根系-土壤复合体对土壤入渗阶段及其在Cunninghamia lanceolata人工林中的时间变化的影响

《Geoderma》：Influence of the root–soil complex on soil infiltration stages and their temporal changes in Cunninghamia lanceolata plantations

本研究分析了不同年龄桉树（Cunninghamia lanceolata）种植园的土壤入渗特性，采用改进的双环入渗仪和Kostiakov模型，发现土壤入渗率随林龄增长显著提高（5-15年），分快速（初始、早期、中期）和慢速（晚期、稳态）两个阶段。物理因素中黏粒含量增加和粉粒减少显著促进入渗，而细根密度在快速阶段通过堵塞孔隙和土壤压缩抑制入渗，在慢速阶段有机质通过增强土壤团聚体和疏水性促进入渗。建议延长轮伐期至15年以上以提高土壤蓄水能力。

　　随着森林种植面积的持续扩大，特别是单一树种的集约化种植，其对水资源的需求也在不断上升。因此，研究不同年龄林地土壤渗透过程对于制定科学的水资源管理和生态管理措施具有重要意义。本研究通过改进的表面双环渗透仪，在不同年龄的杉木（*Cunninghamia lanceolata*）林地进行实地实验，分析了土壤渗透率随林龄变化的特征，并探讨了土壤物理性质与生物因素对土壤渗透过程的影响。

研究结果显示，随着杉木林地的成熟，土壤渗透率呈现上升趋势。在快速渗透阶段，包括初始渗透率、早期渗透率和中期渗透率，渗透速率范围为3374至10196 mm·h?1。而在缓慢渗透阶段，如后期渗透率和稳定渗透率，渗透速率则下降至1022至3195 mm·h?1。这表明，随着林地的发展，土壤的渗透能力逐渐增强，而这一变化主要受到土壤结构指标（如黏粒和粉粒含量）的影响。黏粒含量的增加和粉粒含量的减少显著提升了土壤的渗透能力。此外，生物化学因素如土壤有机质和细根密度（FRD）对渗透率的影响表现出显著的阶段特异性。在稳定渗透阶段之前，细根密度对渗透率具有抑制作用，这种抑制效应在初始、早期、中期和后期渗透阶段均有所体现。相比之下，在缓慢渗透阶段，土壤有机质则对渗透率有促进作用，尤其是在稳定渗透阶段表现尤为明显。

研究进一步发现，细根密度对渗透率的抑制作用在15年生杉木林地显著减弱，而在该林地的渗透过程中反而显示出增强的趋势。这可能与细根的生长模式、土壤结构的变化以及林地生态系统的成熟有关。细根在年轻林地中密集分布，对土壤孔隙造成堵塞，从而降低渗透率；然而，随着林地年龄的增长，细根的分布和密度可能趋于平衡，减少了其对土壤结构的干扰。因此，为了提高杉木林地的土壤渗透能力，建议将林地的轮伐周期延长至15年以上。

土壤渗透过程受到多种因素的共同影响，包括物理因素和生物因素。物理因素如土壤的结构和密度，直接影响土壤的渗透能力；而生物因素如细根和土壤有机质，则在不同渗透阶段表现出不同的作用。细根在渗透初期对土壤渗透有显著的抑制作用，这可能是由于细根对土壤孔隙的堵塞以及其对周围土壤的压实效应。然而，随着林地的成熟，细根对渗透的影响逐渐减弱，这可能与细根的分布变化和土壤结构的改善有关。土壤有机质则在缓慢渗透阶段表现出促进作用，特别是在稳定渗透阶段，其对土壤渗透的提升作用尤为显著。土壤有机质通过促进土壤团聚体的形成和诱导土壤的疏水性，提高了土壤的渗透能力。

此外，土壤渗透过程的阶段特性也对林地的生态管理提供了重要依据。快速渗透阶段的土壤渗透率较高，但随着时间推移，渗透速率迅速下降，进入缓慢渗透阶段。在这一阶段，土壤的渗透能力主要由黏粒含量决定，而细根密度和土壤有机质则表现出不同的影响。这种阶段特异性的影响表明，林地的生态管理措施需要根据不同渗透阶段的特点进行调整，以达到最佳的水资源管理效果。

研究还指出，土壤渗透能力的提升不仅依赖于土壤物理性质的改善，还与生物因素的相互作用密切相关。细根和土壤有机质之间的相互作用可能在不同渗透阶段表现出不同的效应。例如，在快速渗透阶段，细根的抑制作用较强，而在稳定渗透阶段，土壤有机质的促进作用则更为明显。这种相互作用的复杂性表明，土壤渗透过程的调控不仅需要考虑单一因素，还需要综合分析多种因素的协同作用。

在实际应用中，杉木林地的土壤渗透能力对于水资源管理和生态保护具有重要意义。特别是在亚热带地区，由于频繁的极端干旱和降雨事件，土壤渗透能力的提升有助于缓解水资源短缺和水土流失问题。因此，延长杉木林地的轮伐周期，促进土壤有机质的积累和细根密度的合理调控，可以有效提高土壤的渗透能力，从而增强林地的生态服务功能。

本研究的结果为亚热带杉木林地的可持续发展和水资源管理提供了科学依据。通过深入分析不同年龄杉木林地的土壤渗透特性及其影响因素，可以为林地的生态管理提供指导。未来的研究应进一步探讨细根与土壤之间的相互作用机制，特别是细根堵塞和细根分泌物对土壤渗透的影响，以更全面地理解土壤渗透过程的调控机制。同时，结合先进的技术手段，如μCT扫描，可以更直观地量化细根对土壤渗透的影响，从而为林地的科学管理提供更加精确的依据。