土壤饱和导水率(K_s)是反映土壤入渗性能的重要指标，对水分、溶质在土壤中运动有重要影响^[1]。K_s在空间上存在明显不确定性^[2]。张川等^[3]对喀斯特坡面表层土壤K_s空间变异特性研究发现，K_s沿坡面无明显变化规律，表现为高异质性。李文郑等^[4]通过研究三峡山地不同坡位土壤，发现坡顶土壤蓄水能力最差，但下渗能力最强，其他坡位区别不大。毛娜等^[5]对黄土高原区土壤的研究发现，K_s随土壤深度的增加而减小，而后呈增大趋势。而Schwen等^[6]指出K_s随着土壤深度的增加而增加。可见，虽然目前已存在较多关于K_s分布特征的研究，但研究结果存在较多差异，不利于对K_s进行区域性总结。

K_s在水平和垂直两个方向上存在各向异性^[7]。垂直方向上K_s对降水入渗、土体储水深度有重要影响，而水平方向上K_s则对沟垄产流、下坡位壤中流影响较大^[8]。K_s的各向异性通常是由于土壤中存在层状、板状或柱状等不同的结构所产生具有明显方向性偏差的微孔或大孔，从而导致土壤在垂直与水平方向表现出不同的导水性能^[9]。Peng和Horn^[10]认为，由于根和蚯蚓通道的存在，特别是在结构良好的土壤中，导致垂直方向上K_s大于水平方向上K_s。Dörner和Horn^[11]认为在层状土壤或压实土壤中，由于存在水平方向的板状聚集体，导致水平方向上的K_s更大。虽然土壤的孔径大小在不同取样方向上通常保持一致，但孔隙方向和分布特征在不同方向可能存在差异。目前，对K_s各向异性的研究不够深入，且研究结论相互矛盾。因此，迫切需要深入研究K_s各向异性，并探讨其分布规律。

K_s受容重、孔隙特征、含水量等土壤基本性质的影响，而土壤基本性质又受气候条件、土地利用方式等的影响。此外，有学者还发现地形、根系分布等对K_s也有显著影响^[8]。如，亚热带森林土壤中植被类型是K_s的主导因素^[12]，华北土石山区中土壤孔隙的空间延伸性^[13]是K_s的关键因素，内蒙古沙地土壤中土壤容重、粗砂粒含量是K_s的关键因子^[14]。目前不同地区K_s的决定因素不尽相同，并且，对K_s各向异性影响因素的探讨严重不足。

太行山区为我国北方典型的土石山区，土壤条件复杂^[15]，植被类型繁多。有研究表明，太行山区K_s在不同植被类型和不同土层深度之间存在显著差异，且随着土层深度的增加而逐渐减小^[16]。空间分布上，K_s变异较大，0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm深度K_s分别表现出中等和较强的变异程度^[17]。然而，这些研究的条件、地理位置存在差异，且对于K_s各向异性的探究较浅。因此，本研究选择太行山区典型坡地，通过采取不同坡位、不同深度土壤样品，测定垂直和水平方向的K_s，深入分析K_s及其各向异性比的垂直分布规律，以期为深入研究太行山区土壤水文过程提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

太行山位于34°36′ ~ 40°47′N，110°42′ ~ 116°34′E，山脉呈西南—东北走向，略成“S”形状，东西宽约160 km，南北长约800 km，总面积约13万km²，地质构造复杂，东西部有明显不同的构造演化。太行山区属暖大陆性季风气候，年平均气温12.4 ~ 14.3℃，年平均降水量518.26 mm。区内草本植物主要有紫花地丁(Viola phillipina)、野百合(Lilium brownie)等，灌木主要有山杨(Populus davidiana)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等。本研究试验地点位于中国科学院太行山山地生态试验站，试验站位于河北省元氏县境内(图 1)，地处太行山东坡中段的低山丘陵区，属于典型的山地–平原过渡区域，土壤类型主要为褐土，土层薄，角砾石含量大，易侵蚀，具有较高的渗透性能。

1.2 样品采集与分析

在上、中、下3个坡位分别开挖50、80、100 cm土壤剖面(上、中坡位已挖至基岩)，每间隔10 cm分别采集剖面垂直方向与水平方向的原状土，每个方向采取2个重复样品，共采集原状土壤样品92个。同时，采集每个层次的扰动土。原状土用于测定土壤含水量、饱和导水率、毛管孔隙度、总孔隙度和容重。土壤含水量用烘干法测定，孔隙度用吸水法测定，饱和导水率用双环刀–定水头法测定，容重用环刀法测定。上述原状土样测定方法参照LY/T 1215—1999《森林土壤水分–物理性质的测定》^[18]。

扰动土壤样品带回实验室自然风干，挑去碎石，磨碎后过筛，用于测定土壤机械组成和有机质含量。土壤机械组成使用激光粒度仪测定，按照美国农部制(1951)分级标准，测得不同粒径土壤颗粒体积百分含量。土壤有机质采用重铬酸钾氧化–外加热法测定。上述扰动土样测定方法参照《土壤农化分析》^[19]。

1.3 数据处理与分析

文中所用数据为重复的平均值。K_s各向异性比(K_a)利用公式(1)^[20]计算。土壤容重、含水量、毛管孔隙度、总孔隙度垂直与水平方向的数据取平均值进行分析，即仅考虑K_s的各向异性。对土壤毛管孔隙度、容重、总孔隙度、含水量、机械组成和土壤有机质含量与K_s各向异性比进行双变量相关性分析，采用SPSS 26.0完成。采用Origin 2022绘图。

$ {K_a} = \frac{{{K_1}}}{{{K_v}}} $

(1)

式中：K_l为水平方向K_s；K_v为垂直方向K_s。

2 结果与分析 2.1 不同坡位土壤基本物理性质及有机质含量剖面分布特征

研究区3个坡位土壤容重随土层深度的增加而呈增大趋势(图 2A)，上、中、下3坡位土壤容重的平均值分别为1.53、1.64、1.41 g/cm³。3坡位土壤含水量总体上随土层深度增加而减小(图 2B)，但中坡位土壤含水量在10 ~ 20 cm土层出现突增后又下降，下坡位在50 cm土层深度后出现明显下降幅度，不同坡位土壤含水量的平均值分别为75.046、101.413、83.055 g/kg。毛管孔隙度、总孔隙度存在上下波动后较土壤表层(0 ~ 10 cm)总体减小(图 2C、2D)。总体而言，中坡位土壤的容重、含水量均大于上、下两坡位。

3个坡位土壤颗粒组成均以粉粒为主(29.18% ~ 98.12%)，砂粒次之(0.01% ~ 69.64%)，黏粒占比最少(0.41% ~ 2.36%)。土壤黏粒含量在土壤表层较高，随后出现波动，但总体随土壤剖面深度的增加而呈减小趋势(图 2E)。上、下坡位土壤粉粒含量在土壤表层最高，上坡位粉粒含量随土壤深度增加而呈强烈波动，下坡位粉粒含量先减小后增大，波动后均较地表含量降低(图 2F)。上、下坡位砂粒含量在土壤表层最低，后出现强烈波动；中坡位砂粒含量随土壤深度的增加而减小，在40 ~ 60 cm处突增；下坡位砂粒含量经过上下波动后总体较土壤表层呈增大趋势(图 2G)。上坡位土壤黏粒和粉粒含量(1.51%、77.71%)明显高于中坡位(1.07%、69.42%)，下坡位土壤黏粒和砂粒含量(1.22%、4248%)明显高于中坡位(1.07%、28.19%)，说明不同坡位对土壤颗粒组成的剖面分布有明显影响。

3个坡位土壤有机质含量均表现为0 ~ 30 cm土层内随深度增加而显著降低，30 cm以下土层出现上下波动后小幅度降低(图 2H)。上、中、下坡位0 ~ 30 cm土层有机质平均含量(83.626、76.233、79.417 g/kg)分别是30 cm以下土层有机质平均含量(29.488、28.764、29.755 g/kg)的2.83倍、2.65倍、2.66倍，说明土壤深度对土壤有机质含量有明显影响。

2.2 不同坡位土壤饱和导水率剖面分布特征

研究区上坡位K_s在垂直和水平方向上先随土壤深度增加而增大，后呈减小趋势(图 3A)。中坡位K_s在垂直方向上先随土壤深度增加而增加，后呈减小趋势；在水平方向上先随土壤深度增加而减小，而后呈增大趋势(图 3B)。下坡位K_s在垂直和水平方向上先随土壤深度增加而增大，而后呈减小趋势(图 3C)。垂直方向上，上、中坡位K_s最大值(0.330、0.374 cm/min)出现在剖面中层(20 ~ 40 cm)，下坡位K_s最大值(0.133 cm/min)出现在剖面上层(0 ~ 20 cm)；水平方向上，上、中坡位K_s最大值(0.308、0.322 cm/min)也出现在剖面中层(20 ~ 40 cm)，下坡位K_s最大值(0.543 cm/min)也出现在剖面上层(0 ~ 20 cm)。上、中层土壤K_s较高的原因可能是由于植物根系作用和土壤生物活动形成了高孔隙度和低容重的土壤结构。

2.3 土壤饱和导水率各向异性比剖面分布特征

3坡位K_s各向异性比均与1差异明显，呈明显的各向异性。且上、下坡位不同层次K_s各向异性比的平均值均大于1(1.216、1.849)，中坡位K_s各向异性比平均值小于1(0.787)，表明上、下坡位水平方向K_s占主导，而中坡位垂直方向K_s占主导地位。

上坡位K_s各向异性比随土壤深度的增加呈减小趋势，中坡位K_s各向异性比随土壤深度的增加先减小再增大后减小，下坡位K_s各向异性比随土壤深度的增加经上下波动后呈减小趋势。上坡位土层水平方向K_s大于垂直方向，各向异性比小于1，而随土壤深度增加逐渐大于1。中坡位在40 ~ 50 cm土层K_s各向异性比突增，后随深度增加而减小。下坡位K_s各向异性比呈波动状，总体水平方向占主导地位。

2.4 土壤饱和导水率各向异性影响因素

K_s各向异性比与土壤容重显著负相关(r= –0.492，P < 0.05)，与总孔隙度(r= 0.546，P < 0.01)、毛管孔隙度显著正相关(r=0.543，P < 0.01)，与砂粒正相关(r=0.395，P > 0.05)，与粉粒负相关(r= –0.367，P > 0.05)，说明土壤孔隙结构对K_s的各向异性比有重要影响。

3 讨论 3.1 土壤理化性质垂直分布

本研究表明，研究区土壤容重随土层深度的增加而呈增大趋势(图 2A)，这主要归因于上部土壤自重的压实作用，导致土壤颗粒间间隙减小，而长时间受到上部土壤自重的压实会引发固结现象，致使土壤颗粒间结合更紧密，进而增大土壤容重^[21]。另外，有机质稀释了土壤基质，改善了土壤团聚性，减小了土壤孔隙度^[22]，随土层深度的增加，土壤中的有机质和水分逐渐减少(图 2B、2H)，这种稀释作用逐渐减弱，使得土壤结构紧实度增加^[23]，从而导致土壤容重增大。

研究区土壤含水量总体随土层深度增加而减小(图 2B)，与土壤孔隙度的变化一致。孔隙度决定土壤储水能力。表层土壤由于根系发达^[24]和生物活动频繁使土壤更加疏松，孔隙度更大。深层土壤受到压实作用，土壤结构更紧密，孔隙度更小。

研究区土壤黏粒含量总体随土壤深度增加而呈减小趋势(图 2E)，粉粒含量随土壤深度增加而减小(图 2F)，砂粒含量随土壤深度增加经波动后总体较表层呈增大趋势(图 2G)。这主要归因于表层土壤常受到风化和冲刷的影响，导致较大的颗粒被剥离^[25]；中层土壤黏粒含量开始增加是由于水分和生物活动使颗粒向下迁移，而较小的颗粒不容易被移动；深层土壤颗粒组成变得更加均匀，主要由黏性颗粒组成，是因为在这个深度下，水分和生物活动的影响变得较小。

研究区土壤有机质含量在0 ~ 30 cm内随土层深度增加而显著降低，30 cm以下土层出现上下波动后小幅度降低(图 2H)，剖面上部土层有机质含量较高主要归因于表层土壤的植物残留物、微生物和土壤动物活动^[26]。

3.2 土壤饱和导水率各向异性垂直分布

本研究中，3个坡位土壤K_s均呈明显的各向异性(图 4)，主要原因可能是上坡位的土壤和水分会随着雨水等径流向下坡位流动，导致上坡位部分土壤流失^[27]，而中坡位会积累较多的细颗粒物质，形成更为紧实的土壤层^[28]，这种累积作用会导致中坡位土壤在不同方向上具有不同的密度和孔隙度，从而出现各向异性；中坡位水流的径流与渗透过程复杂，由于坡度的原因，水流在中坡位可能更倾向于沿着坡面移动，而非向下渗透，这可能导致土壤在水平方向上的导水性较垂直方向更大。下坡位的土壤受到水流冲刷和重力作用，可能会导致土壤结构不均匀，使得土壤的导水性能在不同方向上有所差异。

本研究表明上、下坡位水平方向K_s占主导地位，而中坡位垂直方向K_s占主导地位。K_s在垂直方向与水平方向存在差异的原因是由于大孔隙在大孔隙网络中连接的模式不同所致。土壤的大孔隙通常与根槽和结构裂缝有关^[29]。一方面，大孔隙通常是沿着土壤的垂直方向排列，水在垂直方向上更容易流动^[30]，有利于降水入渗；另一方面，水平方向上的大孔隙通常受到土壤颗粒的紧密排列和根系的影响，使得水在水平方向上的流动速度较慢。

3.3 土壤饱和导水率各向异性影响因素

K_s各向异性比与土壤容重、总孔隙度，毛管孔隙度显著相关，总体归因于土壤的孔隙结构。土壤孔隙结构的差异，特别是孔隙的占比、排列方式，是导致K_s在垂直方向与水平方向表现不同的重要原因。容重是指单位体积土壤的质量，容重较大表示土壤密度高，孔隙度小，导致K_s较低^[31]。在垂直方向上，土壤容重可能会受到土壤固结、压实等因素的影响，导致垂直方向上的K_s较水平方向上高^[32]。毛管孔隙度受土壤颗粒大小、排列方式、土壤结构等因素的影响^[33]。在垂直方向上，毛管孔隙度也可能受土壤层压实度的影响，导致毛管孔隙度较小，从而影响土壤垂直方向上的K_s^[34]。总孔隙度是指土壤中所有孔隙的总体积占土壤总体积的比例，它受到土壤颗粒大小、排列方式、土壤结构等因素的影响^[35]。总孔隙度较大表示土壤中有较多的孔隙，有利于水分的渗透和传输。然而，总孔隙度较大也可能会导致土壤中存在大量的大孔隙，使得水分在水平方向上传输较快，而在垂直方向上传输较慢。

砂粒含量较高的土壤通常具有较好的水平方向导水能力，因为砂粒间的孔隙较大，水分可以较容易地在水平方向上流动^[36]，而在垂直方向上，由于重力和土壤颗粒的排列，导水能力可能会低于水平方向。粉粒含量较高的土壤通常具有介于砂土和黏土之间的导水能力，粉粒土壤的孔隙度较小，可能导致水平方向和垂直方向的导水能力都较低。黏粒含量较高的土壤通常具有非常低的饱和导水率，因为黏粒粒径小，土壤孔隙度低，水分流动受到极大限制^[37]。黏粒含量高的土壤各向异性比通常较高，因为垂直方向上的导水能力受到土壤颗粒排列和孔隙结构的双重限制，而水平方向上的导水能力相对较好。

4 结论

太行山区典型坡地上、下坡位K_s在垂直和水平方向上先随土壤深度增加而增大，后呈减小趋势。中坡位土壤K_s在垂直方向上先随土壤深度增加而增加，后呈减小趋势；在水平方向上随土壤深度的增加而减小，后呈增大趋势。3个坡位土壤K_s各向异性比均与1差异明显，呈明显各向异性，其中上、下坡位水平方向K_s占主导，而中坡位垂直方向K_s占主导。土壤K_s各向异性比与土壤孔隙结构显著相关，其中与容重呈显著负相关，与总孔隙度，毛管孔隙度呈显著正相关。