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优先流是一种常见的土壤水分运动形式，它是土壤运动机理研究从均质走向非均质领域的标志[1]。优先流研究是土壤水文学研究中的热点与难点[2]，它可以存在于任何尺度（微尺度、土柱尺度、剖面尺度、景观尺度等）[3-5]。土壤大孔隙是优先流的重要驱动因素，是由植物根系伸展与腐烂、土壤动物活动、干湿交替、冻融循环、水流侵蚀等原因形成，是能够导致水分和溶质优先迁移的孔隙[6]。大孔隙的存在显著增强了土壤水分入渗速率，减少地表径流，防治水土流失[7]。同时，大孔隙的存在会使土壤养分、水分、化肥及污染物进入地下水，从而降低土壤肥料及养分利用率，影响植被生长，而养分、肥料及污染物进入地下水及河流会造成水环境污染，危害人类健康[8]。国内外有很多学者根据自身研究需求，依据孔隙当量孔径对大孔隙进行了定义。Beven等认为大孔隙当量孔径应该在0.3 ~ 3.0 mm之间[9]；Lamande等在研究蚯蚓活动导致的大孔隙时，认为当量孔径 > 1 mm的孔隙均为大孔隙[10]；Luo等认为当量孔径 > 0.75 mm的孔隙均为大孔隙[11]；Singh等受限于仪器精度，将大孔隙当量孔径设定为 > 1.6 mm[12]；Warner等同样认为当量孔径 > 1 mm的孔隙为大孔隙[13]；石辉等认为大孔隙应定义为当量孔径 > 1.2 mm的孔隙[14]；吴华山等认为当量孔径 > 0.3 mm的孔隙均为大孔隙[15]。综合国内外研究发现，大孔隙结构特征参数影响土壤饱和导水率，Hu等研究发现，大孔隙数量多的土壤具有更大的土壤饱和导水率[16]。Saravanathiiban等利用模型研究大孔隙弯曲度对饱和土壤水分入渗速率的影响发现大孔隙弯曲度越小，土壤水分入渗速率越大，其中椭圆形的大孔隙受弯曲度的影响最大[17]。董辉等研究发现，孔隙面积比率增加，碎石土渗透系数增加[18]。上述研究表明土壤大孔隙影响土壤饱和导水率，影响土壤导水及入渗功能。
密云水库是北京周边重要水源涵养地，其地下水的水质情况与北京周边地区用水安全息息相关。前期研究表明，密云水库周边区域是优先流的典型区域，优先流类型是大孔隙流[19]，探讨土壤大孔隙结构对土壤导水功能影响将会有助于探明优先流运移规律，抑制水质恶化。为实现上述目标，本文以京郊密云水库五座山林场水源涵养林为研究点，基于工业CT扫描技术扫描土柱大孔隙，进行三维可视化处理，结合前人研究基础，将当量孔径 > 0.30 mm的孔隙定义为大孔隙[15]，探究不同孔径大孔隙结构特征参数及数量密度对土壤饱和导水率的影响，研究方法及结论将为该区域土壤水分—溶质迁移规律、水土流失治理与土壤污染防治提供理论支持和方法参考。
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研究区是北京郊区密云水库周边的五座楼林场，位于北京市东北方向85 km处的密云县境内。区域植被类型丰富，主要由松栎等针叶和落叶阔叶林组成，主要成林乔木树种有油松（Pinus tabuliformis）、侧柏（Platycladus orientalis）、板栗（Castanea mollissima）、榆树（Ulmus pumila）及核桃树（Juglans regia）等。密云水库库区年降水量661 mm，降水多集中于 6—9 月，暴雨期间降水量可达到 400 ~ 500 mm，占到全年总降水的 75% ~ 85%。密云水库水源主要是潮河、白河及其支流，潮河与白河属于季节性河流，其主要补给形式为汛期的降水所形成的地表径流，主要集中在 6—9 月。研究区岩石主要来源于太古宙花岗岩[20]，岩石由变质岩组成，多为片麻岩、花岗岩，夹带有麻粒岩、混合岩。研究区土壤主要有4大类：棕壤土、栗钙土、褐土及草甸土，其中褐土分布最为广泛，库区周边的低岗丘陵土壤多为褐土[21]。试验区土壤主要有褐土型耕作土和淋溶褐土，部分地区也分布一定的暗棕壤。取样点位于低岗丘陵区，岩石均来源于太古宙花岗岩，根据世界土壤类型分类，取样点主要土壤类型为浅层褐土[22]，土层薄，土壤贫瘠，土壤呈中性或弱酸性，土壤有机质含量低于远山区天然次生林土壤，植被稀疏，水土流失严重。
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2015年8—9月，对研究区实地踏查后，选取大小20 m × 20 m，坡度小于5°，植被覆盖度大于40%，且林地郁闭度大于80%的典型林地作为样地。共选取6个样地，每个样地用对角线布点法布设3个土壤样品取样点。样地基本情况如表1所示。样点选定后用铁锹和镐等工具挖开一个80 cm宽，40 cm深的剖面。剖面挖好后，去除表面枯落物层，削出一个比聚氯乙烯（PVC）管（规格为10 cm直径 × 30 cm高）略大的土芯后，往下套取土柱，采取边削边向下套取的方法将PVC管往下套，以减少土柱所受的边界效应影响。PVC管上端有土壤露出时，将土芯切断，用塑料布将PVC管上下两端封好，防止运输过程中土柱受颠簸导致土壤结构发生变化。共采集18个土柱。
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic situation of sample plots
样地
Sample plot经纬度
Longitude and
latitude样方大小
Sample plot
size (m × m)海拔
Altitude/m林地类型
Forest land type平均树高
Average tree
height/m郁闭度
Canopy
density/%平均胸径
Mean DBH/cm样地1 Sample plot 1 40°30′43″N，116°49′51″E 20 × 20 225 人工林 Plantation 11.91 90 22.84 样地2 Sample plot 2 40°30′27″N，116°49′14″E 20 × 20 227 人工林 Plantation 10.29 90 25.63 样地3 Sample plot 3 40°30′10″N，116°48′46″E 20 × 20 225 人工林 Plantation 12.63 85 16.58 样地4 Sample plot 4 40°30′27″N 116°49′02″E 20 × 20 219 人工林 Plantation 8.64 80 28.34 样地5 Sample plot 5 40°30′34″N，116°49′31″E 20 × 20 218 人工林 Plantation 7.54 80 16.73 样地6 Sample plot 6 40°30′50″N，116°50′16″E 20 × 20 217 人工林 Plantation 11.24 85 24.46 在取土柱的同时，每个样点在切开的剖面上用规格200 cm3的环刀分3层（0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm）采集土壤样品，每层两个重复。分3层取样的目的是分析与CT扫描所获得的土壤大孔隙结构参数分层对应的土壤导水性质。采集完成后将环刀整齐装好，用透明胶带缠牢，减少在运输过程中的颠簸，保证土壤呈原状，带回实验室做穿透曲线试验。
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所有土柱利用工业锥束CT系统进行扫描，此CT系统能量为450 kV，10 mA，扫描转速为 40 rps，扫描间隔为0.215 mm。在扫描后，每个土柱可以得到1 394张像素大小为 1 024 × 1 024 的图像。
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CT扫描得到1 394张像素大小为1 024 × 1 024的图像后，利用专业的CT图像处理软件Avizo10.0.1对CT扫描所得切片图像处理后，得到土壤三维结构图像。所得三维图像的体素为0.137 mm/pixel（X方向） × 0.137 mm/pixel（Y方向） × 0.2 mm/pixel（Z方向）。对所得土壤三维图像观察分析后，发现边界效应较为严重。为了防止边界效应带来误差，用Avizo10.0.1对所得土柱三维图像进行一定程度的切除，切除X-Y方向圆周边缘5 mm以及Z方向上下两端35 mm，确保数据可靠。最终得到X轴、Y轴方向−45 ~ 45 mm，Z轴方向−35 ~ −265 mm的土柱三维图像。
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由于CT扫描精度限制，提取所有孔径 ≥ 0.30 mm的大孔隙，确认大孔隙阈值（扫描图像大孔隙灰度值范围）的方法是以往研究中一种最优方法[16,23]，即在土柱中放置一个确定的充气管，图像处理时观察充气管的阈值，小于该阈值的确认为大孔隙，大于该阈值的确认为非大孔隙。阈值确认后，将大孔隙在土柱中一一勾选出来，得到可视化的大孔隙结构，对照CT扫描照片进行视觉直观检查，以确保阈值选取的合理性，不出现大面积错误。最终大孔隙阈值确认为 < 75（换算成范围0 ~ 255）。
土柱大孔隙3D结构可视化后，利用Avizo10.0.1中编程计算土柱中每个大孔隙的数量、直径、表面积、体积、直线长度和空间位置等大孔隙结构指标，导出数据，在Excel中分层进行计算，研究将孔径分成0.31 ~ 1.30 mm、1.31 ~ 2.30 mm、2.31 ~ 3.30 mm、3.31 ~ 4.30 mm和 > 4.30 mm 5个等级，分别记为d0.31、d1.31、d2.31、d3.31和d4.30，得到每10 cm土层5个径级大孔隙的总特征参数，具体参数为大孔隙总长度，大孔隙总体积，大孔隙总表面积，大孔隙总迂曲度，大孔隙总倾斜角度。大孔隙迂总均曲度的计算方法如下：
$$T = \sum {\frac{{{L_{{\rm{t}}n}}}}{{{L_{{\rm{l}}n}}}}} $$ 式中：T是每层大孔隙总迂曲度；Lln是每层第n个大孔隙的直线长度；Ltn每层第n个大孔隙实际长度。
大孔隙实际长度无法直接计算，并且大孔隙切面大多为圆形，因此将大孔隙看成一小截一小截的圆柱体拼凑而成，故大孔隙总实际长度算法如下：
$${L_{\rm{t}}} = \frac{{{V_{{\rm{T}}n}}}}{{{S_{{\rm{T}}n}}}}$$ 式中：VTn是每层第n个大孔隙体积；STn每层第n个大孔隙表面积。
大孔隙总倾斜角度计算方法如下：
$$\theta = \sum {\arctan \frac{{{Z_{{n}}}}}{{\sqrt {X_{{n}}^2 + {Y_{{n}}^2}} }}} $$ 式中：θ是大孔隙总倾斜角度；Xn是第n个大孔隙的直线长度在X轴方向上的投影长度；Yn是第n个大孔隙的直线长度在Y轴方向上的投影长度；Zn是第n个大孔隙的直线长度在Z轴方向上的投影长度。
计算获得每土层各径级大孔隙总特征值参数后，计算该土层各径级大孔隙特征值密度，即大孔隙长度密度（单位土层厚度内大孔隙总长度），大孔隙体积密度（单位土层厚度内大孔隙总体积，即大孔隙度），大孔隙表面积密度（单位土层厚度内大孔隙总过水断面积），大孔隙迂曲度密度（单位土层厚度内大孔隙总迂曲度，反映土层内大孔隙弯曲程度），大孔隙倾斜角度密度（单位土层厚度内大孔隙总倾斜角度，反映土层内大孔隙垂直程度），计算方法为各径级该土层总特征值参数/该土层厚度，各径级该土层数量密度为各径级该土层大孔隙数量/该土层厚度。
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将采集的土样浸泡在水中12 h，使土样达到饱和，取出，将土样静置在粗砂上12 h，使土样持水量为田间持水量。在土样与环刀壁接触的地方抹上适量的凡士林，防止水分通过土样与环刀壁之间的缝隙快速下渗。在样品上端放置一片与环刀直径大小一致的滤纸，防止土样表面在施加水头时被破坏，下端采用出流孔密度为5个/cm2的底盖。用马氏瓶控制水头为2 cm，从首次加水开始计时，按照前1 min每5 s收集一次，1 min后每10 s收集一次的方法来收集出流液，直到水流通量稳定为止。在土壤饱和状态下测定常温下饱和导水率（Ks），并统一换算成10 ℃的饱和导水率（K10）。
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对CT扫描图像三维重建后，得到每个大孔隙基本结构参数，并在Excel中进行统计计算后，得到各土层土壤大孔隙数量密度及其他结构参数密度，并用origin制图，制图过程中发现不同孔径大孔隙特征值密度数量级存在较大差别，因此按其数量级分开制图以便更好观察不同孔径大孔隙的特征。
从图1可以看出，除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙数量密度都随孔径增大而减小，d4.30的数量密度均大于d3.31，小于d2.31。通过计算，发现不同样地不同土层内d0.31的大孔隙数量占有率都在85%以上，d0.31和d1.31的大孔隙数量总占有率都在95%以上。5个径级大孔隙的数量密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙数量密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31和d1.31的大孔隙数量密度在除样地3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，其他3个径级的大孔隙数量密度在除样地1以外的样地均表现为随深度增大而减小。
图 1 大孔隙数量密度分布
Figure 1. Quantity density distribution of macropores
从图2可以看出，除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙长度密度都随孔径增大而减小，d4.30的长度密度均大于 d3.31、小于d2.31，这与大孔隙数量密度变化规律一致。5个径级大孔隙长度密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙长度密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31和d1.31的大孔隙长度密度在除样地1、3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，其他3个径级的大孔隙长度密度在除1地以外的样地均表现为随深度增大而减小。
图 2 大孔隙长度密度分布
Figure 2. Length density distribution of macropores
从图3可以看出，除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙体积密度都随孔径增大而减小，这与大孔隙数量密度变化规律一致，d4.30的体积密度大于其他4个径级。除d4.30以外，其他4个径级大孔隙体积密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙体积密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31和d1.31的大孔隙体积密度在样地1、3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，另外2个径级的大孔隙表面积密度在除1地以外的样地均表现为随深度增大而减小。d4.30的大孔隙体积密度在各样地并无明显变化规律。
图 3 大孔隙体积密度分布
Figure 3. Volume density distribution of macropores
从图4可以看出，除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙表面积密度都随孔径增大而减小，这与大孔隙数量密度变化规律一致，d4.30的表面积密度在样地1、2、3和4大于其他4个径级，在样地5和6大于除d0.31以外的3个径级。除d4.30以外，其他4个径级大孔隙表面积密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙表面积密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31和d1.31的大孔隙表面积密度在样地1、3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，另外2个径级的大孔隙表面积密度在除1地以外的样地均表现为随深度增大而减小。d4.30的大孔隙表面积密度在各样地并无明显变化规律。
图 4 大孔隙表面积密度分布
Figure 4. Distribution of surface area density of macropores
从图5可以看出，6个样地3个土层内大孔隙迂曲度密度都随孔径增大而减小，这与大孔隙数量密度变化规律一致。5个径级大孔隙的迂曲度密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙迂曲度密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31大孔隙迂曲度密度在除样地3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，d1.31大孔隙迂曲度密度在除样地1、3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，其他3个径级的大孔隙迂曲度密度在除样地1以外的样地均表现为随深度增大而减小。
图 5 大孔隙迂曲度密度分布
Figure 5. Distribution of tortuosity density of macropores
从图6可以看出，除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙倾斜角度密度都随孔径增大而减小，这与大孔隙数量密度变化规律一致，d4.30的大孔隙倾斜角度密度在样地1、2、3和4内大于d3.31，在样地5和6内小于d3.31。5个径级大孔隙的倾斜角度密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，大孔隙倾斜角度密度最大的均为各样地0 ~ 10 cm土层，d0.31大孔隙倾斜角度密度在除样地3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，d1.31大孔隙倾斜角度密度在除样地1、3和5以外的样地均表现为随深度增大而减小，其他3个径级的大孔隙倾斜角度密度在除样地1以外的样地均表现为随深度增大而减小。
图 6 大孔隙倾斜角度密度分布
Figure 6. Distribution of tilt angle density of macropores
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土壤饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量，它是反映土壤入渗特性的重要参数，对灌溉、水土保持方案的设计具有重要指导意义。各样地不同土层的饱和导水率如图7所示，样地1、2和5中饱和导水率随土层深度增大而减小，样地3中饱和导水率最大的为10 ~ 20 cm土层，其次为0 ~ 10 cm土层，最后为20 ~ 30 cm土层，样地4中饱和导水率随土层深度增大而增大，这与其他样地中饱和导水率的规律差异较大，样地6中饱和导水率最大的为0 ~ 10 cm土层，其次为20 ~ 30 cm土层，最后为10 ~ 20 cm土层。从上述结果可以发现，在0 ~ 30 cm土层中饱和导水率存在一定的变化规律，在大部分样地都表现为土层越深，饱和导水率越小，但也存在一定的随机性，比如样地4中土层越深，饱和导水率越大，样地3和6中饱和导水率也不是随土层深度增大而减小。各样地间饱和导水率也存在差异，从图7中不难发现，样地1、5和6各土层（除样地5的20 ~ 30 cm土层外）饱和导水率显著大于其他3个样地，这说明不同林地类型对饱和导水率也可能存在影响。
图 7 土壤饱和导水率分布
Figure 7. Distribution of saturated hydraulic conductivity
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各径级大孔隙特征参数与饱和导水率的关系如图8所示，d0.31和d1.31的大孔隙各特征参数中，除大孔隙倾斜角度密度以外的5个大孔隙参数均与饱和导水率明显线性正相关趋势，大孔隙倾斜角度密度与饱和导水率具有一定的正相关趋势。d2.31的大孔隙各特征参数中，除大孔隙体积密度和倾斜角度密度以外的4个大孔隙特征参数均与饱和导水率明显线性正相关趋势，大孔隙体积密度和倾斜角度密度与饱和导水率具有一定的正相关趋势。d3.31的大孔隙各特征参数中，除大孔隙体积密度以外的5个大孔隙参数均与饱和导水率明显线性正相关趋势，大孔隙体积密度与饱和导水率具有一定的正相关趋势。d4.30的大孔隙各特征参数中，除大孔隙体积密度以外的5个大孔隙参数均与饱和导水率明显线性正相关趋势，大孔隙体积密度与饱和导水率无明显相关趋势。进一步分析各径级大孔隙特征参数与饱和导水率具体相关性。大孔隙特征参数和饱和导水率相关性检验如表2所示，大孔隙特征参数中只有d4.30的体积密度与饱和导水率无显著相关性，其他参数与饱和导水率呈极其显著正相关。
图 8 大孔隙特征参数对饱和导水率的影响
Figure 8. Influence of characteristic parameters of macropores on saturated hydraulic conductivity
表 2 大孔隙特征参数与饱和导水率相关性检验
Table 2. Correlation test between characteristic parameters of macropores and saturated hydraulic conductivity
项目
Item饱和导水率 Saturated hydraulic conductivity d0.31 d1.31 d2.31 d3.31 d4.30 数量密度 Quantity density 0.671 (0.002**) 0.745 (0.000**) 0.773 (0.000**) 0.791 (0.000**) 0.814 (0.000**) 长度密度 Length density 0.673 (0.002**) 0.782 (0.000**) 0.799 (0.000**) 0.762 (0.000**) 0.627 (0.005**) 体积密度 Volume density 0.712 (0.001**) 0.803 (0.000**) 0.804 (0.000**) 0.775 (0.000**) 0.294 (0.237) 表面积密度 Surface area density 0.696 (0.001**) 0.772 (0.000**) 0.778 (0.000**) 0.789 (0.000**) 0.748 (0.000**) 迂曲度密度 Tortuosity density 0.663 (0.003**) 0.776 (0.000**) 0.800 (0.000**) 0.770 (0.000**) 0.765 (0.000**) 倾斜角度密度 Tilt angle density 0.659 (0.003**) 0.716 (0.001**) 0.745 (0.000**) 0.783 (0.000**) 0.802 (0.000**) 注：** 表示在 0.01 级别(双尾)相关性显著。*表示 在 0.05 级别(双尾)相关性显著。Notes: ** means the correlation is significant at 0.01 level (double tail), * means the correlation is significant at 0.05 level (double tail). -
阮芯竹在四面山的研究表明饱和导水率随土层深度增加呈负指数递减规律[24]。本文饱和导水率在大部分样地呈现随土层深度增加而减小，可能是土层越浅，植物根系和土壤动物活动越强，土层越浅大孔隙越发达，饱和导水率越大，而样地4饱和导水率随土层深度增加而增大，可能是因为本研究的取土深度不够，0 ~ 30 cm土层为植物根系和土壤动物频繁活动区域，可能出现20 ~ 30 cm土层的大孔隙发育程度高于0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层。
除d4.30以外，6个样地3个土层内大孔隙数量密度都随孔径增大而减小，而d4.30的数量密度大于d3.31、小于d2.31，且d0.31的大孔隙占有率在85%以上，d0.31和d1.31的大孔隙总占有率在95%以上。实际上d4.30的大孔隙是当量孔径大于4.30 mm的所有大孔隙，如果将d4.30的大孔隙按同样尺度（即1 mm）划分，会发现大孔隙数量密度随孔径增大而减小，但孔径大于4.30 mm的大孔隙数量有一定的随机性。这与前人的研究结果一致[25]。5个径级大孔隙的数量密度在各样地内不同土层间的变化规律几乎一致，且与饱和导水率呈极其显著正相关，即5个径级的大孔隙数量越多，饱和导水率越大。曾强的研究表明大孔隙的尺寸范围受控于植被类型，而尺寸分布受其影响较小[26]。王伟在四面山的研究表明森林土壤0.3 ~ 3.0 mm范围内，大孔隙数量与其对应的土壤水分稳定出流速率呈显著正相关关系[27]，稍小于本研究大孔隙的孔径范围。
6个样地3个土层内大孔隙长度密度随孔径增大而减小，且各径级大孔隙长度密度在各样地内不同土层间变化规律几乎一致。通过相关性检验，发现5个径级大孔隙的长度密度与饱和导水率呈显著正相关，即5个径级的大孔隙总长度越长，饱和导水率越大。阙云的研究表明增加大孔隙长度，延长了水分传导路径，削弱了水分传导能力[28]。这与本研究结果相反，造成这一结果的原因可能是量化手段不同，实际代表的不是同一指标，还需进一步研究。
d4.30的大孔隙体积密度无明显变化规律，而除d4.30以外其他4个径级的大孔隙体积密度变化规律一致，呈现同一样地内土层越深，大孔隙体积密度越小，且径级间呈现出孔径越大，大孔隙体积密度越小的趋势，即大孔隙的当量孔径越大，其大孔隙度越小，且随土层深度增加而减小，这与前人研究结果一致[29-30]。通过相关性检验，发现除d4.30以外其他4个径级大孔隙体积密度均与饱和导水率呈显著正相关，即当量孔径0.31 ~ 4.30 mm的大孔隙体积密度越大，饱和导水率越大，与王伟[24]在四面山的研究得到的结果相似，但他研究的大孔隙当量孔径范围为0.3 ~ 3.0 mm。
除d4.30以外其他4个径级大孔隙表面积密度变化规律一致，呈现出同一样地内土层深度越深，大孔隙表面积密度越小，且径级间呈现出孔径越大，大孔隙表面积密度越小的趋势，这与前人研究结果一致[31]。通过相关性检验，发现5个径级的大孔隙表面积密度均与饱和导水率呈显著正相关，这是因为大孔隙表面积密度越大，有效过水断面积越大，更利于水分入渗。
5个径级大孔隙迂曲度密度变化规律一致，在同一样地内随深度增大而减小，随孔径增大而减小。造成这种规律的原因可能有两点，一是土层越深大孔隙迂曲度越小，二是土层越深大孔隙数量越少。前人研究结果表明[23]，根系及土壤动物活动造成了更垂直的大孔隙，而深层土壤的大孔隙更弯曲。通过相关性检验，发现5个径级的迂曲度密度与饱和导水率均呈显著正相关。前人研究表明[32-33]大孔隙平均迂曲度越大，即大孔隙越弯曲，弯曲的大孔隙阻滞和减缓了水分的运移速度，不利于水分的快速入渗。本文得到的结果为大孔隙迂曲度密度越大，饱和导水率越大，本文认为水分在土壤中的运动是一个整体，单个大孔隙对饱和导水率的影响有限。即认为在0 ~ 30 cm土层，大孔隙数量对饱和导水率的影响大于大孔隙迂曲度对饱和导水率的影响。
5个径级大孔隙倾斜角度密度变化规律一致，且孔径越大，大孔隙倾斜角度密度越小。这种变化规律的原因可能有两点，一是土层越深大孔隙倾斜角度越小，二是土层越深大孔隙数量越少，由于缺乏前人研究结果参考，具体原因需要今后进一步研究。通过相关性检验，发现倾斜角度密度与饱和导水率均呈显著正相关。这可能和大孔隙迂曲度相同，在0 ~ 30 cm土层大孔隙数量对饱和导水率的作用要显著大于大孔隙倾斜角度。
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（1）在0 ~ 30 cm土层内，大部分样地的饱和导水率随土层深度增加而减小，但也会出现随深度增加而增大的情况；
（2）林地土壤的大孔隙当量孔径主要集中在0.31 ~ 2.30 mm，其占有率高达95%；
（3）当量孔径越小的大孔隙，除大孔隙体积和表面积外的大孔隙结构特征参数密度越大；
（4）除当量孔径大于4.30 mm的大孔隙体积密度以外的大孔隙特征参数与饱和导水率均呈显著正相关，大孔隙数量对饱和导水率的影响要显著大于大孔隙结构参数。
本试验在量化大孔隙迂曲度的方法上较为理想化，因为在实际情况中，大孔隙不可能都为规则的圆柱状，因此在今后的研究中需要推出更为合理的大孔隙迂曲度量化方法。不同孔径的大孔隙结构特征形成原因值得更深一步的探究。今后的研究重点在于推出更为合理大孔隙特征参数计算方法，系统研究大孔隙结构参数对土壤饱和导水率的影响以及各种因素对于大孔隙结构参数的影响。
Influence of soil macropore structure on saturated hydraulic conductivity
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摘要:
目的 探究土壤不同孔径大孔隙结构特征及数量对土壤饱和导水率的影响，为研究区域土壤水分—溶质迁移规律、水土流失治理与土壤污染防治提供理论参考。 方法 以京郊密云水库五座山林场水源涵养林为研究点，基于工业CT扫描技术，对土柱中土壤大孔隙三维空间结构重建后，探究不同孔径大孔隙结构特征参数密度及数量密度对土壤饱和导水率的影响。 结果 （1）除当量孔径大于4.30 mm以外的大孔隙，当量孔径越大，其数量密度越小，结构特征参数密度越小；（2）6个样地3个土层内当量孔径为0.31 ~ 2.30 mm的大孔隙占所有孔隙的比例均高于95%；（3）样地1、2、5和6中饱和导水率最大的均在0 ~ 10 cm土层，且除样地6外，均随深度增大而减小，样地4的饱和导水率随深度增大而增大；（4）除当量孔径大于4.30 mm的大孔隙体积密度外，5个径级所有其他的大孔隙特征值密度均与饱和导水率呈显著正相关。 结论 （1）在0 ~ 30 cm土层内，大部分样地的饱和导水率随土层深度增加而减小，但也会出现随深度增加而增大的情况；（2）林地土壤的大孔隙当量孔径主要集中在0.31 ~ 2.30 mm，其占有率高达95%；（3）当量孔径越小的大孔隙，除大孔隙体积和表面积外的大孔隙结构特征参数密度越大；（4）除当量孔径 > 4.30 mm的大孔隙体积密度以外的大孔隙特征参数与饱和导水率均呈显著正相关，大孔隙数量对饱和导水率的影响要显著大于大孔隙结构参数。 Abstract:Objective This paper aims to explore the influence of structure and quantity of macropores with different diameter classes on the saturated hydraulic conductivity of soil, and to provide a theoretical reference for the study of soil water solute transport law, soil erosion control and soil pollution control in this area. Method The study was carried out on water conservation forest in Wuzuoshan Forest Farm of Miyun Reservoir in Beijing suburb. Based on the industrial CT scanning technology, the three-dimensional spatial structure of soil macropores in the soil column was reconstructed to explore the influence of structural parameter density and quantity density of macropores with different diameter classes on the soil saturated hydraulic conductivity. Result (1) Excepting for equivalent diameter large than 4.30 mm, the larger the equivalent diameter of macropores was, the smaller the quantity density and structural parameter density of macropores were. (2) In three soil layers of six sample plots, the proportion of macropores with an equivalent diameter of 0.31−2.30 mm to all macropores was higher than 95%. (3) The maximum saturated hydraulic conductivity of sample plot 1, 2, 5 and 6 was in 0−10 cm soil layer, and it decreased with the increase of soil depth, but except for sample plot 6. The saturated hydraulic conductivity of sample plot 4 increased with the soil depth increasing. (4) Except for the volume density of macropores with an equivalent diameter greater than 4.30 mm, all the other eigenvalue densities of macropores had a significantly positive correlation with the saturated hydraulic conductivity. Conclusion (1) In the 0−30 cm soil layer, the saturated hydraulic conductivity of most sample plots decreases with the soil depth increasing, but it possibly increases with the soil depth increasing. (2) The equivalent diameter of macropores in the soil of forest is mainly concentrated in 0.31−2.30 mm, and its occupancy rate is more than 95%. (3) When equivalent diameter of macropores is smaller, the density of characteristic parameter of macropore structure is greater except for the volume and surface area of macropores. (4) There is a significantly positive correlation between the characteristic parameter of macropores and the saturated hydraulic conductivity except for the volume density of macropores with equivalent diameter greater than 4.30 mm. The influence of macropore number on saturated hydraulic conductivity is significantly greater than structure parameters of macropores. -
图 1 大孔隙数量密度分布
d0.31、 d1.31、 d2.31、 d3.31和 d4.30分别代表孔径为0.31 ~ 1.30 mm、1.31 ~ 2.30 mm、2.31 ~ 3.30 mm、3.31 ~ 4.30 mm 和 > 4.30 mm的大孔隙。横坐标中第1个数字代表样地编号，第2个数字代表土层深度，例如：1−2，1代表样地1，2代表土层10 ~ 20 cm，以下类同。 d0.31, d1.31, d2.31, d3.31 and d4.30 represent macropores with equivalent diameter of 0.31−1.30 mm, 1.31−2.30 mm, 2.31−3.30 mm, 3.31−4.30 mm and large than 4.30 mm, respectively. The first number in the abscissa represents sample plot No., and the second number represents soil layer depth, for example, 1−2, 1 represents the sample plot 1, 2 represents the soil layer of 10−20 cm, the following is similar as this.
Figure 1. Quantity density distribution of macropores
图 8 大孔隙特征参数对饱和导水率的影响
Figure 8. Influence of characteristic parameters of macropores on saturated hydraulic conductivity
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic situation of sample plots
样地
Sample plot经纬度
Longitude and
latitude样方大小
Sample plot
size (m × m)海拔
Altitude/m林地类型
Forest land type平均树高
Average tree
height/m郁闭度
Canopy
density/%平均胸径
Mean DBH/cm样地1 Sample plot 1 40°30′43″N，116°49′51″E 20 × 20 225 人工林 Plantation 11.91 90 22.84 样地2 Sample plot 2 40°30′27″N，116°49′14″E 20 × 20 227 人工林 Plantation 10.29 90 25.63 样地3 Sample plot 3 40°30′10″N，116°48′46″E 20 × 20 225 人工林 Plantation 12.63 85 16.58 样地4 Sample plot 4 40°30′27″N 116°49′02″E 20 × 20 219 人工林 Plantation 8.64 80 28.34 样地5 Sample plot 5 40°30′34″N，116°49′31″E 20 × 20 218 人工林 Plantation 7.54 80 16.73 样地6 Sample plot 6 40°30′50″N，116°50′16″E 20 × 20 217 人工林 Plantation 11.24 85 24.46 
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表 2 大孔隙特征参数与饱和导水率相关性检验
Table 2. Correlation test between characteristic parameters of macropores and saturated hydraulic conductivity
项目
Item饱和导水率 Saturated hydraulic conductivity d0.31 d1.31 d2.31 d3.31 d4.30 数量密度 Quantity density 0.671 (0.002**) 0.745 (0.000**) 0.773 (0.000**) 0.791 (0.000**) 0.814 (0.000**) 长度密度 Length density 0.673 (0.002**) 0.782 (0.000**) 0.799 (0.000**) 0.762 (0.000**) 0.627 (0.005**) 体积密度 Volume density 0.712 (0.001**) 0.803 (0.000**) 0.804 (0.000**) 0.775 (0.000**) 0.294 (0.237) 表面积密度 Surface area density 0.696 (0.001**) 0.772 (0.000**) 0.778 (0.000**) 0.789 (0.000**) 0.748 (0.000**) 迂曲度密度 Tortuosity density 0.663 (0.003**) 0.776 (0.000**) 0.800 (0.000**) 0.770 (0.000**) 0.765 (0.000**) 倾斜角度密度 Tilt angle density 0.659 (0.003**) 0.716 (0.001**) 0.745 (0.000**) 0.783 (0.000**) 0.802 (0.000**) 注：** 表示在 0.01 级别(双尾)相关性显著。*表示 在 0.05 级别(双尾)相关性显著。Notes: ** means the correlation is significant at 0.01 level (double tail), * means the correlation is significant at 0.05 level (double tail).
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[1] 牛健植, 余新晓, 张志强. 优先流研究现状及发展趋势[J]. 生态学报, 2006, 26(1):233−245. Niu J Z, Yu X X, Zhang Z Q. The present and future research on preferential flow[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(1): 233−245. [2] Baratelli F, Cattaneo L, Giudici M, et al. Solute transport in geological porous media: estimation of dispersion coefficients[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2010, 2(6): 7605−7606. [3] Allaire S E, van Bochove E, Denault J, et al. Preferential pathways of phosphorus movement from agricultural land to water bodies in the Canadian Great Lakes Basin: a predictive tool[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2017, 91(3): 361−374. [4] Dusek J, Vogel T. Modeling subsurface hillslope runoff dominated by preferential flow: one- vs. two-dimensional approximation[J]. Vadose Zone Journal, 2014, 13(6): 859−879. [5] Gao Z X, Xu X X, Yu M Z, et al. Impact of land use types on soil macropores in the loess region[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(6): 1578−1584. [6] 李伟莉. 长白山森林土壤大孔隙分布及其对水分运动的影响[D]. 沈阳: 中国科学院沈阳应用生态研究所, 2007. Li W L. Distribution of macropores in forest soil of Changbai Mountain and its influence on water movement[D]. Shenyang: Shenyang Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, 2007. [7] Hao Z C, Feng J. Recent advances in water and solute movement in macro-porous soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2002, 21(1): 67−71. [8] Annemieke I G, Jirka S, Jarvis N, et al. Two-dimensional modelling of preferential water flow and pesticide transport from a tile-drained field[J]. Journal of Hydrology, 2006, 329: 647−660. [9] Beven K, Germann P. Macropores and water flow in soils[J]. Water Resources Research, 1982, 18(5): 1311−1325. [10] Lamande M, Labouriau R, Holmstrup M, et al. Density of macropores as related to soil and earthworm community parameters in cultivated grasslands[J]. Geoderma, 2011, 162: 319−326. [11] Luo L, Lin H, Halleck P. Quantifying soil structure and preferential flow in intact soil using X-ray computed tomography[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(4): 1058−1069. [12] Singh P, Kanwar R S, Thompson M L. Measurement and characterization of macropores by using AUTOCAD and automatic image analysis[J]. Journal of Environmental Quality, 1991, 20(1): 289−294. [13] Warner G S, Nieber J L, Moore I D, et al. Characterizing macropores in soil by computed tomography[J]. Soil Science Society of America Journal, 1989, 53(3): 653−660. [14] 石辉, 陈凤琴, 刘世荣. 岷江上游森林土壤大孔隙特征及其对水分出流速率的影响[J]. 生态学报, 2005, 25(3):507−512. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2005.03.018. Shi H, Chen F Q, Liu S R. Macropores properties of forest soil and its influence on water effluent in the upper reaches of Minjiang River[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(3): 507−512. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2005.03.018. [15] 吴华山, 陈效民, 陈集. 利用 CT 扫描技术对太湖地区主要水稻土中大孔隙的研究[J]. 水土保持学报, 2007, 21(2):175−178. doi: 10.3321/j.issn:1009-2242.2007.02.044. Wu H S, Chen X M, Chen J. Study on macropore in main paddy soils in Tai-Lake region with CT[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(2): 175−178. doi: 10.3321/j.issn:1009-2242.2007.02.044. [16] Hu X, Li Z C, Li X Y, et al. Quantification of soil macropores under alpine vegetation using computed tomography in the Qinghai Lake Watershed, NE Qinghai-Tibet Plateau[J]. Geoderma, 2016, 264: 244−251. [17] Saravanathiiban D S, Kutay M E, Khire M V. Effect of macropore tortuosity and morphology on preferential flow through saturated soil: a Lattice Boltzmann study[J]. Computers & Geotechnics, 2014, 59(6): 44−53. [18] 董辉, 罗潇, 李智飞. 堆积碎石土细观孔隙空间特征对其渗透特性的定量影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2017(48):1367−1375. Dong H, Luo X, Li Z F. Quantitative influence of meso-porosity space features of aggregate gravel soil on its permeability characteristics[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017(48): 1367−1375. [19] Meng C, Niu J, Yin Z, et al. Characteristics of rock fragments in different forest stony soil and its relationship with macropore characteristics in mountain area, northern China[J]. Journal of Mountain Science, 2018, 15(3):519−531. [20] 李成茂. 密云水库集水区可持续发展评价及其调控对策研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2003. Li C M. Studies on sustainable development and discussion on its countermeasures in Miyun Reservoir Watershed[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2003. [21] 肖洋. 北京山区森林植被对非点源污染的生态调控机理研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2008. Xiao Y. Ecological regulation mechanism of forest vegetation on non-point source pollution in Beijing mountainous area[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2008. [22] Nachtergaele F, Velthuizen H V, Verelst L, et al. The harmonized world soil database[Z]. 2010. [23] Hu X, Li Z C, Li X Y, et al. Influence of shrub encroachment on CT-measured soil macropore characteristics in the Inner Mongolia Grassland of northern China[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 150: 1−9. [24] 阮芯竹, 程金花, 张洪江, 等. 重庆市四面山不同土地利用类型饱和导水率[J]. 水土保持通报, 2015, 35(1):79−84. Ruan X Z, Cheng J H, Zhang H J, et al. Saturated hydraulic conductivity of different land use types in Simian Mountain of Chongqing City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(1): 79−84. [25] 田香姣, 程金花, 杜士才, 等. 重庆四面山草地土壤大孔隙的数量和形态特征研究[J]. 水土保持学报, 2014, 28(2):295−299. Tian X J, Cheng J H, Du S C, et al. Study on number and morphological characteristics of soil macropores in grassland in Simian Mountain of Chongqing[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(2): 295−299. [26] 曾强, 徐则民, 官琦, 等. 不同植被条件下斜坡土体大孔隙特征分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(增刊 1):3343−3352. Zeng Q, Xu Z M, Guan Q, et al. Analysis of macropore characteristics of slope soil under different vegetation conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(Suppl. 1): 3343−3352. [27] 王伟, 张洪江, 程金花, 等. 四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系[J]. 应用生态学报, 2010, 21(5):1217−1223. Wang W, Zhang H J, Cheng J H, et al. Macropore characteristics and its relationships with the preferential flow in broadleaved forest soils of Simian Mountains[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(5): 1217−1223. [28] 阙云, 邓翔宇, 陈嘉. 短时冻区冰雪消融对残积土坡非平衡渗流与稳定性作用机理分析[J]. 工程科学与技术, 2017, 49(6):73−83. Que Y, Deng X Y, Chen J. Mechanism analysis of non-equilibrium seepage and stability of residual soil slope caused by ice and snow melting in short-term frozen area[J]. Advanced Engineering Sciences, 2017, 49(6): 73−83. [29] 冯杰, 郝振纯. CT扫描确定土壤大孔隙分布[J]. 水科学进展, 2002, 13(5):611−617. doi: 10.3321/j.issn:1001-6791.2002.05.014. Feng J, Hao Z C. Distribution of soil macropores characterized by CT[J]. Advances in Water Science, 2002, 13(5): 611−617. doi: 10.3321/j.issn:1001-6791.2002.05.014. [30] 陆斌, 张胜利, 李侃, 等. 秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及对导水性能的影响[J]. 生态学报, 2012, 34(6):1512−1519. Lu B, Zhang S L, Li K, et al. Distribution of soil macropores and their influence on saturated hydraulic conductivity in the Huoditang forest region of the Qinling Mountains[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 34(6): 1512−1519. [31] Hendriks C M A, Bianchi F. Root density and root biomass in pure and mixed forest stands of Douglas-fir and beech[J]. Netherlands Journal of Agricultural Science, 1995, 43(3): 321−331. [32] Luo L, Lin H, Li S. Quantification of 3-D soil macropore networks in different soil types and land uses using computed tomography[J]. Journal of Hydrology, 2010, 393(1−2): 53−64. [33] 孟晨, 牛健植, 于海龙, 等. 土壤大孔隙三维特征影响因素和测定方法研究进展[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11):1−8. Meng C, Niu J Z, Yu H L, et al. Research progress in influencing factors and measuring methods of 3-D characteristics of soil macropores[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 1−8. -
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