長白山區(qū)泥炭地泥炭飽和導(dǎo)水率特征研究

林兵姿 王一諾

摘要：旨在以長白山區(qū)泥炭地為研究對象，初步探討泥炭飽和導(dǎo)水率（Ksat）的基本特征、影響因素和空間分異性，并對比排水區(qū)和自然區(qū)泥炭飽和導(dǎo)水率的差異性。結(jié)果表明，垂直方向飽和導(dǎo)水率均值在41.00 m/d左右，與其他研究區(qū)相比處于中等偏上水平。泥炭的飽和導(dǎo)水率（Ksat）與容重呈負(fù)相關(guān)，與孔隙度呈正相關(guān)，與最小持水量、飽和含水量、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。在表層0～50 cm處，排水區(qū)的Ksat小于自然區(qū)的Ksat。自然狀態(tài)的泥炭地隨著深度的增加，導(dǎo)水能力減弱，Ksat減小。Ksat存在各向異性，63%的樣品KsatH大于KsatV，但相差不大，KsatH約為KsatV的1.07倍，二者相關(guān)性極高。

關(guān)鍵詞：泥炭;飽和導(dǎo)水率;排水;各向異性

中圖分類號(hào)：Q951? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）10-0040-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.010? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The research aimed to take peat land of Changbai Mountain area as research object. The basic characteristics， influencing factors and spatial heterogeneity of saturated hydraulic conductivity（Ksat） of the peat were discussed， and the differences of saturated hydraulic conductivity of the peat between drainage area and natural area were compared. The results indicated that the mean value of the saturated hydraulic conductivity in the vertical direction was about 41.00 m/d， which was at moderate and above level compared with other research areas. The saturated hydraulic conductivity（Ksat） of peat was negatively correlated with unit volume， positively correlated with porosity， and significantly positively correlated with least water-holding capacity， saturation moisture content and organic matter content. At 0～50 cm of surface layer， Ksat in the drainage area was smaller than that in the natural area. The peat land in the natural state increased with the depth. Ksat decreased with the decrease of water conductivity. There were various anisotropy in Ksat. KsatH was larger than KsatV in 63% of samples， but the difference was little. KsatH was about 1.07 times of KsatV， and the correlation between them was extremely high.

Key words： peat; saturated hydraulic conductivity; drainage; various anisotropy

泥炭地的水文過程控制著諸多生物、化學(xué)、物理過程，如植物生長、泥炭的積累與分解、化學(xué)元素的遷移轉(zhuǎn)化和固碳過程等[1，2]。水在泥炭中的運(yùn)動(dòng)是濕地水文過程的重要環(huán)節(jié)，泥炭土資源的保護(hù)和可持續(xù)管理依賴于有效的土壤水分管理。泥炭的飽和導(dǎo)水率（Ksat）是刻畫水在泥炭中運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，它是指單位水力梯度下、單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積飽和泥炭的水量。自然狀態(tài)下，它受容重、孔隙度、泥炭深度、泥炭類型、微地貌、有機(jī)質(zhì)含量、地表植被類型、分解程度和凍融作用等因素影響[3-11]。此外，它還受收割、焚火、排水和壓實(shí)等人類活動(dòng)的影響[12，13]。國外關(guān)于泥炭飽和導(dǎo)水率的研究不晚于20世紀(jì)60年代。相比之下，國內(nèi)相關(guān)研究還較薄弱。

自然狀態(tài)下的泥炭沼澤，表層土壤具備高儲(chǔ)水能力和膨脹收縮性能，使其能調(diào)節(jié)地下水位的變化，并使地下水位維持在接近地表的水平[14]。然而排水和開采的行為不可避免地改變了泥炭結(jié)構(gòu)，使得年齡較老、高度分解的土層暴露在地表，從而改變了泥炭地蓄水的方式。在泥炭地生態(tài)系統(tǒng)中，水文是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，制約植被生長，影響動(dòng)物棲息地環(huán)境，影響著碳的累積排放。本研究區(qū)屬于典型的因發(fā)展林業(yè)而遭到破壞的泥炭地，且研究區(qū)內(nèi)保留著一定面積的未被破壞的原始泥炭地，本研究著重探討飽和導(dǎo)水率的基本特征及其影響因素，并對比排水區(qū)和自然區(qū)泥炭飽和導(dǎo)水率的差異性，解析水文退化機(jī)制，為分析和模擬濕地水文過程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)（42°9′—42°11′N、126°43′—126°45′E）位于吉林省白山市長白山區(qū)一林場內(nèi)（圖1），有大氣降水和盆地徑流作為較穩(wěn)定的水源輸入，海拔高度在778～783 m，面積約80 hm2。具有東亞季風(fēng)氣候區(qū)和山地寒溫帶濕潤氣候區(qū)兩個(gè)氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)表現(xiàn)為四季分明，冷涼濕潤，雨水充足，無霜期短，光照充足。1月多年平均氣溫-17 ℃，7月多年平均氣溫21 ℃，年平均氣溫2～3 ℃，無霜期110 d。年均降水量761 mm，主要集中在5—9月。研究區(qū)內(nèi)泥炭平均厚度1.5 m，泥炭層最厚處集中在泥炭地中間位置，最大泥炭厚度為3 m。20世紀(jì)70年代，因營林需要該泥炭地約3/4面積被排水造林。但排水后林木生長不理想，還因?yàn)樗幌陆祵?dǎo)致原有的高碳匯油樺、篤斯越桔、泥炭蘚群落被金露梅群落取代，植被、土壤發(fā)生退化。自然未排水區(qū)為草本泥炭沼澤，地表季節(jié)性積水，生長季積水深度5～10 cm;排水區(qū)地表常年無積水，生長季地下水位一般在地表以下5～50 cm。本研究將整個(gè)泥炭地劃分為排水區(qū)和自然區(qū)進(jìn)行分析。

1.2? 研究方法

2017年9月使用泥炭鉆在研究區(qū)的自然區(qū)選擇5個(gè)樣點(diǎn)，在排水區(qū)選擇10個(gè)樣點(diǎn)，采集原狀泥炭樣品（A類樣品），取樣點(diǎn)按樣線分布，間隔150 m左右。樣品形狀為規(guī)則的半圓柱體，取樣深度直達(dá)泥炭累積的層位底部，并使用相同口徑的PVC管材盛裝泥炭樣品，用保鮮膜密封固定，移動(dòng)過程中盡量使樣品不被干擾，帶回實(shí)驗(yàn)室后快速冷凍。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室10 cm間隔分樣，測定容重、含水率、孔隙度、持水量、有機(jī)質(zhì)和垂直方向飽和導(dǎo)水率等理化性質(zhì)。此外，使用方形泥炭鉆，分別在自然區(qū)和排水區(qū)各選擇1個(gè)樣點(diǎn)，采集0～65 cm深度的原狀泥炭樣品（B類樣品），樣品形狀為規(guī)則的長方體，帶回實(shí)驗(yàn)室分別測定水平和垂直方向飽和導(dǎo)水率，以分析泥炭飽和導(dǎo)水率的各向異性。

測定飽和導(dǎo)水率的方法依據(jù)達(dá)西定律，利用石蠟密封法和恒定水頭法測量飽和導(dǎo)水率[15]，試驗(yàn)裝置如圖2所示。為消除鉆頭旋進(jìn)時(shí)對樣品的擾動(dòng)，將冷凍的樣品進(jìn)行適當(dāng)修剪，使其形狀規(guī)則，便于試驗(yàn)。將樣品置于內(nèi)徑大于樣品直徑3 cm的PVC管中，樣品和管壁之間的空隙用融化的高溫液態(tài)石蠟填充。待石蠟完全凝固后，通過加水查驗(yàn)管壁與石蠟之間是否存在縫隙，如果有縫隙，可以使用針管注射液態(tài)石蠟再次進(jìn)行密封，必須保證水流只能通過樣品上表面經(jīng)由泥炭柱子內(nèi)部流通才能進(jìn)行飽和導(dǎo)水率試驗(yàn)。然后，將樣品置于水盆中，多次緩慢加水，使泥炭內(nèi)部孔隙中的空氣排出，孔隙被水填滿，直至水位與樣品高度平齊，并浸泡48 h以上。將浸泡至完全飽和的樣品置于漏斗上方，提供5 cm的恒定水頭。在流量穩(wěn)定后，記錄在一定時(shí)間內(nèi)入滲的水量，利用達(dá)西定律（公式1）計(jì)算飽和導(dǎo)水率。全部樣品均測試3次。特別注意在使用B類樣品測定不同方向的飽和導(dǎo)水率時(shí)，將樣品切割成規(guī)則的長方體，測定垂直方向飽和導(dǎo)水率后，將樣品翻轉(zhuǎn)90°，重新密封測定水平方向?qū)蔥8]。

式中，Ksat為泥炭飽和導(dǎo)水率（m/d），V為t時(shí)間內(nèi)下滲水的體積（m3）;L為水流流經(jīng)的泥炭樣品長度（m）;A為泥炭樣品橫截面面積（m2）;ΔH為水頭（水位差）（m）;t為下滲時(shí)間（d）。An為各向異性（Anisotropy）;KsatH和KsatV分別為水平方向和垂直方向的飽和導(dǎo)水率，An>0時(shí)表示KsatH>KsatV，反之，若An<0則KsatH

2? 結(jié)果與分析

2.1? 泥炭飽和導(dǎo)水率的總體特征

Beckwith等[16]在英國一泥炭地采樣測得KsatH約為6.5 m/d，KsatV約為0.3 m/d。Nagare等[6]在加拿大地區(qū)一泥炭地測得KsatV在21.0～314.0 m/d。Lewis等[17]在愛爾蘭地區(qū)測得的泥炭KsatV為0.1～10.0 m/d。以上研究中采用的試驗(yàn)方法均是恒定水頭法。與其他研究相比，本研究中的Ksat處于中等偏高水平，這可能與泥炭地類型和泥炭性質(zhì)有關(guān)。一般而言，分解度越低，Ksat越高[7]。在野外采樣時(shí)觀察到，研究區(qū)泥炭分解程度不高，在表層土壤中有大量清晰可見的未分解的草本和泥炭蘚殘?bào)w，在泥炭深度1 m以下的位置仍能觀察到灌木的根系、細(xì)小樹枝等殘?bào)w，泥炭緊實(shí)度較差，疏松多孔，這些因素都使得該研究區(qū)土壤導(dǎo)水能力較強(qiáng)，水流運(yùn)動(dòng)速度較快。

由表1、表2可知，使用A類樣品測得的泥炭Ksat總體區(qū)間在0.82～143.52 m/d;均值在41.00 m/d左右;自然區(qū)和排水區(qū)的Ksat差異不大，排水區(qū)的值略高于自然區(qū);數(shù)值分布呈正偏態(tài)，偏度系數(shù)在1左右，表明數(shù)值主體部分在均值的左側(cè)。使用B類樣品測得的水平方向飽和導(dǎo)水率KsatH介于12.05～109.91 m/d，均值為42.23 m/d;測得的垂直方向水平飽和導(dǎo)水率KsatV介于12.28～98.55 m/d，均值為39.60 m/d。A類和B類泥炭樣品雖然采樣工具和樣品形態(tài)不同，但保存和運(yùn)輸方式以及試驗(yàn)方法均一致，測得的數(shù)據(jù)結(jié)果也較為相近，可以認(rèn)為本研究中的飽和導(dǎo)水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定程度上是具備準(zhǔn)確性和代表性的。從數(shù)據(jù)來看，飽和導(dǎo)水率區(qū)間跨度達(dá)到了兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，這與前人已有的研究結(jié)果一致[16，17]。造成這種顯著變異的原因比較復(fù)雜，與泥炭類型、積水狀況、分解程度以及泥炭深度均有關(guān)[4-6]。

通過對比加拿大東北部魁北克市泥炭地[18]和研究區(qū)泥炭地的泥炭導(dǎo)水率可以發(fā)現(xiàn)，雖然二者的測量方法和泥炭地水源補(bǔ)給狀況大致相同，但飽和導(dǎo)水率卻迥異。前者的KsatV、KsatH均顯著高于后者，前者KsatH的平均值約為后者的20倍，KsatV的平均值約為后者的27倍。這種巨大差異主要是泥炭類型、積水狀況等方面的差異引起的。首先，前者的泥炭主要是由泥炭蘚組成，疏松且多孔隙，具有比草本泥炭更高的導(dǎo)水率;而后者的泥炭類型主要是草本泥炭，雖表層的根系眾多，但是對水流的阻滯作用明顯大于泥炭蘚。其次，地下水位的高度和常年波動(dòng)范圍影響著泥炭的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響了泥炭的導(dǎo)水能力。

2.2? 自然和排水區(qū)泥炭飽和導(dǎo)水率對比

A類樣品垂直方向飽和導(dǎo)水率隨泥炭深度的變化見圖3。有研究表明，泥炭的飽和導(dǎo)水率與深度有關(guān)，隨著深度的增加，泥炭的飽和導(dǎo)水率下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。整體上來看，排水區(qū)的KsatV隨著深度并沒有非常統(tǒng)一的增大減小的規(guī)律，但自然區(qū)的KsatV隨著深度的增加確實(shí)在不斷減小，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。對比表層的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，排水區(qū)的KsatV小于自然區(qū)的KsatV，已有學(xué)者提出在較干燥的條件下，好氧分解速率加快，極有可能發(fā)生垂直沉降和壓實(shí)，增加了固體占據(jù)空間的比例，從而減少了能快速排水的大孔隙，降低了滲透速率，這一理論在Wallage等[4]研究中通過對排水干旱條件下泥炭滲透速率測定，再次被證實(shí)是合理存在的。從圖3可以看到，在相同層位上自然區(qū)和排水區(qū)的變化規(guī)律比較一致，只有在40～60 cm和120～130 cm深度上，沒有呈現(xiàn)一同變大或變小的規(guī)律，通過水位監(jiān)測和野外采樣觀察，發(fā)現(xiàn)排水區(qū)常年水位波動(dòng)范圍位于地下50 cm處;并且在排水區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)處均發(fā)現(xiàn)，在地下110～130 cm處的泥炭含水量偏高，泥炭質(zhì)地松軟，甚至樣品無法完整采集。這一特點(diǎn)導(dǎo)致排水區(qū)泥炭在這一區(qū)間飽和導(dǎo)水率驟然增大。通過對比這一層位排水區(qū)的其他泥炭性質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)容重減小、孔隙度增大、飽和含水率增大，推測可能是20世紀(jì)排水造林導(dǎo)致的泥炭性質(zhì)突變。

2.3? 泥炭垂直方向飽和導(dǎo)水率與其他指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表3可知，KsatV與容重顯著負(fù)相關(guān)，與總孔隙度呈正相關(guān)，與持水量、飽和含水量呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。泥炭的飽和導(dǎo)水率取決于孔隙的形態(tài)和數(shù)量[4，6]，而飽和含水率與容重間接反映孔隙的多少。飽和含水量越大，容重越小，意味著孔隙度越大，從而飽和導(dǎo)水率越大。持水量直接反映了土壤的持水能力，持水量和孔隙度有著直接相關(guān)性，持水能力強(qiáng)很大程度上反映了較大的孔隙度，所以持水能力越強(qiáng)，飽和導(dǎo)水率越大。已有研究表明泥炭的分解程度越高，透水的孔隙變少，不透水的孔隙變多，導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率變小[10，11]。在本研究中，泥炭中的有機(jī)質(zhì)主要來自于未分解或微分解的植物根系，大量植物殘?bào)w的存在不僅增大了土壤的孔隙，還導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的含量偏高，泥炭的飽和導(dǎo)水率也偏大。

2.4? 泥炭飽和導(dǎo)水率的各向異性

Ksat的各向異性影響水流在不同方向的輸送能力，它與過水孔隙的方向性有關(guān)，而這又與泥炭的形成來源、形成過程和分解程度有關(guān)。本研究中，約62%的樣品的各向異性（An）為正值，KsatH普遍大于KsatV，前者約為后者的1.06倍，An均值為0.014，其中自然區(qū)樣點(diǎn)的An正負(fù)各占50%，排水區(qū)樣點(diǎn)的An基本為正值。這一結(jié)論與Nagare等[6]、Schlotzhauer等[14]、Beckwith等[16]和Lewis等[17]的研究結(jié)果相同。對于取自同一研究點(diǎn)的樣品，各向異性這一現(xiàn)象可能表明局部條件影響著泥炭中水的流動(dòng)狀態(tài)。從圖4可知，KsatH與KsatV顯著相關(guān)，R2=0.756，這表明泥炭屬性對二者的影響趨勢是相同的，KsatH較大的泥炭地KsatV也較大，反之亦然。較大的相關(guān)系數(shù)也表明，對于同一樣品，可以用KsatV（或KsatH）較好地預(yù)測KsatH（或KsatV）。

3? 小結(jié)

本研究以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，將石蠟密封法與恒定水頭法相結(jié)合，在室內(nèi)測量了長白山區(qū)泥炭地的飽和導(dǎo)水率及其他相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果表明，飽和導(dǎo)水率的均值在41.00 m/d左右，與其他研究區(qū)相比，本研究的Ksat處于中等偏上水平。對比排水區(qū)和自然區(qū)的泥炭性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，表層0～50 cm的泥炭差異明顯，排水區(qū)的Ksat小于自然區(qū)的Ksat，其他泥炭性質(zhì)也有著相似的變化趨勢，可知排水這一人為活動(dòng)對泥炭性質(zhì)造成了劇烈的影響，改變了泥炭性質(zhì)，進(jìn)而影響著整個(gè)泥炭地的水文過程、水文循環(huán)。泥炭的飽和導(dǎo)水率與容重呈負(fù)相關(guān)，與總孔隙度呈正相關(guān)，與最小持水量、飽和含水量、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，自然狀態(tài)的泥炭地隨著深度的增加泥炭飽和導(dǎo)水率整體上存在變小的趨勢，但在精細(xì)的分層情況下（10 cm間隔分層）這一規(guī)律體現(xiàn)得并不明顯。泥炭地飽和導(dǎo)水率存在各向異性，63%的樣品KsatH大于KsatV，但相差不大，KsatH約為KsatV的1.07倍，二者相關(guān)性極高。

飽和導(dǎo)水率的影響因素和影響機(jī)制較為復(fù)雜，恒定水頭法測得的飽和導(dǎo)水率和野外直接測得的結(jié)果必然存在著差異。但飽和導(dǎo)水率這一指標(biāo)是地下水建模工作至關(guān)重要的參數(shù)之一，后續(xù)結(jié)合水位監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，來嘗試模擬研究區(qū)的水分運(yùn)移情況;通過排水區(qū)和自然區(qū)的對比分析，解析該泥炭地的水文退化機(jī)制，為泥炭地的恢復(fù)工作提供參考和依據(jù)。

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