落叶松人工林根系对土壤优先路径的影响*

戴正宇，孙冬林，沈欢，艾力夏提·库尔班，辛颖

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

土壤优先流是土壤中水分及溶质运移的一种方式，属于非平衡流[1]，有大孔隙流、环绕流、指流以及管流等存在形式[2]。优先路径与优先流相匹配，它是水分及其溶质在土壤中运移的通道。优先路径是由土壤自身物理、化学性质导致其干缩和膨胀形成的裂缝和孔隙，亦或是在动植物生命活动下形成的通道[3]。优先路径的存在可以加速土壤中水分及其溶质的运移速度，从而影响结构性土壤的水分交换与补给能力[4]，进而对地下水资源的评价等起到指导的作用[5]。土壤中水分的运移过程一直是土壤学研究的重点与难点[6]。影响优先流的因素有很多，如土壤的物理和化学性质[7-8]、植物根系[9]、土壤动物[10]和石块[11]等。林木根系在土壤中占据重要地位，对土壤的理化性质具有明显的改良作用[12]，植物根系通过在土壤内部形成巨大的网络结构，形成许多根系通道，进而加速优先流的进程[13]。根长密度和根系生物量是衡量林木根系的重要指标，可以用来分析根系对优先路径的影响程度。分析根系与土壤优先路径之间的关系，有助于明确土壤水分运移的规律。

落叶松(Larixgmelinii)人工林作为帽儿山阿什河流域典型的水源涵养林之一，具有很高的生态价值，尤其是在涵养水源方面[14-17]。但水分如何在林地土壤中快速运移，受哪些因素影响还有待研究。目前国内对于落叶松林内土壤优先流的研究较为有限，仅有吕刚等[18]在辽宁省浑河源头发现落叶松林内存在有明显的优先流现象发生并与根系存在有密切的关系。本文以帽儿山实验林场的落叶松人工林为研究对象，采用野外染色示踪法，研究落叶松人工林根系对土壤优先路径的影响，以期促进该地区水源涵养林涵养水源机理的研究，为水源涵养林的经营提供参考。

1 材料与方法

研究地点位于黑龙江省尚志市帽儿山实验林场(45°20′～45°25′N、127°30′～127°34′E)，林场占地26 496 hm2，地处松花江支流阿什河源头，属于长白山系张广才岭西坡余脉，东西距离约20 km，南北大约30 km。地貌为低山丘陵，地势由南向北升高，植被属于长白植被区系，平均坡度8～15 °。属温带季风气候，平均温度2～3 ℃。年降水量700～800 mm，年蒸发量1 000～1 200 mm，年平均相对湿度70%。主要土壤类型为典型暗棕壤。帽儿山地区具有丰富的水资源，沟溪众多。该区森林覆盖率为70.2%，在历史上该地原始植被遭受到重大破坏，后期经过人工恢复，形成了目前以白桦林(Betulaplatyphylla)为主的天然次生林与落叶松、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和红松(P.koraiensis)等人工林镶嵌分布的森林景观[19-21]。主要灌木植物有忍冬(Lonicerajaponica)、卫矛(Euonymusalatus)、鼠李(Rhamnusdavurica)、山葡萄(Vitisamurensis)，主要草本植物有细辛(Asarumheterotropoides)、木贼(Equisetumhyemale)、小玉竹(Polygonatumhumile)等。

2 研究方法

2.1 野外染色示踪试验

2020年10月，在帽儿山实验林场老山试验站内进行踏查，在具有代表性的落叶松人工林内设置1个20 m×20 m标准样地。落叶松人工林林分郁闭度为0.7，林分内落叶松平均胸径为25.85 cm，平均树高为28.08 m。在标准样地内选择3个与周围乔木基本等距的试验点。

在不扰动枯落物层下部土壤的情况下除去试验点顶部的枯枝落叶。将长宽均为100 cm、高为60 cm的铁框埋入土中50 cm，用橡胶锤将铁框内壁5 cm以内的土壤夯实，防止示踪剂的渗漏。采用模拟自动降雨装置将25 L 4.0 kg/m3的甲基蓝溶液均匀喷洒在铁框内。然后用塑料布覆盖于铁框上，防止染色试验期间其它水分输入。

2.2 染色图像的获取

试验24 h后取掉铁框，去除四周受干扰的土壤，将其修成0.8 m×0.8 m的土壤剖面。将标准灰阶比色卡放置在去除掉浮土的剖面旁，并用标尺标注剖面的长度，控制光线用数码相机(索尼α7)拍摄垂直染色剖面，重复拍3次，并标记最大染色深度。以10 cm为土层深度单位，垂直向下挖掘土壤剖面，分别拍摄各层土壤水平剖面染色图像。

2.3 根系的测定

在挖掘土壤染色剖面的过程中，收集各土层的全部根系并带回实验室。将根系按照染色与未染色分开，清洗根系至表面的泥土全部洗净，后将根系在遮阴处进行晾晒。用游标卡尺将染色与未染色的根系分为5个径级(d<1 mm、1 mm 10 mm)。用WinRHIZO软件测定根长，计算根长密度和各径级根系的贡献度。将根系置于85 ℃的烘箱中烘干12 h，称重，计算根系生物量。

根长密度计算公式[22]如下。

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)。

根系生物量计算公式[22]如下。

式中：qrd为根系生物量(kg/m3)；Md为某径级根系干质量(kg)；Vsoil为土壤体积(m3)。

贡献度是各径级根系根长密度占全部根长密度的百分比[22]。

根系生物量染色百分比(%)=各径级染色根系的生物量占总根系生物量的百分比。

2.4 图像处理

将获取的土壤剖面图像用PS(Adobe Photoshop CS6)软件进行处理，调节亮度、饱和度，将图像转换为黑白图像，黑色代表染色区域，白色代表未染色区域[23-24]。之后利用ArcGIS(Arc Map10.4)软件对土壤横剖图像进行处理并计算染色面积：将图像导入，通过重分类工具将图像划分为黑色至白色共5个颜色区段(每个区段显示其界限值)。之后利用栅格计算器工具，对图像进行二值化处理，并进行染色面积百分比的计算[25]。

染色面积百分比作为描述优先流的重要指标，是土层中染色区域面积占该土层总面积的百分比，可以表示土层的染色分布状况[26]。其计算公式如下。

式中：W为土壤染色面积比；S0为染色区染色像素点个数；S为剖面总像素点个数。

3 结果与分析

3.1 土壤优先流分布特征

土壤最大染色深度是土壤中水分及溶质所能达到的最大入渗深度，它可以描述水分的运移过程以及优先流的空间形态特征[26]。

如图1所示，黑龙江省东部山地落叶松人工林土壤存在明显的优先流现象，优先路径呈管状和指状，最大染色深度为34 cm。在0～2 cm土层中，土壤染色均匀，从>2 cm土层开始出现优先路径。在5～10 cm土层，由于落叶松粗根系的存在，在粗根系周围有大量示踪剂通过。在10～30 cm土层，优先路径明显且具有良好的连通性，染色示踪剂随着优先路径垂直或弯曲地快速下移，此区域根系的大量存在促进了优先路径的形成。

如图2所示，落叶松人工林染色面积百分比随土层深度的增加整体上表现出下降的趋势。2 cm处染色面积比为78.41%，优先流区大部分位于剖面的边缘区域，该区域内可见大量根系以及根孔的存在；在剖面中间区域，可明显观察到粗大根系的存在，染色土壤主要分布在根系周围。10 cm处土壤染色面积百分比为70.92%，比2 cm处下降7.49%，优先流主要分布于左上及中右侧区域，在此区域可见大径级根系以及死根系的分布。20 cm处土壤染色面积比较上一层增加0.43%，优先流主要分布于左下区域，该区域存在大径级根系的孔洞，说明大径级根系促进了此区域水分的下移。30 cm处土壤染色面积比下降6.75%，在此土层可见根系孔洞周围的染色情况明显强于其它染色区域。40 cm深处土壤与上一层相比染色面积比下降了28.25%，染色区域主要分布于边缘区域，且在此土层根系含量少，存在部分石砾，在石砾周围染色较深，说明石砾对于优先流的发生也具有一定的促进作用。

落叶松人工林土壤优先路径交错存在于土壤之中，具有环绕和侧向入渗的特征。

图1 落叶松人工林土壤染色纵剖面Fig.1 Longitudinal section of soil staining in Larix gmelinii plantation

3.2 落叶松人工林根长密度特征

由表1可知：落叶松人工林根长密度随土层深度的增加而降低。根系径级从d<1 mm到d>10 mm的5个径级的根系根长密度在土壤剖面中的贡献度变化依次为71.21%、24.01%、2.28%、1.90%、0.60%。

在2～10 cm土层中，分布着大量细根，随着根系径级的增大，根系总量在降低，d<1 mm的根系最多，其根长密度高达3 298.100 m/m3，远大于其余四个径级之和；d>10 mm的根系根长密度最小，其根长密度仅有7.188 m/m3；d<3 mm的根系占该土层总根长密度的97.06%。d<1 mm到d>10 mm各径级根系根长密度在染色区与未染色区的比值为1.56、1.47、3.44、12.31、17.71。在10～20 cm土层中，总根长密度是2～10 cm土层的41%；d>5 mm根系的染色区根长密度大于未染色区；根长密度在染色区与未染色区的比值为0.79、0.85、0.71、1.51、1.57。在20～30 cm土层中，不同径级根系根长密度随径级的增大而减少；根长密度在染色区与未染色区的比值为0.50、0.57、1.34、3.27、0.73。30～40 cm土层根系根长密度总量为140.048 m/m3，是上一层的18%，是第一层3%；d<1 mm与1 mm

图2 落叶松人工林土壤染色横剖面注：A.2 cm染色剖面土层,B.10 cm染色剖面土层,C.20 cm染色剖面土层,D.30 cm染色剖面土层,E.40 cm染色剖面土层Fig.2 Soil staining cross-section in L.gmelinii plantations

落叶松人工林根系分布于0～40 cm土层。d>3 mm的根长密度在染色区基本上均大于未染色区，尤其是3～5 mm径级的根系。这是因为落叶松人工林主根系主要分布于土壤0～30 cm土层，随着土层深度的增加，根系逐渐减少[27]；根系的存在能够有效改善土壤理化性质，从而产生优先路径[12]。

表1 落叶松人工林根长密度分布特征Tab.1 Characteristics of root length density distribution in L.gmelinii plantations m/m3

3.3 落叶松人工林根系生物量特征

由表2可知，10～20 cm土层落叶松人工林根系生物量最大，总量达到了3 789.115 g/m3，其次是2～10 cm土层，其生物量为3 116.276 g/m3，20～30 cm土层根系生物量为2 276.823 g/m3，30～40 cm土层根系生物量仅为333.490 g/m3。

表2 落叶松人工林根系生物量特征Tab.2 Root biomass characteristics of Lari.gmelinii plantations g/m3

在2～10 cm土层中，生物量最大的是5～10 mm根系，生物量达到了1 110.872 g/m3，其次是3～5 mm根系，再次是大于10 mm根系；根系径级在3 mm以上的根系生物量占该层总量的75.43%；此层中各径级(由d<1 mm到d>10 mm,下同)根系生物量在染色区与未染色区的比值为1.59、1.57、1.70、3.38、29.56。10～20 cm土层中，根系生物量随着径级的增加而增加，径级大于10 mm根系的生物量达到了1 564.740 g/m3；根系生物量在染色区与未染色区的比值为0.99、1.02、0.46、1.16、3.35。20～30 cm土层，大于10 mm根系的生物量最大，为1 003.490 g/m3；根系生物量在染色区与未染色区的比值为0.66、0.83、1.18、1.50、0.35。30～40 cm土层，径级大于10 mm的根系生物量最大，达到了229.844 g/m3；d<1 mm与1

落叶松人工林的根系生物量主要分布于0～30 cm土层之中，各土层根系生物量随径级增加大致呈现出上升的趋势，d>5 mm根系的生物量均占各土层总生物量的50%以上，这是因为落叶松对生物量的分配是粗根大于细根[28]。从整个土层来看，根系生物量在染色区的分布随着土层深度的增加逐渐小于未染色区。这可能是因为根系总量的减少、土壤容重的增加，导致土壤孔隙度的降低[29-30]，而优先路径的数量可能也因此减少。

3.4 根系生物量染色百分比

各径级在不同土层下的根系生物量染色百分比分布见图3。

图3 根系生物量染色百分比的分布特征Fig.3 Percentage distribution of root biomass staining

图3中实心点代表染色百分比大于50%，空心点则代表染色百分比小于50%。在2～40 cm土层范围内，落叶松人工林根系生物量染色百分比大于50%所占比例为50%，多分布于2～20 cm土层，尤其是2～10 cm土层，在此土层所有径级的根系生物量染色百分比均大于50%，说明优先路径出现在根系生物量较大区域的可能性更大，且d>3 mm的根系其生物量对于优先路径的产生影响更大。根系生物量染色百分比随土层深度的增加而减少，可能是因为在>30 cm的土层中，土壤容重的增加、根系与土壤孔隙度的减少等因素造成的[27,29]。

3.5 根系特征与土壤优先路径的关系

对染色根长密度、染色根系生物量、总根长密度以及总根系生物量同染色面积的百分比进行Person分析，结果(表3)表明：落叶松人工林根系特征同土壤优先路径联系密切。

d>1 mm根系的染色根长密度与染色根系生物量同染色面积百分比相关性较好，其中d>10 mm的染色根长密度同染色面积百分比的相关性最强，3 mm10 mm的总根长密度与总根系生物量同染色面积百分比的相关性较差。说明5 mm

表3 根系指标与染色面积百分比相关系数Tab.3 Correlation coefficients between root system indicators and percentage of stained area

4 讨论与结论

4.1 讨论

根系是植物吸收利用土壤中的水分及营养物质的工具。根系的生命活动可以有效地改善土壤的物理性质，特别是影响土壤孔隙度以及团聚体的形成[31]。根系的存在使得土壤容重变低[31-32]，产生的土壤孔隙变多，甚至是产生土壤孔洞，土壤水分与溶质地快速运移正是通过这些孔洞来完成的[33]，土壤孔洞有助于提高土壤水分下渗，从而加强林地涵养水源的能力，避免水土流失[34-36]。在本研究中，落叶松人工林的根系在土壤中主要分布于土壤0～30 cm土层中，在30～40 cm层中根系含量较少，且根长密度和根系生物量大体上随土层深度的增加而减少，这与Lipiec等[37]、Mosaddeghi等[38]和 Bonger等[39]的研究结果相同。落叶松人工林存在明显的优先流现象，主要以管流和指流的形式存在，具有侧向入渗与环绕的特征。在0～30 cm土层，土壤优先流显著区域均有根系的分布，这与Bengough[40]的研究结果(水分和溶质在根系附近出现的概率大)相符，同张英虎等[41]在北京鹫峰国家森林公园的研究结果相一致。这是因为根系大量分布于此土壤深度范围内，落叶松人工林d<3 mm的细根系在此深度范围内中均占根系总量的90%以上，细根系具有强大的周转率，在死亡后更容易形成优先路径，促进优先流现象的发生[25,42]。在30～40 cm土层中石砾含量增加，对于土壤优先流也有着一定的促进作用[43]。本研究显示，染色面积百分比随土层深度增加整体上呈现下降趋势，且在深度>30 cm之后，染色面积百分比显著降低，分析原因可能是因为深层土壤容重增大，染色剂与根系的含量大幅减少，导致染色面积百分比的降低，这与王赵男等[44]研究结果相同，与邵一敏等[45]的研究结果略有出入，分析原因可能是黑龙江东部山地同金沙江干热河谷区的地形、土壤以及植被等因素不同所导致。

本研究对落叶松人工林土壤优先流的研究仅限于根系特征，还有很多的影响因素能够对优先流产生影响，例如石块，土壤结构，土壤化学性质以及外界干扰等，在今后的研究中，应结合多种因素开展综合分析。

4.2 结论

黑龙江省东部山地落叶松人工林土壤存在明显优先流现象，最大染色深度为34 cm，主要以指流和管流为主，具有侧向入渗和环绕的特征，根系的大量存在促进了优先路径的形成。落叶松人工林根系主要分布于0～40 cm土层中，根长密度随土层深度的增加而减少，d<3 mm根长密度的贡献度高达95.22%。落叶松人工林总根系生物量为9 515.704 g/m3，根系生物量呈现先上升后下降的趋势，其中10～20 cm土层根系生物量总量高达3 789.115 g/m3。优先路径出现在根系生物量较大区域的可能性更大，d>3 mm的根系生物量对于优先路径的产生影响更大。落叶松人工林1～10 mm根系的根长密度与根系生物量对于优先路径的产生具有一定的促进作用，尤其是3～5 mm径级的根系对于优先路径的产生影响最大。