马卡山不同植被群落下非饱和带大孔隙流路径示踪试验

张家明，徐则民

昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500

0 引言

受到日益加剧的全球变暖趋势的强烈驱动，极端降雨及与之相伴的山区流域植被发育斜坡群发性失稳事件在包括中国在内的多山国家的发生频率越来越高[1]。徐则民和黄润秋[1]报道了近30年来国内外植被发育斜坡在暴雨、大暴雨和特大暴雨环境下发生的重大斜坡失稳事件。徐则民[2]研究认为，大孔隙可以促进降水入渗、提高渗流场对降雨过程的敏感度、促进斜坡水循环，无论从岩体长期演化还是从滑坡灾害激发的角度看，非饱和带大孔隙对斜坡稳定性都是不利的；在强降雨条件下，植被发育斜坡非饱和带中的大孔隙产生大孔隙流，加快地下水对降雨的响应是植被发育斜坡尾随降雨失稳的主要原因。Tsukamoto等[3]指出，在日本几乎所有的山都被植被覆盖，山坡地表侵蚀极少发生，但滑坡经常发生；研究认为，在强降雨过程中，大孔隙流对山区流域滑坡发生起到重要作用。1998年10月24日-25日，高强度降雨在北爱尔兰Culicagh山北面诱发大量泥炭滑坡。Dykes和Kirk[4]研究表明，黏土中的大孔隙是滑坡发生的必要条件之一。Fan等[5]用有限体积法研究认为，大孔隙使更多降水进入斜坡体，孔隙水压力相对较高，可能这是解释斜坡失稳至关重要的因素之一。Gattinoni和Francani[6]认为，大孔隙不仅为亚表层水运动提供重要通道，而且大孔隙建立的孔隙水压力促使滑坡发生。

尽管关于大孔隙对植被发育斜坡稳定性有不利影响的认识较早，但从目前文献报道情况来看，大孔隙对植被发育斜坡稳定性影响的研究没有得到重视，其中一个重要原因就是大孔隙流路径评价的研究水平限制了大孔隙流模型研究。令人担忧的是，进入21世纪以来，极端气候事件发生频率越来越高。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）[7]于2012年3月28日发布的一份报告显示，全球极端气候事件将保持继续增加。Rowlands等[8]最新研究表明，全球气温上升幅度可能高于以往预测值。因此，植被发育斜坡非饱和带大孔隙流路径评价是迫切需要开展研究的重要基础性课题。

大孔隙广泛存在于植被发育斜坡非饱和带中[9]。土壤大孔隙形成是由于土壤动物活动、植被根系延伸或腐烂、冻融循环和干湿交替、地下水流动等物理过程、化学风化等。人们普遍认为，土壤结构在很大程度上决定着水流过程[10]，尤其是大孔隙。例如：Watson和Luxmoore[11]认为，有96%的水流量仅通过0.32%的土体，活动大孔隙对水流有重要影响；Alaoui和 Helbling[12]估算，大孔隙体积占土壤总体积的0.23%～2.00%，但土壤中74%～100%的水通过大孔隙运移；Lin等[13]报道，10%的大孔隙（＞0.50mm）和中孔隙（0.06～0.50mm）传输大约89%的土壤总流量。到目前为止，用于研究植被发育斜坡大孔隙流路径的方法主要有张力渗透试 验[11，14]、水 分 穿 透 曲 线 法[15-20]、染 色 示 踪 试验[21-26]和 CT 扫描方法[27-28]。

大孔隙系统连通性、连续性和弯曲性等影响大孔隙流特征。研究大孔隙流路径的主要目的是为了建立更加合理的大孔隙流模型，并为进一步研究植被发育斜坡地下水对降雨的响应机理和滑坡孕育机制奠定基础。大孔隙不仅是指大尺寸孔隙（等效直径大于或等于1mm），而且是指具有优先流效应的大孔隙，那些没有优先流效应的死端大孔隙不在研究范围之内。因此，正确评价具有优先流效应的大孔隙路径尤为重要。如上所述，目前主要有4种方法研究植被发育斜坡大孔隙流路径，但这些方法在辨识具有优先流效应的大孔隙方面存在一些缺点：1）张力渗透试验、水分穿透曲线法和CT扫描法本质上是小尺度试验，适合研究土心（soil cores）[29]，但不适合研究对滑坡灾害有贡献的大孔隙流路径。这3种试验方法的测试样品尺寸都比较小，如用于水分穿透曲线法测试的样品体积为98～200cm3，远远小于滑坡体规模。此外，土壤结构变异性很大。因此，这些方法不适合用于研究对滑坡灾害有贡献的大孔隙流路径。2）张力渗透试验和水分穿透曲线试验本质上是积水入渗试验，降雨入渗模拟情况与植被发育斜坡区天然降雨情况存在显著差异，试验结果高估了大孔隙流路径。在植被发育斜坡流域，由于大孔隙广泛存在于非饱和带中，降雨强度很少能超过土体入渗能力[30]，因此，不会产生积水入渗。事实上，大孔隙的入渗量主要取决于大孔隙的拦截水量，而拦截水量主要取决于大孔隙直径、大孔隙空间位置和降雨强度，地形、水深及水流速度的三维空间分布[31]。不是所有大孔隙都能发挥拦截功效，换句话说，不是所有大孔隙都能发挥优先流效应。在积水入渗试验过程中，所有大孔隙均以最大渗透能力入渗，没有体现大孔隙的拦截效应，试验高估了大孔隙对入渗的影响，也就是说试验结果高估了大孔隙流路径。3）染色试验过程剔除枯枝落叶层，与实际情况相比低估了大孔隙流路径。植被发育斜坡与裸坡的一个显著差异是植被发育斜坡存在枯枝落叶层。枯枝落叶层对地表径流有拦截效应，使地表径流快速流经大孔隙，减小对土壤结构的破坏。此外，枯枝落叶层对大孔隙时效稳定具有积极功效。染色试验过程中剔除枯枝落叶层可能导致大孔隙在降雨模拟过程被沉积颗粒堵塞，降低优先流效应。因此，试验结果低估了大孔隙流路径。

为了正确评价植被发育斜坡土体中具有优先流效应的大孔隙流路径，笔者在马卡山植被发育斜坡2种植被群落（草本植被和木本植被）下开展染色示踪渗透试验，模拟降雨强度动态过程线与试验区实际降雨强度过程线相似，而且试验过程尽量避免对枯枝落叶层的扰动。基于土壤染色剖面，采用高精度图像采集技术、图像处理技术、非参数检验、差方分析和回归分析（SPSS 17.0）方法讨论2种植被群落下大孔隙流路径差异特征及植被根系、有机质含量、粒度尺寸分布对大孔隙流路径的影响。研究方法和结论将对合理评价植被发育斜坡大孔隙流路径具有重要的指导意义，对植被发育斜坡大孔隙流模型构建、地下水对降雨的响应机制及滑坡灾害孕育机理研究具有重要理论意义。

1 试验设计

1.1 试验场地

试验场地位于金沙江一级支流普渡河流域的螳螂川流域的段家营流域的马卡山，地理位置为北纬24°51′34″-24°51′55″，东经 102°52′04″-102°52′20″，海拔高度为2000～2085m。试验区下伏基岩主要为二叠系峨眉山玄武岩（P2β），土层厚度为50～100cm，往下为峨眉山玄武岩腐岩，再往下为不同风化程度的玄武岩基岩。在试验场地，气温为0～31.5℃，平均年降雨量1001.0mm，最小、最大和平均月降雨量分别为13.0mm（2月和12月）、211.0mm（7月）和83.4mm。马卡山月降雨量有单峰分布特征，峰值位于7月份，降雨具有短历时强降雨特征。

在马卡山主要有2种类型的植被群落，一种为草本植被群落，另一种为木本植被群落。马卡山植被覆盖度为90%，其中草本植被群落基盖度为1.14%，木本植被群落基盖度为0.30%。草本植被群落的主要物种有狗牙根、白草、蔗茅、野艾蒿、白花鬼针草、黄背草、细柄草、牛至、丝茅、紫茎泽兰；木本植被群落的主要物种有小雀花、云南松、华山松、云南油杉、细齿叶柃、蓝桉、银荆、沙针、车桑子、圆柏、滇青冈、栓皮栎。

1.2 试验步骤

课题组于2011年12月-2012年3月，在马卡山植被发育斜坡开展了4个染色渗透试验。每个试验区的试验条件如表1所示。试验区1（plot 1）为草本植被群落斜坡，试验区2（plot 2）为木本植被群落斜坡。2个试验的渗透量、尺度规模和示踪剂完全相同。选择不同植被群落是为了研究植被根系、土质等对大孔隙流路径的影响。plot1与plot2距离为800m。

染色示踪渗透试验的设计方案如图1所示。

第一步是固定好木框。由于在土壤根系带存在大量根系，因此，首先在坡体表面沿着100cm×100 cm正方形开挖深度为20cm、宽度为3cm的凹槽；然后将内尺寸为100cm（长）×100cm（宽）×25cm（高）的正方形木框放入凹槽中；最后用土将木框外侧密封并用木锤击实，以防止表土层发生侧向流。

第二步是开展染色示踪渗透试验。在开展渗透试验前，在木框前端（下坡方向）1m处开挖一个宽1.4m、长1.8m和深为1.0m的深沟。在此土壤剖面上，从土壤表面向下在0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm范围内，每层用环刀（100cm3）取3个土样用于测定土壤含水率、容积密度、孔隙度。范围同上，在每层取2kg土样测定有机质含量，同时在每层取1个1600cm3（10cm×40cm×40cm）土样测定根系质量密度和颗粒尺寸分布。土壤基本物理、化学性质见表2。在开始染色示踪渗透试验前，先解决3个问题：选择哪种染色示踪剂，施加多少染色剂溶液，施加频率和强度是多少。亚甲基蓝（C16H18CIN3S·3H2O）是一种吸附性很强的示踪剂，在亚甲基蓝溶液中有氯离子（Cl-）和有机团（C16H18N3S＋）。亚甲基蓝在植被发育斜坡土壤示踪试验中被广泛使用[23-24，32-34]。因此，本试验也选择亚甲基蓝作为染色示踪剂，溶液质量浓度为1.5g·L-1。前文已经强调过大孔隙是指具有优先流效应的大尺度孔隙（ECD≥1mm）。此外，大孔隙流路径受施加水量和施加频率的影响[35]。为了辨识出更多大孔隙流路径，施加了250L亚甲基蓝溶液，相当于250mm的降雨量。与马卡山现在的降雨量相比，250mm的降雨量相对较大，但未来很长一段时间极端天气异常变化，马卡山地区可能会出现一次降雨量高达250mm降雨事件。大孔隙的入渗水量主要取决于大孔隙的拦截水量。因此，结合降雨模拟开展染料示踪渗透试验，降雨强度动态过程曲线（图2）与马卡山实际降雨强度过程性相似。根据图2，使用喷水器在试验区均匀喷洒亚甲基蓝水溶液，试验持续300min。2个试验过程中均没有出现地表积水现象。喷洒完成后，用塑料薄膜遮盖试验区以防止水分蒸发。

表1 试验区条件Table1 Experimental conditions of the plots

表2 试验区土体物理、化学性质Table2 Selected physical and chemical properties of experimental plots

图1 试验装置简图Fig.1 Diagram of the experimental setup

图2 模拟降雨强度动态过程曲线Fig.2 Dynamic process curves of rainfall intensity simulation

第三步是开挖垂直剖面和拍照。喷洒完亚甲基蓝溶液24h后，在每个试验区从深沟向上坡方向用铁锹和手动工具开挖垂直土壤剖面，共开挖3个剖面且剖面间距为30cm，剖面垂直于斜坡倾向。开挖完成后，用小刀轻轻地削平剖面以防止染色剂拖尾，并用毛刷清除开挖过程时黏附在土壤剖面上的松散颗粒。这一步要非常小心，避免对土壤结构的破坏，保持土壤表面光滑。最后用佳能单反数码相机（Canon EOS 5DMark II，EF70-200mm f／2.8L IS II USM）拍摄染色剂染色的土壤剖面，数码照片的分辨率是3500×2300像素，把照片下载到电脑后用软件对照片进行最后分析。

1.3 图像分析

染色示踪渗透法将染色区域定义为大孔隙流路径，非染色区域定义为基质域。图像分析的目的是获得图像的数据化信息，如染色覆盖率等。基于染色剖面照片，根据以下步骤获得染色覆盖率。需要5个步骤才能得到关于染色面积的图表：1）采用图像编辑软件Photoshop CS2Ⓒ几何校正图像，输出像素大小不变的RGB模式的JPG格式图像文件；2）运用Matlab 7.0图像处理工具箱将RGB模式图像转换为灰度图像，输出TIFF格式图像文件，一个像素表示1mm×1mm；3）使用Photoshop CS2Ⓒ对图像进行曝光阀值处理，染色区域变成黑色，其他区域变成白色；4）采用Photoshop CS2Ⓒ将图像二值化，0代表黑色，225代表白色；5）运用Image-Pro Plus 6.0提取图像位图数值矩阵，存入Excel文件。

2 结果与讨论

2.1 大孔隙流路径分布模式

从图3可以看出，马卡山不同植被群落下斜坡非饱和带大孔隙流路径分布模式非常复杂，而且分布模式差异显著。在草本植被群落斜坡区，plot 1-1的大孔隙流路径主要分布在0～30cm的深度，而plot 1-2和plot 1-3的大孔隙流路径主要分布在0～10cm的深度。在木本植被群落斜坡区，3个染色剖面的大孔隙流路径均主要分布在0～30cm的深度（图3plot 2）。在0～5cm的深度，2个试验区的大孔隙流路径都呈均匀分布，在5cm以下深度，大孔隙流路径呈聚集状态分布。受到植被根系等因素的共同影响，大孔隙流路径分布模式有网络结构模式（图3plot 2-3）和局部聚集模式（图3plot 1-3）。这说明各种类型的大孔隙流路径不是一直保持铅垂向下的，而是在三维空间中相互交织形成三维网络通道结构。染色模式变异性很大，也说明小尺度试验不能很好地评价植被发育斜坡非饱和带大孔隙流路径。

图3 土壤典型染色剖面模式Fig.3 Typical dye stained patterns for the profiles

根据图像处理后得到的Excel文件计算土壤剖面染色覆盖率与深度的关系（图4，5）。指定深度的染色覆盖率定义为指定深度的被染色的水平像素点数与总水平像素点数（1000）的比值。如图4所示，2个试验区第1、2、3剖面的大孔隙流路径最大穿透深度分别为29.9，24.3，23.7cm（plot 1）和32.9，28.0，27.4cm（plot 2）。2种植被群落斜坡对应剖面大孔隙流路径差异显著（P为检验水平，P＝（0.000＜0.010）。在0～40cm的深度内，2个试验区第1、2和第3剖面的大孔隙流路径分别占总面积的16.29%，5.58%，7.62%（plot 1）和11.93%，18.57%，16.02%（plot 2）。大孔隙流路径总体上随深度增加而减小，但这种减小不是连续的，而是波动变化的。在0～5cm范围内，大孔隙流路径急剧减小，在5cm以下，大孔隙流路径缓慢减小。

从不同深度的染色覆盖率均值（图5）来看，染色覆盖率随深度增加而减小（P＜0.050）。在0～10 cm深度，2个试验区剖面的染色覆盖率分别为（44.19±5.40）%、（20.36±8.30）%、（23.63±6.70）%（plot 1）和 （29.22±2.50）%、（49.78±5.30）%、（46.64±7.90）%（plot 2）；在10～20cm深度，以上对应数值分别为（13.95±0.10）%、（1.49±0.00）%、（6.55±0.10%）和 （14.98±0.10）%、（16.60±0.10）%、（14.34±0.10）%；在20～30cm深度，数值依次分别为（7.02±0.30）%、（0.47±0.00）%、（0.28±0.00）% 和 （3.49±0.10）%、（7.89±0.30）%、（3.09±0.20）%；在30～40cm深度，仅plot 2-1染色覆盖率为（0.04±0.00）%，其余均为0.00%。这说明草本植被群落斜坡非饱和带大孔隙流路径主要分布在0～10cm深度，木本植被群落斜坡非饱和带大孔隙流路径主要分布在0～30cm深度。在0～40cm深度内，2个试验区剖面染色覆盖率与深度的Eta统计量η2分别为 0.666，0.261，0.354（plot 1）和0.665，0.716，0.629（plot 2），说明木本植被群落斜坡非饱和带大孔隙流路径与深度的关联度比草本植被群落斜坡区大。

图4 2个试验区染色覆盖率与深度的关系Fig.4 Dye stained coverage vs.depth of the two plots

图5 2个试验区的平均染色覆盖率与深度的关系Fig.5 Relation between depth and average dye coverage of in two experiment plots

2.2 根系对大孔隙流路径的影响

植被根系在大孔隙流路径形成中起到重要作用，尤其是直径大于1mm的大孔隙[35-36]。例如，Aubertin[9]报道根系通道在森林土壤中至少占35%，但随着深度增加，根系通道有可能快速减少。不同植被有不同类型的根系系统。因此，地表植被类型一定程度地影响大孔隙系统的空间特征[36-37]。活着的植被根系与根系带土壤相互作用影响大孔隙流路径特征。

在2个试验区，都有许多关于染色分布模式的照片充分证明植被根系对大孔隙流路径的影响，尤其是在木本植被群落斜坡试验区。例如图3plot 2-1和图6a所示，植被根系越密集的区域染色面积越多。图6b展示了plot 2-2直径约为6mm根系及其外围染色模式。图6c给出plot 2-3染色模式照片，从图中可以看出，植被根系主要分布在剖面左侧，且在剖面左侧有一根直径大约为2cm的根系，因此，染色区域主要分布在剖面左侧（图3plot 2-3和图6c）。图6d给出图6c的局部特写照片，同样显示染色主要分布在根系附近。笔者将这种大孔隙流路径称为根-土界面。以上染色剖面说明植被根系显著影响大孔隙流路径分布，尤其是铅垂向下和顺坡向下的根系。

如图7所示，2个试验区3个染色剖面不同深度平均染色覆盖率总体随根系质量分数增大而增大。根系质量分数定义为根系质量（g）与土体总质量（kg）的比值，单位为g／kg。木本植被群落斜坡（plot 2）根系质量分数显著大于草本植被群落斜坡（plot 1）（P＜0.05）。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度，plot 2和plot 1的根系质量分数分别为26.94，19.14，8.55，5.34g／kg和10.38，5.86，1.25，0.52g／kg。在plot 1（变量下角标用1表示，下同），染色覆盖率（Y1）与根系质量分数（A1）的线性关系可表示为：Y1＝0.028A1-0.027，R1＝0.948（R为相关系数），F1＝17.715（F为差异显著水平），P1＝0.052＞0.050）；在plot 2（变量下角标用2表示，下同），染色覆盖率（Y2）与根系质量分数（A2）的线性关系可表示为：Y2＝0.018A2-1.116（R2＝0.958，F2＝22.190，P2＝0.042＜0.050）。以上分析表明，2种植被群落斜坡根系质量密度与染色覆盖率均呈高度正相关关系（R1＝0.948，R2＝0.958），但木本植被群落斜坡根系对染色覆盖率的影响程度强于草本植被群落斜坡（F2＝22.190，P2＝0.042＜0.050；F1＝17.715，P1＝0.052＞0.050）。究其原因：草本植被群落斜坡根系主要集中在0～10cm深度，根系直径主要为1～2mm；木本植被群落斜坡根系主要分布在0～30cm深度，根系直径主要为2～7mm，最大直径为26mm。这说明当植被根系尺寸更大时，根系对大孔隙流路径的影响更显著。

图6 植被根系及其附近的染色分布Fig.6 Dye concentrated on living roots

图7 根系质量分数与平均染色覆盖率的关系Fig.7 Relation between mass density of root and the stained coverage ratio

截止目前，对与植被根系有关的大孔隙流路径的研究主要集中于腐烂根系通道。但马卡山植被发育斜坡染料示踪渗透试验结果表明，在马卡山，腐烂根系通道较少，最主要的大孔隙流路径是前文所述的根-土界面，这可能与马卡山植被生长情况及土壤物理化学性质有关。腐烂根系通道有2种类型：有根皮和无根皮。由于根皮和木质部的差异选择腐蚀过程，植被根系根皮抵抗腐烂的时间比木质部更长，木质部腐烂后形成带根皮的管状类型大孔隙（文献[2]的图1和图9）；当根皮腐烂后，根系形态就会以空腔的形式保留在土体中，在土体中可以清晰地观察到根皮组织印模（文献[2]的图2）。植被根系腐烂形成的大孔隙通常是管状和树枝状，直径变化范围很大[9]。腐烂根系通道经常被来自于腐烂根系和枯枝落叶层的松散有机物填充[2，9，37]，但只要这些大孔隙与地表或与其他类型的有优先流效应的大孔隙流路径相连也能充分发挥优先流效应。根-土界面是一种重要的大孔隙流路径（图6）。笔者认为根-土界面形成机理主要有3种：1）活着的植被根系经常沿着团聚体间裂缝，先前根系、蚯蚓和其他土壤动物区系制造的连续性孔隙生长[27，32，38-39]；2）根系进入和扩展过程挤压其临近土体[9，40]；3）在根系生命活动过程中，根系不断交替地吸收和吐出水分，因此根系周围土体发生干-湿交替、硬化-软化循环，有利于根-土界面的形成[39]。降雨穿过枯枝落叶层或通过茎流进入土体，一旦遇到植被根系，根系就会发生优先导流作用，使降水顺着根-土界面向下流动。

2.3 有机质对大孔隙流路径的影响

有机质含量是影响土壤大孔隙形成的另一个重要因素[41]。有机质来自于植被枯枝落叶层和根系，因此，有机质质量分数可能在一定程度上受地表植被种类影响。如图8所示，平均染色覆盖率总体随有机质质量分数增大而增大。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度内，plot 1和plot 2的有机质质量分数分别为39.7，17.6，9.8，5.1g／kg和63.6，19.4，13.1，9.8g／kg。在plot 1，染色覆盖率（Y1）与有机质质量分数（B1）的线性关系可表示为：Y1＝0.0087B1-0.058（R1＝0.993，F1＝150.514，P1＝0.007＜0.01）；在plot 2，染色覆盖率（Y2）与有机质质量分数（B2）的线性关系可表示为：Y2＝0.0073 B2-0.039（R2＝0.982，F2＝54.672，P2＝0.018＜0.050）。线性回归分析表明，2种植被群落斜坡有机质质量分数与染色覆盖率均呈高度正相关关系（R1＝0.993，R2＝0.982），有机质质量分数对染色覆盖率的影响程度均较高，但草本植被群落斜坡有机质质量分数对染色覆盖率的影响程度稍强于木本植被群落斜坡（F1＝150.514，P1＝0.007＜0.010；F2＝54.672，P2＝0.018＜0.050）。

团聚体间大孔隙是一种重要的大孔隙流路径。根系分泌及枯枝落物降解产生的有机质是团聚体形成的物质基础。有机质可通过多种方式与土体颗粒结合形成团聚体。有机质种类之一的真菌菌丝能够直接网捕细小颗粒形成稳定团聚体（图9a）。其次，有机质还通过键合方式与土体颗粒结合形成团聚体，而且由多价阳离子键合黏土矿物和细根、菌丝等有机物形成的团聚体更稳定（图9b）。团聚体间结构性孔隙的尺寸远远大于单体颗粒的粒间孔隙尺寸。此外，有机质含量越高，干缩响应越明显，有利于收缩裂缝的形成。有机质含量越高，团聚体越稳定[42-45]。

图8 有机质质量分数与平均染色覆盖率的关系Fig.8 Relation between organic matter content and the stained coverage ratio

2.4 颗粒分布对大孔隙流路径的影响

植被影响土壤颗粒分布[46]，而颗粒分布影响土壤大孔隙的产生及其性质[9，38]。在2个试验区，砂粒和粉粒体积分数随深度增加而减小，而黏粒体积分数随深度增加而增加。但在plot 1，砾粒体积分数随深度增加而增加，而在plot 2，砾粒体积分数总体上随深度增加而减小（表2）。plot 2的砾粒体积分数显著大于plot 1（P＜0.010），但plot 2的砂粒、粉粒体积分数显著小于plot 1（P＜0.010、P＜0.050），黏粒体积分数没有显著差异（P＝0.142＞0.050）。在0～10，10～20，20～30，30～40cm深度内，plot 1和plot 2的平均染色覆盖率分别为（29.39±12.92）%，（7.33±6.27）%，（2.59±3.84）%，（0.00±0.00）%和（41.88±11.08）%，（15.31±1.17）%，（4.82±2.66）%、（0.01±0.02）%。这说明黏粒、粉粒和砂粒对大孔隙流路径发展没有积极功效，砾粒有利于大孔隙流路径的形成，尤其是在表土层。

图10展示了plot 2-2深度50cm处由不同粒径土壤颗粒组合而成的大孔隙，但这些大孔隙没有发挥优先流效应，是死端大孔隙。因此，定量评价颗粒分布对大孔隙流路径的影响涉及到颗粒空间位置及颗粒组合模式。定量评价颗粒分布对大孔隙流路径的影响是非常困难的。砾粒有利于大孔隙流路径的形成，尤其是粗砾粒（60mm≥d（粒径）＞20 mm）。从定性方面来讲，颗粒分布对大孔隙流路径的影响可概括以下3点：1）砾粒与其周围细粒土构成的砾-土界面是一种重要的大孔隙流路径形式。如图11所示，当优先流遇到砾石，砾-土界面就会发挥优先导流作用。2）砾粒影响植被根系的形态和分布，进而影响大孔隙流路径[47]。3）不同土壤颗粒组合影响大孔隙流路径的保留时间：在粗质土壤中，留存时间很长的优先流通道很少；而在细质土壤中，老根系通道很多且保留时间较长[47]。

图9 细小根系及菌丝胶结土体颗粒形成水稳定团聚体的SEM图片Fig.9 Scanning electronic micrographs of fine roots and hyphae binding soil particles into water-stable aggregates

图10 不同颗粒组成的死端大孔隙Fig.10 Dead-end macropores resulted from different particles

图11 砾-土界面优先导水Fig.11 Gravel-soil interface preferentially channeled water

3 结论

植被发育斜坡非饱和带表土层土体大孔隙流路径均匀分布，往下大孔隙流路径呈网络结构和局部聚集分布，大孔隙流路径总体随深度增加而波动减小。木本植被群落斜坡大孔隙流路径穿透深度、分布面积和分布模式复杂性均比草本植被群落斜坡大。小尺度试验不适用于研究植被发育斜坡大孔隙流路径。

不同植被的根系形态不同，其对大孔隙流路径数量、尺度和分布特征的影响随根系尺寸增大而更显著，尤其是铅垂向下和顺坡向下的根系。大孔隙流路径规模与根系质量分数呈高度正相关关系，但木本植被根系对大孔隙流路径的影响比草本植被根系的影响显著。与根系相关的大孔隙流路径有腐烂根系通道和根-土界面，但根-土界面是马卡山的重要大孔隙流路径之一。大孔隙流路径规模与有机质含量呈高度正相关关系。有机质可通过多种方式形成团聚体间大孔隙，而且有机质含量越高，收缩裂缝越容易形成，团聚体越稳定。砾-土界面是一种重要的大孔隙流路径。砾粒有利于大孔隙流路径的形成，尤其是在表土层。此外，颗粒尺寸分布影响植被根系形态和大孔隙流路径保留时间。

西南林业大学园林学院林萍教授在植被调查方面给予了帮助，在此表示感谢。

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