浅层滑坡是世界各地、尤其在丘陵山地等地区出现的主要生态灾害之一^[1]。浅层滑坡不但会造成经济损失，也会造成人员伤亡，是危害农业、森林、河流和居住地等巨大的区域生态安全隐患^[2]。水文过程在浅层滑坡的发生和发展过程中有重要的作用^[3]。降雨过后，形成地表径流，除部分蒸发后，大部分会继续留在浅层土壤中，因此极易造成滑坡、泥石流^[4]。在山坡地带，种植根系发达的植被，可以像“锚”一样固定土壤，同时改变浅层的水分向土壤深层下渗^[5]。但是目前研究土壤中水分分布情况的难度较大，特别是对植物的影响程度和机理等方面。

土壤中水分分布主要受3种因素影响：物理因素(土壤孔隙度、土壤密度等)、化学因素(土壤中的有机质、养分等)和生物因素(土壤中生长的植物和生活的生物等)^[6]。目前对土壤水分分布的研究多集中在单一因子对其的影响。实际上，根系生物量及其根长密度、土壤初始含水量、最大持水量及饱和含水量、土壤团聚体稳定性指标和有机质含量等因子之间，存在着一定的相互关系，而目前考虑这些因子对土壤水分分布多重影响的研究还很少。

为探究不同植被类型下根系对土壤水分分布的影响，检验根系特征指标、有机质含量、土壤蓄水能力指标、土壤团聚体稳定性指标这些多重因素对土壤水分分布的影响机理，笔者选取针阔混交林(coniferous and broadleaved mixedforest, CBF)，毛竹林(Phyllostachy sheterocycla forest, BF)和休耕地(fallow land, FL)3种不同植被类型的土地，通过染色示踪实验^[7]使地下径流可视化，同时进行2方面的分析：1)整个土壤剖面的土壤水分分布情况、根系特征指标、有机质含量、土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标随土层的变化趋势；2)上述指标对土壤水分分布的多重影响。

研究地点位于江西省九江市武宁县(E 114°29′~115°27′、N 28°53′~29°35′)，处于江西省的西北部(图 1)。气候属于亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛，年平均降水量820 mm，年平均气温16.6 ℃，1月气温最低，7、8月气温最高，年日照时间为1 700 h，海拔约为700 m。该区域的土壤类型为山地黄壤，坡面多为棕壤。研究区的植被覆盖类型主要有针阔混交林、常绿阔叶林、针叶纯林和毛竹林，树种主要以樟树(Cinnamomum camphora)、马尾松(Pinus massoniana)、毛竹为主。

图 1(Fig. 1)

CBF: Coniferous and broadleaved mixed forest. BF: Phyllostachy sheterocycla forest. FL: Fallow land, respectively. The same below. 图 1 研究区地理位置及样点分布图 Fig. 1 Geographical location and sample distribution map of the study area

试验于2020年10月在江西省武宁县境内展开。在实地调查的基础上，参照样地选取的标准^[8]，选取3种具有代表性的样地：针阔混交林，毛竹林，休耕地，每种植被类型各选取2个1 m²的样方，共6个样方。每块样方的母质、海拔、坡度、坡向等立地因子基本保持一致。针阔混交林和毛竹林为天然次生林，休耕地为荒废5 a以上的耕地。在降雨停止48 h后开始试验，提前配置好浓度为4 g/L的亮蓝染色溶液^[9]50 L，在选定的样地分别清理出1.0 m×1.0 m的染色试验区，用剪刀修剪地表草本植物，并清除土壤表面的枯落物和岩石块，且不会影响土壤结构。每个样方均为用长1.0 m，宽0.3 m的PVC透明板交错围起。之后将PVC板埋入地下20 cm，同时将距PVC板内壁5 cm以内的土壤用木锤夯实。然后将配置好的亮蓝溶液倒入长1 m，宽0.1 m，带有30个孔(直径2 mm)的排水管(位于样方上边界)(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 染色示踪实验装置图 Fig. 2 Experimental device diagram of dyeing tracer

入渗24 h后，开挖至土壤深度0.6 m，小心清除土壤以形成光滑的土壤剖面。共获取2个土壤剖面，分别位于样地的上边界和下边界。在样地上边界的土壤剖面前设置1个1.0 m×0.6 m的网格，然后拍摄剖面图以显示蓝色染料的强度和分布，以便绘制和记录结果。照片使用手机拍摄，尽可能直面土壤剖面，避免拍摄角度带来的误差。每个土壤剖面分3层(0~20，20~40和40~60 cm)，在每层各采集3个扰动土样和原状土壤样品(100 cm³环刀)，6个样地共采集108个原状土壤样品。选取其中1个土壤剖面，分3层各收集3小袋扰动土样(100 g)，6个样地各收集54袋扰动土样。同时，将位于上边界的土壤剖面(染色面积最大最深的剖面)分3层，每层收集体积为1.0 m×0.2 m×0.1 m土层内的根系样品于塑封袋内，6个样地各收集18大袋根系样品。

野外获得原状环刀土样后立刻称量得到土壤初始含水量(initial soil water content，ISWC)；实验室内通过浸水法得到土壤最大持水量(maximum water-holding capacity，MWHC)和饱和含水量(saturated moisture content，SMC)^[10]，最后在105 ℃的烘箱内烘干得到土壤密度(bulk density，BD)；扰动土样通过湿筛法，得到4种粒径分布的土壤水稳性团聚体质量占比，计算得到平均质量直径(mean weight diameter，MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)^[11]；通过重铬酸钾法测定土壤有机质含量(soil organic matter，SOM)^[12]；用简易比重法测定土壤机械组成(particle size distribution)^[13]；用游标卡尺和卷尺分别测定根系的根径和根长，计算得到根长密度(root length density，RLD)；最后在60 ℃的烘箱内烘干得到根系生物量(root biomass，RB)^[14]。由于休耕地仅有部分死根、呈毛细状，且根径 < 0.5 mm，导致无法准确测定，因此休耕地的根长密度以0来表示。最终得到如表 1所示的土壤和根系性质，其中土壤的机械组成划分依据美国农业部土壤质地分类标准(https://www.nrcs.usda.gov/)，通过土壤质地分类三角坐标图可以得到具体的土壤类型。针阔混交林的土壤中砂粒质量分数高，而毛竹林和休耕地的粉粒质量分数高。随着土层深度的增加，针阔混交林和毛竹林的土壤类型从壤土向黏壤土演变，休耕地的土壤类型始终是壤土。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤和根系性质 Tab. 1 Properties of soil and root 样地 Plot 土层深度 Soil depth/cm 机械组成 Particle sizedistribution/% 土壤密度 Bulk density/(g·cm-3) 土壤有机质质量分数 Soil organic matter/(g·kg-1) 土壤初始含水量 Initial soil water content/% 根系生物量 RB Root biomass/g 根长密度 RLD Root length density/(m·m-3) 砂粒 Sand >50 μm~2 mm 粉粒 Silt >2~50 μm 黏粒 Clay ≤2 μm 针阔混交林 Coniferous and broadleaved mixed forest CBF 0~20 46.61 28.72 24.67 1.29±0.08 36.59±4.82 34.65±5.24 29.95 439.99 20~40 46.06 25.84 28.11 1.35±0.14 30.52±4.59 27.32±6.17 10.05 193.61 40~60 41.29 31.45 27.26 1.39±0.16 25.58±3.88 24.98±5.43 7.99 128.28 毛竹林 Phyllostachys heterocycla forest BF 0~20 36.68 41.47 21.85 1.21±0.11 23.78±2.43 35.37±6.43 42.10 703.68 20~40 26.66 45.68 27.66 1.35±0.08 16.01±1.67 29.79±6.59 24.55 318.28 40~60 20.49 50.85 28.66 1.37±0.04 11.29±5.54 23.73±7.95 20.95 224.14 休耕地 Fallow land FL 0~20 27.96 49.66 22.38 1.40±0.05 15.84±2.89 30.88±9.05 2.45 — 20~40 26.40 49.20 24.39 1.50±0.08 13.23±0.99 30.15±7.47 0.38 — 40~60 28.20 49.73 22.07 1.54±0.05 12.40±1.31 26.34±5.09 0.01 — 注：—为无数据。Notes: — refers to no data.

表 1 土壤和根系性质 Tab. 1 Properties of soil and root

土壤剖面图像由Adobe Photoshop CS6(美国Adobe系统公司)校正、裁剪，并用颜色替换工具将染色区域替换为黑色(0)，未染色区域替换为白色(225)。选择最佳阈值和饱和度，使染色区域呈现蓝色，并将二值图像输出为TIFF格式图像。然后将二值化后的图像导入专业图像软件Image Pro Plus 6.0(美国MEDIA CYBERNETICS图像技术公司)中进行染色面积比(dyeing area ratio，DAR)的统计分析。

所有数据在Excel 2007(美国微软公司)中进行统计、整理，运用Origin 2018(美国OriginLab公司)分析不同植被类型染色面积比与根系生物量之间的关系随土层变化的趋势，以及土壤蓄水能力、有机质含量和土壤团聚体稳定性各指标的变化趋势。通过R-Studio(美国RStudio公司)中的PerformanceAnalytics语言包(https://cran.r-project.org/)对染色面积比、土壤密度，土壤有机质质量分数，土壤蓄水能力指标，土壤团聚体稳定性指标和根系特征指标进行Pearson相关性分析。对以下几方面进行讨论：1)根系特征指标对土壤水分分布的影响；2)土壤特征指标对土壤水分分布的影响；3)根系特征及土壤特征对土壤水分分布的多重影响。

不同植被类型的RB和RLD随土层加深而降低，每层的RB和RLD以毛竹林最高，其次是针阔混交林和休耕地(表 1)。根系特征指标与DAR、MWHC和SMC的R²在0.45左右，均表示为显著正相关(图 3)，下面以DAR与RB之间的讨论为例。

图 3(Fig. 3)

右上三角形内的数值显示的是相关性系数，*表示的是P值，星号越多表示P值越小，相关性越显著。下同。 The values in the upper right triangle show the correlation coefficient, asterisk * indicates the P value, and the more asterisks indicate the smaller the P value, the more significant the correlation. DAR, BD, ISWC, MWHC, SMC, MWD, GMD, SOM, RB and RLD refers to dyeing area ratio, bulk density, initial soil water content, maximum water-holding capacity, saturated moisture content, mean weight diameter, geometric mean diameter, soil organic matter, root biomass and root length density, respectively. The same below. 图 3 相关性分析 Fig. 3 Correlation analysis

针阔混交林和毛竹林均在土层0~60 cm均出现大面积的染色情况(图 4a，0~20 cm：23.96%；20~40 cm：18.49%；40~60 cm：19.60%)，但在休耕地则仅出现在0~20 cm土层(图 4f，0~20 cm：32.20%；20~40 cm：10.70%；40~60 cm：3.45%)。随着土层深度增加，根系生物量下降；出现染色面积大的地方，根系生物量往往也较大。最后对不同植被类型下样地的DAR进行总体分析，针阔混交林的DAR最大，其次是毛竹林，最后是休耕地(图 4a：62.05%；图 4b：56.87%；图 4c：68.40%；图 4d：48.08%；图 4e：37.59%；图 4f：46.35%)。但是对比图 4c，在图 4d中20~60 cm土层没有发现大面积染色情况。根系分布少，RB和RLD低可能是造成这一现象的主要原因。

图 4(Fig. 4)

圆圈的大小为染色面积比例，%。圆圈越大，染色面积比例越大。 The size of the circle indicates the dyeing area ratio, %. The larger the circle, the larger the dyeing area ratio. 图 4 各土壤剖面的染色面积比与根系生物量 Fig. 4 Dyeing area ratio and root biomass of each soil profile

所有样地的MWHC都随深度的增加而显著减少。如图 5所示，整个土壤剖面MWHC的最大值均位于0~20 cm土层上，其中毛竹林的MWHC最高(42.44%±5.76%)，其次是针阔混交林(41.26%±4.64%)，休耕地的最低(36.25%±7.93%)。数据处理发现，ISWC和SMC这2个指标的变化趋势与MWHC的一致，均表现为随深度的增加而显著减少。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同植被类型下土壤最大持水量和根径分布情况 Fig. 5 Distribution of soil maximum water-holding capacity and root diameter under different vegetation types

为进一步分析这一现象，将根径划分为≤1 mm和> 1 mm，分析3种植被类型的不同根系径级下的根系数量情况。在所有植被类型中，根系数量均随土层深度的增加而减少。针阔混交林和毛竹林中，根径>1 mm的根系数量(图 5a，CBF：97(0~20 cm)，33(20~40 cm)，33(40~60 cm)；BF：170(0~20 cm)，73(20~40 cm)，51(40~60 cm))明显多于根径≤1 mm的根系数量(图 5a, CBF：20(0~20 cm)，15(20~40 cm)，5(40~60 cm)；BF：57(0~20 cm)，16(20~40 cm)，6(40~60 cm))，休耕地则反之，根径≤1 mm的根系数量居多(图 5a，FL：196(0~20 cm)，60(20~40 cm)，21(40~60 cm))。该结果同时与图 5b的结果相对应：根系在根径>1 mm范围分布多的植被类型，土壤的蓄水能力也优异。

土壤特征指标中的SOM、MWD、GMD与DAR显著相关(图 3，R²(SOM与DAR)=0.48，P < 0.05；R²(MWD与DAR)=0.51，P < 0.05；R²(GMD与DAR)=0.50，P < 0.05)。其中SOM与MWD、GMD表现出显著关系(图 3，R²(SOM与MWD)=0.38，P < 0.05；R²(SOM与GMD)=0.48，P < 0.05)，围绕这一情况，下面将讨论SOM与土壤团聚体指标之间的关系。

MWD和GMD是描述土壤团聚体稳定性的2个指标，数值越大，稳定性越好。如图 6所示，以MWD为例，整个土壤剖面的MWD最大值出现在0~20 cm土层上，表现为毛竹林(MWD：2.14 mm±0.04 mm)高于针阔混交林(MWD：1.87 mm±0.03 mm)高于休耕地(MWD：1.64 mm±0.05 mm)，且都随深度的增加而显著减少。数据处理发现，GMD的变化趋势与MWD的一致，均表现为随深度的增加而显著减少。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同植被类型下平均质量直径和土壤有机质质量分数 Fig. 6 Mean weight diameter and soil organic matter under different vegetation types

在不同植被类型下，SOM均表现为随土层深度的增加而显著降低。在不同土层中，针阔混交林的SOM均表现最优(36.59 g/kg±4.82)，毛竹林次之(23.78 g/kg±2.43)，但与图 6a的结果显示有偏差。针对这一现象分析，毛竹林的SOM虽然低于针阔混交林，但是毛竹林的RB和RLD(表 1，RB：42.1 g，RLD：703.68 m/m³)明显优于针阔混交林(RB：29.95 g，RLD：439.99 m/m³)，根系对团聚体形成有促进作用，进一步提高土壤团聚体稳定性。正与图 3显示的结果一致，SOM与MWD的R²(0.38)小于根系特征指标与MWD的R²(0.83)。

除了BD与其他指标呈现为显著负相关，其他指标之间均显示为正相关(图 3)。DAR与ISWC的相关性不显著(P > 0.05)，其中相关性从大到小为土壤团聚体稳定性指标、根系特征指标、有机质含量和土壤蓄水能力指标，前三者的R²相差较小。土壤团聚体稳定性指标与根系特征指标的相关性强且显著(R²均 > 0.8，P < 0.05)，与土壤蓄水能力指标的相关性较强且显著(R²均 > 0.4，P < 0.05)，而有机质含量与土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标均显著相关，但相关性较根系特征指标弱。

染色示踪实验可以使流动路径可视化，能清楚地看到不同植被类型下的土壤中水分分布的情况。从处理后的图像可以发现，相比休耕地，针阔混交林与毛竹林对地表径流的水分下渗有明显的促进作用。在所有植被类型下，不同土层的根系空间分布^[15]情深度的增加而减弱，而且染色面积比大的地方根系分布广泛。在不同植被类型之间，针阔混交林和毛竹林的根系生物量相比休耕地，分别是16.96倍和30.95倍，染色面积分别高出42%和39%。根系通常具有很强的导水作用，降雨后的雨水会顺着树干形成茎流，一部分水分会沿着根系网络结构到达地下深处^[16]。休耕地多为直径 < 0.5 mm的根系，根长很短，因此水分主要集中在土层0~20 cm处。这也就造成针阔混交林、毛竹林地的土壤水分分布情况与休耕地大不相同。

笔者发现，不同植被类型下的土壤蓄水能力表现趋势一致，各土壤蓄水能力指标均随土层深度增加而显著降低，但针阔混交林、毛竹林比休耕地有更大的蓄水能力，且深层(40~60 cm)的蓄水能力(以最大持水量为例)分别高出休耕地3%和10%，表明其地表径流能迅速下渗至深层且储存^[17]。这是因为本次试验前48 h内无降雨发生，地表的水分会在重力和基质吸力的双重作用下进入土壤层，其中一部分水分在毛细屏障效应下贮存在孔隙中^[18]。由于大量粗根的存在，林地相比休耕地有更高的渗透率，有助于增加土壤蓄水能力^[19]，这与笔者的研究一致：针阔混交林和毛竹林存在较多根径> 1 mm的根系，分别是休耕地的7.09倍和12.78倍。而且针阔混交林和毛竹林的植被覆盖率和枯落物层能够帮助减少地表径流，增加土壤间的通流^[20]。这也能够解释为什么针阔混交林、毛竹林的蓄水能力优于休耕地。因此，在土地的开发利用和绿化的过程中，应特别注意树木种植的类型，在极易干燥的地方种植易存活且根系发达的树种。同时考虑林上与林下植被的复合种植，减少地表径流，加强地下径流的运移，从而增加区域水土资源的利用。

研究结果表明，各土壤团聚体稳定性指标随土层深度增加而显著降低。毛竹林的土壤团聚体稳定性最为优异，其次是针阔混交林，以MWD为例，分别高出休耕地23%和13%。这与罗晓虹等^[21]的研究结果一致。土壤团聚体稳定性与土壤有机质和根系结构有关，土壤中有机质等化学物质会使土壤颗粒黏聚形成大团聚体，具有黏性且不易破碎，进一步提高土壤团聚体稳定性^[22]。根系也会分泌大量的多糖等大分子分泌物，促进土壤颗粒聚集^[23]。根系的生长会压实两侧的土壤使之更加紧实，同时为土壤层提供抗拉强度，有利于土壤团聚体稳定性的提升^[24]。根系对土壤团聚体稳定性的影响要大于有机质含量的影响(R²(MWD与SOM)：0.38，R²(MWD与RB)：0.83，且均显著相关)，这与Bissonnais等^[25]的研究结果一致。针阔混交林和毛竹林的根系生物量相比休耕地，分别是16.96倍和30.95倍，而针阔混交林和毛竹林的有机质含量相比休耕地，分别是2.23倍和1.23倍，两者之间的差异明显。总之，研究地的针阔混交林和毛竹林的土壤有机质含量高，根系多，尤其是毛竹林的根系分枝多，也就形成针阔混交林和毛竹林的土壤团聚体稳定性优于休耕地这一现象。因此，考虑林上与林下植被的复合种植，不但有利于地表径流的减少，还有利于土壤团聚体稳定性的提升。

在针阔混交林和毛竹林中，根系会生长到土壤深层，不但参与地表径流的再分配和土壤蓄水情况，而且与土壤团聚体稳定性有关，进而影响斜坡稳定。而斜坡的稳定性与土壤中的水分分布情况存在联系^[26]。为了更好地阐释各因素之间的关系及其对土壤水分分布的多重影响，建立数据库进行Pearson相关性分析(图 3)。土壤—植物—水这一体系构成了独特的根土复合结构，其中水分会在重力和基质吸力的作用下迅速下渗并储存在岩石裂缝、动物洞穴和植物根孔等土壤大孔隙中^[1]，在而溶解在水中的有机质可以促进植物根系生长^[27]。同时活的植物根系会运输土壤上层中贮存的水至土壤深层^[28]，促进土壤中水分运移，符合根系特征指标与土壤蓄水能力指标呈显著正相关的结果。而根系除自身的抗拉性可以为土壤层稳定性提供支撑作用^[15]，也会与有机质协同作用，根系通过形成具有黏性的分泌物，把土壤颗粒粘聚在一起形成大团聚体，从而提高土壤团聚体稳定性，防止边坡失稳^[29]。正是因为水分能通过根系通道迅速地被储存在地下深层，以及根系能够“抓”住土壤这两方面的主要作用，不但可有效地促进土壤水分分布，还能够应对暴雨条件下造成的边坡失稳而引起的浅层滑坡现象。因此，为了有效应对浅层滑坡现象，需要对森林资源进行管理和保护，减少树木的砍伐等人为的破坏，增强地下根系网络结构的生长，从而提高水土保持功能，增强生态风险抗性。

本研究结合染色情况、植物根系指标，土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标数据，研究其对不同植被类型土壤水分分布的多重影响，显示土壤水文驱动因素的复杂性，并得到以下结论：1)在染色示踪实验中，针阔混交林和毛竹林根系分布广泛，对土壤中水分分布有明显的促进作用，且优于休耕地；2)不同植被类型的土壤蓄水能力均随土层加深而显著降低，土壤蓄水能力强的土层，根径≥1 mm的根系数量丰富，针阔混交林和毛竹林的土壤蓄水能力优于休耕地；3)不同植被类型的土壤团聚体稳定性均随土层加深而显著降低，越稳定的土壤层，根系结构越发达，且根系与土壤团聚体稳定性指标显著正相关，针阔混交林和毛竹林的土壤团聚体稳定性优于休耕地；4)复杂根系有助于预防浅层滑坡，加强对森林资源的管理和保护，提高林地植被的多样性，可以增强地下水资源的循环利用，提高生态风险抗性。本研究结果表明，植物体可以综合改良土壤的水文特性，可以迅速地吸收并储存水分，提升水土保持功能和区域生态风险抗性。