常丹東

(水利部水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055)

三峽地區(qū)闊葉林地植物根系分布特征與優(yōu)先路徑關(guān)系分析

常丹東

(水利部水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055)

優(yōu)先路徑研究是研究地下水分運動的重要環(huán)節(jié)。本文通過亮藍染色示蹤試驗法直接觀測并區(qū)分林地土壤基質(zhì)和土壤優(yōu)先路徑，分別對染色區(qū)和未染色區(qū)觀測到的土壤優(yōu)先路徑、植物根系根長密度和根重密度進行分析，研究發(fā)生土壤優(yōu)先流過程中植物根系的作用及由植物根系形成的優(yōu)先路徑的聯(lián)通情況。研究發(fā)現(xiàn)，降雨強度越大，優(yōu)先路徑染色區(qū)的表層呈現(xiàn)越加明顯的寬區(qū)域聚集分布。雨強為25 mm/d時，樣地土壤染色區(qū)域表層大區(qū)域優(yōu)先路徑聚集分布厚度平均為50 cm。根徑>5 mm的根系根長密度的大小對土壤孔隙的大小影響顯著，根徑<5 mm的根系根長密度的大小對于土壤孔隙的聯(lián)通有明顯作用。此外，土壤中植物根重密度的大小與優(yōu)先路徑數(shù)量和聯(lián)通程度正相關(guān)，根重密度越大越有利于構(gòu)成優(yōu)先路徑，有利于形成優(yōu)先流。不同樣地兩區(qū)域植物根重密度在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范圍內(nèi)具有極顯著差異(P<0.05)，而優(yōu)先路徑在30 cm深驟然減少。此方法在一定程度上可為優(yōu)先路徑的研究提供新的借鑒和參考。

優(yōu)先路徑; 根長密度; 根重密度; 染色示蹤法

水環(huán)境和水資源的日益緊缺和惡化,使越來越多的土壤學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家和森林水文學(xué)家開始關(guān)注土壤和蓄水層中的土壤水分問題及溶質(zhì)的再分配過程[1]。研究地下水分運動過程，特別是土壤中水分和溶質(zhì)通過優(yōu)先路徑快速滲入地下的優(yōu)先流運動過程，對于分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地表水下滲、調(diào)查非飽和土壤層的有害廢物處理泄露以及系統(tǒng)研究林地土壤水分運動規(guī)律等問題非常重要[2]。Peters等人通過采用水文測驗、同位素和地球化學(xué)元素示蹤等方法，對加拿大Shield森林流域坡面壤中流水文過程及其對源頭流域暴雨徑流研究表明，森林土壤中大部分水分通量是不遵從達西定律的快速下滲的優(yōu)先流[3-5]。水和溶質(zhì)的快速下滲主要是因為優(yōu)先路徑使水和溶質(zhì)的下滲過程繞過了許多土壤母質(zhì),進入了更深的土壤層[6]。因此，優(yōu)先路徑研究是研究地下水分運動的重要環(huán)節(jié)。

優(yōu)先路徑是指土壤中植物根系穿插而產(chǎn)生的根孔，動物的運動通道和居穴，由于土壤膨脹收縮形成的裂隙，以及因濕潤鋒不穩(wěn)定所形成的指狀滲透通道等[7-8]。其中，植物根系作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中一個重要組成部分，不僅能夠為植被提供有效的水分及養(yǎng)分，更重要的是它在陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤優(yōu)先流水分運動、溶質(zhì)傳輸以及環(huán)境污染物的遷移和轉(zhuǎn)化等過程中起重要作用。生長中的植物根系通過分泌有機質(zhì)能夠提供土壤團粒膠結(jié)物質(zhì)[9-10]，通過穿插等生長過程使土粒團聚[11]，增加土壤團聚體數(shù)量和大小，改變土壤物理結(jié)構(gòu)，使土壤更為松散，為土壤裂隙的發(fā)育提供了基本條件。植物根系死亡后形成管狀或環(huán)狀的植物根孔[12]和土壤中的裂隙是土壤大孔隙的主要組成部分，也是土壤水分運移的重要通道，對土壤優(yōu)先流形成具有積極的影響[13-16]。程金花等人認為土壤性質(zhì)、水分條件和植物根系對林地土壤優(yōu)先流的形成與發(fā)展的影響顯著[17]。

本文擬通過近年來流行使用的亮藍染色示蹤試驗法直接觀測并區(qū)分林地土壤基質(zhì)和土壤優(yōu)先路徑，并分別對染色區(qū)和未染色區(qū)觀測到的土壤優(yōu)先路徑上植物根系的根長密度和根重密度進行分析，探討發(fā)生土壤優(yōu)先流過程中植物根系的作用及由植物根系形成的優(yōu)先路徑的聯(lián)通情況。這在一定程度上可為優(yōu)先路徑的研究提供新的借鑒和參考。

1 試驗方法

研究區(qū)位于重慶四面山中部，地處三峽庫區(qū)尾部，重慶市西南江津區(qū)南部(106°17′—106°30′E，28°31′—28°43′N)，海拔1 100～1 280 m，保存有長勢良好的天然次生森林植被，覆蓋率為95.41%。亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，多年平均氣溫13.7℃，無霜期為285 d，年均降雨量1 522.3 mm，最大降雨量160.5 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨重量的62.17%。

1.1 樣地布設(shè)調(diào)查

綜合考慮植被類型、地形狀況、坡向海拔等因素，在張家山林區(qū)雙橋溪地區(qū)的闊葉林區(qū)，設(shè)置面積為400 m2的觀測樣地4塊。試驗地土壤為紫色土，母巖為紫色砂巖。土壤呈微酸性，鹽基交換量低，供肥能力較差，土壤黏粒含量較少，土質(zhì)輕且土壤透水性好。土層厚度70 cm左右。觀測樣地主要自然因子如表1所示。

表1 觀測樣地主要自然因子

1.2 觀測剖面布設(shè)

在4塊樣地內(nèi)分別布設(shè)染色示蹤觀測剖面，為減少喬木主根對觀測結(jié)果的影響，土壤剖面位置選擇主要考慮與周圍喬木的距離關(guān)系，一般選擇在使染色剖面距各喬木基本等距的地方。經(jīng)選擇，試驗觀測剖面布設(shè)在3～4株相鄰喬木中心且地表較為平坦處。

1.3 試驗準備

平整地表，除去開挖剖面處地表上部的枯落物及大塊礫石，盡量不擾動枯落物層下的土壤腐殖質(zhì)層。埋入試驗鐵框，將規(guī)格為70 cm×70 cm×50 cm的鐵框埋入地面，嵌入地表深度30 cm，露出地表高度20 cm，并將距鐵框內(nèi)壁5 cm以內(nèi)土壤用木錘夯實，防止染色溶液沿鐵框內(nèi)壁縫隙下漏影響觀測結(jié)果。將亮藍粉末配置濃度為4 g/L的溶液待用。

1.4 染色示蹤

根據(jù)長江三峽花崗巖地區(qū)林地土壤優(yōu)先流研究結(jié)果，優(yōu)先流在強降雨過程中表現(xiàn)的更為顯著[18]。為分析降雨特征對林地土壤優(yōu)先流過程的影響，研究依據(jù)所收集到的當(dāng)?shù)亟邓Y料(2002—2007年)，采用25 mm(大雨，P=0.05)。根據(jù)染色剖面表面積和實際損耗，確定在樣地F1-F4施用亮藍溶液量為13 L(相當(dāng)于25 mm降雨)。采用積水滲透(Ponding Infiltraion)方式將預(yù)制的亮藍溶液均勻傾灑在鐵框中央面積50 cm×50 cm的區(qū)域，保證最大限度觀測到各樣地剖面土壤優(yōu)先流的發(fā)生。傾灑亮藍溶液時保持較穩(wěn)定的水頭和均勻的速度。溶液傾灑完畢后，將預(yù)先準備的帆布覆蓋在鐵框上，并用尼龍繩將四周綁緊，確保染色試驗后無其它降雨輸入。

1.5 剖面挖掘和樣品采集

染色示蹤試驗完成24 h后除去覆蓋的帆布和埋置的鐵框，挖掘土壤剖面。首先在鐵框中心50 cm×50 cm區(qū)域外圍開挖垂直剖面，挖掘深度需達到紫色砂巖基巖層頂層，一般為70 cm。用土壤刀和小號土鏟平整表面，并用刷子除去附著的土粒。將標準灰階比色卡(Kodak產(chǎn))放置在剖面旁，使用標尺標注剖面的長度與寬度，并用遮陽傘控制拍攝光線。采用500萬像素(2 592×1 544 pixel)的佳能(Canon)數(shù)碼相機采集垂直染色剖面圖像，各垂直剖面拍攝照片3～5張。此后以10 cm土壤深度為標準，分層挖掘水平土壤剖面，采用與垂直染色剖面同樣的方法采集水平染色圖像。水平染色剖面的挖掘深度由紫色砂巖基巖深度以及染色狀況決定，一般需挖掘至50—60 cm。挖掘水平染色剖面時，根據(jù)染色劑分布狀況將剖面分為染色區(qū)(Dye Stained Area)和未染色區(qū)(Blank Area)。

分別在染色剖面各深度染色區(qū)和未染色區(qū)中，使用高4 cm、直徑9 cm的滲透儀專用環(huán)刀采集原狀土樣(3個重復(fù))，用于進行水分穿透曲線試驗；使用100 cm3標準取土環(huán)刀采集原狀土樣(3個重復(fù))，用于進行土壤密度和孔隙度分析；再采集各區(qū)土壤混合樣品250 g和植物根系樣品(包括全部的生長根和死亡腐爛根)，以備分析土壤理化性質(zhì)和植物根系狀況。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

(1) 根長密度是反映植物根系生長狀況的重要參數(shù)，是指單位體積土壤空間中分布的不同徑級的根系長度狀況。以根系徑級為標準，將根長密度分為≤1 mm，1～3 mm，3～5 mm，5～10 mm和>10 mm等5個級別[19]。計算公式一般為：

式中：qrl——根長密度(m/m3)；Lr——某徑級根系長度(m)；Vsoil——土壤體積(m3)。

(2) 植物的根重密度是指一定體積土壤空間中植物根系生長干質(zhì)量的狀況。根重密度越大，植物根系越粗壯，其與土壤的接觸面積就越大、形成的間隙就越大，則可能形成孔徑較大的優(yōu)先路徑。從理論上來說，根重密度大的區(qū)域，優(yōu)先路徑大小和數(shù)量均應(yīng)超過根重密度小的區(qū)域。根重密度可按下式分層計算：

式中：qrm——根重密度(kg/m3)；Mr——某徑級根系重量(kg)；Vsoil——土壤體積(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地土壤染色示蹤剖面分析

亮藍染色溶液淋灑24 h后，溶液通過土壤中的聯(lián)通孔隙運移進入深層土壤內(nèi)部。開挖土壤剖面發(fā)現(xiàn)，隨著染色溶液運動路徑的延伸，土壤剖面上不均勻分布著一定數(shù)量的染色區(qū)域和未染色區(qū)域。其中，染色區(qū)為染色示蹤溶液運動路徑。由于試驗時間較短，認為染色區(qū)是土壤水分運動的優(yōu)先路徑(含基流)，而未染色區(qū)則不是發(fā)生土壤水分運動的優(yōu)先路徑。土壤染色示蹤剖面觀測結(jié)果如表2所示。

試驗結(jié)果表明，染色區(qū)域分布為表層聚集型，未染色區(qū)域與之相反。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3和F4樣地表層染色面積達80%以上的土層厚度分別為0—4 cm，0—6 cm，0—8 cm和0—4 cm。各樣地隨著土層的加深染色面積迅速減小，土層厚度20—25 cm處染色面積基本穩(wěn)定到的5%左右，其變化梯度最小為-0.5，最大為-1.9。這說明土壤表層疏松，密度小，孔隙度大，優(yōu)先路徑密集而連續(xù)，優(yōu)先路徑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯。而隨著土層遞深，由管網(wǎng)豐富密集的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先路徑轉(zhuǎn)為集中的縱向細網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先路徑。

2.2 生長根根長密度

通過分析優(yōu)先流染色區(qū)和未染色區(qū)內(nèi)植物根長密度的差異，可以說明植物根系對土壤優(yōu)先路徑和優(yōu)先流形成的影響。試驗對4塊樣地土壤染色區(qū)和未染色區(qū)內(nèi)的植物生長根根長密度狀況進行了對比研究，如表3所示。

表2 土壤染色示蹤剖面觀測結(jié)果

表3 染色及未染色區(qū)植物根長密度比較 m/m3

據(jù)表3可知，不同土層染色區(qū)的不同徑級植物根系根長密度大都大于未染色區(qū)相同徑級植物根系的根長密度。如在F1樣地不同土層，染色區(qū)根徑為5～10 mm的根長密度分別為73.60，128.80，56.80，15.20 m/m3，未染色區(qū)根徑為5～10 mm的根長密度分別為52.00，50.80，22.40，0.00 m/m3。未染色區(qū)均比染色區(qū)根長密度小，說明根長密度越大越容易形成優(yōu)先路徑。這是因為土壤與根系為兩種不同介質(zhì)，其間必定存在一定的孔隙，而土壤中根長密度越大，聯(lián)通的根系越多、越長，聯(lián)通的土壤孔隙就越多、越密集，則越容易形成密集的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先路徑。

F1和F3樣地表層土壤中根徑>5 mm的根長密度較其他樣地大，而F1和F3樣地表層土壤染色面積比最大值和平均值均接近1。說明表層土壤根徑>5 mm的根長密度越大，土壤與根系間孔隙越大，聯(lián)通孔隙越密集，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先路徑越密集，土壤水分入滲能力越強。隨著土層深度加大，根徑>5 mm的根系的根長密度逐漸變小，土壤根系形成的大孔隙大幅減少，土壤優(yōu)先路徑染色剖面染色區(qū)域也急劇變小，優(yōu)先路徑減少。這表明根徑>5 mm的根系長度對優(yōu)先路徑的大小和數(shù)量起決定性作用。

根徑<5 mm的根系根長密度雖然也隨深度的增加而遞減，但減幅較小，根徑<5 mm的根系在一定范圍內(nèi)保持一定的根長密度，這使得由根系形成的小孔隙依然存在并保持一定的連通性。因此，根徑<5 mm的根系根長密度的大小對于土壤孔隙的聯(lián)通有明顯作用，根徑>5 mm的根系根長密度的大小對土壤孔隙的大小影響顯著。

2.3 生長根根重密度

試驗對4塊樣地土壤染色區(qū)和未染色區(qū)內(nèi)的植物生長根根重密度狀況進行了對比研究，如表4所示。

表4 染色區(qū)與未染色區(qū)的植物根重密度比較

據(jù)表4，就同一樣地而言，染色區(qū)植物根重密度平均大于相同土層的未染色區(qū)，這說明染色區(qū)植物根系更粗壯、發(fā)達，而優(yōu)先路徑存在于根系粗壯發(fā)達的區(qū)域。土層越深根重密度越小，這與植物根系生長特點一致，是由根系生長特點決定。就不同樣地而言，由于樣地植物種及其生長環(huán)境不同，植物根系數(shù)量和質(zhì)量存在明顯差異的可能性極大。

經(jīng)初步觀察發(fā)現(xiàn)，闊葉林樣地F3淺層植物根重密度較其他樣地偏大，這可能與此三樣地喬木郁閉度低而灌草蓋度大有關(guān)。灌草類植物根系多生長于淺層土中，根系須根發(fā)育，根系橫向生長，根徑<1 mm的根系發(fā)育程度遠大于喬木表層土壤處根徑<1 mm的根系的發(fā)育程度。同時，樣地中還有大量的喬木植被，這使得該樣地表層土壤中根重密度大于其他樣地。根重密度較大的樣地F3表層染色面積比平均值均接近1，明顯區(qū)別于樣地F1，F(xiàn)2和F4，可以看出根重密度的大小對土壤中孔隙的多少和聯(lián)通程度有一定關(guān)系。

通過進一步對研究區(qū)不同樣地優(yōu)先流染色區(qū)與未染色區(qū)的植物根重密度差異顯著性方差分析計算，其結(jié)果顯示：在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范圍內(nèi)，不同樣地兩區(qū)域植物根重密度具有極顯著差異(P<0.05)，統(tǒng)計量F分別為18.90和39.88；其他范圍內(nèi)，二者差異不顯著。土壤深度10—20 cm的土層根重密度大，30—40 cm深的土層根重密度小。試驗觀測剖面染色面積比在30 cm深驟然縮小，在土壤深度10—20 cm和30—40 cm范圍染色面積比平均相差32%，優(yōu)先路徑數(shù)量迅速減少、聯(lián)通程度大幅降低，優(yōu)先路徑的染色示蹤形態(tài)形成較大差異。因此，土壤中植物根重密度的大小與優(yōu)先路徑數(shù)量和聯(lián)通程度正相關(guān)，根重密度越大越有利于構(gòu)成優(yōu)先路徑，有利于形成優(yōu)先流。

3 結(jié)論與討論

(1) 相同降雨強度條件下，各樣地染色示蹤剖面染色面積比顯示闊葉林地0—6 cm左右的表層土壤疏松，優(yōu)先路徑密集而連續(xù)，優(yōu)先路徑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯。隨著土層深度增加至20—25 cm處，染色面積基本穩(wěn)定到的5%左右，優(yōu)先路徑由密集的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為集中的縱向細網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(2) 根徑>5 mm的根系根長密度的大小對土壤孔隙的大小影響顯著。土壤根徑>5 mm的根長密度越大，土壤與根系間孔隙越大，聯(lián)通孔隙越密集，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先路徑越密集，土壤水分入滲能力越強。隨著土層深度加大，根徑>5 mm的根系的根長密度逐漸變小，土壤根系形成的大孔隙大幅減少，土壤優(yōu)先路徑染色剖面染色區(qū)域也急劇變小，優(yōu)先路徑減少。

(3) 根徑<5 mm的根系根長密度的大小對于土壤孔隙的聯(lián)通有明顯作用。根徑<5 mm的根系根長密度隨深度的增加而遞減，但減幅較小，并在一定范圍內(nèi)保持一定的根長密度，這使得由根系形成的小孔隙依然存在并保持一定的連通性。

(4) 土壤中植物根重密度的大小與優(yōu)先路徑數(shù)量和聯(lián)通程度正相關(guān)，根重密度越大越有利于構(gòu)成優(yōu)先路徑，有利于形成優(yōu)先流。各闊葉林地在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范圍內(nèi)，不同樣地兩區(qū)域植物根重密度具有極顯著差異(P<0.05)，與體現(xiàn)優(yōu)先路徑的染色面積形態(tài)表現(xiàn)一致，染色面積比在30 cm深驟然縮小、優(yōu)先路徑迅速減少。

研究在四面山選擇幾種常見闊葉林開展試驗，以期為優(yōu)先路徑的研究提供新的借鑒和參考。試驗過程在一定程度上受土壤密度、土壤含水量、試驗樣地喬木生長狀況等的影響，雖在方法采用上盡管盡量考慮了避免其他因子的干擾，但試驗結(jié)果和客觀情況并不完全一致。提高試驗精度，使試驗結(jié)果從理論上更貼近實際情況，是今后研究的重點內(nèi)容。

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TheRelationshipbetweenthePlantRootDistributionandPriorityFlowPathsoftheBroad-LeavedForestinThree-GorgesArea

CHANG Dan-dong

(SoilandWaterConservationalMonitorCenter,MinistryofWaterResources,Beijing100053,China)

The study on priority flow paths is an important topic on the underground water movement research. In this paper, the bright blue dyeing tracer test method was used to directly observe and distinguish woodland soil substrate and soil priority path, respectively, and analyze the soil priority flow paths, the root length density and root weight density of the plant in the roots, the formation of the priority flow paths and the referential flow in soil process. The results showed that the more rainfall intensity was, the surface of the priority flow paths dyeing presented the bigger obvious wide area gathered distribution. When the rainfall was 25 mm/d, the average gathered distribution thickness of large area in sample soil dyeing area was 50 cm. It also showed that the root long density of roots > 5 mm affected the soil pore size significantly, and the root long density of roots < 5 mm affected the soil pore linkage obviously. In addition, the value of root weight density of plant in soil was closely related to the quantity and the linkage degree of priority flow paths. The more value of root weight density is, the more preferred priority flow paths formatted, and more preferred priority flow formatted. The root weight density of plant presented very significant difference in 10—20 cm and 30—40 cm soil depth in the different two regions (P<0.05), the priority flow paths suddenly decreased in the depth of 30 cm. It is a new method for study of the priority flow paths.

priority flow paths; root length density; root weight density; dyeing tracer method

2014-08-23

：2014-09-23

國家自然科學(xué)基金項目(41271300;30900866)

常丹東(1977—),男,寧夏平羅縣人,博士，高級工程師,研究方向:水土保持規(guī)劃設(shè)計、技術(shù)標準及規(guī)程規(guī)范編制、重點工程技術(shù)管理、政策研究與制度建設(shè)、國際合作與科技成果轉(zhuǎn)化推廣。E-mail:dandongchang@mwr.gov.cn

S714

：A

：1005-3409(2014)06-0041-06