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土壤优先流是一种常见的土壤水分和溶质快速运移的现象,其研究理论被越来越多的土壤学家、水分地质学家和森林水文学家关注[1],开展优先流的研究,有利于了解降雨对地下水位的影响、地表径流和壤中流的形成机制。土壤地下水分和溶质的运移一直是土壤学和水文学研究的重点和难点。
林木根系是土壤层中的重要组成结构,对土壤理化性质有明显的改善作用[2],根系通过穿插、网络和固结将土壤单粒级有机物质粘结起来改善土壤团聚体结构和孔隙性[3],形成了微型的拦土过滤筛,阻止了土粒的搬运和滚动,加强了水分和溶质的运移[4]。根长密度、根质量密度和根生物量是林木根系结构的重要指标,影响优先流路径发生和发展的过程。目前国内外对森林生态系统根系对优先流的路径分布的研究较多,但没有明确其优先流类型,而不同径级根系对优先流的贡献率需要进一步明确。
东北林业大学帽儿山实验林场是黑龙江省典型的水源涵养林地,林型种类繁多,结构复杂,土壤根系丰富,石砾较多,土层较浅,优先流现象的发生较为普遍。进行林木根系与优先流的发生过程的研究,有利于了解该区域内土壤水分的运动规律,查看森林系统生态恢复情况。为避免林场地下水污染,产生径流造成水土流失等自然灾害提供一些理论依据。
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对研究点内的拍摄后的照片经过Image-ProPlus6.0等图像处理软件的处理,提取出研究点内的优先流路径数量和优先流的空间分布情况,见图 1。
图 1纵向二维,三维剖面图,白色为未染色区,黑色为染色区[14],三维图中柱状长短代表该处染色强度(长为弱,短为强)。
土壤表层染色较为均匀,染色剂呈网状扩散式蔓延并绕过基质区快速下渗,形成极其明显的“优先路径”,整体呈现扭曲环绕特征。染色区域内的“空点”多而密,形成连贯的曲线与直线相互连通的网状通路。染色剖面的“优先路径”大多伴随着土壤内的植物根系、石砾、裂隙出现,图中可以看到明显的沿根系染色和绕过石砾的痕迹。土壤优先流类型主要为大孔隙流,漏斗流和环绕流,并出现侧向入渗现象。
染色剂在表层扩散的同时快速地穿透10~20 cm土层渗透到30 cm以下深层土壤内部,中层染色较浅,表层和底层染色较深的现象。染色路径出现明显的环绕和快速穿透特征[15]。剖面E和F中,横向间隔与C和D间隔距离相同,优先流现象表现明显,但三维柱状较短,染色深度较强,“空白点”稀疏。说明根系与石砾组成的通路较少,有效的孔隙[16-17]较多,有利于染色剂的扩散和吸附。所以染色剂入渗放缓,染色深度在37.2 cm处截止。
综上:土壤表层0~5 cm染色较为均匀,土壤水分较为均匀的扩散。5 cm土层以下,土壤水分开始沿着优先流路径流动。优先流现象在20~40 cm土层范围内表现最为明显,最大染色深度为48.3 cm。
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根系结构特征是一项很重要的指标[18],而单位面积上的根长(根长密度)是衡量根系结构特征的指标之一,决定根系吸收养分和水分的能力。不同土层深度的不同根系径级密度见图 2。
图 2 不同土壤深度下根长密度在优先流区和基质流区的分布
Figure 2. Distribution of root length density in preferential pathways and soil matrix for different soil depth
由图 2所示:根长密度整体呈现随土壤深度和根系径级的增加而逐渐减小的趋势。根长密度标准差和变异系数见表 1。在10~20 cm处的d<1 mm径级的根长密度最大。对不同土壤深度和根系径级来说:实验点的优先流区大于基质流区[19],在根系径级中,d<1 mm的根长密度最大,1<d<3 mm次之,再次之是3<d<5 mm, 5<d<10 mm与d>10 mm最小。
表 1 优先流根长密度的均值、标准差随根系径级和土壤深度的变化
Table 1. Changes of mean value and standard error of root length density refer to diameter and soil depth
根系
Root systerm根系径级Root diameter/mm 土壤深度Soil depth/cm d<1 1<d<3 3<d<5 5<d<10 d>10 0~10 10~20 20~30 30~40 均值Average value/(mm·100 cm-3) 3 201.61 1 225.98 374.77 258.93 102.54 1 216.09 1 657.34 873.34 384.28 标准差Standard deviation 2 297.10 713.89 296.30 246.59 76.03 1 963.94 2 125.22 1 004.35 415.56 变异系数Coefficient of variation 0.717 0.582 0.791 0.952 0.742 1.615 1.282 1.150 1.081 在优先流区和基质流区的根长密度比较中(图 2),同一土层下的不同根系径级的根长密度相差很大,0~10 cm中,d<1 mm的根长密度最大,染色区域达到6 094.67 mm·100 cm-3,1<d<3 mm染色区域1 245.63 mm·100 cm-3。与d<1 mm相比低了4.53%,3<d<5 mm染色区域191.88 mm·100 cm-3比d<1 mm相比低了31.2%。d>5 mm染色区域的根长密度基本为0。在10~20 cm中,d<1 mm的染色区根长密度高达7 054.14 mm·100 cm-3,整个剖面最高,1<d<3 mm为2 735.78 mm·100 cm-3,与其相比低了2.59%,3<d<5 mm染色区为579.69 mm·100 cm-3与d<1 mm相比低了12.2%。同一根系径级下不同土层中根长密度相差也很大。最为显著的是10~20 cm,d<1 mm的根长密度要比0~10 cm高出1.16%,比20~30 cm高出2.09%。比30~40 cm高11.07%。
根系生长是一个动态的随机性的过程[20],研究点中不同土层内的水分和养分的分布,以及土壤内异质性使得根系在水平与垂直的空间分布存在明显的差异,同时活根系与死根系的相互作用,在图 1中均匀染色区有显示。都导致了整个剖面内根长密度出现了较大的差异。
榛子灌木林优先流区根长密度基本都大于基质流区,细根系(d<1 mm)对优先流贡献率最大(67.9%),且5个不同根系径级贡献率均值都在58.5%以上,对优先流的形成为促进作用。这是因为灌木内土层土壤有一层致密的枯枝落叶层。这层枯枝落叶层内部与根系营造了许多缺氧状态下的小室,给许多厌氧动物与微生物提供了生存环境,同时也加速了死根系的腐败,使得原来紧实的土壤变的更加松动,土壤结构发生变化,转变为有机物质,加速了土壤团聚体的形成。进而改善了土壤自身理化性质[21],与根系结构(活根与死根)构成了相互连通的土壤空间网络,促进了土壤水分与溶质的快速运移。
无论根系径级的不同还是土壤层次的不同,其根长密度有显著的差异,优先流区的根系含量也相对较高,进而得出染色面积百分比与根长密度的关系,图 3。
图 3为实验剖面内不同根系径级根长密度之和与平均染色面积百分比。随着根长密度的增加,到达根长密度最大值时(10 962.11 mm·100 cm-3), 染色面积百分比也随之增加,而后根长密度降低,染色面积百分比依然增加。这是因为榛子灌木林的根系生长主要集中在土壤表层,致密的枯枝落叶层内土壤团聚体的含量较高,根系与土壤接触,容易在平面内扩散伸长和垂直穿插生长,增加了土壤孔隙的密度,增强了根隙孔道的连通性[22]。且主根系的伸长穿透力强,易于向下生长,形成较大孔道,改善土壤性质,使土壤松弛度提高,造成了许多大孔隙,利于细根在大孔隙内部的扩散和伸长,在相互作用和共同影响下,为水分和溶质的运移创造了良好的条件[23]。在土壤下层中土壤紧实,密度高,微生物与动物少,并且夹杂许多大的未风化的石砾,阻碍了根系生长,致使水分无法继续下渗,对优先流的形成起反作用。
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根生物量是评价根系吸收养分和水分的能力[24-26],即为土壤单位体积内的根系的质量[28],对研究点不同根系径级的根系生物量进行分析,见图 4。
图 4 不同土层根系生物量在优先流区和基质流区的变化
Figure 4. Change of root biomass in preferential flow and soil matrix for different soil depth
由图 4中的数据可以得出剖面内0~10 cm土层内的优先流区比基质流区的总根生物量高出1.38%,10~20 cm高出1.07%,20~30 cm高出1.08%,30~40 cm则是优先流区低于基质流区,低0.99%,优先流区和基质流区根生物量标准差,变异情况见表3,总体呈现出优先流区高于基质流区,且在不同的土层深度中并非有唯一的一种根系径级的根生物量决定了优先路径的产生,虽然有促进优先流现象的产生,但影响不大。以此情况来看,根生物量对优先流的产生在某种程度上是有影响的。但从数据分析上可以看出,效果并不显著。
表 2 优先流和基质流根生物量的变异特征
Table 2. Variation of root biomass between preferential flow and soil matrix
根系
Root systerm根系径级Root diameter/mm 土壤深度Soil depth/cm d<1 1<d<3 3<d<5 5<d<10 d>10 0~10 10~20 20~30 30~40 均值Average value/(g·m-2) 8.50 13.96 18.90 27.47 36.00 8.10 41.89 22.37 11.51 标准差Standard deviation 7.82 10.19 18.64 28.85 27.64 6.82 22.80 22.34 15.07 变异系数Coefficient of variation 0.920 0.730 0.987 1.050 0.768 0.842 0.544 0.998 1.309 仅仅得出优先流区的根生物量比基质流区的根生物量整体高出1%左右,并不能清楚的表明根生物量对优先流的作用是正相关还是负相关。因此用优先流区与基质流区根生物量的差值与优先流区根生物量之比(根生物量差值百分比)[27]来进行分析,见图 5。
图 5 优先流区和基质流区的根生物量差值百分比
Figure 5. Different between percentages of root biomass in preferential flow and soil matrix
图 5表明:当两区域差值百分比为正时,染色区的根生物量应该较大,处于主导地位,促进优先流路径的产生,当两区域的差值比为负时,未染色区的根生物量较大,处于主导地位,阻碍了优先流现象的发生,但图示中的数据信息却与现实的优先流图像提取信息不相符(图 2),无论优先流区根生物量大,还是基质流区根生物量大,都有优先流路径的产生,所以根生物量对于优先流现象的产生不起决定性的作用。
长白山系榛子灌木林根系对优先流的影响
Effect of Plant Root System on Preferential Flow of Hazelnut Shrub in Changbaishan Mountains
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摘要:
目的 通过调查分析榛子灌木林下不同土层深度内不同根系径级对土壤优先流现象发生程度的影响,了解该区域内土壤水分的运动规律,查看森林系统生态恢复情况。 方法 选取长白山系张广才岭余脉丘陵区内榛子灌木林为研究对象,采用野外示踪法示踪优先流路径分布特征,分析其与不同土层深度下不同径级的根长密度、根生物量的关系。 结果 表明:灌木林内优先流以大孔隙流,漏斗流和环绕流为主,发生迅速,伴有环绕特征。随土壤深度的增加,根长密度逐渐减小,根系径级d<1 mm,1<d<3 mm,3<d<5 mm,5<d<10 mm的根长密度对优先流贡献率分别为67.9%,64.9%、55.2%、59.3%,以d<1 mm根系的优先流贡献率最大,且均值在58.5%以上。根长密度在不同土层深度及不同径级下变幅为2.59%~31.2%和1.16%~11.07%。研究点内优先流区根生物量大于基质流区,整体仅高出约1.1%,根生物量对优先流路径的发生不起决定性作用。 结论 不同土层内的不同根系径级的根长密度对榛子灌木林下的土壤优先流影响极为明显,d<1 mm影响效果最大,根系生物量对其优先流的产生不起决定性作用。 Abstract:Objective To reveal the effect of root diameter classes on the occurrence of soil preferential flow in different depth of soil layer. Method The study area located in the hillslope with hazelnut shrub forest in Zhangguangcailing of Changbaishan Mountains.The blue dye tracing method was applied to confirm and evaluate the changes in root biomass and root length density along preferential pathways in the soil matrix. Result The macropore flow, funnel flow and surround flow were the main soil water flow movement patterns which occurred rapidly with surround features. The root length density decreased with the increase of soil depth. In addition, the contributions of root length densities with root diameter (d) < 1 mm, 1 < d < 3 mm, 3 < d < 5 mm, 5 < d < 10 mm to preferential flow were 67.9%, 64.9%, 55.2%, and 59.3%. The average contribution of plant roots d < 1 mm to preferential flow was almost 58.5% at all the experimental plots. The fluctuation ranges of root length density at different soil depth and different diameter were 2.59%~31.2% and 1.16%~11.07%. The proportion of root biomass in the preferential pathways was 1.1% higher than that in the soil matrix. Conclusion The root length density of different root diameter classes in different soil layers has a significant effect on the soil preferential flow under hazel shrub forest. Root diameter d < 1 mm had the greatest effect. The root biomass does not play a decisive role in the occurrence of preferential flow paths. -
Key words:
- root length density
- / root biomass
- / preferential flow
- / soil matrix
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表 1 优先流根长密度的均值、标准差随根系径级和土壤深度的变化
Table 1. Changes of mean value and standard error of root length density refer to diameter and soil depth
根系
Root systerm根系径级Root diameter/mm 土壤深度Soil depth/cm d<1 1<d<3 3<d<5 5<d<10 d>10 0~10 10~20 20~30 30~40 均值Average value/(mm·100 cm-3) 3 201.61 1 225.98 374.77 258.93 102.54 1 216.09 1 657.34 873.34 384.28 标准差Standard deviation 2 297.10 713.89 296.30 246.59 76.03 1 963.94 2 125.22 1 004.35 415.56 变异系数Coefficient of variation 0.717 0.582 0.791 0.952 0.742 1.615 1.282 1.150 1.081 表 2 优先流和基质流根生物量的变异特征
Table 2. Variation of root biomass between preferential flow and soil matrix
根系
Root systerm根系径级Root diameter/mm 土壤深度Soil depth/cm d<1 1<d<3 3<d<5 5<d<10 d>10 0~10 10~20 20~30 30~40 均值Average value/(g·m-2) 8.50 13.96 18.90 27.47 36.00 8.10 41.89 22.37 11.51 标准差Standard deviation 7.82 10.19 18.64 28.85 27.64 6.82 22.80 22.34 15.07 变异系数Coefficient of variation 0.920 0.730 0.987 1.050 0.768 0.842 0.544 0.998 1.309 -
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