山西杨兴林场辽东栎林下土壤优先流及大孔隙特征

刘改琴

(山西省关帝山国有林管理局杨兴林场，山西 阳曲 030301)

优先流是一种常见的土壤水分运动形式，指在土壤各向异性的情况下，水分和溶质在多重因素的共同作用下，沿着特定的路径向下发生稳定渗流的现象。优先流对地表径流、水质和地质灾害都有一定影响。林业生产中施肥和喷药等管护措施易造成地下水环境污染问题，因此，有效控制和管理污染物(溶质)在土壤水中的运移和扩散十分必要。笔者以山西省关帝山国有林管理局杨兴林场的天然辽东栎林下土壤为研究对象，应用染色示踪法研究其优先流分布特征，以期为当地造林中合理灌溉和施肥等提供参考。

1 研究区概况

研究区位于山西省关帝山国有林管理局杨兴林场，地理坐标112°45′～112°56′E，38°10′N，最高海拔1 986.6 m，最低海拔1 340 m.属暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温8.7 ℃，≥10 ℃积温3 685 ℃，无霜期120 d～140 d.全年平均降水量450 mm，蒸发量1 949.3 mm，降水主要集中在7月至9月。该区土壤在海拔1 500 m 以上有淋溶褐土分布，其余以白云质风化物、石灰岩风化物为母质发育成德山地典型褐土或在黄土母质上发育成德黄土、黄棉土。乔木主要树种有辽东栎、山杨、白桦、油松、落叶松等。本试验所选样地为天然辽东栎林下土壤。

2 研究方法

2.1 染色试实验

在研究区内选取1块60 cm×100 cm的样地，将样地土壤表层生长的植物及枯枝落叶层去除，平整表面。将1个长100 cm，宽60 cm，高50 cm，厚0.5 cm 的铁框垂直砸入土中30 cm深，并将距铁框壁5 cm以内土壤捣实，防止染料沿铁框内壁下渗。在铁框内的土壤表面均匀喷洒浓度为4 g/L的亮蓝染色溶液12.5 L.

2.2 挖掘染色剖面

待渗透24 h后，将样地分成左右2个子样地。其中，一个子样地大小为60 cm×60 cm，取中间未受干扰的50 cm×50 cm，每10 cm一层挖5个水平剖面；另一个子样地大小为60 cm×40 cm，取中间未受干扰的50 cm×30 cm，以10 cm为间隔挖3个垂直剖面。用2 560×1 920(500万像素)相机拍摄每个剖面的染色情况，并在照时用卷尺标定染色区域的面积。挖掘水平剖面时，在每层的染色区和非染色区用标准环刀(高4 cm，直径9 cm)取原状土样。

2.3 染色图像分析

利用Photoshop CS3将拍摄的垂直、水平染色剖面彩色图像转为黑白阈值图像，使染色区为黑色或灰色，非染色区为白色，调整阈值使处理结果与实际染色结果相同。通过专业图像软件Image-Pro Plus 6对处理后的染色图像进行黑白像素数量统计，依据像素值与实际面积比例计算出染色面积及其所占摄影剖面的面积比例。

2.4 土壤大孔隙的计算

将用标准环刀取得的土样浸泡于蒸馏水中，饱和后再放置12 h使其达到田间持水量。随后将土样依次放置于土壤水分渗透仪(ST-70A)中，土柱上方保持8 cm的恒定压力水头，每隔3 s测定土柱的出流量并记录，直到其出流量达到稳定为止，绘制土样的水分穿透曲线。

式中：r——大孔隙的半径，cm；

τ——毛管弯曲系数，一般取1.2；

L——试验土体的长度，cm；

μ——水的粘滞系数，g/(cm·s)；

t——距离初次加水时的时间，s；

△P——压力水头，cm；

ni——该孔径范围内的大孔隙数量，个；

Qe——土样的间隔流量，cm3/s；

Pr——土壤的大孔隙率，%；

ri——孔径范围的平均值，cm；

R——标准环刀的半径，本试验选用的环刀半径为4.5 cm.

3 结果与分析

3.1 辽东栎林下土壤优先流分布特征

对3个垂直染色剖面分别进行处理和统计，得到土壤染色面积比随土层深度的变化图，见图1.

图1 垂直染色剖面图像及不同深度的土壤染色面积比

由图1可以看出，随着土层深度的增大，土壤染色面积比整体呈减小趋势。土层深度为0 cm～10 cm时染色面积最大，3个垂直剖面均可达到80%以上。这可能是由于土壤表层的人为干扰较大，土质均匀，形成了稳定的基质流。土层深度为10 cm～20 cm时，染色面积比随土层深度的增大而迅速减小。这可能是由于辽东栎根系生长与土壤动物活动等形成大孔隙，使染色溶液迅速运移到下层土壤中；只有垂直剖面3在13 cm～18 cm时出现了1次增大情况，这可能是由于土壤水运动存在横向侧流，使局部土体的染色面积突然增大。土层深度为25 cm～30 cm时，垂直剖面1和垂直剖面3的染色面积比均出现了较大的反弹，垂直剖面2也在土层深度为34 cm左右时出现了反弹，这可能是通过上层大孔隙下渗的染色溶液在孔隙末端聚集回流到周围的土壤中所致。

处理后的水平剖面及每层剖面的染色面积比见图2.

图2 各层水平染色剖面图像及土壤染色面积比

由图2可以看出，土壤染色面积比随土层深度的增大而减小，与分析垂直染色剖面得到的结论基本一致。土层深度为0 cm～10 cm时，水平剖面的染色面积比为98.29%，土层深度为10 cm～20 cm时减少为61.95%.这种染色面积的急剧下降现象与同地区之前的研究结果一致。

3.2 辽东栎林下土壤水分穿透曲线分析

每层土壤染色区域与非染色区域的水分穿透曲线如图3所示。

图3 样地0 cm～50 cm土壤层水分穿透曲线

由图3可以看出，样地每层土壤染色区域的稳定出流速率从上到下分别为0.847 mL/s，0.670 mL/s，0.463 mL/s，0.311 mL/s，0.178 mL/s；非染色区域的稳定出流速率从上到下分别为0.450 mL/s，0.351 mL/s，0.275 mL/s，0.153 mL/s，0.091 mL/s.每层土壤染色区域的稳定出流速率均大于非染色区域，且染色区域的水分穿透曲线波动较大、较不稳定。样地每层土壤染色区域与非染色区域的稳定出流速率比为1.88，1.91，1.68，2.03，1.96，说明样地染色区域有效大孔隙对出流速率的贡献程度达到了非染色区域的1.68倍以上。

3.3 辽东栎林下土壤大孔隙孔径与数量

辽东栎林下土壤大孔隙半径范围及数量如表1所示。

表1 辽东栎林下土壤大孔隙半径范围及数量

由表1可以看出，样地土壤大孔隙半径在0.2 mm～1.4 mm之间，各层土壤大孔隙的平均半径为0.380 mm～0.386 mm，差异很小。根据不同孔隙范围内的大孔隙数量，将孔隙半径范围分为0.2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.8 mm，0.8 mm～1.1 mm，1.1 mm～1.4 mm 4类.土壤大孔隙数量随土层深度的增加而明显减少，与土体的染色特征基本一致。且土壤染色区域各孔径范围的大孔隙数量及大孔隙率均大于未染色区域。

4 结论

1) 辽东栎林下土壤优先流分布特征。随着土层深度的增大，土壤染色面积比整体呈减小趋势，在土层较深时均出现了反弹。这可能是因为辽东栎的根区存在较多大孔隙，通过上层大孔隙下渗的染色溶液在孔隙末端聚集回流到周围的土壤中所致。

2) 辽东栎林下土壤水分穿透特征。辽东栎林下土壤的染色区较易于水分出流，其出流速率是非染色区域的1.68倍以上，且染色区域的水分穿透曲线波动较大、较不稳定。

3) 辽东栎林下土壤大孔隙特征。样地土壤大孔隙半径在0.2mm～1.4mm之间，土壤大孔隙数量随土层深度的增加明显减少，且土壤染色区域各孔径范围的大孔隙数量及大孔隙率均大于未染色区域。