牛鳳嬌,潘成忠,*,崔永生,鄒春蕾,張國(guó)棟,馬勇星

1 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875

2 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站,北京 100083

降雨入滲是黃土高原地區(qū)土壤水分補(bǔ)給的主要來(lái)源[1—2]。土壤入滲補(bǔ)給主要存在基質(zhì)流和優(yōu)先流兩種形式,水分和溶質(zhì)在土壤中層層緩慢推進(jìn)、濕潤(rùn)鋒均勻下移的水分運(yùn)動(dòng)形式為基質(zhì)流[3];水分繞過(guò)大部分土壤基質(zhì),通過(guò)大孔隙縱向或橫向快速運(yùn)移的水分運(yùn)動(dòng)形式為優(yōu)先流。優(yōu)先流是土壤從均質(zhì)走向非均質(zhì)的標(biāo)志[4],通過(guò)調(diào)節(jié)入滲、產(chǎn)流、侵蝕、地下水補(bǔ)給等過(guò)程影響土地的退化[5—6]。

自1999年我國(guó)大范圍實(shí)施了退耕還林還草工程,黃土高原地區(qū)植被覆蓋度明顯增加[7—8]。植被恢復(fù)在有效控制土壤侵蝕、改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí),亦導(dǎo)致了一些生態(tài)問(wèn)題,如部分區(qū)域出現(xiàn)了土壤干層[9]、河川徑流減少[10]等。此外,小流域徑流觀(guān)測(cè)分析表明,植被恢復(fù)可顯著削減洪峰流量,并改變降雨徑流過(guò)程[11]。然而,植被恢復(fù)對(duì)坡面或流域尺度上的降雨入滲產(chǎn)流的作用機(jī)制仍不明晰,難以有效支撐該區(qū)的流域高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護(hù)[12]。

不同土地利用類(lèi)型下植物根系在土壤中的生長(zhǎng)延伸和生死更迭,枯落物分解等改變了土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤特性(如含水率、容重、孔隙度等)的改變,進(jìn)而影響土壤的入滲產(chǎn)流過(guò)程和水分運(yùn)動(dòng)[13—16]。研究表明,不同土地利用類(lèi)型下的入滲速率由大到小依次為林地>灌木>草地>農(nóng)田[17]。染色示蹤法是觀(guān)測(cè)原位土壤優(yōu)先流入滲通路的常用方法,結(jié)合圖像分析技術(shù)可定量揭示優(yōu)先流路徑數(shù)量、寬度和對(duì)總?cè)霛B的貢獻(xiàn)等[18—19]。研究表明優(yōu)先流現(xiàn)象在林地更容易發(fā)生,草地和農(nóng)田的優(yōu)先流多出現(xiàn)在表層[20]。根系周邊非均質(zhì)界面可以使水分以較快的速度向下運(yùn)動(dòng),對(duì)優(yōu)先流入滲有一定的促進(jìn)作用[21—22]。現(xiàn)有研究多集中于對(duì)優(yōu)先流發(fā)育程度的評(píng)估,缺少對(duì)基質(zhì)流、優(yōu)先流入滲貢獻(xiàn)的定量區(qū)分。隨著退耕還林工程的實(shí)施,林齡多樣化所帶來(lái)的差異也逐漸被研究者考慮。部分研究認(rèn)為隨著林齡的增長(zhǎng)土壤滲透性減弱[23],而優(yōu)先流的發(fā)育程度出現(xiàn)波動(dòng)[24],需進(jìn)一步探索其影響機(jī)制。進(jìn)一步將降雨-入滲-產(chǎn)流機(jī)制研究與基質(zhì)流、優(yōu)先流過(guò)程定量分析結(jié)合,探究不同土地利用類(lèi)型及林齡下入滲產(chǎn)流模式和優(yōu)先流分布,可為黃土區(qū)河道徑流減少及土壤干層等問(wèn)題提供可能性理論依據(jù)。

本研究以山西省吉縣蔡家川流域幾種典型土地利用類(lèi)型坡面為研究對(duì)象,采用野外模擬降雨和染色示蹤相結(jié)合的方法,開(kāi)展不同林齡刺槐人工林、草地和休耕地的降雨-入滲-產(chǎn)流和土壤水分運(yùn)動(dòng)研究,分析不同樣地的降雨入滲產(chǎn)流模式和優(yōu)先流發(fā)育過(guò)程,并量化優(yōu)先流、基質(zhì)流入滲貢獻(xiàn)和影響機(jī)制,進(jìn)而為黃土區(qū)的生態(tài)保護(hù)和植被建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域,地理坐標(biāo)為110°39′45″—110°47′45″E,36°14′27″—36°18′23″N,海拔高度為900—1513m,地處黃土高原東南部,土層深厚,土質(zhì)為褐土,屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū),為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。該區(qū)多年平均降水量491mm,潛在蒸散量1729mm,年均氣溫10.2℃,日照時(shí)數(shù)約2563h。該區(qū)域在1991年和2001年先后經(jīng)過(guò)兩次大規(guī)模植樹(shù)造林,主要土地利用類(lèi)型有林地、農(nóng)地、荒草地、果園等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1樣地選擇

為評(píng)估土地利用類(lèi)型對(duì)降雨入滲的影響機(jī)制,選取地形條件相近的4種典型坡面開(kāi)展模擬降雨試驗(yàn),分別為休耕地(對(duì)照)、20年和30年刺槐人工林地以及自然草地,林、草地均設(shè)3個(gè)重復(fù)徑流小區(qū)。模擬降雨徑流小區(qū)尺寸均為長(zhǎng)×寬=1m×1m,坡度為15°左右。徑流小區(qū)采用石棉瓦板圍成,石棉瓦板埋入土中20cm,板兩側(cè)用細(xì)土填實(shí),以避免水流隨石棉瓦板內(nèi)壁下滲。徑流小區(qū)地表出口安裝徑流收集裝置,在根系較密集的地表20cm和50cm處平行安裝2個(gè)壤中流導(dǎo)流槽。在模擬降雨前,人為去除地表枯落物和植被,并適當(dāng)平整下墊面使其基本順直,以避免地面不平整導(dǎo)致的局部填洼或入滲不均等現(xiàn)象發(fā)生。

試驗(yàn)開(kāi)始前,選取試驗(yàn)場(chǎng)地鄰近區(qū)域取樣測(cè)定土壤性質(zhì),包括初始含水率、容重、總孔隙度、飽和導(dǎo)水率和粒徑。每個(gè)樣點(diǎn)在0—1m的土層每隔10cm采鋁盒和環(huán)刀土樣,每層3個(gè)重復(fù)。采用烘干法測(cè)量土壤初始含水率(105℃,24h);馬爾文Mastersizer2000激光掃描儀測(cè)量粘粒(<0.002mm)、粉粒(0.002—0.05mm)和沙粒(0.05—2mm)含量;環(huán)刀法測(cè)量土壤容重和總孔隙度;恒定水頭法測(cè)量飽和導(dǎo)水率。試驗(yàn)樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況調(diào)查T(mén)able 1 Basic information questionnaire for sample plots

1.2.2試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用長(zhǎng)、寬、高=1.2m×1.2m×1.5m的針頭式人工降雨器(圖1),針頭直徑0.55mm,針孔均勻分布,降雨用水為4g/L的亮藍(lán)溶液。在降雨過(guò)程中保持降雨器內(nèi)水位不變,標(biāo)定雨強(qiáng)30mm/h,降雨均勻系數(shù)大于0.80。相較于直接澆灌或噴灑染色劑的示蹤試驗(yàn),其優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)結(jié)果能夠更好地反映自然情況,同時(shí)能反映坡面產(chǎn)流情況。

圖1 試驗(yàn)布設(shè)Fig.1 Experimental device plan

人工降雨試驗(yàn)于2021年7—9月選擇連續(xù)晴朗天氣開(kāi)展,每次降雨持續(xù)3h,降雨量為90mm。降雨24h后開(kāi)展下一場(chǎng)降雨,連續(xù)3場(chǎng)降雨在72h內(nèi)完成,總降雨量為270mm。降雨過(guò)程中采用集雨桶每10min收集一次地表和壤中流徑流量,并用量筒量取其體積。同時(shí)用便攜式土壤濕度傳感器(IMKO PICO-64)測(cè)量1m×1m垂直剖面土壤含水率,每10cm為一層,每層水平均勻測(cè)量10個(gè)數(shù)值。每天降雨結(jié)束后,用塑料布覆蓋小區(qū)表層及剖面,以減少水分蒸發(fā)的影響。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)3次降雨全部完成24h后,在其坡中部位垂直開(kāi)挖1m×1m的垂向剖面。在剖面周?chē)胖娩X合金硬質(zhì)不變形框,用于后期圖像處理的幾何校正和標(biāo)準(zhǔn)化處理。在遮光的條件下用相機(jī)對(duì)染色剖面進(jìn)行拍照記錄。同時(shí)將剖面劃分為10cm×10cm的網(wǎng)格(圖1),取土樣測(cè)土壤含水率和根系生物量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1圖像處理

染色圖像的處理分為幾何校正、白平衡校正、色彩校正、參數(shù)計(jì)算等步驟。運(yùn)用Adobe Photoshop CS對(duì)染色剖面照片進(jìn)行幾何校正,調(diào)整圖像大小、亮度、明度、閾值等。應(yīng)用MATLAB建立矩陣并賦值,繪制染色占比隨土層深度變化圖。用Excel計(jì)算土壤及根系參數(shù)、分層入滲量及基質(zhì)流、優(yōu)先流貢獻(xiàn)率,用Origin繪制成圖。土壤水分運(yùn)動(dòng)等值線(xiàn)圖運(yùn)用Surfer根據(jù)克里金差值法繪制。

1.3.2數(shù)據(jù)處理

本研究將染色占比小于80%的區(qū)域界定為優(yōu)先流區(qū),其他區(qū)域?yàn)榛|(zhì)流區(qū)[6]。為排除邊界區(qū)域?qū)θ霛B的影響,選取小區(qū)中間作為基質(zhì)流和優(yōu)先流的分析區(qū)域。

優(yōu)先流分?jǐn)?shù)(PF-fr)[25]采用式(1)計(jì)算:

(1)

其中,UniFr是均勻入滲深度(cm),即染色區(qū)基質(zhì)流深度(下文簡(jiǎn)稱(chēng)基質(zhì)流深度),按照染色區(qū)域覆蓋率的值等于80%的入滲深度計(jì)算;W是剖面寬度(cm);TSA是總的剖面染色面積(cm2),在本試驗(yàn)中為最大染色深度對(duì)應(yīng)的剖面面積。

優(yōu)先流入滲體積[6](PIV)及其對(duì)總?cè)霛B體積(TIV)的貢獻(xiàn)分別采用式(2)和(4)計(jì)算:

(2)

其中,ID表示入滲深度(cm),Vi、Vj表示第i、j土層的入滲量(mm)。

(3)

其中,θtu是降雨后土壤含水率(%);θiu是初始土壤含水率(%);u表示土壤樣本序列的寬度,在本試驗(yàn)中為6;d表示該層土壤的容重(g/cm3);Vs表示樣本土壤體積(cm3)

優(yōu)先流對(duì)總?cè)霛B的貢獻(xiàn)[6]計(jì)算:

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類(lèi)型下土壤和根系特征

考慮到不同土地利用類(lèi)型及黃土區(qū)土壤均質(zhì)的特性,每種類(lèi)型選取了典型小區(qū)進(jìn)行土壤及根系特性測(cè)定(圖2)。土壤初始含水率表現(xiàn)為草地和休耕地>20年刺槐林地>30年刺槐林地。容重表現(xiàn)為草地>休耕地>20年刺槐林地>30年刺槐林地,其中0—30cm土層均呈增大趨勢(shì),30—50cm土層逐漸減小并趨于平穩(wěn),總孔隙度變化趨勢(shì)與之相反,0—10cm土層較疏松。飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為20年刺槐林地>30年刺槐林地>草地>休耕地,其中0—10cm土層飽和導(dǎo)水率較大,10cm以下減小并趨于穩(wěn)定。粒徑均表現(xiàn)為砂粒占比最大,占50%—60%,粉粒次之,占40%左右。0—10cm土層,草地和休耕地砂粒含量>刺槐林地,10—100cm土層,刺槐林地>草地和休耕地。

圖2 土壤性質(zhì)及根系分布指標(biāo)Fig.2 Soil properties and root distribution indicatorsd:根系生物量徑級(jí)

4種用地類(lèi)型根系分布存在較大差異,休耕地幾乎沒(méi)有根系,根系生物量徑級(jí)d<1mm和1mm30年刺槐林地>草地,徑級(jí)2mm5mm均表現(xiàn)為30年刺槐林地>20年刺槐林地>草地;20年刺槐林地<2mm細(xì)根占比較大,30年刺槐林地>2mm粗根占比較大,且30年刺槐林地在50cm土層以下根系分布比20年刺槐林地及草地更為豐富。

2.2 不同土地利用類(lèi)型下降雨-入滲分析

2.2.1優(yōu)先流分布

刺槐林地、草地、休耕地的土壤優(yōu)先流染色深度具有較大的差異,最大染色深度由深到淺依次為48cm(20年刺槐林地)、28cm(30年刺槐林地)、20cm(草地)、14cm(休耕地)(圖3)。20年刺槐林地在0—25cm土層染色分布均勻,25—48cm土層出現(xiàn)染色深度不同的分支;30年刺槐林地在0—10cm土層染色分布均勻,10—28cm土層出現(xiàn)染色深度不同的分支;草地在0—5cm土層染色分布均勻,5—20cm土層出現(xiàn)染色深度不同的分支;而休耕地整體在0—14cm范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出比較均勻的染色狀態(tài)。

圖3 土壤剖面的染色垂向分布Fig.3 The vertical distribution of the dyed soil

20年和30年刺槐林地染色比較均勻,說(shuō)明在刺槐林地垂直方向的大孔隙流入滲占主導(dǎo),而草地染色不均勻說(shuō)明多方向的大孔隙流和側(cè)向流所占比例較高,這與Mei等[6]人的研究相符。對(duì)比剖面染色圖中染色下邊緣線(xiàn)可以看出,休耕地的下邊緣線(xiàn)更加平滑,而草地、刺槐林地的下邊緣線(xiàn)有多個(gè)峰值出現(xiàn),且林地優(yōu)先流入滲深度明顯大于草地和休耕地,說(shuō)明根系會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先流入滲通道,促進(jìn)優(yōu)先流入滲,使其出現(xiàn)峰值,而在沒(méi)有根系的情況下入滲深度基本一致且比較均勻。

4種用地類(lèi)型染色面積占比均隨著土層深度的增加而減小,直至在染色最深處減小為0(圖4)。對(duì)于最大染色深度、基質(zhì)流深度、染色面積占比和優(yōu)先流入滲貢獻(xiàn),均表現(xiàn)為20年刺槐林地>30年刺槐林地>草地>休耕地;對(duì)于優(yōu)先流分?jǐn)?shù)和優(yōu)先流入滲量,表現(xiàn)為30年刺槐林地>20年刺槐林地>草地>休耕地(表2)。優(yōu)先流特征因子整體表現(xiàn)為林地>草地>休耕地,其可能與林地枯落物分解和根系有關(guān)。休耕地優(yōu)先流程度最小,其土層均質(zhì)且無(wú)根系。而草地的根系主要分布在0—20cm土層,故其土壤染色深度較淺,優(yōu)先流發(fā)育不充分。刺槐林地優(yōu)先流對(duì)總?cè)霛B量的貢獻(xiàn)是草地和休耕地的2.5—4.5倍,其中20年刺槐林地優(yōu)先流現(xiàn)象比30年刺槐林地更為明顯,其原因可能在于前者<2mm的細(xì)根占比更大,而>2mm的粗根占比略小,研究認(rèn)為細(xì)根對(duì)優(yōu)先流的貢獻(xiàn)作用更強(qiáng)[26—27]。

圖4 染色占比隨土層深度變化Fig.4 The variation with soil depth in dye area coverage

表2 幾種土地利用類(lèi)型的優(yōu)先流特征參數(shù)Table.2 Preferential flow characteristics for the typical land uses

2.2.2基質(zhì)流與優(yōu)先流對(duì)入滲的貢獻(xiàn)

4種樣地類(lèi)型均表現(xiàn)為雨后土壤含水率較雨前發(fā)生了明顯的增長(zhǎng)(圖5)。20年和30年刺槐林地土壤含水率變化較大,累計(jì)變化量均值達(dá)68.16%,草地和休耕地的變化較小,累計(jì)變化量均值僅有48.43%。降雨對(duì)林地土壤水分的補(bǔ)給效果好于草地和休耕地。

圖5 不同土層基質(zhì)流和優(yōu)先流入滲貢獻(xiàn)Fig.5 The contributions of matrix and preferential flows to total infiltration amount for different soil layers

4種樣地類(lèi)型均整體以均勻的基質(zhì)流為主,優(yōu)先流為輔(圖5)。20年刺槐林地優(yōu)先流主要集中于30—40cm土層,占該層總?cè)霛B量的29.2%;30年刺槐林地優(yōu)先流在10—20cm、20—30cm兩個(gè)土層均有一定分布,占比分別為17.1%和10.7%;草地和休耕地在10—20cm土層出現(xiàn)優(yōu)先流,占比分別為17.0%和7.3%。4種用地類(lèi)型降雨入滲主要補(bǔ)給均在60—70cm以上土層,20年和30年刺槐林地優(yōu)先流分布范圍及占比均大于草地和休耕地,優(yōu)先流現(xiàn)象更為明顯,與上述對(duì)優(yōu)先流特征因子的計(jì)算分析結(jié)果相符。整體上基質(zhì)流占比較高,優(yōu)先流單層占比均低于30%,甚至在休耕地低于10%。因此晉西黃土區(qū)的入滲模式以基質(zhì)流入滲為主,但林地可能會(huì)增加優(yōu)先流的入滲比重。

2.3 不同土地利用類(lèi)型下土壤水分運(yùn)動(dòng)特征

降雨結(jié)束24h后20年刺槐林地0—50cm土層土壤含水率在垂向上差異不大,在20%—24%之間,50cm土層土壤水分開(kāi)始發(fā)生明顯變化,由20%降至8%;30年刺槐林地0—30cm土壤含水率在20%—28%之間,30cm土層土壤水分開(kāi)始發(fā)生明顯變化;草地0—50cm土壤含水率在21%—23%之間,休耕地0—50cm土壤含水率在21%—25%之間,土壤水分發(fā)生明顯變化的土層均為50cm(圖6)。

圖6 典型土地利用下降雨結(jié)束24h剖面土壤水分等值線(xiàn)Fig.6 The contours of soil moisture at 24 hours after rainfall for the typical land uses

20年和30年刺槐林地土壤水分開(kāi)始明顯變化的土層深度與優(yōu)先流入滲深度基本一致。說(shuō)明刺槐林地優(yōu)先流對(duì)水分運(yùn)移可能具有促進(jìn)作用,大孔隙優(yōu)先流入滲對(duì)土壤水分條件的改善具有重要意義。這與Jiang等[28]的研究相一致,其認(rèn)為從剖面土壤水分分布的水分驟變土層能夠更準(zhǔn)確地反映優(yōu)先流入滲深度。但在本研究中草地和休耕地的研究結(jié)果與之不符,其水分發(fā)生明顯變化的土層深度大于優(yōu)先流入滲深度。這可能是由于該類(lèi)型小區(qū)大孔隙優(yōu)先流比重很小,難以在剖面水分變化中體現(xiàn)。

20年刺槐林地和休耕地2種典型土壤剖面降雨前后的水分變化情況見(jiàn)圖7,第2次降雨對(duì)剖面土壤水分的補(bǔ)給比較接近,均集中于0—30cm土層,且土壤含水率的增大幅度接近,說(shuō)明前期降雨總體上均勻補(bǔ)給地表土壤水分。第3次降雨前后的土壤水分變化說(shuō)明,后期降雨繼續(xù)增加下層土壤水分,但刺槐林地土壤水分的補(bǔ)給集中于30—50cm土層,且相對(duì)均勻,而休耕地土壤水分增量在30—60cm土層存在明顯的空間變異性,且主要補(bǔ)給土層仍在表層。

圖7 降雨過(guò)程中的土壤水分變化Fig.7 The dynamics in soil water content among three rainfalls

2.4 不同土地利用類(lèi)型下降雨-產(chǎn)流過(guò)程分析

產(chǎn)流是降雨和入滲過(guò)程的表現(xiàn)形式[1]。在連續(xù)3天總降雨量為270mm(次降雨量90mm)條件下,4種樣地均未產(chǎn)生壤中流。初次降雨僅休耕地和1個(gè)草地小區(qū)未產(chǎn)生地表徑流,其它小區(qū)均有地表徑流產(chǎn)生(表3)。第2、3次降雨刺槐林地徑流系數(shù)總體上小于草地和休耕地。20年刺槐林地徑流系數(shù)最小,且徑流系數(shù)與前期土壤含水率無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。而草地和休耕地徑流系數(shù)隨前期土壤含水率的增加而增大。導(dǎo)致20年刺槐林地地表徑流與前期含水量關(guān)系不明顯的原因可能是,受到降雨針頭堵塞影響,第2、3次降雨量可能有所不足,且刺槐林枯落物分解、根系等顯著改變了土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了土壤滲透性[23,29—30]。與20年刺槐林地相比,30年刺槐林地徑流系數(shù)與前期土壤含水率呈正相關(guān),但相關(guān)性較草地和休耕地更弱。隨著生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng),30年刺槐林地粗根含量增加,而粗根系在一定程度上會(huì)破壞孔隙在垂直方向上的連通性,阻礙入滲[31—32]。休耕地和草地-3在第1次降雨條件下未產(chǎn)流,這可能主要與樣地表層土壤(0—10cm)較高的砂粒含量有關(guān),已有研究表明砂粒含量與入滲量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[33]。

表3 降雨入滲產(chǎn)流情況Table 3 Rainfall infiltration runoff

2.5 根土參數(shù)對(duì)入滲的影響分析

不同土地利用類(lèi)型下降雨入滲整體以基質(zhì)流入滲為主,但入滲量、基質(zhì)流和優(yōu)先流分布及貢獻(xiàn)存在明顯差異,入滲量和優(yōu)先流發(fā)育程度均表現(xiàn)為刺槐林地>草地>休耕地,而20年刺槐林地較30年刺槐林地入滲能力更強(qiáng)。研究表明,上述差異主要受到土壤性質(zhì)和根系分布的影響[13—14,27]。為進(jìn)一步探討不同根土參數(shù)對(duì)入滲的影響,判定促進(jìn)作用最優(yōu)的根系徑級(jí),針對(duì)根系相對(duì)密集的0—50cm土層,分別計(jì)算分層土壤和根系參數(shù)與總?cè)霛B量、基質(zhì)流入滲量和優(yōu)先流入滲量的相關(guān)性(表4)?？傮w上,土壤初始含水率、粘粒含量與入滲量和基質(zhì)流入滲量呈顯著負(fù)相關(guān),土壤容重與優(yōu)先流入滲量呈顯著負(fù)相關(guān),總孔隙度與優(yōu)先流入滲量呈顯著正相關(guān)。較高的初始含水率、容重和粘粒含量會(huì)抑制入滲和優(yōu)先流的發(fā)生,這一結(jié)果與Wu和Hardie等人[34—35]的研究相符。不同根系徑級(jí)對(duì)入滲的作用存在差異,d<2mm的細(xì)根對(duì)入滲量、基質(zhì)流量及優(yōu)先流量均具有明顯的促進(jìn)作用,其中d<1mm時(shí)促進(jìn)作用更強(qiáng);當(dāng)d>5mm時(shí)根系與入滲量和基質(zhì)流入滲量呈顯著負(fù)相關(guān),其原因可能為隨著粗根占比的增加,根系會(huì)堵塞土壤原有孔隙,尤其橫向伸長(zhǎng)的根系,破壞孔隙的縱向連通性,從而阻礙入滲[31—32]。

表4 入滲特征與土壤根系參數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between infiltration characteristic and Soil root parameter

3 結(jié)論

本文針對(duì)晉西黃土區(qū)蔡家川流域典型下墊面開(kāi)展模擬降雨試驗(yàn),觀(guān)測(cè)坡面入滲產(chǎn)流過(guò)程,并結(jié)合染色示蹤和圖像處理軟件技術(shù),分析土地利用類(lèi)型對(duì)降雨入滲產(chǎn)流模式和優(yōu)先流分布的影響,得到以下主要結(jié)論:

(1)4種樣地類(lèi)型均整體以基質(zhì)流入滲為主,優(yōu)先流入滲為輔,優(yōu)先流貢獻(xiàn)均不超過(guò)10%。累積入滲量和優(yōu)先流發(fā)育程度均表現(xiàn)為刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地優(yōu)先流對(duì)總?cè)霛B的貢獻(xiàn)是草地和休耕地的2.5—4.5倍。

(2)4種用地類(lèi)型降雨入滲主要補(bǔ)給地表60—70cm土層,前期降雨均勻增加表層土壤含水率,而后期降雨補(bǔ)給深層土壤水分的空間變異性顯著增強(qiáng)。

(3)細(xì)根對(duì)入滲和優(yōu)先流有一定的促進(jìn)作用,直徑d<1mm時(shí)促進(jìn)作用最強(qiáng),根系生長(zhǎng)到一定徑級(jí)會(huì)阻礙入滲,d>5mm的粗根與入滲量和基質(zhì)流量呈顯著負(fù)相關(guān)。較高的初始含水率、容重和粘粒含量會(huì)抑制入滲和優(yōu)先流的發(fā)生。

(4)刺槐林地產(chǎn)流量及徑流系數(shù)均顯著小于草地和休耕地,且前期含水量對(duì)20年刺槐林地的影響較小,而顯著影響草地和休耕地徑流系數(shù)。目前晉西黃土區(qū)人工林地產(chǎn)流量顯著小于草地和休耕地,這可能是造成黃土區(qū)河道徑流減少的重要原因之一。

致謝:山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站提供試驗(yàn)條件,特此致謝。