永定河平原南部典型植被土壤优先流特征及其归因

史德威, 程金花, 李明峰

(北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083)

由于自然土壤生物运动产生的大孔隙和气候变化产生的裂缝等优先流路径的存在,水分沿着这些路径绕过土壤基质优先向下运动的现象称为优先流[1]。这一现象缩短了水分和养分在土壤中的滞留时间,使其能够快速运移至土壤深层,既减少了土壤对水分和养分的吸收利用[2],还会造成地下水资源的污染和富营养化[3]。

优先流运动轨迹及其形成因素复杂,且具有快速运移、侧向入渗、不稳定性等特点。众多学者在不同的研究区域结合染色示踪与处理土壤染色剖面图像对不同类型土壤优先流形态特征及其影响因素进行了大量的研究。艾力夏提·库尔班等[4]采用野外染色示踪分析了土壤优先流形态特征,并结合相关根系指标得出根径小于5 mm的根重密度在优先流形成中起到重要作用。尤金等[5]采用染色示踪法,通过对入渗深度、染色面积等调查分析,得出坡面土壤裂隙在降雨重新分配中起到重要作用。其他一些学者也对农耕地,人工林地做出了相关研究[6-8]。而国外学者近年来更注重大尺度的特殊地理位置研究。Maier等[9]采取时空方法对瑞士阿尔卑斯山研究得出侧向流可能会随着山坡年龄而增加,Tang等[10]对阿巴拉契亚山脉中部不同岩性土壤研究得出,页岩丘陵的优先流频率更高。

随着工业化的发展和研究的深入,优先流研究的重点已转向一些生态脆弱、不同地质地貌或间接影响生产生活的特殊区域,如喀斯特地区、滨河带等[11]。永定河流域是京津冀地区水源涵养区、生态保护区和水土保持重要功能区之一,水资源保护十分关键。在降雨过后,滨河带附近污染物通过地表流入河流,除此之外还会通过土壤入渗危害地下水体。永定河平原南部水资源短缺,优先流对水资源具有一定的影响,研究该区域优先流的特征和形成机理对水资源保护和合理利用有着重要的现实意义。

1 研究区概况

研究区位于河北省廊坊市固安县东北村的永定河平原南部即卢沟桥—梁各庄河段(112°—117°45′E,39°—41°20′N)。永定河为地上河,泥沙会在河道大量淤积,土壤主要为砾岩石,土质多为沙质土[12-13]。永定河流域属温带大陆性季风气候,为半干旱、半湿润型气候过渡区。多年平均气温6.9℃,年均降水量360～650 mm。永定河平原段地处滨河带,乔木多为人工栽植,包括柳树(Salix)、加杨(Populuscanadensis)和圆柏(Sabinachinensis)等;灌木植物有荆条(Vitexnegundo)、铁扫帚(Indigoferabungeana)、铺地柏(Sabinaprocumbens)等;常见草本植物有狗尾草(Setariaviridis)、马齿苋(Portulacaoleracea)、芦苇(Phragmitesaustralis)、牛筋草(Eleusineindica)、假稻(Leersiajaponica)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 材料与方法

2.1 样地布设

通过数次野外调查与查阅文献,选取荆条、柳树、狗尾草这3种永定河平原南部典型的植物为研究对象布设优先流染色小区(表1)。3块样地大小分别为柳树20 m×20 m,荆条5 m×5 m,狗尾草1 m×1 m。完成植被调查后在柳树与荆条样地选择相邻3～4株乔木或灌木中心地势变化较小的地方布设染色小区,使小区与各立木的距离相等,降低立木主根对染色结果的影响。狗尾草则选择相对平坦的区域。每个优先流观测样地布设3个染色小区来观测优先流形态特征。

表1 样地基本情况特征Table 1 Basic information and characteristics of the sample plot

2.2 染色示踪试验及样品采集

染色前为了不扰动土壤腐殖质层,将地表枯枝落叶碎石简单清理,然后将大小分别为120 cm×70 cm×50 cm和140 cm×90 cm×50 cm的PVC板框竖直砸入样地(地上20 cm,地下30 cm),并使用小锤夯实PVC板壁5 cm内松动土壤,防止亮蓝染色溶液沿PVC隔板内壁下漏影响观测结果。采用亮蓝染色剂4 g/L以21 L(模拟24 h大雨累计降雨量25 mm)溶液量对研究区内3种典型植被类型9块样地进行染色试验。在染色结束后使用塑料薄膜覆盖染色土壤表面,以避免静置过程受到降雨等其他水分影响。24 h后,揭开并移去塑料薄膜和埋下的PVC板框,进行垂直土壤染色剖面的挖掘。由于板框周围水分运移较不稳定,在样地中板框中心50 cm×50 cm的地方进行挖掘,自上而下挖出5个垂直剖面,每层间隔10 cm。使用尼康相机(1 200万像素)拍摄每个剖面染色图像3～5张。根据水平剖面的染色情况进行原状土壤采集(环刀规格(100 cm3),将每个区域分为土壤染色区和土壤未染色区并重复取样3次;同时取足够量散状土,用于室内测定有机质等指标(表2)。

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

2.3 植物根系的测定

在进行野外亮蓝染色示踪试验时,对不同区域的植物根系进行分开收集用于后续的内业试验处理。利用实验室的根系扫描分析系统(WinRHI2.0 Pro2005)计算得出每层土体内相应的根长密度,并将烘箱调到75℃进行烘干室内试验,求出对应根长密度的根重密度值(表2)[14]。

2.4 染色图像处理

一般拍摄的原始图片会受到人为因素和环境条件的影响,图像会产生颜色损失或畸变,本次研究使用Adobe PhotoshopCS5对图像几何校正和光照校正。首先调整图像的色相、饱和度和阈值,使得颜色对比度更加明显,然后使用颜色替换功能,将所有染色区域替换为黑色(0),未染色区域替换为白色(255),调整容差、阈值、灰度等参数,使染色图像与实际结果一致减少误差,染色图像解析是获得土壤优先流特征的重要过程,主要是对室外原位土体染色示踪试验过程中拍摄的染色图像进行处理和分析,获取土壤优先流特征参数。首先利用PhotoshopCS5软件将染色图像进行样式编辑和几何校正(裁剪大小为50 cm:50 cm),通过调整灰度和对比度、颜色替换、降噪处理及图像反相处理,使染色区域变为黑色、未染色区域变为白色,调整固像阈值使染色图像与实际情况一致,得到土壤优先流的形态特征。然后将处理后的染色图像导入Image Pro Plus 6.0软件中进行图像数值化,得到由0(染色区)和255(未染色区)组成的数据矩阵,并统计黑白像素数量,根据统计结果计算平均染色区域总面积和某一指定土层深度染色区域(优先流区)面积所占的比例,即染色面积比。本研究以1 cm土层深度为间隔计算染色面积比。

3 结果与分析

3.1 垂直方向染色形态特征

图1—3为各个典型植被土壤垂直染色图像及其染色剖面。染色面积比能反映所使用的亮蓝染料在土壤剖面的占比情况,其占的比例越多表明水分下渗得越多。优先流是水分和溶质快速向下运移的现象,表现为明显的湿润锋快速运移[15],即条形染色部分为优先流集中发生区[16]。由图1可知荆条样地T1和T3土壤垂直剖面染色面积比在0—10 cm范围内随土层深度的增加迅速减小,在10—20 cm范围内保持着相对稳定的速度减小。样地T1和T3的最大深度分别为23.5 cm和19.2 cm,亮蓝示踪剂入渗较浅,可能是由于土壤浅层优先路径较少,示踪剂以基质流的形式向土壤深层下渗。样地T2的染色程度较好,最大入渗深度为44.9 cm,从染色图像上也可以看出具有多条优先路径,很可能是由于其发达的主根产生的通道。即便是同一植被类型土壤剖面染色面积比也会有较大的差异,因其不同的环境条件、不同发育程度、不同位置等,这正反映了优先流路径空间的高度变异性和复杂性[17]。

图1 荆条样地土壤垂直染色图像

由图2可知柳树样地最大染色深度处于25—40 cm,染色区域较为均匀,染色面积随土层深度增加而减少的量较为稳定。样地W3在图层深度为10—20 cm时染色面积几乎不变,说明此样地下存在一个土壤孔隙相对稳定的区域,但随后在5 cm内染色面积迅速下降至0,其最大染色深度为39.9 cm但在25—40 cm处染色面积低于10%。这可能是由于染色区域大孔隙率下降,土壤容重增加所致。

图2 柳树样地土壤垂直染色图像

图3表明狗尾草样地染色面积随着土层深度的增加变化较为稳定,其最大染色深度为25—30 cm,明显小于柳树样地与荆条样地。可能是由于狗尾草的根系分布在浅层土,水分运移较浅。

图3 狗尾草样地土壤垂直染色图像

3.2 染色形态特征

本研究计算了亮蓝染色示踪试验后土壤中水分运动形成的垂直剖面染色图像相关形态特征参数,并分析了优先流染色形态特征。图4为3种植被类型土壤在25 mm入渗水量下相应的垂直剖面染色形态特征参数关系。

图4 不同植被类型土壤25 mm入渗水量下优先流染色形态特征关系

土壤剖面染色面积比能直观地反映出优先流的发育程度,如表3所示,染色面积比越大,优先流发育程度越好。在荆条样地中,T2平均染色面积比显著大于T1和T3,且T1和T3较为接近。而柳树样地W1和W2的平均染色面积比显著大于W3,且W1和W2非常接近。可能出现的原因是T1,T3,W3土壤孔隙通道连通性较差,优先路径较少,导致染料溶液产生部分侧向流,这也体现出了优先流的空间异质性和不稳定性[18]。狗尾草样地的染色面积比也呈现类似的变化趋势。

表3 3种植被样地土壤染色形态特征参数

优先流比是土壤剖面上优先流区的面积与总染色面积的比值,是除去了基质流影响的结果。柳树、荆条和狗尾草样地的平均优先流比分别为33.59%,29.60%和21.71%,基质流深度分别为13.46 cm,12.72 cm,12.49 cm,表现结果均为柳树样地>荆条样地>狗尾草样地,且优先流比和机制流比均为差异不显著(p>0.05)。造成这种现象的原因是该处土壤为沙质土,土壤初始含水量低,示踪剂多以整体均匀向下入渗,优先流染色形态分化现象不明显。

优先流比是在剖面角度上以染色区域为参照描述优先流现象的,而优先流长度指数着重刻画不同剖面之间的差异,优先流长度指数是指以一定深度(本研究为1 cm)将土壤剖面等分为若干层,其相邻土层差值的绝对值之和。柳树样地的优先流长度指数Li为188.67～309.07,荆条和狗尾草分别是145.60～244.20,142.93～175.87。柳树覆盖下土体的优先流长度指数分别是荆条的1.22倍和狗尾草的1.58倍。虽然荆条样地T1和T3所展现出来的最大染色深度只有24.4 cm和19.1 cm,但这也证实了在同样的降水强度下荆条植被比狗尾草土壤中水分入渗的速度更快且优先流发育程度更高。柳树样地与狗尾草样地之间差异显著(p<0.05),荆条样地与柳树和狗尾草样地差异均不显著(p>0.05),这与染色面积比表明的结果一致。

3.3 优先流与土壤因子的响应分析

优先流的整个运动过程非常复杂,为进一步了解其特征,采用Spearman相关性分析法,将影响优先流的土壤内部因素黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有机质、根重密度和染色面积比作为指标进行研究,根据卢华兴等[19]的研究发现滇南地区普洱茶土壤中,径级大于5 mm根长密度与土壤染色面积比的相关性程度较低,故本研究中没有将其选为主成分因子。分析结果如表4所示,其特征值为一种84.017,两种98.517,即其中一种主成分就能解释全部原始变量变异信息的84%左右,相关性较强。分析得出影响不同植被类型的优先路径因素有2个主成分,土壤中黏粒砂粒粉粒含量可以解释24.824%的方差变异性,第2个主成分中的根重密度和有机质含量可以解释46.312%的方差变异情况。说明植物根系的生长发育情况对永定河区不同植被优先路径的影响起主要作用。植物根系生长发育使土壤中形成裂隙产生大孔隙,成为优先流运移的主要通道,而根系死亡后也会形成腐殖质对土壤增加有机质含量,还可以促进大孔隙的形成,增加优先流路径。且径级≤1.0 mm的根系比其他径级在土壤中占比更多,这主要是由于植物不同特性决定的,植物生长状况好,侧根发达,根须较多,对优先路径的贡献度更高。程金花等[20]研究得出粗根系虽然也能够产生孔隙,但会使团聚体破碎,堵塞土壤孔隙而不利于优先路径的形成。而砂砾黏粒粉粒的含量则与土壤的紧密程度有显著关系,对土壤大孔隙结构有着重要作用。随着土层深度的进一步增加,黏粒、粉粒的含量增加,优先流发育会部分受阻。

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

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本研究中不同植被样地优先流比、优先流长度指数等特征与王伟[21]和侯芳[22]等所研究的阔叶林土壤优先流和针叶林土壤优先流特征与此类似,针阔林染色面积在0—10 cm迅速下降,草地则在0—10 cm存在明显基质流区域。狗尾草样地染色深度变化与王佩佩研究的白羊草群落结果相一致[23]在0—5 cm逐渐升高,最高可达25—30 cm,且达到峰值前基本保持稳定。草本植物细根占比高,形成致密的结构网络可以促进优先流的发生,但其促进作用随着根长密度的增加而减小。荆条样地与柳树样地中土壤剖面染色面积比研究结果与侯芳等在重庆四面山所研究的阔叶林、针叶林、草地与此结果近似[22]。优先流与土壤因子的关系研究与陈晓冰等[6,18,24-26]研究结果相近似,土壤有机质等营养元素可以改善土壤孔隙度,增加染色面积。而对于影响优先流形成的相关因子,研究区内土壤优先流的形成主要受植物生长发育的影响,植物根系的生长发育以及不同结构影响了土壤的理化性质,从而改变了土壤的结构状况,对优先流的形成和发展起到了促进作用。然而各样地中植被生长发育状态不同,因此对土壤优先流的影响程度也不尽相同,存在一定差异性。本研究的结果与卢华兴等人[6]的研究结果类似,土壤机械组成与径级小于5 mm根系是影响优先流产生的重要因素。今后的试验要在提高精度的同时,量化各因素之间的共同作用,进一步明确优先路径的形成机理。而土壤水分运动是土壤优先流研究中的热点和难点,牛健植等[27]提出优先流是由动态因素和静态因素相互作用产生的,静态因素包括土壤基本性质、土壤含水率等,动态因素包括降雨强度、坡度、水文连通性等。本次试验只从静态因素对优先流染色特征进行分析和描述其形态特征,试验结果可能会受到动态因素的影响。今后需要进一步加强更多环境因子的相互作用以及动态因素与优先流发育程度的关系研究,为永定河水资源保护、合理利用等管理以及生态修复提供一定的技术支撑。

4.2 结 论

不同植被类型垂直剖面上显示出染色面积比随土层深度的增加而下降。柳树样地优先流主要集中于10—40 cm处,最大染色深度为40.0 cm;狗尾草样地优先流集中在10—30 cm处,最大染色深度为31.5 cm;荆条样地优先流集中在10—40 cm处,最大染色深度为44.8 cm。

永定河3种不同植被类型存在明显优先流现象,且土壤优先流与基质流共同发生,狗尾草样地土壤优先流多发于土壤浅层且有明显的基质流。发育程度为柳树样地>荆条样地>狗尾草样地。柳树样地和狗尾草样地的染色面积比和长度指数差异显著(p<0.05),荆条样地与其他2种植被差异均不显著(p>0.05)。

土壤理化性质是影响优先流形成发育的重要因素,主要指标为土壤黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有机质含量和根重密度等,其中黏粒砂粒粉粒含量对方差变异性的贡献率为24.824%,根重密度和有机质含量对方差变异性的贡献率为46.312%。