寧夏荒漠草原不同林齡人工檸條林地土壤優(yōu)先流研究

馬 昀,孟 晨,3,*,岳健敏,宋乃平,謝 莉,杜靈通

1 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021 2 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)國家重點實驗室, 銀川 750021 3 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

土壤優(yōu)先流是一種常見的水分運動形式[1—3],是一種非均勻流[4],水分穿過非均質(zhì)土壤時便會形成優(yōu)先流[5]。當土壤中存在優(yōu)先路徑時,水分和溶質(zhì)會通過少部分土壤基質(zhì)快速滲入到地下水或土壤深層中,其會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、水分的快速流失[6],減少植物對水分養(yǎng)分的吸收,并導(dǎo)致地下水污染風(fēng)險增加[7—8]。因此,對于土壤優(yōu)先流特征的深入研究在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水資源的合理利用方面都有著非常重要的作用。

土壤類型及條件差異是影響土壤優(yōu)先流類型及強度的最主要因素。土壤優(yōu)先流主要可分為大孔隙流、指流、漏斗流、環(huán)繞流及短路流[9—11]等。其中,大孔隙流會導(dǎo)致水分和溶質(zhì)快速運移[12]。目前對于優(yōu)先流的研究多集中于大孔隙流及其特征分析,對優(yōu)先流發(fā)生的類型及強度研究較少。影響優(yōu)先流特征的因素較多,主要包括土壤孔隙、質(zhì)地等土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤含水量、根系、土地利用類型等[13],其中導(dǎo)致優(yōu)先流形成的主要原因是土壤空間異質(zhì)性[14]。土壤優(yōu)先流的發(fā)生在很大程度上受到土壤質(zhì)地的影響,盛豐等[15]發(fā)現(xiàn),土壤質(zhì)地中,土壤黏粒的含量與優(yōu)先流的發(fā)生概率成正比。Beven等[16]發(fā)現(xiàn)粉沙和粘質(zhì)土壤中更容易發(fā)生大孔隙流。但以往研究多集中于壤土、黑土、栗鈣土等廣泛分布的土壤,而對風(fēng)沙土土壤優(yōu)先流特征的研究較少。

在風(fēng)沙土廣泛分布的干旱地區(qū),土壤水分對植被的恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境的建設(shè)更為重要?；哪菰腔哪虿菰^度的一種典型生態(tài)系統(tǒng),風(fēng)沙土是荒漠草原的典型土壤,沙土土壤質(zhì)地粗,結(jié)構(gòu)差,容易形成孔隙結(jié)構(gòu)[17],從而形成優(yōu)先路徑,促進優(yōu)先流的發(fā)生[18]。國家和地方先后在荒漠草原地區(qū)建設(shè)了退耕還林、三北防護林等人工植被建設(shè)工程[19],但在荒漠草原地區(qū)大面積的灌木引入后,隨著恢復(fù)年限的增加植被出現(xiàn)了退化現(xiàn)象[20]。目前,荒漠草原地區(qū)植被過程中土壤優(yōu)先流特征還有待研究,限制了對人工檸條林建設(shè)后土壤水分時空分布規(guī)律的理解,成為了維持區(qū)域人工植被生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的知識瓶頸。本研究將通過野外土壤水分入滲染色示蹤法[21]及CT掃描法[22],分析荒漠草原地區(qū)不同恢復(fù)年限人工檸條林土壤優(yōu)先流特征及其與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系,以期為荒漠草原地區(qū)人工植被恢復(fù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣內(nèi)(37°57′23″—37°83′47″N, 106°77′99″—107°50′70″E),平均海拔1600 m,屬于典型的荒漠草原區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,年均降水量為280 mm, 80%以上的降雨量集中在5—9月,其中全年60%以上的降雨又集中在7—9月,年均蒸發(fā)量為2710 mm,無霜期為150 d,年平均氣溫為8.1℃。西風(fēng)和西北風(fēng)為全年主要風(fēng)向,主要發(fā)生在春季。研究區(qū)主要的土壤類型是灰鈣土和風(fēng)沙土,研究區(qū)主要物種有牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilo-toides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、狗尾草(Setariaviridis)、 短花針茅(Stipabreviflora)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、 綿蓬(Corispermumhyssopifolium)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 樣點選取

本實驗一共在寧夏鹽池縣荒漠草原區(qū)內(nèi)設(shè)置5個樣地,根據(jù)不同種植年份選取4個實驗樣地,另選取草本樣地為空白對照組。樣地一為1985年種植(35年生)人工檸條林(坐標37°49.2152′N, 107°30.3382′E,海拔1519 m), 樣地二為1996年種植(24年生)人工檸條林(坐標37°49.0330′N, 107°29.7485′E,海拔1491 m),樣地三為2006年種植(14年生)的人工檸條林(坐標37°49.1854′N, 107°30.1312′E,海拔1489 m), 樣地四為2011年種植(9年生)的人工檸條林(坐標37°49.3001′N, 107°29.6180′E,海拔1497 m),樣地五為草地對照組(坐標37°49.4154′N, 107°29.7912′E,海拔1511 m)。

1.3 樣品采集與土壤物理參數(shù)測定

沿土壤剖面每隔12 cm用環(huán)刀采取3個環(huán)刀樣和散土樣,取樣深度分別為0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm,樣品用自封袋帶回實驗室進行測定。采用環(huán)刀法、環(huán)刀定水頭入滲、MS3500激光粒度儀和CT掃描圖像分析等方法分別對不同試驗樣地的土壤容重、滲透速率、土壤顆粒組成和土壤孔隙度等土壤物理參數(shù)進行測定分析(表1)。

表1 土壤物理參數(shù)

1.4 入滲染色實驗

以往對優(yōu)先流的研究方法包括染色示蹤法、穿透曲線法[23]、CT掃描法等。本次實驗采用的是染色示蹤法和CT掃描法,其中染色示蹤法所使用的亮藍[24]試劑具有無毒、顯色性強、成本低廉等特點,被廣泛應(yīng)用于土壤優(yōu)先流研究中。

在研究區(qū)內(nèi),選擇地形平整、植被分布和植被數(shù)量較為均勻的實驗樣地為試驗點。將優(yōu)先流染色示蹤土壤觀測剖面分別設(shè)置在與試驗點相鄰的灌叢斑塊位置,灌叢內(nèi)投影面積和灌叢外投影面積需同時覆蓋于染色面積中。首先將試驗點土壤表層的雜質(zhì)(如:礫石、掉落的枯枝)處理干凈,同時不能影響腐殖質(zhì)層。之后用長120 cm、寬60 cm、高30 cm,厚度為0.5 cm的自制鋁合金框架用小錘垂直砸入土壤15 cm,地面留高15 cm。然后在鋁合金框架上覆蓋塑料膜用以保護土壤,24 h后進行實驗。24 h之后,取走之前覆蓋的塑料膜,然后將配好的4 g/L的亮藍染色劑用恒流泵以積水滲透的方式均勻噴灑于金屬框內(nèi)。具體的傾灑亮藍溶液體積根據(jù)研究區(qū)7—8月的降水情況(以24 h降水量15 mm作為試驗標準),根據(jù)布設(shè)的染色樣方表面積和實際消耗量計算出需要11.5 L的亮藍溶液。在4 g/L的11.5 L 的亮藍溶液均勻噴灑完畢后,繼續(xù)用塑料膜將鋁合金框架覆蓋,以避免降水等其它水分的進入和野外動物等的影響,同時減少蒸發(fā)。染色24 h之后,移除鋁合金框架,以間隔為12 cm垂直挖掘染色剖面,每挖掘一層,用高分辨率數(shù)碼相機進行拍攝,每個染色樣地最后得到灌叢內(nèi)外共10張垂直剖面染色圖。

1.5 CT掃描及土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

在剖面挖掘的同時,于灌叢投影面積內(nèi)不同土層(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm)的染色區(qū)和未染色區(qū)利用高70 mm、直徑50 mm的自制壁厚1 mm的鋼制管體進行土壤取樣,每層各取一個染色土樣及未染色土樣,即(4個林齡×2個重復(fù)+1個對照)×2種染色情況×2層土壤=共計36個PVC管,在進行密封處理后一起送往實驗室進行CT掃描。

CT掃描后,每個土柱將得到464張橫向切層圖像。首先利用ImageJ軟件對所有橫切圖進行預(yù)處理,再使用圖像處理軟件Avizo 2019.1對每個土柱的所有橫切圖像進行三維重構(gòu),得到各原狀土樣的三維可視化圖像?；谌S圖像重建,利用空氣管法確定大孔隙閾值[25],利用Avizo 2019.1軟件的Label Analysis對大孔隙體積等參數(shù)進行計算。

1.6 圖像處理與數(shù)據(jù)分析

利用ERDAS IMAGINE v9.2對染色圖像進行幾何校正,并利用Photoshop CS6對圖像進行光照校正、降噪及閾值處理。最后,利用Image ProPlus v6.0軟件,通過形態(tài)學(xué)解析處理及分割、計數(shù)、分水線處理等功能,劃分出獨立閉合的染色團塊,提取染色圖像的面積、數(shù)量和位置,并且通過計算獲得染色圖像的優(yōu)先流比、基質(zhì)流深度、長度指數(shù)以及染色面積比。其中,優(yōu)先流比的計算公式見式1:

(1)

式中,PF代表優(yōu)先流比(%),L代表基質(zhì)流深度(cm),W代表水平染色寬度(cm)

基質(zhì)流深度(L)指土壤染色面積比≥80%時對應(yīng)的土壤深度(cm)。

長度指數(shù)計算公式見式2:

(2)

式中,Li為長度指數(shù)(%),DCi和DCi+1分別指土壤剖面第i層和第i+1層的染色面積比(%),n為土壤剖面層數(shù)。

染色面積比計算公式見式3:

(3)

式中,DC為染色面積比(%),St為土壤剖面總?cè)旧娣e(cm2),Sn為土壤剖面未染色的總面積(cm2)。

優(yōu)先流染色形態(tài)變異系數(shù)計算公式見式4[26]:

(4)

式中,CV為土壤染色面積比變異系數(shù)；n為土壤剖面垂直計算土層數(shù)；DCi為土壤剖面第i層對應(yīng)的染色面積比(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工檸條恢復(fù)過程中土壤優(yōu)先流分布特征

在荒漠草原地區(qū),不同林齡林地土壤剖面的染色情況見圖1?？梢?不同林齡人工檸條林地的土壤優(yōu)先流染色深度具有顯著差異。其中35年生檸條林土壤優(yōu)先流染色深度最深,其次為空白對照組草地,24年生和14年生檸條林地優(yōu)先流染色深度相近,9年生檸條林地優(yōu)先流染色深度最淺。在0—140 mm的土層深度上,35年生檸條林地染色呈均勻分布,140—320 mm土層中呈現(xiàn)出深度不同的染色分支。24年生和14年生檸條林地在0—70 mm的土層深度上染色均勻,24 年生檸條林在70—140 mm土層上呈現(xiàn)出不同程度的分支,14年生檸條林在70—170 mm土層呈現(xiàn)出分支。9 年生檸條林在0—60 mm的土層上染色均勻分布,在60—180 mm的土層上呈現(xiàn)出不同程度的分支。草地對照組在0—120 mm的土層中染色均勻分布,在120—190 mm土層中呈現(xiàn)出不同的分支。可見,35 年生檸條林地土壤優(yōu)先入滲深度最大,而草地土壤水分入滲則以基質(zhì)流為主。

圖1 優(yōu)先流垂直分布圖像Fig.1 Prioritize the flow of vertically distributed images

2.2 土壤染色深度及染色面積比

土壤染色深度及染色面積比可以表明優(yōu)先流路徑深度[24]。在荒漠草原地區(qū),不同林齡人工檸條林地和草地的土壤染色面積比(圖2)均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而減小,對比5個樣地0—400 mm土壤剖面染色面積比的最大值,表現(xiàn)為35年生檸條林(33.06%)>草地(28.67%)>9年生檸條林(26.8%)>24年生檸條林(22.69%)>14年生檸條(22.69%)。而土壤染色深度表現(xiàn)為草地(165.5 mm)>35年生檸條林(156.75 mm)>9年生檸條林(121.385 mm)>14年檸條林(118.8 mm)>24年生檸條林(110.9 mm)。其中,35 年生檸條林染色面積比及染色深度遠高于其它檸條林地,這是因為35年生檸條林生長年限久,其根系系統(tǒng)更加豐富,根系活動造成了更豐富且更深的土壤優(yōu)先流路徑[27]。檸條灌叢林地的土壤染色深度小于草地,這是由于人工種植灌叢的過程中,翻耕破壞了草地原有的孔隙結(jié)構(gòu)[28],阻礙了水分的入滲,且檸條人工林的建設(shè)增強了林下土壤的持水性[29]。其中,除35年生檸條林地外,9、14、24 年生檸條林地土壤入滲染色面積及染色深度差異不顯著,其中9年生檸條林染色面積和染色深度略高于14 年生和24年生檸條林地,這可能是與9年生檸條林地的土壤條件、微地形等因素有關(guān)。

圖2 土壤剖面平均染色面積變化Fig.2 Change in average stained area of soil profile

2.3 土壤基質(zhì)流深度及長度指數(shù)

土壤基質(zhì)流深度可以較為準確的反映出土壤均質(zhì)入滲狀況。本次實驗中,將染色面積大于80%的染色深度作為基質(zhì)流深度。不同林齡檸條林的基質(zhì)流深度中(表2),表現(xiàn)為35年生檸條林地基質(zhì)流深度(76.35 mm)>草地(70 mm)>24年生生檸條林地(58.8 mm)>14年生生檸條林地(57.3 mm)>9年生生檸條林地(50.61 mm)?？梢娙斯帡l林建設(shè)過程中的翻耕措施會使土壤基質(zhì)流深度減少,但隨著灌叢引入后恢復(fù)年份的增加,人工檸條林地的基質(zhì)流深度隨之增高。

不同林齡檸條林長度指數(shù)大小表現(xiàn)為:35 年生檸條林(36.01%)>空白草地(30.45%)>9 年生檸條林(27.86%)>24 年生檸條林(22.94%)>14年生檸條林(22.82%)。對比發(fā)現(xiàn),35 年生檸條林地長度指數(shù)最大, 14 年生檸條林長度指數(shù)最小。總體上,除9年生檸條林地外,長度指數(shù)隨著種植年份的增加在逐漸增加?？梢?隨著灌叢引入后恢復(fù)年限的增加,土壤優(yōu)先入滲深度隨之增加。其中,9 年生檸條林長度指數(shù)大于24 年生和14 年生檸條林,主要原因可能是與9 年生檸條林地的土壤條件與微地形有關(guān)。

2.4 染色形態(tài)變化程度及優(yōu)先流程度分析

染色形態(tài)變化程度反映的是優(yōu)先流的發(fā)育程度,按照劃分的4 個優(yōu)先流染色形態(tài)變化程度[26],包括相對穩(wěn)定(CVp在0—0.10 之間)、次活躍(CVp在0.10—0.20 之間)、活躍(CVp在0.20—0.40之間)、速變(CVp大于0.40)。對不同林齡的檸條林進行優(yōu)先流染色形態(tài)變化程度的分析(表3),可見不同樣地土壤優(yōu)先流變異系數(shù)表現(xiàn)為9 年生檸條林>24 年生檸條林>35 年生檸條林>14 年生檸條林>草地對照。9年生檸條林地土壤入滲染色變異系數(shù)最高,土壤優(yōu)先流程度為速變,該樣地土壤優(yōu)先流現(xiàn)象最為明顯；24年生檸條林地土壤優(yōu)先流程度為活躍,優(yōu)先流現(xiàn)象明顯；14年生檸條林地、35年生檸條林地土壤優(yōu)先流程度為次活躍,優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯；草地對照組優(yōu)先程度為次活躍,優(yōu)先流現(xiàn)象不明顯,染色變異系數(shù)低于所有灌叢土壤?？梢?雖然土壤水分入滲深度、優(yōu)先流深度受到林地恢復(fù)年限的影響,但林地土壤優(yōu)先流程度不完全受人工檸條生長年限的影響。

表2 不同林齡下的檸條灌叢優(yōu)先流特征因子

表3 不同年齡人工檸條林地土壤優(yōu)先流染色形態(tài)變化程度

同時,雖然草地入滲染色深度高于灌叢林地,但其優(yōu)先流程度要遠低于其他人工灌叢林地。這是由于灌叢引入后土壤的根系系統(tǒng)更為豐富,隨著種植年份的增加,其生長到達一定的階段之后,生理生態(tài)學(xué)特征發(fā)生變化[30],其相比草本植物更加豐富的根系系統(tǒng)活動會導(dǎo)致土壤產(chǎn)生更多的優(yōu)先流路徑,分布變廣且分散,發(fā)生優(yōu)先流的幾率變大[31]。因此雖然草地土壤入滲深度更深,但其主要以基質(zhì)流為主,優(yōu)先流程度較低。

2.5 林地根孔、大孔隙特征對優(yōu)先流的影響

分別對不同樣點的0—10 cm的土壤剖面圖用photoshop軟件進行根孔數(shù)量的統(tǒng)計。得到不同樣地根孔數(shù)量的平均值和標準差值(表2)?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著檸條林種植年限的增加,不同樣地的根孔數(shù)量表現(xiàn)為35 年生檸條林>24 年生>14 年生>空白草地>9 年生。說明隨著種植年限的增加,檸條林在土壤中的根孔數(shù)量在不斷增加。因為植物根系是水分流向土壤深層的優(yōu)勢流路徑,水分入滲深度與植物根系大小成正相關(guān)[32—33],且植物根系與周邊非均質(zhì)界面可以使水分加速向下運動,對土壤優(yōu)先流現(xiàn)象的產(chǎn)生有重要作用[34]。隨著種植年份的增加,檸條林根系在深層土壤的數(shù)量增多,土壤水分入滲深度也隨之增加。

對不同樣地染色區(qū)及未染色區(qū)的土壤分別進行取樣,利用CT掃描對各樣地染色土壤及未染色土壤的大孔隙(孔徑>0.3 mm)進行計算(圖3)?？梢园l(fā)現(xiàn),在同一樣點同一土層內(nèi),染色土壤的土壤大孔隙體積顯著大于未染色土壤(P<0.05),其中,在35年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為3.85%及2.14%；在24年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為2.03%及1.72%；在14年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.59%及1.48%；在9年生樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.42%及1.34%；在草地對照樣地染色及未染色土壤的大孔隙度平均值分別為1.84%及1.46%。從圖3 還可以看出,染色土壤中具有更多連續(xù)性強、迂曲度小、孔徑大的大孔隙,這些孔隙正是土壤優(yōu)先流現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。因此,土壤入滲路徑取決于大孔隙含量,若在同一區(qū)域內(nèi),土壤水分會在大孔隙含量相對更高的土壤區(qū)域入滲,而繞過土壤大孔隙含量相對更少的區(qū)域。

圖3 土壤大孔隙三維圖像分析Fig.3 Three-dimensional image analysis of soil macropores

3 結(jié)論

通過土壤水分入滲染色法、CT掃描法、圖像處理技術(shù)分析不同林齡檸條林土壤優(yōu)先流特征,發(fā)現(xiàn)隨著人工檸條林恢復(fù)年限的增加,土壤水分入滲能力逐漸增加,人工檸條林地的土壤優(yōu)先流程度也高于草地,檸條林發(fā)育過程中根系活動對土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的改變影響了土壤水分入滲深度及方式,是影響土壤水分分布的關(guān)鍵因素。因此,在人工灌叢恢復(fù)過程中,可以通過植被合理配置與調(diào)控措施,改善根系及土壤結(jié)構(gòu)特征,增強土壤持水性,從而在荒漠草原地區(qū)有限的降水條件下提高土壤水分利用效率及植物恢復(fù)的可持續(xù)性。