媯水河流域土壤斥水性分布與影響因素研究

任長江 趙 勇 龔家國 王建華 李海紅 顧金普

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038； 2.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099)

媯水河流域土壤斥水性分布與影響因素研究

任長江1，2趙 勇1龔家國1王建華1李海紅1顧金普1

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038； 2.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099)

為了研究我國北方土石山區(qū)流域土壤斥水性影響因素及其分布規(guī)律，以媯水河流域為例開展了野外調(diào)查和室內(nèi)研究。對流域內(nèi)9種植被類型共385個土壤樣本的滴水穿透時間(Water drop penetration time，WDPT)與土壤有機質(zhì)含量、pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積進行統(tǒng)計分析。研究表明：WDPT由大到小依次為有林地、灌木林、疏林地、果園、高覆蓋度草地、旱地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、灘地。有林地和灌木林為強烈斥水性，疏林地和果園為輕微斥水性，高覆蓋度草地無斥水性，旱地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和灘地為親水性；土壤斥水性在流域的空間分布上表現(xiàn)為西北部、東北部和東南部山區(qū)斥水性較大，中部盆地斥水性較??；在垂向分布上表現(xiàn)為表層最大、中層次之、深層最小；WDPT與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)性，與pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積呈負相關(guān)性；土壤pH值和有機質(zhì)含量是斥水性的主要影響因素，質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積是次要因素。

媯水河流域； 土壤斥水性； 空間分布； 回歸分析

引言

土壤斥水性(Soil water repellency,SWR)是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象[1]，SWR對生態(tài)水文過程產(chǎn)生重要影響，包括抑制水分入滲[2]，促進地表徑流和侵蝕[3]，抑制種子萌發(fā)和植物生長[4]，增加地表土壤的團聚穩(wěn)定性[5]進而影響到土壤碳的儲存[6]等。土壤斥水性不僅在我國新疆[7]、內(nèi)蒙古[8]等干旱地區(qū)，陜西[9]、山東[10]等半干旱地區(qū)也普遍存在，而且在西藏[11]、云南[12]等濕潤地區(qū)也有分布。

土壤斥水性不僅受季節(jié)[13]、耕作制度[14]、灌溉方式[15]、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地[16]、水質(zhì)[17]等多種因素影響，而且還受植被類型的影響。李金濤等[12]對熱帶雨林和橡膠林，孫棋棋等[10]對棕壤桃園，楊昊天等[8]對沙漠生態(tài)系統(tǒng)，牛健植等[11]對針葉林生態(tài)系統(tǒng)，張培培等[9]對黃土高原丘陵區(qū)等土壤斥水性分布規(guī)律及影響因素進行了研究。以上研究大多針對單一植被類型或者某一特定土壤，鮮有從流域角度對斥水性規(guī)律展開研究。單一植被條件下土壤斥水性的研究，能夠較好揭示斥水性與土壤理化性質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，但難以反映植被類型對斥水性的影響。在同一區(qū)域植被類型與土壤質(zhì)地對土壤斥水性的影響，哪一個是主要因素，目前國內(nèi)研究較少。本文以流域為研究對象，針對山區(qū)林地(有林地、疏林地)、山前過渡帶(灌木林和果園),山腳高、中、低覆蓋度草地、旱地和灘地等多種植被類型條件下的土壤斥水性展開研究，為深入研究土壤斥水性與山區(qū)水文過程響應(yīng)關(guān)系提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于距北京市74 km的延懷盆地東部延慶區(qū)，地處北緯40°19′～40°38′、東經(jīng)115°44′～116°21′。東與懷柔相鄰，南與昌平相鄰，西面和北面與河北省懷來、赤城接壤，是一個北東南三面環(huán)山，西臨官廳水庫的小盆地。發(fā)源于延慶縣城東北13 km的媯水河橫貫延慶盆地，流域面積1 073.6 km2，海拔394～1 978 m。年平均氣溫8℃，光照充足，雨熱同季，晝夜溫差大，屬于蒙古高原到華北平原的過渡地帶。境內(nèi)林木資源豐富，有林地面積12萬hm2，林木覆蓋率達到60%。

2 研究方法

2.1 采樣方案

根據(jù)2016年7月媯水河流域衛(wèi)星遙感資料，通過GIS軟件獲取媯水河流域主要植被類型信息，選取疏林地、有林地、灌木林、果園、旱地、高覆蓋度、中覆蓋度、低覆蓋度草地、灘地9種主要植被類型作為采樣對象，采樣區(qū)域如圖1所示。采樣日期為2016年7月中旬，在水平方向上按照對角線取樣法布點，采樣間距2.5 m，取樣點25個，取表層0～10 cm土壤裝入密封袋。在垂直方向上按照邊長5 m的等邊三角布點，分別將3個點的表層(10 cm)、中層(20 cm)、深層(30 cm)的土壤混合作為其在垂直方向上的樣本，有效樣本總計385個。

圖1 采樣點布設(shè)方案Fig.1 Layout schemes of sampling sites

2.2 測量方法

由于溫度對土壤潛在斥水性有影響[18]，對土壤樣本的不同處理方法，斥水性測量結(jié)果也不相同，因此對土壤樣本分2種處理：將采集的樣本放在恒溫干燥箱65℃下加熱12 h；將采集的樣本室內(nèi)自然風干2 d。為了避免土壤容重以及結(jié)構(gòu)[19]對斥水性的影響，將處理好的土壤過2 mm篩子，按照1.4 g/cm3容重填入直徑5 cm、高3 cm的鋁盒，然后采用WDPT法對其進行測定。滴定溶液為純凈水，滴定管采用標準滴定管(0.48 mL/滴)，滴頭距離土面1 cm，每一樣本滴定7次，取其平均值作為樣本滴水穿透時間。按照斥水性分類標準[20]對測量結(jié)果進行分類，斥水性按入滲時間可分為：親水性(0～1 s)、無斥水性(1～5 s)、輕微斥水性(5～60 s)、強烈斥水性(60～600 s)、嚴重斥水性(600～3 600 s)、極度斥水性(>3 600 s)。以土壤有機質(zhì)含量、pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積為觀測指標，土壤pH值測定按照5∶1水土比配置土壤溶液，然后采用電位法進行測量；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法進行測量；土壤比表面積采用激光粒度儀濕法[21]測量；對于土壤質(zhì)量分形維數(shù)的測量，首先根據(jù)馬爾文2000型激光粒度儀獲得土壤粒徑分布，然后根據(jù)TYLER等[22]方法計算，本文土壤粒徑測定尺度為0.002 mm。各植被類型下土壤樣本有機質(zhì)含量(OC)、總氮含量(TN)、總磷含量(TP)、電導率(ED)、土壤容重(SBD)等土壤理化性質(zhì)以及各植被面積如表1所示。

表1 土壤理化性質(zhì)及各植被面積Tab.1 Soil physical-chemical properties and vegetation area

3 結(jié)果與分析

3.1 斥水性空間分布

土壤樣本2種不同處理方法所測得表層滴水穿透時間WDPT最大值、最小值、平均值如表2所示，WDPT在垂直方向上的平均值如表3所示，對室內(nèi)風干條件下的土壤WDPT采用GIS軟件繪制斥水性空間分布圖，WDPT在全流域分布如圖2所示。

表2 不同植被類型土壤滴水穿透時間Tab.2 WDPT for different vegetational types

表3 不同植被類型土壤斥水時間垂直方向分布Tab.3 Distribution of WDPT for different vegetational types in vertical direction s

由表2可知，對于有林地、灌木林、疏林地、果園和高覆蓋度草地，2種處理方法所得土壤斥水性差異較大，加熱后的土壤樣本只有有林地和灌木林表現(xiàn)出輕微斥水性，其他植被類型無斥水性或親水性，加熱后的土壤WDPT較自然風干條件下的WDPT小。對于旱地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和灘地，2種處理方法所得WDPT相差較小，這表明溫度對具有潛在斥水性的土壤有影響，而對于親水性土壤影響不大。溫度對斥水性影響是由于，一方面溫度會影響土壤顆粒表面親水功能團的排列方向[23]，面向土壤顆粒表面定向排列的親水基在受熱情況下雜亂地排列，致使親水基和憎水基均勻分布，導致土壤斥水性消失；另一方面溫度影響土壤含水率分布，而土壤斥水性對含水率的響應(yīng)關(guān)系呈單峰曲線[24]，當土壤含水率在零到峰值含水率之間，土壤斥水性隨著含水率的增大呈增加趨勢，在峰值含水率時土壤斥水性達到最大值[25]。本研究室內(nèi)自然風干的土壤具有較高的含水率(6%～12%)，而65℃加熱12 h后的土壤含水率較低(0～2%),因而在零到峰值含水率(10%～20%)加熱處理后的土壤具有較小的斥水性。

圖2 土壤斥水性空間分布示意圖Fig.2 Spatial distribution map of soil water repellency

由表2也可以看出，土壤斥水性整體上表現(xiàn)為植被冠層越高斥水性越大的規(guī)律。這是由于有林地、灌木林、疏木林等區(qū)域?qū)儆?0～50 a自然林，土壤較為肥沃，土壤腐殖質(zhì)分解所形成有機質(zhì)含量較高，因而其斥水性越大[26]，而旱地、草地等植被由于季節(jié)性翻耕、收割秸稈以及使用化學肥料，導致腐殖質(zhì)在土壤中的量及形態(tài)發(fā)生變化[27]，處于媯水河兩岸的灘地，周邊植被所形成的腐殖質(zhì)易被河水淋洗，因而其腐殖質(zhì)含量也較少，相應(yīng)的土壤斥水性也越小。由表3可知，有林地、灌木林、疏林地、果園等植被類型的土壤WDPT在垂直方向表現(xiàn)出表層最大、中層次之、深層最小，而其它類型的植被則沒有明顯的變化規(guī)律。

由圖2可以看出斥水性在空間上表現(xiàn)為：流域西北部、東北部和東南部山區(qū)的有林地和灌木林具有強烈的斥水性(69～327 s之間)，南部山前的疏木林和果園具有輕微的斥水性(9.1～17.6 s之間)，山前及山谷高、中覆蓋度草地WDPT平均值在3.78 s左右，中部盆地旱地及中、低覆蓋度草地為主的區(qū)域WDPT平均值在0.69～0.80 s之間，媯水河兩岸最小, WDPT在0.664 s左右，白色區(qū)域為城鎮(zhèn)居民建設(shè)用地，未對其測量。

3.2 斥水性影響因素分析

將具有斥水性的4種植被(有林地、灌木林、疏木林、果園)土樣的WDPT與影響因素采用冪函數(shù)進行擬合，WDPT與土壤有機質(zhì)含量、pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積關(guān)系如圖3～6所示。

圖3 WDPT與有機質(zhì)含量關(guān)系Fig.3 Relationships between WDPT and soil organic content

由圖3可知，有機質(zhì)含量與WDPT呈正相關(guān)性，這是因為土壤斥水性與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系[28]，同種類型的土壤有機質(zhì)含量越高土壤的斥水性物質(zhì)越多，因而斥水性也越大。由圖4可知，土壤pH值與WDPT呈負相關(guān)性，這是由于：①土壤pH值與有機質(zhì)含量呈顯著負相關(guān)性[29]，土壤pH值越大有機質(zhì)含量越少，因而斥水性越小。②在一定范圍內(nèi)pH值越大水分擴散率越大，水分在土壤中擴散越快，相應(yīng)的斥水性也越小[30]。③土壤pH值與胡敏酸含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系，pH值越大疏水性的胡敏酸含量越少，相應(yīng)的其斥水性也越小[31]，圖4中各類型土壤pH值在7.5～9.2之間，9種植被的平均pH值分別為8.22、8.08、8.53、8.49、8.56、7.49、8.46、8.54，8.11，研究區(qū)總體上偏堿性。研究區(qū)土壤pH值差異較大，一是研究區(qū)土地利用類型較多，不同植被類型土壤成土母質(zhì)不同；二是研究區(qū)土壤質(zhì)地均質(zhì)性較差，土壤理化性質(zhì)空間變異性較大。由圖5可知，土壤質(zhì)量分形維數(shù)與WDPT呈負相關(guān)性，這是由于質(zhì)量分形維數(shù)越大，土壤中小于0.002 mm粒徑的土壤顆粒占比越大，對土壤水分具有較強吸附力的小粒徑顆粒也越多[32]，因而土壤斥水性相對越小。由圖6可知，土壤顆粒比表面積與WDPT呈負相關(guān)性，這是因為土壤顆粒比表面積越大，土壤對水分的吸附能力越大[33]，相對的土壤斥水性也越大。

圖4 WDPT與pH值關(guān)系Fig.4 Relationships between WDPT and pH value of soil

圖5 WDPT與質(zhì)量分形維數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationships between WDPT and mass fractal dimension

圖6 WDPT與土壤顆粒比表面積關(guān)系Fig.6 Relationships between WDPT and specific surface area

4 統(tǒng)計分析

對于具有斥水性的4種植被類型(有林地、灌木林、疏林地、果園)，假定WDPT與土壤有機質(zhì)含量、pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積符合多元關(guān)系式，為

T=Kωαξβψγζλ

(1)

式中T——滴水穿透時間，s

ω——有機質(zhì)含量，mg/kg

ξ——pH值

K——模型系數(shù)

ψ——質(zhì)量分形維數(shù)

ζ——土壤顆粒比表面積

α、β、γ、λ——各影響因素指數(shù)

對式(1)兩邊取對數(shù)可得線性方程,為

lgT=lgK+αlgω+βlgξ+γlgψ+λlgζ

(2)

對式(2)進行多元回歸分析，模型參數(shù)和參數(shù)t檢驗如表4所示。由表4可知，對于具有斥水性的4種植被類型，土壤有機質(zhì)含量的指數(shù)α均為正數(shù)，其值越大土壤斥水性越大；土壤pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積參數(shù)的指數(shù)β、γ、λ均為負數(shù)，說明土壤有機質(zhì)含量與土壤斥水性呈正相關(guān)性，pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、土壤顆粒比表面積與土壤斥水性呈負相關(guān)性，其值越大土壤斥水性越小。由t檢驗可知，對于有林地與灌木林均有|β|>|α|>|λ|>|γ|，說明影響其斥水性程度的因素由大到小依次為pH值、有機質(zhì)含量、土壤顆粒比表面積、質(zhì)量分形維數(shù)；對于疏林地|β|>|γ|>|α|>|λ|，影響其斥水性程度的因素由大到小依次為pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、有機質(zhì)含量、土壤顆粒比表面積；對于果園|β|>|α|>|λ|>|γ|，影響其斥水性程度的因素由大到小依次為pH值、有機質(zhì)含量、土壤顆粒比表面積、質(zhì)量分形維數(shù)。

表4 模型參數(shù)回歸分析Tab.4 Regression analysis of model parameters

5 結(jié)論

(1) 9種植被類型的WDPT由大到小依次為有林地、灌木林、疏林地、果園、高覆蓋度草地、旱地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、灘地，植被冠層越高斥水性越大。

(2) WDPT空間上表現(xiàn)為流域西北部、東北部和東南部山區(qū)斥水性較大，中部盆地斥水性較小，垂直方向上整體表現(xiàn)為表層最大、中層次之、深層最小。

(3)土壤有機質(zhì)含量與斥水性呈正相關(guān)性，土壤pH值、質(zhì)量分形維數(shù)、顆粒比表面積與斥水性呈負相關(guān)性。土壤有機質(zhì)含量和pH值是斥水性的主要影響因素，質(zhì)量分形維數(shù)和顆粒比表面積是影響斥水性的次要因素。

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SpatialDistributionandEffectFactorsofSoilWaterRepellencyinGuishuiRiverBasin

REN Changjiang1，2ZHAO Yong1GONG Jiaguo1WANG Jianhua1LI Haihong1GU Jinpu1

(1.DepermentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China2.CollegeofWaterConservancyandEcologicalEngineering,NanchangInstituteofEngineering,Nanchang330099,China)

In order to research the distribution rule and influence factors of soil water repellency of rocky mountain area of northern China, the Guishui River Basin was taken as an example, the field investigation and lab analysis was carried out.Totally 385 soil samples of 9 different vegetation types were collected and the change rule between water drop penetration time (WDPT) with the factors of soil organic content, pH value, and mass fractal dimension and soil particle specific surface area was analyzed by the system.The research results showed that the order of soil water repellency degree was forest lands, shrubbery, open forest land, orchard, high coverage grassland, dryland, medium and low coverage grass land and beach land.The WDPT in northwest, northeast and southeast mountains of the basin was bigger, and in central basin was smaller in spatial distribution, meanwhile, the WDPT in soil surface was the most, intermediate was the second, and deep layers was the least in vertical direction.The WDPT had a positive correlation with the organic content, and it had an inverse correlation with pH value, mass fractal dimension and specific surface area.The pH value was the main influencing factor of WDPT for forest lands, shrubbery, orchard and high coverage grassland.The organic content was the major influence factor of WDPT for dryland, medium and low coverage grass land.For open forest land, the specific surface area was the principal influence factor of WDPT, and the mass fractal dimension was the major influence factor of WDPT for beach land．

Guishui River Basin; soil water repellency; spatial distribution; regression analysis

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.029

S152.7

A

1000-1298(2017)10-0237-08

2017-04-24

2017-08-09

流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室項目(2015ZY01、2016ZY01)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401407)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB452701)

任長江(1984—)，男，博士后，南昌工程學院講師，主要從事水文水資源研究，E-mail: 971932670@qq.com

趙勇(1977—)，男，教授級高級工程師，主要從事水文水資源領(lǐng)域研究，E-mail: zhaoyong@iwhr.com