魏虎偉， 程金花， 杜士才， 李輝乾， 徐貴來， 張 欣， 田香姣

(1.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心， 北京 100083； 2.重慶市林業(yè)局， 重慶 401147)

利用染色示蹤法研究四面山兩種林地優(yōu)先路徑分布特征

魏虎偉1， 程金花1， 杜士才2， 李輝乾2， 徐貴來1， 張 欣1， 田香姣1

(1.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心， 北京 100083； 2.重慶市林業(yè)局， 重慶 401147)

摘要：[目的] 研究不同林種土壤的優(yōu)先路徑分布特征，為土壤水的高效利用以及植物生長環(huán)境改善等方面的研究提供理論參考。[方法] 以重慶四面山張家山的針闊混交林和楠竹林為研究對象，在林地土壤存在優(yōu)先路徑的情況下，運(yùn)用染色示蹤法研究了水分及溶質(zhì)的運(yùn)移，并對采集的垂直剖面染色圖像進(jìn)行處理分析。[結(jié)果] 兩種林地對水分入滲的響應(yīng)不同，染色路徑寬度和染色路徑數(shù)量在同一剖面不同深度處及不同剖面同一深度處均呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性: (1) 針闊混交林染色路徑寬度曲線呈“倒階梯型”; (2) 楠竹林染色路徑寬度曲線呈S形。兩種林地的土壤優(yōu)先流寬度和數(shù)量在一定范圍內(nèi)均隨著深度增加而逐漸下降。[結(jié)論] 兩種林地均存在優(yōu)先流現(xiàn)象，隨著深度增加優(yōu)先流路徑不均勻遞減，在0—20 cm深度內(nèi)，植物根系對土壤優(yōu)先流影響較大。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先流； 染色示蹤； 染色路徑寬度； 染色路徑數(shù)量

優(yōu)先流是一種非平衡流，是土壤學(xué)家針對土壤平衡入滲流而提出的[1-2]，而優(yōu)先路徑是指水分及其溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中繞過土壤基質(zhì)優(yōu)先傳導(dǎo)的通道[3]。在自然土壤中，優(yōu)先路徑普遍存在，無論農(nóng)田灌溉還是天然降雨，只要水分經(jīng)過土壤滲透區(qū)都會產(chǎn)生優(yōu)先流。研究優(yōu)先流最常用的方法是染色示蹤法，Kathleen[4]等人通過溴化物和示蹤劑相結(jié)合的方法研究了人工濕地養(yǎng)分通過優(yōu)先流的方式傳輸過程及其速率，Edward[5]等運(yùn)用熒光粉結(jié)合一個二維物理模型的方法研究了染色劑分區(qū)運(yùn)移及其與非水性液體之間的作用。目前常用的染料為亮藍(lán)，不僅因?yàn)樗牧畠r性，還因?yàn)樗哂袩o毒，顯像性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠很直觀地顯示整個土壤剖面中優(yōu)先流路徑的空間分布[6]。王康等人[7]基于碘—淀粉染色和亮藍(lán)染色兩種方法研究了異質(zhì)土壤水分遷移及其與大孔隙之間的關(guān)系，孫龍等[8]人通過亮藍(lán)染色研究了不同林齡柑橘地中大孔隙與優(yōu)先流的關(guān)系，王彬儼[9]等人研究了農(nóng)地中大孔隙數(shù)量特征。但是，目前優(yōu)先流的研究方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由于優(yōu)先流具有局域特性、土壤異質(zhì)性以及研究過程中針對優(yōu)先流過程及優(yōu)先流空間三維結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)備很少，導(dǎo)致優(yōu)先流研究進(jìn)展緩慢，直到目前優(yōu)先流運(yùn)動機(jī)理尚未明確。有少部分學(xué)者使用TDR[10]、多傳感電容探針[11]進(jìn)行連續(xù)觀察優(yōu)先流過程，分析優(yōu)先流的濕潤峰以及其他影響因素，對優(yōu)先流的研究具有促進(jìn)意義。對于森林而言，優(yōu)先流路徑的存在可以降低地表徑流的發(fā)生，提高水資源的利用率；同時可促進(jìn)植物根系的生長，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，對改善植物的生長環(huán)境具有積極意義。本研究采用亮藍(lán)做染色示蹤劑，在重慶四面山張家山林區(qū)選擇針闊混交林和楠竹林作為研究對象，分析不同林地以及同一林地在垂直方向的優(yōu)先流路徑特征。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在重慶市四面山張家山林區(qū)，28°31′14″—28°46′00″N，106°17′22″—106°30′00″E,海拔900～1 500 m。屬于熱帶季風(fēng)性濕潤區(qū)，雨季多集中在5—9月，多年年均降雨量1 522.3 mm，最高月平均氣溫為31.5 ℃(8月)，最低月平均氣溫-5.5 ℃(1月)，全年無霜期為285 d，多年平均日照時數(shù)為1 082.7 h。研究區(qū)內(nèi)林地土壤類型主要是黃棕壤和黃壤，呈微酸性至酸性。

試驗(yàn)地分別選取針闊混交林和楠竹林，其中針闊混交林主要植被有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、木荷(Schimasuperba)、酸棗(Ziziphusjujuba)、烏蕨(Stenolomachusanum)等；竹林主要植被有楠竹、山梅花(Philadelphusincanus)、繡球(Hydrangeamacrophylla)、豬頭紅(Sarcopyramisnepalensis)、粽葉狗尾草(Setariapalmifolia)等。

2研究方法

2.1　原位染色、圖像采集

在針闊混交林和楠竹林林內(nèi)確定地表較完整，人為干擾小的地塊作為試驗(yàn)點(diǎn)，每種林地各選取2個樣點(diǎn)，在選定的試驗(yàn)點(diǎn)剔除表層未分解的枯枝落葉、碎石等，同時減少清除過程中人為擾動對表層土壤結(jié)構(gòu)的破壞，以免影響試驗(yàn)效果。然后將長×寬×高為70 cm×70 cm×50 cm的鐵框埋入土中20 cm，為了防止亮藍(lán)溶液沿鐵框下漏，用木棰搗實(shí)距鐵框內(nèi)壁5 cm 范圍內(nèi)的松動土壤。將12 L濃度為4 g/L的亮藍(lán)溶液噴灑在鐵框50 cm×50 cm范圍內(nèi)，24 h后，每10 cm為一層開挖垂直土壤剖面，將亮藍(lán)染色的區(qū)域命名為優(yōu)先流發(fā)生區(qū)，每一個剖面都采用500萬像素相機(jī)拍照，并在剖面邊緣設(shè)置刻度尺保證剖面規(guī)格一致，每個剖面開挖的最大深度都超過染色區(qū)域10 cm，以保證垂直剖面完整。

2.2　圖像處理

利用photoshop-cs5將采集的剖面圖像依據(jù)圖片上的刻度截取50 cm×50 cm的區(qū)域，通過變形、扭曲、曝光校正因拍攝所造成的拍攝角度、距離、受光不均勻所造成的缺陷。設(shè)置照片像素為1 890×1 890，保證照片面積和像素一致。將校正后的圖像進(jìn)行顏色替換、調(diào)整閥值，使染色區(qū)為黑色、染色區(qū)變?yōu)榘咨?。然后?dǎo)入image pro plus圖像分析軟件，進(jìn)行filter-enrode-dilate,segmemation處理，簡化照片屬性信息，使其二值化(0和255)。然后通過bitmap analysis導(dǎo)入Excel中進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。

2.3　數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用圖像處理得到的Excel數(shù)據(jù)計算染色路徑寬度、染色路徑數(shù)量。王偉等人[12]也進(jìn)行染色路徑研究，但所選尺度較大(1 cm深度)，無法在細(xì)微尺度上說明優(yōu)先流的變化規(guī)律，所以本文計算每1 mm土壤深度染色路徑寬度，通過統(tǒng)計各個土壤剖面的垂直深度上每1 mm優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域像素數(shù)值，求取每種林地剖面的平均值；染色路徑數(shù)量是通過統(tǒng)計每1 mm深度范圍水平方向上染色區(qū)與未染色區(qū)間隔數(shù)，每一個間隔稱為一條獨(dú)立染色路徑，然后通過做圖分析優(yōu)先流染色路徑寬度和路徑數(shù)量隨深度的變化趨勢。

3結(jié)果與分析

3.1　不同林地染色路徑寬度計算

染色路徑寬度是指在某一指定深度處，被染色的優(yōu)先流區(qū)域所占的寬度(mm)。通過Excel數(shù)據(jù)計算針闊混交林和楠竹林各個垂直剖面每1 mm深度染色路徑寬度，圖1為針闊混交林和楠竹林各個垂直剖面染色路徑寬度；通過各個剖面染色路徑寬度求取5個剖面的平均染色路徑寬度，圖2為兩種林地平均染色路徑寬度。

3.1.1針闊混交林土壤剖面染色路徑寬度變化規(guī)律從圖1可以看出，針闊混交林各個剖面的染色路徑寬度隨著土壤深度的增加逐漸下降，下降幅度相對較快，在0～10 mm范圍內(nèi)，各個垂直剖面染色路徑寬度平均達(dá)450 mm以上。所有剖面的染色路徑寬度均在10 mm深度處處達(dá)到最大值，分別為473.21，476.58，459.06，436.64，406.87 mm，分別占對應(yīng)寬度(500 mm)80%以上，10 mm以下各個剖面的染色路徑寬度開始明顯下降。由于土壤大孔隙的連通性，使得土壤水分發(fā)生側(cè)滲，染色路徑寬度并不是隨著土壤深度增加而單調(diào)遞減，在局部深度范圍區(qū)域染色路徑寬度會出現(xiàn)反彈。剖面1在180 mm處染色路徑寬度變?yōu)?，直到250 mm染色路徑再次出現(xiàn)，從試驗(yàn)現(xiàn)場觀測得知是因?yàn)樵?50 mm處出現(xiàn)一根徑較大的植物根系，使得染色再次出現(xiàn)。剖面4染色路徑寬度也呈現(xiàn)下降趨勢，變化幅度較大，整個曲線出現(xiàn)雙峰值，在172 mm處出現(xiàn)第二個的峰值，染色寬度達(dá)311.50 mm。剖面2，3，5染色路徑寬度均隨著土壤深度的增加而下降，下降趨勢較急，說明優(yōu)先路徑在剖面發(fā)育良好，隨著土壤深度增加，優(yōu)先流快速滲入地下，表現(xiàn)出優(yōu)先路徑的連貫性和優(yōu)勢性。

注：圖中(1)，(2)，(3)，(4)，(5)分別代表不同的染色剖面。下同。

3.1.2楠竹林土壤剖面染色路徑寬度變化規(guī)律由圖1可以看出，楠竹林所有剖面的染色路徑寬度隨土壤深度的增加逐漸下降，但每個剖面染色變化波動較大，在20和120 mm左右出現(xiàn)峰值，各個剖面峰值分別為416.13和123.01 mm，429.03和383.53 mm，299.40和253.04 mm，343.58和194.31 mm，269.17和322.15 mm。楠竹林所有剖面染色路徑寬度變化趨勢都不呈現(xiàn)單調(diào)下降，在50 mm深度處出現(xiàn)路徑寬度拐點(diǎn)值，在60—210 mm深度范圍內(nèi)出現(xiàn)反彈，曲線整體呈S形分布。楠竹林林地土體染色路徑出現(xiàn)的最大深度集中在240—300 mm，導(dǎo)致表層土壤較疏松，水分很容易發(fā)生側(cè)滲，亮藍(lán)溶液停留在表層土壤。

3.1.3兩種林地土壤平均染色路徑寬度曲線對比從兩林地的平均染色路徑寬度來看(圖2)，在0—50 mm深度范圍內(nèi)，染色路徑寬度先增大后減小，可能是因?yàn)樵诒韺悠拭孢吘壊徽R使得圖像處理出現(xiàn)誤差，使得0 mm深度處染色寬度不等于500 mm。在20 mm處出現(xiàn)一個寬度拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以下深度，兩林地優(yōu)先流活動較活躍。隨著深度的增加，針闊混交林的染色路徑寬度逐漸下降，說明水分在混交林土壤中開始沿著某些固有的路徑繞過上層土壤基質(zhì)層，快速流入深層土壤中儲存，針闊混交林染色路徑的下降趨勢較楠竹林劇烈,整個曲線呈現(xiàn)“倒梯形”。楠竹林同樣隨著土壤深度的增加染色路徑寬度逐漸下降，在50 mm深度以下，楠竹林的染色路徑寬度在60—210 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯反彈，說明楠竹林主要發(fā)生側(cè)滲流，不斷延伸水平范圍內(nèi)的染色路徑寬度。

注：(1) 代表混交林； (2) 代表楠竹林。

3.2　不同林地土體染色路徑數(shù)量計算

染色路徑數(shù)量是指在某指定深度處，染色部分與未染色部分之間出現(xiàn)的間隔數(shù)[13]，本試驗(yàn)統(tǒng)計染色路徑數(shù)量基于1 mm深度范圍水平方向上的間隔數(shù)。

3.2.1針闊混交林土壤中染色路徑數(shù)量變化針闊混交林的5個染色剖面染色路徑數(shù)量如圖3所示。由圖3可以看出，各個染色路徑數(shù)量范圍為0～470條，每個剖面染色路徑數(shù)量出現(xiàn)峰值的位置均不同，但都集中在0—15 mm深度范圍內(nèi)，說明在此深度范圍內(nèi)水分流動分化較嚴(yán)重。隨著深度的增加，各個剖面的染色路徑數(shù)量都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中剖面2和剖面4再次出現(xiàn)雙拐點(diǎn)，但二者出現(xiàn)的位置截然相反，這說明大孔隙及其優(yōu)先路徑的復(fù)雜性以及異質(zhì)性，即使在很小尺度范圍的土體深度內(nèi)，水分在土壤中下滲過程均不一樣。

3.2.2楠竹林土壤中染色路徑數(shù)量變化從圖3可以看出，與針闊混交林相比，楠竹林的所有剖面的染色路徑數(shù)量都較小，除剖面2路徑數(shù)量最大值出現(xiàn)在135 mm處，其余剖面均在表層范圍內(nèi)達(dá)到最大值，這也說明了大部分剖面在土壤表層的水流形態(tài)分化最為嚴(yán)重。在60—180 mm范圍內(nèi)，染色路徑數(shù)量曲線出現(xiàn)較大反彈，均在180 mm處開始急劇下降，這說明隨著土壤深度的增加，優(yōu)先路徑數(shù)量逐漸減少,優(yōu)先路徑并不完全連續(xù)，可能由于土壤動植物的活動導(dǎo)致優(yōu)先路徑的斷裂。

圖3　兩種林地染色路徑數(shù)量

3.2.3兩種林地平均染色路徑數(shù)量比較通過圖4對混交林和楠竹林各個剖面染色路徑平均數(shù)量隨著深度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，兩個剖面的路徑數(shù)量變化趨勢一致，整體均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在土壤表層兩種林地水流分化程度均較嚴(yán)重，隨著土壤深度的增加，針闊混交林路徑數(shù)量下降趨勢較急，楠竹林總體趨勢下降平緩。每種林地的路徑數(shù)量曲線都出現(xiàn)不同程度的波動現(xiàn)象，說明優(yōu)先流路徑隨著土體深度的增加變化不穩(wěn)定。

注：(1) 代表針闊混交林； (2) 代表楠竹林。

3.3　動植物活動對優(yōu)先流的影響

豐富的林地植被對大孔隙的形成以及穩(wěn)定性具有決定作用，枯落物、植物根系分泌物、土壤中大的塊石以及林地中植物細(xì)小的根系能夠固定周圍土體形成團(tuán)聚體，圖5a,5b顯示了植物根系在染色剖面縱橫交叉的情況，在染色區(qū)域穿插很多較大的植物根系，在試驗(yàn)過程中被亮藍(lán)染成藍(lán)色；圖5c說明了根系對亮藍(lán)的“通道”作用，圖5d說明了腐爛根系和裂隙也會成為水分下滲的優(yōu)先路徑。相比針闊混交林土壤染色區(qū)和未染色區(qū)的根系情況，在楠竹林中，木本植物根系較稀疏，而草本植物生長茂盛，雖然單個根系直徑遠(yuǎn)小于木本植物根系，但由于草本植物生長年限低于木本植物的生長年限，故而它具有龐大的數(shù)量，所以在大量的草本植物死亡后根系也會腐爛，形成大量細(xì)小的孔隙，對水分入滲起到至關(guān)重要的作用。而針闊混交林的草本植物較稀疏，主要為木本植物根系，根系生長以縱向生長為主，這為優(yōu)先流的發(fā)展提供了便利，其次植物根系和根系分泌物也是食根性動物和根系寄生生物的主要食物來源，根系的生長狀況會影響到這些土壤動物的數(shù)量，而這些動物的活動會改變其活動范圍內(nèi)的土壤養(yǎng)分進(jìn)而影響植物根系的生長。說明植物根系對亮藍(lán)下滲有一定的影響作用。

圖5　植物根系與亮藍(lán)染色關(guān)系

4結(jié) 論

(1) 通過分析兩林地不同剖面，不同深度處的染色路徑寬度，發(fā)現(xiàn)針闊混交林剖面染色路徑寬度呈“倒階梯型”的變化規(guī)律。在60 mm處染色路徑寬度出現(xiàn)下降拐點(diǎn)，在此深度以下，優(yōu)先流現(xiàn)象更加顯著。而楠竹林染色路徑寬度呈S形變化規(guī)律，路徑寬度曲線下降趨勢較混交林平緩，在50 mm深度處出現(xiàn)下降拐點(diǎn)，但是在60~210 mm范圍內(nèi)，曲線反彈現(xiàn)象較顯著，說明楠竹林土壤在此范圍內(nèi)，優(yōu)先流垂直過程減緩，而側(cè)向流現(xiàn)象明顯增強(qiáng)。

(2) 通過統(tǒng)計每1 mm深度范圍內(nèi)的染色路徑數(shù)量，發(fā)現(xiàn)兩種林地的染色路徑數(shù)量均隨著深度的增加而出現(xiàn)較大的波動，這說明無論混交林還是楠竹林，在不同深度處優(yōu)先流路徑數(shù)量相對不穩(wěn)定。楠竹林在30~210 mm范圍內(nèi)路徑數(shù)量反彈最劇烈，說明在此范圍內(nèi)分布著較多的優(yōu)先流路徑，其發(fā)育程度較高，與混交林相比，發(fā)生側(cè)向流的幾率較大。

(3) 植物根系、土壤動物活動和大的塊石形成的通道是土壤中優(yōu)先流的重要通道。從剖面染色情況可以看到，在200 mm以上的范圍內(nèi)，土體中分布著大量的植物活根和死亡腐爛根系，在有根系的部位亮藍(lán)染色較深，說明植物根系對水分及其溶質(zhì)的運(yùn)移有較大的影響。

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A Study on Characteristics of Preferential Flow Paths in Two Kinds of Forest Soil in Simian Mountains Using Dyeing Tracer Method

WEI Huwei1, CHENG Jinhua1, DU Shicai2, LI Huiqian2, XU Guilai1, ZHANG Xin1, TIAN Xiangjiao1

(1.SoilandWaterConservationofBeijingEngineeringResearchCenter，BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ChongqingForestryAdministriation,Chongqing401147,China)

Abstract：[Objective]The distribution characteristics of preferential flow path in the two kinds of forest soil were studied in order to provide a theoretical reference for some reseaches such as efficient utilization of soil water and improving plant growth environment. [Methods] Dyeing tracer method was used and dyed soil profiles where there was preferential flow way occurred were photographed for further process and analysis. [Results] The patterns of water infiltration in the two kinds of forest soil were different. Width and amount of staining paths were heterogeneous in different depths of a profile and different profiles at the same depth. (1) The dying path’s shape of soil under conifer-broadleaf forest looked like “inverted ladder”; (2) the shape under Phyllostachys pubescens land looked like a S-type. The width and the number of staining path in these two forests reduced gradually with the increase of soil depth. [Conclusion]It is concluded that preferential flow occurred in both of the forests, and its way unevenly decreased with the increase of soil depth. Plant roots at depth of 0—20 cm have a more remarkable influence on preferential flow germination as compared to the roots at other depths.

Keywords:preferential flow; dyeing tracer; stained path way width; number of stained path ways; process of prefenrential flow

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0193-05

中圖分類號：S153.3

通信作者：程金花(1979—),女(漢族),山東省東阿縣人,副教授,主要從事土壤侵蝕、植被恢復(fù)方面的研究。E-mail:Jinhua_chen@126.com。

收稿日期：2014-03-05修回日期：2014-03-19
資助項目：國家林業(yè)局推廣項目“三峽庫區(qū)低山丘陵區(qū)水土保持型植物群落建設(shè)技術(shù)”(2012-42); 國家自然科學(xué)基金項目(41271300;30900866)
第一作者：魏虎偉(1988—),男(漢族),甘肅省平?jīng)鍪腥?碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３帧-mail:tiannongrena@126.com。