城市湿地土壤环境水文周期变化的响应研究

李长城

(山东省淄博市水利事业服务中心，山东 淄博 255000)

城市湿地是建设在城市管辖区内，长时间被静止或流动的淡水、半咸水水体淹没，是陆生生态与水生生态之间的过渡，属于一种复杂的生态系统。湿地不仅能够为野生动植物提供栖息地，同时还具有调节径流、改善水质等作用。湿地在世界范围内分布较为广泛，据不完全统计，全球的湿地总面积约9亿hm2。土壤是城市湿地的主要组成部分，同时也是湿地植物的营养库之一。在温度、降水等因素的影响下，城市湿地水文环境产生周期性和季节性变化，进而影响湿地土壤环境的组成成分以及分布状态[1]。为了最大程度地保留土壤中的营养成分，保护城市湿地区域，对城市湿地水文周期变化以及土壤环境影响开展研究可以为湿地资源的开发以及环境保护等工作提供有价值的参考数据。

1 材料与方法

1.1 城市湿地研究区域概况

研究区域位于30°55′N，85°44′E，海拔4067～4120m，总面积220.14km2，最大宽度为21.47km,最大长度为11.68km。在地质地貌方面，研究区属第四纪冲积平原，湖岸是自然形成的坡度极小的平地，由于经济发展的需要，人为修建道路将衡水湖分为东湖和西湖两部分，西岸地面高程为18.0m，东岸地面高程为21.5m。现在西湖常年蓄水，而东湖没有蓄水，基本上已经变成了居住区和鱼塘的混合体，衡水湖多指代西湖[2]。并且西湖又被人为分成两部分建造了堤岸。1号湖岸土壤质地多为粘质土，渗透力差，湖底自然形成隔水层，是良好的天然蓄水池，经渗漏水量较少。选择的湿地具有明显的季风气候，冬夏长，春秋季节短。大气稀薄，年平均气温-5℃，春季为冷暖季节转换期，冷暖气流交汇于区内，但降雨量很少，形成干燥多风的气候。年均干燥度为1.11～1.43，大陆度为63.8%。研究区域年平均降水量只有547mm，其降水时空分布不均，无霜期196d，其周边地区的降水概率高于市区[3]。自然保护区的蒸发量为1766～1835mm，平均蒸发量远高于年平均水平，从而使研究湿地需要外来水源补给，以维持正常的生态需求。其土壤类型主要为隐蔽性潮土和盐碱地，植被类型以水生植被、盐生植被为主，植被覆盖率约为52%。

1.2 获取城市湿地土壤环境数据

研究所获得的数据主要是气象数据，太阳辐射、降雨量和环境温度是气象数据的具体内容。天气资料主要依靠小型自动气象站进行观测，时间为2020年11月1日—2021年10月30日。该气象观测系统包括一个小型自动气象站，观测时间分辨率为20min[4]。太阳辐射是湿地土壤水分蒸发的影响因素之一，通过日照时数对太阳辐射数据进行计算与采集。大气层上空的太阳辐射数据可以表示为：

(1)

式中，δ—太阳赤纬；ω—地球自转角速度；φ—湿地位置纬度；E0—地球轨道偏心率矫正参数；TSR—照度时长[5]。

由此可以计算出晴天、阴天等不同天气状态下的太阳辐射数据，将单位时间的亮度数据作为太阳辐射数据的采集结果。同理可以利用硬件设备，统计得出其他类型土壤环境数据的获取结果。

1.3 城市湿地土壤环境样品采集与测定

在选择的城市湿地研究区域内，选择4个平行样地，样地分布情况，如图1所示。

图1 采样地结构示意图

以春、夏、秋、冬4种采集方式进行土样采集，具体采集时间为2020年4月、2021年8月、2021年10月和2020年12月。随机选取0～10、10～20cm土层样品，重复采集3次，共24个混合样本，取0.5m×0.5m，间隔10cm，重复采集3次后同层次混合[6]。在样方上记录植物的盖度、高度，并将地上部分齐根剪干，然后称重。此外，选择表层水作为待采集的水样，要求采水深度区间为[10cm，20cm]，每次水样的采集量为500mL，初始水样用取样点表面的水清洗2～3次，采样后再取样，取样后加入0.5%的12mol/L超纯盐酸溶液，盖紧瓶盖冷冻保存。

从城市湿地水文和土壤环境变化2个方面，设置研究的测定指标[7]。其中水文环境测定指标包括蓄水变化量、水位、水资源分布等指标，以蓄水变化为例，其测定结果可以表示为：

ΔV=A2H2-A1H1=P-E+Is-Os+Ig-Og

(2)

式中，A1—研究前的湿地水面面积；A2—研究后的湿地水面面积；H1—研究前的湿地水深；H2—研究后的湿地水深；P—降水量；E—蒸发量；Is—地表水流入量；Os—地表水流出量；Ig—地表水对地下水的补给量；Og—地下水对地表水的补给量[8]。

土壤环境的测定指标为土壤的盐度、含水量、氮磷含量以及土壤表层温度。土壤盐度可以利用盐度计直接测定，土壤表层温度可以利用温度计直接测定。土壤含水率的测定是在初始条件下称量土壤的重量，标记为M1。将所有的土壤样本放置在干燥真空烘干机中，设置烘干机的温度参数为80℃，烘干时间为2min，以相同的方式重新称量土壤重量，标记为M2，将土壤重量的称量结果代入到公式(3)中，可以得出土壤含水率的测定结果。

(3)

此外，用重铬酸钾-硫磺溶解法测定土壤中的全氮，采用高氯酸-硫酸-硫酸-钼-锑抗性法进行土壤磷储量的测定，最终的测定结果可以分别表示为：

(4)

式中，BD—湿地土壤容重；N—土壤氮的含量；P—土壤磷的含量；h—土层深度；TN—土壤中全氮的储量；TP—土壤中全磷的储量[9]。综合各个指标的测定结果，得出最终的响应分析结果。

1.4 数据处理与分析

采用单因素方差分析方法，将不同季节土壤盐分参数的变化特征确定为0.02。采集各时段的日测资料，将土壤温湿度观测值的平均值作为最终测试结果。利用软件如MicrosoftExcel2013、SPSS19.0和Canoco4.5统计数据，并利用SigmaPlot12.5和CanocoDraw4.5软件将统计结果转换成可视化输出。

2 城市湿地水文周期变化

受到多种因素的影响，城市湿地水文呈现出明显的周期性变化，主要体现为季节性周期变化，在水循环理论的支持下，分析湿地水文的周期性变化规律，并以此作为研究的自变量。

2.1 构建城市湿地水文模型

城市湿地水文模型构建的目的是模拟和预测不同气候条件下湿地水文特征的变化情况，根据空间动力学理论描述地表潜热和感热通量状况，同时结合植被覆盖的空间特性、可变渗透性和非线性基流过程等因素，反映土壤、植被、大气、土壤的水热状态变化和水热传递规律。城市湿地水文模型水循环机理如图2所示。

图2 模型水循环原理

由图2可知，城市湿地土壤水分的蒸发共包括冠层蒸发、植被蒸腾和裸土地区土壤蒸发3个部分，总蒸散计算公式为：

(5)

式中，Ei—不同类型的水蒸发量；Cn—植被覆盖类型所占比例；CN+1—裸土所占比例[10]。

在降水量不为零的情况下，月径流量Q受月降水量P和土壤净含水量S影响，径流量可以表示为：

Q(t)=[S(t-1)+P(t)-E]×

(6)

式中，SC—流域最大蓄水能力。

城市湿地在整个循环过程中，其内部水量始终处于平衡状态。

2.2 确定湿地水文变化影响因素

在构建的湿地水文模型下，城市湿地水文变化会受到区域降水、来水径流量以及冻融作用的影响。在其他条件不变的情况下，城市湿地区域降水量和来水径流量增大，区域内的蓄水量随之增加，具体体现在水面面积和水位2个方面。通过对气象数据的采集和分析，年降水量最高、最低值分别出现在6和12月，有明显的干旱和雨季。径流量方面，研究区域汛期集中在4—7月，月径流量平均为1.694×1010m3。而湿地温度以0℃作为分界点，当区域温度低于0℃时，液态水立即转化为固态冰，此时无液态水蒸发，固态冰会直接升华为水蒸气，由于冰的升华速度低于水的蒸发速度，因此在冬季气温低于0℃时，城市湿地中的水含量趋于稳定[11]。而当温度高于0℃时，水循环速度加快，水面面积和蓄水位的变化量增加。

2.3 城市湿地水文周期变化规律

在上述3种影响因素的作用下，通过对研究城市湿地样本水文环境中水面面积、水位指标的测定与计算，得出水文周期变化规律的分析结果，如图3所示。

图3 城市湿地水文周期变化规律

由图3可以直观地看出，水位和水面面积的变化基本一致，6月湿地水位最高、水面面积最大，1月得到湿地水位和水面面积的最小值。

3 城市湿地土壤环境对水文周期变化的响应结果分析

在无人为控制与影响的情况下，以分析得出的城市湿地水文周期变化规律为自变量，分别在各个周期变化节点上测定不同位置、不同深度上土壤的物理性质指标，从而得出城市湿地土壤环境与水文周期变化之间的响应关系[12]。

3.1 土壤盐分对水文周期变化的响应

通过不同季节土壤成分的测定，得出土壤盐分的响应分析结果，如图4所示。

图4 土壤盐分响应分析结果

从图4可以看出，冬季土壤盐分最高、春季和秋季的盐分出现明显的降低趋势，在夏季土壤中的盐分最低。土层深度方面，随海拔升高，盐分含量逐渐增加[13]。

3.2 土壤含水率对水文周期变化的响应

观测期间的总降水量略高于历年的年降水量平均值。城市湿地土壤含水率的相关数据统计结果，见表1。

将表1中的数据代入到公式(3)中，分别得出春季时段土层深度为100、300和500cm位置的土壤含水率为12.0%、14.1%和17.0%，夏季时段各个土层深度位置土壤的含水率分别为22.1%、24.4%和19.5%，秋季时段各个土层深度位置土壤的含水率约为11.1%、16.6%和8.6%，同理可以得出冬季时段各个土层深度位置土壤的含水率为5.6%、1.6%和8.8%。由此可见，在冬季时段，降水稀少，且多以雪为主，主要受到冻融作用的影响，100cm以上土壤水分显著减少，而500cm以下土壤水分含量变化不大，但300cm左右深度的土壤含水率也有小幅的波动，说明在冻融过程中土壤含水率的变化不大[14]。

表1 城市湿地土壤含水率数据统计表

3.3 土壤全氮/磷含量对水文周期变化的响应

城市湿地土壤中的有效氮可以分为铵态氮和硝态氮2种类型，通过公式(4)的计算，得出2种类型有效氮的含量变化，如图5所示。

图5 城市湿地土壤有效氮含量的变化响应

由图5可知，土壤铵态氮和硝态氮对土壤含水量的响应趋势都是一致的，呈先降低后增大的曲线特征，且夏季土壤含水率最大，此时土壤铵态氮和硝态氮出现最大值。铵态氮/硝态氮的比值存在波动性变化趋势，在含水率梯度最低时，整个比值出现波动；在第一次高峰出现后，这个比值开始下降到最低值，在第二次小高峰出现后，说明无论土壤水分处于最低值还是最高值，土壤的铵态氮和硝态氮的比值都比较低，不能发挥作用。同理可以得出土壤中不同形式磷元素的含量变化响应分析结果，综合多种类型的氮含量和磷含量，得出土壤中全氮和全磷在水文周期变化的响应结果，如图6所示。

图6 土壤全氮/磷储量水文周期变化的响应分析结果

由此可见，各个土层之间的全氮储量和全磷储量无显著性差异，相较于空间差异，研究城市湿地样本的土壤氮/磷储量具有更高的时间差异性，在夏季时段土壤中的氮/磷储量最多，冬季储量最少。

3.4 土壤温度对水文周期变化的响应

在水文温度的周期性变化影响下，土壤温度的响应分析结果，如图7所示。

图7 土壤温度对水文周期变化的响应分析结果

由图7可知，深层与表层土温变化有显著差异，表层土壤最高温度出现在夏季8月左右，深层土壤最高温度出现在秋季10月。从温度波动幅度来看，表层土壤温度波动与气温变化基本一致，均呈季节周期性变化，深层土壤波动平缓。

4 结语

湿地在调节全球气候、维持区域生态平衡、为野生动植物提供栖息地等方面发挥着重要作用。随着世界城市化浪潮对湿地生态环境造成的压力越来越大，湿地生态环境对城市化的响应研究成为当前的热点之一。水是湿地的主导因素，水分的完整和健康是湿地综合生态环境安全的基础。但是因为人类的浅见以及生存的压力，对湿地过度的休养生息，使得湿地数量和质量急剧下降。通过对城市湿地土壤环境水文周期变化的响应研究，可以在不同的时段采取合适的措施进行湿度保护，最大程度地保存地球上的城市湿地资源。但仍存在不足之处，后期会进行深度研究。