三峡地区阔叶林地植物根系分布特征与优先路径关系分析

常丹东

(水利部水土保持监测中心, 北京 100055)

三峡地区阔叶林地植物根系分布特征与优先路径关系分析

常丹东

(水利部水土保持监测中心, 北京 100055)

优先路径研究是研究地下水分运动的重要环节。本文通过亮蓝染色示踪试验法直接观测并区分林地土壤基质和土壤优先路径，分别对染色区和未染色区观测到的土壤优先路径、植物根系根长密度和根重密度进行分析，研究发生土壤优先流过程中植物根系的作用及由植物根系形成的优先路径的联通情况。研究发现，降雨强度越大，优先路径染色区的表层呈现越加明显的宽区域聚集分布。雨强为25 mm/d时，样地土壤染色区域表层大区域优先路径聚集分布厚度平均为50 cm。根径>5 mm的根系根长密度的大小对土壤孔隙的大小影响显著，根径<5 mm的根系根长密度的大小对于土壤孔隙的联通有明显作用。此外，土壤中植物根重密度的大小与优先路径数量和联通程度正相关，根重密度越大越有利于构成优先路径，有利于形成优先流。不同样地两区域植物根重密度在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范围内具有极显著差异(P<0.05)，而优先路径在30 cm深骤然减少。此方法在一定程度上可为优先路径的研究提供新的借鉴和参考。

优先路径; 根长密度; 根重密度; 染色示踪法

水环境和水资源的日益紧缺和恶化,使越来越多的土壤学家、水文地质学家和森林水文学家开始关注土壤和蓄水层中的土壤水分问题及溶质的再分配过程[1]。研究地下水分运动过程，特别是土壤中水分和溶质通过优先路径快速渗入地下的优先流运动过程，对于分析农业生产中地表水下渗、调查非饱和土壤层的有害废物处理泄露以及系统研究林地土壤水分运动规律等问题非常重要[2]。Peters等人通过采用水文测验、同位素和地球化学元素示踪等方法，对加拿大Shield森林流域坡面壤中流水文过程及其对源头流域暴雨径流研究表明，森林土壤中大部分水分通量是不遵从达西定律的快速下渗的优先流[3-5]。水和溶质的快速下渗主要是因为优先路径使水和溶质的下渗过程绕过了许多土壤母质,进入了更深的土壤层[6]。因此，优先路径研究是研究地下水分运动的重要环节。

优先路径是指土壤中植物根系穿插而产生的根孔，动物的运动通道和居穴，由于土壤膨胀收缩形成的裂隙，以及因湿润锋不稳定所形成的指状渗透通道等[7-8]。其中，植物根系作为土壤生态系统中一个重要组成部分，不仅能够为植被提供有效的水分及养分，更重要的是它在陆地生态系统中土壤优先流水分运动、溶质传输以及环境污染物的迁移和转化等过程中起重要作用。生长中的植物根系通过分泌有机质能够提供土壤团粒胶结物质[9-10]，通过穿插等生长过程使土粒团聚[11]，增加土壤团聚体数量和大小，改变土壤物理结构，使土壤更为松散，为土壤裂隙的发育提供了基本条件。植物根系死亡后形成管状或环状的植物根孔[12]和土壤中的裂隙是土壤大孔隙的主要组成部分，也是土壤水分运移的重要通道，对土壤优先流形成具有积极的影响[13-16]。程金花等人认为土壤性质、水分条件和植物根系对林地土壤优先流的形成与发展的影响显著[17]。

本文拟通过近年来流行使用的亮蓝染色示踪试验法直接观测并区分林地土壤基质和土壤优先路径，并分别对染色区和未染色区观测到的土壤优先路径上植物根系的根长密度和根重密度进行分析，探讨发生土壤优先流过程中植物根系的作用及由植物根系形成的优先路径的联通情况。这在一定程度上可为优先路径的研究提供新的借鉴和参考。

1 试验方法

研究区位于重庆四面山中部，地处三峡库区尾部，重庆市西南江津区南部(106°17′—106°30′E，28°31′—28°43′N)，海拔1 100～1 280 m，保存有长势良好的天然次生森林植被，覆盖率为95.41%。亚热带季风性湿润气候，多年平均气温13.7℃，无霜期为285 d，年均降雨量1 522.3 mm，最大降雨量160.5 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨重量的62.17%。

1.1 样地布设调查

综合考虑植被类型、地形状况、坡向海拔等因素，在张家山林区双桥溪地区的阔叶林区，设置面积为400 m2的观测样地4块。试验地土壤为紫色土，母岩为紫色砂岩。土壤呈微酸性，盐基交换量低，供肥能力较差，土壤黏粒含量较少，土质轻且土壤透水性好。土层厚度70 cm左右。观测样地主要自然因子如表1所示。

表1 观测样地主要自然因子

1.2 观测剖面布设

在4块样地内分别布设染色示踪观测剖面，为减少乔木主根对观测结果的影响，土壤剖面位置选择主要考虑与周围乔木的距离关系，一般选择在使染色剖面距各乔木基本等距的地方。经选择，试验观测剖面布设在3～4株相邻乔木中心且地表较为平坦处。

1.3 试验准备

平整地表，除去开挖剖面处地表上部的枯落物及大块砾石，尽量不扰动枯落物层下的土壤腐殖质层。埋入试验铁框，将规格为70 cm×70 cm×50 cm的铁框埋入地面，嵌入地表深度30 cm，露出地表高度20 cm，并将距铁框内壁5 cm以内土壤用木锤夯实，防止染色溶液沿铁框内壁缝隙下漏影响观测结果。将亮蓝粉末配置浓度为4 g/L的溶液待用。

1.4 染色示踪

根据长江三峡花岗岩地区林地土壤优先流研究结果，优先流在强降雨过程中表现的更为显著[18]。为分析降雨特征对林地土壤优先流过程的影响，研究依据所收集到的当地降水资料(2002—2007年)，采用25 mm(大雨，P=0.05)。根据染色剖面表面积和实际损耗，确定在样地F1-F4施用亮蓝溶液量为13 L(相当于25 mm降雨)。采用积水渗透(Ponding Infiltraion)方式将预制的亮蓝溶液均匀倾洒在铁框中央面积50 cm×50 cm的区域，保证最大限度观测到各样地剖面土壤优先流的发生。倾洒亮蓝溶液时保持较稳定的水头和均匀的速度。溶液倾洒完毕后，将预先准备的帆布覆盖在铁框上，并用尼龙绳将四周绑紧，确保染色试验后无其它降雨输入。

1.5 剖面挖掘和样品采集

染色示踪试验完成24 h后除去覆盖的帆布和埋置的铁框，挖掘土壤剖面。首先在铁框中心50 cm×50 cm区域外围开挖垂直剖面，挖掘深度需达到紫色砂岩基岩层顶层，一般为70 cm。用土壤刀和小号土铲平整表面，并用刷子除去附着的土粒。将标准灰阶比色卡(Kodak产)放置在剖面旁，使用标尺标注剖面的长度与宽度，并用遮阳伞控制拍摄光线。采用500万像素(2 592×1 544 pixel)的佳能(Canon)数码相机采集垂直染色剖面图像，各垂直剖面拍摄照片3～5张。此后以10 cm土壤深度为标准，分层挖掘水平土壤剖面，采用与垂直染色剖面同样的方法采集水平染色图像。水平染色剖面的挖掘深度由紫色砂岩基岩深度以及染色状况决定，一般需挖掘至50—60 cm。挖掘水平染色剖面时，根据染色剂分布状况将剖面分为染色区(Dye Stained Area)和未染色区(Blank Area)。

分别在染色剖面各深度染色区和未染色区中，使用高4 cm、直径9 cm的渗透仪专用环刀采集原状土样(3个重复)，用于进行水分穿透曲线试验；使用100 cm3标准取土环刀采集原状土样(3个重复)，用于进行土壤密度和孔隙度分析；再采集各区土壤混合样品250 g和植物根系样品(包括全部的生长根和死亡腐烂根)，以备分析土壤理化性质和植物根系状况。

1.6 数据分析方法

(1) 根长密度是反映植物根系生长状况的重要参数，是指单位体积土壤空间中分布的不同径级的根系长度状况。以根系径级为标准，将根长密度分为≤1 mm，1～3 mm，3～5 mm，5～10 mm和>10 mm等5个级别[19]。计算公式一般为：

式中：qrl——根长密度(m/m3)；Lr——某径级根系长度(m)；Vsoil——土壤体积(m3)。

(2) 植物的根重密度是指一定体积土壤空间中植物根系生长干质量的状况。根重密度越大，植物根系越粗壮，其与土壤的接触面积就越大、形成的间隙就越大，则可能形成孔径较大的优先路径。从理论上来说，根重密度大的区域，优先路径大小和数量均应超过根重密度小的区域。根重密度可按下式分层计算：

式中：qrm——根重密度(kg/m3)；Mr——某径级根系重量(kg)；Vsoil——土壤体积(m3)。

2 结果与分析

2.1 样地土壤染色示踪剖面分析

亮蓝染色溶液淋洒24 h后，溶液通过土壤中的联通孔隙运移进入深层土壤内部。开挖土壤剖面发现，随着染色溶液运动路径的延伸，土壤剖面上不均匀分布着一定数量的染色区域和未染色区域。其中，染色区为染色示踪溶液运动路径。由于试验时间较短，认为染色区是土壤水分运动的优先路径(含基流)，而未染色区则不是发生土壤水分运动的优先路径。土壤染色示踪剖面观测结果如表2所示。

试验结果表明，染色区域分布为表层聚集型，未染色区域与之相反。F1，F2，F3和F4样地表层染色面积达80%以上的土层厚度分别为0—4 cm，0—6 cm，0—8 cm和0—4 cm。各样地随着土层的加深染色面积迅速减小，土层厚度20—25 cm处染色面积基本稳定到的5%左右，其变化梯度最小为-0.5，最大为-1.9。这说明土壤表层疏松，密度小，孔隙度大，优先路径密集而连续，优先路径网状结构明显。而随着土层递深，由管网丰富密集的立体网状结构优先路径转为集中的纵向细网状结构优先路径。

2.2 生长根根长密度

通过分析优先流染色区和未染色区内植物根长密度的差异，可以说明植物根系对土壤优先路径和优先流形成的影响。试验对4块样地土壤染色区和未染色区内的植物生长根根长密度状况进行了对比研究，如表3所示。

表2 土壤染色示踪剖面观测结果

表3 染色及未染色区植物根长密度比较 m/m3

据表3可知，不同土层染色区的不同径级植物根系根长密度大都大于未染色区相同径级植物根系的根长密度。如在F1样地不同土层，染色区根径为5～10 mm的根长密度分别为73.60，128.80，56.80，15.20 m/m3，未染色区根径为5～10 mm的根长密度分别为52.00，50.80，22.40，0.00 m/m3。未染色区均比染色区根长密度小，说明根长密度越大越容易形成优先路径。这是因为土壤与根系为两种不同介质，其间必定存在一定的孔隙，而土壤中根长密度越大，联通的根系越多、越长，联通的土壤孔隙就越多、越密集，则越容易形成密集的立体网状结构优先路径。

F1和F3样地表层土壤中根径>5 mm的根长密度较其他样地大，而F1和F3样地表层土壤染色面积比最大值和平均值均接近1。说明表层土壤根径>5 mm的根长密度越大，土壤与根系间孔隙越大，联通孔隙越密集，网状结构优先路径越密集，土壤水分入渗能力越强。随着土层深度加大，根径>5 mm的根系的根长密度逐渐变小，土壤根系形成的大孔隙大幅减少，土壤优先路径染色剖面染色区域也急剧变小，优先路径减少。这表明根径>5 mm的根系长度对优先路径的大小和数量起决定性作用。

根径<5 mm的根系根长密度虽然也随深度的增加而递减，但减幅较小，根径<5 mm的根系在一定范围内保持一定的根长密度，这使得由根系形成的小孔隙依然存在并保持一定的连通性。因此，根径<5 mm的根系根长密度的大小对于土壤孔隙的联通有明显作用，根径>5 mm的根系根长密度的大小对土壤孔隙的大小影响显著。

2.3 生长根根重密度

试验对4块样地土壤染色区和未染色区内的植物生长根根重密度状况进行了对比研究，如表4所示。

表4 染色区与未染色区的植物根重密度比较

据表4，就同一样地而言，染色区植物根重密度平均大于相同土层的未染色区，这说明染色区植物根系更粗壮、发达，而优先路径存在于根系粗壮发达的区域。土层越深根重密度越小，这与植物根系生长特点一致，是由根系生长特点决定。就不同样地而言，由于样地植物种及其生长环境不同，植物根系数量和质量存在明显差异的可能性极大。

经初步观察发现，阔叶林样地F3浅层植物根重密度较其他样地偏大，这可能与此三样地乔木郁闭度低而灌草盖度大有关。灌草类植物根系多生长于浅层土中，根系须根发育，根系横向生长，根径<1 mm的根系发育程度远大于乔木表层土壤处根径<1 mm的根系的发育程度。同时，样地中还有大量的乔木植被，这使得该样地表层土壤中根重密度大于其他样地。根重密度较大的样地F3表层染色面积比平均值均接近1，明显区别于样地F1，F2和F4，可以看出根重密度的大小对土壤中孔隙的多少和联通程度有一定关系。

通过进一步对研究区不同样地优先流染色区与未染色区的植物根重密度差异显著性方差分析计算，其结果显示：在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范围内，不同样地两区域植物根重密度具有极显著差异(P<0.05)，统计量F分别为18.90和39.88；其他范围内，二者差异不显著。土壤深度10—20 cm的土层根重密度大，30—40 cm深的土层根重密度小。试验观测剖面染色面积比在30 cm深骤然缩小，在土壤深度10—20 cm和30—40 cm范围染色面积比平均相差32%，优先路径数量迅速减少、联通程度大幅降低，优先路径的染色示踪形态形成较大差异。因此，土壤中植物根重密度的大小与优先路径数量和联通程度正相关，根重密度越大越有利于构成优先路径，有利于形成优先流。

3 结论与讨论

(1) 相同降雨强度条件下，各样地染色示踪剖面染色面积比显示阔叶林地0—6 cm左右的表层土壤疏松，优先路径密集而连续，优先路径网状结构明显。随着土层深度增加至20—25 cm处，染色面积基本稳定到的5%左右，优先路径由密集的立体网状结构转为集中的纵向细网状结构。

(2) 根径>5 mm的根系根长密度的大小对土壤孔隙的大小影响显著。土壤根径>5 mm的根长密度越大，土壤与根系间孔隙越大，联通孔隙越密集，网状结构优先路径越密集，土壤水分入渗能力越强。随着土层深度加大，根径>5 mm的根系的根长密度逐渐变小，土壤根系形成的大孔隙大幅减少，土壤优先路径染色剖面染色区域也急剧变小，优先路径减少。

(3) 根径<5 mm的根系根长密度的大小对于土壤孔隙的联通有明显作用。根径<5 mm的根系根长密度随深度的增加而递减，但减幅较小，并在一定范围内保持一定的根长密度，这使得由根系形成的小孔隙依然存在并保持一定的连通性。

(4) 土壤中植物根重密度的大小与优先路径数量和联通程度正相关，根重密度越大越有利于构成优先路径，有利于形成优先流。各阔叶林地在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范围内，不同样地两区域植物根重密度具有极显著差异(P<0.05)，与体现优先路径的染色面积形态表现一致，染色面积比在30 cm深骤然缩小、优先路径迅速减少。

研究在四面山选择几种常见阔叶林开展试验，以期为优先路径的研究提供新的借鉴和参考。试验过程在一定程度上受土壤密度、土壤含水量、试验样地乔木生长状况等的影响，虽在方法采用上尽管尽量考虑了避免其他因子的干扰，但试验结果和客观情况并不完全一致。提高试验精度，使试验结果从理论上更贴近实际情况，是今后研究的重点内容。

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TheRelationshipbetweenthePlantRootDistributionandPriorityFlowPathsoftheBroad-LeavedForestinThree-GorgesArea

CHANG Dan-dong

(SoilandWaterConservationalMonitorCenter,MinistryofWaterResources,Beijing100053,China)

The study on priority flow paths is an important topic on the underground water movement research. In this paper, the bright blue dyeing tracer test method was used to directly observe and distinguish woodland soil substrate and soil priority path, respectively, and analyze the soil priority flow paths, the root length density and root weight density of the plant in the roots, the formation of the priority flow paths and the referential flow in soil process. The results showed that the more rainfall intensity was, the surface of the priority flow paths dyeing presented the bigger obvious wide area gathered distribution. When the rainfall was 25 mm/d, the average gathered distribution thickness of large area in sample soil dyeing area was 50 cm. It also showed that the root long density of roots > 5 mm affected the soil pore size significantly, and the root long density of roots < 5 mm affected the soil pore linkage obviously. In addition, the value of root weight density of plant in soil was closely related to the quantity and the linkage degree of priority flow paths. The more value of root weight density is, the more preferred priority flow paths formatted, and more preferred priority flow formatted. The root weight density of plant presented very significant difference in 10—20 cm and 30—40 cm soil depth in the different two regions (P<0.05), the priority flow paths suddenly decreased in the depth of 30 cm. It is a new method for study of the priority flow paths.

priority flow paths; root length density; root weight density; dyeing tracer method

2014-08-23

：2014-09-23

国家自然科学基金项目(41271300;30900866)

常丹东(1977—),男,宁夏平罗县人,博士，高级工程师,研究方向:水土保持规划设计、技术标准及规程规范编制、重点工程技术管理、政策研究与制度建设、国际合作与科技成果转化推广。E-mail:dandongchang@mwr.gov.cn

S714

：A

：1005-3409(2014)06-0041-06