鹫峰国家森林公园土壤溶质运移特征研究

肖自幸，张由松，牛健植，朱蔚利，李 想，武晓丽，赵玉丽

（水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

随着溶质运移研究的不断深入，溶质和污染物在土壤中的优先运移问题已成为当前科学研究的热点问题[1]。溶质在土壤中的运移主要受到土壤结构、土壤质地、土壤含水量、地被植物、地形等诸多因素的影响[2]。因土壤具有高度的空间异质性，因此不同地区土壤中的溶质运移特征不尽相同。吴华山、陈效民[3]等对太湖地区水稻土的硝态氮穿透曲线及影响因素研究得出太湖地区影响溶质运移主要因子为土壤粘粒和有机质含量；程竹华，张佳宝[4]等则对黄淮海平原三种土壤中溶质优先运移与土壤类型和初始含水量的关系进行了研究；陈风琴、石辉[5]主要对岷江上游三种典型植被下土壤溶质运移进行了染色法研究。本文通过室内环刀穿透曲线试验，在小尺度上研究鹫峰国家森林公园溶质运移特征，并就土壤容重、孔隙度和饱和导水率对溶质运移的影响进行分析，为进一步研究华北土石山区土壤溶质运移奠定基础，同时为该研究区的溶质运移模型拟合提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鹫峰国家森林公园，位于北京市西北郊，东经116°28′，北纬39°54′，为华北暖温带半湿润半干旱大陆性气候，年平均气温12.2℃，年平均降雨量700 mm，但多集中在7～9月份。公园总面积811.173 hm2，园内最高海拔1 153 m，现公园森林覆盖率高达96.4%。该研究区属于典型的华北土石山区，土壤类型为：在海拔700 m以下为山地淋溶褐土，土层厚，发育程度较高；海拔700 m以上为棕壤，土层发育程度低且土层较薄。土壤母质主要为花岗岩和凝灰岩。

1.2 供试土样采集

试验中采用内径7 cm，高5 cm，体积200 cm3的环刀取样，以10 cm为梯度，进行了0～10cm、10～20 cm、20～40 cm和40～70 cm四个深度的土层取样，每层3个重复，每个重复间隔30 cm左右。具体土样采集方法见图1。

土样取自海拔700 m以下的三个样地，样地土壤的基本理化性质见表1。表中所得土壤基本物理性质，试验数据均为三次重复取样的平均值。

图1 供试土壤取样示意图

1.3 试验方法

试验中用马氏瓶控制保持0.5 cm水头，以亮蓝（因亮蓝具有低毒性、高可见性和稳定性[6-7]）为溶质，试验浓度为1 g/L。试验中记录溶质最初穿透时间，在穿透初始阶段每隔1 min收集一次渗出液，随后每隔2～5 min收集一次渗出液，记录渗出液的体积。当单位时间里渗出液体积达到稳定时停止试验。试验完毕后，用紫外分光光度计在630 nm处测定渗出液的浓度值。

表1 取样土壤的基本理化性质

2 结果与分析

2.1 穿透曲线试验结果

对溶质在土壤中的运移研究，一般是测定其在土壤中的相对浓度（即渗出液浓度与初始浓度的比）随时间而变化的穿透曲线。本文以亮蓝渗出液浓度（因亮蓝初始浓度为1 g/L，故渗出液浓度即可表示相对浓度）和试验时间为坐标轴，得到了一系列溶质穿透曲线图。图2～图4是亮蓝在三样地不同深度土层中的穿透曲线，反映了亮蓝溶质在不饱和土壤中的运移规律。

图2 样地1不同深度穿透曲线

图3 样地2不同深度穿透曲线

图4 样地3不同深度穿透曲线

图2～图4中，各样地穿透曲线呈现的基本趋势是渗出液浓度开始较大，随后下降又再缓慢上升的过程，由此说明在鹫峰地区土壤中存在着溶质的优先运移现象。因如果没有溶质优先运移，由理论知识可知，溶质的穿透曲线应该是一条一直缓慢上升的曲线，随着时间的推移，最终达到溶质的原始浓度。

图2中40 cm以上土层穿透曲线都呈现出最初浓度较大，随后降低又再缓慢上升的一个大致过程。试验初期和最后的最大渗透液浓度均出现在0～10 cm土层，20～40 cm土层在穿透初始阶段渗出液浓度出现了剧烈的下降过程，40～70 cm土层的曲线与前三个深度的土层不同，呈现的是一个浓度逐渐上升的趋势。

图3中，整个样地的穿透曲线趋势基本一致，都是浓度先下降后缓慢上升，渗出液最大浓度出现在0～10 cm土层。

图4的穿透曲线趋势与图2基本一致，但渗出液最大浓度出现在20～40 cm土层。

2.2 溶质运移特征分析

2.2.1 穿透曲线结果分析 图2～图4的穿透曲线中起始浓度较大是因为土壤中存在着一些直接连通的孔隙，溶质在较短的时间里通过这些孔隙渗出，随着时间的推移，土壤中的孔隙逐渐吸附溶质，故渗出液的浓度降低。当土壤中的孔隙吸附能力逐渐降低，趋于饱和时，渗出液的浓度又缓慢升高。其中图2中20～40 cm的土层穿透曲线有剧烈下降过程，该现象说明此深度土层中应该存在非常明显的大孔隙，溶质在土壤中沿着这些大孔隙绕过部分土壤基质发生优先运移，故渗出液的浓度在最初相对较大。在此土层取样的试验过程中，发现了较大的腐烂根系，而渗出液在经过最初的溶质优先穿透后，便开始被这些腐烂的根系大量吸附，故渗出液浓度出现了剧烈的下降过程。随后根系的吸附能力逐渐下降，渗出液浓度也随即相对上升。40～70 cm土层因土壤紧实，在下渗初期溶质大部分被吸附，故起始浓度低，随着时间推移土壤吸附能力降低，因而渗出液浓度逐渐上升。图3中各深度土层穿透曲线趋势基本一致，说明样地整个土壤结构比较均一。图4与图2的穿透曲线总体趋势一样，说明这两样地土壤性质相似。但图4中渗出液最大浓度出现在20～40 cm土层,随后的下降趋势相对图1较小，应该是此深度土层中存在的主要是一些细而多的连通孔隙，引起最初溶质的优先运移，随后这些小的孔隙逐渐吸附溶质而导致穿透曲线缓慢下降。

2.2.2 土壤容重、孔隙度对溶质运移的影响 土壤容重作为土壤的一个基本物理性质，它对土壤的导水性能、孔隙状况、溶质运移等方面均有较大影响。温以华[8]以Cl-示踪对不同容重的土壤研究得出溶质运移的水动力弥散系数值随容重的下降而减小；吕殿青等[9]以Cl-穿透曲线研究容重变化对土壤溶质运移特征的影响得出容重增加、运移穿透点出现的相对时间较晚、水动力弥散系数增加的变化规律；潘云[10]、王辉[11]、徐明岗[12]、张振华[13]等也对容重如何影响溶质运移做出了一定的研究。本试验主要结合穿透曲线研究土壤容重和总孔隙度对溶质运移的影响。

比较图5和图6，可以看出，3样地0～10 cm土层均容重最小，总孔隙度最大，其中样地1和样地3的容重变化及孔隙度变化趋势一致，这正好是两样地溶质穿透曲线趋势一致的原因。结合穿透曲线，样地渗出液最大浓度基本都在表层，最小浓度在40～70 cm的土层，这是因为表层土壤容重小，孔隙度高，溶质穿透的时间则短，能被土壤毛管孔隙吸附的溶质相对较少，故渗出液浓度较其它深度偏大。40～70 cm土层土壤容重大，土壤紧实，孔隙度小，因而穿透时间长，在溶质穿透过程中毛管孔隙不断吸附溶质，导致初始渗出液浓度偏低。但当土壤中存在明显的大孔隙时溶质便会优先穿透，此时容重对溶质运移的影响作用将会较小。样地2中土壤容重随着深度的增加而增大，孔隙度则表现出相反的趋势，而且整个土壤机械组成变化不大，说明土壤结构较均一，土层性质随深度变化不大。

图5 3样地各深度容重

图6 3样地各深度总孔隙度

2.2.3 饱和导水率对溶质运移的影响 土壤饱和导水率是描述土壤入渗性能的一个基本物理量，它与土壤结构、质地及土壤中孔隙度等密切相关[14]。目前国内关于饱和导水率的研究主要有：李孝良、陈效民[15]等对西南喀斯特地区土壤饱和导水率及其影响因素研究得出在原状土壤剖面中自上而下饱和导水率明显降低，扰动土壤饱和导水率明显低于原状土壤；胡伟、邵明安[16]等就取样尺寸对土壤饱和导水率的影响进行了测定；马履一、翟明普[17]等对京西山地棕壤和淋溶褐土的饱和导水率进行了分析得出一般情况下饱和导水率随土壤深度的增加而减小；刘继龙、张振华[18]等对不同土地利用方式下烟台棕壤土的饱和导水率进行了研究，得出利用不同直径的入渗环的土壤饱和导水率有明显的差异性。

如图7所示，3样地0～10 cm土层土壤饱和导水率最高，40～70 cm的土层最低，这与穿透曲线中渗出液浓度的趋势一致，是因为表层土壤一般都具有较高的导水孔隙，孔隙之间的连通度也相对较高，且表层土壤因枯枝落叶作用而有机质含量会较其它土层高，而深层土壤紧实，孔隙度较低。比较图5和图7，从定性分析的角度可以得知，土壤的饱和导水率与土壤容重的变化呈正相关关系，对同一土壤而言,随着土壤容重的增加，意味着土壤团粒结构的丧失、土壤孔隙度（包括根道、虫孔）的减小和土壤变得紧实，从而导致饱和导水率的降低，故溶质的渗出液浓度也减小。

图7 3样地各深度饱和导水率

3 结论

试验以恒定水头法得到3个不同样地的溶质穿透曲线，以穿透曲线为基础研究土壤容重、孔隙度和饱和导水率对溶质运移的影响。结果显示：在鹫峰国家森林公园存在着普遍的溶质优先运移现象，为溶质优先运移的典型区。溶质在同一样地不同深度的土层中穿透曲线不同，土壤容重越大，其相对总孔隙度就小，饱和导水率就低，溶质在土壤中穿透时间长，渗出液浓度相对较低。但关于如何去定量化这三者在研究区溶质运移中的影响大小还有待以后进一步的深入分析。而土壤中那些腐烂的植物根系和土壤中有机质含量如何影响溶质在此研究区土壤中的运移需要更深入的探讨研究。

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