红河干旱河谷区典型地类植物根系特征对土壤大孔隙的影响

陈婷婷, 段 旭,2, 赵洋毅,2, 冷 鹏, 邵一敏, 杜云祥

(1.西南林业大学 生态与环境学院, 昆明 650224;2.国家林业和草原局 云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站, 昆明 650224;3.云南省水土保持生态环境监测总站, 昆明 650106; 4.新平彝族傣族自治县水利局, 云南 新平 653400)

干旱河谷地区气候炎热，降雨不均且蒸发量巨大，水土流失严重，水资源利用难度大，属于我国典型的生态脆弱区[1-3]。土壤中大孔隙作为土壤水分运移和径流过程的重要影响因素，在区域水资源管理中发挥重要作用[2-3]。土壤中的植物根系、动物、微生物、水分及人为扰动是导致土壤大孔隙形成的主要因素[4]。研究探明，土壤大孔隙构造直接造成土壤水的运移途径和形式，确定了土壤的保水性、浸透性及导水性等水利特征[5-6]，是影响壤中流及溶质运动的首要影响要素[5-7]。就此，研究相对缺水的干旱河谷区的土壤大孔隙特征具有刻不容缓的科学价值。

目前，土壤大孔隙的探究主要针对土壤大孔隙的空间结构布局特征以及影响因子等方面，最常用的研究方法有扫描法[6]、染色示踪法[8]、树脂填充法[9]、张力渗透仪法[10]、离子示踪法[10-11]和水分穿透曲线法[12]等。土壤大孔隙存在对入渗水和溶质快速传导的非均匀水流运动形式[13]，对生物的生存空间造成了严峻的影响[13-14]。土壤质地[15]、土壤容重[16]、初始含水量[7]、动物孔隙[10]、土壤裂隙[10]、石砾含量[12]以及植物根系[17]等因素共同影响大孔隙的形成，相关研究指出植物根系对土壤大孔隙的形成有密不可分的关系[17-19]。同时大孔隙也能够提高土壤通透性，有助于植被根系生长，有利于植被生存。因此，研究根系对大孔隙的作用，能利于进一步证实土壤水分运动规律及其与植被恢复的关系，为生态环境和谐发展提出理论引导和技术支撑。

以往探究中，国内外学者对土壤大孔隙特征及其对土壤水分运动的作用展开了详细探究[4,6-7,14]，干旱河谷地区缺水严重，生态脆弱，水资源管理使用困难程度大，就此，研究该地域土壤大孔隙特征对当地的生态恢复、水资源保护具有重大启示。本文选取位于红河典型干旱河谷地区的龙潭箐小流域4种地类样地为研究对象，基于水分穿透曲线法对4种地类下土壤的大孔隙数量和半径等特征进行定量研究，同时探究4种地类植物根系特征对土壤大孔隙的影响，为干旱河谷和类似区域的水资源管理、保护以及植被恢复工作提供一定的理论基础和科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地位于云南省玉溪市新平县平甸乡龙潭箐小流域，地理坐标为东经101°50′—101°51′，北纬24°01′—24°03′。年平均气温23.5℃，极端最高气温45.0℃。无霜期为248 d，干湿两季分明，年降雨量的60%以上主要在7—10月，多年平均降雨量900 mm，冬春温和干旱多风，夏秋酷热雨多。试验区属红壤区，主要以红壤为主，易侵蚀，成土母岩以砂岩为主，以亚黏土类碎石，碎石土为主，碎石为风化砂泥岩。龙潭箐小流域内主要为常绿阔叶林，主要成林乔木树种有银合欢[Leucaenaleucocephala(Lam.)de Wit]、云南松(PinusyunnanensisFranch.)、华山松(PinusarmandiiFranch.)等，灌木树种有余甘子(PhyllanthusemblicaLinn.)、悬钩子(RubusidaeusLinn.)等，草本植物以扭黄茅[Heteropogoncontortus(Linn.)P.Beauv.ex Roem.et Schult.]、龙须草[Eulaliopsisbinata(Retz.)C.E.Hubb.]、紫茎泽兰(EupatoriumadenophorumSpreng.)等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集 以研究区内4种典型地类农地、荒草地、园地和林地作为研究对象(表1)，选取高程、坡向、坡度等要素相似性的区块，在各个地类区域内依据地形分别设置4个10 m×10 m或10 m×15 m的固定样地，总计16块。

表1 样地基本情况

1.2.2 水分穿透曲线试验 用专用环刀(直径D=7 cm，高度H=5.2 cm)分5层(每10 cm一层)采集原状土。将采集的原状土放入水里浸泡12 h，随后在粗砂上静置12 h使含水量与田间含水量一致，然后用ST-70土壤水分渗透仪测定水分穿透曲线。通过马氏瓶控制8 cm水头高度，当土柱开始出流时，每隔5 s收集出流量，直到出流量稳定为止。水分出流速率即为区间出流量与5 s时间的比率。当土壤水分与田间持水量一致时，基质势0，这时的水流出流速率取决于压力水头，假设土壤孔隙形状为圆形，根据水分穿透曲线理论[12]，结合流量公式(1)和Poiseulle公式(2)，作水分穿透曲线。

Q=Av=πr2τL/t

(1)

Q=πr4ΔP/(8ητL)

(2)

已知任意时间水流量，结合公式(3)推算相应孔隙半径。将孔隙半径依据一定间隔划分孔隙范围，并演算其均值，利用公式(4)计算相应孔隙数量n[12]。

(3)

Qe=nAv=nπr2τL/t

(4)

式中：Q为单位流量(cm3/s)；A为孔隙面积(cm2)；v为流速(cm/s)；r为孔隙半径(cm)；τ为土柱长度与水流实际路径比值，范围在1.1～1.2，通常取1.2；L为土柱长度(cm)；t为开始加水计时时间(s)；ΔP为压力水头(cm)；η为水的粘滞系数[g/(cm·s)]；Qe为间隔排水量(cm3/s)；n为大孔隙数量。

1.2.3 根系参数的测定 取环刀同时，按层分开收集所有的活根和死亡腐败根，用于研究植被根系情况。用水冲洗去除粘在根系上的泥沙，静置风干后，以根系径级为标准，分别按照直径(d)：010 mm[17]这个5个径级分类，并计算各径级根长密度[17]、根重密度[17]以及贡献度[17]。

(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总长度状况[17]。计算公式为：

qrl=∑Lr/Vsoil

(5)

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

(2) 植物的根重密度是指单位体积土体中植被根系生物量的情况[17]。根重密度愈大，植被根系愈粗大，根系和土壤的接触范围就愈大、产生的缝隙就俞大，可能产生的大孔隙孔径较大[17]。根重密度计算公式为：

qrm=∑Mr/Vsoil

(6)

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

(3) 贡献度是指量定全部土体内5种不同根径的根长密度各自跟总根长密度的比值，得到各个根径对土壤的大孔隙贡献度[17]。

2 结果与分析

2.1 土壤水分穿透曲线特征

如图1所示，4种地类不同土层深度大孔隙的出流速率基本为起始时增大，到60—80 s时出流速率逐渐平稳，大约100 s时趋于平稳。不同地类中土壤水分穿透曲线有明显异同，石砾含量少的样地(农地和荒草地)的土壤出流稳定速率都较低，不同土层的出流稳定速率都小于0.5 ml/s；而石砾含量多的样地(林地和园地)土壤出流稳定速率相对较大[12]，表现为林地>园地>荒草地>农地。同时发现，随土层深度加深，各地类土壤稳定出流速率均逐步减小，土壤稳定出流速率最大值都在0—10 cm土层出现。在深度为40—50 cm土层时平均出流稳定速率最低，4个地类平均出流稳定速率只有0.11 ml/s，而土层深度在0—10 cm时的平均稳定出流速率最高，平均达到0.78 ml/s。这说明诸多因子造成土壤出流稳定速率的改变，或许受植被生长状况、根系对土壤结构的改善影响降低的作用[7]，从而导致土壤稳定出流速率从土壤表层向下逐步减小；同时，土壤出流稳定速率也受石砾的影响[12]，石砾含量与大孔隙协同增长，土壤稳定出流速率随之增大，所以植被根系和石砾分布共同影响土壤稳定出流速率。

图1 不同土层土壤水分穿透曲线

2.2 不同地类土壤的大孔隙特征

由表2可知，4种地类土壤大孔隙的当量半径范围为0.3～3.7 mm，其中最小孔径0.3 mm和水能无限制运移孔隙半径的最低要求相同(d>0.3 mm)[19]。研究区内，荒草地、园地、林地3种地类生物行为扰动较小，土壤各发生层的土壤大孔隙密度为1.383×104～2.477×104个/m2，其中园地40—50 cm层最小，林地0—10 cm层最大。3种地类同一土层中土壤大孔隙密度之间对比：整体趋势为林地>荒草地>园地。以0—10 cm为例，林地最大(2.477×104个/m2)，荒草地最小(2.074×104个/m2)。农地大孔隙密度均值为9.152×103个/m2，是其他3种地类土壤大孔隙平均密度的一半。此外，4种样地中土壤大孔隙密度均随土层深度加深而逐步减少。同时，4个样地中当量半径0.3～1.0 mm范围内的大孔隙数量最多，占大孔隙总量的96%～98%，大于1.0 mm的密度最小，只占小于大孔隙总数的4%。

林地0—10 cm层土壤大孔隙率最大，农地40—50 cm层最小。除农地外，其余几种地类(荒草地、园地、林地)的土壤大孔隙率均超过13%。不同地类各个土层的大孔隙率的整体趋势为：林地>园地>荒草地>农地。林地中的土壤大孔隙率较高是因为土体内植被根系分布广，石砾含量高，土壤疏松的结构，水分下浸途径多样[14]。农地中土壤大孔隙率最小，追其原因是由于人类活动堵截了根孔、洞穴，造成了土体结构的毁坏，降低了大孔隙密度[20]。

2.3 植物根系对大孔隙特征的影响

2.3.1 根长密度对大孔隙的影响 由图2可知，根长密度随土层深度加深，总体有逐渐递减的趋势，同时，土壤大孔隙率随根长密度减小表现为逐渐减小的趋势。根长密度均值随着根径、土层深度加深都出现减小的趋势，土壤表层中分布着大多数的根系[21-22]，4种地类上均呈现010 mm。表明细根系在土壤中占比大，随着根径加粗其根长密度也会随之减小。

由表3可知，农地根径010 mm的贡献度为8.63%。由此可见，不同地类中根径为0

表2 不同地类土壤的大孔隙特征

表3 典型地类不同根径根长密度贡献度 %

2.3.2 根重密度对大孔隙的影响 如图3所示，不同地类不同根径的根重密度随着土层深度加深而逐步减小，其与土壤大孔隙率的发展趋势类似，见前文表2。不同地类的植被根系均多分布于土壤表层当中，因此，表层土壤根重密度较深层土壤根重密度高。林地各土层平均根重密度明显大于其余几种地类(农地、荒草地、园地)的平均根重密度，这可能与不同地类研究点上植被类型及覆盖度有关。同时，林地中大量的乔木植被以及较大覆盖度，使得林地根重密度大于其他样地。

图2 不同地类根长密度在土壤中的分布特征

随土层深度的加深，农地不同根径根重密度均逐步减少，且未见d>5 mm的根系，表明农地作物根径较小，农地土壤大孔隙率也较其他几种地类的小；随土层深度的加深，荒草地各根径根重密度都逐渐减少，35 mm范围的根系各层土壤中均未出现；随着土层深度加深，园地d<3 mm的根系根重密度逐步减少，35 mm范围的根系整个土体中均未出现；随着土层深度加深林地各径级根系根重密度均逐渐减少。

由表4可知，农地根径为05 mm的根系，说明农地根系径级d≤5 mm的根系根重密度对土壤大孔隙的形成具有重要作用；荒草地根径为00.05)，说明荒草地根径d≤5 mm的根系根重密度对土壤大孔隙的形成有影响作用，但不明显，土壤大孔隙的形成与根径为510 mm的根系；园地根径为d≤1 mm的根系根重密度与土壤大孔隙率有显著相关关系(p<0.05)，10.05)，说明园地土壤大孔隙的形成与根径d≤5 mm的根系有关联关系，根径为510 mm的根系；林地根径为d≤1 mm的根系根重密度与土壤大孔隙率有显著相关关系(p<0.05)，根径为15 mm的根系根重密度与土壤大孔隙率无相关关系(p>0.05)，说明林地土壤大孔隙的形成与根径d≤5 mm的根系有关联关系，土壤大孔隙的形成与根径d>5 mm的根系没有关联关系。

3 讨 论

基于水分穿透曲线法对干旱河谷地区4种地类土壤大孔隙的特征和分布与土体中根系特征关联开展探究。干旱河谷区土壤大孔隙的当量半径范围为0.3～3.7 mm，其中最小孔径0.3 mm和水能无限制运移孔隙半径的最低要求相同(d>0.3 mm)[19]，孔径范围与Beven[4]、王红兰[13]等的研究结果一致，比时忠杰等[12]分析得到的孔径区间0.4～2.3 mm更宽。当量半径0.3～1.0 mm的孔隙数量最多，孔径>1.0 mm的孔隙数小于总大孔隙数的4.08%。各个地类土壤的大孔隙数量与大孔隙率相比较：林地>园地>荒草地>农地。此外，人类耕种活动毁坏了土壤构造，大孔隙数量急剧减少，其在农地中仅为9.15×103个/m2，比荒草地、园地和林地的大孔隙密度均值1.912×104个/m2少一半左右。

图3 不同地类根重密度的分布

表4 根重密度与土壤大孔隙率的相关关系

从本研究上看，几种不同地类的土壤水分穿透曲线呈现逐渐增大再趋于稳定的变化趋势，在60～80 s逐渐平稳，所有样地均在40—50 cm土层深度时平稳出流速率最小，4个样地稳定出流速率均值只有0.11 ml/s，而0—10 cm土层深度时的平稳出流速率最大，平均达到0.78 ml/s。其中林地0—10 cm土层的稳定出流速率(1.485 ml/s)为40—50 cm(0.085 ml/s)的17倍。多种因素共同影响土壤出流速率，受到土壤结构、石砾含量[12]、植被根系[17]、根孔[17,23]、动物活动通道[23-24]、人为活动(耕作)[25]以及由于干湿交替[26]和冻融交替[4,26]引发的土壤裂隙等作用影响。

根系特征作为影响土壤大孔隙形成的重要因素之一[17]，相关研究表明根系特征可以间接反映土壤内孔隙的数量、直径和大小，土壤大孔隙率随土层深度的增加呈现降低的趋势[27]，本文将不同地类植物根长密度和根重密度与土壤大孔隙率进行拟合，得到不同根径的根长密度同根重密度与土壤大孔隙率的相关关系，结果表明细根系根长密度对大孔隙形成的具有贡献度，细根系的根重密度对土壤大孔隙的形成具有显著相关性。随土层深度递增4种地类植物不同根径根长密度及根重密度均降低。主要原因为土壤表层中聚集着大多数根系，根系在深层土壤中占比较少。4种地类根径0

土壤大孔隙与土壤优先流的形成密切相关，用来分析干旱河谷地区土壤水分运动和溶质运移规律是合理的。土壤中大孔隙的形成与植被根系及根孔有关联。本文定量分析根系与土壤大孔隙形成的关系，但影响土壤大孔隙形成的因子复杂多变，今后研究土壤大孔隙的重点应放在对土壤大孔隙特征和环境因子对其影响的量化分析上，进一步明晰土壤大孔隙的形成原理，以期为红河干旱河谷地区水资源管理、保护以及植被恢复工作提供理论基础和科学依据。

4 结 论

(1) 4种地类样地土壤水分穿透曲线的稳定出流速率表现为林地>园地>荒草地>农地，各地类间存在显著差异(p<0.05)，土壤各层水分穿透曲线总体发展趋向一致，均为先增加，一段时间后趋于稳定的规律，表层出流速率均大于深层。因此，不同地类并不能控制土壤水分运移的整体发展规律，但影响水分稳定出流速率。

(2) 4种地类土壤大孔隙的当量半径在0.3～3.7 mm范围内，其中，0.3～1.0 mm的密度最大，占大孔隙总数量的96%以上，大于1.0 mm的密度最小，只占小于大孔隙总数的4%；大孔隙密度为1.383×104～2.477×104个/m2，4种地类中大孔隙密度与大孔隙率都随着土层深度的增加而逐渐降低，整体趋势表现为林地>园地>荒草地>农地。

(3) 4种地类样地中植物根长密度和根重密度都随着土层深度的递增表现为减小的趋向；细根系(根径d<1 mm)对土壤大孔隙的形成有高贡献度，而相对较粗的根系(根径d>1 mm)对土壤大孔隙的形成贡献度较低。

(4) 根径范围d≤1 mm，1