鹫峰国家森林公园不同林分下土壤优先流现象研究

肖自幸，朱蔚利，牛健植，邵文伟，张由松

（水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

优先流是土壤中一种常见的水分和溶质运移形式，是土壤水研究从均质走向异质领域的标志[1-2]。关于优先流的定义，普遍认为是“水或溶液沿着土壤中的某种路径运动，同时绕过土壤的多孔基质”[3-5]的一种土壤水分运动，具有空间和时间上的异质性。在下渗过程中，水分和溶质可以通过优先路径快速运移，减少与土壤基质的接触时间而不易被吸附，能快速到达土壤下层或地下水层。水流的快速运动，对自然降雨条件下的土壤水的入渗产生重要影响。

染色法是野外观测土壤优先流经常采用的一种方法，对于不同的研究目的，所选用的示踪剂也不尽相同。盛丰、王康等[6]运用碘和淀粉的显色反应原理研究田间尺度下不同渗水量深度的土壤优先流现象；牛健植等[7]运用黑墨水对贡嘎山暗针叶林生态系统土壤优先流进行了初步研究；Gish等[8]利用亮蓝研究了免耕条件下水流运动的通道及其影响因素；程竹华[9]等利用亮蓝染色实验研究优势流形成状况与土壤类型、土壤初始含水量的关系；陈凤琴、石辉[10]运用亮蓝对岷江上游不同植被和海拔高度等因素影响下的土壤优势流现象进行了研究。

鹫峰国家森林公园属于典型的华北土石山区，在自然降雨条件下易产生坡面径流和深层入渗，可能引发局部山体滑坡或土石坍塌等危害。而目前国内关于土石山区土壤中优先流的研究较少，本文以位于北京西北郊的鹫峰森林公园不同林分下的土壤为对象，利用亮蓝进行染色示踪，以期为初步认识该地区土壤的优势流提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于北京市西北郊，北京林业大学实验林场—鹫峰国家森林公园，东经116°28′，北纬39°54′，总面积 811.173 hm2，园内最高海拔为 1 153 m。为华北暖温带半湿润半干旱大陆性气候，年平均气温12.2℃，年平均降雨量700 mm，多集中在7～9月份。土壤类型：海拔700 m以下为山地淋溶褐土，土层厚发育程度较高；海拔700 m以上为棕壤，土层发育程度低且土层较薄，土壤母质主要为花岗岩和凝灰岩。园内植物群系属温带落叶阔叶林，市区位于海拔700 m以下，为20世纪60年代营造的人工林，主要树种有落叶松（Platycladas orientalis）， 油 松 （Pinus tabuliformis）， 侧 柏（Platycladus orientalis），栓皮栎（Quercus variabilis Blume），刺槐（Robinia pseudoacacia L）等。在鹫峰国家森林公园选取侧柏、栓皮栎、刺槐3种不同林分下的土壤为对象进行研究。样地基本情况见表1。

表1 各样地的基本物理性质

1.2 染色剂选择

染色示踪实验被广泛用于优先流的研究，而亮蓝被认为是现在试验中最理想的染色示踪剂，因为它具有低毒性、高可见性和不易被土壤颗粒吸附性等优点[11-13]。通过小型模拟试验，发现在研究区的土壤中亮蓝染色清晰可见，故在试验中采用亮蓝作为示踪染料。

1.3 野外染色试验

野外选择1 m×1 m的样地，将1 m2的金属框沿样地砸进土壤中，深度大约20 cm，后将框内侧2 cm左右宽度的土壤夯实，以减少染色液沿着金属框壁形成侧渗。表1中所测各样地基本物理性质的土壤取自离染色试验区0.5 m左右的区域。亮蓝染色液浓度为5 g/L，在样地上放一块塑料板，在板上注入5 cm深度（约50 L）的染色液。染色时迅速的抽掉塑料板，使得染色液在土壤表面形成约5 cm积水的水头。染色后在样地表面覆盖一层薄膜和绿色植被，防止蒸发和外界的干扰。24 h后移去金属框，沿垂直方向开挖剖面，垂直剖面两侧10 cm的部分剔除以减少侧渗对试验的影响。剖面用分辨率为3 000×4 000像素的数码相机进行拍照。拍照时保持相机镜头与样地剖面垂直，以降低或消除由此产生的试验误差，同时为保证照相质量，采用白色的半透明树脂胶板对自然光进行散射[14]。所获剖面照片运用Photoshop CS5处理，滤去土壤颜色，只保留示踪剂路径的颜色，然后运用ENVI4.5软件计算不同深度处示踪染色部分所占的面积百分比来判断优先流现象。

2 结果与分析

2.1 染色状况分析

2.1.1 土壤剖面优先流表象 亮蓝示踪剂在土壤中经过24 h的运移后，从纵向分层挖土壤剖面而呈现出不同的染色示踪照片（图1～3）。

上面3个染色示踪图，虽然不能定量化的反映出亮蓝示踪剂在土壤中的运移特征，但从照片中我们可以清楚的看到亮蓝示踪剂在土壤中的运移路径，基本上是有绕过土壤的某些部分沿一条或几条独立路径向下运移，这类明显的路径正是示踪剂优先流现象的表现，由此可以反映出在鹫峰国家森林公园不同林分下的土壤有优先流现象发生。

2.1.2 土壤剖面染色状况 通过室内PhotoshopCS5和ENVI4.5软件处理后得到垂直剖面的染色情况（见图4、图5、图6）。从垂直剖面染色图可以看到：3种林分下的土壤均存在优先流现象。图4中的土壤剖面整体染色深度为20 cm左右，30～50 cm之间有少量间断的染色现象，但在50～70 cm深度却有较大面积的染色。图5中的土壤剖面整体染色深度在25 cm左右，30～40 cm之间左侧有两条较小的向下运移优先路径，整个样地染色深度不足50 cm。图6中的土壤剖面在0～10 cm土层中间部分被示踪剂绕过，没有被染色，大面积被染色的深度在30～50 cm之间，剖面左侧有较为明显的优先流路径。

根据染色图像得到染色面积的百分比（图7），从图中可以看出，染色面积随深度的增加在不同林分下的变化趋势不同。侧柏林下的染色面积百分比是一条有拐点的折线，在40 cm深度处染色面积百分比不到10%，随后有较大幅度的增加。栓皮栎林下的染色面积随土层深度的增加而一直减小。刺槐林下的染色面积百分比较侧柏林和栓皮栎林呈现为在0～10 cm土层小很多，只有60%左右，但整体的大趋势是随着深度的增加而减小。

图7 不同林分土壤剖面染色比随深度变化

2.2 不同林分下土壤的优先流成因

侧柏林剖面有非常明显的优先流现象，因为野外实验时我们在剖面看到土壤中有大量的侧柏树根，这些树根腐烂在土壤中便形成了连通的大孔隙，故示踪剂能快速通过这些大孔隙向下运动。样地0～20 cm深度土壤容重和孔隙度变化不大，剖面基本上都有被染色，故此区主要为基质流。因而引起侧柏林下土壤优先流的主要原因即为土壤中的大孔隙，这些孔隙主要来自腐烂的根系也可能是土壤中动物活动或由土壤冻融引起的裂缝。

栓皮栎林下的土壤剖面左侧存在优先流现象但并不是很明显，从土壤的基本物理性质来看，样地除表层0～10 cm土壤容重较小，另3个深度的土壤容重变化不大，而不同深度的土壤孔隙度基本无变化，说明整个样地的土壤结构比较均一。且土壤剖面的根系主要是细而小的须根，并无侧柏林土壤中由腐烂根系形成的明显大孔隙，故剖面没有明显的优先流路径，但仍有优先流的存在。

刺槐林下的土壤在0～10 cm土层中间部分有被示踪剂绕过而未染色，仔细观察剖面土壤情况，发现中间部分土壤有斥水性。土壤斥水性是指水分很难湿润土壤颗粒表面的物理现象。通常定义水珠在干燥的土壤表面上停留时间大于5 s的土壤称为斥水性土壤。目前关于斥水性的研究主要结论有：斥水性土壤的可湿润性主要受有机质影响，当然还受土壤质地、土壤pH值、土壤植被和土壤微生物量等的影响[15-16]。在试验现场我们看到表层中间部分有很厚层的白色丝状物，示踪剂在此范围内无法下渗，故刺槐林下的土壤斥水性应该是由有机质含量引起的，但土壤斥水性与优先流之间的关系还有待进一步的研究。刺槐林土壤容重随土层深度的增加而增加，孔隙度则呈相反的趋势，说明土壤剖面发生层分化差，相对均质，故优先流类型主要是由不稳定湿润峰引发的指流。

3 小 结

利用亮蓝的野外染色示踪试验，研究了鹫峰国家森林公园不同林分下土壤中的优先流现象。从染色结果来看，在这3种不同林分下的土壤中均存在优先流现象，且不同林分下土壤优先流的表现形式不尽相同。由于优先流的存在，降雨能直接快速地进入土壤下层，虽部分调节了地表和地下径流的比例，但在研究区水分快速进入土壤深层到达基岩层，易诱发农药和化学物质污染、泥石流和山体滑坡等灾害。

野外的染色研究，可以用来反映土壤中优先流的存在和路径，但如何将优先流图像结果与水分运动联系起来，深入研究优先流形成的影响因子，并运用一些模型去模拟研究，得出符合该区的优先流模型则有待进一步研究。

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