土壤大孔隙是研究土壤结构特征的重要指标，也是土壤的基本物理性质之一^[1]。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，在促进不同植物生长、土壤水分子传输、有机质运移以及对各种植物的生长起到了很大的促进作用^[2]。通常孔径大于100 μm的被称为土壤大孔隙，森林土壤的大孔隙当量孔径在0.3~30 mm之间，占土壤总体积的0.15%~4.72%，入渗水分通量达到70%~85%以上。以优先流的形式快速运移，快速通过土体补给地下水等方面起着重要作用^[3]。

土壤大孔隙是土壤水分和溶质运移的重要通道。随着林龄的增加，土壤理化性质可间接影响土壤大孔隙和出流速率，大孔隙的分布规律取决于土层内根系密度、动物孔穴和裂隙，而根系伸延和穴居动物活动与土壤有机质含量密切相关，呈显著正相关关系^[4]。土壤质地对大孔隙的形成和分布具有显著影响，砂质土壤中的大孔隙更为突出，并且具有较大的孔径，而含量较高的壤土和黏土中的土壤大孔隙则相对较少。此外，土壤大孔隙的形态特征对土壤水分的保持和调节具有重要意义。丰富的土壤大孔隙有利于增加土壤水分滞留时间，从而提高土壤水分供应能力。以往关于土壤大孔隙形成及特征的研究多集中于黄土、黑土、黏土等土壤类型。风沙土土体结构松散，另外植被根系穿插、枯死、动物、虫洞等多因素作用下易产生土壤大孔隙，促进水分运移改善出流速率。

樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)为松科属常绿乔木，具有耐寒、抗旱、耐瘠薄、较速生、抗逆性强等优良特性，在辽西北风沙地，樟子松林被广泛用于沙漠化治理和生态恢复。自20世纪50年代人工引种用于固沙造林试验成功以来，在辽西北章古台地区进行大面积栽植，是防风固沙、生态恢复过程中的先锋树种，已被列为“三北”防护造林和“治沙工程”建设主要生态环境保护造林树种^[5]。近年来，学者们分别从土壤水分^[6]、土壤微生物^[7]、土壤团聚体^[8]等方面对樟子松及林下土壤进行了研究，而对不同林龄樟子松土壤大孔隙的研究较少。因此笔者以辽西北风沙地为研究对象，采用野外染色示踪试验和利用水分穿透曲线法研究不同林龄樟子松土壤大孔隙特征及其对水分运动的影响，以期为提高樟子松土壤水分植被承载力提供理论依据。

研究区位于辽宁省阜新市西北部彰武县章古台镇(E 121°53，N 42°43)(图 1)，属于科尔沁沙地的南缘地带，为我国西北地区防护林的重要组成部分。该区是典型的亚湿润大陆性季风气候区，干旱多风，昼夜温差大，降水年际变化较大，年均降水量为500 mm左右，且多集中于6—8月，年蒸发量约为降水量的3倍，最大风速25 m/s，年均风速3.0~3.7 m/s。年平均日照时间3 000 h，年均气温为6.0 ℃，该区以风沙土为主，养分含量低，土质结构疏松，根据当地钻探资料，沙层厚度126~128 m。该研究区植被主要以耐热、抗风、耐旱植物为主，其中代表性植物有樟子松、榆树(Ulmus pumila)、山杏(Armeniaca sibirica)、花曲柳(Fraxinus rhynchophylla)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、旱柳(Salix matsudana)和狗尾草(Setaria viridis)；耕地以抗旱地为主，玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)和大豆(Glycine max)为主要农作物；樟子松成为林地主要造林树种。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the location of the study area

该试验于2018年7—9月在位于辽宁省国有彰武县章古台林场内进行，通过查阅相关资料以及当地治理风沙土所种植的乔木类型，综合考虑根据不同种植年限、地形条件相似的情况下，选择樟子松为研究对象，在该区域选择3个林龄的樟子松和荒草地为试验样地，其林龄分别为24 a(中龄林)、38 a(近熟林)和49 a(成熟林)，荒草地作为对照样地。并记录各观测样地的基本特征(表 1)。樟子松人工龄组根据国家林业行业标准LY/T 2908—2017《主要树种龄级与龄组划分》确定，其中年龄范围21~30 a为中龄林，年龄范围31~40 a为近熟林，年龄范围41~60 a为成熟林。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同林龄樟子松基本特征 Tab. 1 Basic characteristics of Pinus sylvestris var. mongolica of different forest ages 林龄 Stand age/a 林分类型 Stand type 株密度 Plant density/(Plants·hm-2) 样地内樟子松数量 Number of Pinus sylvestris var. mongolica in plot 树高 Height of the tree/m 胸径 Diameter at breast (DBH)/cm 冠幅 Canopy 南北 North-South/m 东西 East-West/m 24 中龄林Half-mature forest 400 16 8.79 13.78 5.03 3.84 38 近熟林Near-mature forest 400 16 9.14 19.79 5.77 6.30 49 成熟林Mature forest 375 15 11.62 29.47 8.10 7.81 对照样地 Control plots / / / / / / 注：/ 指的是对照样地为空白，无基本特征。Notes: / indicates that the control plot is blank and has no basic characteristics.

表 1 不同林龄樟子松基本特征 Tab. 1 Basic characteristics of Pinus sylvestris var. mongolica of different forest ages

每个样地选取3个试验样点，再分别选取3个开挖剖面(A、B和C)。首先用标杆围成1个20 m× 20 m的样地，样方选在3~4株相邻樟子松中心且地表相对平坦处，使染色剖面距各樟子松基本等距，以减少主根对观测结果的影响。各试验样点优先流观测剖面设置3个重复。清除样方顶部的植被和石块后，用0.65 m×0.50 m的铁板交错围起，每块铁板连接处错开5 cm距离以保证铁板间的封闭性。之后将铁板埋入地下30 cm，同时将距铁板内壁5 cm以内的土壤用木锤夯实，防止染色溶液沿铁板内壁缝隙侧漏影响观测结果。用喷壶将20 L浓度为4 g/L亮蓝溶液喷洒到样地上，均匀且快速喷洒，染色后在样地表面覆盖一层塑料布和绿色植被，防止蒸发和外界的干扰。染色示踪装置如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 染色示踪装置图 Fig. 2 Diagram of the staining tracer device

在进行土壤染色试验后24 h，首先沿水平方向去除土壤表层7.5 cm的厚度。然后再每隔15 cm左右开挖1个土壤染色剖面，共挖取3个染色剖面，剖面深度视染色深度而定(图 3)。在挖掘每个剖面后，使用小铲子修整剖面边缘，并用毛刷清除修整过程中附着在剖面表面的多余土壤颗粒。修整后，使用数码相机垂直于土壤剖面进行拍摄，以减少试验误差。在拍摄过程中，放置2把比例尺于剖面顶端水平方向及染色剖面垂直方向，以便准确计算染色区域的实际面积。通过染色剂示踪水流或溶质在土壤中的运移路径，所形成的染色区域可用卷尺作为标尺，结合数码相机拍摄来测定。剖面染色图像的染色面积比计算式为

图 3(Fig. 3)

图 3 染色剖面图像处理 Fig. 3 Processing of stained profile images

式中：D为染色面积比，%；a为染色像素数，pixel；A为图像宽度，pixel；j为土壤深度，cm。

本试验采用马氏瓶法来定量分析土壤大孔隙结构。该方法通过维持恒定水头高度为1 cm，在第1个水滴排出时启动计时器，之后每5 s记录一次排水量，直至达到流速稳定阶段。依据Poiseulle方程，可以推算从开始排水到达到饱和稳定流阶段的大孔隙尺寸分布。通过稳定流阶段的流量数据，本试验进一步计算了饱和导水率。为消除温度对水动力粘度系数的影响，所有导水率数据均转换为10 ℃的饱和导水率。每个样本重复3次，以确保结果的准确性和可靠性。利用Poiseulle方程，计算了大孔隙的等效半径、数量及其分布状况，为进一步研究土壤水力性质和优化田间水资源管理提供科学依据^[9]。

假设土壤孔隙为圆形，其孔径为r时，其流量可采用Poiseulle方程计算。

可根据土壤水分穿透曲线理论，将流量方程(式2)与Poiseulle方程(式3)联合求解大孔隙的当量孔径(式4)：

式中: Q为单位流量，cm³/s；C为孔隙面积，cm²；v为流速，cm/s；r为孔径，cm；τ为水流实际路径的弯曲系数，取1.2；L为土柱长度，cm；t为从首次加水开始记时的时间，s；η为水的黏滞系数，g/(cm ·s)；ΔP为压力水头，cm。对任意时间水分出流量进行观测，通过利用式4，可以计算出相应孔隙的孔径。本研究将2个孔隙孔径之间按照一定间隔划分出一个孔隙范围，并以其平均值作为计算值。

在各个样地内设置3个采样点，先将土壤表层的枯落物和腐殖质去除，采用直径和高均是5 cm、体积为100 cm³环刀，按0~10、10~20、20~30、30~40和40~50 cm共5个不同土层分层取样，将3个取样点中取得的各土壤按土层分开，土样于阴凉处自然风干并过8 mm孔径土壤筛后保存，最后取适量土壤样品进行化学性质测定。

将野外采集的土壤样品带回实验室，平放并尽量减少颠簸以保持土样的原状，带回实验室测定水分穿透曲线。土壤含水率的测定采用烘干法，土壤密度和孔隙度的测定采用环刀法。土壤化学性质依文献[10]进行测定。

运用Origin2018软件和Excel2010软件做图，并进行相关分析。

因林龄和土层深度的不同，土壤水分穿透曲线在风沙地表现出明显的差异性。由图 4可知，不同林龄樟子松染色区平均稳定出流速率分别为0.81、0.69、0.61和0.35 mm/s，未染色区平均稳定出流速率为0.51、0.42、0.38和0.30 mm/s，表现为染色区出流速率明显高于未染色区，对照样地＞24 a＞38 a＞49 a。由图 4可知，随着樟子松林龄的增加，大孔隙的平均出流速率表现为先匀速增加，到60 s时出流速率渐趋于平稳，在90 s左右达到稳定状态，而对照样地呈一直增加的趋势。不同土层的出流速率均小于0.60 mm/s。对照样地的土壤稳定出流速率在0~10 cm土层内染色区＞非染色区，24 a林龄的樟子松土壤染色区和非染色区的稳定出流速率随土层的加深其稳定出流速率呈下降趋势；38 a样地的染色区、非染色区的土壤水分穿透曲线在0~10 cm土层内稳定出流速率均最大；49 a林龄的樟子松染色区与非染色区稳定出流速率的值十分相近，且水分穿透曲线出现重叠。这是由于该样地土壤大孔隙分布均匀，随着土层的增加，其稳定出流速率减小的规律。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同林龄土壤水分穿透曲线 Fig. 4 Soil moisture penetration curves of different stand ages

在0~20 cm土层范围内染色区和未染色的出流速率较大，20~40 cm土层范围内，染色区和未染色的土壤出流速率变化较小，40~50 cm土层中，染色区水分渗透速率较非染色区提高60%以上。随林龄的增加，24和38 a样地土壤出流速率呈现波动起伏变化，先上升后趋于平缓，这与土壤优先路径在土壤中的分布规律基本一致，对照样地和49 a样地变化较小。同时发现，随土层深度加深，各林龄土壤稳定出流速率均逐步减小，土壤稳定出流速率最大值都在0~10 cm土层出现，且稳定出流速率最高，在40~50 cm土层时出流稳定速率最低。这可能是受植被生长状况、根系、凋落物及微生物等对土壤的影响随土层深度的加深而减弱有关，从而导致土壤稳定出流速率从土壤表层向下逐步减小。

因研究目的不同，许多学者对土壤大孔隙标准并没有做到统一划分，大孔隙孔径范围大致界定为0.03~3.00 mm^[2]。本研究不同林龄樟子松土壤大孔隙半径分布范围在0.52~3.66 mm之间，其孔隙半径均值为0.69 mm，与以往研究结果基本一致。比时忠杰等^[11]研究所得到的半径范围0.4~2.3 mm更宽，但与陆斌等^[12]研究结果相比小1.14 mm。按照各孔隙半径的数量和范围(图 5)，笔者将孔隙半径划分为0.5~1.0、>1.0~1.5、>1.5~2.0、>2.0~2.5和>2.5~3.0 mm共5个组别，土壤大孔隙半径分布范围在0.52~3.66 mm之间，其孔隙半径均值为0.69 mm，且孔隙半径＞3.60 mm的仅占极少部分，而＜3.0 mm的小孔隙数量较多。土壤大孔隙染色区半径范围在0.65~3.66 mm，土壤大孔隙非染色区半径范围在0.52~3.59 mm之间。由于4个样地的染色剖面40~50 cm土层没有染色，所以该图层没有取染色区孔隙。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同林龄半径范围量化特征 Fig. 5 Quantitative characteristics of radii under different stand ages

不同土层深度对土壤大孔隙的结果表明：4个样地土壤大孔隙数量随樟子松土层深度的增加而减少，各样地大孔隙数量染色区均大于非染色区，其大孔隙多集中在0.78~3.01 mm半径范围内，各林龄大孔隙数量在0~10 cm土层内孔隙数较多，其中38 a林地10~20 cm土层内染色区和非染色区的大孔隙数量较少。其水分穿透曲线也在其他土层的下方，这与土层中的根系和动物的空间活动有关。0~50 cm土层内与大孔隙数量存在显著差异(P＜0.05)，随着土层深度的增加，土壤的大孔隙数量均呈减少趋势。随着土层深度的增加而大孔隙数量不断减少，各个土层深度的孔隙数量差异并不明显，但表层和深层的差异相对显著。

不同林龄、土层深度对土壤大孔隙数量的结果表明：科尔沁沙地章古台地处亚湿润地区，雨水充沛，随降水量增加，植物凋落物分解速度增加，土壤养分循环效率增高，植物从土壤中吸收的养分可通过凋落物的分解得到补给，增加大孔隙数量，24、38 a樟子松林地大孔隙数量基本一致，与49 a林地相差1倍，与对照样地相差2倍，总体表现为24 a＞38 a＞49 a＞对照样地。

不同林龄间土壤大孔隙平均半径与出流速率之间相关分析(图 6)表明，大孔隙平均半径与出流速率存在极显著线性正相关关系(R²=0.874 7、P＜0.01)。大孔隙平均半径可以解释稳定出流速率87.47%的变异，土壤大孔隙半径越大，则土壤稳定出流速率越大。这说明土壤大孔隙对土壤水分的下渗和运移具有重要作用。这与黄娟等^[13]和刘目兴等^[4]研究结果基本一致。在土壤表层(0~20 mm)，水分入渗后主要以大孔隙流的形式向下运移，而较深层(20~50 mm)土壤孔隙度较低，水分在较深层土壤运移主要以基流的形式进行，流速较慢。在此0.52~3.66 mm大孔隙半径范围内，随着大孔隙率的增大，稳定出流速率也增大。本研究结果与王伟等^[14]一致，在四面山的研究表明森林土壤0.3~3.0 mm范围内，大孔隙与其对应的土壤水分稳定出流速率呈显著正相关关系，稍小于本研究大孔隙的孔径范围。存在较大孔径的孔隙以有效地排除土体中的气体，降低气压对入渗的阻力，同时，大孔隙还会增强横向和垂向的渗透，从而影响出流速率的变化。在沙地生态系统中，因风沙地土壤结构疏松，孔隙度较大，水分容易渗透和流失，持水能力差、产生很多孔隙通道会加速水分路径的形成，提高了导水性，则出流速率逐渐增大^[15]。

图 6(Fig. 6)

图 6 大孔隙平均半径与出流速率的关系 Fig. 6 Relationship between the average radius of large pores and the exit-flow rate

因林龄的增长，土壤大孔隙数量不断变少。有研究表明，土壤受到根系生长差异的影响，养分积累呈现差异性，24 a(中龄林)根系逐渐发达，转化有机物能力增强，使得有机质积累效果显著，保水保肥能力显著提升，从而提高了孔隙度^[16]；38和49 a无显著性差异，因林龄的增加，郁闭度增大，光照度、透风减少，林下植被生长受限，出流速率减少孔隙度相对减少^[17]。沙土对照样地土壤结构松散，土壤腐殖质含量低，渗水快保水能力低，土壤孔隙变低^[18]。因不同林龄间土壤养分、土壤结构、动物、植被根系或土壤自身等因素的影响，决定了不同林龄间的大孔隙数量也有明显不同。0~10 cm的土层孔隙较多，其原因可能是本样点樟子松枯落物厚，大量的有机物质有利于形成良好的土壤结构，大孔隙较多，同时枯落物层防止了细颗粒对大孔隙的堵塞^[19]，所以0~10 cm土层比较疏松，结构良好，各表层孔隙比例较大。在10~20 cm的土层中，土壤孔隙分布数量逐渐趋于稳定。这可能是由于造林初期，土壤水分状况较好，植物的生长代谢作用对土壤的作用逐步加强，同时凋落物的分解也促进了土壤腐殖质的形成，以及外界环境物质的频繁交换，进而改变了土壤孔隙结构^[20]。在20~50 cm的土层中，土壤大孔隙分布数量呈现逐渐减少的趋势。

1) 辽西北风沙地不同林龄土壤大孔隙当量孔径集中于0.52~3.66 mm之间，其孔隙半径均值为0.69 mm。

2) 随着林龄的增加，出流速率逐渐减小，土层深度和出流速率的快慢也会影响土壤大孔隙。大孔隙平均半径与出流速率关系密切，具有显著的正相关性，(R²=0.874 7、P＜0.01)。

3) 樟子松不同林龄间大孔隙数量表现为24 a＞38 a＞49 a＞对照样地，大孔隙数量呈现表层多、深层少的特征。