长江三峡库区紫色砂岩林地坡面优先路径及其机理研究

Preferential flow is a kind of non-equilibrium phenomonon with rapid movement of water and solute in the soil and the parent material. The pathway that preferential flow through is referred to the preferrential path. In the purple sandstone area of the Three Gorges region, the distribution, quantity, and occurrence factors of preferrential path in the woodland slope was analyzed. The preferential flow process and the key factors affecting preferential flow was studied to reveal the formation of preferential flow under the natural rainfall conditions. The temporal and spatial variation of soil moisture were studied and the relationship between soil moisture and preferential flow was explored. the preferential flow movement model in the Three Goreges area will be established. TThis study aims to reveal the formation mechanism of preferential paths and the movement mechanism of preferential flow. The soil water movement mechanism will be explored also. This sutudy also is helpful to recognize the relationship between surface runoff and soil water, and provide a base for the study of forest function and watershed hydrologic process.

优先流是水分和溶质在土壤及其母质中绕过一定区域快速运动的非平衡流，优先流的运移通道常被称为优先路径。在长江三峡紫色砂岩地区，分析林地坡面优先路径的分布状况、数量特征及其形成因素，研究优先流运动过程，探讨影响优先流的关键因子，揭示天然降雨条件下，优先路径和优先流过程在紫色砂岩林地坡面土壤水分时空变化中的过程与作用，建立长江三峡紫色砂岩坡面林地土壤水分优先流运动耦合模型。开展本项目研究，在理论上旨在揭示不同地质条件下优先路径形成的机制和优先流运动机理，丰富和完善土壤水分运动基础理论。在实践上可以进一步认识长江三峡紫色砂岩地区林地坡面地表径流和壤中流的关系，为森林水源涵养功能和流域水文过程的研究提供支撑。

本研究以长江三峡紫色砂岩阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌丛4种不同林地坡面为研究对象，采用染色示踪法、穿透曲线法，结合图像预处理、形态学运算等方法，深入探讨了不同林地坡面优先路径形成机制和优先流运动机理。研究结果表明，4种不同类型林地的土壤优先路径数量基本上随着土层深度的增加逐渐下降，且10–20 cm和20–30 cm土壤层之间下降程度相对较大。渗透水量的增加可在一定程度上增加表层优先路径的数量，促优先流的发生。渗透水量为13 L时，不同孔径范围内的优先路径在试验土壤剖面空间尺度（r = 25 cm）内整体上表现出了较显著的聚集分布状态，而不同类型林地土壤剖面之间略有差异。当渗透水量为30 L时，不同类型林地优先路径在试验土壤剖面空间尺度范围内（r = 25 cm）的空间分布则更为复杂。其中，孔径范围≤1.0 mm的优先路径，在阔叶林不同土层深度表现出极显著的聚集分布状态；而在针叶林和灌丛土壤剖面中，表层0–20 cm范围该类型优先路径在空间尺度半径r≥20 cm范围内表现出随机分布状态；对于针阔混交林，除表层0–10 cm范围土壤层内表现为聚集分布，在其他深度土壤层中，该类型优先路径在空间尺度r≥20 cm范围内均表现出均匀分布状态。优先流与土壤密度、体积含水量、粘粒含量呈极显著负相关（p<0.01），与<1 mm根长密度、1-3 mm根长密度、根重密度呈显著正相关（p<0.05），与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、砂粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量、饱和导水率、有机质含量、3-5 mm根长密度、根孔数量呈极显著正相关（p<0.01）。本研究对进一步认识土壤水分运动规律，揭示森林涵养水源功能具有一定的理论意义。