山西楊興林場遼東櫟林下土壤優(yōu)先流及大孔隙特征

劉改琴

(山西省關帝山國有林管理局楊興林場，山西 陽曲 030301)

優(yōu)先流是一種常見的土壤水分運動形式，指在土壤各向異性的情況下，水分和溶質在多重因素的共同作用下，沿著特定的路徑向下發(fā)生穩(wěn)定滲流的現象。優(yōu)先流對地表徑流、水質和地質災害都有一定影響。林業(yè)生產中施肥和噴藥等管護措施易造成地下水環(huán)境污染問題，因此，有效控制和管理污染物(溶質)在土壤水中的運移和擴散十分必要。筆者以山西省關帝山國有林管理局楊興林場的天然遼東櫟林下土壤為研究對象，應用染色示蹤法研究其優(yōu)先流分布特征，以期為當地造林中合理灌溉和施肥等提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省關帝山國有林管理局楊興林場，地理坐標112°45′～112°56′E，38°10′N，最高海拔1 986.6 m，最低海拔1 340 m.屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫8.7 ℃，≥10 ℃積溫3 685 ℃，無霜期120 d～140 d.全年平均降水量450 mm，蒸發(fā)量1 949.3 mm，降水主要集中在7月至9月。該區(qū)土壤在海拔1 500 m 以上有淋溶褐土分布，其余以白云質風化物、石灰?guī)r風化物為母質發(fā)育成德山地典型褐土或在黃土母質上發(fā)育成德黃土、黃棉土。喬木主要樹種有遼東櫟、山楊、白樺、油松、落葉松等。本試驗所選樣地為天然遼東櫟林下土壤。

2 研究方法

2.1 染色試實驗

在研究區(qū)內選取1塊60 cm×100 cm的樣地，將樣地土壤表層生長的植物及枯枝落葉層去除，平整表面。將1個長100 cm，寬60 cm，高50 cm，厚0.5 cm 的鐵框垂直砸入土中30 cm深，并將距鐵框壁5 cm以內土壤搗實，防止染料沿鐵框內壁下滲。在鐵框內的土壤表面均勻噴灑濃度為4 g/L的亮藍染色溶液12.5 L.

2.2 挖掘染色剖面

待滲透24 h后，將樣地分成左右2個子樣地。其中，一個子樣地大小為60 cm×60 cm，取中間未受干擾的50 cm×50 cm，每10 cm一層挖5個水平剖面；另一個子樣地大小為60 cm×40 cm，取中間未受干擾的50 cm×30 cm，以10 cm為間隔挖3個垂直剖面。用2 560×1 920(500萬像素)相機拍攝每個剖面的染色情況，并在照時用卷尺標定染色區(qū)域的面積。挖掘水平剖面時，在每層的染色區(qū)和非染色區(qū)用標準環(huán)刀(高4 cm，直徑9 cm)取原狀土樣。

2.3 染色圖像分析

利用Photoshop CS3將拍攝的垂直、水平染色剖面彩色圖像轉為黑白閾值圖像，使染色區(qū)為黑色或灰色，非染色區(qū)為白色，調整閾值使處理結果與實際染色結果相同。通過專業(yè)圖像軟件Image-Pro Plus 6對處理后的染色圖像進行黑白像素數量統計，依據像素值與實際面積比例計算出染色面積及其所占攝影剖面的面積比例。

2.4 土壤大孔隙的計算

將用標準環(huán)刀取得的土樣浸泡于蒸餾水中，飽和后再放置12 h使其達到田間持水量。隨后將土樣依次放置于土壤水分滲透儀(ST-70A)中，土柱上方保持8 cm的恒定壓力水頭，每隔3 s測定土柱的出流量并記錄，直到其出流量達到穩(wěn)定為止，繪制土樣的水分穿透曲線。

式中：r——大孔隙的半徑，cm；

τ——毛管彎曲系數，一般取1.2；

L——試驗土體的長度，cm；

μ——水的粘滯系數，g/(cm·s)；

t——距離初次加水時的時間，s；

△P——壓力水頭，cm；

ni——該孔徑范圍內的大孔隙數量，個；

Qe——土樣的間隔流量，cm3/s；

Pr——土壤的大孔隙率，%；

ri——孔徑范圍的平均值，cm；

R——標準環(huán)刀的半徑，本試驗選用的環(huán)刀半徑為4.5 cm.

3 結果與分析

3.1 遼東櫟林下土壤優(yōu)先流分布特征

對3個垂直染色剖面分別進行處理和統計，得到土壤染色面積比隨土層深度的變化圖，見圖1.

圖1 垂直染色剖面圖像及不同深度的土壤染色面積比

由圖1可以看出，隨著土層深度的增大，土壤染色面積比整體呈減小趨勢。土層深度為0 cm～10 cm時染色面積最大，3個垂直剖面均可達到80%以上。這可能是由于土壤表層的人為干擾較大，土質均勻，形成了穩(wěn)定的基質流。土層深度為10 cm～20 cm時，染色面積比隨土層深度的增大而迅速減小。這可能是由于遼東櫟根系生長與土壤動物活動等形成大孔隙，使染色溶液迅速運移到下層土壤中；只有垂直剖面3在13 cm～18 cm時出現了1次增大情況，這可能是由于土壤水運動存在橫向側流，使局部土體的染色面積突然增大。土層深度為25 cm～30 cm時，垂直剖面1和垂直剖面3的染色面積比均出現了較大的反彈，垂直剖面2也在土層深度為34 cm左右時出現了反彈，這可能是通過上層大孔隙下滲的染色溶液在孔隙末端聚集回流到周圍的土壤中所致。

處理后的水平剖面及每層剖面的染色面積比見圖2.

圖2 各層水平染色剖面圖像及土壤染色面積比

由圖2可以看出，土壤染色面積比隨土層深度的增大而減小，與分析垂直染色剖面得到的結論基本一致。土層深度為0 cm～10 cm時，水平剖面的染色面積比為98.29%，土層深度為10 cm～20 cm時減少為61.95%.這種染色面積的急劇下降現象與同地區(qū)之前的研究結果一致。

3.2 遼東櫟林下土壤水分穿透曲線分析

每層土壤染色區(qū)域與非染色區(qū)域的水分穿透曲線如圖3所示。

圖3 樣地0 cm～50 cm土壤層水分穿透曲線

由圖3可以看出，樣地每層土壤染色區(qū)域的穩(wěn)定出流速率從上到下分別為0.847 mL/s，0.670 mL/s，0.463 mL/s，0.311 mL/s，0.178 mL/s；非染色區(qū)域的穩(wěn)定出流速率從上到下分別為0.450 mL/s，0.351 mL/s，0.275 mL/s，0.153 mL/s，0.091 mL/s.每層土壤染色區(qū)域的穩(wěn)定出流速率均大于非染色區(qū)域，且染色區(qū)域的水分穿透曲線波動較大、較不穩(wěn)定。樣地每層土壤染色區(qū)域與非染色區(qū)域的穩(wěn)定出流速率比為1.88，1.91，1.68，2.03，1.96，說明樣地染色區(qū)域有效大孔隙對出流速率的貢獻程度達到了非染色區(qū)域的1.68倍以上。

3.3 遼東櫟林下土壤大孔隙孔徑與數量

遼東櫟林下土壤大孔隙半徑范圍及數量如表1所示。

表1 遼東櫟林下土壤大孔隙半徑范圍及數量

由表1可以看出，樣地土壤大孔隙半徑在0.2 mm～1.4 mm之間，各層土壤大孔隙的平均半徑為0.380 mm～0.386 mm，差異很小。根據不同孔隙范圍內的大孔隙數量，將孔隙半徑范圍分為0.2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.8 mm，0.8 mm～1.1 mm，1.1 mm～1.4 mm 4類.土壤大孔隙數量隨土層深度的增加而明顯減少，與土體的染色特征基本一致。且土壤染色區(qū)域各孔徑范圍的大孔隙數量及大孔隙率均大于未染色區(qū)域。

4 結論

1) 遼東櫟林下土壤優(yōu)先流分布特征。隨著土層深度的增大，土壤染色面積比整體呈減小趨勢，在土層較深時均出現了反彈。這可能是因為遼東櫟的根區(qū)存在較多大孔隙，通過上層大孔隙下滲的染色溶液在孔隙末端聚集回流到周圍的土壤中所致。

2) 遼東櫟林下土壤水分穿透特征。遼東櫟林下土壤的染色區(qū)較易于水分出流，其出流速率是非染色區(qū)域的1.68倍以上，且染色區(qū)域的水分穿透曲線波動較大、較不穩(wěn)定。

3) 遼東櫟林下土壤大孔隙特征。樣地土壤大孔隙半徑在0.2mm～1.4mm之間，土壤大孔隙數量隨土層深度的增加明顯減少，且土壤染色區(qū)域各孔徑范圍的大孔隙數量及大孔隙率均大于未染色區(qū)域。