永定河平原南部典型植被土壤優先流特征及其歸因

史德威, 程金花, 李明峰

(北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083)

由于自然土壤生物運動產生的大孔隙和氣候變化產生的裂縫等優先流路徑的存在,水分沿著這些路徑繞過土壤基質優先向下運動的現象稱為優先流[1]。這一現象縮短了水分和養分在土壤中的滯留時間,使其能夠快速運移至土壤深層,既減少了土壤對水分和養分的吸收利用[2],還會造成地下水資源的污染和富營養化[3]。

優先流運動軌跡及其形成因素復雜,且具有快速運移、側向入滲、不穩定性等特點。眾多學者在不同的研究區域結合染色示蹤與處理土壤染色剖面圖像對不同類型土壤優先流形態特征及其影響因素進行了大量的研究。艾力夏提·庫爾班等[4]采用野外染色示蹤分析了土壤優先流形態特征,并結合相關根系指標得出根徑小于5 mm的根重密度在優先流形成中起到重要作用。尤金等[5]采用染色示蹤法,通過對入滲深度、染色面積等調查分析,得出坡面土壤裂隙在降雨重新分配中起到重要作用。其他一些學者也對農耕地,人工林地做出了相關研究[6-8]。而國外學者近年來更注重大尺度的特殊地理位置研究。Maier等[9]采取時空方法對瑞士阿爾卑斯山研究得出側向流可能會隨著山坡年齡而增加,Tang等[10]對阿巴拉契亞山脈中部不同巖性土壤研究得出,頁巖丘陵的優先流頻率更高。

隨著工業化的發展和研究的深入,優先流研究的重點已轉向一些生態脆弱、不同地質地貌或間接影響生產生活的特殊區域,如喀斯特地區、濱河帶等[11]。永定河流域是京津冀地區水源涵養區、生態保護區和水土保持重要功能區之一,水資源保護十分關鍵。在降雨過后,濱河帶附近污染物通過地表流入河流,除此之外還會通過土壤入滲危害地下水體。永定河平原南部水資源短缺,優先流對水資源具有一定的影響,研究該區域優先流的特征和形成機理對水資源保護和合理利用有著重要的現實意義。

1 研究區概況

研究區位于河北省廊坊市固安縣東北村的永定河平原南部即盧溝橋—梁各莊河段(112°—117°45′E,39°—41°20′N)。永定河為地上河,泥沙會在河道大量淤積,土壤主要為礫巖石,土質多為沙質土[12-13]。永定河流域屬溫帶大陸性季風氣候,為半干旱、半濕潤型氣候過渡區。多年平均氣溫6.9℃,年均降水量360～650 mm。永定河平原段地處濱河帶,喬木多為人工栽植,包括柳樹(Salix)、加楊(Populuscanadensis)和圓柏(Sabinachinensis)等;灌木植物有荊條(Vitexnegundo)、鐵掃帚(Indigoferabungeana)、鋪地柏(Sabinaprocumbens)等;常見草本植物有狗尾草(Setariaviridis)、馬齒莧(Portulacaoleracea)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、牛筋草(Eleusineindica)、假稻(Leersiajaponica)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 材料與方法

2.1 樣地布設

通過數次野外調查與查閱文獻,選取荊條、柳樹、狗尾草這3種永定河平原南部典型的植物為研究對象布設優先流染色小區(表1)。3塊樣地大小分別為柳樹20 m×20 m,荊條5 m×5 m,狗尾草1 m×1 m。完成植被調查后在柳樹與荊條樣地選擇相鄰3～4株喬木或灌木中心地勢變化較小的地方布設染色小區,使小區與各立木的距離相等,降低立木主根對染色結果的影響。狗尾草則選擇相對平坦的區域。每個優先流觀測樣地布設3個染色小區來觀測優先流形態特征。

表1 樣地基本情況特征Table 1 Basic information and characteristics of the sample plot

2.2 染色示蹤試驗及樣品采集

染色前為了不擾動土壤腐殖質層,將地表枯枝落葉碎石簡單清理,然后將大小分別為120 cm×70 cm×50 cm和140 cm×90 cm×50 cm的PVC板框豎直砸入樣地(地上20 cm,地下30 cm),并使用小錘夯實PVC板壁5 cm內松動土壤,防止亮藍染色溶液沿PVC隔板內壁下漏影響觀測結果。采用亮藍染色劑4 g/L以21 L(模擬24 h大雨累計降雨量25 mm)溶液量對研究區內3種典型植被類型9塊樣地進行染色試驗。在染色結束后使用塑料薄膜覆蓋染色土壤表面,以避免靜置過程受到降雨等其他水分影響。24 h后,揭開并移去塑料薄膜和埋下的PVC板框,進行垂直土壤染色剖面的挖掘。由于板框周圍水分運移較不穩定,在樣地中板框中心50 cm×50 cm的地方進行挖掘,自上而下挖出5個垂直剖面,每層間隔10 cm。使用尼康相機(1 200萬像素)拍攝每個剖面染色圖像3～5張。根據水平剖面的染色情況進行原狀土壤采集(環刀規格(100 cm3),將每個區域分為土壤染色區和土壤未染色區并重復取樣3次;同時取足夠量散狀土,用于室內測定有機質等指標(表2)。

表2 土壤基本性質Table 2 Basic properties of soil

2.3 植物根系的測定

在進行野外亮藍染色示蹤試驗時,對不同區域的植物根系進行分開收集用于后續的內業試驗處理。利用實驗室的根系掃描分析系統(WinRHI2.0 Pro2005)計算得出每層土體內相應的根長密度,并將烘箱調到75℃進行烘干室內試驗,求出對應根長密度的根重密度值(表2)[14]。

2.4 染色圖像處理

一般拍攝的原始圖片會受到人為因素和環境條件的影響,圖像會產生顏色損失或畸變,本次研究使用Adobe PhotoshopCS5對圖像幾何校正和光照校正。首先調整圖像的色相、飽和度和閾值,使得顏色對比度更加明顯,然后使用顏色替換功能,將所有染色區域替換為黑色(0),未染色區域替換為白色(255),調整容差、閾值、灰度等參數,使染色圖像與實際結果一致減少誤差,染色圖像解析是獲得土壤優先流特征的重要過程,主要是對室外原位土體染色示蹤試驗過程中拍攝的染色圖像進行處理和分析,獲取土壤優先流特征參數。首先利用PhotoshopCS5軟件將染色圖像進行樣式編輯和幾何校正(裁剪大小為50 cm:50 cm),通過調整灰度和對比度、顏色替換、降噪處理及圖像反相處理,使染色區域變為黑色、未染色區域變為白色,調整固像閾值使染色圖像與實際情況一致,得到土壤優先流的形態特征。然后將處理后的染色圖像導入Image Pro Plus 6.0軟件中進行圖像數值化,得到由0(染色區)和255(未染色區)組成的數據矩陣,并統計黑白像素數量,根據統計結果計算平均染色區域總面積和某一指定土層深度染色區域(優先流區)面積所占的比例,即染色面積比。本研究以1 cm土層深度為間隔計算染色面積比。

3 結果與分析

3.1 垂直方向染色形態特征

圖1—3為各個典型植被土壤垂直染色圖像及其染色剖面。染色面積比能反映所使用的亮藍染料在土壤剖面的占比情況,其占的比例越多表明水分下滲得越多。優先流是水分和溶質快速向下運移的現象,表現為明顯的濕潤鋒快速運移[15],即條形染色部分為優先流集中發生區[16]。由圖1可知荊條樣地T1和T3土壤垂直剖面染色面積比在0—10 cm范圍內隨土層深度的增加迅速減小,在10—20 cm范圍內保持著相對穩定的速度減小。樣地T1和T3的最大深度分別為23.5 cm和19.2 cm,亮藍示蹤劑入滲較淺,可能是由于土壤淺層優先路徑較少,示蹤劑以基質流的形式向土壤深層下滲。樣地T2的染色程度較好,最大入滲深度為44.9 cm,從染色圖像上也可以看出具有多條優先路徑,很可能是由于其發達的主根產生的通道。即便是同一植被類型土壤剖面染色面積比也會有較大的差異,因其不同的環境條件、不同發育程度、不同位置等,這正反映了優先流路徑空間的高度變異性和復雜性[17]。

圖1 荊條樣地土壤垂直染色圖像

由圖2可知柳樹樣地最大染色深度處于25—40 cm,染色區域較為均勻,染色面積隨土層深度增加而減少的量較為穩定。樣地W3在圖層深度為10—20 cm時染色面積幾乎不變,說明此樣地下存在一個土壤孔隙相對穩定的區域,但隨后在5 cm內染色面積迅速下降至0,其最大染色深度為39.9 cm但在25—40 cm處染色面積低于10%。這可能是由于染色區域大孔隙率下降,土壤容重增加所致。

圖2 柳樹樣地土壤垂直染色圖像

圖3表明狗尾草樣地染色面積隨著土層深度的增加變化較為穩定,其最大染色深度為25—30 cm,明顯小于柳樹樣地與荊條樣地?？赡苁怯捎诠肺膊莸母捣植荚跍\層土,水分運移較淺。

圖3 狗尾草樣地土壤垂直染色圖像

3.2 染色形態特征

本研究計算了亮藍染色示蹤試驗后土壤中水分運動形成的垂直剖面染色圖像相關形態特征參數,并分析了優先流染色形態特征。圖4為3種植被類型土壤在25 mm入滲水量下相應的垂直剖面染色形態特征參數關系。

圖4 不同植被類型土壤25 mm入滲水量下優先流染色形態特征關系

土壤剖面染色面積比能直觀地反映出優先流的發育程度,如表3所示,染色面積比越大,優先流發育程度越好。在荊條樣地中,T2平均染色面積比顯著大于T1和T3,且T1和T3較為接近。而柳樹樣地W1和W2的平均染色面積比顯著大于W3,且W1和W2非常接近。可能出現的原因是T1,T3,W3土壤孔隙通道連通性較差,優先路徑較少,導致染料溶液產生部分側向流,這也體現出了優先流的空間異質性和不穩定性[18]。狗尾草樣地的染色面積比也呈現類似的變化趨勢。

表3 3種植被樣地土壤染色形態特征參數

優先流比是土壤剖面上優先流區的面積與總染色面積的比值,是除去了基質流影響的結果。柳樹、荊條和狗尾草樣地的平均優先流比分別為33.59%,29.60%和21.71%,基質流深度分別為13.46 cm,12.72 cm,12.49 cm,表現結果均為柳樹樣地>荊條樣地>狗尾草樣地,且優先流比和機制流比均為差異不顯著(p>0.05)。造成這種現象的原因是該處土壤為沙質土,土壤初始含水量低,示蹤劑多以整體均勻向下入滲,優先流染色形態分化現象不明顯。

優先流比是在剖面角度上以染色區域為參照描述優先流現象的,而優先流長度指數著重刻畫不同剖面之間的差異,優先流長度指數是指以一定深度(本研究為1 cm)將土壤剖面等分為若干層,其相鄰土層差值的絕對值之和。柳樹樣地的優先流長度指數Li為188.67～309.07,荊條和狗尾草分別是145.60～244.20,142.93～175.87。柳樹覆蓋下土體的優先流長度指數分別是荊條的1.22倍和狗尾草的1.58倍。雖然荊條樣地T1和T3所展現出來的最大染色深度只有24.4 cm和19.1 cm,但這也證實了在同樣的降水強度下荊條植被比狗尾草土壤中水分入滲的速度更快且優先流發育程度更高。柳樹樣地與狗尾草樣地之間差異顯著(p<0.05),荊條樣地與柳樹和狗尾草樣地差異均不顯著(p>0.05),這與染色面積比表明的結果一致。

3.3 優先流與土壤因子的響應分析

優先流的整個運動過程非常復雜,為進一步了解其特征,采用Spearman相關性分析法,將影響優先流的土壤內部因素黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有機質、根重密度和染色面積比作為指標進行研究,根據盧華興等[19]的研究發現滇南地區普洱茶土壤中,徑級大于5 mm根長密度與土壤染色面積比的相關性程度較低,故本研究中沒有將其選為主成分因子。分析結果如表4所示,其特征值為一種84.017,兩種98.517,即其中一種主成分就能解釋全部原始變量變異信息的84%左右,相關性較強。分析得出影響不同植被類型的優先路徑因素有2個主成分,土壤中黏粒砂粒粉粒含量可以解釋24.824%的方差變異性,第2個主成分中的根重密度和有機質含量可以解釋46.312%的方差變異情況。說明植物根系的生長發育情況對永定河區不同植被優先路徑的影響起主要作用。植物根系生長發育使土壤中形成裂隙產生大孔隙,成為優先流運移的主要通道,而根系死亡后也會形成腐殖質對土壤增加有機質含量,還可以促進大孔隙的形成,增加優先流路徑。且徑級≤1.0 mm的根系比其他徑級在土壤中占比更多,這主要是由于植物不同特性決定的,植物生長狀況好,側根發達,根須較多,對優先路徑的貢獻度更高。程金花等[20]研究得出粗根系雖然也能夠產生孔隙,但會使團聚體破碎,堵塞土壤孔隙而不利于優先路徑的形成。而砂礫黏粒粉粒的含量則與土壤的緊密程度有顯著關系,對土壤大孔隙結構有著重要作用。隨著土層深度的進一步增加,黏粒、粉粒的含量增加,優先流發育會部分受阻。

表4 主成成分分析情況Table 4 Analysis of principal components

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究中不同植被樣地優先流比、優先流長度指數等特征與王偉[21]和侯芳[22]等所研究的闊葉林土壤優先流和針葉林土壤優先流特征與此類似,針闊林染色面積在0—10 cm迅速下降,草地則在0—10 cm存在明顯基質流區域。狗尾草樣地染色深度變化與王佩佩研究的白羊草群落結果相一致[23]在0—5 cm逐漸升高,最高可達25—30 cm,且達到峰值前基本保持穩定。草本植物細根占比高,形成致密的結構網絡可以促進優先流的發生,但其促進作用隨著根長密度的增加而減小。荊條樣地與柳樹樣地中土壤剖面染色面積比研究結果與侯芳等在重慶四面山所研究的闊葉林、針葉林、草地與此結果近似[22]。優先流與土壤因子的關系研究與陳曉冰等[6,18,24-26]研究結果相近似,土壤有機質等營養元素可以改善土壤孔隙度,增加染色面積。而對于影響優先流形成的相關因子,研究區內土壤優先流的形成主要受植物生長發育的影響,植物根系的生長發育以及不同結構影響了土壤的理化性質,從而改變了土壤的結構狀況,對優先流的形成和發展起到了促進作用。然而各樣地中植被生長發育狀態不同,因此對土壤優先流的影響程度也不盡相同,存在一定差異性。本研究的結果與盧華興等人[6]的研究結果類似,土壤機械組成與徑級小于5 mm根系是影響優先流產生的重要因素。今后的試驗要在提高精度的同時,量化各因素之間的共同作用,進一步明確優先路徑的形成機理。而土壤水分運動是土壤優先流研究中的熱點和難點,牛健植等[27]提出優先流是由動態因素和靜態因素相互作用產生的,靜態因素包括土壤基本性質、土壤含水率等,動態因素包括降雨強度、坡度、水文連通性等。本次試驗只從靜態因素對優先流染色特征進行分析和描述其形態特征,試驗結果可能會受到動態因素的影響。今后需要進一步加強更多環境因子的相互作用以及動態因素與優先流發育程度的關系研究,為永定河水資源保護、合理利用等管理以及生態修復提供一定的技術支撐。

4.2 結 論

不同植被類型垂直剖面上顯示出染色面積比隨土層深度的增加而下降。柳樹樣地優先流主要集中于10—40 cm處,最大染色深度為40.0 cm;狗尾草樣地優先流集中在10—30 cm處,最大染色深度為31.5 cm;荊條樣地優先流集中在10—40 cm處,最大染色深度為44.8 cm。

永定河3種不同植被類型存在明顯優先流現象,且土壤優先流與基質流共同發生,狗尾草樣地土壤優先流多發于土壤淺層且有明顯的基質流。發育程度為柳樹樣地>荊條樣地>狗尾草樣地。柳樹樣地和狗尾草樣地的染色面積比和長度指數差異顯著(p<0.05),荊條樣地與其他2種植被差異均不顯著(p>0.05)。

土壤理化性質是影響優先流形成發育的重要因素,主要指標為土壤黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有機質含量和根重密度等,其中黏粒砂粒粉粒含量對方差變異性的貢獻率為24.824%,根重密度和有機質含量對方差變異性的貢獻率為46.312%。