肖自幸，朱蔚利，牛健植，邵文偉，張由松

（水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

優(yōu)先流是土壤中一種常見的水分和溶質運移形式，是土壤水研究從均質走向異質領域的標志[1-2]。關于優(yōu)先流的定義，普遍認為是“水或溶液沿著土壤中的某種路徑運動，同時繞過土壤的多孔基質”[3-5]的一種土壤水分運動，具有空間和時間上的異質性。在下滲過程中，水分和溶質可以通過優(yōu)先路徑快速運移，減少與土壤基質的接觸時間而不易被吸附，能快速到達土壤下層或地下水層。水流的快速運動，對自然降雨條件下的土壤水的入滲產生重要影響。

染色法是野外觀測土壤優(yōu)先流經常采用的一種方法，對于不同的研究目的，所選用的示蹤劑也不盡相同。盛豐、王康等[6]運用碘和淀粉的顯色反應原理研究田間尺度下不同滲水量深度的土壤優(yōu)先流現(xiàn)象；牛健植等[7]運用黑墨水對貢嘎山暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)土壤優(yōu)先流進行了初步研究；Gish等[8]利用亮藍研究了免耕條件下水流運動的通道及其影響因素；程竹華[9]等利用亮藍染色實驗研究優(yōu)勢流形成狀況與土壤類型、土壤初始含水量的關系；陳鳳琴、石輝[10]運用亮藍對岷江上游不同植被和海拔高度等因素影響下的土壤優(yōu)勢流現(xiàn)象進行了研究。

鷲峰國家森林公園屬于典型的華北土石山區(qū)，在自然降雨條件下易產生坡面徑流和深層入滲，可能引發(fā)局部山體滑坡或土石坍塌等危害。而目前國內關于土石山區(qū)土壤中優(yōu)先流的研究較少，本文以位于北京西北郊的鷲峰森林公園不同林分下的土壤為對象，利用亮藍進行染色示蹤，以期為初步認識該地區(qū)土壤的優(yōu)勢流提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市西北郊，北京林業(yè)大學實驗林場—鷲峰國家森林公園，東經116°28′，北緯39°54′，總面積 811.173 hm2，園內最高海拔為 1 153 m。為華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降雨量700 mm，多集中在7～9月份。土壤類型：海拔700 m以下為山地淋溶褐土，土層厚發(fā)育程度較高；海拔700 m以上為棕壤，土層發(fā)育程度低且土層較薄，土壤母質主要為花崗巖和凝灰?guī)r。園內植物群系屬溫帶落葉闊葉林，市區(qū)位于海拔700 m以下，為20世紀60年代營造的人工林，主要樹種有落葉松（Platycladas orientalis）， 油 松 （Pinus tabuliformis）， 側 柏（Platycladus orientalis），栓皮櫟（Quercus variabilis Blume），刺槐（Robinia pseudoacacia L）等。在鷲峰國家森林公園選取側柏、栓皮櫟、刺槐3種不同林分下的土壤為對象進行研究。樣地基本情況見表1。

表1 各樣地的基本物理性質

1.2 染色劑選擇

染色示蹤實驗被廣泛用于優(yōu)先流的研究，而亮藍被認為是現(xiàn)在試驗中最理想的染色示蹤劑，因為它具有低毒性、高可見性和不易被土壤顆粒吸附性等優(yōu)點[11-13]。通過小型模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)的土壤中亮藍染色清晰可見，故在試驗中采用亮藍作為示蹤染料。

1.3 野外染色試驗

野外選擇1 m×1 m的樣地，將1 m2的金屬框沿樣地砸進土壤中，深度大約20 cm，后將框內側2 cm左右寬度的土壤夯實，以減少染色液沿著金屬框壁形成側滲。表1中所測各樣地基本物理性質的土壤取自離染色試驗區(qū)0.5 m左右的區(qū)域。亮藍染色液濃度為5 g/L，在樣地上放一塊塑料板，在板上注入5 cm深度（約50 L）的染色液。染色時迅速的抽掉塑料板，使得染色液在土壤表面形成約5 cm積水的水頭。染色后在樣地表面覆蓋一層薄膜和綠色植被，防止蒸發(fā)和外界的干擾。24 h后移去金屬框，沿垂直方向開挖剖面，垂直剖面兩側10 cm的部分剔除以減少側滲對試驗的影響。剖面用分辨率為3 000×4 000像素的數(shù)碼相機進行拍照。拍照時保持相機鏡頭與樣地剖面垂直，以降低或消除由此產生的試驗誤差，同時為保證照相質量，采用白色的半透明樹脂膠板對自然光進行散射[14]。所獲剖面照片運用Photoshop CS5處理，濾去土壤顏色，只保留示蹤劑路徑的顏色，然后運用ENVI4.5軟件計算不同深度處示蹤染色部分所占的面積百分比來判斷優(yōu)先流現(xiàn)象。

2 結果與分析

2.1 染色狀況分析

2.1.1 土壤剖面優(yōu)先流表象 亮藍示蹤劑在土壤中經過24 h的運移后，從縱向分層挖土壤剖面而呈現(xiàn)出不同的染色示蹤照片（圖1～3）。

上面3個染色示蹤圖，雖然不能定量化的反映出亮藍示蹤劑在土壤中的運移特征，但從照片中我們可以清楚的看到亮藍示蹤劑在土壤中的運移路徑，基本上是有繞過土壤的某些部分沿一條或幾條獨立路徑向下運移，這類明顯的路徑正是示蹤劑優(yōu)先流現(xiàn)象的表現(xiàn)，由此可以反映出在鷲峰國家森林公園不同林分下的土壤有優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 土壤剖面染色狀況 通過室內PhotoshopCS5和ENVI4.5軟件處理后得到垂直剖面的染色情況（見圖4、圖5、圖6）。從垂直剖面染色圖可以看到：3種林分下的土壤均存在優(yōu)先流現(xiàn)象。圖4中的土壤剖面整體染色深度為20 cm左右，30～50 cm之間有少量間斷的染色現(xiàn)象，但在50～70 cm深度卻有較大面積的染色。圖5中的土壤剖面整體染色深度在25 cm左右，30～40 cm之間左側有兩條較小的向下運移優(yōu)先路徑，整個樣地染色深度不足50 cm。圖6中的土壤剖面在0～10 cm土層中間部分被示蹤劑繞過，沒有被染色，大面積被染色的深度在30～50 cm之間，剖面左側有較為明顯的優(yōu)先流路徑。

根據(jù)染色圖像得到染色面積的百分比（圖7），從圖中可以看出，染色面積隨深度的增加在不同林分下的變化趨勢不同。側柏林下的染色面積百分比是一條有拐點的折線，在40 cm深度處染色面積百分比不到10%，隨后有較大幅度的增加。栓皮櫟林下的染色面積隨土層深度的增加而一直減小。刺槐林下的染色面積百分比較側柏林和栓皮櫟林呈現(xiàn)為在0～10 cm土層小很多，只有60%左右，但整體的大趨勢是隨著深度的增加而減小。

圖7 不同林分土壤剖面染色比隨深度變化

2.2 不同林分下土壤的優(yōu)先流成因

側柏林剖面有非常明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，因為野外實驗時我們在剖面看到土壤中有大量的側柏樹根，這些樹根腐爛在土壤中便形成了連通的大孔隙，故示蹤劑能快速通過這些大孔隙向下運動。樣地0～20 cm深度土壤容重和孔隙度變化不大，剖面基本上都有被染色，故此區(qū)主要為基質流。因而引起側柏林下土壤優(yōu)先流的主要原因即為土壤中的大孔隙，這些孔隙主要來自腐爛的根系也可能是土壤中動物活動或由土壤凍融引起的裂縫。

栓皮櫟林下的土壤剖面左側存在優(yōu)先流現(xiàn)象但并不是很明顯，從土壤的基本物理性質來看，樣地除表層0～10 cm土壤容重較小，另3個深度的土壤容重變化不大，而不同深度的土壤孔隙度基本無變化，說明整個樣地的土壤結構比較均一。且土壤剖面的根系主要是細而小的須根，并無側柏林土壤中由腐爛根系形成的明顯大孔隙，故剖面沒有明顯的優(yōu)先流路徑，但仍有優(yōu)先流的存在。

刺槐林下的土壤在0～10 cm土層中間部分有被示蹤劑繞過而未染色，仔細觀察剖面土壤情況，發(fā)現(xiàn)中間部分土壤有斥水性。土壤斥水性是指水分很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象。通常定義水珠在干燥的土壤表面上停留時間大于5 s的土壤稱為斥水性土壤。目前關于斥水性的研究主要結論有：斥水性土壤的可濕潤性主要受有機質影響，當然還受土壤質地、土壤pH值、土壤植被和土壤微生物量等的影響[15-16]。在試驗現(xiàn)場我們看到表層中間部分有很厚層的白色絲狀物，示蹤劑在此范圍內無法下滲，故刺槐林下的土壤斥水性應該是由有機質含量引起的，但土壤斥水性與優(yōu)先流之間的關系還有待進一步的研究。刺槐林土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則呈相反的趨勢，說明土壤剖面發(fā)生層分化差，相對均質，故優(yōu)先流類型主要是由不穩(wěn)定濕潤峰引發(fā)的指流。

3 小 結

利用亮藍的野外染色示蹤試驗，研究了鷲峰國家森林公園不同林分下土壤中的優(yōu)先流現(xiàn)象。從染色結果來看，在這3種不同林分下的土壤中均存在優(yōu)先流現(xiàn)象，且不同林分下土壤優(yōu)先流的表現(xiàn)形式不盡相同。由于優(yōu)先流的存在，降雨能直接快速地進入土壤下層，雖部分調節(jié)了地表和地下徑流的比例，但在研究區(qū)水分快速進入土壤深層到達基巖層，易誘發(fā)農藥和化學物質污染、泥石流和山體滑坡等災害。

野外的染色研究，可以用來反映土壤中優(yōu)先流的存在和路徑，但如何將優(yōu)先流圖像結果與水分運動聯(lián)系起來，深入研究優(yōu)先流形成的影響因子，并運用一些模型去模擬研究，得出符合該區(qū)的優(yōu)先流模型則有待進一步研究。

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