鷲峰國(guó)家森林公園不同林分下土壤優(yōu)先流現(xiàn)象研究

肖自幸，朱蔚利，牛健植，邵文偉，張由松

（水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

優(yōu)先流是土壤中一種常見(jiàn)的水分和溶質(zhì)運(yùn)移形式，是土壤水研究從均質(zhì)走向異質(zhì)領(lǐng)域的標(biāo)志[1-2]。關(guān)于優(yōu)先流的定義，普遍認(rèn)為是“水或溶液沿著土壤中的某種路徑運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繞過(guò)土壤的多孔基質(zhì)”[3-5]的一種土壤水分運(yùn)動(dòng)，具有空間和時(shí)間上的異質(zhì)性。在下滲過(guò)程中，水分和溶質(zhì)可以通過(guò)優(yōu)先路徑快速運(yùn)移，減少與土壤基質(zhì)的接觸時(shí)間而不易被吸附，能快速到達(dá)土壤下層或地下水層。水流的快速運(yùn)動(dòng)，對(duì)自然降雨條件下的土壤水的入滲產(chǎn)生重要影響。

染色法是野外觀測(cè)土壤優(yōu)先流經(jīng)常采用的一種方法，對(duì)于不同的研究目的，所選用的示蹤劑也不盡相同。盛豐、王康等[6]運(yùn)用碘和淀粉的顯色反應(yīng)原理研究田間尺度下不同滲水量深度的土壤優(yōu)先流現(xiàn)象；牛健植等[7]運(yùn)用黑墨水對(duì)貢嘎山暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)土壤優(yōu)先流進(jìn)行了初步研究；Gish等[8]利用亮藍(lán)研究了免耕條件下水流運(yùn)動(dòng)的通道及其影響因素；程竹華[9]等利用亮藍(lán)染色實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)勢(shì)流形成狀況與土壤類型、土壤初始含水量的關(guān)系；陳鳳琴、石輝[10]運(yùn)用亮藍(lán)對(duì)岷江上游不同植被和海拔高度等因素影響下的土壤優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

鷲峰國(guó)家森林公園屬于典型的華北土石山區(qū)，在自然降雨條件下易產(chǎn)生坡面徑流和深層入滲，可能引發(fā)局部山體滑坡或土石坍塌等危害。而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于土石山區(qū)土壤中優(yōu)先流的研究較少，本文以位于北京西北郊的鷲峰森林公園不同林分下的土壤為對(duì)象，利用亮藍(lán)進(jìn)行染色示蹤，以期為初步認(rèn)識(shí)該地區(qū)土壤的優(yōu)勢(shì)流提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市西北郊，北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)—鷲峰國(guó)家森林公園，東經(jīng)116°28′，北緯39°54′，總面積 811.173 hm2，園內(nèi)最高海拔為 1 153 m。為華北暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，年平均降雨量700 mm，多集中在7～9月份。土壤類型：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(zhì)主要為花崗巖和凝灰?guī)r。園內(nèi)植物群系屬溫帶落葉闊葉林，市區(qū)位于海拔700 m以下，為20世紀(jì)60年代營(yíng)造的人工林，主要樹(shù)種有落葉松（Platycladas orientalis）， 油 松 （Pinus tabuliformis）， 側(cè) 柏（Platycladus orientalis），栓皮櫟（Quercus variabilis Blume），刺槐（Robinia pseudoacacia L）等。在鷲峰國(guó)家森林公園選取側(cè)柏、栓皮櫟、刺槐3種不同林分下的土壤為對(duì)象進(jìn)行研究。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 各樣地的基本物理性質(zhì)

1.2 染色劑選擇

染色示蹤實(shí)驗(yàn)被廣泛用于優(yōu)先流的研究，而亮藍(lán)被認(rèn)為是現(xiàn)在試驗(yàn)中最理想的染色示蹤劑，因?yàn)樗哂械投拘?、高可?jiàn)性和不易被土壤顆粒吸附性等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。通過(guò)小型模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)的土壤中亮藍(lán)染色清晰可見(jiàn)，故在試驗(yàn)中采用亮藍(lán)作為示蹤染料。

1.3 野外染色試驗(yàn)

野外選擇1 m×1 m的樣地，將1 m2的金屬框沿樣地砸進(jìn)土壤中，深度大約20 cm，后將框內(nèi)側(cè)2 cm左右寬度的土壤夯實(shí)，以減少染色液沿著金屬框壁形成側(cè)滲。表1中所測(cè)各樣地基本物理性質(zhì)的土壤取自離染色試驗(yàn)區(qū)0.5 m左右的區(qū)域。亮藍(lán)染色液濃度為5 g/L，在樣地上放一塊塑料板，在板上注入5 cm深度（約50 L）的染色液。染色時(shí)迅速的抽掉塑料板，使得染色液在土壤表面形成約5 cm積水的水頭。染色后在樣地表面覆蓋一層薄膜和綠色植被，防止蒸發(fā)和外界的干擾。24 h后移去金屬框，沿垂直方向開(kāi)挖剖面，垂直剖面兩側(cè)10 cm的部分剔除以減少側(cè)滲對(duì)試驗(yàn)的影響。剖面用分辨率為3 000×4 000像素的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照。拍照時(shí)保持相機(jī)鏡頭與樣地剖面垂直，以降低或消除由此產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差，同時(shí)為保證照相質(zhì)量，采用白色的半透明樹(shù)脂膠板對(duì)自然光進(jìn)行散射[14]。所獲剖面照片運(yùn)用Photoshop CS5處理，濾去土壤顏色，只保留示蹤劑路徑的顏色，然后運(yùn)用ENVI4.5軟件計(jì)算不同深度處示蹤染色部分所占的面積百分比來(lái)判斷優(yōu)先流現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 染色狀況分析

2.1.1 土壤剖面優(yōu)先流表象 亮藍(lán)示蹤劑在土壤中經(jīng)過(guò)24 h的運(yùn)移后，從縱向分層挖土壤剖面而呈現(xiàn)出不同的染色示蹤照片（圖1～3）。

上面3個(gè)染色示蹤圖，雖然不能定量化的反映出亮藍(lán)示蹤劑在土壤中的運(yùn)移特征，但從照片中我們可以清楚的看到亮藍(lán)示蹤劑在土壤中的運(yùn)移路徑，基本上是有繞過(guò)土壤的某些部分沿一條或幾條獨(dú)立路徑向下運(yùn)移，這類明顯的路徑正是示蹤劑優(yōu)先流現(xiàn)象的表現(xiàn)，由此可以反映出在鷲峰國(guó)家森林公園不同林分下的土壤有優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 土壤剖面染色狀況 通過(guò)室內(nèi)PhotoshopCS5和ENVI4.5軟件處理后得到垂直剖面的染色情況（見(jiàn)圖4、圖5、圖6）。從垂直剖面染色圖可以看到：3種林分下的土壤均存在優(yōu)先流現(xiàn)象。圖4中的土壤剖面整體染色深度為20 cm左右，30～50 cm之間有少量間斷的染色現(xiàn)象，但在50～70 cm深度卻有較大面積的染色。圖5中的土壤剖面整體染色深度在25 cm左右，30～40 cm之間左側(cè)有兩條較小的向下運(yùn)移優(yōu)先路徑，整個(gè)樣地染色深度不足50 cm。圖6中的土壤剖面在0～10 cm土層中間部分被示蹤劑繞過(guò)，沒(méi)有被染色，大面積被染色的深度在30～50 cm之間，剖面左側(cè)有較為明顯的優(yōu)先流路徑。

根據(jù)染色圖像得到染色面積的百分比（圖7），從圖中可以看出，染色面積隨深度的增加在不同林分下的變化趨勢(shì)不同。側(cè)柏林下的染色面積百分比是一條有拐點(diǎn)的折線，在40 cm深度處染色面積百分比不到10%，隨后有較大幅度的增加。栓皮櫟林下的染色面積隨土層深度的增加而一直減小。刺槐林下的染色面積百分比較側(cè)柏林和栓皮櫟林呈現(xiàn)為在0～10 cm土層小很多，只有60%左右，但整體的大趨勢(shì)是隨著深度的增加而減小。

圖7 不同林分土壤剖面染色比隨深度變化

2.2 不同林分下土壤的優(yōu)先流成因

側(cè)柏林剖面有非常明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象，因?yàn)橐巴鈱?shí)驗(yàn)時(shí)我們?cè)谄拭婵吹酵寥乐杏写罅康膫?cè)柏樹(shù)根，這些樹(shù)根腐爛在土壤中便形成了連通的大孔隙，故示蹤劑能快速通過(guò)這些大孔隙向下運(yùn)動(dòng)。樣地0～20 cm深度土壤容重和孔隙度變化不大，剖面基本上都有被染色，故此區(qū)主要為基質(zhì)流。因而引起側(cè)柏林下土壤優(yōu)先流的主要原因即為土壤中的大孔隙，這些孔隙主要來(lái)自腐爛的根系也可能是土壤中動(dòng)物活動(dòng)或由土壤凍融引起的裂縫。

栓皮櫟林下的土壤剖面左側(cè)存在優(yōu)先流現(xiàn)象但并不是很明顯，從土壤的基本物理性質(zhì)來(lái)看，樣地除表層0～10 cm土壤容重較小，另3個(gè)深度的土壤容重變化不大，而不同深度的土壤孔隙度基本無(wú)變化，說(shuō)明整個(gè)樣地的土壤結(jié)構(gòu)比較均一。且土壤剖面的根系主要是細(xì)而小的須根，并無(wú)側(cè)柏林土壤中由腐爛根系形成的明顯大孔隙，故剖面沒(méi)有明顯的優(yōu)先流路徑，但仍有優(yōu)先流的存在。

刺槐林下的土壤在0～10 cm土層中間部分有被示蹤劑繞過(guò)而未染色，仔細(xì)觀察剖面土壤情況，發(fā)現(xiàn)中間部分土壤有斥水性。土壤斥水性是指水分很難濕潤(rùn)土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象。通常定義水珠在干燥的土壤表面上停留時(shí)間大于5 s的土壤稱為斥水性土壤。目前關(guān)于斥水性的研究主要結(jié)論有：斥水性土壤的可濕潤(rùn)性主要受有機(jī)質(zhì)影響，當(dāng)然還受土壤質(zhì)地、土壤pH值、土壤植被和土壤微生物量等的影響[15-16]。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)我們看到表層中間部分有很厚層的白色絲狀物，示蹤劑在此范圍內(nèi)無(wú)法下滲，故刺槐林下的土壤斥水性應(yīng)該是由有機(jī)質(zhì)含量引起的，但土壤斥水性與優(yōu)先流之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。刺槐林土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則呈相反的趨勢(shì)，說(shuō)明土壤剖面發(fā)生層分化差，相對(duì)均質(zhì)，故優(yōu)先流類型主要是由不穩(wěn)定濕潤(rùn)峰引發(fā)的指流。

3 小 結(jié)

利用亮藍(lán)的野外染色示蹤試驗(yàn)，研究了鷲峰國(guó)家森林公園不同林分下土壤中的優(yōu)先流現(xiàn)象。從染色結(jié)果來(lái)看，在這3種不同林分下的土壤中均存在優(yōu)先流現(xiàn)象，且不同林分下土壤優(yōu)先流的表現(xiàn)形式不盡相同。由于優(yōu)先流的存在，降雨能直接快速地進(jìn)入土壤下層，雖部分調(diào)節(jié)了地表和地下徑流的比例，但在研究區(qū)水分快速進(jìn)入土壤深層到達(dá)基巖層，易誘發(fā)農(nóng)藥和化學(xué)物質(zhì)污染、泥石流和山體滑坡等災(zāi)害。

野外的染色研究，可以用來(lái)反映土壤中優(yōu)先流的存在和路徑，但如何將優(yōu)先流圖像結(jié)果與水分運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，深入研究?jī)?yōu)先流形成的影響因子，并運(yùn)用一些模型去模擬研究，得出符合該區(qū)的優(yōu)先流模型則有待進(jìn)一步研究。

[1]Flurym.Experimental evidence of transport of pesticides through field soils—A review[J].Journal of Environment Quality,1996,25（1）：252-451.

[2]徐紹輝，張佳寶.土壤中優(yōu)勢(shì)流的幾個(gè)基本問(wèn)題研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1999，13（6）：85-93.

[3]Markus F,Hannes F.Susceptibility of soil to preferential flow of water:A field study.Water Resource Research.1994,30（7）：1945-1954.

[4]Gerke H H.Preferential flow descriptions for structured soils.J.Plant Nutr.Soil Sci.,2006,169:382-400.

[5]Clothier B E,Green S R,Deurer M.Preferential flow and transport in soil progress.European Journal of Soil Science.2008,59:2-13.

[6]盛 豐，王 康，張仁鐸.田間尺度下土壤水流非均勻運(yùn)動(dòng)特征的染色示蹤實(shí)驗(yàn)[J].水利學(xué)報(bào)，2009，40（1）：101-108.

[7]牛健植，余新曉，張志強(qiáng).貢嘎山暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)土壤優(yōu)先流研究初探[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）：246-254.

[8]Gish T J,Jury W A.Effect of plant roots and root channels on solute transport[J].Trans.ASAE，1983,29:440-444.

[9]程竹華，張佳寶，徐紹輝.黃淮海平原三種土壤中優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào)，1999，36（2）：154-161.

[10]陳鳳琴，石 輝.岷江上游三種典型植被下土壤優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的染色法研究[J].生態(tài)科學(xué)，2006，5（1）：69-73.

[11]Morris C,Mooney S J.A high-resolution system for the quantification of preferential flow in undisturbed soil using observations of tracers[J].Geoderma,2004,118（1）:133-143.

[12]Sander T,Gerke H H.Preferential flow patterns in paddy fields using a dye tracer[J].Vadose Zone Journal,2007,6（1）:105-115,Feb..

[13]Kasteel R,Burkhardt M,Giesa S,Vereecken H.Characterization of field tracer transport using high-resolution images[J].Vadose Zone Journal,2005,4,（1）:101-111,.

[14]Forrer I,Parrita A,Kasteel R,et al.Quantifying dye tracers in soil profiles by image processing[J].European Journal of Soil Science,2000,51:313-322.

[15]Wang X Y,Zhao Y,Horn R.Soil wettability as affected by soil characteristics and land use[J].Pedosphere.2010,20（1）:43-54.

[16]Martínez Z L，Antonio J L.Influence of different plant species on water repellency in Mediterranean heathland soil[J].Catena,2009,76:215-223.