土壤大孔隙对优先流的影响研究

Preferential flow is considered to be a common phenomenon in the vadose soil zone that results in deeper and faster movement of water and containments into deep soil. This phenomenon can threat the safety of drinking water and lead to landslide and debris flow and other worst natural disasters. The study area of the project is a typical region of preferential flow. Preliminary study has showed that macropores play a pivotal role in preferential flow. However, it is difficult to quantify the relationship between preferential flow process and the macropores. Based on the positioning experiments and detailed data in Capital Metropolitan Region Forest Ecosystem National Research Station, we are aiming to construct a technological test system of spatial network structure of soil macropores on preferential flow and explore the spatial and temporal occurrence of preferential flow to verify the area that preferential flow mainly occurs. Meanwhile, our study also aims to investigate the relationship between the network of macropores and preferential flow and establish its process model. The study conduces to deepen the understanding of the effects of the structure of macropores on preferential flow, reveal the source of preferential flow in study area. The research results may effectively provide theoretical and technical support for the improvement of water quality and regional ecological environment in study region.

优先流是一种常见的土壤水分运移形式，它诱发泥石流及滑坡等自然灾害发生，并造成严重的地下水污染，对饮用水安全造成威胁，并危害人类健康。本研究针对研究区域是优先流的典型区域，大孔隙是优先流产生的主要根源，但尚不知道大孔隙是如何产生的以及如何影响优先流运移过程等问题，以华北土石山区首都圈森林生态系统定位试验站定位试验及完善的观测设施、数据为基础，结合申请者前期工作经验，构建土壤大孔隙空间结构对优先流影响的综合实验技术体系，揭示研究区域优先流时空分布特征，确定研究区域优先流频发区域；分析土壤大孔隙空间网络结构特征及土壤优先流运移规律，构建土壤大孔隙对优先流影响的过程模型，揭示土壤大孔隙空间结构对优先流的影响机制。整体研究将会提高我们对优先流以及土壤大孔隙空间结构对优先流影响的认识，揭示优先流产生根源，为研究区域水质改善、水资源合理分配、区域生态环境改善提供理论及技术支持。

森林生态系统根土层中大孔隙引发的的优先流直接影响土壤水分入渗、养分流失以及污染物迁移的过程。根系、土壤大孔隙和石砾的空间结构特征是根土层优先流运移过程的重要影响因素。本研究以华北土石山区典型林地为研究对象，采用野外染色-阴离子示踪试验，并结合定水头入渗法、工业CT扫描技术和三维图像重建分析方法，探究了优先流路径分布特征，确定研究区域优先流类型；分析土壤大孔隙空间结构特征、土壤优先流运移规律及其影响因素，构建土壤大孔隙对优先流影响的过程模型，最终揭示了土壤大孔隙空间结构对优先流的影响机制。研究表明林地土壤垂直和水平方向中均存在优先流现象，壤中流类型主要为均质基质流、非均质指流和高相互作用的大孔隙流，其中大孔隙流类型占比最大。优先流区与基质流区的含水量空间分布呈现异质性，且优先流区异质性大于基质流区异质性，优先流发育程度越高，深层土壤中溶质浓度越高。根系空间分布特征是影响优先流运移过程的重要因素，细根（d≤5mm）是影响优先流的主要根系类型，且径级越小的细根贡献越大。不同土壤层具有不同石砾三维空间结构指标，大孔隙三维空间结构指标随土壤层深度增加有减小的趋势。石砾三维空间结构对大孔隙特征的作用主要体现在对大孔隙数量密度、平均最大和最小费雷特直径的影响。大孔隙体积密度、平均费雷特最大和最小直径越大，土壤导水能力越强，石砾体积密度越大，水分入渗越少。土壤大孔隙结构是影响土壤水分入渗能力的主要因素。本项目共发表文章5篇，其中SCI 4篇，已录用待发表2篇，获得实用新型1项，处于实质审查阶段的发明专利1项，获得省部级及学会奖励5项，项目组成员多次组织及参加国内外学术研讨会，有效促进优先流试验技术推广，增加了对优先流发生的认识。