寧夏荒漠草原不同林齡人工檸條林地土壤優先流研究

馬 昀,孟 晨,3,*,岳健敏,宋乃平,謝 莉,杜靈通

1 寧夏大學生態環境學院, 銀川 750021 2 寧夏大學西北土地退化與生態系統恢復國家重點實驗室, 銀川 750021 3 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

土壤優先流是一種常見的水分運動形式[1—3],是一種非均勻流[4],水分穿過非均質土壤時便會形成優先流[5]。當土壤中存在優先路徑時,水分和溶質會通過少部分土壤基質快速滲入到地下水或土壤深層中,其會導致土壤養分、水分的快速流失[6],減少植物對水分養分的吸收,并導致地下水污染風險增加[7—8]。因此,對于土壤優先流特征的深入研究在生態環境建設和水資源的合理利用方面都有著非常重要的作用。

土壤類型及條件差異是影響土壤優先流類型及強度的最主要因素。土壤優先流主要可分為大孔隙流、指流、漏斗流、環繞流及短路流[9—11]等。其中,大孔隙流會導致水分和溶質快速運移[12]。目前對于優先流的研究多集中于大孔隙流及其特征分析,對優先流發生的類型及強度研究較少。影響優先流特征的因素較多,主要包括土壤孔隙、質地等土壤結構參數以及土壤含水量、根系、土地利用類型等[13],其中導致優先流形成的主要原因是土壤空間異質性[14]。土壤優先流的發生在很大程度上受到土壤質地的影響,盛豐等[15]發現,土壤質地中,土壤黏粒的含量與優先流的發生概率成正比。Beven等[16]發現粉沙和粘質土壤中更容易發生大孔隙流。但以往研究多集中于壤土、黑土、栗鈣土等廣泛分布的土壤,而對風沙土土壤優先流特征的研究較少。

在風沙土廣泛分布的干旱地區,土壤水分對植被的恢復及生態環境的建設更為重要。荒漠草原是荒漠向草原過度的一種典型生態系統,風沙土是荒漠草原的典型土壤,沙土土壤質地粗,結構差,容易形成孔隙結構[17],從而形成優先路徑,促進優先流的發生[18]。國家和地方先后在荒漠草原地區建設了退耕還林、三北防護林等人工植被建設工程[19],但在荒漠草原地區大面積的灌木引入后,隨著恢復年限的增加植被出現了退化現象[20]。目前,荒漠草原地區植被過程中土壤優先流特征還有待研究,限制了對人工檸條林建設后土壤水分時空分布規律的理解,成為了維持區域人工植被生態系統持續穩定的知識瓶頸。本研究將通過野外土壤水分入滲染色示蹤法[21]及CT掃描法[22],分析荒漠草原地區不同恢復年限人工檸條林土壤優先流特征及其與土壤結構的關系,以期為荒漠草原地區人工植被恢復管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏鹽池縣內(37°57′23″—37°83′47″N, 106°77′99″—107°50′70″E),平均海拔1600 m,屬于典型的荒漠草原區。研究區屬于溫帶大陸性氣候,年均降水量為280 mm, 80%以上的降雨量集中在5—9月,其中全年60%以上的降雨又集中在7—9月,年均蒸發量為2710 mm,無霜期為150 d,年平均氣溫為8.1℃。西風和西北風為全年主要風向,主要發生在春季。研究區主要的土壤類型是灰鈣土和風沙土,研究區主要物種有牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilo-toides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、狗尾草(Setariaviridis)、 短花針茅(Stipabreviflora)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、 綿蓬(Corispermumhyssopifolium)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 樣點選取

本實驗一共在寧夏鹽池縣荒漠草原區內設置5個樣地,根據不同種植年份選取4個實驗樣地,另選取草本樣地為空白對照組。樣地一為1985年種植(35年生)人工檸條林(坐標37°49.2152′N, 107°30.3382′E,海拔1519 m), 樣地二為1996年種植(24年生)人工檸條林(坐標37°49.0330′N, 107°29.7485′E,海拔1491 m),樣地三為2006年種植(14年生)的人工檸條林(坐標37°49.1854′N, 107°30.1312′E,海拔1489 m), 樣地四為2011年種植(9年生)的人工檸條林(坐標37°49.3001′N, 107°29.6180′E,海拔1497 m),樣地五為草地對照組(坐標37°49.4154′N, 107°29.7912′E,海拔1511 m)。

1.3 樣品采集與土壤物理參數測定

沿土壤剖面每隔12 cm用環刀采取3個環刀樣和散土樣,取樣深度分別為0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm,樣品用自封袋帶回實驗室進行測定。采用環刀法、環刀定水頭入滲、MS3500激光粒度儀和CT掃描圖像分析等方法分別對不同試驗樣地的土壤容重、滲透速率、土壤顆粒組成和土壤孔隙度等土壤物理參數進行測定分析(表1)。

表1 土壤物理參數

1.4 入滲染色實驗

以往對優先流的研究方法包括染色示蹤法、穿透曲線法[23]、CT掃描法等。本次實驗采用的是染色示蹤法和CT掃描法,其中染色示蹤法所使用的亮藍[24]試劑具有無毒、顯色性強、成本低廉等特點,被廣泛應用于土壤優先流研究中。

在研究區內,選擇地形平整、植被分布和植被數量較為均勻的實驗樣地為試驗點。將優先流染色示蹤土壤觀測剖面分別設置在與試驗點相鄰的灌叢斑塊位置,灌叢內投影面積和灌叢外投影面積需同時覆蓋于染色面積中。首先將試驗點土壤表層的雜質(如:礫石、掉落的枯枝)處理干凈,同時不能影響腐殖質層。之后用長120 cm、寬60 cm、高30 cm,厚度為0.5 cm的自制鋁合金框架用小錘垂直砸入土壤15 cm,地面留高15 cm。然后在鋁合金框架上覆蓋塑料膜用以保護土壤,24 h后進行實驗。24 h之后,取走之前覆蓋的塑料膜,然后將配好的4 g/L的亮藍染色劑用恒流泵以積水滲透的方式均勻噴灑于金屬框內。具體的傾灑亮藍溶液體積根據研究區7—8月的降水情況(以24 h降水量15 mm作為試驗標準),根據布設的染色樣方表面積和實際消耗量計算出需要11.5 L的亮藍溶液。在4 g/L的11.5 L 的亮藍溶液均勻噴灑完畢后,繼續用塑料膜將鋁合金框架覆蓋,以避免降水等其它水分的進入和野外動物等的影響,同時減少蒸發。染色24 h之后,移除鋁合金框架,以間隔為12 cm垂直挖掘染色剖面,每挖掘一層,用高分辨率數碼相機進行拍攝,每個染色樣地最后得到灌叢內外共10張垂直剖面染色圖。

1.5 CT掃描及土壤結構參數計算

在剖面挖掘的同時,于灌叢投影面積內不同土層(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm)的染色區和未染色區利用高70 mm、直徑50 mm的自制壁厚1 mm的鋼制管體進行土壤取樣,每層各取一個染色土樣及未染色土樣,即(4個林齡×2個重復+1個對照)×2種染色情況×2層土壤=共計36個PVC管,在進行密封處理后一起送往實驗室進行CT掃描。

CT掃描后,每個土柱將得到464張橫向切層圖像。首先利用ImageJ軟件對所有橫切圖進行預處理,再使用圖像處理軟件Avizo 2019.1對每個土柱的所有橫切圖像進行三維重構,得到各原狀土樣的三維可視化圖像。基于三維圖像重建,利用空氣管法確定大孔隙閾值[25],利用Avizo 2019.1軟件的Label Analysis對大孔隙體積等參數進行計算。

1.6 圖像處理與數據分析

利用ERDAS IMAGINE v9.2對染色圖像進行幾何校正,并利用Photoshop CS6對圖像進行光照校正、降噪及閾值處理。最后,利用Image ProPlus v6.0軟件,通過形態學解析處理及分割、計數、分水線處理等功能,劃分出獨立閉合的染色團塊,提取染色圖像的面積、數量和位置,并且通過計算獲得染色圖像的優先流比、基質流深度、長度指數以及染色面積比。其中,優先流比的計算公式見式1:

(1)

式中,PF代表優先流比(%),L代表基質流深度(cm),W代表水平染色寬度(cm)

基質流深度(L)指土壤染色面積比≥80%時對應的土壤深度(cm)。

長度指數計算公式見式2:

(2)

式中,Li為長度指數(%),DCi和DCi+1分別指土壤剖面第i層和第i+1層的染色面積比(%),n為土壤剖面層數。

染色面積比計算公式見式3:

(3)

式中,DC為染色面積比(%),St為土壤剖面總染色面積(cm2),Sn為土壤剖面未染色的總面積(cm2)。

優先流染色形態變異系數計算公式見式4[26]:

(4)

式中,CV為土壤染色面積比變異系數；n為土壤剖面垂直計算土層數；DCi為土壤剖面第i層對應的染色面積比(%)。

2 結果與分析

2.1 人工檸條恢復過程中土壤優先流分布特征

在荒漠草原地區,不同林齡林地土壤剖面的染色情況見圖1。可見,不同林齡人工檸條林地的土壤優先流染色深度具有顯著差異。其中35年生檸條林土壤優先流染色深度最深,其次為空白對照組草地,24年生和14年生檸條林地優先流染色深度相近,9年生檸條林地優先流染色深度最淺。在0—140 mm的土層深度上,35年生檸條林地染色呈均勻分布,140—320 mm土層中呈現出深度不同的染色分支。24年生和14年生檸條林地在0—70 mm的土層深度上染色均勻,24 年生檸條林在70—140 mm土層上呈現出不同程度的分支,14年生檸條林在70—170 mm土層呈現出分支。9 年生檸條林在0—60 mm的土層上染色均勻分布,在60—180 mm的土層上呈現出不同程度的分支。草地對照組在0—120 mm的土層中染色均勻分布,在120—190 mm土層中呈現出不同的分支。可見,35 年生檸條林地土壤優先入滲深度最大,而草地土壤水分入滲則以基質流為主。

圖1 優先流垂直分布圖像Fig.1 Prioritize the flow of vertically distributed images

2.2 土壤染色深度及染色面積比

土壤染色深度及染色面積比可以表明優先流路徑深度[24]。在荒漠草原地區,不同林齡人工檸條林地和草地的土壤染色面積比(圖2)均表現為隨著土層深度的增加而減小,對比5個樣地0—400 mm土壤剖面染色面積比的最大值,表現為35年生檸條林(33.06%)>草地(28.67%)>9年生檸條林(26.8%)>24年生檸條林(22.69%)>14年生檸條(22.69%)。而土壤染色深度表現為草地(165.5 mm)>35年生檸條林(156.75 mm)>9年生檸條林(121.385 mm)>14年檸條林(118.8 mm)>24年生檸條林(110.9 mm)。其中,35 年生檸條林染色面積比及染色深度遠高于其它檸條林地,這是因為35年生檸條林生長年限久,其根系系統更加豐富,根系活動造成了更豐富且更深的土壤優先流路徑[27]。檸條灌叢林地的土壤染色深度小于草地,這是由于人工種植灌叢的過程中,翻耕破壞了草地原有的孔隙結構[28],阻礙了水分的入滲,且檸條人工林的建設增強了林下土壤的持水性[29]。其中,除35年生檸條林地外,9、14、24 年生檸條林地土壤入滲染色面積及染色深度差異不顯著,其中9年生檸條林染色面積和染色深度略高于14 年生和24年生檸條林地,這可能是與9年生檸條林地的土壤條件、微地形等因素有關。

圖2 土壤剖面平均染色面積變化Fig.2 Change in average stained area of soil profile

2.3 土壤基質流深度及長度指數

土壤基質流深度可以較為準確的反映出土壤均質入滲狀況。本次實驗中,將染色面積大于80%的染色深度作為基質流深度。不同林齡檸條林的基質流深度中(表2),表現為35年生檸條林地基質流深度(76.35 mm)>草地(70 mm)>24年生生檸條林地(58.8 mm)>14年生生檸條林地(57.3 mm)>9年生生檸條林地(50.61 mm)。可見人工檸條林建設過程中的翻耕措施會使土壤基質流深度減少,但隨著灌叢引入后恢復年份的增加,人工檸條林地的基質流深度隨之增高。

不同林齡檸條林長度指數大小表現為:35 年生檸條林(36.01%)>空白草地(30.45%)>9 年生檸條林(27.86%)>24 年生檸條林(22.94%)>14年生檸條林(22.82%)。對比發現,35 年生檸條林地長度指數最大, 14 年生檸條林長度指數最小。總體上,除9年生檸條林地外,長度指數隨著種植年份的增加在逐漸增加。可見,隨著灌叢引入后恢復年限的增加,土壤優先入滲深度隨之增加。其中,9 年生檸條林長度指數大于24 年生和14 年生檸條林,主要原因可能是與9 年生檸條林地的土壤條件與微地形有關。

2.4 染色形態變化程度及優先流程度分析

染色形態變化程度反映的是優先流的發育程度,按照劃分的4 個優先流染色形態變化程度[26],包括相對穩定(CVp在0—0.10 之間)、次活躍(CVp在0.10—0.20 之間)、活躍(CVp在0.20—0.40之間)、速變(CVp大于0.40)。對不同林齡的檸條林進行優先流染色形態變化程度的分析(表3),可見不同樣地土壤優先流變異系數表現為9 年生檸條林>24 年生檸條林>35 年生檸條林>14 年生檸條林>草地對照。9年生檸條林地土壤入滲染色變異系數最高,土壤優先流程度為速變,該樣地土壤優先流現象最為明顯；24年生檸條林地土壤優先流程度為活躍,優先流現象明顯；14年生檸條林地、35年生檸條林地土壤優先流程度為次活躍,優先流現象不明顯；草地對照組優先程度為次活躍,優先流現象不明顯,染色變異系數低于所有灌叢土壤。可見,雖然土壤水分入滲深度、優先流深度受到林地恢復年限的影響,但林地土壤優先流程度不完全受人工檸條生長年限的影響。

表2 不同林齡下的檸條灌叢優先流特征因子

表3 不同年齡人工檸條林地土壤優先流染色形態變化程度

同時,雖然草地入滲染色深度高于灌叢林地,但其優先流程度要遠低于其他人工灌叢林地。這是由于灌叢引入后土壤的根系系統更為豐富,隨著種植年份的增加,其生長到達一定的階段之后,生理生態學特征發生變化[30],其相比草本植物更加豐富的根系系統活動會導致土壤產生更多的優先流路徑,分布變廣且分散,發生優先流的幾率變大[31]。因此雖然草地土壤入滲深度更深,但其主要以基質流為主,優先流程度較低。

2.5 林地根孔、大孔隙特征對優先流的影響

分別對不同樣點的0—10 cm的土壤剖面圖用photoshop軟件進行根孔數量的統計。得到不同樣地根孔數量的平均值和標準差值(表2)。可以發現,隨著檸條林種植年限的增加,不同樣地的根孔數量表現為35 年生檸條林>24 年生>14 年生>空白草地>9 年生。說明隨著種植年限的增加,檸條林在土壤中的根孔數量在不斷增加。因為植物根系是水分流向土壤深層的優勢流路徑,水分入滲深度與植物根系大小成正相關[32—33],且植物根系與周邊非均質界面可以使水分加速向下運動,對土壤優先流現象的產生有重要作用[34]。隨著種植年份的增加,檸條林根系在深層土壤的數量增多,土壤水分入滲深度也隨之增加。

對不同樣地染色區及未染色區的土壤分別進行取樣,利用CT掃描對各樣地染色土壤及未染色土壤的大孔隙(孔徑>0.3 mm)進行計算(圖3)。可以發現,在同一樣點同一土層內,染色土壤的土壤大孔隙體積顯著大于未染色土壤(P<0.05),其中,在35年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為3.85%及2.14%；在24年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為2.03%及1.72%；在14年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.59%及1.48%；在9年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.42%及1.34%；在草地對照樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.84%及1.46%。從圖3 還可以看出,染色土壤中具有更多連續性強、迂曲度小、孔徑大的大孔隙,這些孔隙正是土壤優先流現象產生的主要原因。因此,土壤入滲路徑取決于大孔隙含量,若在同一區域內,土壤水分會在大孔隙含量相對更高的土壤區域入滲,而繞過土壤大孔隙含量相對更少的區域。

圖3 土壤大孔隙三維圖像分析Fig.3 Three-dimensional image analysis of soil macropores

3 結論

通過土壤水分入滲染色法、CT掃描法、圖像處理技術分析不同林齡檸條林土壤優先流特征,發現隨著人工檸條林恢復年限的增加,土壤水分入滲能力逐漸增加,人工檸條林地的土壤優先流程度也高于草地,檸條林發育過程中根系活動對土壤大孔隙結構的改變影響了土壤水分入滲深度及方式,是影響土壤水分分布的關鍵因素。因此,在人工灌叢恢復過程中,可以通過植被合理配置與調控措施,改善根系及土壤結構特征,增強土壤持水性,從而在荒漠草原地區有限的降水條件下提高土壤水分利用效率及植物恢復的可持續性。