华北土石山区优先流区与基质流区土壤特性分析

杜晓晴，牛健植，侯琨，张英虎，孟晨，骆紫藤

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

华北土石山区优先流区与基质流区土壤特性分析

杜晓晴，牛健植†，侯琨，张英虎，孟晨，骆紫藤

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

在非饱和土壤中，优先流是一种较为常见的现象。针对华北方土石山区的优先流现象，在鹫峰森林公园选取6块样地，利用染色示踪法获取优先流路径，分析林地优先流区和基质流区土壤孔隙度与水分变化的差异，以及土壤初始含水率对优先流(最大染色深度、50%染色深度、染色比例)的影响。结果表明：1)土壤中优先流区非毛管孔隙度和总孔隙度比基质流区的大，毛管孔隙度在优先流区与基质流区无明显差异；2)试验后优先流区土壤含水率变少，含水率减少平均比例是21%，基质流区试验前后含水率几乎无变化，含水率变化比例是0；3)初始含水率与染色比例呈正相关(R2=0.679)，与50%染色深度呈正相关(R2=0.527)，与最大染色深度相关性小(R2=0.236)。

优先流； 土壤孔隙度； 土壤含水率变化比例； 染色示踪法； 初始含水率

优先流是一种常见的土壤水分运动现象[1]。土壤学家早在19世纪中后期就已发现优先流[2]，但长期以来并没有得到重视。直到20世纪80年代，人们在美国长岛多处饮用水井中发现用于杀死科罗拉多番茄瓢虫的杀虫剂，才开始关注这种对人类健康有潜在威胁的水分快速运移现象[3]。优先流是土壤水分运动的重要组成部分，对地表和地下水质有重要影响。获得优先流路径的方法有染色示踪法等[4]。在野外获得优先流后，一般认为，染色区是优先流区，未染色区是基质流区[5]。导致优先流发生的因素很多，例如土壤中自然或人为产生的裂隙、根或动物活动形成的孔隙[6]等，并且土壤结构特性、植物根系分布、植被生长状况[7]及灌溉方法差异[8]等也影响优先流区和基质流区的分布。其中，土壤结构是最本质的影响因素[6]。土壤结构指标包括土壤密度、孔隙度、粒度、含水率等，这些差异都会对优先流的发生产生影响。华北土石山区土少石多，是典型的优先流发生区域[9]，但在该地区有关土壤特性在优先流区和基质流区的差异很少有人研究。笔者选取位于华北土石山区的鹫峰森林公园为试验地，利用染色示踪法，研究土壤孔隙度和含水率在优先流区和基质流区的差异，以及初始含水率对优先流的影响，以期为华北土石山区优先流研究提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于华北土石山区的北京鹫峰国家森林公园(E116°28′，N39°54′)。鹫峰国家森林公园位于北京城西30 km的群山怀抱之中，南连太行山，北接燕山山脉，总面积832.04 hm2，林地面积811.173 hm2，最高海拔1 153 m。该区气候为华北暖温带半湿润半干旱大陆性气候，年均气温12.5 ℃，年最高气温为41.6 ℃，最低气温为-19.6 ℃，无霜期为193 d。研究区多年平均降雨量为630 mm，夏季雨水多，春秋干旱，冬季寒冷，年蒸发量1 800～2 000 mm。土壤类型在海拔70～900 m之间为山地淋溶褐土，900 m以上为棕壤。该区植物群系属暖温带落叶阔叶林，主要为人工林营造植物群落，主要树种包括国槐(Sophorajaponica)、侧柏(Platycladusorientalis)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、五角枫(AcermonoMaxim)，夹杂有槲栎(Quercusaliena)、鹅耳栎(Carpinusturczaninowii)等。

2 研究方法

2.1 试验设计

2013年7月，在鹫峰森林公园选取选取国槐、侧柏、槲栎3块主林地，每块主林地在较平坦地段各选2块试验样地作为试验地点，共设置6块样地(表1)。

在每块样地划定1.2 m×1.2 m区域，在中心1 m×1 m区域的周围插上铁板，防止施加染色剂后外渗。每块样地染色后做垂直剖面，均分成8份，共9层，用数码相机拍照染色剖面(图1)。每个样地60 cm深，每层10 cm，分6层取土样，即每个样地取6个土样。

2.2 野外示踪试验

用喷壶施加染色剂，施加染色剂时喷头尽量挨近地面，一次性完成，以免喷洒时对地面产生冲击力。染色24 h后，选择地面染色区作为研究范围，消除边界影响。根据M.Bundt等[5]的试验，利用染色示踪法表示优先流路径(图2)，染色区域(黑色)是优先流区，未染色区域(空白)是基质流区。

图1 田间试验设计图Fig.1 Field experimental setup

图2 优先流路径示意图Fig.2 Path of preferential flow

2.3 优先流评价指标

通过最大染色深度、50%染色深度和染色比例等优先流评价指标[10]反映优先流运移特性。其中：最大染色深度是入渗后在土壤剖面上达到的最大入渗深度，能够描述优先流的快速运动距离特征；50%染色深度是指在染色面积分数曲线上染色面积为50%对应的深度，与最大染色深度一样是描述优先流快速运动的一项指标；染色比例指剖面被染色的区域与总剖面面积之比，表明在该区域优先流发生面积占整个剖面的比例。

2.4 土壤结构指标测定方法

1)土壤孔隙度。用环刀(直径5 cm，高5 cm)分别在优先流区和基质流区取土样，测定土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度，并用基质流区孔隙度减优先流区孔隙度得出孔隙度基质流区与优先流区差值：差值大于0，说明基质流区孔隙度大于优先流区孔隙度；差值小于0，说明优先流区孔隙度大于基质流区孔隙度。

2)土壤密度。利用环刀法测定土壤密度。土壤密度是单位体积土壤(不含孔隙)的烘干质量，可间接体现土壤孔隙特征。

3)土壤质量含水率(简称含水率)。用烘干法分别测定染色前含水率和染色后在优先流区和基质流区含水率，并计算含水率变化比例。

W=(W1-W2)/W2。

式中：W为含水率变化比例，%；W1为试验后土壤含水率，%；W2为试验前土壤含水率，%。W>0说明试验后含水率增加，W<0说明试验后含水率减少。

4)优先流路径。利用染色示踪法[4]，使用浓度5 g/L的亮蓝溶液染色剂进行染色获取染色路径，施加染色剂体积见表1。24 h后染色结束，用直尺测量优先流路径最大深度为最大染色深度；通过绘制染色面积分数曲线[11]查看50%染色深度，最后计算染色比例。

3 结果与分析

3.1 优先流区和基质流区土壤孔隙度分析

3.1.1 土壤非毛管孔隙度分析 基质流区与优先流区非毛管孔隙度差值见图3。可以看出，试验1到试验4共4个试验样地24个土样中优先流区大于基质流区的非毛管孔隙度有16个，占66.7%。其中，在20～30 cm和30～40 cm土层上优先流区非毛管孔隙度全都大于基质流区非毛管孔隙度，可知，在20～40 cm土层，非毛管孔隙度越大，越容易发生优先流。这是因为，非毛管孔隙是大孔隙，大孔隙是影响优先流发生的重要因素，水分能在土壤中形成快速运动的大孔隙流。此外，土壤非毛管孔隙度对土壤的通透性和渗透性均具有重要影响，非毛管孔隙越大，土壤通透性和渗透性越好[11]。何东宁等[12]研究得出，非毛管孔隙度增大可以增加林地入渗率和入渗量。该试验与本试验结论相似，在0～40 cm土层上，越往下，非毛管孔隙度在优先流区大于基质流区的现象越明显。

图3 基质流区与优先流区非毛管孔隙度差值Fig.3 Difference of non-capillary porosity between matrix flow area and preferential flow area

3.1.2 土壤毛管孔隙度分析 基质流区与优先流区毛管孔隙度差值见图4。可以看出：4个试验样地24个土样中土壤优先流区与基质流区的毛管孔隙度差异不是很明显，其中优先流区大于基质流区的毛管孔隙度为13个，占55%；但在不同土层上毛管孔隙度在优先流区与基质流区的关系不同，在0～10 cm土层和30～40 cm土层基质流区毛管孔隙度均大于优先流区毛管孔隙度，在其余土层基本上是优先流区毛管孔隙度大于基质流区。这是因为，毛管孔隙度的直径很小，对水流的影响差异性很大，对优先流的发生影响较小，但在不同土层上毛管孔隙对优先流的影响不同。

图4 基质流区与优先流区毛管孔隙度差值Fig.4 Difference of capillary porosity between matrix flow area and preferential flow area

3.1.3 土壤总孔隙度分析 基质流区与优先流区总孔隙度差值见图5。可以看出，4个试验样地24个土样中，优先流区大于基质流区的总管孔隙度为15个，占62.5%，即发生优先流路径的区域总孔隙度较大，且10～20 cm层、20～30 cm层、30～40 cm层比较明显。这是因为，总孔隙度是毛管孔隙度和非毛管孔隙度的总和，直接影响土壤的蓄水性和通气性[13]，总孔隙度的存在能促进优先流发生。

由量化孔隙度可知，非毛管孔隙度和总孔隙度大的土壤更容易发生优先流，毛管孔隙度在优先流区与基质流区的差异较小。非毛管孔隙度和总孔隙度越大越容易发生优先流现象，且在土壤中部比较明显(比如非毛管孔隙度在20～40 cm、总孔隙度在10～50 cm土层)。盛丰等[10]通过试验测得总孔隙度随土层加深逐渐增大，但没有得出孔隙度与优先流的关系。本试验更详细地说明了土壤孔隙度对优先流的影响。

图5 基质流区与优先流区总孔隙度差值Fig.5 Difference of total soil porosity between matrix flow area and preferential flow area

3.2 优先流区与基质流区试验前后含水率变化

3.2.1 优先流区含水率变化 优先流区土壤含水率变化比例见表2。可以看出，优先流区土壤含水率变化比例平均值为-20.14%，经计算，平均增加比例是9.70%，平均减少比例是51.16%。试验1和试验3比试验2和试验4施加染色剂多，施加染色剂多时导致试验样地的平均含水率变化比例增大，对优先流区试验前后含水率的变化影响更大。优先流区含水率有减少趋势，原因有多种：最大可能是施加染色剂后改变土壤结构，增加土壤孔隙的通透性，使孔隙的连通性增强，空气流动活跃，蒸发量增大，使含水率减小；另一种可能是，由于试验地点在土石山区，有可能水流流经孔隙时携带土壤水入渗到土壤深部，使土壤含水率减小；也可能是水流流动时发生水分驻留导致有的地方含水率减小。本试验也可以说明优先流的发生区域含水率有减小的趋势，主要原因在于森林表层蓄水减少，地下储水量增加。

表2 优先流区土壤含水率变化比例

3.2.2 基质流区含水率变化 基质流区土壤含水率变化比例见表3。可以看出，基质流区样地平均含水率变化比例平均值是0。经计算，试验前后含水率平均增加比例是8.25%，平均减少比例是7.58%。基质流区定义为没有染色的区域，即施加染色剂后，溶液渗入土壤中时没有经过此区域，因此可证明试验结论是合理的。但是，通过观察，发现每块样地平均含水率变化比例是有变化的，有增有减，基质流区虽然没有染色剂流过；而优先流区有水分经过，并且水分会挥发，对基质流区土壤含水率存在影响。试验1和试验3比试验2和试验4施加染色剂多，平均含水率变化比例更大，说明施加染色剂量不同对基质流区含水率变化也是有影响的。可知，基质流区试验前后含水率变化不大，几乎为0。

表3 基质流区土壤含水率变化比例

3.3 初始含水率对优先流路径的影响

初始含水率与染色深度以及染色比例的关系见图6。可知，初始含水率与染色比例呈正相关关系(R2=0.679)，与50%染色深度呈正相关关系(R2=0.527)，与最大染色深度相关性较小(R2=0.236)。表明初始含水率对染色比例和50%染色深度影响较大，但对最大染色深度的影响较小。这是因为，初始含水率高，土壤孔隙水分含量大，吸附水、毛管水就多，在渗润和渗漏阶段会形成较少的吸附水和毛管水，由于土壤中吸附力和毛管力的作用，使得染色剂发生水平运动，在重力作用下染色剂会向下运动，水分在水平和垂直运动过程中会形成较大的染色面积，致使对应的50%染色深度和染色比例会增大。

图6 初始含水率与染色深度以及染色比例的关系Fig.6 Relationship between the antecedent soil moisture and the dyeing depth and the dyeing percentage

不同试验初始含水率与优先流评价指标见表4。可以看出，施加染色剂量不同对优先流路径影响不同，施加染色剂50 L的样地，最大染色深度、50%染色深度和染色比例均比施加染色剂量30 L的要大。可知，施加染色剂对优先流路径的影响明显。

研究初始含水率对水分运移有一定影响，盛丰等[10]通过试验得出，土壤初始含水率与土壤入渗深度有相关关系，施加染色剂量相同(20 L)的条件下，初始含水率与土壤入渗深度成正比。这一结果与本研究结果相同，但盛丰等[10]在试验中还得出施加少于20 L染色剂时，初始含水率与土壤入渗深度成反比的结论。高朝侠等[14]在系统分析初始含水率对优先流的影响时也得出，随着初始含水率的增大湿润锋运移距离也增大。土壤含水率对优先流的影响也存在争议，D.B.Jaynes等[15]和K.J.Kung等[16]发现，灌溉能快速增加土壤含水率，同时可增加杀虫剂运移速度；但有人也得出相反的结论，如I.Hincapié等[13]研究发现，在土壤较干的时候，施水会促进杀虫剂运动，在潮湿土壤中会减缓溶质运移运动，因此，在不同地区研究初始含水率对优先流路径的影响很有意义。此外，土壤的优先流路径不仅与初始含水率有关，也与外在因素施加染色剂量有关。在野外自然状态下，施加染色剂量等同于降雨量，降雨量也会影响优先流的发生[17]。

表4 不同试验初始含水率与优先流评价指标

4 结论与讨论

1)在试验区发现优先流区和基质流区土壤孔隙度特征有明显差异。土壤中非毛管孔隙度和总孔隙度大的更容易发生优先流，非毛管孔隙度在优先流区与基质流区差异不是很明显。

2)试验前后平均含水率变化比例在优先流区和基质流区有差异。在优先流区，试验后平均含水率变小，平均含水率变化比例为20.14%，基质流区试验后平均含水率几乎无变化；但施加染色剂量的多少对每块样地的平均含水率变化有影响，平均含水率在施加染色剂50 L的样地比施加染色剂30L的样地变化比例大。

3)初始含水率与优先流染色比例和50%染色深度呈正相关关系，对最大染色深度的影响较小。施加染色剂越多的样地，染色深度、50%染色深度和染色比例越大。

土壤孔隙度、土壤密度、初期含水率等对优先流有重要影响。在相同质地中，土壤密度越大，孔隙率越低，土壤密度越小，孔隙率越大[18]，孔隙率与孔隙度密切相关。相同质地中，非毛管孔隙越大，初始含水率越低，毛管孔隙越大，初始含水率越大。土壤孔隙对优先流路径有重要影响。本文虽然没有试验分析土壤密度对优先流的影响，但土壤密度在土壤中的作用是不可忽视的。综上分析可知，总孔隙越大，越容易发生优先流；因此，可以推测土壤密度越小越容易发生优先流现象，但还须后续试验进一步验证。

由于施加染色剂体积的差异导致试验重复性小，在今后的研究中，应增加试验数量，以便能建立起适合当地的优先流模型。优先流对水文水资源、泥石流滑坡等有重要影响，探索土壤特性对优先流的影响，利于人类与自然的和谐相处。

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(责任编辑：宋如华)

Soil characteristics of preferential flow area and matrix flow area in Rocky Mountain Area of Northern China

Du Xiaoqing, Niu Jianzhi, Hou Kun, Zhang Yinghu, Meng Chen, Luo Ziteng

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education, 100083，Beijing，China)

Preferential flow is a major infiltration process in unsaturated soils. We conducted a dye-staining experiment in Beijing Jiufeng National Forest Park, in order to analyze the differences of soil porosity and soil moisture in preferential flow area and matrix flow area, as well as the effect of antecedent soil moisture (ASM) on preferential flow characteristics (i.e., maximum dyed soil depth, 50% dyed soil depth, dyed soil percentage). Results indicated that: 1) the non-capillary porosity and the total porosity of the soil in preferential flow area were statistically higher than those in the matrix area, and no statistical difference in capillary porosity was found between the two areas; 2) soil moisture in the preferential flow area decreased by 21% after the experiment, while there was no difference in soil moisture in the matrix flow area；3) ASM was positively correlated with the dyed soil percentage (R2=0.679) and 50% dyed soil depth (R2=0.527); in contrast, no apparent correlations were found between ASM and the maximum dyed soil depth (R2=0.236).

preferential flow; soil porosity; soil moisture variation; dye staining; antecedent soil moisture

2014-04-02

2015-03-28

项目名称： 国家自然科学基金“林木根系对溶质优先运移的影响机制研究”(41271044)

杜晓晴(1988—)，女，硕士研究生。主要研究方向：林业生态工程与森林水文。E-mail：446378984@qq.com

†通信作者简介： 牛健植(1974—)，女，博士，副教授。主要研究方向：森林生态水文与水土保持。E-mail: nexk@bjfu.edu.com

S152.4

A

1672-3007(2015)03-0051-07