黃土高原不同土質(zhì)和植被類型下Cl–運(yùn)移特征及影響因素*

李榮磊，陳留美，邵明安，黃來明，裴艷武，張應(yīng)龍

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義 563006；4. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；5. 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；6. 陜西省神木縣生態(tài)協(xié)會，陜西神木 719399）

溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移既受物理化學(xué)過程的影響，又受生物活動和人為管理措施的影響[1]。研究溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移過程、規(guī)律和機(jī)理對于理解地球關(guān)鍵帶養(yǎng)分循環(huán)和污染物遷移具有重要意義[2]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤中溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行了大量研究，建立了不同空間尺度下土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型[3]，揭示了溶質(zhì)在均質(zhì)和非均質(zhì)土壤中運(yùn)移過程的差異及其影響因素[4]，闡明了不同流速和孔隙狀況下溶質(zhì)運(yùn)移變化機(jī)理與調(diào)控策略[5]。此外，李保國等[1]系統(tǒng)綜述了溶質(zhì)運(yùn)移模型在鹽堿土改良、土壤養(yǎng)分管理、非點(diǎn)源污染評價等方面的應(yīng)用。土壤中溶質(zhì)遷移受土壤物理性質(zhì)（容重、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、水分含量）、溶質(zhì)類型、降水特征、生物活動、地形以及土地利用等諸多因素的影響。準(zhǔn)確估算溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)是研究可溶性物質(zhì)在多孔介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的前提，是評價和預(yù)測養(yǎng)分與污染物時空分布的基礎(chǔ)。近年來穿透曲線法、邊界層法和截距法被廣泛用于求解對流—彌散方程（CDE）參數(shù)，為定量研究農(nóng)用化學(xué)物、養(yǎng)分離子或污染物在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化提供了重要手段。

黃土高原北部晉、陜、蒙接壤區(qū)是典型的水蝕風(fēng)蝕交錯帶和生態(tài)脆弱區(qū)。自1999年退耕還林（草）工程實(shí)施以來，該區(qū)植被蓋度顯著增加，土壤侵蝕和荒漠化得到有效控制。研究表明，植被恢復(fù)與生態(tài)重建過程對土壤性質(zhì)演化、水分循環(huán)以及溶質(zhì)運(yùn)移都具有重要影響，并且這些不同過程之間存在交互作用。例如，李志明等[6]發(fā)現(xiàn)土壤容重變化影響土壤孔隙狀況，從而改變土壤水分入滲規(guī)律和溶質(zhì)運(yùn)移特征。沈紫燕等[7]研究指出隨著前期土壤含水量的增加，初始產(chǎn)流時間提早，徑流中溴離子和磷流失量也隨之增大。以往對土壤溶質(zhì)運(yùn)移的研究主要集中在以下三個方面：（1）土壤性質(zhì)變化對土壤溶質(zhì)運(yùn)移的影響；（2）溶質(zhì)運(yùn)移模型的應(yīng)用與模型參數(shù)估算方法；（3）養(yǎng)分和污染物在土壤中的富集與流失規(guī)律及其影響因素。然而，關(guān)于區(qū)域不同土質(zhì)和植被類型下土壤性質(zhì)差異如何影響溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)與運(yùn)移特征目前尚不清楚，這將限制區(qū)域養(yǎng)分循環(huán)模型和污染物遷移模型的精度和發(fā)展。本文利用通量濃度穿透曲線（PTC）估算土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的方法，對陜北神木六道溝小流域與圪丑溝小流域不同土質(zhì)（砂土和壤土）和植被類型下（喬、灌、草）土壤溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行了研究，探討了影響土壤溶質(zhì)運(yùn)移的主要因素，以期為該區(qū)不同質(zhì)地土壤人工植被合理布局提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于陜西省神木市六道溝小流域（38°46′–38°51′N，110°21′–110°23′E）和圪丑溝小流域（38°53′–38°57′N，109°22′–109°27′E），地處黃土高原與毛烏素沙地過渡地帶，屬水蝕風(fēng)蝕交錯帶和典型生態(tài)脆弱區(qū)。該區(qū)氣候?yàn)闇貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量小于450 mm。六道溝小流域位于陜西省神木市以西約14 km處，平均海拔高度為1 178 m。年均氣溫8.4 ℃，年降雨量442 mm，主要分布在7—9月份，約占全年降雨量的70%～80%。流域地貌類型為片沙覆蓋的黃土丘陵，土壤類型主要劃分為鈣積正常干旱土和簡育正常干旱土。自大規(guī)模退耕還林（草）工程實(shí)施以來，流域內(nèi)植被以人工林草植被為主，主要植被類型包括杏樹（Prunus armeniacaL）、長茅草（Imperata cylindrica）、檸條（Caragana Korshinskii Kom）、苜蓿（Tribulus terrestrisL）等[8]。

圪丑溝小流域位于神木市錦界鎮(zhèn)西南約23 km處，平均海拔高度為1 265 m。年均氣溫9.1 ℃，年降水量420 mm，主要集中在7—9月，約占全年降雨量的60%～75%。該區(qū)域地形起伏較小，沙丘呈帶狀分布，多以低矮沙丘為主。土壤類型主要為干旱砂質(zhì)新成土。區(qū)域內(nèi)植被主要以次生人工林草為主，包括沙柳（Salix psammophila）、紫穗槐（Amorpha fruticose Linn）、長柄扁桃（Amygdalus pcdunculataPall）、沙蒿（Artemisia desterorum Spreng）、狗尾草（Setaria viridis）和芒草（Stipa bungeana）等[9]。

1.2 樣品采集與分析

選取六道溝和圪丑溝流域內(nèi)典型的喬木林地、灌木林地和草地，分別挖掘1.2 m深土壤剖面。六道溝小流域壤土樣地不同植被分別為杏樹、檸條和長茅草，樣地編號分別記為L-AR、L-SH和L-GR。圪丑溝小流域砂土樣地不同植被分別為樟子松、沙柳和沙蒿，樣地編號分別記為S-AR、S-GR和S-SH。在野外對土壤剖面進(jìn)行分層描述后，用有機(jī)玻璃柱（H=25 cm，D=7 cm）采集原狀土柱，采樣間隔為20 cm，采樣時每個有機(jī)玻璃柱上端空出5 cm。由于六道溝小流域1 m以下土壤出現(xiàn)大量碳酸鈣結(jié)核，無法采集原狀土柱，因此，所有剖面原狀土柱的采集深度均統(tǒng)一為1 m深，每個剖面采集5個原狀土柱，用于CT掃描和溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)。此外，用環(huán)刀和布袋分別采集原狀土和擾動土，1 m以內(nèi)采樣間隔為10 cm，1 m以下采樣間隔為20 cm，用于基本理化性質(zhì)分析。在喬木、灌木、草地樣地中分別選取10 m×10 m、5 m×5 m、2 m×2 m的樣方，同時在每個樣地隨機(jī)設(shè)置3個重復(fù)樣方，對樣方內(nèi)植物地上部生長狀況進(jìn)行調(diào)查。植物根系采用根鉆（D=9 cm，H=10 cm）法進(jìn)行采集，采用同心圓法對距離基莖5 cm、50 cm 和100 cm處的植物根系分布進(jìn)行采樣調(diào)查。每個樣地選擇3棵長勢一致的植物，每棵植物選擇3個不同方向進(jìn)行根系采集，采樣深度間隔10 cm，直到多次取樣（>3次）土壤中沒有發(fā)現(xiàn)根系為止。將環(huán)刀放置于烘箱中，105 °C下烘至恒重，測定土壤容重（BD）和質(zhì)量含水量（SWC）。擾動土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，挑去枯枝落葉、根系和礫石，磨碎后分別過2 mm、1 mm和0.25 mm篩備用。土壤有機(jī)碳（SOC）用重鉻酸鉀氧化法，全磷（TP）用 NaOH 熔融―鉬銻抗比色法，土壤顆粒組成采用MS2000激光粒度儀測定，并根據(jù)國際制質(zhì)地分類劃分黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和砂粒（2～0.02 mm）。采用飛利浦MX16型CT掃描儀對原狀土柱進(jìn)行掃描，儀器參數(shù)設(shè)置為140 kV、200 mAs和21.4 s，以獲得1 mm的詳細(xì)低噪聲投影，X射線束寬度或切片厚度為1 mm。原狀土柱的孔隙參數(shù)提取過程在Image J（1.48版本）軟件中進(jìn)行。以圓形選擇工具用來選取圖片的目標(biāo)區(qū)域，然后刪除目標(biāo)區(qū)域外的部分以消除有機(jī)玻璃柱壁對周圍土體的影響并減小硬化射束的干擾。有機(jī)玻璃柱內(nèi)不同密度的物質(zhì)在圖片中呈現(xiàn)出不同的灰度值。本研究設(shè)定灰度閾值對土壤中不同密度的物質(zhì)進(jìn)行分離?；叶戎敌∮?0的部位被視為土壤孔隙，大于40的屬于非孔隙部分，如土壤基質(zhì)，石粒，活根等，需要根據(jù)具體的掃描圖像的灰度進(jìn)行判斷。由于CT分辨率的限制，ImageJ分析的孔隙均被劃分為大孔隙。采用SPSS 18.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 9制圖軟件繪圖。

1.3 CDE模型理論基礎(chǔ)

出流液的相對濃度隨孔隙體積的變化曲線稱為穿透曲線（PTC），PTC的形狀可以反映溶質(zhì)與土壤間的相互作用，也能直觀表示溶質(zhì)在運(yùn)移過程中的濃度變化。采用CDE模型對不同土質(zhì)和植被類型下PTC進(jìn)行擬合，運(yùn)用CXTFIT程序求解溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。溶質(zhì)運(yùn)移分析基于簡化的對流彌散方程（CDE）：

PTC可以定量描繪出流液溶質(zhì)相對濃度（C/C0）與相對時間的關(guān)系，其中C0為入流液溶質(zhì)的濃度，C為出流液溶質(zhì)濃度，L為土柱長度，R為阻滯因子，t為流動時間，V為平均孔隙水流速，x為流動距離，D為水動力彌散系數(shù)。彌散性（λ）和沛克萊數(shù)（Pe）通過D、V和L計算獲得：

CXTFIT是美國鹽土實(shí)驗(yàn)室研制的用于研究一維土壤溶質(zhì)運(yùn)移的計算機(jī)軟件。CXTFIT基于Levenberg-Marquardt算法，采用非線性最小二乘法的函數(shù)優(yōu)化方法，對溶質(zhì)混合置換試驗(yàn)所得到的PTC進(jìn)行擬合，求解模型參數(shù)，預(yù)測土壤中溶質(zhì)隨時間和空間的濃度分布規(guī)律。由于氯離子化學(xué)性質(zhì)不活潑且為負(fù)價，所以本試驗(yàn)以CaCl2為供試液，通過垂直土柱易混置換法對不同土質(zhì)（砂土和壤土）和植被類型下（喬、灌、草）原狀土柱進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)方法

在室內(nèi)利用的有機(jī)玻璃柱（H=25 cm，D=7 cm）進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)。土柱上部為供水口，下部為多孔玻璃構(gòu)成的溶液淋出口。試驗(yàn)時于注水口處放置濾紙以防注水破壞上部土體結(jié)構(gòu)，同時在下部多孔玻璃上方添加薄紗布防止土粒漏出。采用馬氏瓶供水維持水頭恒定（水頭控制在3 cm），使用蒸餾水使土柱完全飽和且出流液流速穩(wěn)定后輸入0.5 mol·L–1的CaCl2供試液。實(shí)驗(yàn)開始計時以25 mL容量瓶收集出流液，記錄出流液體積，采用硝酸銀滴定法測定出流液中Cl–濃度，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合和計算溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。Cl–的初始穿透時間和完全穿透時間分別記為TS和TE。

2 結(jié) 果

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

圖1表示研究區(qū)不同土質(zhì)和植被類型樣地BD、SWC、SOC、TP和顆粒含量隨深度的變化特征。不同樣地BD均隨深度增加呈增加趨勢（圖1），BD剖面變異系數(shù)（2.5%～6.9%）均小于10%，屬于弱變異。不同樣地表層BD較低主要是由于表層植物根系和動物活動較下層更加頻繁，從而增加表層土壤孔隙度[10]。深層土壤中砂粒含量增加，砂粒BD大于一般土壤細(xì)顆粒，同時由于土壤的重力壓實(shí)作用也會增加下層BD[11]。砂土不同植被類型樣地（S-AR、S-SH和S-GR）SWC變化范圍分別為1.34%～3.13%（圖1），與毛烏素沙地東南邊緣沙地SWC（0.50%～3.50%）[12]接近。壤土不同植被類型樣地（L-AR、L-SH和L-GR）SWC顯著高于砂土樣地，變化范圍分別為4.84%～11.49%（圖1），與劉志鵬和邵明安[13]在黃土高原六道溝小流域測定的SWC（6.64%～10.92%）接近。不同樣地SOC含量在0～40 cm土層內(nèi)均隨深度增加而顯著降低，40 cm土層以下基本趨于穩(wěn)定（圖1）。表層SOC含量較高主要?dú)w因于地表枯落物、根系分泌物和微生物生物量的輸入[14]。研究區(qū)不同土質(zhì)和植被類型下SOC含量（0.61～6.35 g·kg–1）與紙坊溝小流域SOC含量（1.9～6.7 g·kg–1）[15]接近，但顯著低于黃土高原東南部半濕潤地區(qū)SOC含量（4.82～11.9 g·kg–1）[16]。不同樣地TP平均含量范圍為0.14～0.59 g·kg–1，與黃土高原區(qū)域不同土地利用類型下（林地、草地、農(nóng)地）TP含量（0.53～0.61 g·kg–1）[17]接近。砂土不同植被類型樣地（S-AR、S-SH和S-GR）顆粒組成以砂粒為主，占93.1%～97.9%。壤土不同植被類型樣地（L-AR、L-SH和L-GR）顆粒組成以粉粒和砂粒為主，占77.32%～92.17%。不同樣地粉粒和砂粒含量剖面變異均較小，剖面變異系數(shù)變化范圍為4%～16%。

表1為不同土質(zhì)和植被類型樣地土壤大孔隙數(shù)、大孔隙面積比和連通性密度剖面分布特征。不同樣地土壤大孔隙數(shù)及大孔隙面積比均隨深度增加呈降低趨勢（表1）。土壤表層是植物根系和生物活動密集區(qū)，根系穿插擠壓和生物挖掘作用會形成較多大孔隙[18]。砂土不同植被類型樣地（S-AR、S-SH和S-GR）土壤大孔隙數(shù)均值分別為18、13和14個，略高于壤土不同植被類型樣地（L-AR、L-SH和L-GR）土壤大孔隙數(shù)均值（15、12和6個）。土壤大孔隙面積比表現(xiàn)出與大孔隙數(shù)一致的變化趨勢。較粗的土壤質(zhì)地代表較為良好的土壤孔隙狀況。砂土樣地0～40 cm土壤大孔隙數(shù)及大孔隙面積比表現(xiàn)為S-AR > S-GR > S-SH，40 cm以下表現(xiàn)為S-AR > S-SH > S-GR，而壤土樣地不同深度土壤大孔隙數(shù)及大孔隙面積比均表現(xiàn)為L-AR > L-SH > L-GR。李宗超和胡霞[19]研究表明，由于植被根系分布的差異，灌叢下土壤孔隙度遠(yuǎn)高于草地。本研究中砂土樣地S-GR 0～40 cm土壤大孔隙數(shù)卻高于S-SH（表1），這可能與表層SWC含量較低（圖1），限制了灌木根系發(fā)育有關(guān)。土壤大孔隙數(shù)及大孔隙面積比屬于土壤孔隙二維指標(biāo)，僅反映了土壤中孔隙的數(shù)量及大小，因此采用土壤孔隙三維指標(biāo)連通性密度更能準(zhǔn)確地體現(xiàn)土壤孔隙狀況。不同樣地（S-AR、S-SH、S-GR、L-AR、L-SH和L-GR）孔隙連通性密度隨深度的變化趨勢與大孔隙數(shù)一致，且砂土不同植被類型樣地（S-AR、S-SH和S-GR）孔隙連通性密度高于壤土樣地（L-AR、L-SH和L-GR）。砂土樣地土壤孔隙連通性密度表現(xiàn)為S-AR > S-GR > S-SH，壤土樣地孔隙連通性密度表現(xiàn)為L-AR > L-SH > L-GR。土壤孔隙狀況很大程度受植被種類的影響，植物根系及土壤生物對土壤結(jié)構(gòu)的改善具有促進(jìn)作用，良好的孔隙連通性能夠提高土壤水分入滲能力減少地表徑流[20]。

表1 不同土質(zhì)和植被類型樣地土壤大孔隙數(shù)、大孔隙面積比及連通性密度的變化特征 Table 1 Number，ratio in area and connectivity density of macro-pores in soil relative to texture and vegetation cover

2.2 不同土質(zhì)和植被類型樣地Cl– 穿透曲線

圖2為不同土質(zhì)和植被類型樣地0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm原狀土柱 Cl–的PTC、TS和TE變化情況。不同樣地表層土壤中（0～20 cm）Cl–的TS和TE最小，隨深度增加呈現(xiàn)增大趨勢（圖2），表明溶質(zhì)在表層土壤中遷移過程受到的阻力較小，這主要取決于表層良好的孔隙狀況（表1）。同一植被類型下壤土樣地不同深度土層Cl–的TS和TE均高于砂土樣地（L-AR > S-AR；L-SH > S-SH；L-GR > S-GR），這是由于土壤機(jī)械組成決定了其孔隙分布狀況。砂土樣地質(zhì)地均勻，以粗顆粒砂粒為主（圖1），大孔隙多且孔隙連通性密度好（表1），有助于形成優(yōu)先流，溶質(zhì)在運(yùn)移過程中受到更小的阻滯效應(yīng)，TS和TE較短[21]。壤土樣地的粉粒和黏粒含量均高于砂土樣地（圖1），帶電團(tuán)聚體對離子的吸附作用及土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)小孔隙所構(gòu)成的復(fù)雜孔徑會阻礙溶質(zhì)運(yùn)移，因此TS和TE較高。從圖2可以看出，同一質(zhì)地不同植被類型下Cl–的PTC的形狀、TS和TE均不同。砂土樣地0～40 cm土層Cl–的TS和TE表現(xiàn)為樣地S-AR < S-GR < S-SH，40 cm以下表現(xiàn)為樣地S-AR < S-SH < S-GR，而壤土樣地Cl–的TS和TE在不同深度土層均表現(xiàn)為樣地L-AR < L-SH < L-GR，這主要與不同類型植 被的根系分布特征有關(guān)。由根鉆法獲得的砂土樣地0～40 cm 土層根系生物量表現(xiàn)為 S-AR（277.4 g·m–2）> S-GR（131.6 g·m–2）> S-SH（112.6 g·m–2），而40 cm以下土層根系生物量表現(xiàn)為S-AR（84.5 g·m–2）> S-SH（77.2 g·m–2）> S-GR（40.1 g·m–2）。壤土樣地不同深度土層植物根系生物量均表現(xiàn)為樣地L-AR > L-SH > L-GR，0～100 cm剖面（L-AR、 L-SH和L-GR）根系總生物量分別為422.5，370.2和196.5 g·m–2。根系的機(jī)械穿透作用對于土壤孔隙數(shù)量和孔隙連通性密度具有顯著影響。不同質(zhì)地土壤喬木根系粗壯，分布范圍廣，根系穿透與擠壓作用產(chǎn)生的大孔隙數(shù)量多且孔隙連通性良好（表1），因此Cl–的TS和TE相對較短，PTC的峰值向左偏移（圖2）。砂土樣地0～40 cm土層草地根系生物量卻高于灌木林地，這可能是由于砂土表層SWC較低，限制了高生物量的灌木根系的發(fā)育。不同土質(zhì)和植被類型樣地的PTC均呈現(xiàn)出逐漸平緩的趨勢，表明溶質(zhì)在土柱中的遷移擴(kuò)散程度不斷降低[22]。

2.3 不同土質(zhì)和植被類型樣地Cl–運(yùn)移參數(shù)

利用CXTFIT軟件對Cl–的PTC進(jìn)行擬合，所得到的溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)能夠量化和反映溶質(zhì)運(yùn)移過程及其變化特征。表2為不同土質(zhì)和植被類型樣地（S-AR、S-SH、S-GR、L-AR、L-SH和L-GR）Cl-運(yùn)移參數(shù)（擬合曲線所得到的SSQ（殘差平方和）值介于0.0002～0.0063，R2（決定系數(shù)）介于0.93～0.99之間）。從表2可以看出，不同植被類型下土壤溶質(zhì)V不同，這與陳曉冰等[23]在紫色砂巖區(qū)的研究結(jié)果一致。陳曉冰等[23]指出不同類型植物根系分布不同，從而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況具有差異，因此不同類型植被下土壤優(yōu)先路徑數(shù)量和發(fā)育程度均不同（表現(xiàn)為針闊混交林 > 竹林 > 草地）。然而，不同類型植物根系的生長發(fā)育受土壤質(zhì)地、養(yǎng)分狀況和SWC的綜合影響，因此，本研究中砂土和壤土不同植被類型樣地V變化規(guī)律并不完全一致（表2）。同一植被類型下砂土樣地中Cl–運(yùn)移的V均高于壤土樣地（S-AR > L-AR；S-SH > L-SH；S-GR > L-GR），這是由于砂土質(zhì)地較壤土粗（圖1），大孔隙數(shù)量及孔隙連通性密度高于壤土（表1），因而溶質(zhì)運(yùn)移受到的阻力較小。劉慶玲和徐紹輝[24]通過研究不同質(zhì)地土壤中溶質(zhì)運(yùn)移過程，同樣發(fā)現(xiàn)砂土中溶質(zhì)V高于壤土。D是綜合表征溶質(zhì)和土壤特性的參數(shù)，它既與多孔介質(zhì)和溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，又受V的影響。同一質(zhì)地土壤不同植被類型間或同一植被類型不同質(zhì)地土壤間D的變化規(guī)律與V的變化規(guī)律相同。有學(xué)者研究表明[25]，D與V的平方成正比[26]，這與本研究所得到的結(jié)果一致。不同土質(zhì)和植被類型樣地（S-AR、S-SH、S-GR、L-AR、L-SH和L-GR）Pe的變化范圍分別為20.97～25.27、13.70～22.98、19.24～20.85、13.96～22.49、5.81～25.38和9.70～21.02。Pe代表了對流傳質(zhì)貢獻(xiàn)與擴(kuò)散傳質(zhì)貢獻(xiàn)的比值，當(dāng)Pe大于1時，對流效應(yīng)在確定總質(zhì)量通量方面的貢獻(xiàn)超過擴(kuò)散效應(yīng)，表明溶質(zhì)運(yùn)移的主要方式是對流[27]。

表2 不同土質(zhì)和植被類型樣地土壤剖面Cl–運(yùn)移參數(shù) Table 2 Cl– transport parameters in soil relative to texture and vegetation cover

2.4 土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的影響因素

表3為不同土質(zhì)和植被類型樣地溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)和土壤基本理化性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果。從表3可以看出，BD與V、D呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TE、TS呈極顯著正相關(guān)，而大孔隙數(shù)和連通性密度與V、D呈極顯著正相關(guān)，與TE、TS呈極顯著負(fù)相關(guān)。容重與土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況密切相關(guān)，容重越小，孔隙數(shù)量及孔隙連通性越好，溶質(zhì)在土壤中的遷移速度越快[28]。SWC與TE和TS呈極顯著正相關(guān)，王巖等[29]研究表明，含水量越低，濕潤鋒不穩(wěn)定的土壤中溶質(zhì)易出現(xiàn)較早的初始穿透。SOC與V、D呈極顯著正相關(guān)，與TE、TS呈極顯著負(fù)相關(guān)。SOC為植物根系生長提供重要的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)根系發(fā)育，有利于大孔隙的形成。同時，SOC含量高，土壤質(zhì)地疏松且孔隙結(jié)構(gòu)良好，溶質(zhì)運(yùn)移過程中受到的阻力較小，運(yùn)移速度較快且彌散作用強(qiáng)，因此完成運(yùn)移的時間也較短[30]。砂粒含量與V、Pe呈極顯著正相關(guān)，與TE、TS呈極顯著負(fù)相關(guān)，而粉粒和黏粒含量則與其結(jié)果相反。土壤顆粒組成反映了土壤質(zhì)地狀況，砂粒含量越高，土壤中大孔隙數(shù)量越多，從而有利于形成優(yōu)先路徑，溶質(zhì)運(yùn)移速度越快。相反，土壤中粉粒和黏粒則會產(chǎn)生較多的細(xì)小孔徑，彌散強(qiáng)度增大，阻礙溶質(zhì)在土體中的運(yùn)移[31]。

表3 土壤性質(zhì)和Cl–運(yùn)移參數(shù)的相關(guān)性 Table 3 Relationships between soil properties and Cl– transport parameters

3 討 論

黃土高原北部是典型的水蝕風(fēng)蝕交錯帶和生態(tài)脆弱區(qū)，研究該區(qū)域不同土質(zhì)和植被類型下土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程對深入理解地球關(guān)鍵帶養(yǎng)分循環(huán)和污染物遷移具有重要意義。本文對陜北神木六道溝小流域與圪丑溝小流域不同土質(zhì)（砂土和壤土）和植被類型下（喬、灌、草）土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程及其主要影響因素進(jìn)行研究，以期為研究區(qū)植被合理配置和養(yǎng)分管理提供依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，同一質(zhì)地土壤不同植被類型樣地Cl–的運(yùn)移規(guī)律不同。砂土不同植被類型樣地0～40 cm土層Cl–的TS和TE表現(xiàn)為S-AR < S-GR < S-SH，40 cm以下表現(xiàn)為S-AR < S-SH < S-GR，而壤土不同植被類型樣地剖面不同深度Cl–的TS和TE均表現(xiàn)為L-AR < L-SH < L-GR。砂土樣地Cl–運(yùn)移的V剖面平均值表現(xiàn)為S-AR（1.67 cm·h–1）> S-GR（1.51 cm·h–1）> S-SH（1.23 cm·h–1），而壤土樣地則相反，V剖面平均值表現(xiàn)為L-AR（1.04 cm·h–1）> L-SH（1.03 cm·h–1）> L-GR（0.76 cm·h–1）。陳曉冰等[23]指出不同類型植物根系分布不同，從而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況具有差異。韓路等[32]研究表明，不同植被類型土壤孔隙度表現(xiàn)為喬木林地 > 灌木林地 > 草地，并指出喬木林地下土壤優(yōu)先路徑數(shù)量和發(fā)育程度均最高，因此Cl–運(yùn)移的V最大，TS和TE最短，PTC的峰值向左偏移，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。此外，不同植被類型下土壤入滲能力存在差異[33]，喬木林地較高的入滲速率進(jìn)一步促進(jìn)了溶質(zhì)運(yùn)移。然而，根系發(fā)育狀況是土壤質(zhì)地，養(yǎng)分和水分綜合作用的結(jié)果。本研究中砂土樣地0～40 cm土層根系生物量表現(xiàn)為S-AR（277.4 g·m–2）> S-GR（131.6 g·m–2）> S-SH（112.6 g·m–2），而40 cm以下土層根系生物量表現(xiàn)為S-AR（84.5 g·m–2）> S-SH（77.2 g·m–2）> S-GR（40.1 g·m–2）。壤土樣地不同深度土層植物根系生物量均表現(xiàn)為L-AR > L-SH > L-GR，0～100 cm剖面根系總生物量表現(xiàn)為L-AR（422.5 g·m–2）> L-SH（370.2 g·m–2）> L-GR（196.5 g·m–2）。由于喬、灌、草根系在不同質(zhì)地土壤中剖面分布不同，導(dǎo)致土壤孔隙數(shù)量和孔隙連通性密度具有顯著差異，因此，砂土和壤土不同植被類型樣地Cl–運(yùn)移規(guī)律并不完全一致。上述結(jié)果表明，不同植被類型樣地養(yǎng)分管理應(yīng)依據(jù)土壤中養(yǎng)分離子和溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律采取不同的策略。趙護(hù)兵等[34]指出植被通過影響土壤孔隙分布和優(yōu)先流路徑進(jìn)而影響?zhàn)B分的流失，不同植被類型對養(yǎng)分流失的影響不同，且養(yǎng)分流失的類型、形態(tài)和途徑也不相同，應(yīng)合理配置植被從而降低養(yǎng)分流失風(fēng)險。

除了植被類型對溶質(zhì)在土壤中的遷移產(chǎn)生影響，土壤質(zhì)地對溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律也具有重要影響。同一植被類型下壤土樣地不同深度土層Cl–的TS和TE均高于砂土樣地（L-AR > S-AR；L-SH > S-SH；L-GR > S-GR），而砂土樣地中Cl–運(yùn)移的V均高于壤土樣地（S-AR > L-AR；S-SH > L-SH；S-GR > L-GR）。這是由于土壤的機(jī)械組成決定了其孔隙分布狀況。砂土樣地質(zhì)地均勻，以粗顆粒砂粒為主，大孔隙多且孔隙分布連續(xù)性好，有助于形成優(yōu)先流，溶質(zhì)在運(yùn)移過程中受到更小的阻滯效應(yīng)，初始穿透時間和完成置換時間較短。相反，壤土中帶電團(tuán)聚體對離子的吸附作用及土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)小孔隙所構(gòu)成的復(fù)雜孔徑會阻礙溶質(zhì)運(yùn)移，因此壤土樣地Cl–運(yùn)移的V較低，而TS和TE較高。溫以華[31]研究發(fā)現(xiàn)，Cl–在黏粒含量較高的黃綿土中運(yùn)移速率遠(yuǎn)低于砂粒含量較高的風(fēng)沙土。劉慶玲和徐紹輝[24]通過研究不同質(zhì)地土壤中溶質(zhì)運(yùn)移過程，同樣發(fā)現(xiàn)砂土中溶質(zhì)運(yùn)移速率高于壤土。由于砂土中溶質(zhì)運(yùn)移速率較壤土高，這在一定程度上反映了砂土中養(yǎng)分流失風(fēng)險較大。章明奎和方利平[35]通過田間觀測和模擬淋洗試驗(yàn)表明，砂土中養(yǎng)分極易隨水遷移，很容易在短時間內(nèi)沿剖面遷移至地下水或隨地表徑流遷移至周圍水體，并且高濃度的養(yǎng)分流失常發(fā)生在施肥后的降雨過程中。因此，在砂質(zhì)土壤上應(yīng)避免高量施肥，肥料宜少量多次施用，不宜在雨前施用肥料。對不同土質(zhì)和植被類型樣地（S-AR、S-SH、S-GR、L-AR、L-SH和L-GR）溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)和土壤基本理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：土壤物理性質(zhì)（BD，大孔隙數(shù)，連通性密度，SWC，SOC，顆粒組成）與Cl–運(yùn)移參數(shù)（V、D、TE和TS）顯著相關(guān)。李卓等[28]、李雪轉(zhuǎn)和樊貴盛[36]對不同容重和有機(jī)質(zhì)含量的土壤入滲能力進(jìn)行分析，結(jié)果表明，入滲速度與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，與容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。張叢志等[37]研究表明質(zhì)地越黏重，其土壤孔隙平均水流速則越慢。王巖等[29]研究了不同初始含水量的土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程，結(jié)果表明，較低的土壤含水量會導(dǎo)致較早的初始穿透現(xiàn)象。

綜上所述，同一質(zhì)地土壤不同植被類型樣地植物根系分布與土壤性質(zhì)的交互作用影響溶質(zhì)運(yùn)移過程；同一類型植被不同質(zhì)地土壤樣地溶質(zhì)運(yùn)移狀況主要取決于土壤本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。明確黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)不同土質(zhì)和植被類型下土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程及其影響因素可為該區(qū)植被合理配置提供依據(jù)，同時對于深入理解黃土關(guān)鍵帶養(yǎng)分循環(huán)和污染物遷移的具有重要作用。

4 結(jié) 論

同一質(zhì)地不同植被類型條件下Cl–運(yùn)移速率與穿透時間不同，這是由于砂土和壤土中不同類型植物根系剖面分布與生物量均具有顯著差異，進(jìn)而影響土壤中大孔隙數(shù)量與優(yōu)先流路徑。同一植被類型不同質(zhì)地土壤中Cl–運(yùn)移特征也具有顯著差異，這是由于土壤機(jī)械組成影響孔隙分布狀況，砂土中大孔隙多且孔隙分布連續(xù)性好，有助于形成優(yōu)先流，而壤土中細(xì)顆粒帶電團(tuán)聚體對離子具有吸附作用以及細(xì)小孔隙所構(gòu)成的復(fù)雜孔徑會阻礙Cl–運(yùn)移。此外，BD、大孔隙數(shù)、連通性密度、SOC和顆粒組成（砂粒、粉粒和黏粒含量）均與Cl–運(yùn)移參數(shù)（V、TS和TE）顯著相關(guān)，表明土壤物理性質(zhì)顯著影響不同土質(zhì)和植被類型下Cl–運(yùn)移特征。因此，在黃土高原地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)時應(yīng)充分考慮不同質(zhì)地土壤下植被合理布局與配置，從而降低養(yǎng)分流失風(fēng)險，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。