三峽庫區(qū)森林土壤大孔隙特征及對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

劉目興，吳　丹，吳四平，廖麗娟

1 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430079 2 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢　430079

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三峽庫區(qū)森林土壤大孔隙特征及對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

劉目興1,2,*，吳丹1,2，吳四平1,2，廖麗娟1,2

1 地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079 2 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢430079

摘要:土壤大孔隙是土體內(nèi)孔徑較大能優(yōu)先傳導(dǎo)水分的根孔、洞穴或裂隙，大孔隙內(nèi)優(yōu)先流的產(chǎn)生是土壤水分運(yùn)動(dòng)研究由均衡走向非均衡的標(biāo)志。利用原狀土柱的水分穿透試驗(yàn)，對(duì)三峽庫區(qū)山地不同林型覆蓋下土壤的大孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了溫性闊葉林棕壤、針闊混交林黃棕壤、暖性針葉林黃壤及棄耕草地剖面內(nèi)大孔隙的剖面分布特征及其對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)森林土壤的大孔隙當(dāng)量孔徑在0.3—3 mm之間，占土壤總體積的0.15%—4.72%。大孔隙中孔徑0.3—0.6 mm的大孔隙密度最大，占大孔隙總數(shù)量的72.2%—90.4%；而孔徑 >1 mm的孔隙僅占大孔隙總數(shù)量的1.26%—8.55%。土壤大孔隙密度和大孔隙面積比的順序?yàn)椋簻匦蚤熑~林棕壤>針闊混交林黃棕壤>針葉林黃壤>棄耕坡地。各孔徑段的大孔隙密度在不同樣點(diǎn)均呈現(xiàn)A層-B層-C層逐漸減小的趨勢，大孔隙密度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率與不同孔徑大孔隙的密度、面積比均成顯著正相關(guān)關(guān)系，孔徑>1mm的大孔隙僅占大孔隙總數(shù)量的1.26%—8.55%，但決定了飽和導(dǎo)水率84.7%的變異。此外，森林土壤飽和導(dǎo)水率與各土壤層的有機(jī)質(zhì)含量成顯著正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)的增多有利于改善土壤的入滲性能。

關(guān)鍵詞：土壤大孔隙；林型；飽和導(dǎo)水率；當(dāng)量孔徑；三峽庫區(qū)

土壤大孔隙是孔徑較大，能夠優(yōu)先傳導(dǎo)地表降水或灌溉水的物理孔隙[1]。大孔隙的存在使得地球關(guān)鍵帶內(nèi)水分或溶質(zhì)繞過土壤基質(zhì)，以優(yōu)先流的形式，快速通過土體補(bǔ)給地下水[2]。土體內(nèi)連通的大孔隙為優(yōu)先流的發(fā)生提供了路徑，加快了壤中流的產(chǎn)生，是森林涵養(yǎng)水源和調(diào)蓄徑流的主要方式[3- 6]。Watson[3]、Hayashi[4]、石輝[5]、陸斌[6]等研究發(fā)現(xiàn)大孔隙在山地森林土壤中普遍存在，雖然數(shù)量少，不及土壤總體積的5%，但是能夠傳導(dǎo)70%—85%以上的入滲水分通量?？梢?，土壤大孔隙是土壤水及溶質(zhì)的運(yùn)移的重要路徑，大孔隙內(nèi)優(yōu)先流的發(fā)生可以增大土壤入滲率，減少地表徑流和水土流失，是森林植被發(fā)揮涵養(yǎng)水源和保持水土等生態(tài)功能的關(guān)鍵。目前，大孔隙結(jié)構(gòu)可通過直接觀察和間接測量獲得，前者包括染色示蹤、土壤切片、CT掃描和地透雷達(dá)探測等，后者包括張力入滲儀測量和穿透曲線法[7]。直接測量能直觀分析土壤孔隙結(jié)構(gòu)，但并非土體內(nèi)所有孔徑較大的孔隙都有快速傳導(dǎo)作用。Kodesova等[8]發(fā)現(xiàn)未在地表開口或未形成連通路徑的大孔隙內(nèi)沒有優(yōu)先流的出現(xiàn)，圖像分析得到的大孔隙數(shù)量比實(shí)際傳導(dǎo)水分的大孔隙更多。間接測量的張力入滲和穿透曲線法，兩者均將大孔隙近似為管狀，根據(jù)Hagen-poiseuille方程，建立大孔隙結(jié)構(gòu)與水分通量間的關(guān)系[9- 11]。穿透曲線法根據(jù)出流的水分通量或標(biāo)記物濃度變化，計(jì)算各孔徑范圍的大孔隙數(shù)量[12-13]。國內(nèi)學(xué)者石輝[5]、時(shí)忠杰[14]、王偉[15]、田香姣[16]、陸斌[6]等曾利用水分穿透試驗(yàn)對(duì)不同土壤的大孔隙特征進(jìn)行了觀測與分析。由于試驗(yàn)環(huán)境和材料的差異，得出的大孔隙數(shù)據(jù)差異較大，在運(yùn)用Hagen-poiseuille方程計(jì)算大孔隙半徑時(shí)存在不一致，有必要展開更深入的研究。

三峽庫區(qū)水土流失嚴(yán)重，森林植被在截留降雨、調(diào)蓄徑流和保持水土的生態(tài)系統(tǒng)重建中處于不可替代的地位。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)庫區(qū)植被的生態(tài)水文功能進(jìn)行了大量的研究，對(duì)花崗巖為主的土壤內(nèi)根孔、洞穴產(chǎn)生的“管流”也進(jìn)行了試驗(yàn)觀測[17]。這些觀測更多是基于染色法的剖面觀測，將大孔隙結(jié)構(gòu)與入滲量相結(jié)合的研究較少[15]。降雨入滲時(shí)大孔隙內(nèi)優(yōu)先流是森林涵養(yǎng)水源和保持水土的關(guān)鍵，是森林生態(tài)功能的重要組成部分。選取緊鄰三峽大壩上游的鄧村—大老嶺為研究區(qū)，利用水分穿透曲線法對(duì)不同類型森林土壤的大孔隙結(jié)構(gòu)及其傳導(dǎo)水分能力進(jìn)行分析，期望為土壤水分運(yùn)動(dòng)模型提供參數(shù)，為評(píng)價(jià)大孔隙流的傳導(dǎo)功能提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

圖1　實(shí)驗(yàn)樣地位置Fig.1　Location of the experimental sites

研究區(qū)位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)和大老嶺林區(qū)，屬鄂西山地與秦巴山地的交界區(qū)，下游緊鄰三峽大壩，海拔100—2000 m，基巖以酸性結(jié)晶巖為主，是三峽庫區(qū)典型的地貌單元。地理位置為30°00′13″—31°28′30″N， 100°51′8″—111°39′30″E，具有亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候特征，年平均氣溫16.7℃，年均降水量1101.1 mm，年均蒸發(fā)量950 mm，≥10℃的積溫5403.7℃，無霜期283d。山地氣候垂直地帶性顯著，中山以上氣候冷濕，多云霧，空氣相對(duì)濕度較大[18]。氣候和人類活動(dòng)的影響下植被-土壤垂直地帶性分異明顯，基帶以紅壤和黃壤為主，分布范圍至800—1200 m，原生的常綠闊葉林僅殘存陡峭偏遠(yuǎn)的溝谷生境，地表被馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、鐵堅(jiān)油杉(Keteleeriadavidiana)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、板栗(Castaneamollissima)等暖性針葉林或落葉闊葉林覆蓋。海拔960—1 600 m地段為山地黃棕壤，植被為常綠落葉針闊混交林，優(yōu)勢種有短柄櫟(Quercusglanduliferavar.brevipetiolata)、板栗、千筋樹(Carpinusfargesiana)、杜鵑(Rhododendron)、冬青(Ilex)等落葉或常綠樹種。海拔1600 m以上為山地棕壤，植被為溫性落葉闊葉林，主要群落類型為米心水青岡林(Fagusengleriana)、鵝掌楸(LiriodendronL．)、板栗林、錐栗林(Castaneahenryi)和華山松林(Pinusarmandii)等[18]。各垂直帶內(nèi)土壤發(fā)育程度差異大，海拔1600 m以上為大老嶺林區(qū)，植被覆蓋度80%，腐殖質(zhì)層厚15—22 cm，土壤有機(jī)質(zhì)較豐富；900—1600 m之間為常綠落葉針闊混交林，土壤質(zhì)地細(xì)，土層厚30—40cm；800 m以下為山地黃壤，土層薄，質(zhì)地粗，礫石和砂礫含量高。

1.2研究方法

沿圖1中夷陵區(qū)鄧村坪—大老嶺林場一線，在大老嶺(海拔1700 m)、白水頭(海拔1173 m)和竹林灣(海拔740.2 m)，布設(shè)溫性闊葉林山地棕壤、針闊混交林山地黃棕壤、暖性針葉林山地黃壤3種森林土壤樣地，并在羅家?guī)r(海拔942 m)布設(shè)棄耕草地作為對(duì)照。每個(gè)垂直地帶內(nèi)選擇3個(gè)重復(fù)樣地，各樣地內(nèi)挖掘土壤剖面，用高5 cm、直徑5 cm的環(huán)刀采集原狀土用于室內(nèi)水分穿透實(shí)驗(yàn)和土壤容重測量，用滴管法分析土壤質(zhì)地，重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，結(jié)果如表1。

表1　研究區(qū)內(nèi)不同類型土壤的性質(zhì)

* A、B、C分別表示腐殖質(zhì)層、淋溶淀積層和母質(zhì)層A、B、C refer to humus, leaching illuvial, parent material horizons respectively

1.2.1水分穿透曲線法測量大孔隙的原理

Radulovich等[12]、石輝等[5]、時(shí)忠杰等[14]研究中，將大孔隙界定為土壤田間持水量到飽和含水量之間的孔隙。飽和土柱入滲時(shí)水流首先從半徑最大的大孔隙穿透土體，而后加入導(dǎo)水過程的大孔隙半徑逐漸減小，至穩(wěn)定出流時(shí)為孔徑最小的導(dǎo)水大孔隙[12]。土壤穿透試驗(yàn)中水分運(yùn)動(dòng)速率較慢，處于層流范圍，假設(shè)土壤孔隙為圓形的情況下，可根據(jù)土壤水分穿透曲線理論，將流量方程：

Q=Av=πr2τL/t

(1)

與Hagen-Poiseuille方程：

Q=πr4△P/(8ητL)

(2)

聯(lián)合求解，大孔隙的當(dāng)量孔徑：

r=τL[8η/(t△P)]1/2

(3)

式中,Q為單位流量(cm3/s)；A為孔隙面積(cm2)；v為流速(cm/s)；r為孔隙半徑；τ為水流實(shí)際路徑的彎曲系數(shù)，本研究取值1.2；L為土柱長度(cm)；η為水的粘滯系數(shù)(g cm-1s-1)；ΔP為壓力水頭(cm)；t為從首次加水開始計(jì)時(shí)的時(shí)間(s)。對(duì)任意時(shí)間土樣下出流水量進(jìn)行觀測，利用公式(3)即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的孔隙半徑。將出流水量對(duì)應(yīng)的孔徑按照一定的間隔劃分出一個(gè)孔隙范圍，以孔徑平均值計(jì)算，當(dāng)間隔排水量為Qe時(shí)，根據(jù)公式(4)可計(jì)算對(duì)應(yīng)的大孔隙數(shù)量(N)：

(4)

大孔隙面積比是在假設(shè)孔隙為圓形前提下，根據(jù)公式(3)計(jì)算出的大孔隙半徑和公式(4)得出的大孔隙數(shù)量，計(jì)算單位面積上各個(gè)孔徑范圍所有大孔隙的面積總和，即為該土壤發(fā)生層內(nèi)大孔隙面積比。

1.2.2供試土樣采集與出流量測定

2014年7—9月，用環(huán)刀(直徑5 cm、高5 cm)分層采集不同垂直帶的原狀土樣，不同樣地各發(fā)生層采樣深度如表1，每種樣地3個(gè)重復(fù)。采集的環(huán)刀樣品盡量減少震動(dòng)，帶回室內(nèi)后置于水中12 h以充分飽和，然后放置于粗砂上放置12 h，使其達(dá)到田間持水量。在環(huán)刀上邊緣與土壤樣品接觸的部分涂上凡士林，以保證水分不能通過土壤與環(huán)刀壁之間的孔隙直接流出。在原狀土環(huán)刀上方對(duì)置一同樣的空環(huán)刀，用玻璃膠粘結(jié)兩個(gè)環(huán)刀，使之緊密結(jié)合。在空環(huán)刀內(nèi)放置一張濾紙，以防止水分沖刷破壞表層土壤結(jié)構(gòu)。原狀土環(huán)刀下方放置濾紙并用多孔蓋抵托。用馬氏瓶控制水頭2 cm，從加水開始計(jì)時(shí)，當(dāng)土柱下部有水流出時(shí)，每隔5 s、10 s或20 s收集出流水量，測定其體積，直到水流通量達(dá)到穩(wěn)定為止。然后根據(jù)測定的出流水量作水分穿透曲線，確定其水流通量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，再參照計(jì)算大孔隙的相關(guān)指標(biāo)。根據(jù)水流穩(wěn)定后的流量計(jì)算飽和導(dǎo)水率(Ks)，統(tǒng)一換算為10℃的飽和導(dǎo)水率(K10)。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型森林土壤的大孔隙特征

研究區(qū)內(nèi)4種類型森林土壤大孔隙的當(dāng)量孔徑在0.3—3.0 mm之間(表2)，其中最小孔徑0.3 mm與水能夠自由移動(dòng)孔隙孔徑的下限一致(d> 0.3 mm)，顯示土壤大孔隙的毛管作用較弱，大孔隙內(nèi)水分以重力水為主，是降雨后水分快速穿透土體達(dá)到森林土壤深層的主要通道[19]。

三峽庫區(qū)溫性闊葉林山地棕壤、針闊混交林山地黃棕壤和暖性針葉林山地黃壤3種人類活動(dòng)擾動(dòng)較小的森林植被覆蓋的樣地，土壤各發(fā)生層的大孔隙密度在0.4×104—31.17×104個(gè)/m2之間，其中暖性針葉林山地黃壤B層最小，溫性落葉闊葉林山地棕壤A層最大。3種森林土壤的同一發(fā)生層內(nèi)大孔隙密度相比較：亞高山溫性闊葉林棕壤>中山針闊葉混交林黃棕壤>低山暖性針葉林黃壤。以腐殖質(zhì)層為例，亞高山溫性闊葉林棕壤樣地最大，達(dá)到31.17×104個(gè)/m2，低山暖性針葉林黃壤最小，為1.47×104個(gè)/m2，不足棕壤密度的5%。人類耕作后棄耕坡地的大孔隙平均密度0.72×104個(gè)/m2，比森林土壤大孔隙平均密度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，耕作層和犁底層內(nèi)土壤大孔隙密度分別為0.88×104個(gè)/m2和0.56×104個(gè)/m2，比亞高山溫性闊葉林樣地和中山針闊葉混交林樣地低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與低山暖性針葉林樣地相差不大。人為耕作切斷了根孔、洞穴，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，減少了大孔隙密度[20]。同時(shí)，翻耕也會(huì)增加孔徑較小的大孔隙密度，棄耕坡地下孔徑為0.3—0.6 mm的大孔隙就比山地黃壤底層更多。此外，4種樣地內(nèi)當(dāng)量孔徑0.3—0.6 mm的大孔隙密度最大，占大孔隙總數(shù)量的72.2%—90.4%，而孔徑>1.0 mm的孔隙數(shù)量僅占大孔隙總數(shù)量的1.26%—8.55%。羅家?guī)r棄耕地孔徑 0.3—0.6 mm孔隙比例最大為90.4%，竹林灣針葉林黃壤最小為72.2%，孔徑>1.0 mm的孔隙比例則是棄耕地最小為1.26%，針葉林黃壤最大為8.55%。

表2　不同類型森林土壤的大孔隙特征

* A、B、C分別表示腐殖質(zhì)層、淋溶淀積層和母質(zhì)層A、B、C refer to humus, leaching illuvial, parent material horizons respectively

土壤的大孔隙面積比，即土壤大孔隙斷面面積與土柱總過水?dāng)嗝婷娣e的百分比，能夠綜合反映大孔隙半徑及密度等因素對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響[6,14]。各樣地大孔隙面積比平均為2.42%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.31%，變異系數(shù)為0.95。大孔隙面積比最大的為山地棕壤的A層，較小的為棄耕坡地的A層和B層。實(shí)際上，低山的暖性針葉林和棄耕坡地的大孔隙面積都較小，均不超過0.4%。不同類型森林土壤腐殖質(zhì)層和淋溶淀積層內(nèi)大孔隙面積比的順序?yàn)椋簛喐呱綔匦蚤熑~林棕壤>中山針闊混交林黃棕壤>低山針葉林黃壤，而中山針闊混交林黃棕壤母質(zhì)層的大孔隙面積比略大于亞高山溫性闊葉林棕壤。山地棕壤的大孔隙面積比較大是由于土壤中植物根系密度大，土壤結(jié)構(gòu)疏松，水分下滲路徑較多，這在野外染色試驗(yàn)中得以證實(shí)[21]。山地黃壤石礫含量較高，質(zhì)地粗，硬度大，限制了根孔、蟲洞等大孔隙的發(fā)育，大孔隙面積比僅為0.26%。與棄耕坡地比較，森林土壤大孔隙密度和大孔隙面積比的變異系數(shù)較大，這可能與林分類型不同時(shí)根系數(shù)量與長度的差異所致，也與土壤各發(fā)生層內(nèi)礫石分布不均勻有關(guān)[14]。

2.2大孔隙的垂直剖面分布規(guī)律

森林土壤垂直剖面的各發(fā)生層大孔隙相比較，溫性闊葉林棕壤和針闊混交林黃棕壤下大孔隙密度：腐殖質(zhì)層>淋溶淀積層>母質(zhì)層，大孔隙數(shù)量隨著土壤深度的增加而逐漸減小，同時(shí)大孔隙面積比也相應(yīng)的明顯減小(表2)。這種隨土壤深度增加大孔隙數(shù)量減少的趨勢在孔徑較大的大孔隙數(shù)量上表現(xiàn)得更加明顯，比如亞高山溫性闊葉林地C層的2.0—3.0 mm大孔隙密度只是A層的1/4，而其他孔徑的大孔隙密度比均在30%以上。這與隨深層土壤中的動(dòng)植物活動(dòng)減少有關(guān)，缺少了植物根系和動(dòng)物活動(dòng)對(duì)土壤的疏松作用，林地土壤的下層通常比上層更加緊實(shí)，大孔隙數(shù)量減少，孔徑越大的大孔隙受到的影響越大[22]。

低山暖性針葉林地各發(fā)生層間大孔隙面積比的差值不超過10%，A層2.0—3.0 mm的大孔隙密度只有13個(gè)/m2，而B、C層沒有該孔徑段的大孔隙(表2)。同時(shí)，竹林灣樣地下0.6—2.0 mm大孔隙密度均為B層最大而A層最小，0.3—0.6 mm大孔隙密度則是B層最小而A層最大。這與低山針葉林黃壤質(zhì)地粗、多礫石有關(guān)，大孔隙以裂隙、裂縫為主，不同孔徑的大孔隙結(jié)構(gòu)在剖面上的差異不大[14]。與低山暖性針葉林地相似，棄耕坡地各發(fā)生層的大孔隙面積比和孔隙密度相差不大，B層略低于A層。耕作或棄耕土壤中，犁底層由于長期耕作而被壓實(shí)，同時(shí)間歇澆灌和降水過程中表層淋失的粘粒在底層淀積，導(dǎo)致犁底層土壤緊實(shí)，總孔隙度小且以毛管孔隙為主[20]。

森林土壤垂直剖面上大孔隙的分布規(guī)律取決于土層內(nèi)根系密度、動(dòng)物孔穴和裂隙，而根系伸延和穴居動(dòng)物活動(dòng)與土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)[23]。利用多因素偏相關(guān)分析法對(duì)各當(dāng)量孔徑的大孔隙密度與對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。結(jié)果顯示，當(dāng)量孔徑為0.3—1.0 mm的大孔隙密度與有機(jī)質(zhì)含量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，當(dāng)量孔徑為1.0—3.0 mm的大孔隙密度與有機(jī)質(zhì)含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3　有機(jī)質(zhì)含量、飽和導(dǎo)水率與不同當(dāng)量孔徑大孔隙密度的相關(guān)關(guān)系

**P<0.01；*P<0.05

2.3大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是表述土壤滲透性能的重要參數(shù)，主要受土壤質(zhì)地、容重、孔隙結(jié)構(gòu)的影響[19]。土壤大孔隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)的水流可以在較短的時(shí)間內(nèi)滲透到土壤深層，并未與周圍土壤基質(zhì)的水分交換。研究區(qū)所有樣地中土壤大孔隙面積比僅0.11%—7.16%，但大孔隙對(duì)水分的入滲通量和再分布影響依舊十分明顯。對(duì)各個(gè)當(dāng)量孔徑的大孔隙密度與有機(jī)質(zhì)含量、飽和導(dǎo)水率進(jìn)行多因素偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量孔徑為0.6—1.2 mm的大孔隙密度對(duì)飽和導(dǎo)水率具有顯著影響(P<0.05)，當(dāng)量孔徑為0.3—0.6 mm、1.2—3.0 mm的大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表3)。當(dāng)量孔徑為0.3—0.6mm的大孔隙數(shù)量與密度，在不同類型土壤的不同土層中變化明顯，故其對(duì)飽和導(dǎo)水率的空間變化影響較大。當(dāng)量孔徑為1.2—3.0 mm的大孔隙半徑較大，孔隙體積較大，連通度高，也是飽和土壤內(nèi)水流的主要通道。對(duì)當(dāng)量孔徑>1.0 mm的大孔隙密度與飽和導(dǎo)水率進(jìn)行單因素回歸分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)各樣地土壤飽和導(dǎo)水率與孔徑>1.0 mm的大孔隙密度成線性關(guān)系，擬合度高(圖2)?？讖?1.0 mm的大孔隙密度僅占大孔隙總密度的1.26%—8.55%，但決定了飽和導(dǎo)水率84.7%的變異，這與陸斌在對(duì)秦嶺火地塘林區(qū)的土壤大孔隙與飽和導(dǎo)水率的回歸結(jié)果基本一致[6]。

大孔隙面積比綜合了孔隙孔徑與密度兩個(gè)參數(shù)，與土壤飽和導(dǎo)水率單因素相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，兩者呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明飽和導(dǎo)水率對(duì)土壤中有效大孔隙度的變化比較敏感(圖3)。此外，土壤有機(jī)質(zhì)不僅是土壤中養(yǎng)分的重要來源，而且在改善土壤質(zhì)地、容重、土壤結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)上效果明顯。土壤飽和導(dǎo)水率與孔隙特征、有機(jī)質(zhì)含量的偏相關(guān)分析顯示，有機(jī)質(zhì)含量與飽和導(dǎo)水率之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.77(表3)。有機(jī)質(zhì)的增多能促進(jìn)團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)的形成，使土壤更加疏松，改善土壤的通透性，從而提高土壤的導(dǎo)水性。

圖2　土壤飽和導(dǎo)水率與>1mm大孔隙密度的相關(guān)關(guān)系　Fig.2　Correlation analysis between saturated water conductivity and density of macropore with diameter larger than 1mm

圖3　土壤大孔隙面積比與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系　Fig.3　Correlation analysis between the number of soil macropores and saturated water conductivity

3結(jié)論與討論

利用環(huán)刀土柱的水分穿透曲線法對(duì)三峽庫區(qū)不同類型森林土壤的大孔隙特征及其分布與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系進(jìn)行了研究。三峽庫區(qū)土壤大孔隙主要是大于0.3 mm的自由導(dǎo)水孔隙，當(dāng)量孔徑在0.3—3.0 mm之間，孔徑范圍與Beven and Germann[1]、王偉等[15]的研究結(jié)果一致，比時(shí)忠杰等[14]研究所得半徑范圍0.4—2.3 mm更寬，當(dāng)量孔徑上限比石輝等[5]研究結(jié)果大0.6 mm，比陸斌等[6]研究結(jié)果小0.8 mm。土壤大孔隙僅占土壤總體積的0.15%—4.72%，不足土體的5%，與石輝等[5]在岷江上游的研究結(jié)果近似。大孔隙密度隨當(dāng)量孔徑的增大而減小，當(dāng)量孔徑 0.3—0.6 mm的孔隙密度最大，孔徑>1.0 mm的孔隙數(shù)量僅占大孔隙總數(shù)量的1.26%—8.55%。各類森林土壤的大孔隙密度及面積比相比較：溫性闊葉林棕壤>針闊混交林黃棕壤>針葉林黃壤。另外，人為耕作破壞了土壤結(jié)構(gòu)，大孔隙數(shù)量銳減，棄耕坡地的大孔隙密度僅為7.2×103個(gè)/m2，比棕壤、黃棕壤和黃壤的大孔隙平均密度(1.34×105個(gè)/m2)，低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。土壤垂直剖面上大孔隙分布呈現(xiàn)上層多，下層少的特點(diǎn)，森林土壤的大孔隙均呈現(xiàn)A層—B層—C層依次減少的趨勢，大孔隙密度與有機(jī)質(zhì)含量成顯著正相關(guān)關(guān)系。石輝等[5]在岷江上游，陸斌等[6]在秦嶺火地塘林區(qū)和王偉等[15]在四面山闊葉林區(qū)對(duì)土壤大孔隙垂直分布的研究也得到類似結(jié)論，而李偉莉等[13]對(duì)長白山的棕色針葉林土和山地苔原的研究卻是大孔隙數(shù)量隨土壤深度的增加而增大，這與試驗(yàn)觀測的土壤垂直剖面結(jié)構(gòu)存在較大變異有關(guān)。

土壤飽和導(dǎo)水率與不同孔徑的大孔隙密度、大孔隙面積比均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與陸斌[6]、王偉[15]等的研究結(jié)果基本一致。石輝等[5]對(duì)岷江上游土壤的研究認(rèn)為孔徑>1.4 mm的孔隙決定了飽和導(dǎo)水率69%的變異，陸斌等[6]研究對(duì)秦嶺火地塘林區(qū)土壤的研究顯示孔徑>1.5 mm的大孔隙決定了飽和導(dǎo)水率84.4%的變異。三峽庫區(qū)土柱實(shí)驗(yàn)顯示，孔徑>1 mm的大孔隙密度僅占大孔隙總密度的1.26%—8.55%，但決定了飽和導(dǎo)水率84.7%的變異。孔徑范圍更大(1.0—3.0 mm)的大孔隙對(duì)飽和導(dǎo)水率的變化影響更大。

綜上所述，土壤大孔隙是山地土壤水分傳導(dǎo)的主要路徑，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤大孔隙半徑、密度和大孔隙面積比顯著相關(guān)。大孔隙的形成與土壤性質(zhì)、動(dòng)植物活動(dòng)等關(guān)系密切，森林土壤尤其是闊葉林和針闊混交林下有機(jī)質(zhì)含量豐富，根系穿插形成的根孔改善了土壤滲透性能，而根系較淺的暖性針葉林黃壤大孔隙路徑發(fā)育較弱，人為翻耕后土壤大孔隙更少。大孔隙內(nèi)優(yōu)先流的產(chǎn)生不僅與土壤本身性質(zhì)有關(guān)，還與降水特征、初始含水量及斥水性礫石等邊界條件有關(guān)，未來需要進(jìn)一步討論大孔隙內(nèi)優(yōu)先流產(chǎn)生的原因及變異，為土壤水分運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建和庫區(qū)的生態(tài)建設(shè)提供參考。

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基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41001125)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA141)

收稿日期:2015- 04- 28;

修訂日期:2015- 11- 30

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: liumuxing@mail.ccnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201504280880

Characteristic of soil macropores under various types of forest coverage and their influence on saturated hydraulic conductivity in the Three Gorges Reservoir Area

LIU Muxing1,2,*, WU Dan1,2, WU Siping1,2, LIAO Lijuan1,2

1HubeiProvinceLaboratoryforGeographicalProcessAnalyzing&Modeling,,Wuhan430079,China2CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan430079,China

Abstract：Soil macropores refer to pores with a larger diameter and higher hydraulic conductivity than those of the soil matrix; these macropores include root channels, caves, and fissures. The preferential flow of water to the soil macropores would result in non-uniform soil water transport, this indicates a need to study the mechanisms of soil water movement from homogeneous to heterogeneous fields. Water breakthrough experiments with undisturbed soil samples identified the structure of the macropores of four kinds of mountain soils covered by different forest types in the Three Gorges Reservoir Area (brown earth covered by subalpine temperate deciduous broad-leaved forest, yellow-brown earth covered by deciduous coniferous broad-leaved mixed shrubs, yellow earth covered by low-mountain warm coniferous forests, and abandoned farmland covered by herbaceous plants). The profiled soil macropore characterizations and their effects on saturated hydraulic conductivity were analyzed. The results indicated that the equivalent radii of the soil macropores in the study area ranged from 0.3 to 3.0 mm, accounting for only 0.15%—4.72% of the soil bulk volume. The proportion of macropores with the radii from 0.3 to 0.6 mm was the largest, accounting for 72.2%—90.4% of the total macropore amount, while the proportion of macropores with radii > 1 mm accounted for only 1.26%—8.55%. Soil macropore density and the proportion of the average area of the macropores in different soil types decreased in the following order: brown earth covered by subalpine temperate deciduous broad-leaved forest > yellow-brown earth covered by deciduous coniferous broad-leaved mixed shrubs > yellow earth covered by low-mountain warm coniferous forest > abandoned farmland covered by herbaceous plants. All macropores, regardless of radius, decreased with increasing soil depth, from the humus horizon (layer A) to the leaching illuvial horizon (layer B) to the parent material horizon (layer C), and a significant correlation was observed between soil macropore density and soil organic matter content. Significant correlations were also observed between the following pairs: saturated hydraulic conductivity and soil macropore density, and proportion of the average area of macropores and organic matter content. Macropores with a radius > 1mm, constituting only 1.26%—8.55% of the total amount of macropores, accounted for 84.7% of the variability in saturated soil hydraulic conductivity. Collectively, these results suggest that increased organic matter in forest soil layers can improve its infiltration capability.

Key Words:soil macropores; forest types; saturated hydraulic conductivity; equivalent radii; Three Gorges Reservoir Area

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