淤積刺激下濱海濕地植物根系吸水及土壤水分變化

唐洪根，周廷璋，辛 沛

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

濱海鹽沼濕地是重要的陸地-海洋交界帶生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)水質(zhì)、維持物種多樣性、促進(jìn)全球物質(zhì)循環(huán)以及保護(hù)海岸線等重要的生態(tài)價(jià)值[1-3]，對(duì)地區(qū)乃至全球的氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類生存具有不可替代的作用。近年來(lái)，由于海平面上升及人類活動(dòng)的加劇[4-5]，鹽沼濕地嚴(yán)重退化，全球的鹽沼濕地面積已銳減至20世紀(jì)的50%左右[6]。大量研究認(rèn)為，海平面上升與泥沙淤積的相互平衡是影響濱海濕地可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4,7-10]，而植被是控制泥沙淤積進(jìn)程的關(guān)鍵因素[7]。植被地上部分能改變水流的運(yùn)動(dòng)形式，促進(jìn)水體中懸浮顆粒的沉降[4,11-12]，而其地下根系的分解作用能增加地下土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)備，加快鹽沼濕地有利高程的形成，進(jìn)而削弱海平面上升帶來(lái)的不利影響[7,13-14]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為植被生長(zhǎng)主要與鹽沼濕地的地貌特征、鹽度、土壤通氣條件、淹沒時(shí)間等密切相關(guān)，其中土壤通氣條件被認(rèn)為是影響植被生長(zhǎng)的主要因素[5,15-18]。鹽沼土壤中，氧氣在孔隙水中的擴(kuò)散速率和濃度較低，植株根系呼吸所需的氧氣取決于土壤的通氣情況[18-19]。Pezeshki等[5]發(fā)現(xiàn)鹽沼植物主要面臨氧氣持續(xù)供需不足的問題，周期性的潮汐淹沒導(dǎo)致鹽沼部分區(qū)域土壤的曝氣條件較差，進(jìn)而植被生長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的帶狀分布[20]。同時(shí)，植被的蒸騰作用又會(huì)影響土壤中的水分消耗，進(jìn)而改善植被生長(zhǎng)區(qū)域的土壤通氣條件[20]。Unsino等[15]發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離潮溝的土壤水分運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在垂直方向，植物蒸騰作用加快地下水分的消耗，在滲透性較低的土壤中存在持久的非飽和區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，Li等[21]考慮土壤孔隙水-氣兩相流，發(fā)現(xiàn)水流中夾雜的氣體會(huì)提高土壤中的氧氣濃度，最好的曝氣區(qū)域位于潮溝附近。Xin等[22]指出潮汐作用下潮溝附近區(qū)域的土壤通氣性較好，植物生長(zhǎng)受到地下水分的輕微影響；遠(yuǎn)離潮溝區(qū)域的土壤通氣條件主要受到植物根系吸水的影響。植物生長(zhǎng)與土壤通氣密切相關(guān)，其蒸騰作用又反過(guò)來(lái)加快土壤地下水分的損耗，提高植物根系周圍的氧化條件，這種植物生長(zhǎng)和土壤通氣之間的正反饋機(jī)制揭示了鹽沼濕地復(fù)雜的生態(tài)水文過(guò)程[19-22]。然而，上述研究均重點(diǎn)關(guān)注潮汐作用等水動(dòng)力過(guò)程下植物生長(zhǎng)和土壤水分之間的反饋關(guān)系，未考慮鹽沼濕地普遍存在的泥沙淤積現(xiàn)象，也忽略了泥沙淤積引起的植物生長(zhǎng)及土壤水分變化。

互花米草憑借其較強(qiáng)的繁殖能力和耐淹、耐鹽的特性[23]，已逐漸成為我國(guó)鹽沼濕地的主要物種之一，其擴(kuò)張面積已達(dá)到546 km2[24]，大約占據(jù)我國(guó)濱海鹽沼濕地面積的一半[25]。因此，本研究以互花米草為研究對(duì)象，利用HYDRUS-1D模型建立一維水流運(yùn)動(dòng)模型，研究泥沙淤積和地下水位對(duì)植物根系吸水及土壤水分運(yùn)移的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 模型構(gòu)建

鹽沼濕地中互花米草生長(zhǎng)區(qū)自然泥沙淤積現(xiàn)象十分明顯(圖1(a))?；贖YDRUS-1D，建立關(guān)于土壤-水-植物的一維垂直水流運(yùn)移模型，概念模型如圖1(b)(c)所示。該模型主要考慮由植物蒸騰作用引起的垂直水流運(yùn)動(dòng)而忽略橫向水流運(yùn)動(dòng)。設(shè)置不同深度的泥沙淤積和地下水位，模擬淤積深度為0 cm、6 cm、12 cm、18 cm、24 cm，模擬地下水位為0 cm、-14 cm、-28 cm、-42 cm。淤積試驗(yàn)中土樣取自鹽城市弶港鎮(zhèn)海岸的條子泥沙洲，地理位置范圍為北緯32°43′～34°28′、東經(jīng)119°48′～121°15′。通過(guò)土壤粒徑分級(jí)，測(cè)得試驗(yàn)土樣由黏粒(5%)、粉粒(78%)和砂粒(17%)組成，屬于粉砂質(zhì)壤土。土壤剖面深度與淤積試驗(yàn)中土壤深度設(shè)置一致，即原土壤層深度為42 cm，設(shè)定原土壤表面為0 cm，向上淤積部分為正值，向下深度為負(fù)值(圖1(b)(c))。為方便比較和分析，將忽略植株根系生長(zhǎng)的計(jì)算模型設(shè)置為模型1，將考慮泥沙淤積后植株根系生長(zhǎng)的計(jì)算模型設(shè)置為模型2。模型上邊界為大氣邊界條件，下邊界為定水頭，初始輸入數(shù)據(jù)分別為定潛在蒸散量、定水頭數(shù)據(jù)、初始水頭分布、植株葉面積指數(shù)和根密度分布。

圖1 模型示意圖

1.2 模型原理和公式

HYDRUS-1D模型基于一維Richards方程模擬變飽和區(qū)域植物根系吸水過(guò)程，該方程忽略空氣和熱梯度對(duì)水分運(yùn)移的影響[26]，取向上為正，方程為

(1)

式中：θ為土壤含水率；h為壓力水頭，cm；t為時(shí)間，d；z為水流運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度，cm；S(z,t)為根系吸水項(xiàng)；K為非飽和滲透系數(shù)，cm/d。

采用Van Genuchten模型描述土壤含水率、非飽和滲透系數(shù)與壓力水頭的關(guān)系：

(2)

(3)

其中

m=1-1/n

式中：θs為飽和含水率；θ為土壤含水率；θr為殘余含水率；Se為相對(duì)飽和度；Ks為土壤飽和滲透系數(shù)；α、n、m為經(jīng)驗(yàn)擬合系數(shù)，l取0.5。

根系吸水速率S(z,t)是指植物根系在單位體積土壤中單位時(shí)間內(nèi)吸收的土壤水分，主要受到水分脅迫、鹽分脅迫和根系分布的影響[26-27]。需要注意的是，在本模型中不考慮鹽分脅迫，計(jì)算公式為

S(z,t)=α(h)b(z)Tp

(4)

式中：Tp為植物潛在蒸騰率；b(z)為根系吸水分布函數(shù)；α(h)為土壤水分脅迫函數(shù)。

土壤水分脅迫可采用S形函數(shù)[28]描述：

α(h)=1/[1+(h/h50)p]

(5)

式中：h50為根系吸水速率減小50%所對(duì)應(yīng)的壓力水頭,cm；p為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

植物潛在蒸騰速率Tp定義為理想條件下植物在單位時(shí)間內(nèi)從土壤中吸收的土壤水分，利用葉面積指數(shù)和消光系數(shù)對(duì)潛在蒸散量進(jìn)行分割[29]：

Es=ETce-kILAI

(8)

Tp=ETc-Es

(9)

式中：ETc為植物潛在蒸發(fā)蒸騰量，cm/d；Es為土壤潛在蒸發(fā)量，cm/d；ILAI為植物葉面積指數(shù)；k為消光系數(shù)，取為0.39。

1.3 根系分布函數(shù)

本文開展不同淤積深度下(0 cm、6 cm、12 cm、18 cm、24 cm)互花米草根系生長(zhǎng)的試驗(yàn)，依據(jù)Satchithanantham等[30]和李會(huì)杰[31]的研究方法，采用植物根干重沿土層深度的分布來(lái)描述植物根系的空間分布。根據(jù)淤積試驗(yàn)中沿土層深度6 cm間隔的根干重分布，通過(guò)插值法計(jì)算得到根系沿土層深度的分布b′(z)，再標(biāo)準(zhǔn)化得到根系吸水函數(shù)b(z)。將淤積深度為0 cm的根系分布函數(shù)b1(z)輸入到忽略根系生長(zhǎng)的模型1中，對(duì)應(yīng)淤積深度6～24 cm的根系分布函數(shù)b2(z)輸入到考慮根系生長(zhǎng)的模型2中(圖2)：

圖2 不同淤積深度下根系分布函數(shù)

(10)

(11)

式中：b′(z)為插值得到的根系分布函數(shù)；Lr為最大根系深度，cm；z為土壤深度，cm。

1.4 模型建立

a. 邊界條件和土壤剖面設(shè)置。上邊界為大氣邊界，直接輸入恒定潛在蒸散量ETc=1.0 cm/d和恒定葉面積指數(shù)ILAI=4；下邊界輸入模擬不同地下水位下的定水頭，L1=0 cm、L2=-14 cm、L3=-28 cm、L4=-42 cm。土層剖面深度分別為Z1=42 cm、Z2=48 cm、Z3=54 cm、Z4=60 cm、Z5=66 cm，分別對(duì)應(yīng)淤積深度0 cm、6 cm、12 cm、18 cm、24 cm。

b. 參數(shù)設(shè)置。土壤水力參數(shù)采用HYDRUS-1D模型自帶的土壤參數(shù)(粉砂質(zhì)壤土)[32-33],Ks=10.8 cm/d、θs=0.45、θr=0.067、α=0.02 cm-1、n=1.41、l=0.05，其中淤積層土壤性質(zhì)與原土壤相同，兩者土壤參數(shù)設(shè)置一致。由于本文主要研究不同淤積深度和地下水位對(duì)植物根系吸水和土壤水分的影響，而目前關(guān)于互花米草植株受到土壤水分脅迫的參數(shù)還未得到明顯的量化，根據(jù)Grinevskii[33]和Hessini等[34]的研究成果，最終確定水分脅迫參數(shù)h50=-2 000 cm、p=3。如圖2所示，模型1所有計(jì)算模型均輸入淤積深度0 cm的根系分布函數(shù)b1(z)，模型2中輸入隨淤積深度變化的根系分布函數(shù)b2(z)。

c. 本文涉及過(guò)程為一維垂直水流穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果不受初始條件影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 淺水位下泥沙淤積對(duì)土壤水分的影響

土壤深度0 cm以上為土壤淤積層，0 cm以下為原土壤層。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥沙淤積對(duì)互花米草地上生物量未產(chǎn)生較為明顯的影響，地上生物量變化范圍為5.0～7.5 g/株。為簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)，不考慮植物地上生物量的變化可能引起的土壤蓄水量的變化，且假定植物葉面積指數(shù)為定值，因此認(rèn)為土柱中土壤含水率的差異完全是由植物蒸騰作用所引起的。當(dāng)?shù)叵滤粸? cm時(shí)，泥沙淤積對(duì)土壤含水率沿深度的分布沒有明顯的影響。如圖3(a)所示，不同淤積深度下的土壤飽和度之間沒有明顯差異，均保持在0.9～1.0范圍內(nèi)。當(dāng)淤積深度不超過(guò)18 cm時(shí)，模型1和模型2的土壤飽和度在土層垂直方向的分布大小和趨勢(shì)完全一致。當(dāng)模擬淤積深度為24 cm時(shí)，模型2中的淤積表層土壤飽和度略低于模型1，但隨著土層深度的增加，兩者之間沒有明顯的區(qū)別。模擬結(jié)果表明，地下水位為0 cm時(shí)，土壤毛細(xì)作用較強(qiáng)，植物蒸騰作用引起的水分消耗低于地下水分的補(bǔ)給，土壤水分幾乎不受泥沙淤積的影響。

如圖3(b)所示，給定地下水位-14 cm后，發(fā)現(xiàn)土壤含水率的差異主要集中在淤積深度為12 cm、18 cm 和24 cm的淤積層土壤中，其他兩組(0 cm、6 cm)之間未有明顯的區(qū)別。以淤積深度24 cm為例，模型2中的土壤飽和度在淤積層區(qū)域相對(duì)較低，

(a) 地下水位0 cm (b) 地下水位-14 cm (c) 地下水位-28 cm (d) 地下水位-42 cm

且在土壤表層處差異最明顯，差異程度隨土層深度的增加而逐漸減小，而后在原土壤層區(qū)域無(wú)差異。當(dāng)淤積深度較低時(shí)，模型1和模型2的計(jì)算結(jié)果一致，土壤飽和度隨土層深度增加而變化不大，均保持在0.9～1.0。由模型結(jié)果可知，當(dāng)淤積深度較高時(shí)，地下水分補(bǔ)給的能力相對(duì)較低，淤積層內(nèi)植物根系吸水作用加快土壤表層水分的消耗，進(jìn)而引起土壤飽和度減小。但隨著土壤深度的增加，根系吸水能力降低，且土壤的毛細(xì)作用增強(qiáng)，模型1和模型2中的土壤處于飽和狀態(tài)。

2.2 深水位下泥沙淤積對(duì)土壤水分的影響

當(dāng)模擬地下水位為-28 cm時(shí)，模型1和模型2的土壤飽和度差異集中在淤積層土壤中，而原土壤層的含水率差異不大(圖3(c)所示)。隨著淤積深度的增加，淤積層土壤水分含量的差異更加明顯，即在淤積深度24 cm表層土壤飽和度相差最大，模型2的土壤飽和度減小了0.1。當(dāng)淤積深度為6 cm時(shí)，模型2中土壤飽和度略低于模型1；當(dāng)淤積深度達(dá)到24 cm，模型2中淤積層土壤水分含量明顯低于模型1，且差異程度隨著土壤深度的增加而逐漸減小。與模型1相比，模型2考慮了植物根系在土壤淤積層的吸水作用，加快土壤表層的水分消耗，進(jìn)而減小淤積層土壤飽和度。

如圖3(d)所示，模擬地下水位-42 cm時(shí)，泥沙淤積后土壤含水率明顯減小，且變化區(qū)域集中在土壤淤積層。當(dāng)淤積深度為6 cm或12 cm時(shí)，模型2中的土壤飽和度沿土壤深度0～6 cm內(nèi)變化較快，大約增加了0.4，隨后增加趨勢(shì)比較平緩，而模型1中土壤飽和度沿土壤深度均勻增加。與模型1相比，模型2中的土壤飽和度明顯降低，且最大差值發(fā)生在淤積深度為6 cm的土壤表層，減小了0.5。當(dāng)模擬淤積深度為18 cm或24 cm時(shí)，模型1與模型2之間的土壤飽和度差值沿土層深度先增大后減小，且在土壤表面以下6～12 cm區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大。當(dāng)?shù)叵滤粸?42 cm時(shí)，淤積深度18 cm或24 cm土壤表層水分無(wú)法得到地下水分的補(bǔ)給，表層水分含水量均降低至土壤殘余含水率。隨著土壤深度的增加，土壤毛細(xì)作用增強(qiáng)，向上補(bǔ)給的水分逐漸增多，不同的根系吸水分布是造成土壤水分含量差異的主要原因。在原土壤區(qū)域，地下水分向上補(bǔ)給能力較強(qiáng)，所以模型1和模型2中土壤飽和度差別不大。

已有研究認(rèn)為，泥沙淤積主要是通過(guò)增加地形高程來(lái)減少海水的持續(xù)淹沒時(shí)間，進(jìn)而改善土壤表層的通氣條件，為植被生長(zhǎng)創(chuàng)造有利的條件[17]。本文模型研究發(fā)現(xiàn)，泥沙淤積后植株根系在土壤淤積層的吸水作用能夠加快土壤表層的水分消耗，增加土壤表層的曝氣時(shí)間，進(jìn)而改善植物生長(zhǎng)所需的通氣條件；同時(shí)，較好的通氣條件又能保證植物根系的有氧呼吸，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，模擬結(jié)果較好地補(bǔ)充解釋了泥沙淤積后植被生長(zhǎng)和土壤通氣條件之間的正反饋關(guān)系。

2.3 泥沙淤積和地下水位對(duì)植物根系吸水分布的影響

如圖4所示，模型2中植物根系沿土壤剖面的吸水分布主要受到泥沙淤積的影響，模型1植物根系吸水分布與泥沙淤積深度及地下水位均無(wú)明顯關(guān)系。以地下水位0 cm為例，模型1不考慮植物根系生長(zhǎng)，根系吸水區(qū)域主要分布在土壤表層0～18 cm內(nèi)，吸水能力隨著土壤深度的增加而逐漸減小，且不隨淤積深度變化而變化(圖4(a))，主要與植物的根系分布有關(guān)(圖2)。模型2考慮了泥沙淤積后植物的根系生長(zhǎng)，模擬不同深度的泥沙淤積后植物根系吸水分布變化明顯。當(dāng)淤積深度為6 cm時(shí)，模型2中植物根系的主要吸水區(qū)域分布在土壤深度-6～12 cm內(nèi)，吸水速率隨著土壤深度的增加而逐漸減小，如圖4(a)。當(dāng)淤積深度超過(guò)6 cm，模型2中植物根系吸水能力隨土層深度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在土壤深度-6～6 cm范圍內(nèi)。如圖4(b)～(c)，設(shè)置模擬地下水位為-14 cm和-28 cm，發(fā)現(xiàn)模型1和模型2的植物根系吸水分布趨勢(shì)與地下水位為0 cm的結(jié)果類似，呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。當(dāng)?shù)叵滤粸?42 cm時(shí)，除去土壤表層水分含量太低(圖3(d))，植物在土壤表層吸水速率為0，其他根系吸水分布趨勢(shì)無(wú)明顯變化。

(a) 地下水位0 cm

(b) 地下水位-14 cm

(c) 地下水位-28 cm

(d) 地下水位-42 cm

與模型1相比，模型2結(jié)合植物根系在淤積層的向上生長(zhǎng)，植物吸水區(qū)域包含淤積層和原土壤層，主要吸水區(qū)域向上遷移了6～12 cm，加快消耗土壤表層的水分，但在原土壤層根系吸水能力降低，這與之前得到泥沙淤積促進(jìn)土壤表層的水分消耗的結(jié)果一致。泥沙淤積刺激植物的根系生長(zhǎng)，提高根系主要吸水區(qū)域的土壤深度，進(jìn)而加快土壤表層水與地表水之間的水分循環(huán)，改善土壤表層中的營(yíng)養(yǎng)條件，有利于鹽沼植物的生長(zhǎng)和繁殖，此模擬結(jié)果從生態(tài)水文方面補(bǔ)充解釋了泥沙淤積可減緩濕地退化的現(xiàn)象[7,10]。

3 結(jié) 論

a. 當(dāng)?shù)叵滤惠^高(0 cm和-14 cm)時(shí)，不同淤積深度下的土壤飽和度變化趨勢(shì)不大。當(dāng)?shù)叵滤粸? cm時(shí)，土壤飽和度保持在0.95～1.0范圍內(nèi)，泥沙淤積對(duì)土壤飽和度沒有影響。當(dāng)?shù)叵滤粸?-14 cm 時(shí)，淤積深度較高(18 cm和24 cm)的淤積層土壤中，考慮根系生長(zhǎng)后得到的土壤飽和度相對(duì)略低，土壤飽和度受到泥沙淤積的輕微影響。

b. 當(dāng)?shù)叵滤惠^低(-28 cm和-42 cm)時(shí)，泥沙淤積通過(guò)影響植物根系生長(zhǎng)，進(jìn)而引起土壤飽和度在淤積層區(qū)域的差異。與不考慮根系生長(zhǎng)的模型1結(jié)果相比，模型2中土壤飽和度明顯較低，且差異程度隨著土層深度的增加而逐漸減小，而后在原土壤層差異消失。

c. 植物根系吸水分布主要受到泥沙淤積的影響。泥沙淤積能改變植物的根系吸水區(qū)域，即包含土壤淤積層和原土壤層，進(jìn)而促進(jìn)土壤淤積層水分的消耗。