土壤饱和导水率(saturated hydraulic conductivity，K_s)是影响土壤水文过程的重要参数，反映土壤的入渗性能与持水能力，是直接反映降雨时土壤对雨水的容纳能力的重要参数^[1]，会制约地表径流的产生和发展^[2]，其垂直分布对土壤水文过程有极其重要的影响^[3]。K_s越大，土壤延缓地表径流的能力越大^[4]。这对于防治山洪、泥石流等重大自然灾害有着重要指导意义；同时，K_s作为土壤自身的重要参数，影响着土壤水分运动、养分运移及污染物的防治^[5]；因此，明确土壤饱和导水率的影响因素对于当地林业栽植及人工培育具有重要意义。

研究表明，土壤饱和导水率的影响因素多达31种^[6]，例如土壤理化性质、土壤孔隙度及土地利用方式等^[7]；化学因子中，有机质含量与土壤饱和导水率符合二次曲线的关系^[8]；在物理因子中，除土壤密度外^[9]，与其余土壤组成成分及含量和土壤基本性质都呈极强的相关性^[10]。其中土壤大孔隙是最主要的影响因素^[11]，刘目兴等^[12]在此区域研究土壤大孔隙对饱和导水率的影响，证明林地内土壤大孔隙当量半径及密度与土壤饱和导水率成正相关；邓佳楠等^[13]证明土壤饱和导水率与田间持水量和非毛管孔隙度显著相关；王金悦等^[14]证明根系所造成的大孔隙是造成水土流失的关键因素。在垂直土层内，大部分土壤的饱和导水率随深度增大而减小，根系作为林地土壤中联系地上部分和地下部分的重要组成成分，起着至关重要的作用。陈璇等^[15]证明，植物的存在显著降低土壤饱和导水率，且在人工营造绿地中，土壤饱和导水率以乔木绿地最大、灌木绿地居中、草地绿地最小^[16]，其中不同的径级根系产生的根-土间隙通道可能是其中的关键因子，但是由于根系的黑箱效应不易观察，学者们仍然以对根孔的研究推测根系对其的影响，并未就根系本身展开更多的分析探究。

因此，为探究根系本身对于土壤饱和导水率的影响，进一步明确土壤饱和导水率的影响因素，笔者以重庆四面山典型人工林的原状土壤为研究对象，在垂直0~60 cm中每隔20 cm取原状土柱，采用根系扫描测定根系特征，基于恒定水头法测量其土壤饱和导水率，并探究不同林分间不同垂直层面下土壤饱和导水率的变化特征。笔者从根系本身切入，以不同径级根系为变量，阐述不同林分间不同径级根系对土壤饱和导水率的影响，旨为该地区土壤水分运移提供理论支撑，同时也为山洪、泥石流等地质灾害的防治提供科学依据。

研究区位于重庆市江津区四面山林区(E 106°23′30″~106°28′58″、N28°31′7″~28°37′14″)，隶属于中亚热带季风气候区，年平均温度14 ℃，年平均降雨量1 526.5 mm，年平均光照时间1 083 h。研究区位于水力侵蚀区内的西南土石山区，相对湿度高达85%，土质湿润且富含铁元素，林内主要土壤主要为黄壤及棕黄壤，厚度为10~70 cm。四面山位于亚热带常绿阔叶林区，林内主要树种有杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superba)等; 灌木物种主要有芒萁(Dicranopteris dichotoma)、杜鹃(Rhododendron simsii)、芒(Miscanthus sinensis)等。

本实验在5种林分类型内，在距离其树木中心＜0.5、1.0和＞1.5 m处各布设3组样地(表 1)，先将地上植物及浅表层裸露的土体去除，再用锄头与铁锹挖去土柱附近大块土体，接近土柱尺寸后，用削土刀将土柱表面整平，再慢慢将透明可拆卸圆柱的有机玻璃土柱套入，土柱与筒壁之间注入聚氨基甲酸乙酯填缝剂，防止水流沿内壁流动，待固缝剂固化(12 h)后，开始实验，每组中皆含有3个不同深度(0~60 cm土层中每隔20 cm取1个，包含20 cm，下文均是)含根系特征的原状土柱，共45个土柱。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of sample sites 编号No. 林分类型Forest stand type 主要乔木树种Major tree species 主要灌草类型Major irrigation grass types 海拔Elevation/m 坡度Slope/(°) 林龄Age of forest tree/a 密度Forest density/(kg·m-3) 树高Height of a tree/m 冠幅(EW×SN)Crown/m 郁闭度Crown density/% 1 针叶纯林Coniferous pure forest 杉木Cunninghamia lanceolata 芒Miscanthus sinensis 1 160 35.0 15 1.02 12.5 4.6×4.2 52 2 针叶纯林Coniferous pure forest 马尾松Pinus massoniana 中华里白Hicriopteris chinensis 1 125 28.1 15 1.24 10.9 4.6×3.9 49 3 针叶混交林Coniferous mixed forest 杉木，福建柏，油松Cunninghamia lanceolata, Fokienia hodginsii, Pinus tabuliformis 无梗五加，金星蕨，腹水草Acanthopanax sessiliflorus，Parathelypteris glanduligera，Veronicastrum stenostachyum 1 183 34.0 15 1.13 14.1 4.9×4.2 30 4 阔叶混交林Broadleaf mixed forest 木荷，香樟，枫香Schima superba，Cinnamomum camphora，Liquidambar formosana 柃木，杜鹃，中华里白，白茅Eurya japonica，Rhododendron simsii，Hicriopteris chinensis，Imperata cylindrica 1 240 29.1 15 1.10 13.3 6.9×6.0 60 5 针阔混交林Theropencedrymion 杉木，马尾松，木荷，香樟，石栎Cunninghamia lanceolata, Pinus massoniana, Schima superba, Cinnamomum camphora, Lithocarpus glaber 细齿叶柃，中华里白，海金子Eurya nitida，Hicriopteris chinensis，Pittosporum illicioides 1 145 27.8 15 1.13 7.4 1.8×1.4 50

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of sample sites

待饱和导水率测定实验完成后，将土柱内根系用0.25 mm网筛流水冲洗，及时通过根系扫描分析系统(EPSON EXPRESSION 100000 XL)将土柱内根系扫描测量出根系直径。采用席本野^[17]的根系分级方法，且因研究区粗跟生长旺盛、林分类型较为复杂，本文将其根系直径分级进一步细化，以1、3、5和10 mm为分界将根系划分为5个区间。

实验前从土柱下端注水向上排水的方式进行饱水，使土柱充分排出气体。待饱水实验结束后，恒定4 cm水头对土壤饱和导水率进行测量，每隔10 min记录出流水量。

土壤水流通量与土壤水势梯度成正比，因此水流在土壤中流动符合达西定律。定水头法是实验室测定土壤饱和导水率的常用方法^[18]。有学者^{[3, 7-9, 19]}已在亚热带使用定水头法测定土壤饱和含水率。姚毓菲等^[20]也探究测定时间对定水头法的影响。本实验使用ST-70A型土壤水分渗透仪，采用恒定水头法在室温26 ℃对土壤饱和水导率K_s进行测试并计算。

式中：Q为渗透量，m³/s；L为土桩长度，即土层深度，cm；A为渗透横截面积，m²；t为渗透时间，s；H为水头长度，m。

采用Excel进行统计，Origin 2022进行单因素方差分析土壤饱和导水率并进行显著性检验，并在差异显著时进行多重比较(P＜0.05，LSD，t检验)；采用相关性分析各因子与土壤饱和导水率的相关性，比较其对于土壤饱和导水率的影响程度并拟合函数。

5个样地不同林分根系特征随深度的变化规律如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 各林分不同根系径级比例 Fig. 1 Proportion of different root diameter classes in each stand

由图 1可以看出，不同林分间径级根系比例各有差异，总体上根系呈现随着垂直深度向下减少。杉木纯林(图 1a)不同土层深度中，≤5 mm的根系比例最大，高达71.00%~98.67%，＞1~3 mm根系稳定在25%附近；马尾松纯林中(图 1b)，除0~20 cm土层外，其余土层≤5 mm比例高达72.83%~92.33%。这是因为马尾松林下表层土呈现弱酸性，草本植物较为稀疏；针叶混交林中(图 1c)，不同径级根系分布较为均匀；阔叶混交林中(图 1d)，径级根系分布呈现随土层垂直深度增加根系径级越大的规律，但是根系依然集中分布在＞3~10 mm之间；针阔混交林中图 1e，不同土层中＞1~3 mm根系分布均为最高，且也呈现明显随土层垂直深度增加径级根系越大的规律。其原因可能是由于林地本身物种丰富度及自然环境的差异，混交林物种多样性高，自然环境复杂，而针叶纯林相对物种较为单一，土壤结构简单。

不同林分类型的土壤饱和导水率图 2所示。通过对土壤饱和导水率进行方差分析(analysis of variance)，不同林地类型的土壤饱和导水率之间均存在显著差异(P=0.01＜0.05)。由图 2可以看出，各林分随着土层深度的增加，其土壤饱和导水率呈现明显的递减趋势。这是因为随着土层深度的增加，土壤密度增大，有机质含量减小，根系含量变少，导水能力变弱。在不同林分同一土壤深度水平下，土壤饱和导水率也具有显著差异，其中针阔混交林0~20 cm土层的K_s高达26.41 mm/min，但杉木纯村和马尾松纯林却只有9.28和10.99 mm/min；≥20 cm的土层中，K_s的变化趋势低于0~20 cm，可能是由于深层土壤理化性质及根系在土壤中的分布为随着深度增加依次递减。另外，同一深度不同林分K_s从大到小依次是：针阔混交林＞阔叶混交林＞针叶混交林＞杉木纯林＞马尾松纯林。这表明饱和导水率与径级根系之间存在着一定的相关性。另外，对各林分类型不同土层深度进行单因素ANOVA方差分析可知：杉木纯林0~20、20~40与40~60 cm土层之间均无显著差异(P＞0.05)；马尾松纯林0~20、20~40与40~60 cm土层之间有显著差异(P＜0.05)；针叶混交林0~20与20~40无显著差异(P＞0.05)，0~20、20~40与40~60 cm土层有显著差异(P＜0.05)；阔叶混交林0~20、20~40与40~60 cm土层之间有显著差异(P＜0.05)；混交林0~20与40~60 cm土层之间无显著差异(P＞0.05)，0~20、40~60与20~40 cm土层之间有显著差异(P＜0.05)。

图 2(Fig. 2)

误差线表示基于3次实验重复的标准偏差；使用方差分析不同的小写字母表示组间差异显著(P＜0.05)。例如：样地3中，0~20 cm土层与40~60 cm土层差异显著，但与20~40 cm土层无显著差异。 Error lines indicate standard deviations based on three experimental replicates; different lowercase letters using ANOVA indicate significant differences between groups (P<0.05).For example, in sample site 3, the difference between the 0-20 cm soil layer and the 40-60 cm soil layer was significant, but there was no significant difference with the 20-40 cm soil layer. 图 2 不同林分类型的土壤饱和导水率变化 Fig. 2 Variation of soil saturation hydraulic conductivity in different forest stand types

通过相关系数分析5种林分不同径级根系与土壤饱和导水率的相关性，不同径级根系与土壤饱和导水率的拟合方程见图 3，各方程拟合系数R²均大于0.98。这说明根系径级对土壤饱和导水率影响显著。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同径级与土壤饱和导水率的关系 Fig. 3 Relationship between different diameter classes and soil saturated hydraulic conductivity

图 3描述3个不同径级根系的比例与土壤饱和导水率的关系，除＞1~3 mm外其余径级根系均呈现根系比例越大，土壤饱和导水率先减小后增大的趋势，在18%~23%间达到最低点；＞1~3 mm根系比例与土壤饱和导水率呈现负相关，说明＞1~3 mm根系含量越高，土壤饱和导水率越低。＞1~3 mm根系比例与土壤饱和导水率呈现极强的相关性，≤1 mm及＞3 mm的根系与土壤饱和导水率的关系相对于显著性较低。这是由于＞1~3 mm根系在各林分与土层间含量高，多分布在0~30 cm土层内，且其无法产生具有较好的导水能力的根系渗流。

不同林分间径级根系所占比例各有差异，总体上根系呈现随着垂直深度向下减少。这与李思颖等^[21]和张琦^[22]的研究结果一致。杉木纯林不同土层深度中，≤5 mm的根系比例最高，达71.00%~98.67%；马尾松纯林中，20~40 cm土层中≤5 mm比例最高，达71.00%~98.67%，但表层土壤饱和导水率低于杉木纯林。这是因为马尾松枯落物呈酸性，表层土壤表现出弱酸性，草本植物生长较为单一匮乏；针叶混交林中，较针叶纯林不同径级根系分布较为均匀；阔叶混交林中，径级根系分布呈现明显随土层垂直深度增加径级根系越大的规律。但是根系依然集中分布在＞3~10 mm之间；针阔混交林中，不同土层＞1~3 mm根系分布均为最高，且也呈现随土层垂直深度增加径级根系越大的规律。这是由于林地本身物种丰富度及自然环境的差异，针阔混交林物种多样性高，自然环境复杂，而针叶纯林相对物种较为单一，土壤结构较为简单。

各林分随着土层深度的增加，其土壤饱和导水率呈现明显的递减趋势，且在0~20 cm显著高于其他土层。在不同林分同一土壤深度水平下，土壤饱和导水率具有显著差异；另外，同一深度不同林分K_s从大到小依次是：针阔混交林＞阔叶混交林＞针叶混交林＞杉木纯林＞马尾松纯林。这说明混交林林分结构均优于纯林，其中针阔混交林为最优选。5种林分不同径级根系比例与土壤饱和导水率的相关性可知，除＞1~3 mm外其余径级根系均呈现根系比例越大，土壤饱和导水率先增大后减小的趋势，土壤饱和含水率在根系比例14%~18%间最低；＞1~3 mm根系比例与土壤饱和导水率呈现负相关，说明＞1~3 mm根系含量越高，土壤饱和导水率越低。＞1~3 mm根系比例与土壤饱和导水率呈现极强的显著性，≤1 mm及＞3 mm的根系与土壤饱和导水率的关系相对于显著性较低。这与李孝良等^[23]的研究结果一致。这与林分不同径级根系所占比例表现一致，说明不同径级根系比例与土壤饱和导水率有极强相关性。原因是＞1~3 mm根系无法产生具有较好的导水能力的根系渗流，也就是非毛管孔隙。这与蔡路路等^[24]的研究一致。

土壤水分入渗的研究随着现代技术的发展已日益成熟。本研究对四面山5种林分不同根系径级与土壤饱和含水率的变化特征做了深入研究，并计算得出不同根系径级比例与土壤饱和含水率的关系。然而土壤根系仍处于“黑箱”状态，在今后的研究中应尽可能地扩展相关指标，明确植物地下部分的组成及影响因素，建立适用于当地的林地根系评价体系，为四面山林地植物种植及重大自然灾害防治提供理论支撑。此外，本试验采用原状土柱进行，由于采样地一致，而忽略土壤物理性质、孔隙特征、土壤水分等因素的影响，但今后研究应将其纳入。

1) 各林分随着土层深度的增加，其土壤饱和导水率呈现明显的递减趋势，且在0~20 cm显著高于其他土层。

2) 本研究通过探究不同林分结构、不同土层深度对土壤饱和导水率的影响表明，不同林分根系呈现随着垂直深度向下减少，针叶纯林(包括杉木纯林和马尾松纯林)≤5 mm的根系比例最高，达71.00%~98.67%；针叶混交林中，不同径级根系分布较为均匀；针阔混交林径级根系分布呈现明显随土层垂直深度增加径级根系越大的规律。

3) 不同林分同一土壤深度水平下，土壤饱和导水率具有显著差异；同一深度不同林分平均K_s从大到小依次是：针阔混交林＞阔叶混交林＞针叶混交林＞杉木纯林＞马尾松纯林。

4) 5种林分类型中，＞1~3 mm根系比例与土壤饱和导水率呈现负相关性，＞1~3 mm根系越多，土壤饱和含水率越低；≤1 mm及＞3 mm的根系比例与土壤饱和导水率的关系显著性相对较低，根系比例在14%~18%之间土壤饱和导水率最低。