長白山區泥炭地泥炭飽和導水率特征研究

林兵姿 王一諾

摘要：旨在以長白山區泥炭地為研究對象，初步探討泥炭飽和導水率（Ksat）的基本特征、影響因素和空間分異性，并對比排水區和自然區泥炭飽和導水率的差異性。結果表明，垂直方向飽和導水率均值在41.00 m/d左右，與其他研究區相比處于中等偏上水平。泥炭的飽和導水率（Ksat）與容重呈負相關，與孔隙度呈正相關，與最小持水量、飽和含水量、有機質含量呈顯著正相關。在表層0～50 cm處，排水區的Ksat小于自然區的Ksat。自然狀態的泥炭地隨著深度的增加，導水能力減弱，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，二者相關性極高。

關鍵詞：泥炭;飽和導水率;排水;各向異性

中圖分類號：Q951? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）10-0040-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.010? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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、物理過程，如植物生長、泥炭的積累與分解、化學元素的遷移轉化和固碳過程等[1，2]。水在泥炭中的運動是濕地水文過程的重要環節，泥炭土資源的保護和可持續管理依賴于有效的土壤水分管理。泥炭的飽和導水率（Ksat）是刻畫水在泥炭中運動的重要指標，它是指單位水力梯度下、單位時間內通過單位面積飽和泥炭的水量。自然狀態下，它受容重、孔隙度、泥炭深度、泥炭類型、微地貌、有機質含量、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、排水和壓實等人類活動的影響[12，13]。國外關于泥炭飽和導水率的研究不晚于20世紀60年代。相比之下，國內相關研究還較薄弱。

自然狀態下的泥炭沼澤，表層土壤具備高儲水能力和膨脹收縮性能，使其能調節地下水位的變化，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構，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。在泥炭地生態系統中，水文是最為關鍵的環節，制約植被生長，影響動物棲息地環境，影響著碳的累積排放。本研究區屬于典型的因發展林業而遭到破壞的泥炭地，且研究區內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水率的基本特征及其影響因素，并對比排水區和自然區泥炭飽和導水率的差異性，解析水文退化機制，為分析和模擬濕地水文過程提供數據基礎。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

研究區（42°9′—42°11′N、126°43′—126°45′E）位于吉林省白山市長白山區一林場內（圖1），有大氣降水和盆地徑流作為較穩定的水源輸入，海拔高度在778～783 m，面積約80 hm2。具有東亞季風氣候區和山地寒溫帶濕潤氣候區兩個氣候區，氣候特點表現為四季分明，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。研究區內泥炭平均厚度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，還因為水位下降導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、土壤發生退化。自然未排水區為草本泥炭沼澤，地表季節性積水，生長季積水深度5～10 cm;排水區地表常年無積水，生長季地下水位一般在地表以下5～50 cm。本研究將整個泥炭地劃分為排水區和自然區進行分析。

1.2? 研究方法

2017年9月使用泥炭鉆在研究區的自然區選擇5個樣點，在排水區選擇10個樣點，采集原狀泥炭樣品（A類樣品），取樣點按樣線分布，間隔150 m左右。樣品形狀為規則的半圓柱體，取樣深度直達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，移動過程中盡量使樣品不被干擾，帶回實驗室后快速冷凍。樣品帶回實驗室10 cm間隔分樣，測定容重、含水率、孔隙度、持水量、有機質和垂直方向飽和導水率等理化性質。此外，使用方形泥炭鉆，分別在自然區和排水區各選擇1個樣點，采集0～65 cm深度的原狀泥炭樣品（B類樣品），樣品形狀為規則的長方體，帶回實驗室分別測定水平和垂直方向飽和導水率，以分析泥炭飽和導水率的各向異性。

測定飽和導水率的方法依據達西定律，利用石蠟密封法和恒定水頭法測量飽和導水率[15]，試驗裝置如圖2所示。為消除鉆頭旋進時對樣品的擾動，將冷凍的樣品進行適當修剪，使其形狀規則，便于試驗。將樣品置于內徑大于樣品直徑3 cm的PVC管中，樣品和管壁之間的空隙用融化的高溫液態石蠟填充。待石蠟完全凝固后，通過加水查驗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石蠟再次進行密封，必須保證水流只能通過樣品上表面經由泥炭柱子內部流通才能進行飽和導水率試驗。然后，將樣品置于水盆中，多次緩慢加水，使泥炭內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。在流量穩定后，記錄在一定時間內入滲的水量，利用達西定律（公式1）計算飽和導水率。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水率時，將樣品切割成規則的長方體，測定垂直方向飽和導水率后，將樣品翻轉90°，重新密封測定水平方向導水率[8]。

式中，Ksat為泥炭飽和導水率（m/d），V為t時間內下滲水的體積（m3）;L為水流流經的泥炭樣品長度（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水率，An>0時表示KsatH>KsatV，反之，若An<0則KsatH

2? 結果與分析

2.1? 泥炭飽和導水率的總體特征

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]在加拿大地區一泥炭地測得KsatV在21.0～314.0 m/d。Lewis等[17]在愛爾蘭地區測得的泥炭KsatV為0.1～10.0 m/d。以上研究中采用的試驗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有關。一般而言，分解度越低，Ksat越高[7]。在野外采樣時觀察到，研究區泥炭分解程度不高，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體，在泥炭深度1 m以下的位置仍能觀察到灌木的根系、細小樹枝等殘體，泥炭緊實度較差，疏松多孔，這些因素都使得該研究區土壤導水能力較強，水流運動速度較快。

由表1、表2可知，使用A類樣品測得的泥炭Ksat總體區間在0.82～143.52 m/d;均值在41.00 m/d左右;自然區和排水區的Ksat差異不大，排水區的值略高于自然區;數值分布呈正偏態，偏度系數在1左右，表明數值主體部分在均值的左側。使用B類樣品測得的水平方向飽和導水率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不同，但保存和運輸方式以及試驗方法均一致，測得的數據結果也較為相近，可以認為本研究中的飽和導水率試驗數據在一定程度上是具備準確性和代表性的。從數據來看，飽和導水率區間跨度達到了兩個數量級左右，這與前人已有的研究結果一致[16，17]。造成這種顯著變異的原因比較復雜，與泥炭類型、積水狀況、分解程度以及泥炭深度均有關[4-6]。

通過對比加拿大東北部魁北克市泥炭地[18]和研究區泥炭地的泥炭導水率可以發現，雖然二者的測量方法和泥炭地水源補給狀況大致相同，但飽和導水率卻迥異。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范圍影響著泥炭的理化性質，進而影響了泥炭的導水能力。

2.2? 自然和排水區泥炭飽和導水率對比

A類樣品垂直方向飽和導水率隨泥炭深度的變化見圖3。有研究表明，泥炭的飽和導水率與深度有關，隨著深度的增加，泥炭的飽和導水率下降了一個數量級[6]。整體上來看，排水區的KsatV隨著深度并沒有非常統一的增大減小的規律，但自然區的KsatV隨著深度的增加確實在不斷減小，降低了一個數量級。對比表層的數據可以發現，排水區的KsatV小于自然區的KsatV，已有學者提出在較干燥的條件下，好氧分解速率加快，極有可能發生垂直沉降和壓實，增加了固體占據空間的比例，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，再次被證實是合理存在的。從圖3可以看到，在相同層位上自然區和排水區的變化規律比較一致，只有在40～60 cm和120～130 cm深度上，沒有呈現一同變大或變小的規律，通過水位監測和野外采樣觀察，發現排水區常年水位波動范圍位于地下50 cm處;并且在排水區10個采樣點處均發現，在地下110～130 cm處的泥炭含水量偏高，泥炭質地松軟，甚至樣品無法完整采集。這一特點導致排水區泥炭在這一區間飽和導水率驟然增大。通過對比這一層位排水區的其他泥炭性質指標，發現容重減小、孔隙度增大、飽和含水率增大，推測可能是20世紀排水造林導致的泥炭性質突變。

2.3? 泥炭垂直方向飽和導水率與其他指標的相關性分析

由表3可知，KsatV與容重顯著負相關，與總孔隙度呈正相關，與持水量、飽和含水量呈顯著正相關，與有機質含量呈顯著正相關。泥炭的飽和導水率取決于孔隙的形態和數量[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性，持水能力強很大程度上反映了較大的孔隙度，所以持水能力越強，飽和導水率越大。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，導致飽和導水率變小[10，11]。在本研究中，泥炭中的有機質主要來自于未分解或微分解的植物根系，大量植物殘體的存在不僅增大了土壤的孔隙，還導致有機質的含量偏高，泥炭的飽和導水率也偏大。

2.4? 泥炭飽和導水率的各向異性

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，而這又與泥炭的形成來源、形成過程和分解程度有關。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，其中自然區樣點的An正負各占50%，排水區樣點的An基本為正值。這一結論與Nagare等[6]、Schlotzhauer等[14]、Beckwith等[16]和Lewis等[17]的研究結果相同。對于取自同一研究點的樣品，各向異性這一現象可能表明局部條件影響著泥炭中水的流動狀態。從圖4可知，KsatH與KsatV顯著相關，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。較大的相關系數也表明，對于同一樣品，可以用KsatV（或KsatH）較好地預測KsatH（或KsatV）。

3? 小結

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

飽和導水率的影響因素和影響機制較為復雜，恒定水頭法測得的飽和導水率和野外直接測得的結果必然存在著差異。但飽和導水率這一指標是地下水建模工作至關重要的參數之一，后續結合水位監測數據和氣象數據，來嘗試模擬研究區的水分運移情況;通過排水區和自然區的對比分析，解析該泥炭地的水文退化機制，為泥炭地的恢復工作提供參考和依據。

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