朱釗岑,劉 冰,劉 嬋,司 瑞

1 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院中國生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡臨澤內(nèi)陸河流域研究站,中國科學院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室, 蘭州 730000 2 中國科學院大學, 北京 100049

濕地是水陸相互作用的自然綜合體,具有豐富的生物多樣性與獨特的生態(tài)格局[1- 3]。盡管干旱區(qū)濕地面積較小且在空間分布上呈明顯的不連續(xù)狀,但其作為荒漠綠洲的組成部分和重要水源,對維持干旱區(qū)生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要作用[4]。在荒漠綠洲濕地,水文條件在濕地形成、發(fā)展和衰亡整個過程中起著主導作用[5]。在干旱區(qū),降水稀少,地下水和河流側滲水是荒漠綠洲濕地的重要水分來源,河流徑流變化與地下水位的波動,導致干旱區(qū)濕地存在干濕交替的季節(jié)性變化與積鹽、洗鹽過程的周期性[6],同時,受植物根系與動物活動等影響,土壤大孔隙在干旱區(qū)濕地廣泛存在[7]。當降水發(fā)生時,土壤大孔隙作為地表水分、溶質快速入滲的通道,從而形成土壤優(yōu)先流,使水分、溶質和污染物快速入滲到深層土壤和地下水中,導致水分、養(yǎng)分流失以及地下水污染風險增大[8- 11]。同時,土壤大孔隙使鹽分與土壤接觸面積減小,降低了鹽分運移過程中土壤吸附比例,致使土壤鹽分含量降低[12]。因此,對荒漠綠洲濕地土壤優(yōu)先流研究能為干旱區(qū)濕地水分運移與鹽分累積過程提供理論依據(jù)。

土壤空間異質性是導致土壤優(yōu)先流的主要原因。盡管優(yōu)先流路徑占土壤體積的比例極小,但其水流速度為均質土壤的4—18倍[13],且大多數(shù)土壤飽和入滲量都是通過優(yōu)先流而傳導[14],同時土壤優(yōu)先流對深層土壤水分補給具有重要作用[15]。目前,國內(nèi)外關于土壤優(yōu)先流的研究方法有很多種[8- 11],其中染色示蹤法具有直觀、高可視度等優(yōu)點被廣泛應用到土壤水分入滲的研究中。目前,眾多學者結合染色示蹤與土壤剖面染色圖像處理在不同研究區(qū)域對不同類型土壤優(yōu)先流與水分下滲及其影響因素進行了大量研究[15- 20]。在干旱區(qū),土壤優(yōu)先流的研究主要側重于綠洲農(nóng)田和荒漠植被,以揭示土壤優(yōu)先流對深層土壤水分和地下水補給的水文效應[7]。在荒漠綠洲濕地,較淺地水位的波動導致土壤鹽分不斷富集,植物群落優(yōu)勢種群結構由物種豐富的淡水群落向物種匱乏的耐鹽性群落過渡[6],荒漠綠洲濕地物種組成、群落結構的復雜性導致土壤優(yōu)先流與水分入滲具有較強的空間異質性和不確定性。然而,荒漠綠洲濕地植物物種組成、群落結構及其植物根系分配對土壤優(yōu)先流與水分入滲的影響機制與反饋機理的定量研究仍是薄弱環(huán)節(jié),使得難以反映出真實的水分入滲和溶質遷移過程。因此,以黑河中游荒漠綠洲濕地檉柳灌叢、鹽堿草地、楊樹林為研究對象,以泥質道路為對照,通過野外染色示蹤實驗和室內(nèi)樣品分析等方法,研究不同植被類型的土壤水分入滲與染色特征差異,探討土壤優(yōu)先流分布特征與水分入滲過程的影響機制,將為干旱區(qū)濕地水鹽運移模型與鹽堿化治理提供參考依據(jù)。

1 實驗與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑河中游張掖濕地保護區(qū)臨澤縣境內(nèi)(100°06′E,39°19′N),海拔1420 m,是典型的荒漠綠洲濕地。該研究區(qū)屬典型的溫帶干旱氣候,年均降水量為116.8 mm,65%的降雨發(fā)生在6—9月,年均溫7.6℃,平均日照時數(shù)為3051 h,年均蒸發(fā)量2390 mm,干旱指數(shù)20.5[21]。土壤由沖積沉積形成,母質為河流洪積物,土壤質地以粉壤為主,上層土壤結構發(fā)育較好,下層土壤仍以砂質為主,土壤結構較差。水分來源包括降水、地下水、河水側向補給和農(nóng)田灌溉回歸水,其中以地下水和河流側向補給為主。經(jīng)過長期的演替與人為干擾,形成了眾多的天然植被和人工植被,如冰草(Agropyroncristatum)、堿蓬(Suaedaglauca)、海乳草(Glauxmaritima)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、檉柳(Tamarixchinensis)、沙棗(Elaegnusangustifolia)、胡楊(Populuseuphratica)、白楊(Populusalba)等。

1.2 研究方法

1.2.1 染色示蹤實驗

在研究區(qū)內(nèi),分別選擇具有代表性的鹽堿草地、檉柳灌叢、楊樹林(10年生),以對下墊面土壤、水文特征[22]和景觀空間格局與過程有顯著影響[23]的人為踩踏泥質道路作為對照,可消除植被對土壤優(yōu)先流與水分入滲的影響。在試驗樣地內(nèi),選擇地形平整、植被均勻且周邊植株數(shù)量基本一致的樣地作為試驗點。在試驗點,首先將試驗點內(nèi)土體表層的枯枝、礫石移除,并將植被的地上部分用剪刀小心移除。其次,將長1.2 m、寬1 m的矩形鐵皮框垂直砸入土體內(nèi)20 cm,同時用小錘將靠近鐵框內(nèi)壁3 cm的土壤夯實,防止染料沿鐵框內(nèi)壁縫隙下滲。然后,將配好的5 g/L的亮藍溶液60 L均勻噴灑在矩形框內(nèi)的土體表面,待噴灑完畢后,用塑料膜將鐵框覆蓋,確保無降水等其他水分進入,同時減少蒸發(fā)[24-25]。在染色24 h后,將矩形鐵皮框小心移除,在框內(nèi)中心部分以10 cm為間距垂直挖掘土壤剖面,每個剖面修整完畢后放置標尺并用數(shù)碼相機進行拍照[26]。

1.2.2 樣品采集與土壤物理性質測定

在染色剖面挖掘完畢后,沿土壤剖面以20 cm為間距采集5個環(huán)刀樣與散土樣；樣品采集深度為染色深度。利用環(huán)刀樣測定土壤飽和導水率和容重；散土樣測定土壤機械組成(表1)。其中,飽和導水率用定水頭法測定,容重用烘干法測定,土壤機械組成用激光粒度儀MS 2000測定,此外,在研究期間(2016年4月—2017年10月),在染色示蹤試驗點每10日沿土壤剖面以10 cm間距采集土壤樣品,在實驗室通過1∶5土水比測定土壤電導率(RJM/SDB- 6型數(shù)字溫度電導率儀),同時采用稱重法測定道路土壤礫石含量。

表1 土壤物理性質

同時,沿土壤剖面以長20 cm、寬20 cm、高10 cm為單位挖掘土體以采集0—80 cm根系,將根系洗凈后依據(jù)直徑分為粗根(直徑>2 mm)和細根(直徑≤2 mm),之后烘干至恒重,測定土壤剖面不同土層根系生物量密度(圖1)。

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

1.2.3 圖像處理與數(shù)據(jù)分析

參照Janssen和Lennartz[27]染色圖像處理方法,首先利用Photoshop將染色圖像進行校正、裁剪,然后利用Image對裁剪后的圖像進行二值化處理,最后將二值化圖像用Matlab分析,得到染色面積比和染色路徑等水流形態(tài)學參數(shù)。其中,染色面積比為土壤剖面內(nèi)染色面積占整個土壤剖面面積的百分比。染色路徑包括染色路徑數(shù)和染色路徑寬度,染色路徑數(shù)指垂直土壤剖面圖像中,每行像元中所有染色路徑的數(shù)量；染色路徑寬度指每條染色路徑所對應的實際土壤寬度。結合染色路徑數(shù)和染色路徑寬度可表征優(yōu)先流的連通性和分支性。染色路徑數(shù)的增大伴隨著染色路徑寬度的降低,表征土壤優(yōu)先流具有更多的分支,土壤水分入滲以低相互作用混合流為主；反之,染色路徑數(shù)的減少伴隨著染色路徑寬度的增大,表征土壤優(yōu)先流連通性更好,土壤水分入滲以均質流或高相互作用混合流為主[26]。結合土壤質地與實際染色狀況,參照Weiler和Flühler[28]的土壤優(yōu)先流類型分類標準,確定荒漠綠洲濕地土壤染色路徑寬度劃分標準為<20 mm、20—250 mm和>250 mm (表2)。

表2 土壤優(yōu)先流分類標準

本文垂直剖面染色數(shù)據(jù)(染色面積比、染色路徑數(shù)和染色路徑寬度)和土壤優(yōu)先流類型均采用土壤垂直剖面染色圖像的均值。染色路徑數(shù)與染色面積比和染色路徑寬度,根系與染色面積和染色路徑的相關性分析采用SPSS 22.0進行Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤優(yōu)先流分布特征

在荒漠綠洲濕地,對各種植被類型土壤剖面的染色圖像進行研究(圖2),黑色代表染色區(qū)域。在不同植被類型中,土壤優(yōu)先流染色深度存在顯著差異,檉柳灌叢和鹽堿草地水流入滲深度較深,楊樹群落和道路較淺。鹽堿草地0—40 cm染色呈均勻分布,其余試驗點均出現(xiàn)不同程度的分支；檉柳灌叢呈現(xiàn)連續(xù)均勻和狹長的兩個分支；楊樹群落0—18 cm染色均勻分布,18 cm以下呈現(xiàn)連續(xù)均勻的兩個分支；道路土壤呈現(xiàn)連續(xù)均勻但染色深度差異極大的兩個分支。

圖2 優(yōu)先流垂直分布圖像Fig.2 Vertical distribution of preferential flow

2.2 土壤染色面積比

在荒漠綠洲濕地,0—80 cm土壤剖面總染色面積比的最大值為鹽堿草地(39.54%),其次為檉柳灌叢(37.21%)、楊樹群落(30.20%)和道路(16.37%)(圖3)。土壤剖面染色深度順序為檉柳灌叢(74 cm)>鹽堿草地(72 cm)>楊樹群落(39 cm)>道路(38 cm)。

圖3 土壤剖面不同位點染色面積比Fig.3 Stained area ratio of the vertical profiles

在各種植被類型中,不同深度土層的土壤染色面積比存在顯著差異(圖3,表3)。在0—20 cm土層,染色面積比均隨深度增加而下降,其中道路下降幅度達40.58%—81.85%,其次順序為楊樹群落(19.01%—79.28%)、檉柳灌叢(25.25%—35.47%)和鹽堿草地(6.02%—24.24%)。在20—40 cm土層,楊樹群落和道路土壤染色面積急劇下降,分別在39 cm和38 cm處完全消失；鹽堿草地下降幅度(81.17%—97.03%)大于檉柳灌叢(7.36%—74.31%),且鹽堿草地染色區(qū)域急劇減少主要位于30—40 cm土層。在40 cm土層以下,檉柳灌叢和鹽堿草地染色區(qū)域總體呈下降趨勢,但是部分土層出現(xiàn)顯著增加。其中,60—67 cm土層檉柳灌叢染色面積顯著增加,染色面積比達32.80%；鹽堿草地則在50—53 cm、65—72 cm重新出現(xiàn)染色區(qū)域。

表3 不同深度土層染色圖像形態(tài)學參數(shù)

隨土壤深度的增加,不同植被類型土壤剖面染色面積比波動變異程度均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢,但波動變異程度存在顯著差異(圖4)。總體上,道路>楊樹群落>鹽堿草地>檉柳灌叢；其中土壤染色面積波動較大的土層分別為,檉柳灌叢24 cm以下,鹽堿草地19—32 cm,楊樹群落16 cm以下和道路5 cm以下。

圖4 土壤剖面平均染色面積變化Fig.4 Average stained area ratio of the vertical profilesav：平均值 Average value；std：標準差 Standard deviation

2.3 染色路徑數(shù)和染色路徑寬度

濕地不同植被類型土壤剖面染色路徑數(shù)均隨土壤深度的增加而逐漸降低,但最大染色路徑數(shù)及其出現(xiàn)深度存在較大差異(圖5)。在土壤剖面染色深度內(nèi),平均染色路徑數(shù)為灌叢(6.61)>道路(5.61)>白楊林(3.40)>草地(3.36)。檉柳灌叢和道路染色路徑數(shù)最大值均出現(xiàn)在表層土壤,隨土壤深度增加,總體上剖面染色路徑數(shù)變化規(guī)律表現(xiàn)為持續(xù)降低的趨勢；鹽堿草地和楊樹群落最大值出現(xiàn)在中層土壤,其變化規(guī)律表現(xiàn)為先增加再降低。

圖5 土壤剖面不同位點染色路徑數(shù)Fig.5 Stained path number of the vertical profiles

染色路徑寬度顯示,土壤優(yōu)先流染色路徑以20—250 mm和>250 mm為主,占剖面總染色面積的92.79%—97.21%；除道路外,>250 mm染色區(qū)域均大于20—250 mm(圖6)。不同植被類型相同深度土層染色路徑寬度存在較大差異,染色區(qū)域主要集中于0—20 cm土層,占剖面總染色面積比的54.42%—89.27%；除道路染色路徑寬度主要為20—250 mm外,其余均以>250 mm為主,且<20 mm染色區(qū)域占比較低(1.08%—4.70%)。20—40 cm土層,楊樹群落和道路以20—250 mm為主,而檉柳灌叢和鹽堿草地以20—250 mm和>250 mm為主。在40 cm以下土層,檉柳灌叢和鹽堿草地以20—250 mm為主,但檉柳灌叢仍有>250 mm染色區(qū)域出現(xiàn)。

圖6 土壤剖面不同染色路徑寬度分布Fig.6 Stained path width of the vertical profiles

2.4 土壤優(yōu)先流類型

結合染色路徑寬度和土壤優(yōu)先流分類標準,不同植被類型土壤水流類型呈現(xiàn)明顯優(yōu)先流特征,整體上為非均質指流—高相互作用大孔隙流(圖7)。除道路外,其他植被群落均出現(xiàn)均質流,但均質流強度存在明顯差異,楊樹群落(0—19 cm)>鹽堿草地(0—14 cm)>檉柳灌叢(6—16 cm)。同時除楊樹群落外,不同植被類型均存在非均質指流,其分布范圍存在顯著差異,灌叢分布于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檉柳灌叢在上層土壤2—5 cm有分布外,其余均分布于下層土壤。

圖7 土壤優(yōu)先流類型Fig.7 Type of preferential flow

3 討論

3.1 濕地不同植被類型對水分入滲與染色分布特征的影響

染色示蹤劑能提供水分在土壤中分布狀況的視覺信息[20],通過反映水分入滲與染色分布以揭示濕地土壤優(yōu)先流分布特征。在荒漠綠洲濕地,不同植被類型土壤容重、質地、孔隙度、根系及生物活動等存在的顯著差異性[7- 11],顯著影響濕地水分入滲過程與染色分布特征。在荒漠綠洲濕地,盡管喬木比草地能更有效的垂直向下傳遞水分[29],但是鹽堿草地染色深度為楊樹群落的1.85倍,同時鹽堿草地染色面積最大。然而,這與Alaoui等[29]關于森林與草地的研究結果不一致,因為在他們的試驗點土壤粘粒含量較高、結構較緊實,粘土延遲了水分進入大孔隙的過程,減少了優(yōu)先流的發(fā)生。在荒漠綠洲濕地,土壤粘粒含量較少,砂粒含量極高,且結構較松散(表1),水流進入大孔隙的時間較短；同時,砂土對優(yōu)先流的發(fā)生有一定的促進作用[20]。尤其是楊樹群落砂粒含量>90%,水分入滲過程中各水流通道距離較近且通道寬度相近,導致其水分入滲過程中均質流(0—19 cm)占比較大,染色路徑以>250 mm為主。此外,檉柳灌叢與鹽堿草地土壤質地相近且二者染色面積相近,但檉柳灌叢染色深度比鹽堿草地大,表明檉柳灌叢水分垂直向下傳遞效率較鹽堿草地高,與Mei等[20]研究結果相符。因此,土壤異質性是形成優(yōu)先流的根本原因。

研究表明礫石與土壤間的縫隙為土壤優(yōu)先流能提供快速入滲的通道[19],并通過改變土壤孔隙密度、半徑與孔隙間的聯(lián)通性將對土壤水分入滲的產(chǎn)生重要的影響[30-31]。在荒漠綠洲濕地,道路0—20 cm土層礫石含量達14.65%,導致道路0—20 cm染色路徑數(shù)增多(圖5),染色路徑以20—250 mm為主(圖6),沒有均質流發(fā)生(圖7)；同時,礫石促進側向水流增加,導致>250 mm染色區(qū)域出現(xiàn)。然而,檉柳灌叢、鹽堿草地和楊樹林地礫石含量均低于2%,染色路徑數(shù)減小,染色路徑寬度>250 mm的分布區(qū)域較多,土壤均質流分布范圍較大。因此,礫石促進荒漠綠洲濕地土壤優(yōu)先流發(fā)生,提高了水流通道的連通性,增加了側向流。

3.2 荒漠綠洲濕地根系、土壤鹽分對土壤優(yōu)先流的影響

在荒漠綠洲濕地,植物根系能為土壤中水和空氣提供儲存空間[32],其分布方式影響著土壤孔隙度、導水率和容重等土壤物理性質[33],改變土壤空間異質性。同時,水分可以通過根系與周邊土壤的非均質界面快速向下運動,對優(yōu)先流的產(chǎn)生具有重要作用[15,31]。檉柳灌叢細根比鹽堿草地少,但下層土壤粗根較多(圖1),因此其水流通道連通性比鹽堿草地差,但下層土壤水流通道較多,導致在0—40 cm土壤中鹽堿草地染色區(qū)域較大；40 cm以下土壤檉柳灌叢染色區(qū)域較多且染色深度較大(表3)。

在荒漠綠洲濕地,灌叢細根生物量與染色路徑數(shù)量和染色路徑寬度<20 mm的染色面積呈極顯著正相關(P<0.01),相關性系數(shù)為0.913和0.898；草地細根生物量與染色路徑寬度>250 mm的染色面積呈現(xiàn)顯著正相關(P<0.05),相關性系數(shù)為0.737；其余根系生物量與染色面積、染色路徑數(shù)量和染色路徑寬度的相關性均不顯著(表4)。表明細根較粗根在荒漠綠洲濕地水分入滲過程中具有更重要作用。其主要原因是水分通過土壤孔隙運動的作用力主要是重力和類似于毛管力的一種吸附力[34]。細根在水分運動中能起到類似毛管的作用[32],可以使水分逐漸向細根分布區(qū)運動,因此在水分入滲過程中細根比粗根具有更重要的作用。

表4 根系生物量與染色面積、染色路徑數(shù)量和染色路徑寬度的相關分析

然而,許多研究認為植物根系與染色面積、染色路徑呈現(xiàn)顯著正相關關系[18, 35]。例如,劉目興和杜文正[18]及田香姣等[35]實驗地點位于亞熱帶季風濕潤山地,植被為常綠闊葉林,根系分布廣泛且以粗根為主,土壤粘粒含量較荒漠綠洲濕地高、結構較好,土壤空間異質性較大,增加了根系對優(yōu)先流的影響。然而,在荒漠綠洲濕地,地下水埋深較淺,土壤鹽漬化嚴重(圖8),植被生長受到嚴重的鹽分脅迫[36],從而粗根所占比例減小(圖1),導致土壤優(yōu)先流減小。同時,濕地土壤砂粒含量較高,土壤結構較松散,水分下滲通道多且連通性好,減弱了根系對水分入滲的影響。因此,在荒漠綠洲濕地,土壤優(yōu)先流與水分入滲差異是土壤質地、根系分布與鹽分離子共同作用的結果。

圖8 不同位點土壤電導率平均值Fig.8 The average value of soil electrical conductivity

在荒漠綠洲濕地,除染色路徑數(shù)和染色路徑寬度20—250 mm呈正相關外,其余指標均與土壤電導率呈現(xiàn)負相關(表5)。因為水是土壤鹽分運移的載體,鹽分運移通道與水流通路基本一致[37],表現(xiàn)為土壤電導率與染色路徑數(shù)的變化趨勢一致。此外,土壤鹽堿化導致土壤板結,土壤水流通道直徑減少,從而使土壤小空隙(<20mm染色路徑寬度)與土壤大孔隙(>250mm染色路徑寬度)數(shù)量減少,導致土壤優(yōu)先流以20—250 mm為主。與此同時,土壤板結致使水流面積減小,相應地染色面積隨之減小,表現(xiàn)為土壤電導率與土壤染色面積呈現(xiàn)負相關。因此,在荒漠綠洲濕地,土壤鹽分通過影響土壤大孔隙分布而影響土壤優(yōu)先流與水分入滲過程。

表5 土壤電導率與染色面積、染色路徑數(shù)量和染色路徑寬度的相關分析

4 結論

通過室外染色示蹤實驗研究荒漠綠洲濕地土壤優(yōu)先流與水分入滲特征,得出以下結論：(1) 在荒漠綠洲濕地,土壤優(yōu)先流有土壤基質、植物根系與鹽分離子共同影響,但土壤本身的物理性質是根本因素。(2) 均質流在不同植被類型的水分入滲過程中廣泛存在,礫石通過促進水流通道的連通性,顯著增加側向流,促進了土壤優(yōu)先流的發(fā)生。(3) 植物根系與染色特征相關性不顯著,粗根的減少抑制了優(yōu)先流的發(fā)生。