利用染色示蹤法研究四面山兩種林地優先路徑分布特征

魏虎偉， 程金花， 杜士才， 李輝乾， 徐貴來， 張 欣， 田香姣

(1.北京林業大學 北京市水土保持工程技術研究中心， 北京 100083； 2.重慶市林業局， 重慶 401147)

利用染色示蹤法研究四面山兩種林地優先路徑分布特征

魏虎偉1， 程金花1， 杜士才2， 李輝乾2， 徐貴來1， 張 欣1， 田香姣1

(1.北京林業大學 北京市水土保持工程技術研究中心， 北京 100083； 2.重慶市林業局， 重慶 401147)

摘要：[目的] 研究不同林種土壤的優先路徑分布特征，為土壤水的高效利用以及植物生長環境改善等方面的研究提供理論參考。[方法] 以重慶四面山張家山的針闊混交林和楠竹林為研究對象，在林地土壤存在優先路徑的情況下，運用染色示蹤法研究了水分及溶質的運移，并對采集的垂直剖面染色圖像進行處理分析。[結果] 兩種林地對水分入滲的響應不同，染色路徑寬度和染色路徑數量在同一剖面不同深度處及不同剖面同一深度處均呈現明顯的異質性: (1) 針闊混交林染色路徑寬度曲線呈“倒階梯型”; (2) 楠竹林染色路徑寬度曲線呈S形。兩種林地的土壤優先流寬度和數量在一定范圍內均隨著深度增加而逐漸下降。[結論] 兩種林地均存在優先流現象，隨著深度增加優先流路徑不均勻遞減，在0—20 cm深度內，植物根系對土壤優先流影響較大。

關鍵詞：優先流； 染色示蹤； 染色路徑寬度； 染色路徑數量

優先流是一種非平衡流，是土壤學家針對土壤平衡入滲流而提出的[1-2]，而優先路徑是指水分及其溶質在多孔介質中繞過土壤基質優先傳導的通道[3]。在自然土壤中，優先路徑普遍存在，無論農田灌溉還是天然降雨，只要水分經過土壤滲透區都會產生優先流。研究優先流最常用的方法是染色示蹤法，Kathleen[4]等人通過溴化物和示蹤劑相結合的方法研究了人工濕地養分通過優先流的方式傳輸過程及其速率，Edward[5]等運用熒光粉結合一個二維物理模型的方法研究了染色劑分區運移及其與非水性液體之間的作用。目前常用的染料為亮藍，不僅因為它的廉價性，還因為它具有無毒，顯像性強的特點，能夠很直觀地顯示整個土壤剖面中優先流路徑的空間分布[6]。王康等人[7]基于碘—淀粉染色和亮藍染色兩種方法研究了異質土壤水分遷移及其與大孔隙之間的關系，孫龍等[8]人通過亮藍染色研究了不同林齡柑橘地中大孔隙與優先流的關系，王彬儼[9]等人研究了農地中大孔隙數量特征。但是，目前優先流的研究方法沒有統一的標準，由于優先流具有局域特性、土壤異質性以及研究過程中針對優先流過程及優先流空間三維結構專業設備很少，導致優先流研究進展緩慢，直到目前優先流運動機理尚未明確。有少部分學者使用TDR[10]、多傳感電容探針[11]進行連續觀察優先流過程，分析優先流的濕潤峰以及其他影響因素，對優先流的研究具有促進意義。對于森林而言，優先流路徑的存在可以降低地表徑流的發生，提高水資源的利用率；同時可促進植物根系的生長，增加土壤有機質含量，對改善植物的生長環境具有積極意義。本研究采用亮藍做染色示蹤劑，在重慶四面山張家山林區選擇針闊混交林和楠竹林作為研究對象，分析不同林地以及同一林地在垂直方向的優先流路徑特征。

1研究區概況

研究區設在重慶市四面山張家山林區，28°31′14″—28°46′00″N，106°17′22″—106°30′00″E,海拔900～1 500 m。屬于熱帶季風性濕潤區，雨季多集中在5—9月，多年年均降雨量1 522.3 mm，最高月平均氣溫為31.5 ℃(8月)，最低月平均氣溫-5.5 ℃(1月)，全年無霜期為285 d，多年平均日照時數為1 082.7 h。研究區內林地土壤類型主要是黃棕壤和黃壤，呈微酸性至酸性。

試驗地分別選取針闊混交林和楠竹林，其中針闊混交林主要植被有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、木荷(Schimasuperba)、酸棗(Ziziphusjujuba)、烏蕨(Stenolomachusanum)等；竹林主要植被有楠竹、山梅花(Philadelphusincanus)、繡球(Hydrangeamacrophylla)、豬頭紅(Sarcopyramisnepalensis)、粽葉狗尾草(Setariapalmifolia)等。

2研究方法

2.1　原位染色、圖像采集

在針闊混交林和楠竹林林內確定地表較完整，人為干擾小的地塊作為試驗點，每種林地各選取2個樣點，在選定的試驗點剔除表層未分解的枯枝落葉、碎石等，同時減少清除過程中人為擾動對表層土壤結構的破壞，以免影響試驗效果。然后將長×寬×高為70 cm×70 cm×50 cm的鐵框埋入土中20 cm，為了防止亮藍溶液沿鐵框下漏，用木棰搗實距鐵框內壁5 cm 范圍內的松動土壤。將12 L濃度為4 g/L的亮藍溶液噴灑在鐵框50 cm×50 cm范圍內，24 h后，每10 cm為一層開挖垂直土壤剖面，將亮藍染色的區域命名為優先流發生區，每一個剖面都采用500萬像素相機拍照，并在剖面邊緣設置刻度尺保證剖面規格一致，每個剖面開挖的最大深度都超過染色區域10 cm，以保證垂直剖面完整。

2.2　圖像處理

利用photoshop-cs5將采集的剖面圖像依據圖片上的刻度截取50 cm×50 cm的區域，通過變形、扭曲、曝光校正因拍攝所造成的拍攝角度、距離、受光不均勻所造成的缺陷。設置照片像素為1 890×1 890，保證照片面積和像素一致。將校正后的圖像進行顏色替換、調整閥值，使染色區為黑色、染色區變為白色。然后導入image pro plus圖像分析軟件，進行filter-enrode-dilate,segmemation處理，簡化照片屬性信息，使其二值化(0和255)。然后通過bitmap analysis導入Excel中進行后期數據處理。

2.3　數據處理

運用圖像處理得到的Excel數據計算染色路徑寬度、染色路徑數量。王偉等人[12]也進行染色路徑研究，但所選尺度較大(1 cm深度)，無法在細微尺度上說明優先流的變化規律，所以本文計算每1 mm土壤深度染色路徑寬度，通過統計各個土壤剖面的垂直深度上每1 mm優先流發生區域像素數值，求取每種林地剖面的平均值；染色路徑數量是通過統計每1 mm深度范圍水平方向上染色區與未染色區間隔數，每一個間隔稱為一條獨立染色路徑，然后通過做圖分析優先流染色路徑寬度和路徑數量隨深度的變化趨勢。

3結果與分析

3.1　不同林地染色路徑寬度計算

染色路徑寬度是指在某一指定深度處，被染色的優先流區域所占的寬度(mm)。通過Excel數據計算針闊混交林和楠竹林各個垂直剖面每1 mm深度染色路徑寬度，圖1為針闊混交林和楠竹林各個垂直剖面染色路徑寬度；通過各個剖面染色路徑寬度求取5個剖面的平均染色路徑寬度，圖2為兩種林地平均染色路徑寬度。

3.1.1針闊混交林土壤剖面染色路徑寬度變化規律從圖1可以看出，針闊混交林各個剖面的染色路徑寬度隨著土壤深度的增加逐漸下降，下降幅度相對較快，在0～10 mm范圍內，各個垂直剖面染色路徑寬度平均達450 mm以上。所有剖面的染色路徑寬度均在10 mm深度處處達到最大值，分別為473.21，476.58，459.06，436.64，406.87 mm，分別占對應寬度(500 mm)80%以上，10 mm以下各個剖面的染色路徑寬度開始明顯下降。由于土壤大孔隙的連通性，使得土壤水分發生側滲，染色路徑寬度并不是隨著土壤深度增加而單調遞減，在局部深度范圍區域染色路徑寬度會出現反彈。剖面1在180 mm處染色路徑寬度變為0，直到250 mm染色路徑再次出現，從試驗現場觀測得知是因為在250 mm處出現一根徑較大的植物根系，使得染色再次出現。剖面4染色路徑寬度也呈現下降趨勢，變化幅度較大，整個曲線出現雙峰值，在172 mm處出現第二個的峰值，染色寬度達311.50 mm。剖面2，3，5染色路徑寬度均隨著土壤深度的增加而下降，下降趨勢較急，說明優先路徑在剖面發育良好，隨著土壤深度增加，優先流快速滲入地下，表現出優先路徑的連貫性和優勢性。

注：圖中(1)，(2)，(3)，(4)，(5)分別代表不同的染色剖面。下同。

3.1.2楠竹林土壤剖面染色路徑寬度變化規律由圖1可以看出，楠竹林所有剖面的染色路徑寬度隨土壤深度的增加逐漸下降，但每個剖面染色變化波動較大，在20和120 mm左右出現峰值，各個剖面峰值分別為416.13和123.01 mm，429.03和383.53 mm，299.40和253.04 mm，343.58和194.31 mm，269.17和322.15 mm。楠竹林所有剖面染色路徑寬度變化趨勢都不呈現單調下降，在50 mm深度處出現路徑寬度拐點值，在60—210 mm深度范圍內出現反彈，曲線整體呈S形分布。楠竹林林地土體染色路徑出現的最大深度集中在240—300 mm，導致表層土壤較疏松，水分很容易發生側滲，亮藍溶液停留在表層土壤。

3.1.3兩種林地土壤平均染色路徑寬度曲線對比從兩林地的平均染色路徑寬度來看(圖2)，在0—50 mm深度范圍內，染色路徑寬度先增大后減小，可能是因為在表層剖面邊緣不整齊使得圖像處理出現誤差，使得0 mm深度處染色寬度不等于500 mm。在20 mm處出現一個寬度拐點，拐點以下深度，兩林地優先流活動較活躍。隨著深度的增加，針闊混交林的染色路徑寬度逐漸下降，說明水分在混交林土壤中開始沿著某些固有的路徑繞過上層土壤基質層，快速流入深層土壤中儲存，針闊混交林染色路徑的下降趨勢較楠竹林劇烈,整個曲線呈現“倒梯形”。楠竹林同樣隨著土壤深度的增加染色路徑寬度逐漸下降，在50 mm深度以下，楠竹林的染色路徑寬度在60—210 mm范圍內出現明顯反彈，說明楠竹林主要發生側滲流，不斷延伸水平范圍內的染色路徑寬度。

注：(1) 代表混交林； (2) 代表楠竹林。

3.2　不同林地土體染色路徑數量計算

染色路徑數量是指在某指定深度處，染色部分與未染色部分之間出現的間隔數[13]，本試驗統計染色路徑數量基于1 mm深度范圍水平方向上的間隔數。

3.2.1針闊混交林土壤中染色路徑數量變化針闊混交林的5個染色剖面染色路徑數量如圖3所示。由圖3可以看出，各個染色路徑數量范圍為0～470條，每個剖面染色路徑數量出現峰值的位置均不同，但都集中在0—15 mm深度范圍內，說明在此深度范圍內水分流動分化較嚴重。隨著深度的增加，各個剖面的染色路徑數量都呈現逐漸下降的趨勢，其中剖面2和剖面4再次出現雙拐點，但二者出現的位置截然相反，這說明大孔隙及其優先路徑的復雜性以及異質性，即使在很小尺度范圍的土體深度內，水分在土壤中下滲過程均不一樣。

3.2.2楠竹林土壤中染色路徑數量變化從圖3可以看出，與針闊混交林相比，楠竹林的所有剖面的染色路徑數量都較小，除剖面2路徑數量最大值出現在135 mm處，其余剖面均在表層范圍內達到最大值，這也說明了大部分剖面在土壤表層的水流形態分化最為嚴重。在60—180 mm范圍內，染色路徑數量曲線出現較大反彈，均在180 mm處開始急劇下降，這說明隨著土壤深度的增加，優先路徑數量逐漸減少,優先路徑并不完全連續，可能由于土壤動植物的活動導致優先路徑的斷裂。

圖3　兩種林地染色路徑數量

3.2.3兩種林地平均染色路徑數量比較通過圖4對混交林和楠竹林各個剖面染色路徑平均數量隨著深度的變化規律進行分析，兩個剖面的路徑數量變化趨勢一致，整體均呈現逐漸下降的趨勢，在土壤表層兩種林地水流分化程度均較嚴重，隨著土壤深度的增加，針闊混交林路徑數量下降趨勢較急，楠竹林總體趨勢下降平緩。每種林地的路徑數量曲線都出現不同程度的波動現象，說明優先流路徑隨著土體深度的增加變化不穩定。

注：(1) 代表針闊混交林； (2) 代表楠竹林。

3.3　動植物活動對優先流的影響

豐富的林地植被對大孔隙的形成以及穩定性具有決定作用，枯落物、植物根系分泌物、土壤中大的塊石以及林地中植物細小的根系能夠固定周圍土體形成團聚體，圖5a,5b顯示了植物根系在染色剖面縱橫交叉的情況，在染色區域穿插很多較大的植物根系，在試驗過程中被亮藍染成藍色；圖5c說明了根系對亮藍的“通道”作用，圖5d說明了腐爛根系和裂隙也會成為水分下滲的優先路徑。相比針闊混交林土壤染色區和未染色區的根系情況，在楠竹林中，木本植物根系較稀疏，而草本植物生長茂盛，雖然單個根系直徑遠小于木本植物根系，但由于草本植物生長年限低于木本植物的生長年限，故而它具有龐大的數量，所以在大量的草本植物死亡后根系也會腐爛，形成大量細小的孔隙，對水分入滲起到至關重要的作用。而針闊混交林的草本植物較稀疏，主要為木本植物根系，根系生長以縱向生長為主，這為優先流的發展提供了便利，其次植物根系和根系分泌物也是食根性動物和根系寄生生物的主要食物來源，根系的生長狀況會影響到這些土壤動物的數量，而這些動物的活動會改變其活動范圍內的土壤養分進而影響植物根系的生長。說明植物根系對亮藍下滲有一定的影響作用。

圖5　植物根系與亮藍染色關系

4結 論

(1) 通過分析兩林地不同剖面，不同深度處的染色路徑寬度，發現針闊混交林剖面染色路徑寬度呈“倒階梯型”的變化規律。在60 mm處染色路徑寬度出現下降拐點，在此深度以下，優先流現象更加顯著。而楠竹林染色路徑寬度呈S形變化規律，路徑寬度曲線下降趨勢較混交林平緩，在50 mm深度處出現下降拐點，但是在60~210 mm范圍內，曲線反彈現象較顯著，說明楠竹林土壤在此范圍內，優先流垂直過程減緩，而側向流現象明顯增強。

(2) 通過統計每1 mm深度范圍內的染色路徑數量，發現兩種林地的染色路徑數量均隨著深度的增加而出現較大的波動，這說明無論混交林還是楠竹林，在不同深度處優先流路徑數量相對不穩定。楠竹林在30~210 mm范圍內路徑數量反彈最劇烈，說明在此范圍內分布著較多的優先流路徑，其發育程度較高，與混交林相比，發生側向流的幾率較大。

(3) 植物根系、土壤動物活動和大的塊石形成的通道是土壤中優先流的重要通道。從剖面染色情況可以看到，在200 mm以上的范圍內，土體中分布著大量的植物活根和死亡腐爛根系，在有根系的部位亮藍染色較深，說明植物根系對水分及其溶質的運移有較大的影響。

[參考文獻]

[1]Flury M, Fluhler H, Jury W A. Susceptibility of soils to preferential flow of water: A field study[J]. Water Resources Research, 1994,30(7):1945-1954.

[2]Dekker L W, Ritsema C J, Wendroth O. Moisture distributions and wetting rates of soils at experimental fields in the Netherlands[J]. Journal of Hydrolog, 1999,215(1):4-22.

[3]Muqiu Zhao, Xin Chen,Yi Shi , et al. Phosphorus vertical migration in aquic brown soil and light chernozem under different phosphorus application rate: A soil column leaching experiment[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2009,82(1):85-89.

[4]Kathleen H B. Nutrient removal from effluents by an artificial wetland:Influence of rhizosphere aeration and preferential flow studied using bromide and dye tracers[J]. Water Research, 1987,21(5)：591-599.[5]JonesEH,SmithCC.Non-equilibriumpartitioningtracertransportinporousmedia:2-Dphysicalmodellingandimagingusingapartitioningfluorescentdye[J].WaterResearch,2005,39(20):5099-5111.

[6]牛建植,于新曉,張志強.貢嘎山暗針葉林生態系統基于KDW運動彌散波模型的優先流研究[J].生態學報,2007,27(9):3541-3555.

[7]王康,周祖昊.土壤性質對入滲再分布影響的顯色示蹤試驗研究[J].水土保持通報,2012,43(3):578-562.

[8]孫龍,張洪江,程金花，等.柑橘地土壤大孔隙與優先流的關系研究[J].水土保持通報,2012,32(6):76-79.

[9]王彬儼,程金花,張洪江，等.北京昌平區農地土壤大孔隙特征[J].水土保持學報,2012,26(3):189-193.

[10]Merdun H. Investigation of interactive effects on water flow and solute transport in sandy loam soil using time domain reflectometry[J]. Sensors, 2012, 12(7): 9749-9772.

[11]Hardie M, Lisson S, Doyle R, et al. Determining the frequency, depth and velocity of preferential flow in the formation of hillslope runoff[J]. Vadose Zone Journal, 2010,9(2):252-259.

[12]王偉,張洪江,程金花,等.四面山闊葉林土壤大孔隙特征與優先流關系[J].應用生態學報,2010,21(5) 1217-1223.

[13]徐宗恒,徐則民,官琦,等.不同植被發育斜坡土體優先流特征[J].山地學報,2012,30(5):521-527.

A Study on Characteristics of Preferential Flow Paths in Two Kinds of Forest Soil in Simian Mountains Using Dyeing Tracer Method

WEI Huwei1, CHENG Jinhua1, DU Shicai2, LI Huiqian2, XU Guilai1, ZHANG Xin1, TIAN Xiangjiao1

(1.SoilandWaterConservationofBeijingEngineeringResearchCenter，BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ChongqingForestryAdministriation,Chongqing401147,China)

Abstract：[Objective]The distribution characteristics of preferential flow path in the two kinds of forest soil were studied in order to provide a theoretical reference for some reseaches such as efficient utilization of soil water and improving plant growth environment. [Methods] Dyeing tracer method was used and dyed soil profiles where there was preferential flow way occurred were photographed for further process and analysis. [Results] The patterns of water infiltration in the two kinds of forest soil were different. Width and amount of staining paths were heterogeneous in different depths of a profile and different profiles at the same depth. (1) The dying path’s shape of soil under conifer-broadleaf forest looked like “inverted ladder”; (2) the shape under Phyllostachys pubescens land looked like a S-type. The width and the number of staining path in these two forests reduced gradually with the increase of soil depth. [Conclusion]It is concluded that preferential flow occurred in both of the forests, and its way unevenly decreased with the increase of soil depth. Plant roots at depth of 0—20 cm have a more remarkable influence on preferential flow germination as compared to the roots at other depths.

Keywords:preferential flow; dyeing tracer; stained path way width; number of stained path ways; process of prefenrential flow

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0193-05

中圖分類號：S153.3

通信作者：程金花(1979—),女(漢族),山東省東阿縣人,副教授,主要從事土壤侵蝕、植被恢復方面的研究。E-mail:Jinhua_chen@126.com。

收稿日期：2014-03-05修回日期：2014-03-19
資助項目：國家林業局推廣項目“三峽庫區低山丘陵區水土保持型植物群落建設技術”(2012-42); 國家自然科學基金項目(41271300;30900866)
第一作者：魏虎偉(1988—),男(漢族),甘肅省平涼市人,碩士研究生,研究方向為水土保持。E-mail:tiannongrena@126.com。