徐宗恒
, 徐则民, 李凌旭
Xu Zongheng, Xu Zemin, Li Lingxu
中图分类号: P642.21
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690（2017）05-0783-09
通讯作者:
收稿日期: 2016-06-3
修回日期: 2016-08-14
网络出版日期: 2017-05-25
版权声明: 2017 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：徐宗恒(1987-),男,云南永胜人,讲师,博士,主要从事地质灾害方面研究。E-mail：xuzongheng208@163.com
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摘要
为了全面得到植被发育斜坡非饱和带土体中优先域结构类型,以2个试验区5个玄武岩斜坡为研究对象,采用染色示踪试验揭示优先域的存在形式及其影响因素,并采用双环入渗试验对不同深度非饱和带土体渗透特征进行测定,揭示优先域对水分入渗的贡献。研究表明：植被发育斜坡非饱和带土体中优先域结构类型除了传统的植物根系腐烂后残留的通道、动物通道、土体干缩裂隙以外,还存在有根系-土体以及砾石-土体接触带空隙以及气候冻融交替产生的裂隙,其中植被根系对大孔隙的影响占主导地位;试验区斜坡非饱和带土体的饱和渗透速度随深度增加有降低的趋势,土体饱和渗透速度最大值高达513.6 mm/h（表层）;最小值13.33 mm/h,受广泛分布的优先域影响下形成的斜坡饱和带高渗透盖层对降水入渗的贡献是巨大的。
关键词：
Abstract
All kinds of soil macropores (preferential domain) is widespread in vadose zone of well vegetated slope, that have an effect on rapid moisture infiltration and supply a useful condition for aquifer feed water. For comprehensive collection the soil macropores types. Taking five basalt slope of two experimental areas as the research object, this article adopts dye tracer experiments to reveal the forms of the preferred domain and its influencing factors. Furthermore, the unsaturated zone soil infiltration characteristics with different depth were determined by the double-ring infiltrometer method in order to explain the contribution of macropores to water infiltration. The results show that preferential domain types also includes the fractures resulted from freezing-thawing events and the contact gap of root system-soil and gravels-soil apart from the traditional discovered macropores such as the rotten plant roots channels and faunal tunnels. Of all factors, the plant roots are the first and most important role on macropores. The soil saturated infiltration coefficient, the minimum and maximum of which is 513.6 mm/h (soil surface layer) and 13.33 mm/h, has a reduced tendency with the increase of depth. In conclusion, the contribution of huge permeability vadose zone to water infiltration is enormous.
Keywords：
在山区,植被发育的斜坡非饱和带土体中广泛存在着诸如根系通道、动物通道等各种类型大孔隙（优先域）,它们相互交织-动态互动在降雨条件下为水分的快速入渗提供了有力条件,加强加快了斜坡含水层的给水补水。徐则民[1]曾指出,由于可以促进降水入渗、提高渗流场对降雨过程的敏感度、促进斜坡水循环,无论从岩土体长期演化还是从滑坡灾害激发的角度看,优先域对斜坡稳定都是不利的,所以对于优先域结构类型及影响因素的认识对于了解降雨型滑坡具有基础性的理论意义。
对于优先域的研究,最早可以追溯到 1864 年入渗过程中针对“大孔”的研究[2],之后的研究历程中,学者们主要采用现场或实验室试验方法以及建立数学模型方法对其进行了大量研究,取得了较为丰富的成果。但受学者们的研究兴趣以及研究手段的限制,研究存在以下的不足之处：① 优先域的界定。目前,有的学者根据自己的需要直接对优先域进行计算,而忽略对优先域的界定,而其他各学者由于研究手段的限制,得到过不同类别不同方法的优先域界定方法,所以目前界定并未统一,仍然是一个富有争议的问题。综合已有研究者的成果[3~8],本文认为优先域的界定可以从以下几个方面去考虑：按照当量孔径界定（将当量孔径>l mm的孔隙定义为优先域[9~11]）、按照毛细势界定（例如：Luxmoore等[12]将土体中孔隙分为优先域、中孔隙、微孔隙,其中将毛细势大于-300 Pa的孔隙定义为优先域）、按照导水率界定（将导水率为1~10 mm/h之间的孔隙定义为优先域[4,5]）。② 研究对象。目前研究较集中于农业土壤,限于研究样本的数量和研究对象,已报道发现的优先域主要为植物根系腐烂后残留的通道、动物通道和土体干缩裂隙。本文认为上述类型并不足以概括植被发育斜坡非饱和带中所有的优先域结构,为了系统及综合得到植被发育斜坡非饱和带土体中优先域结构的存在形式及其影响因素,本文以玄武岩斜坡为研究对象,采用染色示踪实验方法进行系统研究,采用双环入渗试验对不同深度非饱和带土体渗透特征进行测定,揭示优先域对水分入渗的贡献。
优先域的形成和发育不仅受动植物生命活动的影响,还受气候条件等因素的控制,不同山区流域、不同类型植被下土体中优先域结构不同,为了研究结果的全面和便于分析比较,同时考虑到研究方便和研究样点典型性,本文选择在云南省境内呈贡区和昭通市2个试验区2个玄武岩质斜坡试验点进行相关的试验研究。呈贡段家营试验区位于呈贡大学城云南师范大学区东北侧5 km处,区内马卡山最高峰海拔2 085 m,坡脚（段家营）海拔2 002 m,坡高83 m,平均坡度35°;小李山最高峰海拔2 230 m,坡脚海拔1 970 m,整体试验区内斜坡坡度平缓,本文在马卡山和小李山共选取3个典型试验点（DJY1、DJY2、DJY3）进行相关的研究,试验区有木本植被14种,草本植被10种,其中以云南松（Pinus yunnanensis）和狗牙根（Cynodon dactylon）为主。昭通市头寨试验区为昭通市昭阳区盘河乡一植被茂密发育斜坡区,需说明的是,该试验点右侧为头寨滑坡滑源区,该处曾于1991年发生过二叠系峨眉山玄武岩（P2β）失稳地质灾害,共造成216人死亡,8人受伤,直接经济损失1 200余万元,为中国20世纪90年代以来最为惨重的重大滑坡灾害事件,选择在此处进行研究具有较好的针对性。该处主要有牛奶子（Elaeagnus umbellata）和玉山竹属（Yushania）等植被共计31种,植被的覆盖度95%以上,两植被发育茂盛的斜坡区（TZ1、TZ2）,坡度分别为36°和30°。
试验点斜坡剖面由上而下一般依次可以分为3~10 cm厚的枯枝落叶层及腐殖层（头寨试验区的相对较厚）、20~30 cm厚的土层-根系带、峨眉山玄武岩腐岩,基岩为峨眉山玄武岩。表层枯枝落叶层呈错落状叠瓦结构,常夹杂有红褐色残坡积体,重度较小,吸水度较高。段家营试验区玄武岩腐岩结构发育较为完整,结构体表面常覆盖有粘土颗粒薄膜,较为致密和坚硬,表面风化残坡积物的特征较为明显,与玄武岩腐岩之间的界限较为模糊;头寨试验区腐殖质层有机质含量较高,颜色呈黑褐色,与残坡积土颜色界限区分度明显。腐殖层之下常含有大量的玄武岩块石,在50~150 cm范围内形成土夹石的结构,与下伏的峨眉山玄武岩基岩界限清晰。通过对试验区开展土壤粒度组成分析,可知试验区土体中粉粒、黏粒含量相比较小,砂粒含量相当,头寨试验区土体砾粒含量较多,试验区斜坡土体多为粉质壤土。拟进行试验的区域内斜坡为天然林地,土体没有遭到人为的破坏。
染色示踪试验的详细过程见文献[13]（相关示意图见图1）,其中观测剖面采取2种开挖方式（开挖方式垂直坡向如图1d、e,顺坡向如图1b、c、f）,染色示踪剂采用染色效果较好的甲基蓝和罗丹明B。染色图像获取剖面开挖前,在距木板约20 cm 的外围区域开挖一个顺坡向/垂直坡向长度、宽度和深度分别为150 cm、50 cm 和100 cm 的凹槽,凹槽的作用主要是用于方便剖面染色数据图像的获取（位置如图1b、c）;开挖剖面时,如果采用顺坡方式开挖,则在垂直坡向设置2条作为上下坡边界指示线,顺坡方向等间距25 cm设置5条作为开挖剖面的标识。
图1 染色示踪试验现场（a,b,c,d）和示意图（e,f）
Fig.1 The test site (a,b,c,d) and sketch (e,f) of dye tracer experiments
综合各试验点剖面得到的染色示踪图像,此处将会产生优势流的优势孔隙统称优先域,即按照功能对优先域进行界定,可根据染色试验的结果,认为产生优势流,植物根系腐烂后残留的通道、动物通道、土体干缩裂隙等被溶液染色的优势孔隙皆是本文研究的对象。在染色图像上,水流优先流通的优先域区域均被染色,边界土体颗粒未染色,优势流效应明显,从染色的优先域内观察可知植被发育斜坡非饱和带土体中广泛存在着新鲜或者腐烂根系通道、动物通道、团聚体间结构性大孔隙、砾石-土和根系-土接触带空隙等优先域,从而导致水流垂直入渗存在不均匀性和异质性,非饱和带内植被根系发育程度、有机质含量、土体颗粒级配、动物群落数量和规模等因素成为制约优先域形成和演化的重要因素。
植被根系在土体中随机分布,根系的垂直和水平展布生长众多侧向根系以及多种植被根系的相互交叉在非饱和带内形成复杂的三维空间网络。对各试验点的根系密度进行测定可知,根系伸展范围多集中于50 cm范围内,最大不超过1.5 m,密度随深度的增加而急剧减少,虽然存在范围有限,但与植被根系相关形成的优先域却在降雨条件下对水分入渗起到了积极作用。根据现场染色图像,与植被相关形成的优先域类型主要有以下3类：① 植被死亡以后或者高含水率土体中根系腐烂形成的优先域通道,这类通道为主要通道且形成的尺度和规模均较大;② 根系穿叉生长过程中挤压外围土体致使在土体和根系接触带产生不协调变形形成管状虚脱;③ 根系生长所产生的轴压引起周围土体特别是表层土体的膨胀和裂化形成裂缝通道。前两种优先域通道在试验点染色示踪试验得到的结果中是常见,最后一种较少。图2a为TZ2试验点处一典型剖面上由腐烂不彻底根系通道（图2b）、根系-土体接触带空隙（图2c）、彻底腐烂根系通道（图2d）组成的快速导水通道。图2f中根系-新鲜土体接触带染色呈环状环绕于根系周围,说明土体-新鲜根系接触带环状优先域的存在,但是其导水作用要稍微弱于腐烂根系通道;从图2g中可以观察出腐烂通道内染色与未染色区域分界明显,根铸模孔的效果显现,说明快速导水通道能最大限度减少水分与外界土体基质进行水量交换,同时,腐烂根系通道中有很多团聚体颗粒被染色,说明以有机质为基础形成的团聚体结构会随着优先域通道向下迁移。依此很明显说明植被根系在水流入渗过程中发挥了重要且主要的作用。从剖面示踪图像还可以看出剖面上零星的分布着很多长条状或者独立点状的染色区域且多与植被根系有高度相关性,宏观表现为根系密度（单位质量土体中所含的根系质量）和被染色的面积随深度增加逐渐减少。
将各个剖面所取得的染色示踪图像进行图像剪裁-几何校正-类型转变-阈值化处理-降噪滤镜处理以后（具体处理方法详见文献[13]）,利用Image-Pro Plus 6.0软件中的位图分析功能,提取1 000×400阶的图像位图数值矩阵（0代表该对应像素点处被染色,255代表对应位置未染色）,存入Excel表格计算剖面染色图像的两特征参数-染色面积比和表面积密度。描述优先域（流）的参数染色面积比定义为某一深度剖面图像上染色像素数（数值0的总个数）占图像宽度方向上总像素（此处为1 000像元）的比值;表面积密度是指在某一深度剖面图像上染色与未染色之间的节点个数（0和255节点个数）与图像宽度方向上实际宽度（本文为1 000 mm）的比值（计算方法祥见文献[13]）。前者的计算可以揭示优先域（流）沿深度方向上的分布范围和连续性;后者可以揭示出优先域（流）的复杂性、连通性和分支性[14]。
将得到的染色面积比和表面积密度分别与根系密度进行拟合（图3）。由图可知,不同试验点不同剖面间（总计算5个染色试验点20个染色剖面,剖面为Y=0、25、50、75 cm,位置如图1e。限于篇幅,此处选取DJY2和DJY3试验点8个染色剖面进行分析）的染色面积比和表面积密度与根系密度呈明显正相关关系,相关系数均在0.8以上,相关关系显著;随着剖面的变化,多数拟合而成的直线的斜率值呈降低的趋势,这是由于随深度增加平均特征参数和根系密度都呈降低趋势导致的;图中各试验点剖面间平均特征参数与根系密度拟合的相关系数大小是根系密度对优先域（流）影响的体现,DJY2试验点平均表面积密度和根系密度相关关系最为显著,相关系数接近1.0,根系对特征参数影响显著。当然,优先域流不仅仅受根系密度的影响,还受其他因素影响。
图3 根系密度与优先流特征参数的关系
Fig.3 Relationship between root density and characteristic parameters of preferential flow
动物群活动是影响优先域形成和演化的另一个重要因素,如蚯蚓（Pheretima tschiliensis）、蚂蚁（Polyrhachis dives）、地鼠（Rattus losea swinhoe）等打洞动物通过钻进、伸出土体来获取营养物质以及获得足够的群居生活空间,在活动过程中需对土体结构施加反复影响,从而形成了相当规模的优先域通道,而且由于动物群的来回活动以及分泌物物作用使其具有很好的水稳定性,同时植被枯枝落叶层的覆盖遮蔽效应可以让动物通道免受外界打扰,为动物通道形成的优先域长期稳定存在提供了可能,在森林植被条件下,无外界干扰时,动植物活动形成的优先域可以长期存在,由根系形成的优先域在含有30%黏粒的土体中可保存50~100 a,而动物通道则可保持几百年以上[15]。图4a、b为试验区（主要为头寨试验区）动物通道染色情况（a为单孔蚯蚓动物通道,b为不明动物区系的通道网）,染色试验研究结果表明动物通道是优先域形成的又一重要路径,当然,不同的物种对优先域路径的影响程度是不同的,对水分入渗作用效应还需要考虑动物的生活习性和个体大小。
土体有机质主要来源于植被的新陈代谢和枯枝落叶的分解和合成。植物在生长过程中与土体通过根系桥梁作用进行物质交换,根系在生长或者死亡过程中能释放一定的分泌物和组织,这些物质富含大量的有机质,枯枝落叶在近地表下腐化和分解产生大量的有机质,这是植被斜坡区土体中有机质的主要来源,所以,表层20 cm范围内是有机质大量存在区域。除此之外,动物活动分泌物或死亡残留尸体也是有机质的辅助来源,这些有机质随降雨携带或重力作用往更深层次土体传递（图4c）,促进优先域的发育。另外一方面,有机质存在能促进以团聚体为基础的结构性优先域的发育,这些结构性优先域在降雨条件下也能发挥重要的导水作用,图4c显示了试验点以有机质为基础形成的团聚体间结构性优先域在染色溶液下渗过程中的染色情况,说明结构性优先域结构具有快速导水作用。
图4 动物通道（a,b）、结构性孔隙（c）、砾石（d）和裂隙通道（e）的导水作用
Fig.4 Water infiltration influenced by faunal tunnels (a,b), inter-aggregate porosity (c), gravel (d), fracture network (e)
在土体颗粒组成分析中,通常将粒径大于2 mm的颗粒归为砾粒组,由头寨试验区的剖面宏观表现可知,TZ1和TZ2试验点50 cm以下土体中含有很多的砾粒组颗粒（称之为砾石）,并且随深度增加含量有增加的趋势。土体中所含的砾粒组颗粒自身的渗透性能较低,但它与周围土体形成的接触面有利于优先域的形成,为优先流的形成创造了条件。在中国西南地区（云南、贵州、四川）,砾石大量存在于土壤中,砾石能影响土壤的容重、孔隙度等物理水力特征,从而影响渗透性和径流等[16],表明砾石含量增加导致优先域的平均半径和平均体积增大,影响程度随土体深度的增加而增加;砾石对出流速率有一定影响[17];土壤中砾石覆盖层能影响优先域和降水入渗[18],加快壤中流的发生,从而改变土壤水文过程及其水文生态功能,图4d为土体与砾石包裹界面优先域导水导致砾石被染色,说明土体中的砾石对水分入渗有一定的影响。
植被发育斜坡土体中优先域的形成除了受上述因素影响以外,还会受干湿循环和冻融交替等因素影响而产生干缩裂缝和裂隙通道,试验区于2013年9月的染色试验结果表明大量的裂隙通道网络在水分入渗过程中发挥着重要的作用（图4e）,而在以往的试验中这种情况并不常见,究其原因可能是由于气候条件冻融交替形成的,裂隙网络的形成与温度变化和土体含水率有关[3],土体温度急剧变化以及含水率较大时候有利于裂隙网络形成,由于表层和深层土体温度差别,这种作用随深度逐渐减弱,所以在寒冷地区,冻融交替作用是裂隙网络形成的主要因素,并且这种作用在头寨试验区高有机质含量土体中会显得尤为突出。
植被发育斜坡地下水的补给与径流交替状况受控于斜坡对降水的吸收能力,事实上,无论何种强度的降水过程,只要水不转化为斜坡地下水,就不会对斜坡稳定构成直接威胁。降水型滑坡产生的中间环节为降水入渗和地面水体通过非该饱和带下渗到达稳定地下水面的非饱和渗流过程,其中土体非饱和带中稳定存在的优先通道在斜坡吸收降雨方面取到了决定性作用,它们能在斜坡一定深度非饱和土体范围内形成高渗透盖层,极大优化着地下水的补给条件。为了评价非饱和带优先域影响下土体的渗透特征,本文采用双环入渗法[19]在2个试验区4个试验点（DJY1、DJY2、DJY3和TZ2）进行了渗透试验。渗透试验结果（渗透速度随时间的变化曲线）如图5所示,在不同试验点处不同挖深情况下的渗透曲线有明显的区别,各试验点处的渗透速度在10 min范围内迅速降低（此处以TZ2试验点为例说明,图5d显示,渗透速度由1 755 mm/h、1 032 mm/h、826 mm/h陡降至774 mm/h、309 mm/h、422 mm/h,降幅50%左右）,而后缓慢减小,约60 min以后基本能达到稳定（稳定渗透速度279 mm/h,129 mm/h,181 mm/h）。在某些时间处突然波动增大或减小可能是测量人员的反应滞后导致或者是读取数据的误差,还有可能是水分在非饱和土体优先域中快速下渗,携带土体颗粒引起潜蚀短暂性堵塞优先域所致,虽然有误差存在,但不影响对广泛发育有优先域的植被发育斜坡土体渗透特性的评价。
由计算结果可知,DJY1试验点处（图5a）H=0 cm、H=10 cm、H=60 cm的饱和渗透速度分别为514 mm/h、133 mm/h、45 mm/h;DJY2试验点（图5b）挖深H=0 cm、H=10 cm的饱和渗透速度分别为57 mm/h、13 mm/h;DJY3试验点（图5c）处挖深H=0 cm、H=10 cm、H=60 cm的饱和渗透速度分别为15 mm/h、15 mm/h、6 mm/h;TZ2试验点（图5d）处挖深H=0 cm、H=10 cm、H=60 cm的饱和渗透速度分别为279 mm/h、129 mm/h、181 mm/h; DJY2试验点处挖深H=60 cm由于试验时受植被根系的影响,渗透曲线无法达到稳定状态致使试验失败。饱和渗透速度在DJY1试验点H=0 cm时为最大值514 mm/h;DJY3试验点在有挖深60 cm时候为最小值6 mm/h,随着深度的增加,土体的饱和渗透速度有降低的趋势。
图5 各试验点土体水分渗透曲线
Fig.5 Soil water infiltration curves at different experimental sites
对于其它林下土体和其它用地类型下土体的入渗特征,王治国等[20]研究得到日本北海道不同植被下斜坡土体（林地、荒草地、耕地、牧地和裸坡）的稳定入渗率分别为414 mm/h、128 mm/h、56 mm/h、37 mm/h和14 mm/h,高人等[19]研究发现辽宁东部山区油松林、落叶林、红松林、柞木林、杂木林、灌木等不同植被类型斜坡平均稳定入渗率分别为174、118、134、232、192、186 mm/h;据Reynolds等[21]研究,Mistry等在印度必哈邦记录的林下斜坡土体入渗率达260 mm/h,而草地和农地仅为120 mm/h和90 mm/h;Tejwani等在印度百乐瑞地区测定的林下入渗率为112 mm/h,而农田仅为10 mm/h。结合本文的研究结果,表明植被发育的林下土体的入渗率明显高于裸坡和农田土壤,对降水入渗的影响是巨大的。
以上试验结果有力说明植被发育斜坡非饱和带中由于广泛分布着各种类型的优先域,使其渗透速度要普遍高于一般土体（裸坡土体或农业土壤等）的饱和渗透速度,强大的渗透能力使得非饱和带土体基本能同步吸收来自降水过程的全部水量而不产生较大规模的地表径流,加大、加快了地下水的补给时间和补给量,极大的优化着地下水的补给环境,所以,非饱和带土体的强渗特性对非饱和带降雨入渗有着较强的影响,而这种影响则与非饱和带土体优先域有着紧密的关系。
1） 染色示踪试验结果表明试验区玄武岩斜坡非饱和带土体中优先域类型主要有植物根系及其腐烂后形成的通道、砾石-土体和根系-土体接触带空隙、动物通道、团聚体间结构性大孔隙、土体干缩以及气候冻融交替产生的裂隙。在影响优先域的众多因素中,植被根系占主导地位,有机质含量和动物群活动次之,砾石的影响作用较小,冻融交替对高有机质含量土体中裂隙的形成作用则具有时效性。
2） 植被发育斜坡非饱和带土体优先域对地下水补给的影响主要体现在对斜坡土体渗透特征的影响。试验区非饱和带土体的饱和渗透速度随深度增加有降低的趋势,最大值高达514 mm/h;最小值13 mm/h,数值明显高于裸坡和农田土壤。广泛存在优先域使斜坡表现出高渗透特点,使斜坡能基本上同步吸收来自降雨过程的全部水量,对斜坡稳定都是不利的。
The authors have declared that no competing interests exist.
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植被与斜坡非饱和带大空隙 [J].Vegetation and macropores in vadose zones of hill slopes. |
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优先流问题研究及其科学意义 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3007.2005.03.022 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,它是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关.开展优先流研究,是土壤水运动机制研究由均质走向非均质领域的标志.分析优先流的基本涵义及特征,阐述大孔隙流、环绕流、管流、漏斗流、指流、沟槽流、短路流、部分置换流、地下强径流、非饱和重力流、异质流、摆动流及低洼再蓄满等优先流类型及其表征现象,论述优先流研究的科学意义,并指出了优先流研究存在的问题及未来发展方向.
Preferential flow and its scientific significance. https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3007.2005.03.022 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,它是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关.开展优先流研究,是土壤水运动机制研究由均质走向非均质领域的标志.分析优先流的基本涵义及特征,阐述大孔隙流、环绕流、管流、漏斗流、指流、沟槽流、短路流、部分置换流、地下强径流、非饱和重力流、异质流、摆动流及低洼再蓄满等优先流类型及其表征现象,论述优先流研究的科学意义,并指出了优先流研究存在的问题及未来发展方向.
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土壤大孔隙特征的研究[D] .Characterizing macropores in soil. Shenyang: Institute of Applied Ecology, |
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土壤中大孔隙流研究进展与现状 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-6791.2000.02.016 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
介绍了近十几年来关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展,包括大孔隙流的研究史和大孔隙流的研究方法,详细讨论了在研究大孔隙流时比较常用的二域模型,并指出了目前大孔隙流研究中存在的一些问题.
Review on the study of macropore flow in soil. https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-6791.2000.02.016 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
介绍了近十几年来关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展,包括大孔隙流的研究史和大孔隙流的研究方法,详细讨论了在研究大孔隙流时比较常用的二域模型,并指出了目前大孔隙流研究中存在的一些问题.
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Simulation of water and chemicals in macropore soils Part 1.representation of the equivalent macropores influence and its effect on soil-water flow [J].https://doi.org/10.1016/0022-1694(92)90106-6 URL [本文引用: 1] 摘要
Macropores are a relatively small proportion of the soil volume, but they play an important role in the movement of water and chemicals owing to occasional rapid fluxes through them. The occurrence of macropore flow does not depend on the water content (or potential) of the bluk matrix unless the soil is close to saturation, but depends instead principally upon surface boundary conditions. Accordingly, three control situations of infiltration are recognized: macropore control, application control, and matrix control. These three situations indicate that the two-domain system may be a proper approach for the simulation of macropore soil. In this conceptualization, macropores are defined as channeling pores of different radii in which the flux density (with unit hydraulic gradient) occurring in the minimum sizes of such pores is greater than or equal to the saturated matrix hydraulic conductivity. Recognizing the two structural domains of the macropore and matrix, and possible water flow situations, three flow regions are suggested: matrix, macropore, and transaction. The matrix and the macropore are the two domains, and the transaction represents the exchange of water between the matrix and the macropore. The classic approach of the Richards equation is applicable to describe the flow in the matrix domain. The Hagen-Poiseuille and the Chezy-Manning equations for tube flow can be applied to represent the relationship between the hydraulic conductivity of the macroporosity and the total macroporosity, where the total macroporosity is defined as the ratio of the summed macropore cross-sectional area and the total soil cross-sectional area. An equation describing water flow in the macropore domain is then obtained.
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土壤大孔隙流研究进展 [J].
介绍了大孔隙及大孔隙流的定义、多种表现形式及其重要特征、产生机理和室内外实验研究概况,以及染色示踪、切片、穿透曲线、张力入渗仪、X射线CT扫描摄像和雷达探测等方法的研究进展,揭示这些实验方法的优点与存在的问题.并指出由于影响大孔隙及大孔隙流的因素较复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法,提高模拟手段,不断完善大孔隙流理论,使大孔隙流研究迈上一个新台阶.
Wang Anzhi et al. Research progress in soil macropore flow.
介绍了大孔隙及大孔隙流的定义、多种表现形式及其重要特征、产生机理和室内外实验研究概况,以及染色示踪、切片、穿透曲线、张力入渗仪、X射线CT扫描摄像和雷达探测等方法的研究进展,揭示这些实验方法的优点与存在的问题.并指出由于影响大孔隙及大孔隙流的因素较复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法,提高模拟手段,不断完善大孔隙流理论,使大孔隙流研究迈上一个新台阶.
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松嫩平原苏打盐渍土土壤水分特征研究 [J].
<p>以苏打盐化草甸土和苏打碱土2 种土壤类型为研究对象,研究苏打盐渍土土壤水分特征,并对土壤水分特征曲线进行模拟。结果表明,0~40 cm土壤层,盐化草甸土总孔隙度大于50%,毛管孔隙中以0.1~1.2 mm当量孔径的粗孔隙为主,苏打碱土总孔隙度低,主要以小于0.1 mm当量孔径的细孔隙为主;0~40 cm土壤层在相同水势作用下,盐化草甸土土壤含水率明显高于苏打碱土,说明苏打碱土土壤持水能力较低。通过模型模拟,获得不同土壤层的水分特征曲线参数,模拟值与实测值相关系数均在0.9 以上,模型具有可靠性。</p>
Wang Yunhe et al. Soil water characteristic of saline-sodic soil in Songnen Plain.
<p>以苏打盐化草甸土和苏打碱土2 种土壤类型为研究对象,研究苏打盐渍土土壤水分特征,并对土壤水分特征曲线进行模拟。结果表明,0~40 cm土壤层,盐化草甸土总孔隙度大于50%,毛管孔隙中以0.1~1.2 mm当量孔径的粗孔隙为主,苏打碱土总孔隙度低,主要以小于0.1 mm当量孔径的细孔隙为主;0~40 cm土壤层在相同水势作用下,盐化草甸土土壤含水率明显高于苏打碱土,说明苏打碱土土壤持水能力较低。通过模型模拟,获得不同土壤层的水分特征曲线参数,模拟值与实测值相关系数均在0.9 以上,模型具有可靠性。</p>
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撂荒后黄土高原坡耕地土壤透水性和抗冲性的变化 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0690.2003.06.014 URL [本文引用: 1] 摘要
退耕政策实施后,黄土高原部分坡耕地以撂荒形式来恢复其生态环境,而有关撂荒后土壤性质动态变化的研究还很少。土壤透水性和抗冲性是两个与水土流失关系最为密切的土壤性状指标。通过对黄土高原典型退耕区不同年限撂荒地的表土透水性和抗冲性及其它土壤性质的研究,表明土壤抗冲性随撂荒时间延长变化最大,其次为透水性、非毛管孔隙度和有机质,而容重、饱和含水量、毛管含水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度等随撂荒时间变化相对很小。随着撂荒时间的延长,土壤的抗冲性、透水性都明显的增强。撂荒5年后,水土流失得到很大程度控制,土壤质量也可得到改善。
Chang in soil permeability and anti-scourability of farmland after abandonment. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0690.2003.06.014 URL [本文引用: 1] 摘要
退耕政策实施后,黄土高原部分坡耕地以撂荒形式来恢复其生态环境,而有关撂荒后土壤性质动态变化的研究还很少。土壤透水性和抗冲性是两个与水土流失关系最为密切的土壤性状指标。通过对黄土高原典型退耕区不同年限撂荒地的表土透水性和抗冲性及其它土壤性质的研究,表明土壤抗冲性随撂荒时间延长变化最大,其次为透水性、非毛管孔隙度和有机质,而容重、饱和含水量、毛管含水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度等随撂荒时间变化相对很小。随着撂荒时间的延长,土壤的抗冲性、透水性都明显的增强。撂荒5年后,水土流失得到很大程度控制,土壤质量也可得到改善。
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Wilson G V et al. Physical and chemical controls of preferred path flow through a forested hillslope [J].https://doi.org/10.1016/0016-7061(90)90012-X URL [本文引用: 1] 摘要
Investigations of the physical and chemical characteristics of macropores and mesopores at two forested sites established for subsurface transport research are summarized. The hydrologically active macroporosity (pores larger than 1 mm diameter) is a very small fraction of the total soil porosity but is sufficient to conduct a large proportion of ponded infiltration. Mesopores (pores less than 1 mm diameter that are generally drained at field capacity) are sufficient to conduct total infiltration during the majority of rain events and have a much higher surface area than macropores. The cation adsorption coefficient of macropore walls was similar to bulk soil for mineral coatings but was higher for organic linings derived from roots. The subsurface outflow from a 0.46 ha subwatershed generated by two precipitation events displayed two contrasting patterns of chemical concentration. At the time of peak discharge, the concentration of Na, K, Mg, Ca and S was close to maximum (high supply); and for Al, Fe and Mn, chemical concentration was highest prior to peak discharge (low supply). A pathlength-supply hypothesis is proposed, based on (1) changing proportions of mesopore flow path lengths with stage of the subsurface hydrograph and (2) the ability of mesopore surfaces and adjacent micropores to continue supplying chemicals to percolating soil water. Macropores are viewed as being important physical conduits in convergent flow zones of watersheds but as having little influence on water quality.
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Field and laboratory estimates of pore size properties and hydraulic characteristics for subarctic organic soils [J].https://doi.org/10.1002/hyp.6795 URL 摘要
Characterizing active and water-conducting porosity in organic soils in both saturated and unsaturated zones is required for models of water and solute transport. There is a limitation, largely due to lack of data, on the hydraulic properties of unsaturated organic soils in permafrost regions, and in particular, the relationship between hydraulic conductivity and pressure head. Additionally, there is uncertainty as to what fraction of the matrix and what pores conduct water at different pressure heads, as closed and dead-end pores are common features in organic soil. The objectives of this study were to determine the water-conducting porosity of organic soils for different pore radii ranges using the method proposed by Bodhinayake et al . (2004) [Soil Sci. Soc. Am. J. 68:760-769] and compare these values to active pore size distributions from resin-impregnated laboratory thin sections and pressure plate analysis. Field experiments and soil samples were completed in the Wolf Creek Research Basin, Yukon. Water infiltration rates were measured 16 times using a tension infiltrometer (TI) at 5 different pressure heads from - 150 to 0 mm. This data was combined with Gardiner's (1958) exponential unsaturated hydraulic conductivity function to provide water-conducting porosity for different pore-size ranges. Total water-conducting porosity was 1 1 10-4, which accounted for only 0 01% of the total soil volume. Active pore areas obtained from 2-D image analysis ranged from 0路45 to 0 60, declining with depth. Macropores accounted for approximately 65% of the water flux at saturation, yet all methods suggest macropores account for only a small fraction of the total porosity. Results among the methods are highly equivocal, and more research is required to reconcile field and laboratory methods of pore and hydraulic characteristics. However, this information is of significant value as organic soils in permafrost regions are poorly characterized in the literature. Copyright 2007 John Wiley & Sons, Ltd.
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Holmstrup M et al. Density of macropores as related to soil and earthworm community parameters in cultivated grasslands [J].https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.03.004 URL [本文引用: 1] 摘要
78 Macropore density in the topsoil was directly related to anecic earthworm density. 78 Macropore density in the B-horizons was directly related to clay content. 78 The long-term macropores were related to the geology. 78 The short-term macropores were related to the actual earthworm population. 78 The use of graphical models eliminated the spurious relations between soil variables.
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Micro-,meso-,and macroporosity of soil [J].https://doi.org/10.2136/sssaj1981.03615995004500030051x URL [本文引用: 1] 摘要
The need for standard soil porosity terms is explained in the letter. Suggested characteristics of three soil porosity classes are presented in table form: 1) microporosity with an equivalent pore diameter range of <10 ..mu..; 2) mesoporosity, 10 to 1000 ..mu.. and 3) macroporosity, >1000 ..mu... Classification schemes of other authors are discussed. (JMT)
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不同植被发育斜坡土体优先流特征 [J].URL 摘要
以昆明市呈贡新区马卡山云南松和狗牙根两类典型植被发育斜坡土体为研究对象,采用染色示踪试验研究了水分通过斜坡土体大孔隙网络以优先流形式下渗这一过程。对采集到的剖面染色示踪图像进行处理,得到了土体优先流特征参数的变化规律,结果表明:不同植被发育斜坡土体对降雨的响应是不同的;平均染色面积比和染色路径数量在同一深度不同剖面间以及不同深度处同一剖面间均表现出明显的异质性;除了表层2 cm深度范围外,其余深度处云南松发育斜坡土体中平均染色面积和平均染色路径数量比狗牙根的大,说明前者优先流发生和发展较后者活跃。最后,通过对土体中分层根系生物量的测定,发现其与总染色面积比以及染色路径数量随深度增加呈较好的正相关关系,说明斜坡土体中优先流特征与植被根系分布有着密切的关系。
URL 摘要
以昆明市呈贡新区马卡山云南松和狗牙根两类典型植被发育斜坡土体为研究对象,采用染色示踪试验研究了水分通过斜坡土体大孔隙网络以优先流形式下渗这一过程。对采集到的剖面染色示踪图像进行处理,得到了土体优先流特征参数的变化规律,结果表明:不同植被发育斜坡土体对降雨的响应是不同的;平均染色面积比和染色路径数量在同一深度不同剖面间以及不同深度处同一剖面间均表现出明显的异质性;除了表层2 cm深度范围外,其余深度处云南松发育斜坡土体中平均染色面积和平均染色路径数量比狗牙根的大,说明前者优先流发生和发展较后者活跃。最后,通过对土体中分层根系生物量的测定,发现其与总染色面积比以及染色路径数量随深度增加呈较好的正相关关系,说明斜坡土体中优先流特征与植被根系分布有着密切的关系。
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三峡库区紫色砂岩林地土壤优先流特征及其形成机理[D] .Characteristics and formation mechanism of preferential flow in forest soils of purple sandstone regions,Three Gorges Reservoir Area. |
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长江上游暗针叶林生态系统优先流机理研究[D] .Study on preferential flow of dark coniferous forest ecosystem in the upper reach area of Yangtze River. |
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六盘山典型植被类型土壤中石砾对大孔隙形成的影响 [J].Xiong Wei et al. Effect of rock fragments on the formation of soil macroporosity of typical vegetation in liupan mountains of westnorth, China. |
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六盘山森林土壤的石砾对土壤大孔隙特征及出流速率的影响 [J].
石砾广泛分布于山地林区的土壤中，它对土壤的大孔隙及水分运动特征具有重要影响，是还较少研究的与森林水文过程有关的重要因素。基于对田间持水量与饱和含水量之间的土壤孔隙为大孔隙的定义，在宁夏六盘山南侧香水河小流域调查分析了典型植被样地土壤的石砾体积含量和大孔隙特征（半径、密度、面积比）及其之间的关系，并评价了它们对水分出流速率的影响。结果表明，土壤大孔隙的平均半径和密度都对水分出流速率影响显著，特别是半径>1.4mm的大孔隙密度的影响格外显著，虽然其密度仅占大孔隙总密度的6.86%，但可解释稳定出流速率变异的67.4%；作为综合反映大孔隙半径与密度的参数，土壤断面的大孔隙面积比能更好地解释稳定出流率变化，稳定出流速率随大孔隙面积比增大而线性增加，线性回归关系式的确定系数高达0.8361。石砾含量与稳定出流速率的关系比较复杂，在0~60cm土层内，石砾含量<15%时，稳定出流速率随石砾含量增大而增加，之后转而减少；但在60~80cm土层，则呈相反的变化趋势。石砾含量增加能导致土壤大孔隙半径增大，特别是半径大于1.4mm的较大大孔隙的密度增大，但对较小半径的大孔隙密度影响较弱，说明石砾在一定程度上通过影响土壤大孔隙的半径和密度特征来影响土壤水分出流速率。土壤稳定出流速率随土层深度而变化，在作为主根系层的0~60cm土层随土壤加深而降低，在>60cm土层则随土壤加深而提高，这是因为土壤大孔隙和稳定出流速率在主根系层更多地受植物改良土壤作用影响，在深层土壤则更多地受石砾含量增加的影响。
The influence of rock fragments on the characteristics of macropore and water effluent of forest soils in the Liupan Mountains, Northwest China.
石砾广泛分布于山地林区的土壤中，它对土壤的大孔隙及水分运动特征具有重要影响，是还较少研究的与森林水文过程有关的重要因素。基于对田间持水量与饱和含水量之间的土壤孔隙为大孔隙的定义，在宁夏六盘山南侧香水河小流域调查分析了典型植被样地土壤的石砾体积含量和大孔隙特征（半径、密度、面积比）及其之间的关系，并评价了它们对水分出流速率的影响。结果表明，土壤大孔隙的平均半径和密度都对水分出流速率影响显著，特别是半径>1.4mm的大孔隙密度的影响格外显著，虽然其密度仅占大孔隙总密度的6.86%，但可解释稳定出流速率变异的67.4%；作为综合反映大孔隙半径与密度的参数，土壤断面的大孔隙面积比能更好地解释稳定出流率变化，稳定出流速率随大孔隙面积比增大而线性增加，线性回归关系式的确定系数高达0.8361。石砾含量与稳定出流速率的关系比较复杂，在0~60cm土层内，石砾含量<15%时，稳定出流速率随石砾含量增大而增加，之后转而减少；但在60~80cm土层，则呈相反的变化趋势。石砾含量增加能导致土壤大孔隙半径增大，特别是半径大于1.4mm的较大大孔隙的密度增大，但对较小半径的大孔隙密度影响较弱，说明石砾在一定程度上通过影响土壤大孔隙的半径和密度特征来影响土壤水分出流速率。土壤稳定出流速率随土层深度而变化，在作为主根系层的0~60cm土层随土壤加深而降低，在>60cm土层则随土壤加深而提高，这是因为土壤大孔隙和稳定出流速率在主根系层更多地受植物改良土壤作用影响，在深层土壤则更多地受石砾含量增加的影响。
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砂田砾石覆盖对土壤大孔隙特征及其土壤水文过程的影响研究进展 [J].Research progress on influence of mulching gravel and sand on Soil macropore characteristics and Soil hydrological process of Gravel-Sand mulch field. |
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辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤渗透性能研究 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-4831.2002.04.001 URL [本文引用: 2] 摘要
沿辽河水系设置临时标准地 ,对辽宁东部山区具有代表性的油松林、落叶松林、红松林、柞木林、杂木林及灌丛 6种植被类型的土壤水分的入渗性能进行了研究。结果表明 ,辽东山区 6种植被类型下土壤都表现出较强的渗透性能。A层的初始入渗率 (f0 /mm·min- 1) 1 2 .8～ 6 1 .1 ,平均值为 38.7,B层 1 6 .8～4 1 .7,平均值为 2 7.0 ,C层 2 9.2～ 38.2 ,平均值为 2 4 .4 ;A层的稳定入渗率 (fc/mm·min- 1) 2 .6～ 4 .2 ,平均值为 3.5 ,B层 2 .2～ 4 .1 ,平均值为 2 .9,C层 1 .1～ 3.3,平均值为 2 .2 ;A层的饱和导水率 (k10 /mm·min- 1)1 .5 3～ 2 .2 3,平均值为 1 .86 ,B层 0 .77～ 2 .0 5 ,平均值为 1 .2 7,C层 0 .5 0～ 1 .2 8,平均值为 0 .79。不同植被类型下不同土壤发生层次的入渗能力差异显著 :一般地 ,阔叶林下土壤的入渗性能明显好于针叶林 ,榛丛下土壤也表现出很好的渗透性能 ;不同土层入渗性能大小为A层 B层 C层。林龄差异在 2个龄级以上时 ,林龄越大 ,土壤初渗性能越好。用Horton方程拟合土壤饱和渗透过程 ,模拟结果与实测结果相近。
https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-4831.2002.04.001 URL [本文引用: 2] 摘要
沿辽河水系设置临时标准地 ,对辽宁东部山区具有代表性的油松林、落叶松林、红松林、柞木林、杂木林及灌丛 6种植被类型的土壤水分的入渗性能进行了研究。结果表明 ,辽东山区 6种植被类型下土壤都表现出较强的渗透性能。A层的初始入渗率 (f0 /mm·min- 1) 1 2 .8～ 6 1 .1 ,平均值为 38.7,B层 1 6 .8～4 1 .7,平均值为 2 7.0 ,C层 2 9.2～ 38.2 ,平均值为 2 4 .4 ;A层的稳定入渗率 (fc/mm·min- 1) 2 .6～ 4 .2 ,平均值为 3.5 ,B层 2 .2～ 4 .1 ,平均值为 2 .9,C层 1 .1～ 3.3,平均值为 2 .2 ;A层的饱和导水率 (k10 /mm·min- 1)1 .5 3～ 2 .2 3,平均值为 1 .86 ,B层 0 .77～ 2 .0 5 ,平均值为 1 .2 7,C层 0 .5 0～ 1 .2 8,平均值为 0 .79。不同植被类型下不同土壤发生层次的入渗能力差异显著 :一般地 ,阔叶林下土壤的入渗性能明显好于针叶林 ,榛丛下土壤也表现出很好的渗透性能 ;不同土层入渗性能大小为A层 B层 C层。林龄差异在 2个龄级以上时 ,林龄越大 ,土壤初渗性能越好。用Horton方程拟合土壤饱和渗透过程 ,模拟结果与实测结果相近。
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