通過多種方式與土體顆粒結(jié)合形成團(tuán)聚體。有機(jī)質(zhì)種類之一的真菌菌絲能夠直接網(wǎng)捕細(xì)小顆粒形成穩(wěn)定團(tuán)聚體（圖9a）。其次，有機(jī)質(zhì)還通過鍵合方式與土體顆粒結(jié)合形成團(tuán)聚體，而且由多價(jià)陽離子鍵合黏土礦物和細(xì)根、菌絲等有機(jī)物形成的團(tuán)聚體更穩(wěn)定（圖9b）。團(tuán)聚體間結(jié)構(gòu)性孔隙的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單體顆粒的粒間孔隙尺寸。此外，有機(jī)質(zhì)含量越高，干縮響應(yīng)越明顯，有利于收縮裂縫的形成。有機(jī)質(zhì)含量越高，團(tuán)聚體越穩(wěn)定[42-45]。

圖8 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均染色覆蓋率的關(guān)系Fig.8 Relation between organic matter content and the stained coverage ratio

2.4 顆粒分布對大孔隙流路徑的影響

植被影響土壤顆粒分布[46]，而顆粒分布影響土壤大孔隙的產(chǎn)生及其性質(zhì)[9，38]。在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)，砂粒和粉粒體積分?jǐn)?shù)隨深度增加而減小，而黏粒體積分?jǐn)?shù)隨深度增加而增加。但在plot 1，礫粒體積分?jǐn)?shù)隨深度增加而增加，而在plot 2，礫粒體積分?jǐn)?shù)總體上隨深度增加而減?。ū?）。plot 2的礫粒體積分?jǐn)?shù)顯著大于plot 1（P＜0.010），但plot 2的砂粒、粉粒體積分?jǐn)?shù)顯著小于plot 1（P＜0.010、P＜0.050），黏粒體積分?jǐn)?shù)沒有顯著差異（P＝0.142＞0.050）。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度內(nèi)，plot 1和plot 2的平均染色覆蓋率分別為（29.39±12.92）%，（7.33±6.27）%，（2.59±3.84）%，（0.00±0.00）%和（41.88±11.08）%，（15.31±1.17）%，（4.82±2.66）%、（0.01±0.02）%。這說明黏粒、粉粒和砂粒對大孔隙流路徑發(fā)展沒有積極功效，礫粒有利于大孔隙流路徑的形成，尤其是在表土層。

圖10展示了plot 2-2深度50cm處由不同粒徑土壤顆粒組合而成的大孔隙，但這些大孔隙沒有發(fā)揮優(yōu)先流效應(yīng)，是死端大孔隙。因此，定量評價(jià)顆粒分布對大孔隙流路徑的影響涉及到顆?？臻g位置及顆粒組合模式。定量評價(jià)顆粒分布對大孔隙流路徑的影響是非常困難的。礫粒有利于大孔隙流路徑的形成，尤其是粗礫粒（60mm≥d（粒徑）＞20 mm）。從定性方面來講，顆粒分布對大孔隙流路徑的影響可概括以下3點(diǎn)：1）礫粒與其周圍細(xì)粒土構(gòu)成的礫-土界面是一種重要的大孔隙流路徑形式。如圖11所示，當(dāng)優(yōu)先流遇到礫石，礫-土界面就會發(fā)揮優(yōu)先導(dǎo)流作用。2）礫粒影響植被根系的形態(tài)和分布，進(jìn)而影響大孔隙流路徑[47]。3）不同土壤顆粒組合影響大孔隙流路徑的保留時(shí)間：在粗質(zhì)土壤中，留存時(shí)間很長的優(yōu)先流通道很少；而在細(xì)質(zhì)土壤中，老根系通道很多且保留時(shí)間較長[47]。

圖9 細(xì)小根系及菌絲膠結(jié)土體顆粒形成水穩(wěn)定團(tuán)聚體的SEM圖片F(xiàn)ig.9 Scanning electronic micrographs of fine roots and hyphae binding soil particles into water-stable aggregates

圖10 不同顆粒組成的死端大孔隙Fig.10 Dead-end macropores resulted from different particles

圖11 礫-土界面優(yōu)先導(dǎo)水Fig.11 Gravel-soil interface preferentially channeled water

3 結(jié)論

植被發(fā)育斜坡非飽和帶表土層土體大孔隙流路徑均勻分布，往下大孔隙流路徑呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和局部聚集分布，大孔隙流路徑總體隨深度增加而波動(dòng)減小。木本植被群落斜坡大孔隙流路徑穿透深度、分布面積和分布模式復(fù)雜性均比草本植被群落斜坡大。小尺度試驗(yàn)不適用于研究植被發(fā)育斜坡大孔隙流路徑。

不同植被的根系形態(tài)不同，其對大孔隙流路徑數(shù)量、尺度和分布特征的影響隨根系尺寸增大而更顯著，尤其是鉛垂向下和順坡向下的根系。大孔隙流路徑規(guī)模與根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈高度正相關(guān)關(guān)系，但木本植被根系對大孔隙流路徑的影響比草本植被根系的影響顯著。與根系相關(guān)的大孔隙流路徑有腐爛根系通道和根-土界面，但根-土界面是馬卡山的重要大孔隙流路徑之一。大孔隙流路徑規(guī)模與有機(jī)質(zhì)含量呈高度正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)可通過多種方式形成團(tuán)聚體間大孔隙，而且有機(jī)質(zhì)含量越高，收縮裂縫越容易形成，團(tuán)聚體越穩(wěn)定。礫-土界面是一種重要的大孔隙流路徑。礫粒有利于大孔隙流路徑的形成，尤其是在表土層。此外，顆粒尺寸分布影響植被根系形態(tài)和大孔隙流路徑保留時(shí)間。

西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院林萍教授在植被調(diào)查方面給予了幫助，在此表示感謝。

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