鷲峰國家森林公園土壤溶質運移特征研究

肖自幸，張由松，牛健植，朱蔚利，李 想，武曉麗，趙玉麗

（水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

隨著溶質運移研究的不斷深入，溶質和污染物在土壤中的優(yōu)先運移問題已成為當前科學研究的熱點問題[1]。溶質在土壤中的運移主要受到土壤結構、土壤質地、土壤含水量、地被植物、地形等諸多因素的影響[2]。因土壤具有高度的空間異質性，因此不同地區(qū)土壤中的溶質運移特征不盡相同。吳華山、陳效民[3]等對太湖地區(qū)水稻土的硝態(tài)氮穿透曲線及影響因素研究得出太湖地區(qū)影響溶質運移主要因子為土壤粘粒和有機質含量；程竹華，張佳寶[4]等則對黃淮海平原三種土壤中溶質優(yōu)先運移與土壤類型和初始含水量的關系進行了研究；陳風琴、石輝[5]主要對岷江上游三種典型植被下土壤溶質運移進行了染色法研究。本文通過室內環(huán)刀穿透曲線試驗，在小尺度上研究鷲峰國家森林公園溶質運移特征，并就土壤容重、孔隙度和飽和導水率對溶質運移的影響進行分析，為進一步研究華北土石山區(qū)土壤溶質運移奠定基礎，同時為該研究區(qū)的溶質運移模型擬合提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鷲峰國家森林公園，位于北京市西北郊，東經116°28′，北緯39°54′，為華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降雨量700 mm，但多集中在7～9月份。公園總面積811.173 hm2，園內最高海拔1 153 m，現公園森林覆蓋率高達96.4%。該研究區(qū)屬于典型的華北土石山區(qū)，土壤類型為：在海拔700 m以下為山地淋溶褐土，土層厚，發(fā)育程度較高；海拔700 m以上為棕壤，土層發(fā)育程度低且土層較薄。土壤母質主要為花崗巖和凝灰?guī)r。

1.2 供試土樣采集

試驗中采用內徑7 cm，高5 cm，體積200 cm3的環(huán)刀取樣，以10 cm為梯度，進行了0～10cm、10～20 cm、20～40 cm和40～70 cm四個深度的土層取樣，每層3個重復，每個重復間隔30 cm左右。具體土樣采集方法見圖1。

土樣取自海拔700 m以下的三個樣地，樣地土壤的基本理化性質見表1。表中所得土壤基本物理性質，試驗數據均為三次重復取樣的平均值。

圖1 供試土壤取樣示意圖

1.3 試驗方法

試驗中用馬氏瓶控制保持0.5 cm水頭，以亮藍（因亮藍具有低毒性、高可見性和穩(wěn)定性[6-7]）為溶質，試驗濃度為1 g/L。試驗中記錄溶質最初穿透時間，在穿透初始階段每隔1 min收集一次滲出液，隨后每隔2～5 min收集一次滲出液，記錄滲出液的體積。當單位時間里滲出液體積達到穩(wěn)定時停止試驗。試驗完畢后，用紫外分光光度計在630 nm處測定滲出液的濃度值。

表1 取樣土壤的基本理化性質

2 結果與分析

2.1 穿透曲線試驗結果

對溶質在土壤中的運移研究，一般是測定其在土壤中的相對濃度（即滲出液濃度與初始濃度的比）隨時間而變化的穿透曲線。本文以亮藍滲出液濃度（因亮藍初始濃度為1 g/L，故滲出液濃度即可表示相對濃度）和試驗時間為坐標軸，得到了一系列溶質穿透曲線圖。圖2～圖4是亮藍在三樣地不同深度土層中的穿透曲線，反映了亮藍溶質在不飽和土壤中的運移規(guī)律。

圖2 樣地1不同深度穿透曲線

圖3 樣地2不同深度穿透曲線

圖4 樣地3不同深度穿透曲線

圖2～圖4中，各樣地穿透曲線呈現的基本趨勢是滲出液濃度開始較大，隨后下降又再緩慢上升的過程，由此說明在鷲峰地區(qū)土壤中存在著溶質的優(yōu)先運移現象。因如果沒有溶質優(yōu)先運移，由理論知識可知，溶質的穿透曲線應該是一條一直緩慢上升的曲線，隨著時間的推移，最終達到溶質的原始濃度。

圖2中40 cm以上土層穿透曲線都呈現出最初濃度較大，隨后降低又再緩慢上升的一個大致過程。試驗初期和最后的最大滲透液濃度均出現在0～10 cm土層，20～40 cm土層在穿透初始階段滲出液濃度出現了劇烈的下降過程，40～70 cm土層的曲線與前三個深度的土層不同，呈現的是一個濃度逐漸上升的趨勢。

圖3中，整個樣地的穿透曲線趨勢基本一致，都是濃度先下降后緩慢上升，滲出液最大濃度出現在0～10 cm土層。

圖4的穿透曲線趨勢與圖2基本一致，但滲出液最大濃度出現在20～40 cm土層。

2.2 溶質運移特征分析

2.2.1 穿透曲線結果分析 圖2～圖4的穿透曲線中起始濃度較大是因為土壤中存在著一些直接連通的孔隙，溶質在較短的時間里通過這些孔隙滲出，隨著時間的推移，土壤中的孔隙逐漸吸附溶質，故滲出液的濃度降低。當土壤中的孔隙吸附能力逐漸降低，趨于飽和時，滲出液的濃度又緩慢升高。其中圖2中20～40 cm的土層穿透曲線有劇烈下降過程，該現象說明此深度土層中應該存在非常明顯的大孔隙，溶質在土壤中沿著這些大孔隙繞過部分土壤基質發(fā)生優(yōu)先運移，故滲出液的濃度在最初相對較大。在此土層取樣的試驗過程中，發(fā)現了較大的腐爛根系，而滲出液在經過最初的溶質優(yōu)先穿透后，便開始被這些腐爛的根系大量吸附，故滲出液濃度出現了劇烈的下降過程。隨后根系的吸附能力逐漸下降，滲出液濃度也隨即相對上升。40～70 cm土層因土壤緊實，在下滲初期溶質大部分被吸附，故起始濃度低，隨著時間推移土壤吸附能力降低，因而滲出液濃度逐漸上升。圖3中各深度土層穿透曲線趨勢基本一致，說明樣地整個土壤結構比較均一。圖4與圖2的穿透曲線總體趨勢一樣，說明這兩樣地土壤性質相似。但圖4中滲出液最大濃度出現在20～40 cm土層,隨后的下降趨勢相對圖1較小，應該是此深度土層中存在的主要是一些細而多的連通孔隙，引起最初溶質的優(yōu)先運移，隨后這些小的孔隙逐漸吸附溶質而導致穿透曲線緩慢下降。

2.2.2 土壤容重、孔隙度對溶質運移的影響 土壤容重作為土壤的一個基本物理性質，它對土壤的導水性能、孔隙狀況、溶質運移等方面均有較大影響。溫以華[8]以Cl-示蹤對不同容重的土壤研究得出溶質運移的水動力彌散系數值隨容重的下降而減??；呂殿青等[9]以Cl-穿透曲線研究容重變化對土壤溶質運移特征的影響得出容重增加、運移穿透點出現的相對時間較晚、水動力彌散系數增加的變化規(guī)律；潘云[10]、王輝[11]、徐明崗[12]、張振華[13]等也對容重如何影響溶質運移做出了一定的研究。本試驗主要結合穿透曲線研究土壤容重和總孔隙度對溶質運移的影響。

比較圖5和圖6，可以看出，3樣地0～10 cm土層均容重最小，總孔隙度最大，其中樣地1和樣地3的容重變化及孔隙度變化趨勢一致，這正好是兩樣地溶質穿透曲線趨勢一致的原因。結合穿透曲線，樣地滲出液最大濃度基本都在表層，最小濃度在40～70 cm的土層，這是因為表層土壤容重小，孔隙度高，溶質穿透的時間則短，能被土壤毛管孔隙吸附的溶質相對較少，故滲出液濃度較其它深度偏大。40～70 cm土層土壤容重大，土壤緊實，孔隙度小，因而穿透時間長，在溶質穿透過程中毛管孔隙不斷吸附溶質，導致初始滲出液濃度偏低。但當土壤中存在明顯的大孔隙時溶質便會優(yōu)先穿透，此時容重對溶質運移的影響作用將會較小。樣地2中土壤容重隨著深度的增加而增大，孔隙度則表現出相反的趨勢，而且整個土壤機械組成變化不大，說明土壤結構較均一，土層性質隨深度變化不大。

圖5 3樣地各深度容重

圖6 3樣地各深度總孔隙度

2.2.3 飽和導水率對溶質運移的影響 土壤飽和導水率是描述土壤入滲性能的一個基本物理量，它與土壤結構、質地及土壤中孔隙度等密切相關[14]。目前國內關于飽和導水率的研究主要有：李孝良、陳效民[15]等對西南喀斯特地區(qū)土壤飽和導水率及其影響因素研究得出在原狀土壤剖面中自上而下飽和導水率明顯降低，擾動土壤飽和導水率明顯低于原狀土壤；胡偉、邵明安[16]等就取樣尺寸對土壤飽和導水率的影響進行了測定；馬履一、翟明普[17]等對京西山地棕壤和淋溶褐土的飽和導水率進行了分析得出一般情況下飽和導水率隨土壤深度的增加而減??；劉繼龍、張振華[18]等對不同土地利用方式下煙臺棕壤土的飽和導水率進行了研究，得出利用不同直徑的入滲環(huán)的土壤飽和導水率有明顯的差異性。

如圖7所示，3樣地0～10 cm土層土壤飽和導水率最高，40～70 cm的土層最低，這與穿透曲線中滲出液濃度的趨勢一致，是因為表層土壤一般都具有較高的導水孔隙，孔隙之間的連通度也相對較高，且表層土壤因枯枝落葉作用而有機質含量會較其它土層高，而深層土壤緊實，孔隙度較低。比較圖5和圖7，從定性分析的角度可以得知，土壤的飽和導水率與土壤容重的變化呈正相關關系，對同一土壤而言,隨著土壤容重的增加，意味著土壤團粒結構的喪失、土壤孔隙度（包括根道、蟲孔）的減小和土壤變得緊實，從而導致飽和導水率的降低，故溶質的滲出液濃度也減小。

圖7 3樣地各深度飽和導水率

3 結論

試驗以恒定水頭法得到3個不同樣地的溶質穿透曲線，以穿透曲線為基礎研究土壤容重、孔隙度和飽和導水率對溶質運移的影響。結果顯示：在鷲峰國家森林公園存在著普遍的溶質優(yōu)先運移現象，為溶質優(yōu)先運移的典型區(qū)。溶質在同一樣地不同深度的土層中穿透曲線不同，土壤容重越大，其相對總孔隙度就小，飽和導水率就低，溶質在土壤中穿透時間長，滲出液濃度相對較低。但關于如何去定量化這三者在研究區(qū)溶質運移中的影響大小還有待以后進一步的深入分析。而土壤中那些腐爛的植物根系和土壤中有機質含量如何影響溶質在此研究區(qū)土壤中的運移需要更深入的探討研究。

[1] 陳 威，楊亦霖，張愛國，等.非飽和土壤中重金屬污染物遷移機理分析[J].安徽大學學報（自然科學版），2010，34（5）：98-103.

[2] 王全九，邵明安，鄭紀勇.土壤中水分運動與溶質運移[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[3] 吳華山，陳效民，沃 飛，等.太湖地區(qū)水稻土的硝態(tài)氮穿透曲線及影響因素[J].土壤通報，2006，37（6）：1130-1133.

[4] 程竹華，張佳寶，徐紹輝.黃淮海平原三種土壤中優(yōu)勢流現象的試驗研究[J].土壤學報，1999，36（2）：154-161.

[5] 陳風琴，石 輝.岷江上游三種典型植被下土壤優(yōu)勢流現象的染色法研究[J].生態(tài)科學，2006，25（1）：69-73.

[6] CMorris,SMooney,A high-resolution system for the quantification of preferential flow in undisturbed soil using observations of tracers,Geoderma,Vol.118,No.1-2,pp.133-143,Feb.2004.

[7] STill,H Horst，Preferential flow patterns in paddy fields using a dye tracer,Vadose zone jounal,Vol.6,No.1,pp.105-115,Feb.2007.

[8] 溫以華.不同質地和容重對Cl-在土壤中運移規(guī)律的影響[J].水土保持研究，2002，9（1）：73-75.

[9]呂殿青，王 宏，潘 云，等.容重變化對土壤溶質運移特征的影響[J].湖南師范大學自然科學學報，2010，33（1）：154-157.

[10]潘 云，呂殿青.土壤容重對土壤水分入滲特性影響研究[J].灌溉排水學報，2009,28（2）：59-61.

[11]王 輝，王全九，邵明安.表層土壤容重對黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移的影響[J].水土保持學報，2007，21（3）：10-13.

[12]徐明崗，姚其華，呂家瓏.土壤養(yǎng)分運移[M].北京：中國農業(yè)科技出版社，2000.

[13]張振華，謝恒星，劉繼龍，等.氣相阻力與土壤容重對一維垂直入滲影響的定量分析[J].水土保持學報，2005,19（4）：36-39.

[14]呂殿青，邵明安，劉春平.容重對土壤飽和水分運動參數的影響[J].水土保持學報，2006，20（3）：154-157.

[15]李孝良，陳效民，周煉川，等.西南喀斯特地區(qū)土壤飽和導水率及其影響因素研究[J].灌溉排水學報，2008，27（5）：74-77.

[16]胡 偉，邵明安，王全九，等.取樣尺寸對土壤飽和導水率測定結果的影響[J].土壤學報,2005,42（6）：1040-1043.

[17]馬履一，翟明普，王 勇.京西山地棕壤和淋溶褐土飽和導水率的分析[J].林業(yè)科學，1999，35（3）：109-112.

[18]劉繼龍，張振華，謝恒星，等.煙臺棕壤土飽和導水率的初步研究[J].農工業(yè)程學報，2007，23（11）：129-132.