戴正宇，孫冬林，沈歡，艾力夏提·庫(kù)爾班，辛穎

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

土壤優(yōu)先流是土壤中水分及溶質(zhì)運(yùn)移的一種方式，屬于非平衡流[1]，有大孔隙流、環(huán)繞流、指流以及管流等存在形式[2]。優(yōu)先路徑與優(yōu)先流相匹配，它是水分及其溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移的通道。優(yōu)先路徑是由土壤自身物理、化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致其干縮和膨脹形成的裂縫和孔隙，亦或是在動(dòng)植物生命活動(dòng)下形成的通道[3]。優(yōu)先路徑的存在可以加速土壤中水分及其溶質(zhì)的運(yùn)移速度，從而影響結(jié)構(gòu)性土壤的水分交換與補(bǔ)給能力[4]，進(jìn)而對(duì)地下水資源的評(píng)價(jià)等起到指導(dǎo)的作用[5]。土壤中水分的運(yùn)移過(guò)程一直是土壤學(xué)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[6]。影響優(yōu)先流的因素有很多，如土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)[7-8]、植物根系[9]、土壤動(dòng)物[10]和石塊[11]等。林木根系在土壤中占據(jù)重要地位，對(duì)土壤的理化性質(zhì)具有明顯的改良作用[12]，植物根系通過(guò)在土壤內(nèi)部形成巨大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成許多根系通道，進(jìn)而加速優(yōu)先流的進(jìn)程[13]。根長(zhǎng)密度和根系生物量是衡量林木根系的重要指標(biāo)，可以用來(lái)分析根系對(duì)優(yōu)先路徑的影響程度。分析根系與土壤優(yōu)先路徑之間的關(guān)系，有助于明確土壤水分運(yùn)移的規(guī)律。

落葉松(Larixgmelinii)人工林作為帽兒山阿什河流域典型的水源涵養(yǎng)林之一，具有很高的生態(tài)價(jià)值，尤其是在涵養(yǎng)水源方面[14-17]。但水分如何在林地土壤中快速運(yùn)移，受哪些因素影響還有待研究。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于落葉松林內(nèi)土壤優(yōu)先流的研究較為有限，僅有呂剛等[18]在遼寧省渾河源頭發(fā)現(xiàn)落葉松林內(nèi)存在有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生并與根系存在有密切的關(guān)系。本文以帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的落葉松人工林為研究對(duì)象，采用野外染色示蹤法，研究落葉松人工林根系對(duì)土壤優(yōu)先路徑的影響，以期促進(jìn)該地區(qū)水源涵養(yǎng)林涵養(yǎng)水源機(jī)理的研究，為水源涵養(yǎng)林的經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 材料與方法

研究地點(diǎn)位于黑龍江省尚志市帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(45°20′～45°25′N、127°30′～127°34′E)，林場(chǎng)占地26 496 hm2，地處松花江支流阿什河源頭，屬于長(zhǎng)白山系張廣才嶺西坡余脈，東西距離約20 km，南北大約30 km。地貌為低山丘陵，地勢(shì)由南向北升高，植被屬于長(zhǎng)白植被區(qū)系，平均坡度8～15 °。屬溫帶季風(fēng)氣候，平均溫度2～3 ℃。年降水量700～800 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 200 mm，年平均相對(duì)濕度70%。主要土壤類型為典型暗棕壤。帽兒山地區(qū)具有豐富的水資源，溝溪眾多。該區(qū)森林覆蓋率為70.2%，在歷史上該地原始植被遭受到重大破壞，后期經(jīng)過(guò)人工恢復(fù)，形成了目前以白樺林(Betulaplatyphylla)為主的天然次生林與落葉松、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和紅松(P.koraiensis)等人工林鑲嵌分布的森林景觀[19-21]。主要灌木植物有忍冬(Lonicerajaponica)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、鼠李(Rhamnusdavurica)、山葡萄(Vitisamurensis)，主要草本植物有細(xì)辛(Asarumheterotropoides)、木賊(Equisetumhyemale)、小玉竹(Polygonatumhumile)等。

2 研究方法

2.1 野外染色示蹤試驗(yàn)

2020年10月，在帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)老山試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行踏查，在具有代表性的落葉松人工林內(nèi)設(shè)置1個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地。落葉松人工林林分郁閉度為0.7，林分內(nèi)落葉松平均胸徑為25.85 cm，平均樹高為28.08 m。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)選擇3個(gè)與周圍喬木基本等距的試驗(yàn)點(diǎn)。

在不擾動(dòng)枯落物層下部土壤的情況下除去試驗(yàn)點(diǎn)頂部的枯枝落葉。將長(zhǎng)寬均為100 cm、高為60 cm的鐵框埋入土中50 cm，用橡膠錘將鐵框內(nèi)壁5 cm以內(nèi)的土壤夯實(shí)，防止示蹤劑的滲漏。采用模擬自動(dòng)降雨裝置將25 L 4.0 kg/m3的甲基藍(lán)溶液均勻噴灑在鐵框內(nèi)。然后用塑料布覆蓋于鐵框上，防止染色試驗(yàn)期間其它水分輸入。

2.2 染色圖像的獲取

試驗(yàn)24 h后取掉鐵框，去除四周受干擾的土壤，將其修成0.8 m×0.8 m的土壤剖面。將標(biāo)準(zhǔn)灰階比色卡放置在去除掉浮土的剖面旁，并用標(biāo)尺標(biāo)注剖面的長(zhǎng)度，控制光線用數(shù)碼相機(jī)(索尼α7)拍攝垂直染色剖面，重復(fù)拍3次，并標(biāo)記最大染色深度。以10 cm為土層深度單位，垂直向下挖掘土壤剖面，分別拍攝各層土壤水平剖面染色圖像。

2.3 根系的測(cè)定

在挖掘土壤染色剖面的過(guò)程中，收集各土層的全部根系并帶回實(shí)驗(yàn)室。將根系按照染色與未染色分開，清洗根系至表面的泥土全部洗凈，后將根系在遮陰處進(jìn)行晾曬。用游標(biāo)卡尺將染色與未染色的根系分為5個(gè)徑級(jí)(d<1 mm、1 mm 10 mm)。用WinRHIZO軟件測(cè)定根長(zhǎng)，計(jì)算根長(zhǎng)密度和各徑級(jí)根系的貢獻(xiàn)度。將根系置于85 ℃的烘箱中烘干12 h，稱重，計(jì)算根系生物量。

根長(zhǎng)密度計(jì)算公式[22]如下。

式中：qrl為根長(zhǎng)密度(m/m3)；Lr為某徑級(jí)根系長(zhǎng)度(m)；Vsoil為土壤體積(m3)。

根系生物量計(jì)算公式[22]如下。

式中：qrd為根系生物量(kg/m3)；Md為某徑級(jí)根系干質(zhì)量(kg)；Vsoil為土壤體積(m3)。

貢獻(xiàn)度是各徑級(jí)根系根長(zhǎng)密度占全部根長(zhǎng)密度的百分比[22]。

根系生物量染色百分比(%)=各徑級(jí)染色根系的生物量占總根系生物量的百分比。

2.4 圖像處理

將獲取的土壤剖面圖像用PS(Adobe Photoshop CS6)軟件進(jìn)行處理，調(diào)節(jié)亮度、飽和度，將圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，黑色代表染色區(qū)域，白色代表未染色區(qū)域[23-24]。之后利用ArcGIS(Arc Map10.4)軟件對(duì)土壤橫剖圖像進(jìn)行處理并計(jì)算染色面積：將圖像導(dǎo)入，通過(guò)重分類工具將圖像劃分為黑色至白色共5個(gè)顏色區(qū)段(每個(gè)區(qū)段顯示其界限值)。之后利用柵格計(jì)算器工具，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，并進(jìn)行染色面積百分比的計(jì)算[25]。

染色面積百分比作為描述優(yōu)先流的重要指標(biāo)，是土層中染色區(qū)域面積占該土層總面積的百分比，可以表示土層的染色分布狀況[26]。其計(jì)算公式如下。

式中：W為土壤染色面積比；S0為染色區(qū)染色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；S為剖面總像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤優(yōu)先流分布特征

土壤最大染色深度是土壤中水分及溶質(zhì)所能達(dá)到的最大入滲深度，它可以描述水分的運(yùn)移過(guò)程以及優(yōu)先流的空間形態(tài)特征[26]。

如圖1所示，黑龍江省東部山地落葉松人工林土壤存在明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，優(yōu)先路徑呈管狀和指狀，最大染色深度為34 cm。在0～2 cm土層中，土壤染色均勻，從>2 cm土層開始出現(xiàn)優(yōu)先路徑。在5～10 cm土層，由于落葉松粗根系的存在，在粗根系周圍有大量示蹤劑通過(guò)。在10～30 cm土層，優(yōu)先路徑明顯且具有良好的連通性，染色示蹤劑隨著優(yōu)先路徑垂直或彎曲地快速下移，此區(qū)域根系的大量存在促進(jìn)了優(yōu)先路徑的形成。

如圖2所示，落葉松人工林染色面積百分比隨土層深度的增加整體上表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。2 cm處染色面積比為78.41%，優(yōu)先流區(qū)大部分位于剖面的邊緣區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)可見大量根系以及根孔的存在；在剖面中間區(qū)域，可明顯觀察到粗大根系的存在，染色土壤主要分布在根系周圍。10 cm處土壤染色面積百分比為70.92%，比2 cm處下降7.49%，優(yōu)先流主要分布于左上及中右側(cè)區(qū)域，在此區(qū)域可見大徑級(jí)根系以及死根系的分布。20 cm處土壤染色面積比較上一層增加0.43%，優(yōu)先流主要分布于左下區(qū)域，該區(qū)域存在大徑級(jí)根系的孔洞，說(shuō)明大徑級(jí)根系促進(jìn)了此區(qū)域水分的下移。30 cm處土壤染色面積比下降6.75%，在此土層可見根系孔洞周圍的染色情況明顯強(qiáng)于其它染色區(qū)域。40 cm深處土壤與上一層相比染色面積比下降了28.25%，染色區(qū)域主要分布于邊緣區(qū)域，且在此土層根系含量少，存在部分石礫，在石礫周圍染色較深，說(shuō)明石礫對(duì)于優(yōu)先流的發(fā)生也具有一定的促進(jìn)作用。

落葉松人工林土壤優(yōu)先路徑交錯(cuò)存在于土壤之中，具有環(huán)繞和側(cè)向入滲的特征。

圖1 落葉松人工林土壤染色縱剖面Fig.1 Longitudinal section of soil staining in Larix gmelinii plantation

3.2 落葉松人工林根長(zhǎng)密度特征

由表1可知：落葉松人工林根長(zhǎng)密度隨土層深度的增加而降低。根系徑級(jí)從d<1 mm到d>10 mm的5個(gè)徑級(jí)的根系根長(zhǎng)密度在土壤剖面中的貢獻(xiàn)度變化依次為71.21%、24.01%、2.28%、1.90%、0.60%。

在2～10 cm土層中，分布著大量細(xì)根，隨著根系徑級(jí)的增大，根系總量在降低，d<1 mm的根系最多，其根長(zhǎng)密度高達(dá)3 298.100 m/m3，遠(yuǎn)大于其余四個(gè)徑級(jí)之和；d>10 mm的根系根長(zhǎng)密度最小，其根長(zhǎng)密度僅有7.188 m/m3；d<3 mm的根系占該土層總根長(zhǎng)密度的97.06%。d<1 mm到d>10 mm各徑級(jí)根系根長(zhǎng)密度在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為1.56、1.47、3.44、12.31、17.71。在10～20 cm土層中，總根長(zhǎng)密度是2～10 cm土層的41%；d>5 mm根系的染色區(qū)根長(zhǎng)密度大于未染色區(qū)；根長(zhǎng)密度在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為0.79、0.85、0.71、1.51、1.57。在20～30 cm土層中，不同徑級(jí)根系根長(zhǎng)密度隨徑級(jí)的增大而減少；根長(zhǎng)密度在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為0.50、0.57、1.34、3.27、0.73。30～40 cm土層根系根長(zhǎng)密度總量為140.048 m/m3，是上一層的18%，是第一層3%；d<1 mm與1 mm

圖2 落葉松人工林土壤染色橫剖面注：A.2 cm染色剖面土層,B.10 cm染色剖面土層,C.20 cm染色剖面土層,D.30 cm染色剖面土層,E.40 cm染色剖面土層Fig.2 Soil staining cross-section in L.gmelinii plantations

落葉松人工林根系分布于0～40 cm土層。d>3 mm的根長(zhǎng)密度在染色區(qū)基本上均大于未染色區(qū)，尤其是3～5 mm徑級(jí)的根系。這是因?yàn)槁淙~松人工林主根系主要分布于土壤0～30 cm土層，隨著土層深度的增加，根系逐漸減少[27]；根系的存在能夠有效改善土壤理化性質(zhì)，從而產(chǎn)生優(yōu)先路徑[12]。

表1 落葉松人工林根長(zhǎng)密度分布特征Tab.1 Characteristics of root length density distribution in L.gmelinii plantations m/m3

3.3 落葉松人工林根系生物量特征

由表2可知，10～20 cm土層落葉松人工林根系生物量最大，總量達(dá)到了3 789.115 g/m3，其次是2～10 cm土層，其生物量為3 116.276 g/m3，20～30 cm土層根系生物量為2 276.823 g/m3，30～40 cm土層根系生物量?jī)H為333.490 g/m3。

表2 落葉松人工林根系生物量特征Tab.2 Root biomass characteristics of Lari.gmelinii plantations g/m3

在2～10 cm土層中，生物量最大的是5～10 mm根系，生物量達(dá)到了1 110.872 g/m3，其次是3～5 mm根系，再次是大于10 mm根系；根系徑級(jí)在3 mm以上的根系生物量占該層總量的75.43%；此層中各徑級(jí)(由d<1 mm到d>10 mm,下同)根系生物量在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為1.59、1.57、1.70、3.38、29.56。10～20 cm土層中，根系生物量隨著徑級(jí)的增加而增加，徑級(jí)大于10 mm根系的生物量達(dá)到了1 564.740 g/m3；根系生物量在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為0.99、1.02、0.46、1.16、3.35。20～30 cm土層，大于10 mm根系的生物量最大，為1 003.490 g/m3；根系生物量在染色區(qū)與未染色區(qū)的比值為0.66、0.83、1.18、1.50、0.35。30～40 cm土層，徑級(jí)大于10 mm的根系生物量最大，達(dá)到了229.844 g/m3；d<1 mm與1

落葉松人工林的根系生物量主要分布于0～30 cm土層之中，各土層根系生物量隨徑級(jí)增加大致呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，d>5 mm根系的生物量均占各土層總生物量的50%以上，這是因?yàn)槁淙~松對(duì)生物量的分配是粗根大于細(xì)根[28]。從整個(gè)土層來(lái)看，根系生物量在染色區(qū)的分布隨著土層深度的增加逐漸小于未染色區(qū)。這可能是因?yàn)楦悼偭康臏p少、土壤容重的增加，導(dǎo)致土壤孔隙度的降低[29-30]，而優(yōu)先路徑的數(shù)量可能也因此減少。

3.4 根系生物量染色百分比

各徑級(jí)在不同土層下的根系生物量染色百分比分布見圖3。

圖3 根系生物量染色百分比的分布特征Fig.3 Percentage distribution of root biomass staining

圖3中實(shí)心點(diǎn)代表染色百分比大于50%，空心點(diǎn)則代表染色百分比小于50%。在2～40 cm土層范圍內(nèi)，落葉松人工林根系生物量染色百分比大于50%所占比例為50%，多分布于2～20 cm土層，尤其是2～10 cm土層，在此土層所有徑級(jí)的根系生物量染色百分比均大于50%，說(shuō)明優(yōu)先路徑出現(xiàn)在根系生物量較大區(qū)域的可能性更大，且d>3 mm的根系其生物量對(duì)于優(yōu)先路徑的產(chǎn)生影響更大。根系生物量染色百分比隨土層深度的增加而減少，可能是因?yàn)樵?30 cm的土層中，土壤容重的增加、根系與土壤孔隙度的減少等因素造成的[27,29]。

3.5 根系特征與土壤優(yōu)先路徑的關(guān)系

對(duì)染色根長(zhǎng)密度、染色根系生物量、總根長(zhǎng)密度以及總根系生物量同染色面積的百分比進(jìn)行Person分析，結(jié)果(表3)表明：落葉松人工林根系特征同土壤優(yōu)先路徑聯(lián)系密切。

d>1 mm根系的染色根長(zhǎng)密度與染色根系生物量同染色面積百分比相關(guān)性較好，其中d>10 mm的染色根長(zhǎng)密度同染色面積百分比的相關(guān)性最強(qiáng)，3 mm10 mm的總根長(zhǎng)密度與總根系生物量同染色面積百分比的相關(guān)性較差。說(shuō)明5 mm

表3 根系指標(biāo)與染色面積百分比相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between root system indicators and percentage of stained area

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

根系是植物吸收利用土壤中的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工具。根系的生命活動(dòng)可以有效地改善土壤的物理性質(zhì)，特別是影響土壤孔隙度以及團(tuán)聚體的形成[31]。根系的存在使得土壤容重變低[31-32]，產(chǎn)生的土壤孔隙變多，甚至是產(chǎn)生土壤孔洞，土壤水分與溶質(zhì)地快速運(yùn)移正是通過(guò)這些孔洞來(lái)完成的[33]，土壤孔洞有助于提高土壤水分下滲，從而加強(qiáng)林地涵養(yǎng)水源的能力，避免水土流失[34-36]。在本研究中，落葉松人工林的根系在土壤中主要分布于土壤0～30 cm土層中，在30～40 cm層中根系含量較少，且根長(zhǎng)密度和根系生物量大體上隨土層深度的增加而減少，這與Lipiec等[37]、Mosaddeghi等[38]和 Bonger等[39]的研究結(jié)果相同。落葉松人工林存在明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，主要以管流和指流的形式存在，具有側(cè)向入滲與環(huán)繞的特征。在0～30 cm土層，土壤優(yōu)先流顯著區(qū)域均有根系的分布，這與Bengough[40]的研究結(jié)果(水分和溶質(zhì)在根系附近出現(xiàn)的概率大)相符，同張英虎等[41]在北京鷲峰國(guó)家森林公園的研究結(jié)果相一致。這是因?yàn)楦荡罅糠植加诖送寥郎疃确秶鷥?nèi)，落葉松人工林d<3 mm的細(xì)根系在此深度范圍內(nèi)中均占根系總量的90%以上，細(xì)根系具有強(qiáng)大的周轉(zhuǎn)率，在死亡后更容易形成優(yōu)先路徑，促進(jìn)優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生[25,42]。在30～40 cm土層中石礫含量增加，對(duì)于土壤優(yōu)先流也有著一定的促進(jìn)作用[43]。本研究顯示，染色面積百分比隨土層深度增加整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在深度>30 cm之后，染色面積百分比顯著降低，分析原因可能是因?yàn)樯顚油寥廊葜卦龃?，染色劑與根系的含量大幅減少，導(dǎo)致染色面積百分比的降低，這與王趙男等[44]研究結(jié)果相同，與邵一敏等[45]的研究結(jié)果略有出入，分析原因可能是黑龍江東部山地同金沙江干熱河谷區(qū)的地形、土壤以及植被等因素不同所導(dǎo)致。

本研究對(duì)落葉松人工林土壤優(yōu)先流的研究?jī)H限于根系特征，還有很多的影響因素能夠?qū)?yōu)先流產(chǎn)生影響，例如石塊，土壤結(jié)構(gòu)，土壤化學(xué)性質(zhì)以及外界干擾等，在今后的研究中，應(yīng)結(jié)合多種因素開展綜合分析。

4.2 結(jié)論

黑龍江省東部山地落葉松人工林土壤存在明顯優(yōu)先流現(xiàn)象，最大染色深度為34 cm，主要以指流和管流為主，具有側(cè)向入滲和環(huán)繞的特征，根系的大量存在促進(jìn)了優(yōu)先路徑的形成。落葉松人工林根系主要分布于0～40 cm土層中，根長(zhǎng)密度隨土層深度的增加而減少，d<3 mm根長(zhǎng)密度的貢獻(xiàn)度高達(dá)95.22%。落葉松人工林總根系生物量為9 515.704 g/m3，根系生物量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中10～20 cm土層根系生物量總量高達(dá)3 789.115 g/m3。優(yōu)先路徑出現(xiàn)在根系生物量較大區(qū)域的可能性更大，d>3 mm的根系生物量對(duì)于優(yōu)先路徑的產(chǎn)生影響更大。落葉松人工林1～10 mm根系的根長(zhǎng)密度與根系生物量對(duì)于優(yōu)先路徑的產(chǎn)生具有一定的促進(jìn)作用，尤其是3～5 mm徑級(jí)的根系對(duì)于優(yōu)先路徑的產(chǎn)生影響最大。