The Influencing Factors of Saturated Permeability and Breakthrough Curve Abrupt Change Values in Root-soil Composites from Loess Region

Zhang Hao; Ma Chao; Chen Yuxin; Miao Lyu; Zhang Yan; Zhang Xiaoman

doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.010

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

The Influencing Factors of Saturated Permeability and Breakthrough Curve Abrupt Change Values in Root-soil Composites from Loess Region

Basic Research | 更新时间：2026-09-10

- The Influencing Factors of Saturated Permeability and Breakthrough Curve Abrupt Change Values in Root-soil Composites from Loess Region
- Journal of Soil and Water Conservation Vol. 40, Issue 4, Pages: 128-140(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083
  2.中国水电基础局有限公司，天津 301700
  3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101
  4.盐城市水利勘测设计研究院;有限公司，江苏盐城 224000
  5.通用技术集团工程设计有限公司，济南 250031
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.010
  CLC： S152.7
- CSTR：32310.14.stbcxb.2026.04.010
- Received：16 December 2025，
  
  Revised：2026-02-18，
  
  Accepted：15 March 2026，
  
  Online First：20 April 2026，
  
  Published：28 August 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
张昊，马超，陈雨欣，等.黄土区根土复合体饱和渗透性及穿透曲线突变值的影响因素［J］.水土保持学报，2026，40（4）：128-140.

Zhang Hao， Ma Chao， Chen Yuxin， et al. The influencing factors of saturated permeability and breakthrough curve abrupt change values in root-soil composites from loess region［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2026， 40（4）：128-140.
张昊，马超，陈雨欣，等.黄土区根土复合体饱和渗透性及穿透曲线突变值的影响因素［J］.水土保持学报，2026，40（4）：128-140. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.010. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.04.010.

Zhang Hao， Ma Chao， Chen Yuxin， et al. The influencing factors of saturated permeability and breakthrough curve abrupt change values in root-soil composites from loess region［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2026， 40（4）：128-140. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.010. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.04.010.

摘要

目的

为探究黄土高原地区典型滑坡重灾区根土复合体水分运移机制对边坡稳定性的影响。

方法

针对该区域根系层土体水分穿透曲线变化过程开展系统分析，通过测定土壤物理性质、大孔隙结构参数和根系参数，结合线性相关分析识别饱和导水率（

sat

）的关键影响因子，并运用冗余分析（RDA）与方差分解分析（VPA），量化各影响因素对动态过程指标出流速率变化率（CR

）的贡献程度。

结果

1）非毛管孔隙度（NCP）、大孔隙面积比（PAR）和根表面积密度（RSAD）是影响

sat

的主要因子，其中PAR与

sat

的决定系数（

R²

）最高可达0.99。2）土体级配和大孔隙参数整体上对出流速率变化率（CR

）有显著影响（

=2.67），基

于冗余分析共解释其78.05%的约束变异。3）级配参数通过调控大孔隙结构来影响水流路径变化机制，基于方差分解分析，级配参数解释其34.8%的变异。

结论

黄土高原根土复合体饱和导水率受土壤基本物理性质、大孔隙参数、根系参数的共同影响，其主要由非毛管孔隙及0.8~4.0 mm大孔隙主导，与土壤体积质量呈负相关；根系通过促进孔隙发育改善渗透性能；而颗粒级配在不同植被类型土壤中，对饱和导水率（

sat

）的影响则呈明显差异；对于出流速率变化率，砂粒、粉粒与黏粒的比例是最主要的影响因子，研究结果为进一步理解黄土区根土复合体水分运移机制及边坡稳定性评估提供理论依据。

Abstract

Objective

This study aims to investigate the water transport mechanisms in the root-soil composites of typical landslide-prone areas on the Loess Plateau and its influence on slope stability.

Methods

A systematic analysis was performed on the variation process of the soil water breakthrough curve within the root zone of the region. By measuring soil physical properties， macropore structural parameters， and root parameters indicators， the key influencing factors of saturated hydraulic conductivity （

sat

） were identified in combination with linear correlation analysis. Furthermore， redundancy analysis （RDA） and variance partitioning analysis （VPA） were applied to quantify the contribution of each influencing factor to the change ratio of outflow velocity （CR

）， which is a key indicator of the dynamic process.

Results

1） Non-capillary porosity （NCP）， macropore area ratio （PAR）， and root surface area density （RSAD） were the main influencing factors of

sat

， with the coefficient of determination （

²） between PAR and

sat

reaching up to 0.99. 2） Soil gradation and macropore parameters overall had a significant effect on the change ratio of outflow velocity （CR

）（

=2.67）， explaining 78.05% of the constrained variation based on redundancy analysis. 3） Gradation influenced the variation mechanisms of water flow paths by regulating macropore structure， explaining 34.8% of the

variation based on variance partitioning analysis.

Conclusion

The saturated hydraulic conductivity （

sat

） of root-soil composites on the Loess Plateau is jointly influenced by basic soil physical properties， macropore parameters， and root parameters. It is primarily dominated by non-capillary porosity and macropores ranging from 0.8 mm to 4.0 mm， and is negatively correlated with soil bulk density. Roots improve permeability by promoting pore development. Furthermore， the influence of particle size distribution on saturated hydraulic conductivity （

sat

） exhibits significant variations among soils under different vegetation types. Regarding the change ratio of outflow velocity， the proportions of sand， silt， and clay are the most dominant influencing factors. This study provides a theoretical basis for further understanding the water transport mechanisms in root-soil composites of loess regions and for evaluating slope stability.

关键词

Keywords

references

王鑫盈，马超，吕立群，等 . 黄土高原不同土地利用类型区浅层滑坡侵蚀特征分析：以蔡家川滑坡事件为例［J］. 干旱区研究， 2024 ， 41 （ 4 ）： 697 - 705 .

Wang Xinying ， Ma Chao ， Lü Liqun ， et al . Erosion characteristics of shallow landslides under various land-use conditions： An example of the Caijiachuan landslide ［J］. Arid Zone Research ， 2024 ， 41 （ 4 ）： 697 - 705 .

金钊 . 黄土高原小流域退耕还林还草的生态水文效应与可持续性［J］. 地球环境学报， 2022 ， 13 （ 2 ）： 121 - 131 .

Jin Zhao . Ecohydrological effects and sustainability of the grain for green project on the Chinese Loess Plateau ［J］. Journal of Earth Environment ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 121 - 131 .

Qu Yuanyuan ， Wu Qinxuan ， Khan F U ， et al . The impact of root systems on soil macropore abundance and soil infiltration capacity ［J］. Plant and Soil ， 2025 ， 513 （ 1 ）： 1197 - 1214 .

闫相君，王云琦，祁子寒，等 . 火烧迹地根系分布对浅层含根土土水特征及渗透特性的影响［J］. 中国水土保持科学（中英文）， 2023 ， 21 （ 3 ）： 42 - 51 .

Yan Xiangjun ， Wang Yunqi ， Qi Zihan ， et al . Influences of root distribution on the soil water characteristics and permeability characteristics of shallow root-bearing soil in the burned areas ［J］. Science of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 21 （ 3 ）： 42 - 51 .

莫佳佳，杨艳芬，刘国彬，等 . 黄土高原丘陵沟壑区刺槐人工林混交模式对土壤水力性质的影响［J］. 水土保持学报， 2025 ， 39 （ 6 ）： 301 - 309 .

Mo Jiajia ， Yang Yanfen ， Liu Guobin ， et al . Influence of mixed patterns of robinia pseudoacacia artificial forests on soil hydraulic properties in hilly-gully region of Loess Plateau ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 39 （ 6 ）： 301 - 309 .

Wang Xinhao ， Ma Chao ， Wang Yunqi ， et al . Effect of root architecture on rainfall threshold for slope stability： Variabilities in saturated hydraulic conductivity and strength of root-soil composite ［J］. Landslides ， 2020 ， 17 （ 8 ）： 1965 - 1977 .

朱秦，苏立君，刘振宇，等 . 颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究［J］. 岩土力学， 2021 ， 42 （ 1 ）： 125 - 134 .

Zhu Qin ， Su Lijun ， Liu Zhenyu ， et al . Study of seepage in wide-grading soils with particles migration ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 125 - 134 .

Angers D A ， Caron J . Plant-induced changes in soil structure： processes and feedbacks ［J］. Biogeochemistry ， 1998 ， 42 （ 1 ）： 55 - 72 .

张家明，徐则民，李峰，等 . 植被发育斜坡土体大孔隙结构多尺度特征［J］. 山地学报， 2019 ， 37 （ 5 ）： 717 - 727 .

Zhang Jiaming ， Xu Zemin ， Li Feng ， et al . Multi-scale features of macropore structures in soil of well vegetated slopes ［J］. Mountain Research ， 2019 ， 37 （ 5 ）： 717 - 727 .

Liang Yue ， Yeh T J ， Zha Yuanyuan ， et al . Onset of suffusion in gap-graded soils under upward seepage ［J］. Soils and Foundations ， 2017 ， 57 （ 5 ）： 849 - 860 .

王鑫盈，马超，张岩 . 浅层黄土滑坡易发性评价：以晋西黄土区蔡家川农地小流域为例［J］. 山地学报， 2023 ， 41 （ 6 ）： 904 - 915 .

Wang Xinying ， Ma Chao ， Zhang Yan . Risk assessment of shallow loess landslides： Taking a small watershed of Caijiachuan farmland in the loess region of western Shanxi of China as an example ［J］. Mountain Research ， 2023 ， 41 （ 6 ）： 904 - 915 .

陈佩岩，马岚，梅雪梅，等 . 降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响［J］. 北京林业大学学报， 2018 ， 40 （ 11 ）： 93 - 101 .

Chen Peiyan ， Ma Lan ， Mei Xuemei ， et al . Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process ［J］. Journal of Beijing Forestry University ， 2018 ， 40 （ 11 ）： 93 - 101 .

许阳光，郭文召，王文龙，等 . 极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响［J］. 生态学报， 2022 ， 42 （ 19 ）： 7898 - 7909 .

Xu Yangguang ， Guo Wenzhao ， Wang Wenlong ， et al . Characteristics of shallow landslides under extreme rainfall and their effects on runoff and sediment on the Loess Plateau ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2022 ， 42 （ 19 ）： 7898 - 7909 .

Luxmoore R J . Micro-， meso-， and macroporosity of soil ［J］. Soil Science Society of America Journal ， 1981 ， 45 （ 3 ）： 671 - 672 .

樊学婷，章莲，和海秀，等 . 不同切根打孔参数条件下伊犁山地草甸土壤物理性质与产草量研究［J］. 农业机械学报， 2025 ， 56 （ 11 ）： 165 - 176 .

Fan Xueting ， Zhang Lian ， He Haixiu ， et al . Soil physical properties and grass yield under different root cutting and punching parameters in Yili Mountain meadow ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ， 2025 ， 56 （ 11 ）： 165 - 176 .

马士力，白云，李大勇 . 砂土中黏粒含量对渗透性的影响［J］. 广西大学学报（自然科学版）， 2018 ， 43 （ 1 ）： 226 - 231 .

Ma Shili ， Bai Yun ， Li Dayong . Influence of clay particle content on permeability of sand ［J］. Journal of Guangxi University （Natural Science Edition）， 2018 ， 43 （ 1 ）： 226 - 231 .

王金悦，邓羽松，李典云，等 . 连栽桉树人工林土壤大孔隙特征及其对饱和导水率的影响［J］. 生态学报， 2021 ， 41 （ 19 ）： 7689 - 7699 .

Wang Jinyue ， Deng Yusong ， Li Dianyun ， et al . Characteristics of soil macropores and their influence on saturated hydraulic conductivity of successive Eucalyptus plantation ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2021 ， 41 （ 19 ）： 7689 - 7699 .

王伟，张洪江，程金花，等 . 四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系［J］. 应用生态学报， 2010 ， 21 （ 5 ）： 1217 - 1223 .

Wang Wei ， Zhang Hongjiang ， Cheng Jinhua ， et al . Macropore characteristics and its relationships with the preferential flow in broadleaved forest soils of Simian Mountains ［J］. Chinese Journal of Applied Ecology ， 2010 ， 21 （ 5 ）： 1217 - 1223 .

Zheng Ying ， Chen Ning ， Yu Kailiang ， et al . The effects of fine roots and arbuscular mycorrhizal fungi on soil macropores ［J］. Soil and Tillage Research ， 2023 ， 225 ： e105528 .

Nimmo J ， Shillito R . Infiltration of water into soil ［M］∥ Edinburgh， UK ： Oxford Research Encyclopedia of Environmental Science ， 2023 .

王晓摇，樊秀峰，简文彬，等 . 碎石土细颗粒迁移特征及优先流形成路径［J］. 工程地质学报， 2024 ， 32 （ 2 ）： 387 - 396 .

Wang Xiaoyao ， Fan Xiufeng ， Jian Wenbin ， et al . Migration characters of gravel soil fine particles and the formation path of preferential flow ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2024 ， 32 （ 2 ）： 387 - 396 .

尹升华，陈勋，刘超，等 . 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响［J］. 工程科学学报， 2020 ， 42 （ 8 ）： 972 - 979 .

Yin Shenghua ， Chen Xun ， Liu Chao ， et al . Effects of ore size distribution on the pore structure characteristics of packed ore beds ［J］. Chinese Journal of Engineering ， 2020 ， 42 （ 8 ）： 972 - 979 .

许明祥，刘国彬，卜崇峰，等 . 圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究［J］. 农业工程学报， 2002 ， 18 （ 4 ）： 54 - 58 .

Xu Mingxiang ， Liu Guobin ， Bu Chongfeng ， et al . Experimental study on soil infiltration characteristics usubg disc permeamerer ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2002 ， 18 （ 4 ）： 54 - 58 .

霍嘉仪，陈丽华，及金楠，等 . 晋西黄土区不同林地类型对土壤水分特性的影响［J］. 山地学报， 2018 ， 36 （ 3 ）： 364 - 371 .

Huo Jiayi ， Chen Lihua ， Ji Jinnan ， et al . Effects of different types of woodland on soil moisture characteristics in the Loess Plateau of western Shanxi Province， China ［J］. Mountain Research ， 2018 ， 36 （ 3 ）： 364 - 371 .

吴江琪，马维伟，李广，等 . 黄土高原4种植被类型对土壤物理特征及渗透性的影响［J］. 水土保持学报， 2018 ， 32 （ 4 ）： 133 - 138 .

Wu Jiangqi ， Ma Weiwei ， Li Guang ， et al . Effects of four vegetation types on soil physical characteristics and permeability in Loess Plateau ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2018 ， 32 （ 4 ）： 133 - 138 .

李平，王冬梅，丁聪，等 . 黄土高寒区典型植被类型土壤入渗特征及其影响因素［J］. 生态学报， 2020 ， 40 （ 5 ）： 1610 - 1620 .

Li Ping ， Wang Dongmei ， Ding Cong ， et al . Soil infiltration characteristics and its influencing factors of typical vegetation type in loess alpine region ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2020 ， 40 （ 5 ）： 1610 - 1620 .

Naseri M ， Joshi D C ， Iden S C ， et al . Rock fragments influence the water retention and hydraulic conductivity of soils ［J］. Vadose Zone Journal ， 2023 ， 22 （ 2 ）： e20243 .

崔先泽，文韬，李志祥，等 . 水位波动下砂层中颗粒运移及沉积特性试验研究［J］. 岩土工程学报， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1094 - 1101 .

Cui Xianze ， Wen Tao ， Li Zhixiang ， et al . Retention and transport behavior of silicon micropowder in sand under periodical water level fluctuations ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1094 - 1101 .

张天军，张秀锋，庞明坤，等 . 颗粒流失对陷落柱充填物孔隙结构及突水行为的影响［J］. 煤炭学报， 2021 ， 46 （ 10 ）： 3245 - 3254 .

Zhang Tianjun ， Zhang Xiufeng ， Pang Mingkun ， et al . Effect of particle loss on the pore structure and emergent behavior of karst column fills ［J］. Journal of China Coal Society ， 2021 ， 46 （ 10 ）： 3245 - 3254 .

苗庆远，潘成忠，刘聪敏 . 河床质对浑水入渗-堵塞过程影响与入渗模型改进［J］. 水土保持学报， 2025 ， 39 （ 5 ）： 71 - 79 .

Miao Qingyuan ， Pan Chengzhong ， Liu Congmin . Influence of riverbed sediments on infiltration-clogging process of muddy water and improvement of infiltration model ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 39 （ 5 ）： 71 - 79 .

刘宝臣，周浩风，杨柏，等 . 黏粒含量对红黏土强度、崩解性及渗透性的影响研究［J］. 工程地质学报， 2024 ， 32 （ 5 ）： 1488 - 1498 .

Liu Baochen ， Zhou Haofeng ， Yang Bai ， et al . Study on the influence of clay content on the strength， disintegration and permeability properties of red clay ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2024 ， 32 （ 5 ）： 1488 - 1498 .

王晓艺，苏正安，马菁，等 . 河北坝上与坝下不同土地利用类型土壤入渗特征及其影响因素［J］. 自然资源学报， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1360 - 1368 .

Wang Xiaoyi ， Su Zheng′an ， Ma Jing ， et al . Soil infiltration under different patterns of land use and its influencing factor in the Bashang and Baxia regions of Hebei Province ［J］. Journal of Natural Resources ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1360 - 1368 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effects and Mechanisms of Vegetation Restoration Patterns on Soil Saturated Hydraulic Conductivity in Gully Catchment Areas of Loess Plateau

Biodiversity of Herbaceous Plants and Soil Physicochemical Properties in Typical Plantations in the Loess Area of Northwestern Shanxi

Temporal and Spatial Characteristics of Water Quality in the Taihu Basin Jiangsu Section Linkage with Landscape Patterns

Response Characteristics of Soil Saturated Hydraulic Conductivity after Returning Orchard to Farmland on the Loess Plateau

Characteristics of Soil Saturated Hydraulic Conductivity and Its Influencing Factors at Different Landscape Positions in a Small Peak-Cluster Depression Watershed of the Karst Region

Related Author

XU Yin

YUAN Jiang

FU Suhua

ZHANG Jieming

NING Xiaomei

LI Zhixue

FAN Mingyuan

CUI Yue

Related Institution

Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University

State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Hazards Risk Governance，Beijing Normal University

Institute of Loess Plateau Research， Shanxi University

State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering， Nanjing Hydraulic Research Institute

College of Forestry， Shanxi Agricultural University， Taigu

Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 京ICP备09064830号-19 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.
Total Visits：119192 Visits Today：90 Online Users：10

⁰