昆明市呈貢區馬卡山斜坡非飽和帶土體大孔隙分類及影響因素

蘇文豪 甘淑 趙文棟

摘要：斜坡非飽和土體中大孔隙直接決定著土體的滲透特征，從而在降雨條件下決定著斜坡土體對水分的吸收-滲透能力。研究通過現場試驗手段（染色示蹤試驗），選擇亞甲基藍染色劑，以模擬噴灑降雨方式并開挖斜坡非飽和剖面觀察染色劑染色情況，以期得到斜坡非飽和帶土體大孔隙的類別及影響因素，從而對斜坡土體大孔隙的存在狀態有一個系統的認識。試驗結果表明，斜坡非飽和帶土體中大孔隙分為植物根系及腐爛后形成的通道、裂隙通道、團聚體間的結構性孔隙、動物通道等4類，其中植被是大孔隙形成和演化的決定性因素，植被根系生長延伸、對土體的擠壓、死亡腐爛等因素都會形成大孔隙，加上其細小的根系能網捕土體細顆粒而成結構性大孔隙，此外，植被的枯枝爛葉層的覆蓋能為大孔隙的長久存在提供保護效應。

關鍵詞：非飽和帶;大孔隙;類型;影響因素

中圖分類號： S181 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0254-04

在不同時期，對大孔隙研究的主要方向和出發點都不同。過去的幾十年間，研究主要目的是為了保護地下水資源，研究方向集中于耕作土壤。近年來，由于氣候變暖、森林斜坡災害頻發、生態環境突出等問題，眾多學者逐漸將目光轉向斜坡非飽和帶土體大孔隙。相關研究指出，土壤水分在非飽和帶土體中沿著一些優先途徑集中流動而產生優先流的多種表現形式[1]，對于生態環境保護提供了研究思路。由于大孔隙具有一個重要特征是水流的快速流動，這能使斜坡大孔隙對斜坡區土壤的入滲產生巨大的影響，進而關系到坡面徑流和坡體深層蓄水。當今生態科學研究中森林植被涵養水源的生態功能一直是許多科學家乃至人民群眾關注的社會問題。森林涵養水源和調節徑流的主要方式是產生壤中流，而大孔隙在這個過程中發揮著重要作用[2]。

隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，氣候溫濕地區的滑坡災害頻發，伴隨著極端降雨而發生的山區流域斜坡群發性失穩事件給中國及世界各地等多山國家的人民群眾帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡。許多專家學者對其形成機制進行了研究。研究表明，斜坡發育非飽和帶土體中的大孔隙能夠在強降雨條件下產生大孔隙流或優先流，從而使降雨得到地下水的快速響應。這是斜坡群發性失穩事件發生的主要原因[3]。其次，在強降雨的情況下，斜坡中廣泛存在的大孔隙內會形成大孔隙流，導致斜坡土體基本上能夠快速吸收滲透來自降雨過程的全部水量，這使得地下水的補給環境能夠得到極大地優化，進而在不同程度上加快了地下水對降雨影響的響應，從而造成斜坡尾隨降雨失穩的群發性失穩事件。

綜上所述，對森林斜坡土體大孔隙的研究是當今社會中一個趨勢和必經之路，開展斜坡土體大孔隙研究，可為森林斜坡災害、生態環境保護提供理論決策依據。

1 大孔隙界定及測定方法

1.1 大孔隙界定

要想深入研究大孔隙的性質、功能和形態，必須對大孔隙進行準確的定義，這也是完善大孔隙研究體系過程中必要的理論基礎和依據。然而大孔隙具有空間分布復雜性、形成的多因素性、幾何形態多樣性等特性，所以在現實研究中，很難對大孔隙進行嚴格定義。

依據不同的指標來對大孔隙進行定義[4]，根據毛管勢定義大孔隙，認為大孔隙是可以傳導表面滯水穿過土壤剖面管道流的大孔隙，將大孔隙的毛管勢定義為>-300 Pa，并根據水的表面張力和毛管上升力方程計算出大孔隙的當量孔徑 為>1 mm;根據功能定義大孔隙，可以提供優先水流路徑的團聚體間根孔或動物通道、孔隙、土壤脹縮過程形成的裂隙;根據水流動力定義大孔隙，能傳導非平衡管道水流的孔隙為大孔隙。以上述觀點為背景基礎，國內有關學者也給出了大孔隙的概念[5]：不論孔隙大小、形狀，能夠提供優先水流路徑的任何孔隙都是大孔隙。石輝等認為，土壤大孔隙可以從不同的方面定義，因為沒有一個能夠絕對標準地將土壤大孔隙和其他孔隙分開的方法[6]。（1）從大孔隙空間尺度方面看，大孔隙孔徑為0.03～3.00 mm;（2）大孔隙在排空大孔隙內全部水量時要施加的壓力為5 Pa;（3）大孔隙的土壤導水率大小為1～10 mm/h。張家明等將眾多學者的觀點和既有的研究成果進行了綜合考慮，并且根據定義方法，客觀具體地將大孔隙定義從定性定義、定量定義2個方面進行闡述，定量定義又分為間接定義和直接定義，該定義方法具有客觀性和普遍性[3]。在定性定義方面，指出大孔隙定義應該考慮大孔隙水力學效應，嚴格定義大孔隙是指巨大的孔隙，而由于“巨大”是個相對的概念，這導致大孔隙的定義無法形成一致性。因此，從定性定義的角度來說，大孔隙存在模糊性無法避免。定量定義又分為直接定義和間接定義。直接定義這種定義方法直接明了，主要是通過度量、觀測大孔隙幾何形態來直接定義大孔隙的?；谥苯佣x方法，不同作者會將孔隙劃分為不同的類型，如大孔隙、中孔隙、微孔隙。間接定義是一種通過測量與大孔隙幾何形態有關的參量來定義的?；诖朔椒?，張家明等認為，孔隙水流過程不符合達西定律的非層流過程，孔隙水流具有優先快速遷移的特征，因此，孔隙水與周圍基質間的相互作用受到限制，此類孔隙為大孔隙。

目前，由于研究方法和研究目的的不同自然就對大孔隙劃分范圍方面存在分歧，導致對大孔隙并未形成統一的界定。

1.2 大孔隙測定方法

邱琳等指出，目前，對大孔隙的測定有直接測定法和間接測定描述法，而直接測定法更符合大孔隙的定義[7]。直接測定法包括圖像處理法、目測觀測法、CT掃描法等。在對各種試驗方法的對比后發現，各個方法都有其優缺點：CT掃描法雖然可以觀測土壤的三維結構且是一種非破壞性的測定技術，但是使用此方法的費用較昂貴;目測觀測法雖然成本低，但由于是利用人眼觀測，人類肉眼觀察能力有限，準確性較差。除上述方法外，還有切片法、MRI（磁共振）法、張力入滲儀法和水分穿透曲線法。石輝等利用水分穿透曲線法研究了岷江上游不同植被覆蓋下土壤的大孔隙狀況，分析出了大孔隙的數目和半徑范圍[6-7]。王彬儼等也采用了水分穿透曲線測定法，結合染色示蹤法對北京昌平區農地土壤大孔隙特征進行了研究，得到了土壤大孔隙的分布特征[8]。切片法具有能夠獲得較高分辨率的圖像，能夠使測得的孔隙數量較準確，但是其缺點是要以縮小研究區域為提高圖像分辨率為代價，結果缺乏代表性，并不能真實地反映大孔隙數量。相對于切片法來說，染色示蹤法所獲得的圖像分辨率較低，但是它能對更大區域進行研究，并且相對來說此種方法更為省時省力。程竹華等在國內使用此方法于土壤中的優先流研究中[9]。

染色示蹤法是直接在野外或實驗室將染色劑采用噴淋、澆灌等方式對土壤進行染色，利用數碼相機對染色土壤剖面進行拍照，對所獲得的數字圖像進行處理分析，不僅可以對大孔隙流類型及分布進行辨析，而且還可以直接查看分析大孔隙流徑[10]。染色示蹤方法工藝簡單，染色劑相對其他現代技術的投入代價低、操作簡單，而且所用染色劑有鮮明的顏色，能直觀地顯示出大孔隙特征等優點。

2 試驗區概況及試驗過程

2.1 試驗區概況

昆明市呈貢區地處102°45′～102°59′E、24°21′～24°45′N之間，其中丘陵面積占33.1%，山區面積占49.5%，壩區面積占17.4%。呈貢區屬低緯度高原平壩地區，地勢總體上北高南低，東高西低，呈緩坡狀，平均海拔1 950 m。

選定的試驗點位于昆明市呈貢區段家營村馬卡山（圖1），距離呈貢大學城云南師范大學4 km。段家營試驗區馬卡山最高峰海拔2 085 km，坡腳（段家營）海拔2 002 m，坡高 83 m，平均坡度35°。馬卡山斜坡林區物種資源豐富，有長勢較好的天然森林植被，且斜坡區林內生態環境受外界擾動較小。通過對試驗區內草本植物的基蓋度和植被覆蓋度進行調查，得到試驗區草本植被基蓋度為1.14%，植被覆蓋度為90%。

2.2 試驗過程

本研究對呈貢區馬卡山斜坡發育土體中大孔隙的研究采用染色示蹤方法。在進行染色示蹤試驗之前，試驗點的選擇要考慮多種因素，坡度不宜過大，一般在20°～35°，需要考慮地面的平整度和試驗點與周圍植被的距離關系，避開植被根系對于開挖剖面及觀測產生的影響。綜合考慮以上因素，對呈貢馬卡山斜坡試驗區進行實地考察后選擇了2個試驗點，試驗點選擇見圖1。根據氣象部門對降雨類型的劃分標準，確定各點模擬的特大暴雨DJY1雨強為59 mm/h，噴灑量為250 L、噴灑時間250 min、等效降雨250 mm;DJY2點雨強為43 mm/h，噴灑量150 L、噴灑時間200 min、等效降雨150 mm。

在選定的2個試驗區域沿規格為長寬各1 m的正方形區域四邊開挖約5 cm寬、20 cm深的凹槽，然后向凹槽內埋入用螺栓固定好的由木板組成的長1 m、寬1 m、高 0.25 m 的矩形框，將矩形框內外側緊臨框壁5 cm部分的土體夯實，然后在距木板約0.2 m區域開挖1個用于拍攝圖像的凹槽（1.5 m×0.5 m×1 m）。

前期準備工作做好之后，將亞甲基藍染色劑（根據與其他染色劑的價格和染色效果進行對比，最終選擇亞甲基藍）配合工業乙醇充分溶解，兌水配置1.5 g/L濃度的染色溶液，用噴灑方式均勻噴灑在框定的土體內，噴灑時間和噴灑量等指標嚴格依照前面所提到的標準。待噴灑完染色溶液15 h后，順著已挖好的凹槽在2個試驗點分別開挖4個間距25 cm的剖面，最后用數碼相機對破面進行拍照，在拍照過程中盡可能地保持相機和剖面處于一個水平面上。圖像拍攝完成后，對其進行幾何校正以糾正在拍攝時產生的變形，然后再進行圖像假彩色合成，使染色區域相比于未染色區域突出地顯示，便于觀察。

3 結果與分析

3.1 斜坡非飽和帶土體大孔隙類型

3.1.1 植被根系通道 處于生長過程中或者已經死亡的根系在土壤中所形成的孔道是植被根系通道。根孔的深度、數量和孔徑的大小受根系的直徑、體積、數量、伸長長短等因素的影響。官琦等研究結果，大孔隙數量隨著土壤深度增加有明顯的減少趨勢[11]。其中根系通道是土體中大孔隙的主要成分。植被根系活動形成的大孔隙主要是由于根系的生長、延伸而導致與土壤的穿插、擠壓外圍土體致使土體膨脹和裂化而產生，通過這種方式產生的通道對于水分的入滲過程有著重要的影響。其次，植被根系腐爛后，它所處的孔道是植被根系通道大孔隙產生的最主要因素。圖2-a為試驗區土體剖面拍攝的由植被根系腐爛后形成的根系通道，染色部分證明了根系植被根系的導水作用。另外根系腐爛后其皮表層粘于通道壁上，增強了大孔隙的穩固性。圖2-b為植被根系通道的細節展示，由腐爛的植被根系產生的相當規模的連續孔隙和根系擠壓產生的裂隙，成為水分快速傳導的通道，而裂隙則加快了水分的入滲。

3.1.2 動物通道 動物通道產生的大孔隙和植被的發育有著密不可分的關系。動物要想在土體中獲得生存，就需要具有相應的生存環境，植被枯枝落葉腐化和根系在腐爛之后，可以為土壤動物提供可供生存的有機質，一些尚未腐化的枯枝落葉則為動物通道提供了天然的保護傘。所以，動物通道可以在植被發育斜坡土體中形成較大的規模，大大提高了土體滲透性能。相關研究指出，土壤動物形成的大孔隙直徑變化幅度一般在1～50 mm左右，基本是管狀的。土壤動物主要是鼴鼠、蚯蚓、螞蟻等，通過對土壤的翻動、挖掘過程而形成孔道。本試驗在呈貢段家營的動物區系主要是擬黑多刺蟻和蚯蚓，圖3-a為試驗區垂直剖面上拍攝的蚯蚓活動形成的通道，圖3-b為DJY2試驗點處擬黑多刺蟻活動形成的通道，呈橢圓狀，直徑多為1～50 mm，主要分布于30 cm土體內，不同位置處的通道還彼此相互連通。

3.1.3 團聚體間結構性大孔隙 有機質是團聚體間結構性大孔隙形成的物質基礎，它能夠為團聚體的形成提供膠結物。在植被發育斜坡區土體中，各類植物的枯枝落葉、根系、動物活動產生的微生物、排泄物以及動植物死亡腐化等因素都可以提高有機質含量，而有機質又可形成膠結物，其中分解較慢的有機膠結物質對團聚體穩定性的影響最為重要。在團聚體形成過程中，由于植被根系具有數量龐大、細小、表面積大、單位體積大等特點，可以很容易網捕很多細小的土體顆粒形成團聚體（圖4），利用分泌出的有機膠結物，再將多個單體團聚體緊密膠結在一起。各個團聚體之間形成的結構性大孔隙可引起土體滲透性能的大幅度提高。

3.1.4 裂隙通道 除了以上所說的植被根系通道、動物通道、團聚體間結構性大孔隙3種類型的大孔隙外，植被發育斜坡土體還存在大量的裂隙。由于受到季節的影響，土壤水分的喪失或增加會使土壤發生收縮和膨脹，脹縮程度與土壤質地有關，在黏質土處于干燥狀態時，土體的收縮會產生裂隙或裂縫狀的大孔隙。在干燥季節，斜坡土體由于水分的蒸發和被植被吸收之后結構體收縮，在地表產生裂隙，而在濕潤季節，土體表面相對緊密地閉合。除了不同礦物組成土體在干濕環境下形成裂隙和植被的蒸騰作用與非飽和帶土體中水分喪失而形成的裂隙之外，植被在生長過程中穿插以及對周圍土體的擠壓也會造成土體開裂，不過由前二者形成的裂隙所占比重較大，而后者并不是裂隙產生的主要原因。試驗點土體所發育的干縮裂隙通道表面宏觀表現見圖5，不同環境下土體的干縮裂縫的發育規律是不同的，視域范圍內土體被粗糙的裂縫跡線切割，被分割形成的塊區面積大小不一，各單條裂縫相互串聯形成網狀結構，而且宏觀上裂縫的發育程度與上覆的腐殖質有關，若腐殖質較薄較少則所切割的塊區數目多，但是裂縫開度和深度均比腐殖質較厚時的小，且缺少腐殖層保護的裂縫常被土體顆粒所填堵。

3.2 大孔隙形成的影響因素

基于染色示蹤試驗得到的結果，已經將大孔隙分為植被根系通道、動物通道、團聚體間結構性大孔隙、土體干濕交替產生的裂隙，這些大孔隙在降雨條件下對水分入滲產生著重要的影響，其中植被根系密度、土體中有機質的含量、土壤動物活動、土體顆粒組成、氣候條件等是制約大孔隙形成和演化的重要因素。

3.2.1 根系生長情況 在呈貢區試驗點對根系密度測定可知，斜坡土體的根系隨深度的增加而減少，并且根系的伸展范圍局限于0.5 m范圍內，植被根系相關形成的大孔隙在降雨條件下對水分入滲起到了積極作用，通過植被根系影響降雨入滲的大孔隙類型主要有植被死亡后其根系腐爛形成的大規模、大尺度通道，植被根系生長過程中擠壓土體致使土體和根系伸長部分產生變形形成管狀虛脫、植被根系生長產生的軸壓引起周圍土體的膨脹和裂縫通道。

3.2.2 有機質含量 結構性大孔隙的存在在降雨條件下發揮著重要的導水作用。這源于有機質能夠促進以團聚體為基礎結構性大孔隙的發育。有機質在土體中的遷移，是斜坡非飽和帶土體中大孔隙研究中重要內容之一，在土體深層，由于植被根系無法無限伸長，土壤動物活動范圍也有限，有機質在土壤中大量存在的區域為離土體表層20 cm之內。植物在生長過程中通過根系這架橋梁作用對土體進行物質交換，植被根系在其生長過程中會釋放一定含有機質的分泌物和組織，枯枝落葉層和死亡根系在腐爛和分解后產生大量有機質，為斜坡非飽和帶土體提供有機質，促進了結構性大孔隙的發育。

3.2.3 動物活動 對土壤大孔隙形成和演化過程有重要影響因素的動物通常是蚯蚓、地鼠、螞蟻等打洞動物。土壤動物通過進出洞穴來獲取營養和食物，在活動過程中對土體中的洞穴內壁產生反復摩擦并對其結構施加反復影響，從而形成了一定規模的大孔隙通道，蚯蚓排泄廢物之后在洞穴中活動而摩擦洞穴內壁，使排出的排泄物粘黏于洞壁上形成光滑的保護層，不僅使通道穩定性增加，避免塵土堵塞通道，同時也使水分滲透通道減少了摩擦，使水分能快速流通而減少損失。

3.2.4 氣候因素 植被發育斜坡土體中大孔隙的形成除了受控于上述因素外，還受氣候因素的影響，表現為干濕循環和凍融交替而產生干縮裂隙通道。裂隙網絡的形成與溫度變化和土體含水率有關，土體溫度急劇變化及含水率較大時有利于裂隙網絡形成。通過試驗結果，這種由氣候因素導致的裂隙網絡形成在富含有機質的土體中顯得更加突出。

4 結論

本研究在現場開展模擬噴灑降雨，通過開挖斜坡非飽和剖面觀察染色劑染色得到斜坡非飽和帶土體大孔隙的類別以及影響因素，其中染色劑為亞甲基藍溶液，染色效果較好，試驗達到理想結果。

通過染色示蹤試驗，結果表明，呈貢馬卡山斜坡非飽和帶土體大孔隙的類型主要有植被根系及腐爛后形成的通道、動物活動形成的通道、團聚體間結構性大孔隙、土體干縮以及氣候凍融交替形成的裂隙。植被根系、有機質含量、動物活動、氣候因素等是影響大孔隙形成和發育的因素。其中，植被根系占主導地位，氣候因素對富含有機質土體中的裂隙形成作用具有時效性。

植被是大孔隙形成和演化的決定性因素，主要表現在以下幾個方面：植被根系生長延伸對土體造成擠壓致使變形而形成大孔隙通道;根系死亡腐爛后，其路徑形成大孔隙;一些細小根系能網捕土體的細顆粒，加以微生物和有機質的影響形成團聚體，小的團聚體又被網捕后形成較大的結構性大孔隙;植被根系分泌物和枯枝落葉層形成的有機質作用較大，是團聚體形成的物質基礎，同時，也是土壤動物所需的營養成分和食物來源;植被的枯枝落葉層為動物活動和土體表面形成的裂隙提供了天然的保護傘。

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