荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗特征

朱钊岑,刘 冰,刘 婵,司 瑞

1 中国科学院西北生态环境资源研究院中国生态系统网络临泽内陆河流域研究站,中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室, 兰州 730000 2 中国科学院大学, 北京 100049

湿地是水陆相互作用的自然综合体,具有丰富的生物多样性与独特的生态格局[1- 3]。尽管干旱区湿地面积较小且在空间分布上呈明显的不连续状,但其作为荒漠绿洲的组成部分和重要水源,对维持干旱区生态平衡和生态系统稳定具有重要作用[4]。在荒漠绿洲湿地,水文条件在湿地形成、发展和衰亡整个过程中起着主导作用[5]。在干旱区,降水稀少,地下水和河流侧渗水是荒漠绿洲湿地的重要水分来源,河流径流变化与地下水位的波动,导致干旱区湿地存在干湿交替的季节性变化与积盐、洗盐过程的周期性[6],同时,受植物根系与动物活动等影响,土壤大孔隙在干旱区湿地广泛存在[7]。当降水发生时,土壤大孔隙作为地表水分、溶质快速入渗的通道,从而形成土壤优先流,使水分、溶质和污染物快速入渗到深层土壤和地下水中,导致水分、养分流失以及地下水污染风险增大[8- 11]。同时,土壤大孔隙使盐分与土壤接触面积减小,降低了盐分运移过程中土壤吸附比例,致使土壤盐分含量降低[12]。因此,对荒漠绿洲湿地土壤优先流研究能为干旱区湿地水分运移与盐分累积过程提供理论依据。

土壤空间异质性是导致土壤优先流的主要原因。尽管优先流路径占土壤体积的比例极小,但其水流速度为均质土壤的4—18倍[13],且大多数土壤饱和入渗量都是通过优先流而传导[14],同时土壤优先流对深层土壤水分补给具有重要作用[15]。目前,国内外关于土壤优先流的研究方法有很多种[8- 11],其中染色示踪法具有直观、高可视度等优点被广泛应用到土壤水分入渗的研究中。目前,众多学者结合染色示踪与土壤剖面染色图像处理在不同研究区域对不同类型土壤优先流与水分下渗及其影响因素进行了大量研究[15- 20]。在干旱区,土壤优先流的研究主要侧重于绿洲农田和荒漠植被,以揭示土壤优先流对深层土壤水分和地下水补给的水文效应[7]。在荒漠绿洲湿地,较浅地水位的波动导致土壤盐分不断富集,植物群落优势种群结构由物种丰富的淡水群落向物种匮乏的耐盐性群落过渡[6],荒漠绿洲湿地物种组成、群落结构的复杂性导致土壤优先流与水分入渗具有较强的空间异质性和不确定性。然而,荒漠绿洲湿地植物物种组成、群落结构及其植物根系分配对土壤优先流与水分入渗的影响机制与反馈机理的定量研究仍是薄弱环节,使得难以反映出真实的水分入渗和溶质迁移过程。因此,以黑河中游荒漠绿洲湿地柽柳灌丛、盐碱草地、杨树林为研究对象,以泥质道路为对照,通过野外染色示踪实验和室内样品分析等方法,研究不同植被类型的土壤水分入渗与染色特征差异,探讨土壤优先流分布特征与水分入渗过程的影响机制,将为干旱区湿地水盐运移模型与盐碱化治理提供参考依据。

1 实验与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑河中游张掖湿地保护区临泽县境内(100°06′E,39°19′N),海拔1420 m,是典型的荒漠绿洲湿地。该研究区属典型的温带干旱气候,年均降水量为116.8 mm,65%的降雨发生在6—9月,年均温7.6℃,平均日照时数为3051 h,年均蒸发量2390 mm,干旱指数20.5[21]。土壤由冲积沉积形成,母质为河流洪积物,土壤质地以粉壤为主,上层土壤结构发育较好,下层土壤仍以砂质为主,土壤结构较差。水分来源包括降水、地下水、河水侧向补给和农田灌溉回归水,其中以地下水和河流侧向补给为主。经过长期的演替与人为干扰,形成了众多的天然植被和人工植被,如冰草(Agropyroncristatum)、碱蓬(Suaedaglauca)、海乳草(Glauxmaritima)、芦苇(Phragmitesaustralis)、柽柳(Tamarixchinensis)、沙枣(Elaegnusangustifolia)、胡杨(Populuseuphratica)、白杨(Populusalba)等。

1.2 研究方法

1.2.1 染色示踪实验

在研究区内,分别选择具有代表性的盐碱草地、柽柳灌丛、杨树林(10年生),以对下垫面土壤、水文特征[22]和景观空间格局与过程有显著影响[23]的人为踩踏泥质道路作为对照,可消除植被对土壤优先流与水分入渗的影响。在试验样地内,选择地形平整、植被均匀且周边植株数量基本一致的样地作为试验点。在试验点,首先将试验点内土体表层的枯枝、砾石移除,并将植被的地上部分用剪刀小心移除。其次,将长1.2 m、宽1 m的矩形铁皮框垂直砸入土体内20 cm,同时用小锤将靠近铁框内壁3 cm的土壤夯实,防止染料沿铁框内壁缝隙下渗。然后,将配好的5 g/L的亮蓝溶液60 L均匀喷洒在矩形框内的土体表面,待喷洒完毕后,用塑料膜将铁框覆盖,确保无降水等其他水分进入,同时减少蒸发[24-25]。在染色24 h后,将矩形铁皮框小心移除,在框内中心部分以10 cm为间距垂直挖掘土壤剖面,每个剖面修整完毕后放置标尺并用数码相机进行拍照[26]。

1.2.2 样品采集与土壤物理性质测定

在染色剖面挖掘完毕后,沿土壤剖面以20 cm为间距采集5个环刀样与散土样；样品采集深度为染色深度。利用环刀样测定土壤饱和导水率和容重；散土样测定土壤机械组成(表1)。其中,饱和导水率用定水头法测定,容重用烘干法测定,土壤机械组成用激光粒度仪MS 2000测定,此外,在研究期间(2016年4月—2017年10月),在染色示踪试验点每10日沿土壤剖面以10 cm间距采集土壤样品,在实验室通过1∶5土水比测定土壤电导率(RJM/SDB- 6型数字温度电导率仪),同时采用称重法测定道路土壤砾石含量。

表1 土壤物理性质

同时,沿土壤剖面以长20 cm、宽20 cm、高10 cm为单位挖掘土体以采集0—80 cm根系,将根系洗净后依据直径分为粗根(直径>2 mm)和细根(直径≤2 mm),之后烘干至恒重,测定土壤剖面不同土层根系生物量密度(图1)。

图1 根系生物量分布Fig.1 Root Biomass Distribution

1.2.3 图像处理与数据分析

参照Janssen和Lennartz[27]染色图像处理方法,首先利用Photoshop将染色图像进行校正、裁剪,然后利用Image对裁剪后的图像进行二值化处理,最后将二值化图像用Matlab分析,得到染色面积比和染色路径等水流形态学参数。其中,染色面积比为土壤剖面内染色面积占整个土壤剖面面积的百分比。染色路径包括染色路径数和染色路径宽度,染色路径数指垂直土壤剖面图像中,每行像元中所有染色路径的数量；染色路径宽度指每条染色路径所对应的实际土壤宽度。结合染色路径数和染色路径宽度可表征优先流的连通性和分支性。染色路径数的增大伴随着染色路径宽度的降低,表征土壤优先流具有更多的分支,土壤水分入渗以低相互作用混合流为主；反之,染色路径数的减少伴随着染色路径宽度的增大,表征土壤优先流连通性更好,土壤水分入渗以均质流或高相互作用混合流为主[26]。结合土壤质地与实际染色状况,参照Weiler和Flühler[28]的土壤优先流类型分类标准,确定荒漠绿洲湿地土壤染色路径宽度划分标准为<20 mm、20—250 mm和>250 mm (表2)。

表2 土壤优先流分类标准

本文垂直剖面染色数据(染色面积比、染色路径数和染色路径宽度)和土壤优先流类型均采用土壤垂直剖面染色图像的均值。染色路径数与染色面积比和染色路径宽度,根系与染色面积和染色路径的相关性分析采用SPSS 22.0进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤优先流分布特征

在荒漠绿洲湿地,对各种植被类型土壤剖面的染色图像进行研究(图2),黑色代表染色区域。在不同植被类型中,土壤优先流染色深度存在显著差异,柽柳灌丛和盐碱草地水流入渗深度较深,杨树群落和道路较浅。盐碱草地0—40 cm染色呈均匀分布,其余试验点均出现不同程度的分支；柽柳灌丛呈现连续均匀和狭长的两个分支；杨树群落0—18 cm染色均匀分布,18 cm以下呈现连续均匀的两个分支；道路土壤呈现连续均匀但染色深度差异极大的两个分支。

图2 优先流垂直分布图像Fig.2 Vertical distribution of preferential flow

2.2 土壤染色面积比

在荒漠绿洲湿地,0—80 cm土壤剖面总染色面积比的最大值为盐碱草地(39.54%),其次为柽柳灌丛(37.21%)、杨树群落(30.20%)和道路(16.37%)(图3)。土壤剖面染色深度顺序为柽柳灌丛(74 cm)>盐碱草地(72 cm)>杨树群落(39 cm)>道路(38 cm)。

图3 土壤剖面不同位点染色面积比Fig.3 Stained area ratio of the vertical profiles

在各种植被类型中,不同深度土层的土壤染色面积比存在显著差异(图3,表3)。在0—20 cm土层,染色面积比均随深度增加而下降,其中道路下降幅度达40.58%—81.85%,其次顺序为杨树群落(19.01%—79.28%)、柽柳灌丛(25.25%—35.47%)和盐碱草地(6.02%—24.24%)。在20—40 cm土层,杨树群落和道路土壤染色面积急剧下降,分别在39 cm和38 cm处完全消失；盐碱草地下降幅度(81.17%—97.03%)大于柽柳灌丛(7.36%—74.31%),且盐碱草地染色区域急剧减少主要位于30—40 cm土层。在40 cm土层以下,柽柳灌丛和盐碱草地染色区域总体呈下降趋势,但是部分土层出现显著增加。其中,60—67 cm土层柽柳灌丛染色面积显著增加,染色面积比达32.80%；盐碱草地则在50—53 cm、65—72 cm重新出现染色区域。

表3 不同深度土层染色图像形态学参数

随土壤深度的增加,不同植被类型土壤剖面染色面积比波动变异程度均呈现先增大再减小的趋势,但波动变异程度存在显著差异(图4)。总体上,道路>杨树群落>盐碱草地>柽柳灌丛；其中土壤染色面积波动较大的土层分别为,柽柳灌丛24 cm以下,盐碱草地19—32 cm,杨树群落16 cm以下和道路5 cm以下。

图4 土壤剖面平均染色面积变化Fig.4 Average stained area ratio of the vertical profilesav：平均值 Average value；std：标准差 Standard deviation

2.3 染色路径数和染色路径宽度

湿地不同植被类型土壤剖面染色路径数均随土壤深度的增加而逐渐降低,但最大染色路径数及其出现深度存在较大差异(图5)。在土壤剖面染色深度内,平均染色路径数为灌丛(6.61)>道路(5.61)>白杨林(3.40)>草地(3.36)。柽柳灌丛和道路染色路径数最大值均出现在表层土壤,随土壤深度增加,总体上剖面染色路径数变化规律表现为持续降低的趋势；盐碱草地和杨树群落最大值出现在中层土壤,其变化规律表现为先增加再降低。

图5 土壤剖面不同位点染色路径数Fig.5 Stained path number of the vertical profiles

染色路径宽度显示,土壤优先流染色路径以20—250 mm和>250 mm为主,占剖面总染色面积的92.79%—97.21%；除道路外,>250 mm染色区域均大于20—250 mm(图6)。不同植被类型相同深度土层染色路径宽度存在较大差异,染色区域主要集中于0—20 cm土层,占剖面总染色面积比的54.42%—89.27%；除道路染色路径宽度主要为20—250 mm外,其余均以>250 mm为主,且<20 mm染色区域占比较低(1.08%—4.70%)。20—40 cm土层,杨树群落和道路以20—250 mm为主,而柽柳灌丛和盐碱草地以20—250 mm和>250 mm为主。在40 cm以下土层,柽柳灌丛和盐碱草地以20—250 mm为主,但柽柳灌丛仍有>250 mm染色区域出现。

图6 土壤剖面不同染色路径宽度分布Fig.6 Stained path width of the vertical profiles

2.4 土壤优先流类型

结合染色路径宽度和土壤优先流分类标准,不同植被类型土壤水流类型呈现明显优先流特征,整体上为非均质指流—高相互作用大孔隙流(图7)。除道路外,其他植被群落均出现均质流,但均质流强度存在明显差异,杨树群落(0—19 cm)>盐碱草地(0—14 cm)>柽柳灌丛(6—16 cm)。同时除杨树群落外,不同植被类型均存在非均质指流,其分布范围存在显著差异,灌丛分布于0—2 cm和16—21 cm,草地分布于14—34 cm,道路分布于0—10 cm。高相互作用混合流除柽柳灌丛在上层土壤2—5 cm有分布外,其余均分布于下层土壤。

图7 土壤优先流类型Fig.7 Type of preferential flow

3 讨论

3.1 湿地不同植被类型对水分入渗与染色分布特征的影响

染色示踪剂能提供水分在土壤中分布状况的视觉信息[20],通过反映水分入渗与染色分布以揭示湿地土壤优先流分布特征。在荒漠绿洲湿地,不同植被类型土壤容重、质地、孔隙度、根系及生物活动等存在的显著差异性[7- 11],显著影响湿地水分入渗过程与染色分布特征。在荒漠绿洲湿地,尽管乔木比草地能更有效的垂直向下传递水分[29],但是盐碱草地染色深度为杨树群落的1.85倍,同时盐碱草地染色面积最大。然而,这与Alaoui等[29]关于森林与草地的研究结果不一致,因为在他们的试验点土壤粘粒含量较高、结构较紧实,粘土延迟了水分进入大孔隙的过程,减少了优先流的发生。在荒漠绿洲湿地,土壤粘粒含量较少,砂粒含量极高,且结构较松散(表1),水流进入大孔隙的时间较短；同时,砂土对优先流的发生有一定的促进作用[20]。尤其是杨树群落砂粒含量>90%,水分入渗过程中各水流通道距离较近且通道宽度相近,导致其水分入渗过程中均质流(0—19 cm)占比较大,染色路径以>250 mm为主。此外,柽柳灌丛与盐碱草地土壤质地相近且二者染色面积相近,但柽柳灌丛染色深度比盐碱草地大,表明柽柳灌丛水分垂直向下传递效率较盐碱草地高,与Mei等[20]研究结果相符。因此,土壤异质性是形成优先流的根本原因。

研究表明砾石与土壤间的缝隙为土壤优先流能提供快速入渗的通道[19],并通过改变土壤孔隙密度、半径与孔隙间的联通性将对土壤水分入渗的产生重要的影响[30-31]。在荒漠绿洲湿地,道路0—20 cm土层砾石含量达14.65%,导致道路0—20 cm染色路径数增多(图5),染色路径以20—250 mm为主(图6),没有均质流发生(图7)；同时,砾石促进侧向水流增加,导致>250 mm染色区域出现。然而,柽柳灌丛、盐碱草地和杨树林地砾石含量均低于2%,染色路径数减小,染色路径宽度>250 mm的分布区域较多,土壤均质流分布范围较大。因此,砾石促进荒漠绿洲湿地土壤优先流发生,提高了水流通道的连通性,增加了侧向流。

3.2 荒漠绿洲湿地根系、土壤盐分对土壤优先流的影响

在荒漠绿洲湿地,植物根系能为土壤中水和空气提供储存空间[32],其分布方式影响着土壤孔隙度、导水率和容重等土壤物理性质[33],改变土壤空间异质性。同时,水分可以通过根系与周边土壤的非均质界面快速向下运动,对优先流的产生具有重要作用[15,31]。柽柳灌丛细根比盐碱草地少,但下层土壤粗根较多(图1),因此其水流通道连通性比盐碱草地差,但下层土壤水流通道较多,导致在0—40 cm土壤中盐碱草地染色区域较大；40 cm以下土壤柽柳灌丛染色区域较多且染色深度较大(表3)。

在荒漠绿洲湿地,灌丛细根生物量与染色路径数量和染色路径宽度<20 mm的染色面积呈极显著正相关(P<0.01),相关性系数为0.913和0.898；草地细根生物量与染色路径宽度>250 mm的染色面积呈现显著正相关(P<0.05),相关性系数为0.737；其余根系生物量与染色面积、染色路径数量和染色路径宽度的相关性均不显著(表4)。表明细根较粗根在荒漠绿洲湿地水分入渗过程中具有更重要作用。其主要原因是水分通过土壤孔隙运动的作用力主要是重力和类似于毛管力的一种吸附力[34]。细根在水分运动中能起到类似毛管的作用[32],可以使水分逐渐向细根分布区运动,因此在水分入渗过程中细根比粗根具有更重要的作用。

表4 根系生物量与染色面积、染色路径数量和染色路径宽度的相关分析

然而,许多研究认为植物根系与染色面积、染色路径呈现显著正相关关系[18, 35]。例如,刘目兴和杜文正[18]及田香姣等[35]实验地点位于亚热带季风湿润山地,植被为常绿阔叶林,根系分布广泛且以粗根为主,土壤粘粒含量较荒漠绿洲湿地高、结构较好,土壤空间异质性较大,增加了根系对优先流的影响。然而,在荒漠绿洲湿地,地下水埋深较浅,土壤盐渍化严重(图8),植被生长受到严重的盐分胁迫[36],从而粗根所占比例减小(图1),导致土壤优先流减小。同时,湿地土壤砂粒含量较高,土壤结构较松散,水分下渗通道多且连通性好,减弱了根系对水分入渗的影响。因此,在荒漠绿洲湿地,土壤优先流与水分入渗差异是土壤质地、根系分布与盐分离子共同作用的结果。

图8 不同位点土壤电导率平均值Fig.8 The average value of soil electrical conductivity

在荒漠绿洲湿地,除染色路径数和染色路径宽度20—250 mm呈正相关外,其余指标均与土壤电导率呈现负相关(表5)。因为水是土壤盐分运移的载体,盐分运移通道与水流通路基本一致[37],表现为土壤电导率与染色路径数的变化趋势一致。此外,土壤盐碱化导致土壤板结,土壤水流通道直径减少,从而使土壤小空隙(<20mm染色路径宽度)与土壤大孔隙(>250mm染色路径宽度)数量减少,导致土壤优先流以20—250 mm为主。与此同时,土壤板结致使水流面积减小,相应地染色面积随之减小,表现为土壤电导率与土壤染色面积呈现负相关。因此,在荒漠绿洲湿地,土壤盐分通过影响土壤大孔隙分布而影响土壤优先流与水分入渗过程。

表5 土壤电导率与染色面积、染色路径数量和染色路径宽度的相关分析

4 结论

通过室外染色示踪实验研究荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗特征,得出以下结论：(1) 在荒漠绿洲湿地,土壤优先流有土壤基质、植物根系与盐分离子共同影响,但土壤本身的物理性质是根本因素。(2) 均质流在不同植被类型的水分入渗过程中广泛存在,砾石通过促进水流通道的连通性,显著增加侧向流,促进了土壤优先流的发生。(3) 植物根系与染色特征相关性不显著,粗根的减少抑制了优先流的发生。