饱和水力传导度与根系分布的关联机制研究：基于意大利加法尼亚纳与瑞士措利科芬的案例解析

这篇研究通过意大利Garfagnana和瑞士Zollikofen的案例，揭示了根系面积比（RAR）与饱和水力传导度（Ks）的正线性相关性，证实根系是优先渗透路径形成的关键因素，为水文模型优化（如径流模拟、边坡稳定性）提供了基于实测数据的根系空间分布参数化依据。

　　

1 引言

土壤饱和水力传导度（K_s）是水文与岩土工程的核心参数，影响地下水补给、边坡稳定性及洪水防护。尽管沉积物特征与K_s的关系已明确，但植被根系的作用仍存争议。根系通过物理（形成大孔隙）和生物（分泌黏液）途径改变土壤结构，可能提升或降低K_s。本研究聚焦根系分布与K_s的关联，旨在填补现有模型忽略根际过程的空白。

2 材料与方法

2.1 研究区域

意大利Garfagnana山谷（ chestnut森林为主）和瑞士HAFL森林（挪威云杉为主）被选为研究点。两地分别采用沟槽法和圆柱取样法获取根系数据，结合恒定水头（Aardwark渗透仪）和变水头法测定K_s。

2.2 K_s测试

恒定水头法基于达西定律，测量稳态流量；变水头法则记录水位下降速率。两类方法分别适用于K_s范围10^-2–10^-7 m/s和10^-5–10^-9 m/s的土壤。

2.3 根系分析

根面积比（RAR）通过网格法计算，公式为RAR_i = Σ(nπd²/4)，而根体积比（RVR）和土壤-根系接触面基于圆柱形根假设估算。

3 结果

数据可靠性

重复测试显示K_s变异系数（CV）<3%，验证了方法的稳定性。

相关性发现

HAFL森林中，K_s与RAR、RVR的Pearson相关系数分别达0.86和0.90（p<0.05）。Garfagnana数据亦显示中度正相关（r=0.75），但随深度增加，K_s从10^-4 m/s（表层）降至10^-6 m/s（80 cm）。

空间分布

距树干1.5–2 m处，根系密度与K_s显著下降，表明根系影响具空间局限性。

4 讨论

根系通过形成大孔隙网络促进渗透，但高有机质可能堵塞孔隙。研究支持根系是优先流路径的关键驱动因子，与Noguchi等提出的70%大孔隙与根系相关的结论一致。然而，RVR的圆柱形假设可能高估实际影响，未来需采用CT或MRI技术精确量化。

5 结论

根系分布显著影响K_s，且二者均受土壤深度和距树干距离调控。研究为水文模型整合根系参数提供了实证基础，建议森林管理应考虑物种选择与密度以优化渗透功能。