黃河三角洲刺槐群落土壤優(yōu)先流及養(yǎng)分分布特征

解璐萌,張英虎,張明祥,張振明,*

1 北京林業(yè)大學生態(tài)與自然保護學院,北京 100083 2 南京林業(yè)大學林學院,南京 210037 3 北京林業(yè)大學黃河流域生態(tài)保護國家林業(yè)和草原局重點實驗室,北京 100083

黃河三角洲鹽沼濕地是太平洋西海岸重要的生態(tài)屏障,為東亞-澳大利西亞遷飛區(qū)候鳥提供大量棲息地,具有很高的生態(tài)和社會價值[1]。黃河三角洲濕地地下水埋藏淺礦化度高[2],蒸發(fā)量大,可溶性鹽類易隨水流上升蒸發(fā)、濃縮[3],加上人為活動和氣候變化的影響,濕地退化、土壤鹽堿化[4]等問題不容忽視。這些問題的出現(xiàn)會影響濕地生態(tài)功能的發(fā)揮,改變濕地內部及濕地斑塊之間的水文連通性[5]。基于對濕地修復的需求,眾多學者從較大尺度研究了黃河三角洲水文連通特征[6- 8],但小尺度水文效應往往會制約大尺度水文連通性。

土壤理化性質的異質性,如土壤質地、結構、大孔隙度、容重等會導致水分和溶質的傳輸移動速度出現(xiàn)變化[9- 11],該變化也與土壤連通孔隙網密切相關[12],土壤中動物洞穴、植被根系形成的根孔隙通道沿土壤剖面垂向分布,導水效應顯著,這種水分和溶質繞過土壤基質非均勻流動現(xiàn)象稱為優(yōu)先流[13]。土壤優(yōu)先流不僅會影響地表水和地下水的稀缺性和安全性,而且還影響到土壤中物理水文過程,更好地理解優(yōu)先流有助于理解土壤的生態(tài)和水文功能。研究表明,優(yōu)先流現(xiàn)象可以在土壤中穩(wěn)定存在數十年[14],導致土壤優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)之間的生物化學參數存在差異[15-16],容易造成資源的異質化,土壤優(yōu)先流聯(lián)結驅動的植被與土壤水分、養(yǎng)分之間的動態(tài)耦合機制,是影響群落組成結構、分布格局與演變過程的重要驅動力[17]。與土壤基質流區(qū)相比,森林土壤優(yōu)先流區(qū)具有較高的微生物生物量、有機碳含量和較高的氮循環(huán)速率[18]。黃河三角洲區(qū)域土壤優(yōu)先流的研究對土壤養(yǎng)分運移和分布的關注度不高,如果能更廣泛地考慮土壤物理、土壤化學、土壤生物學和植物生理學的作用,可以更好地評價和預測土壤水文學中的優(yōu)先流[19]。

在相關研究當中,染色示蹤技術是標記濕地優(yōu)先流路徑的常用方法[20-21],相比較計算機斷層掃描技術和核磁共振技術,該方法操作方便,節(jié)省資源。本研究應用染色示蹤技術,結合圖像定量分析,得到土壤剖面指標,揭示黃河三角洲刺槐群落垂向土壤優(yōu)先流特征,了解該區(qū)域小尺度水文連通狀況；并結合土壤性質,探究土壤優(yōu)先流和土壤養(yǎng)分分布的關系,為保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供理論指導。

1 研究區(qū)地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東營市黃河三角洲國家級自然保護區(qū)(圖1),地理坐標為37°35′—38°12′ N、118°33′—119°20′ E。保護區(qū)內主要劃分為陸上、潮灘、潮下帶3種地貌類型,主要土壤類型為潮土和鹽土,成土母質為黃河沖積物。氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明,冬寒夏熱,降水量年際變化大,季節(jié)分配不均。

保護區(qū)內植被類型主要包括落葉闊葉林、沼澤植被和鹽生植被,其中刺槐林主要為人工林,分布在一千二、大汶流自然保護區(qū)和黃河故道東側,是我國現(xiàn)存面積最大的刺槐人工林[22]。其中黃河口管理站刺槐林林齡平均在20a以上,黃河故道東側刺槐林林齡在20a,分布生境多系由黃河泛濫改道形成的新淤土地,海拔高2—3 m,土壤肥沃,土壤含鹽量在0.3%以下。

圖1 研究區(qū)位置及刺槐群落植被長勢Fig.1 Location of the study area and situation of Robinia pseudoacacia Linn community

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設

在刺槐群落(經緯度：37°48′00″ N,119°00′45″ E,海拔：4.0 m)中隨機選擇了CH1、CH2、CH3(相距大于3 km)3個小區(qū),小區(qū)內地勢平坦、濕地斑塊常年無積水,實驗前一周沒有降水,除去樣地內雜草及枯落物,除雜過程中盡量減少對土壤表面的擾動,以樣樹為中心,設置面積大小為1.2 m×1.2 m的正方形樣方。

1.2.2野外染色實驗

配置濃度為4 g/L,體積為50 L的亮藍溶液,使用人工噴壺均勻施加至樣方土壤表面,待亮藍染色示蹤液施加完成后,用塑料薄膜覆蓋樣方,以減少降雨沖刷或地表蒸發(fā)。待亮藍染色液施加24 h之后,選取樣地中間部分1.0 m×1.0 m(長和寬)為研究采樣區(qū),以消除邊界效應,開挖垂向剖面。垂向剖面切片之間距離為10 cm,在0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm處共開挖6個垂向剖面,垂向剖面制取、修正完畢之后,用數碼相機拍照,垂向剖面最低開挖深度視亮藍最大染色深度而定,野外染色樣地實驗圖見圖2。

1.2.3土壤理化測定

實驗開始前,從每個小區(qū)取3個土壤柱,密封保存后帶回實驗室；染色實驗開始后,用標準環(huán)刀(100 cm3)在優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)進行3次重復取樣,所有土樣密封后帶回實驗室,以待樣品分析。相關指標測量方法參考Vogt等人使用的方法[23],并根據《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準》進行調整。研究區(qū)域土壤理化性質見表1。

表1 刺槐群落土壤理化性質

圖2 染色實驗及染色剖面處理圖Fig.2 Dyeing experiment and dyeing profile treatment

1.3 圖像處理

利用Photoshop CC 2018 軟件,將土壤垂向剖面圖片做幾何校正,圖片大小統(tǒng)一剪裁為100 cm×70 cm大小,對應像素為5000×3500,然后調整色相(135)、飽和度(100)、明度(45)等參數,調整閾值色階,得到黑白二相圖(圖3),使染色區(qū)域為黑色,未染色區(qū)域為白色；再利用專業(yè)圖像Image-Pro Plus 6軟件,對圖像進行黑白像素數量統(tǒng)計,并計算不同深度的染色面積比,測量最大染色深度等優(yōu)先流特征指標。

圖3 黑白二相圖Fig.3 Black and white biphasic diagram

1.4 數據處理

利用SPSS 20.0軟件進行均值、標準差等計算,同時對數據進行顯著性及相關性檢驗；利用Sigmaplot 12.0和Photoshop CC 2018軟件作圖。圖表中數據為平均值±標準差。

水文在土壤中的垂向運動受重力影響,本研究以土壤染色面積比、優(yōu)先流區(qū)染色面積比、基質流深度和最大染色深度作為土壤優(yōu)先流特征指標,計算公式引自相關研究[11],具體計算如下：

(1)染色面積比(DC)

染色面積比是優(yōu)先流指數的最基本特征參數,其變化反映了土壤剖面優(yōu)先流強度,在某種程度上可以揭示小尺度水文連通性大小。

DC=[D÷(D+ND)]×100%

式中,DC表示染色面積比；D表示染色面積；ND表示未染色面積。

(2)優(yōu)先流區(qū)染色面積比

優(yōu)先流區(qū)染色面積占圖像總面積的百分比。

DCpf=(Dpf÷S)×100%

式中,DCpf表示優(yōu)先流區(qū)染色面積比,%；Dpf表示優(yōu)先流區(qū)染色面積,cm2；S表示圖像總面積,cm2。

(3)優(yōu)先流百分數

優(yōu)先流百分數是指優(yōu)先流區(qū)染色面積占圖像中總染色面積的百分比。

PF-fr=(1-100·UniFr/STot)·100%

式中,PF-fr表示優(yōu)先流百分數,%；UniFr表示基質流深度,cm；STot表示總染色面積,cm2；100表示土壤垂向剖面寬度為100 cm。

(4)基質流深度(UniFr)

當染色面積比降低至80%時,水流運動過程主要為基質流,其水流運動深度成為基質流深度,單位為cm。

(5)最大染色深度

最大染色深度是指土壤垂直剖面上,示蹤液達到的最大深度,單位為cm。

(6)百分之五十染色深度

染色面積比在50%時,所對應的水流運動深度,單位是cm,是描述優(yōu)先流快速運動特征的指標。

(7)最大染色深度/百分之五十染色深度

無量綱數值,其值越大,優(yōu)先流現(xiàn)象在較深土層越明顯。

2 結果與分析

2.1 刺槐群落垂向剖面優(yōu)先流特征

2.1.1優(yōu)先流分布特征

野外剖面染色模式(圖4)揭示了染色溶液在土壤中的運移情況。由圖4可知,在刺槐的3個群落中,染色液可以沿著大孔隙快速穿透土壤層,繞過大部分土壤基質,存在明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象。該區(qū)域刺槐群落優(yōu)先流類型有兩種：(1)大部分垂直剖面在10—20 cm、20—40 cm可以觀察到染色示蹤物呈現(xiàn)“舌狀”和“指狀”,判定刺槐群落優(yōu)先流類型為指流,說明該區(qū)域土壤中孔隙較多,砂質含量高,也可能是由于土壤飽和導水率下層大于上層。(2)小部分剖面如CH1第3和第5剖面,存在管流現(xiàn)象,染色范圍零形狀分布,管流與壤中流存在密切聯(lián)系,且多數發(fā)生在土壤底部。說明群落土壤表面及內部存在裂隙,為染色液的流動提供優(yōu)先流路徑,導致土壤深層存在染色特征。

除去離樣樹中心較遠的第1,第2和第6剖面外,可以觀察到,在0—10 cm土壤垂直剖面上,染色面積明顯大于其余剖面,土壤均勻染色面積較大,均勻染色深度較深,說明優(yōu)先流和基質流相互作用較強,導致兩區(qū)水流擴散能力較大,基質流作用顯著,水流既能夠在可動區(qū)通過對流作用入滲,也可以在不可動區(qū)通過彌散作用,導致染色均勻。且基質流以下優(yōu)先流路徑較寬,水文連通性較高。

圖4 刺槐群落垂向剖面染色圖Fig.4 Dyeing pattern of vertical profiles in Robinia pseudoacacia Linn community

2.1.2垂向剖面優(yōu)先流相關指標

土壤垂向剖面優(yōu)先流特征指標計算結果見表2。

表2 不同樣地土壤垂直剖面優(yōu)先流指標統(tǒng)計分析

染色面積比是在一定土壤深度內土壤水平均入滲的結果,染色面積比越大,說明優(yōu)先流現(xiàn)象越不明顯[24]。不同刺槐群落土壤垂向剖面染色面積比隨土壤深度變化見圖5,總體而言,3個群落染色面積比隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)非線性減小趨勢,在土壤剖面局部位置會達到峰值。刺槐群落CH1,土壤深度0—10 cm時染色均勻,染色面積比隨著土壤深度的增加逐漸減小,土壤表層水流均勻入滲；土壤深度10—15 cm時,染色面積比隨著土壤深度的增加呈增大趨勢；土壤深度大于15 cm時,染色面積比隨著土壤深度的增加出現(xiàn)一定波動,但總體呈下降趨勢；對于刺槐群落CH2和CH3而言,染色面積比隨土壤深度呈波動下降趨勢,同一土壤深度,越靠近刺槐植被樹干,染色面積比相對較大,從一定程度上說明,遠離刺槐樹干越遠的區(qū)域植被根系,尤其是細根系分布復雜,形成的孔隙較多,使得優(yōu)先流的分布也更加復雜。刺槐群落CH1、CH2和CH3 染色面積比隨土壤深度變化差異不顯著(P>0.05)。 三塊樣地內優(yōu)先流區(qū)染色面積比不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖5 土壤剖面染色面積比隨土壤深度的變化Fig.5 The changes of dye coverage with soil depth

刺槐群落基質流深度,樣地CH1和CH3基質流深度存在顯著性差異(P=0.006<0.05),其余樣地間不存在顯著性差異。跟染色面積比相比,優(yōu)先流區(qū)染色面積比較小,說明該群落中土壤優(yōu)先流作用不強,基質流作用顯著。該群落基質流深度發(fā)生在土壤深度10—15 cm區(qū)間,說明該類型植被群落水流均勻入滲深度較大,優(yōu)先流和基質流相互作用程度大,水文連通性較高。

刺槐群落(CH2 和 CH1/CH3)不同樣地優(yōu)先流百分數存在顯著性差異(P<0.05),刺槐群落水流均勻入滲深度較大,優(yōu)先流和基質流相互作用較強,與同區(qū)域檉柳群落相比,其優(yōu)先流路徑百分數占比較小[25]。

土壤剖面最大染色深度不同樣地間不存在顯著性差異(P>0.05),刺槐群落最大染色深度均值最小,為41.01 cm,變異系數為0.13,土壤保土保水性更強,刺槐群落最大染色深度分布較淺,優(yōu)先流和周圍土壤基質相互影響較大,橫向和垂向優(yōu)先流路徑網同時開啟,孔隙網相連通,均勻染色深度較大,刺槐群落水文連通性較大。

土壤剖面百分之五十染色深度、最大染色深度/百分之五十染色深度不同樣地間不存在顯著性差異(P>0.05),刺槐群落百分之五十染色深度較高,其均值在土壤深度20 cm左右,土壤剖面染色面積比隨土壤深度并沒有快速減小,土壤深層幾乎沒有優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)土壤養(yǎng)分含量分析

圖6 優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)不同土層養(yǎng)分含量Fig.6 Content of soil nutrients in different areas

染色實驗完成后在優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)每隔10 cm分層取土樣,土層A為0—10 cm層,土層B為10—20 cm層,土層C為20—30 cm層,選取土壤有機碳(OC)、有機質(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(AP)5個指標,分析優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)其含量差異(圖7)。由圖6、圖7和表3可知,優(yōu)先流區(qū)土壤有機碳、有機質、全氮、全磷和有效磷含量值均高于基質流區(qū),土壤兩區(qū)內全氮和全磷含量差別不大。獨立樣本t檢驗結果顯示,優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)土壤有機碳(P=0.059>0.05)、有機質(P=0.059>0.05)、全氮(P=0.187>0.05)、全磷(P=0.232>0.05)和有效磷(P=0.076>0.05)含量沒有顯著性差異(95%置信區(qū)間)。

圖7 優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)養(yǎng)分含量差異Fig.7 The differences of nutrient content between different areas

表3 優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)土壤養(yǎng)分含量

2.3 優(yōu)先流對土壤養(yǎng)分含量的影響

選取土壤有機碳(A1)、有機質(A2)、全氮(A3)、全磷(A4)和有效磷(A5)5個土壤養(yǎng)分指標,與土壤中的優(yōu)先流區(qū)染色面積比進行Spearman相關性分析(表4)。分析表明,土壤優(yōu)先流路徑形成與5種養(yǎng)分指標均呈負相關關系,且有機碳、有機質和有效磷與優(yōu)先流面積比顯著相關(P<0.05)。為了進一步確定土壤養(yǎng)分含量對土壤優(yōu)先路徑形成的作用機理,以顯著性系數小于0.05為標準,篩選出有機碳、有機質、有效磷3個指標,進行主成分分析(表5)。分析可知,對土壤優(yōu)先流區(qū)面積產生影響的有1個主成分,可以解釋81.911%的方差變異情況,說明土壤中有機碳、有機質和有效磷含量在一定程度上可以衡量土壤優(yōu)先流發(fā)育水平。通過計算主成分分析變換矩陣,得主成分分析的表達式為F1=0.53A1+0.53A2+0.42A5。

表4 Spearman相關性分析結果

表5 主成分分析結果

3 討論

3.1 刺槐群落土壤優(yōu)先流分布特征

由上述實驗結果,可知刺槐群落土壤優(yōu)先流類型主要為指流,這與刺槐群落地表枯落物和腐殖質層較厚,土壤存在較強斥水性密切相關。土壤斥水性導致水流在土壤近地表層積水,短時間內土壤水勢超過孔隙進水壓力,土壤大孔隙逐漸充滿水分,即染色液在土壤近地表層積水條件下,會產生足夠大的壓力,優(yōu)先流作用會快速開啟,染色液在下滲過程中產生不穩(wěn)定濕潤峰,產生優(yōu)先流現(xiàn)象,同時土壤內夾帶的空氣壓縮也會導致指流發(fā)生[26- 27],土壤含水量較低時,指流現(xiàn)象相對明顯。強降雨條件下,空氣阻隔也是指流現(xiàn)象發(fā)生的誘導因子。另一方面,指流是重力驅使下的不穩(wěn)定現(xiàn)象,不穩(wěn)定現(xiàn)象是重力、毛細管力以及粘性力綜合作用的結果。

染色面積比隨著土壤深度的增加并不是單調遞減,而是在土壤剖面局部位置,染色面積比會突然增加,CH1染色面積比曲線表現(xiàn)較明顯,并且隨著土壤深度的增加,其值呈現(xiàn)周期性波動,總體呈下降趨勢。分析其原因,首先研究區(qū)成土母質為黃河沖積物,土壤分層明顯,層狀土壤是該區(qū)土壤普遍存在的土壤結構[28],染色面積比突然增加,說明土壤質地由粗變細,即染色液流動至土壤上松下緊接觸面,水文角度上,上松下緊接觸面稱之為水文阻隔層[29],水文阻隔層導致染色液發(fā)生橫向流動,優(yōu)先流側向入滲效應增強,水文阻隔層滯留效應顯著,染色液在水文阻隔層表面累積,染色面積比會突然增加；其次,染色面積比增加土壤局部位置中等直徑連通孔隙數量占比最多,雖然與大孔隙相比,中等孔隙優(yōu)先導水效應不顯著,但是有研究證明,當大孔隙網連通性降低或不連通時,中等孔隙連通性可能對水流運動影響顯著[30- 31],因此大量中等孔隙在土壤局部位置形成連通網,促進染色液橫向和垂向流動,染色面積比增加。

根據垂向剖面優(yōu)先流相關指標的計算結果,我們發(fā)現(xiàn)刺槐群落染色面積比、基質流深度和百分之五十染色深度的數值較大,優(yōu)先流區(qū)染色面積比較小,說明優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯,染色液均勻下滲,優(yōu)先流和基質流相互作用較高,水文連通性較好。這可能是由于刺槐群落地表枯落物和腐殖質層較厚,發(fā)生擊濺侵蝕和土壤結皮可能性較小,土壤結構功能較好；根系含量與優(yōu)先流特征密切相關,刺槐群落根系豐富,與土壤接觸面形成的孔隙以及根系自身物理分解腐爛形成的根孔隙通道相互連通,導致均勻染色面積更大[32- 33]。同時刺槐群落土壤含水量較低,有研究證明土壤初始含水量較低時,水分運動受阻,水分最大入滲深度較淺[34],導致土壤表層分布更多連通孔隙網,優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯,染色液均勻下滲。

本研究發(fā)現(xiàn)即使同一植被類型優(yōu)先流指標同樣存在一定程度的差異,這可能是由于土壤理化性質以及植被根系空間分布模式存在差異造成的,例如微觀尺度土壤飽和導水率不同會導致染色模式異質性,也有可能是因為染色液并不能夠對土壤內部水流運動路徑與土壤基質完全有效分辨。

3.2 優(yōu)先流區(qū)和基質流區(qū)土壤養(yǎng)分分布特征

優(yōu)先流現(xiàn)象的存在,容易導致養(yǎng)分向地下遷移,而不會與土壤上層的化學和生物發(fā)生相互作用[9],對區(qū)域養(yǎng)分分布有重要影響。有研究顯示,土壤中可溶性活性磷、有機碳、重金屬污染物等含量與優(yōu)先流的存在有關,優(yōu)先流流速和可溶性活性磷濃度呈正相關關系[35]；當優(yōu)先流流速過快時,養(yǎng)分的吸附可能受到限制,此時的養(yǎng)分積累可能發(fā)生在較小的優(yōu)先流路徑中[36]；優(yōu)先流對水溶性有機碳的貢獻率存在顯著正相關關系,優(yōu)先流的發(fā)育對土壤中水溶性有機碳產生運移作用,與優(yōu)先流程度評價指數呈顯著負相關關系[37]；土壤中的大孔隙也是重金屬污染物運移的優(yōu)勢通道,有研究表明土壤表層以下,重金屬分布受優(yōu)先流影響顯著,優(yōu)先流區(qū)重金屬濃度大于基質流區(qū),借助優(yōu)先流路徑極易對土壤造成污染[38- 39]。

在本次研究中,優(yōu)先流區(qū)土壤有機碳、有機質、全氮、全磷和有效磷含量值均高于基質流區(qū),土壤優(yōu)先流評價指數(優(yōu)先流區(qū)染色面積比)與5種養(yǎng)分指標均呈負相關關系,且有機碳、有機質和有效磷與優(yōu)先流區(qū)面積比顯著相關。說明該區(qū)域土壤養(yǎng)分的主要運輸途徑是優(yōu)先流路徑,優(yōu)先流區(qū)是土壤養(yǎng)分快速流失的主要區(qū)域,與以往研究結果[40]基本一致。

當然,除優(yōu)先流路徑對養(yǎng)分分布的影響外,林分密度[41]、生物量[42]、地表凋落物和根系吸收作用,也對養(yǎng)分的分布產生一定影響：植物殘枝落葉在表層積累提供大量有機養(yǎng)分,植物根系又從下部土壤吸收養(yǎng)分,從而造成各養(yǎng)分在土壤剖面上的空間分布特征的異質性[43],在后續(xù)研究中需要加以考慮。

4 結論

(1)刺槐群落染色面積比隨土壤深度變化主要包括2個階段,第一階段：優(yōu)先流和基質流相互影響作用顯著,第二階段：優(yōu)先流和基質流相互作用不顯著,優(yōu)先流強度逐漸增強,明顯存在指流現(xiàn)象,極少部分管流現(xiàn)象。

(2)刺槐群落染色面積比、基質流深度和百分之五十染色深度的數值較大,優(yōu)先流區(qū)染色面積比較小,基質流深度發(fā)生在土壤深10—15 cm區(qū)間,該類型植被群落水流均勻入滲深度較大,優(yōu)先流和基質流相互作用程度大,水文連通性較高。

(3)優(yōu)先流區(qū)土壤有機碳(A1)、有機質(A2)、全氮(A3)、全磷(A4)和有效磷(A5)含量值均高于基質流區(qū),土壤優(yōu)先流評價指數(優(yōu)先流區(qū)染色面積比)與5種養(yǎng)分指標均呈負相關關系,且有機碳、有機質和有效磷與優(yōu)先流區(qū)面積比顯著相關。

(4)土壤中有機碳(A1)、有機質(A2)和有效磷(A5)含量在一定程度上可以衡量土壤優(yōu)先流發(fā)育水平,通過計算主成分分析變換矩陣,得主成分分析的表達式為：F1=0.53A1+0.53A2+0.42A5