史德威, 程金花, 李明峰

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

由于自然土壤生物運動產(chǎn)生的大孔隙和氣候變化產(chǎn)生的裂縫等優(yōu)先流路徑的存在,水分沿著這些路徑繞過土壤基質(zhì)優(yōu)先向下運動的現(xiàn)象稱為優(yōu)先流[1]。這一現(xiàn)象縮短了水分和養(yǎng)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(yǎng)分的吸收利用[2],還會造成地下水資源的污染和富營養(yǎng)化[3]。

優(yōu)先流運動軌跡及其形成因素復(fù)雜,且具有快速運移、側(cè)向入滲、不穩(wěn)定性等特點。眾多學(xué)者在不同的研究區(qū)域結(jié)合染色示蹤與處理土壤染色剖面圖像對不同類型土壤優(yōu)先流形態(tài)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(yōu)先流形態(tài)特征,并結(jié)合相關(guān)根系指標(biāo)得出根徑小于5 mm的根重密度在優(yōu)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(diào)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(xué)者也對農(nóng)耕地,人工林地做出了相關(guān)研究[6-8]。而國外學(xué)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(cè)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(yōu)先流頻率更高。

隨著工業(yè)化的發(fā)展和研究的深入,優(yōu)先流研究的重點已轉(zhuǎn)向一些生態(tài)脆弱、不同地質(zhì)地貌或間接影響生產(chǎn)生活的特殊區(qū)域,如喀斯特地區(qū)、濱河帶等[11]。永定河流域是京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)保護區(qū)和水土保持重要功能區(qū)之一,水資源保護十分關(guān)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(yōu)先流對水資源具有一定的影響,研究該區(qū)域優(yōu)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(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(zhì)多為沙質(zhì)土[12-13]。永定河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)。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(shè)

通過數(shù)次野外調(diào)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(shè)優(yōu)先流染色小區(qū)(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(diào)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(shè)染色小區(qū),使小區(qū)與各立木的距離相等,降低立木主根對染色結(jié)果的影響。狗尾草則選擇相對平坦的區(qū)域。每個優(yōu)先流觀測樣地布設(shè)3個染色小區(qū)來觀測優(yōu)先流形態(tài)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(zhì)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(nèi)松動土壤,防止亮藍(lán)染色溶液沿PVC隔板內(nèi)壁下漏影響觀測結(jié)果。采用亮藍(lán)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(qū)內(nèi)3種典型植被類型9塊樣地進行染色試驗。在染色結(jié)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(wěn)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(jù)水平剖面的染色情況進行原狀土壤采集(環(huán)刀規(guī)格(100 cm3),將每個區(qū)域分為土壤染色區(qū)和土壤未染色區(qū)并重復(fù)取樣3次;同時取足夠量散狀土,用于室內(nèi)測定有機質(zhì)等指標(biāo)(表2)。

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

2.3 植物根系的測定

在進行野外亮藍(lán)染色示蹤試驗時,對不同區(qū)域的植物根系進行分開收集用于后續(xù)的內(nèi)業(yè)試驗處理。利用實驗室的根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHI2.0 Pro2005)計算得出每層土體內(nèi)相應(yīng)的根長密度,并將烘箱調(diào)到75℃進行烘干室內(nèi)試驗,求出對應(yīng)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(huán)境條件的影響,圖像會產(chǎn)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(diào)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(qū)域替換為黑色(0),未染色區(qū)域替換為白色(255),調(diào)整容差、閾值、灰度等參數(shù),使染色圖像與實際結(jié)果一致減少誤差,染色圖像解析是獲得土壤優(yōu)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(yōu)先流特征參數(shù)。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(diào)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(qū)域變?yōu)楹谏?、未染色區(qū)域變?yōu)榘咨?調(diào)整固像閾值使染色圖像與實際情況一致,得到土壤優(yōu)先流的形態(tài)特征。然后將處理后的染色圖像導(dǎo)入Image Pro Plus 6.0軟件中進行圖像數(shù)值化,得到由0(染色區(qū))和255(未染色區(qū))組成的數(shù)據(jù)矩陣,并統(tǒng)計黑白像素數(shù)量,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算平均染色區(qū)域總面積和某一指定土層深度染色區(qū)域(優(yōu)先流區(qū))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(jié)果與分析

3.1 垂直方向染色形態(tài)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(lán)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(yōu)先流是水分和溶質(zhì)快速向下運移的現(xiàn)象,表現(xiàn)為明顯的濕潤鋒快速運移[15],即條形染色部分為優(yōu)先流集中發(fā)生區(qū)[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(nèi)隨土層深度的增加迅速減小,在10—20 cm范圍內(nèi)保持著相對穩(wěn)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(lán)示蹤劑入滲較淺,可能是由于土壤淺層優(yōu)先路徑較少,示蹤劑以基質(zhì)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(yōu)先路徑,很可能是由于其發(fā)達的主根產(chǎn)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(huán)境條件、不同發(fā)育程度、不同位置等,這正反映了優(yōu)先流路徑空間的高度變異性和復(fù)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(qū)域較為均勻,染色面積隨土層深度增加而減少的量較為穩(wěn)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(wěn)定的區(qū)域,但隨后在5 cm內(nèi)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(qū)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(wěn)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(tài)特征

本研究計算了亮藍(lán)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(guān)形態(tài)特征參數(shù),并分析了優(yōu)先流染色形態(tài)特征。圖4為3種植被類型土壤在25 mm入滲水量下相應(yīng)的垂直剖面染色形態(tài)特征參數(shù)關(guān)系。

圖4 不同植被類型土壤25 mm入滲水量下優(yōu)先流染色形態(tài)特征關(guān)系

土壤剖面染色面積比能直觀地反映出優(yōu)先流的發(fā)育程度,如表3所示,染色面積比越大,優(yōu)先流發(fā)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(xiàn)的原因是T1,T3,W3土壤孔隙通道連通性較差,優(yōu)先路徑較少,導(dǎo)致染料溶液產(chǎn)生部分側(cè)向流,這也體現(xiàn)出了優(yōu)先流的空間異質(zhì)性和不穩(wěn)定性[18]。狗尾草樣地的染色面積比也呈現(xiàn)類似的變化趨勢。

表3 3種植被樣地土壤染色形態(tài)特征參數(shù)

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

優(yōu)先流比是在剖面角度上以染色區(qū)域為參照描述優(yōu)先流現(xiàn)象的,而優(yōu)先流長度指數(shù)著重刻畫不同剖面之間的差異,優(yōu)先流長度指數(shù)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?fù)翆硬钪档慕^對值之和。柳樹樣地的優(yōu)先流長度指數(shù)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(yōu)先流長度指數(shù)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(xiàn)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(yōu)先流發(fā)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(jié)果一致。

3.3 優(yōu)先流與土壤因子的響應(yīng)分析

優(yōu)先流的整個運動過程非常復(fù)雜,為進一步了解其特征,采用Spearman相關(guān)性分析法,將影響優(yōu)先流的土壤內(nèi)部因素黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有機質(zhì)、根重密度和染色面積比作為指標(biāo)進行研究,根據(jù)盧華興等[19]的研究發(fā)現(xiàn)滇南地區(qū)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(guān)性程度較低,故本研究中沒有將其選為主成分因子。分析結(jié)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(guān)性較強。分析得出影響不同植被類型的優(yōu)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(zhì)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(fā)育情況對永定河區(qū)不同植被優(yōu)先路徑的影響起主要作用。植物根系生長發(fā)育使土壤中形成裂隙產(chǎn)生大孔隙,成為優(yōu)先流運移的主要通道,而根系死亡后也會形成腐殖質(zhì)對土壤增加有機質(zhì)含量,還可以促進大孔隙的形成,增加優(yōu)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(cè)根發(fā)達,根須較多,對優(yōu)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(chǎn)生孔隙,但會使團聚體破碎,堵塞土壤孔隙而不利于優(yōu)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(guān)系,對土壤大孔隙結(jié)構(gòu)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(yōu)先流發(fā)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(jié)論

4.1 討 論

本研究中不同植被樣地優(yōu)先流比、優(yōu)先流長度指數(shù)等特征與王偉[21]和侯芳[22]等所研究的闊葉林土壤優(yōu)先流和針葉林土壤優(yōu)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(zhì)流區(qū)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(jié)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(wěn)定。草本植物細(xì)根占比高,形成致密的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以促進優(yōu)先流的發(fā)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(jié)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(jié)果近似[22]。優(yōu)先流與土壤因子的關(guān)系研究與陳曉冰等[6,18,24-26]研究結(jié)果相近似,土壤有機質(zhì)等營養(yǎng)元素可以改善土壤孔隙度,增加染色面積。而對于影響優(yōu)先流形成的相關(guān)因子,研究區(qū)內(nèi)土壤優(yōu)先流的形成主要受植物生長發(fā)育的影響,植物根系的生長發(fā)育以及不同結(jié)構(gòu)影響了土壤的理化性質(zhì),從而改變了土壤的結(jié)構(gòu)狀況,對優(yōu)先流的形成和發(fā)展起到了促進作用。然而各樣地中植被生長發(fā)育狀態(tài)不同,因此對土壤優(yōu)先流的影響程度也不盡相同,存在一定差異性。本研究的結(jié)果與盧華興等人[6]的研究結(jié)果類似,土壤機械組成與徑級小于5 mm根系是影響優(yōu)先流產(chǎn)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(yōu)先路徑的形成機理。而土壤水分運動是土壤優(yōu)先流研究中的熱點和難點,牛健植等[27]提出優(yōu)先流是由動態(tài)因素和靜態(tài)因素相互作用產(chǎn)生的,靜態(tài)因素包括土壤基本性質(zhì)、土壤含水率等,動態(tài)因素包括降雨強度、坡度、水文連通性等。本次試驗只從靜態(tài)因素對優(yōu)先流染色特征進行分析和描述其形態(tài)特征,試驗結(jié)果可能會受到動態(tài)因素的影響。今后需要進一步加強更多環(huán)境因子的相互作用以及動態(tài)因素與優(yōu)先流發(fā)育程度的關(guān)系研究,為永定河水資源保護、合理利用等管理以及生態(tài)修復(fù)提供一定的技術(shù)支撐。

4.2 結(jié) 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(yōu)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(yōu)先流集中在10—30 cm處,最大染色深度為31.5 cm;荊條樣地優(yōu)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(yōu)先流現(xiàn)象,且土壤優(yōu)先流與基質(zhì)流共同發(fā)生,狗尾草樣地土壤優(yōu)先流多發(fā)于土壤淺層且有明顯的基質(zhì)流。發(fā)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(shù)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(zhì)是影響優(yōu)先流形成發(fā)育的重要因素,主要指標(biāo)為土壤黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有機質(zhì)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(zhì)含量對方差變異性的貢獻率為46.312%。