基于探地雷達(dá)的濱河帶藤本和次生喬木林土壤優(yōu)先流特征

侯 芳, 程金花,王通簙

北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083

濱河帶作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的“保護(hù)傘”,在調(diào)節(jié)上下游徑流、涵養(yǎng)水源、緩沖和護(hù)岸、維持周圍城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境安全等方面,發(fā)揮著重要作用。濱河帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量交換的緩沖帶,其凈化水質(zhì)、削減面源污染、水土保持等作用主要是通過濱河帶植被與土壤間的相互關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。地表水下滲是地下水來源的重要方式,控制這一特殊區(qū)域的水土流失、土壤污染以及地表污染物轉(zhuǎn)移有利于濱河防護(hù)林帶的生態(tài)構(gòu)建[1—4]。優(yōu)先流是土壤中水分繞過土壤基質(zhì)沿土壤孔隙向下遷移的一種不均勻流,其發(fā)生和發(fā)展可能會加劇地下水污染,造成水肥漏失的雙重后果[5—8]。探究濱河帶不同植被類型覆蓋下土壤優(yōu)先流特征,得出該區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)對于優(yōu)先流的影響,對于減少濱河帶的面源污染,降低河岸緩沖區(qū)的土壤侵蝕,保護(hù)河道水及地下水安全具有重要意義。

優(yōu)先流研究方法的改進(jìn)和高精度儀器設(shè)備對于優(yōu)先流研究具有重要意義,根據(jù)研究目的和研究對象選擇合適的觀測方法對試驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生不同的影響。駱紫藤[9]利用工業(yè)CT掃描技術(shù)對原狀土柱進(jìn)行掃描,從三維的角度探究土壤大孔隙結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑形成的影響；Wiekenkamp[10]利用無線傳感器在時(shí)空尺度上監(jiān)測優(yōu)先流的發(fā)生受小尺度土壤、生物特征和局部過程的控制；Yao等[11]將亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)和時(shí)域反射技術(shù)(Time domain reflectometry,TDR)相結(jié)合發(fā)現(xiàn)土壤含水量低的地塊優(yōu)先流程度比含水量高的地塊更明顯。而探地雷達(dá)(Ground penetrating radar,GPR)作為一種非破壞性的地球物理探測方法,可以用于確定地下土壤結(jié)構(gòu)、地下空洞和水位等地質(zhì)信息。彭韜等[12]利用探地雷達(dá)探測得到喀斯特巖溶帶發(fā)育厚度集中在2—8 m的土層深度；夏銀行等[13]擬合了三種土壤質(zhì)地下電磁波波速和含水量的關(guān)系式,認(rèn)為利用探地雷達(dá)技術(shù)探測土壤深度和含水量分布是切實(shí)可行的；羅古拜[14]認(rèn)為連續(xù)性較好的低頻信號在GPR圖像中的深度可表征礦區(qū)復(fù)墾地有效土層厚度；周廣行[15]利用GPR技術(shù)得出反射波參數(shù)中總時(shí)間間隔、第一周期波正振幅和最大振幅三個參數(shù)建立的多元線性模型估算根系徑級效果最好。利用探地雷達(dá)探究土壤結(jié)構(gòu)及其對優(yōu)先路徑形成的影響研究較少。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),探地雷達(dá)反射波的參數(shù)與地下埋設(shè)的物體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且最大振幅的相關(guān)程度最高[16—17]。電磁波在土壤中傳播遇到介電常數(shù)差異較大的土壤界面時(shí),會激發(fā)更多的反射波,從而形成的波形振幅也就越大。故本文采用得到的反射波參數(shù)反映土壤結(jié)構(gòu),對濱河帶優(yōu)先流規(guī)律進(jìn)行探究。

研究區(qū)的地理位置屬于黃土高原和華北平原的結(jié)合部,行政位置則是河北省與北京市的接壤地段,永定河作為該區(qū)域重要河流,其沿岸的林帶不僅起到調(diào)節(jié)降水和地表徑流的作用,同時(shí)也為下游的固坡護(hù)灘、北京段城市水源涵養(yǎng)、凈化空氣等發(fā)揮積極作用。本文采用野外亮藍(lán)(Brilliant Blue FCF)染色示蹤法探究濱河帶藤本(Liana)和次生喬木林(Secondary arbor)覆蓋下的土壤優(yōu)先流特征,結(jié)合探地雷達(dá)測線掃描法,通過分析電磁波波形圖,建立反射波參數(shù)與優(yōu)先流指標(biāo)的關(guān)系,得出該區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑形成的影響。本研究的開展不僅僅是優(yōu)先流領(lǐng)域研究方法的擴(kuò)展與創(chuàng)新,同時(shí)對于濱河帶有效的管理和保護(hù)水資源提供一定的理論支撐,為認(rèn)識濱河帶水分入滲規(guī)律及淺層土壤結(jié)構(gòu)對優(yōu)先流的影響提供參考,同時(shí)也為下游首都水生態(tài)安全和環(huán)境污染研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省固安縣與北京大興區(qū)交接處的永定河中下游段,地理坐標(biāo)為116°14′46″E—116°12′42″E,39°30′5″N—39°30′2″N,海拔高度17—24 m,地勢東北高西南低,年均氣溫11.5℃,年均降水量548.6 mm,屬于典型的暖溫帶大陸性氣候。永定河中游段河流平均寬度約650 m,單側(cè)河岸寬約為50 m,河岸植被主要以喬灌木為主,植被覆蓋率約為60%。面源污染主要是由于降雨對地表的沖刷將城市污染物納入河道引起,河床沙質(zhì)化嚴(yán)重,土壤侵蝕模數(shù)約為200 t km-2a-1,土壤類型主要為壤質(zhì)潮土。河道自2019年開始,春秋兩季上游水庫開閘補(bǔ)水,冬季河道干涸。研究區(qū)選擇永定河河岸沿線濱河帶的藤本和次生喬木林樣地。探地雷達(dá)測線按照典型格子狀布設(shè)[18],根據(jù)測線,在兩種林型的樣地內(nèi)各布設(shè)3個垂直樣方和3個水平樣方,即6個優(yōu)先流染色小區(qū)。其中,1、2和3為垂直剖面開挖樣方,4、5和6為水平剖面開挖樣方(藤本植被樣地用L表示,次生喬木林樣地用A表示,下同)。試驗(yàn)時(shí)間為2020年9月20日,樣方基本情況如表1所示。

表1 樣方基本情況

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

試驗(yàn)前在永定河沿岸進(jìn)行實(shí)地踏查,在永定河濱河帶上選擇地勢較為平坦空曠的藤本植被覆蓋和次生喬木林覆蓋的樣地,根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件和地勢起伏情況,兩林型均布設(shè)14 m×12 m的矩形樣地。在樣地內(nèi)順坡方向選取3條測線放置卷尺作為標(biāo)記,分別為測線1、測線2和測線3,垂直于等高線方向標(biāo)注2條測線,即測線4和測線5,相鄰測線間距為3—5 m不等。測線1上布設(shè)樣方1和4(樣方大小為60 cm×60 cm),測線2上布設(shè)樣方2和5,測線3上布設(shè)樣方3和6。測線4與測線1的交點(diǎn)為樣方1,測線5與測線2的交點(diǎn)為樣方5、與測線3的交點(diǎn)為樣方3。其中L1、L2、L3為藤本植被的垂直剖面樣方,A1、A2、A3為次生喬木林的垂直剖面樣方；L4、L5、L6為藤本植被的水平剖面樣方,A4、A5、A6為次生喬木林的水平剖面樣方。為避免植物根系對試驗(yàn)造成影響,所有樣方選取時(shí)均保證距離喬木≥0.5 m。樣地布置如圖1。為避免染色溶液相互干擾,垂直樣方和水平樣方間距為15 cm。

圖1 樣地布設(shè)圖

試驗(yàn)采用中心頻率為500MHz的探地雷達(dá)(CAS-S500,IECAS,China),測量方式為測量輪連續(xù)點(diǎn)測。設(shè)置探地雷達(dá)的參數(shù):本實(shí)驗(yàn)采用自動增益,頻率為56Hz,探測深度約為0.8m。

利用環(huán)刀在每個樣方內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法分層0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm和30—40 cm取土樣,稱取鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粒徑分析和其余物理性質(zhì)的測定。樣地內(nèi)土壤物理性質(zhì)見表2。

表2 濱河帶土壤基本物理性質(zhì)

2.2 染色示蹤

土壤中的優(yōu)先流用肉眼難以直接觀測,染色示蹤就是利用染色劑標(biāo)記水流經(jīng)過的區(qū)域,強(qiáng)化優(yōu)先流的可視性。其中,亮藍(lán)配制的溶液無毒無害且性質(zhì)穩(wěn)定,被選作常用染色劑,將亮藍(lán)溶液均勻地噴灑至土壤表面,入滲完成后通過挖掘土壤剖面得到剖面的染色形態(tài)、染色面積等情況,從而獲取優(yōu)先流特征。在保證染色試驗(yàn)前1d無降雨的情況下,清理各染色樣方表層枯落物,將60 cm×60 cm×50 cm的鐵框垂直砸入樣方20 cm,以防止染色溶液側(cè)漏,并在樣方表面覆蓋塑料薄膜。靜置24 h后開始染色,將提前配好的4 g/L亮藍(lán)溶液用噴壺均勻噴灑在土壤表面,共消耗25 L溶液。染色后再次用塑料薄膜覆蓋樣方,以免溶液蒸發(fā)對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。24 h后揭開塑料薄膜,對L1、L2、L3和A1、A2、A3樣方進(jìn)行垂直剖面開挖,每隔10 cm開挖一層,每個樣方挖掘5個垂直剖面,共15個垂直剖面。對L4、L5、L6和A4、A5、A6樣方進(jìn)行水平剖面的開挖,按照5 cm、10 cm、15cm、25 cm、35 cm共挖掘5層,共15個水平剖面[19]。每個挖掘好的剖面平整后,將標(biāo)尺放在剖面旁邊作為參考,用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 60D,Canon,Japan)拍攝,每個剖面拍攝3—5張照片。

2.3 圖像處理

原始染色圖像利用Adobe Photoshop 2020進(jìn)行幾何校正和光照校正。染色圖片在拍攝過程中,由于環(huán)境限制、鏡頭固有的畸變現(xiàn)象等因素致使獲取的圖像出現(xiàn)一定的變形和失真,因此對圖像進(jìn)行幾何校正。此外,圖片的質(zhì)量可能受到拍攝過程中的光照不均勻的影響,造成圖片參數(shù)提取障礙,所以需要調(diào)整圖片的色相、飽和度和閾值等來進(jìn)行光照校正。為了方便后續(xù)提取圖像數(shù)據(jù)里的像素點(diǎn),使用灰度處理和容差(小于10)處理,使彩色圖片變?yōu)楹诎讏D片,染色區(qū)替換為黑色(0),未染色區(qū)替換為白色(255)。經(jīng)過顏色替換處理的圖像會出現(xiàn)少量的噪點(diǎn),這些噪點(diǎn)往往是獨(dú)立存在的像素,不符合實(shí)際的染色結(jié)果。利用ImageProPlus 6.0軟件通過形態(tài)學(xué)的處理方法對顏色替換后的圖像進(jìn)行降噪處理,輸出后續(xù)分析所需的Bit格式的二值矩陣,方便做染色形態(tài)特征分析。

探地雷達(dá)圖像利用RadarViewV18.08進(jìn)行背景雜波去除、地形校正等處理,以去除外界干擾,并選擇自動增益平衡振幅,補(bǔ)償深部雷達(dá)信號的快速下降。預(yù)處理之后進(jìn)行圖片提取(B-scan圖)和單道波形圖的提取(A-scan圖)用于后續(xù)分析。在RadarView的雷達(dá)波形圖上截取5個樣點(diǎn)的A-Scan圖[15]對波形參數(shù)進(jìn)行提取和分析,以便通過次生喬木林和藤本樣地的A-Scan圖量化反映林地土壤的結(jié)構(gòu),從而建立與優(yōu)先流的關(guān)系,進(jìn)而研究土壤結(jié)構(gòu)對于優(yōu)先路徑形成的影響。A-Scan圖參數(shù)提取方式見圖2。分層提取0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm、20—25 cm和25—35 cm的最大振幅、最大振幅面積、總振幅面積和最大時(shí)間間隔。35 cm以下土層因反射波形圖起伏變化小,此處不統(tǒng)計(jì)。L1、L2、L3和 A1、A2、A3每個樣方提取5個剖面反射波波形圖,共計(jì)30張。

圖2 探地雷達(dá)參數(shù)提取示意圖

2.4 數(shù)據(jù)處理

染色圖片采用Adobe Photoshop 2020和ImageProPlus 6.0軟件進(jìn)行校正、顏色替換和二值化處理,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和作圖采用Excel 2013和Origin 2018,采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 濱河帶林地土壤優(yōu)先流特征

通過對永定河濱河帶藤本植被和次生喬木林樣地的土壤進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn),獲得12個樣方共計(jì)30張土壤垂直剖面染色圖像和30張水平剖面染色圖像用以分析優(yōu)先流染色形態(tài)特征,選取兩樣地具有代表性的染色圖進(jìn)行分析,并對5 cm、10 cm、15 cm、25 cm和35 cm土層深度時(shí)染色面積比的平均值進(jìn)行分析(圖4)。

由染色特征圖可以發(fā)現(xiàn)(圖3),藤本樣地的優(yōu)先路徑條數(shù)更多,5 cm以下染色形態(tài)呈枝條狀的斷離式零散分布,優(yōu)先流主要集中在土壤表層以下5—30 cm；而次生喬木林樣地在10 cm以下土層染色斑塊較為集中,優(yōu)先路徑的數(shù)量明顯減少,優(yōu)先流發(fā)育較藤本樣地滯后,且發(fā)育帶范圍較窄,主要集中在10—25 cm土層。基質(zhì)流區(qū)域(UniFr)是指水分在土壤淺層均勻向下入滲的區(qū)域,單位土層染色面積比在80%以上表示基質(zhì)流區(qū)域[20]。由圖4可以得出,藤本樣地的平均基質(zhì)流深度為3.85 cm,次生喬木林樣地的平均基質(zhì)流深度為11.36 cm,可見次生喬木林樣地的優(yōu)先流發(fā)育較為遲緩。

圖3 濱河帶兩種樣地的土壤剖面染色形態(tài)特征

圖4 兩種樣地不同土層深度染色面積比

由于水平剖面在開挖時(shí),35 cm以下土層的平均染色面積比不足5%,故這里不分析35 cm以下土壤剖面染色面積比。由平均染色面積比圖可以發(fā)現(xiàn),隨著土層深度增加,染色面積比呈現(xiàn)下降的趨勢,但部分區(qū)域交叉波動,深層土壤的染色面積比反而大于淺層土壤,這種現(xiàn)象就是由于優(yōu)先流的存在造成的。由于一定深度范圍內(nèi)地質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)等的差異,使得土層之間存在更多的有利于水分向下入滲的通道,優(yōu)先流則在此區(qū)域內(nèi)明顯發(fā)育。藤本樣地在5—30 cm內(nèi)染色面積比急速下降,下降速率為292.11%,優(yōu)先流發(fā)育帶(5—30 cm)的平均染色面積比為63.34%；次生喬木林樣地在10—25 cm內(nèi)急速下降,下降速率為325.28%,優(yōu)先流發(fā)育帶(10—25 cm)的平均染色面積比為61.66%。

3.2 土壤結(jié)構(gòu)與優(yōu)先流的關(guān)系

探地雷達(dá)反射波形成的電壓堆積圖是垂直方向上土壤層次間差異變化的反映,反射波波動變化小的表示土壤層次間差異變化小,土壤緊實(shí)度好。對這30張反射波波形圖提取參數(shù):最大振幅、最大振幅面積、總振幅面積和最大時(shí)間間隔。與直接反映優(yōu)先流發(fā)育程度的指標(biāo)染色面積比進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3。藤本和次生喬木林樣地均顯示最大振幅與染色面積比呈顯著正相關(guān)(P<0.01),總振幅面積與染色面積比呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。這表明探地雷達(dá)探測到的土壤結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑的形成具有一定影響,而最大振幅面積和最大時(shí)間間隔這兩個參數(shù)與染色面積比之間沒有明顯相關(guān)性。故本研究選擇最大振幅和總振幅面積反映土壤結(jié)構(gòu),用染色面積比反映優(yōu)先流發(fā)育程度,將土壤結(jié)構(gòu)與優(yōu)先流量化,從而建立二者的聯(lián)系。

表3 濱河帶土壤的染色面積比與反射波形圖各參數(shù)相關(guān)分析

對藤本樣地和次生喬木林樣地?cái)M合染色面積比與最大振幅、總振幅面積的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),染色面積比與二者呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系(圖5)。染色面積比隨著最大振幅和總振幅面積的增加呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢,其關(guān)系式見公式(1)和公式(2)。

圖5 濱河帶土壤的染色面積比與其最大振幅、總振幅面積的擬合關(guān)系

y=25.104lnx+25.137,R2=0.8697

(1)

式中,y為染色面積比(%),x為最大振幅(v)。

y=23.874lnx-26.862,R2=0.6173

(2)

式中,y為染色面積比(%),x為總振幅面積(ns×v)。

3.3 土壤結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑形成的影響

對藤本植被和次生喬木林樣地單道波形圖的平均最大振幅、總振幅面積隨土層深度變化進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)兩參數(shù)隨土層深度變化趨勢基本一致(圖6)。整體來看,在5—10 cm兩參數(shù)均隨土層深度增加而下降的幅度是最大的,基質(zhì)流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的差異變化使得各樣地在這個深度范圍時(shí)開始陸續(xù)產(chǎn)生優(yōu)先流。藤本植被覆蓋下的最大振幅和總振幅面積大于次生喬木林,這表明藤本樣地的優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯。10—20 cm時(shí)兩參數(shù)隨土壤深度的增加而下降,20—25 cm時(shí)出現(xiàn)小范圍增加,從優(yōu)先流染色形態(tài)可以看出,該范圍存在一些漏斗狀的優(yōu)先流,可能是局部范圍的土壤結(jié)塊或小石礫導(dǎo)致。

圖6 藤本和次生喬木林的最大振幅和總振幅面積隨土層深度的變化

藤本和次生喬木林樣地的探地雷達(dá)單道波形圖經(jīng)過背景雜波處理后,去除了雷達(dá)天線和地面相互作用產(chǎn)生的回波部分(圖7)。0—20 cm以內(nèi)波動變化幅度明顯可見,20 cm土層以下波動幅度越來越小,這是由于電磁波在地下介質(zhì)中的衰減特性導(dǎo)致[21]。藤本樣地的最大振幅和總振幅面積大于次生喬木林,兩種林分的最大振幅主要分布在土壤表層以下0—5 cm范圍內(nèi)。0—5 cm為基質(zhì)流發(fā)生區(qū)域,水分近乎均勻向下入滲,該深度范圍內(nèi)土壤間異質(zhì)性較小。就藤本樣地而言,L1、L3的最大振幅和總振幅面積比L2大,L2的基質(zhì)流深度為11.47 cm,L2的回波(b處)較L1(a處)和L3(c處)滯后,其優(yōu)先流出現(xiàn)較L1和L3晚。而次生喬木林樣地的單道波形圖相比藤本植被無明顯回波,波形圖波動幅度較小,最大振幅和總振幅面積明顯小于藤本植被,可見其土壤塊體間差異性較小,優(yōu)先流發(fā)育較為遲緩。

圖7 藤本和次生喬木林土壤垂直剖面的單道波形圖

4 討論

4.1 濱河帶優(yōu)先流特征

濱河帶屬于生態(tài)脆弱地帶,作為連接河流生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域,對于上下游涵養(yǎng)水源和林地水土保持發(fā)揮著重要的功能。濱河帶藤本樣地的平均染色面積比略高于同一研究區(qū)的次生喬木林樣地(高1.67%)。在挖掘染色剖面時(shí),觀察到藤本樣地內(nèi)肉眼可見的細(xì)根分布比次生喬木林樣地更多,這可能是導(dǎo)致藤本樣地優(yōu)先流發(fā)達(dá)的原因之一。廣西巖溶區(qū)稻田土的土壤優(yōu)先流平均染色面積比僅為25.40%[22],遠(yuǎn)低于濱河帶藤本樣地(63.33%)和次生喬木林(61.66%),但染色深度卻是濱河帶的1.40倍。可能是由于稻田土常年翻耕,深層土壤結(jié)構(gòu)更優(yōu)越,且濱河帶土壤的初始含水量更高(平均為巖溶區(qū)稻田土的1.15倍),土壤含水量較高時(shí)更容易達(dá)到近飽和狀態(tài)并產(chǎn)生徑流[20]。同樣作為生態(tài)脆弱地區(qū),荒漠綠洲的優(yōu)先流現(xiàn)象不如濱河帶明顯,黑河中游濕地保護(hù)區(qū)檉柳(Tamarixchinensis)灌叢的染色面積僅為本研究次生喬木林的0.60倍,是藤本的0.48倍[23],但染色深度卻遠(yuǎn)高于濱河帶(約1.95倍),這是由于荒漠綠洲的植物為了獲取水源,土壤深層細(xì)根發(fā)達(dá),導(dǎo)致50—70 cm出現(xiàn)了局部范圍的漏斗狀優(yōu)先流[24]。

從染色圖像的形態(tài)特征來看,喀斯特洼地的染色剖面呈現(xiàn)細(xì)密的斑點(diǎn)狀分布[25—26],而濱河帶藤本和次生喬木林的土壤染色呈現(xiàn)或大或小的斑塊狀分布,這是由于喀斯特地區(qū)細(xì)小土壤顆粒的運(yùn)移阻塞了直徑較小的孔隙從而限制了孔隙的發(fā)育,而濱河帶樣地的土壤優(yōu)先流程度更高。本研究藤本樣地土壤優(yōu)先流染色面積比(0—35 cm)是喀斯特洼地的1.23倍[25],是同一研究區(qū)次生喬木林土壤的1.02倍,由此可見該區(qū)域藤本植被土壤的優(yōu)先流程度較高。

4.2 土壤異質(zhì)性與優(yōu)先流的關(guān)系

影響優(yōu)先流的因素有很多,耕作和灌溉、季節(jié)干濕變化、凍融交替等間接影響土壤微環(huán)境,從本質(zhì)來看其實(shí)是改變了地下土壤分布的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,從而改變優(yōu)先路徑的形成。陳曉冰等[22]發(fā)現(xiàn),粉壟耕作降低了巖溶區(qū)甘蔗地優(yōu)先流的發(fā)生頻率,實(shí)質(zhì)上是由于翻耕改變了土壤顆粒周圍的微環(huán)境；Zhang 等[27]研究表明干濕交替容易導(dǎo)致土壤裂縫的產(chǎn)生,從而促進(jìn)優(yōu)先路徑的形成。這些研究均表明土壤本身結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性才是影響優(yōu)先路徑形成的最直接、最根本的因素。

探地雷達(dá)是一種無損式電磁波地下結(jié)構(gòu)探測儀器,在20世紀(jì)初被應(yīng)用于地下金屬物體的探測。最早是由Kung和Donohue[28]將探地雷達(dá)引入砂質(zhì)土壤優(yōu)先路徑的探索。濱河帶藤本植被和次生喬木林的土壤水分運(yùn)移情況有一定差異。利用傳統(tǒng)的染色示蹤法,通過對濱河帶藤本植被和次生喬木林土壤的染色圖像進(jìn)行解譯,結(jié)合探地雷達(dá)對地下土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探測,分析兩種植被覆蓋下優(yōu)先流染色的形態(tài)特征。探測發(fā)現(xiàn),藤本樣地的電磁信號波動較大,表明藤本植被土壤層次間結(jié)構(gòu)差異變化比次生喬木林樣地更大,從而導(dǎo)致藤本覆蓋下的土壤優(yōu)先流程度更高,印證了土壤染色面積比得出的結(jié)果。

優(yōu)先流的研究方法的改進(jìn)與高精密儀器的應(yīng)用對優(yōu)先流的研究具有重要意義。Li等[29]利用探地雷達(dá)對賓夕法尼亞州Shaver′s Creek流域不同坡向和坡型的水流入滲圖像進(jìn)行差分,發(fā)現(xiàn)坡面水文中垂直方向的優(yōu)先流占據(jù)重要地位。羅古拜[14]利用探地雷達(dá)探究礦區(qū)土壤剖面發(fā)現(xiàn),GPR圖像中的孤立碎石信號可能是由于潛在孤立碎石或土壤中存在的電性差異的孤立異質(zhì)體導(dǎo)致的,而本研究所選的藤本植被樣地和次生喬木樣地均為純土壤剖面,可見藤本樣地土壤的存在部分電性差異極大的孤立異質(zhì)體,才導(dǎo)致其GPR圖像出現(xiàn)較多回波。周廣行[15]發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)波形中振幅大小、最大振幅面積和時(shí)間間隔均與地下植物根徑大小呈正相關(guān),且最大振幅與根徑的相關(guān)性最強(qiáng),這與本研究結(jié)果具有一定的相似性。染色面積比一定程度上反映了地下土壤結(jié)構(gòu),本研究發(fā)現(xiàn)染色面積比與最大振幅和總振幅面積呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。王萍[30]曾用探地雷達(dá)探測非飽和土壤的緊實(shí)性,由于電磁波在土壤中要經(jīng)歷反射、折射、散射、衰減等物理過程,所以分析返回地表的電磁信號一定程度可以反映土壤緊實(shí)度等土壤結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)次生喬木林的土壤比藤本緊實(shí)度更好,電磁波在經(jīng)歷物理過程中損失的電磁信號較少,這也就解釋了次生喬木林樣地土壤的單道波形圖波動幅度普遍小于藤本樣地。

5 結(jié)論

本文對濱河帶藤本和次生喬木林覆蓋下的土壤優(yōu)先流特征進(jìn)行了分析,探究土壤結(jié)構(gòu)與優(yōu)先路徑形成的關(guān)系。整體來看,濱河帶藤本覆蓋下的土壤入滲范圍更廣,優(yōu)先流更發(fā)達(dá)。次生喬木林樣地的優(yōu)先流發(fā)育較遲緩,平均基質(zhì)流深度比藤本樣地大7.54 cm。藤本樣地的優(yōu)先流發(fā)育帶為土壤表層以下5—30 cm土層,平均染色面積比為63.34%；次生喬木林樣地優(yōu)先流發(fā)育帶為土壤表層以下10—25 cm土層,平均染色面積比為61.66%。用最大振幅和總振幅面積反映土壤結(jié)構(gòu),染色面積比反映優(yōu)先流發(fā)育程度。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn),最大振幅、總振幅面積均與染色面積比呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系,藤本植被的最大振幅和總振幅面積大于次生喬木林樣地。這表明土壤結(jié)構(gòu)對優(yōu)先路徑的形成具有一定影響,藤本植被覆蓋下的土壤層次間差異較大。因此,未來濱河帶森林管護(hù)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況加強(qiáng)對藤本植被的管理,適量采伐以抑制藤本植被覆蓋下土壤優(yōu)先流的過度發(fā)育,避免對地下水環(huán)境造成的危害。