三峡库区森林土壤大孔隙成因及其水分传导功能研究

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森林土壤中广泛发育的土壤大孔隙对于土壤层的透水性和水分传导性能有直接影响。大孔隙在降雨条件下可产生大孔隙流,影响降雨在土壤中的入渗、溶质在土层中的迁移和降雨后的地表径流发育等水文过程。因此,对于森林土壤大孔隙的水分传导能力研究对于保持水土、涵养水源有积极意义。  本研究在湖北省宜昌市夷陵区邓村—汪家岭一线进行,以长江三峡库区温性落叶林亚高山棕壤、针阔混交林中山黄棕壤、人工茶园中山黄壤和暖性针叶林低山黄壤四种森林土壤类型作为研究对象。应用染色示踪法研究了不同植被土壤类型下的大孔隙剖面分布特征;室内实验测定了相关的水文物理性质以及根系、有机质含量等参数;相关分析法研究了影响大孔隙发育特征的主要因素;运用环刀法对采回的原状土壤样品进行入渗实验,对比分析染色区和未染色区即大孔隙域和土壤基质域的入渗特征,对大孔隙的水分传导功能进行评价,验证大孔隙与水分传输的关系及对入渗的促进作用。研究结论如下:  (1)温性落叶林亚高山棕壤、针阔混交林中山黄棕壤、人工茶园中山黄壤均有大孔隙发育的现象。在亚高山棕壤和中山黄棕壤的平均剖面染色面积比分别为25.42%和11.15%,在垂直剖面中,染色区域以斑点状为主,随机分布于染色剖面中,亚高山棕壤的染色斑点平均面积更大;个别剖面中也有较大面积的块状染色区域分布,亚高山棕壤多分布在剖面右侧,面积大,形态狭长,中山黄棕壤相对均匀分布,形态集中。茶园黄壤是人为扰动过的土体,相较于其他样地来说质地较均匀,异质性不明显,但个别剖面中也发现了狭长的大孔隙流形态,平均剖面染色面积比59.26%,三个样地中最高。  (2)亚高山棕壤、中山黄棕壤、茶园黄壤的大孔隙结构多分布在腐殖质层、淋溶层和淀积层上部。森林土壤大孔隙分布从土壤表层到深层表现出先升高后降低的趋势,温性落叶林亚高山棕壤在20~30cm深度大孔隙发育程度最高,染色面积比达到40.05%,孔隙的连通性也较好;针阔混交林中山黄棕壤则是30cm深度染色面积比达到最大值28.31%,人工茶园中山黄壤为10~40cm深度的83.9%。  (3)对不同森林土壤类型下的大孔隙染色浓度进行分析,亚高山棕壤剖面中代表大孔隙流的蓝色部分平均占比4.94%,中山黄棕壤0.64%,茶园黄壤高达44.72%。亚高山棕壤和中山黄棕壤蓝色区域均在黄绿色包围中,附近可见明显的根系发育,在大孔隙流发生的同时,也有染色溶液从大孔隙域向周围土壤基质的渗漏;茶园土壤茶园黄壤的染色剖面有两种不同的形态特征,大面积的均匀染色现象和有块状和狭长染色区域的不均匀染色现象,这不仅是大孔隙流的表现,也有一定基质流的影响。  (4)对土壤质地、容重、有机质、饱和导水率、根重密度与土壤剖面的染色面积比进行相关分析,确定染色面积比的影响因素,以此推测不同森林土壤类型下的大孔隙成因。结果表明,土壤的粘粒含量和容重与染色面积比呈负相关,有机质、饱和导水率和根重密度与染色面积比呈正相关,及土壤的土壤质地、容重、有机质、饱和导水率、根重密度均对大孔隙发育有一定影响。植物根系与土壤发育程度是温性落叶林亚高山棕壤、针阔混交林中山黄棕壤大孔隙的主要成因,人工茶园中山黄壤的天然大孔隙结构受到人类活动的影响较大。  (5)对土壤大孔隙的水分传导功能进行评价时发现,大孔隙域的饱和导水率、稳定入渗率和1h累积入渗量均明显大于基质域。温性阔叶林山地棕壤饱和导水率大孔隙域为4.79mm/min,基质域为0.37mm/min;针阔叶混交林山地黄棕壤大孔隙域的饱和导水率为6.99mm/min,基质域为4.03 mm/min;人工茶园低山黄壤的饱和导水率最大,大孔隙域和基质域分别为9.04mm/min和4.95mm/min。温性阔叶林山地棕壤大孔隙域的饱和导水率是基质域的10倍以上,针阔混交林山地黄棕壤和茶园样地中山黄壤大孔隙域的饱和导水率也接近基质域的2倍。亚高山棕壤大孔隙域的稳定入渗率接近基质域数值的15倍黄棕壤和黄壤则是其基质域的2倍左右;1h累积入渗量的差异也是如此的趋势。二者的入渗过程曲线中也表现出了入渗性能的差异,即土壤大孔隙域有强的水分传导功能,土壤大孔隙在一定程度上可以显著增加土壤水分的入渗,尤其是在入渗初期,即入渗开始20min内。
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