城市濕地土壤環境水文周期變化的響應研究

李長城

(山東省淄博市水利事業服務中心，山東 淄博 255000)

城市濕地是建設在城市管轄區內，長時間被靜止或流動的淡水、半咸水水體淹沒，是陸生生態與水生生態之間的過渡，屬于一種復雜的生態系統。濕地不僅能夠為野生動植物提供棲息地，同時還具有調節徑流、改善水質等作用。濕地在世界范圍內分布較為廣泛，據不完全統計，全球的濕地總面積約9億hm2。土壤是城市濕地的主要組成部分，同時也是濕地植物的營養庫之一。在溫度、降水等因素的影響下，城市濕地水文環境產生周期性和季節性變化，進而影響濕地土壤環境的組成成分以及分布狀態[1]。為了最大程度地保留土壤中的營養成分，保護城市濕地區域，對城市濕地水文周期變化以及土壤環境影響開展研究可以為濕地資源的開發以及環境保護等工作提供有價值的參考數據。

1 材料與方法

1.1 城市濕地研究區域概況

研究區域位于30°55′N，85°44′E，海拔4067～4120m，總面積220.14km2，最大寬度為21.47km,最大長度為11.68km。在地質地貌方面，研究區屬第四紀沖積平原，湖岸是自然形成的坡度極小的平地，由于經濟發展的需要，人為修建道路將衡水湖分為東湖和西湖兩部分，西岸地面高程為18.0m，東岸地面高程為21.5m?，F在西湖常年蓄水，而東湖沒有蓄水，基本上已經變成了居住區和魚塘的混合體，衡水湖多指代西湖[2]。并且西湖又被人為分成兩部分建造了堤岸。1號湖岸土壤質地多為粘質土，滲透力差，湖底自然形成隔水層，是良好的天然蓄水池，經滲漏水量較少。選擇的濕地具有明顯的季風氣候，冬夏長，春秋季節短。大氣稀薄，年平均氣溫-5℃，春季為冷暖季節轉換期，冷暖氣流交匯于區內，但降雨量很少，形成干燥多風的氣候。年均干燥度為1.11～1.43，大陸度為63.8%。研究區域年平均降水量只有547mm，其降水時空分布不均，無霜期196d，其周邊地區的降水概率高于市區[3]。自然保護區的蒸發量為1766～1835mm，平均蒸發量遠高于年平均水平，從而使研究濕地需要外來水源補給，以維持正常的生態需求。其土壤類型主要為隱蔽性潮土和鹽堿地，植被類型以水生植被、鹽生植被為主，植被覆蓋率約為52%。

1.2 獲取城市濕地土壤環境數據

研究所獲得的數據主要是氣象數據，太陽輻射、降雨量和環境溫度是氣象數據的具體內容。天氣資料主要依靠小型自動氣象站進行觀測，時間為2020年11月1日—2021年10月30日。該氣象觀測系統包括一個小型自動氣象站，觀測時間分辨率為20min[4]。太陽輻射是濕地土壤水分蒸發的影響因素之一，通過日照時數對太陽輻射數據進行計算與采集。大氣層上空的太陽輻射數據可以表示為：

(1)

式中，δ—太陽赤緯；ω—地球自轉角速度；φ—濕地位置緯度；E0—地球軌道偏心率矯正參數；TSR—照度時長[5]。

由此可以計算出晴天、陰天等不同天氣狀態下的太陽輻射數據，將單位時間的亮度數據作為太陽輻射數據的采集結果。同理可以利用硬件設備，統計得出其他類型土壤環境數據的獲取結果。

1.3 城市濕地土壤環境樣品采集與測定

在選擇的城市濕地研究區域內，選擇4個平行樣地，樣地分布情況，如圖1所示。

圖1 采樣地結構示意圖

以春、夏、秋、冬4種采集方式進行土樣采集，具體采集時間為2020年4月、2021年8月、2021年10月和2020年12月。隨機選取0～10、10～20cm土層樣品，重復采集3次，共24個混合樣本，取0.5m×0.5m，間隔10cm，重復采集3次后同層次混合[6]。在樣方上記錄植物的蓋度、高度，并將地上部分齊根剪干，然后稱重。此外，選擇表層水作為待采集的水樣，要求采水深度區間為[10cm，20cm]，每次水樣的采集量為500mL，初始水樣用取樣點表面的水清洗2～3次，采樣后再取樣，取樣后加入0.5%的12mol/L超純鹽酸溶液，蓋緊瓶蓋冷凍保存。

從城市濕地水文和土壤環境變化2個方面，設置研究的測定指標[7]。其中水文環境測定指標包括蓄水變化量、水位、水資源分布等指標，以蓄水變化為例，其測定結果可以表示為：

ΔV=A2H2-A1H1=P-E+Is-Os+Ig-Og

(2)

式中，A1—研究前的濕地水面面積；A2—研究后的濕地水面面積；H1—研究前的濕地水深；H2—研究后的濕地水深；P—降水量；E—蒸發量；Is—地表水流入量；Os—地表水流出量；Ig—地表水對地下水的補給量；Og—地下水對地表水的補給量[8]。

土壤環境的測定指標為土壤的鹽度、含水量、氮磷含量以及土壤表層溫度。土壤鹽度可以利用鹽度計直接測定，土壤表層溫度可以利用溫度計直接測定。土壤含水率的測定是在初始條件下稱量土壤的重量，標記為M1。將所有的土壤樣本放置在干燥真空烘干機中，設置烘干機的溫度參數為80℃，烘干時間為2min，以相同的方式重新稱量土壤重量，標記為M2，將土壤重量的稱量結果代入到公式(3)中，可以得出土壤含水率的測定結果。

(3)

此外，用重鉻酸鉀-硫磺溶解法測定土壤中的全氮，采用高氯酸-硫酸-硫酸-鉬-銻抗性法進行土壤磷儲量的測定，最終的測定結果可以分別表示為：

(4)

式中，BD—濕地土壤容重；N—土壤氮的含量；P—土壤磷的含量；h—土層深度；TN—土壤中全氮的儲量；TP—土壤中全磷的儲量[9]。綜合各個指標的測定結果，得出最終的響應分析結果。

1.4 數據處理與分析

采用單因素方差分析方法，將不同季節土壤鹽分參數的變化特征確定為0.02。采集各時段的日測資料，將土壤溫濕度觀測值的平均值作為最終測試結果。利用軟件如MicrosoftExcel2013、SPSS19.0和Canoco4.5統計數據，并利用SigmaPlot12.5和CanocoDraw4.5軟件將統計結果轉換成可視化輸出。

2 城市濕地水文周期變化

受到多種因素的影響，城市濕地水文呈現出明顯的周期性變化，主要體現為季節性周期變化，在水循環理論的支持下，分析濕地水文的周期性變化規律，并以此作為研究的自變量。

2.1 構建城市濕地水文模型

城市濕地水文模型構建的目的是模擬和預測不同氣候條件下濕地水文特征的變化情況，根據空間動力學理論描述地表潛熱和感熱通量狀況，同時結合植被覆蓋的空間特性、可變滲透性和非線性基流過程等因素，反映土壤、植被、大氣、土壤的水熱狀態變化和水熱傳遞規律。城市濕地水文模型水循環機理如圖2所示。

圖2 模型水循環原理

由圖2可知，城市濕地土壤水分的蒸發共包括冠層蒸發、植被蒸騰和裸土地區土壤蒸發3個部分，總蒸散計算公式為：

(5)

式中，Ei—不同類型的水蒸發量；Cn—植被覆蓋類型所占比例；CN+1—裸土所占比例[10]。

在降水量不為零的情況下，月徑流量Q受月降水量P和土壤凈含水量S影響，徑流量可以表示為：

Q(t)=[S(t-1)+P(t)-E]×

(6)

式中，SC—流域最大蓄水能力。

城市濕地在整個循環過程中，其內部水量始終處于平衡狀態。

2.2 確定濕地水文變化影響因素

在構建的濕地水文模型下，城市濕地水文變化會受到區域降水、來水徑流量以及凍融作用的影響。在其他條件不變的情況下，城市濕地區域降水量和來水徑流量增大，區域內的蓄水量隨之增加，具體體現在水面面積和水位2個方面。通過對氣象數據的采集和分析，年降水量最高、最低值分別出現在6和12月，有明顯的干旱和雨季。徑流量方面，研究區域汛期集中在4—7月，月徑流量平均為1.694×1010m3。而濕地溫度以0℃作為分界點，當區域溫度低于0℃時，液態水立即轉化為固態冰，此時無液態水蒸發，固態冰會直接升華為水蒸氣，由于冰的升華速度低于水的蒸發速度，因此在冬季氣溫低于0℃時，城市濕地中的水含量趨于穩定[11]。而當溫度高于0℃時，水循環速度加快，水面面積和蓄水位的變化量增加。

2.3 城市濕地水文周期變化規律

在上述3種影響因素的作用下，通過對研究城市濕地樣本水文環境中水面面積、水位指標的測定與計算，得出水文周期變化規律的分析結果，如圖3所示。

圖3 城市濕地水文周期變化規律

由圖3可以直觀地看出，水位和水面面積的變化基本一致，6月濕地水位最高、水面面積最大，1月得到濕地水位和水面面積的最小值。

3 城市濕地土壤環境對水文周期變化的響應結果分析

在無人為控制與影響的情況下，以分析得出的城市濕地水文周期變化規律為自變量，分別在各個周期變化節點上測定不同位置、不同深度上土壤的物理性質指標，從而得出城市濕地土壤環境與水文周期變化之間的響應關系[12]。

3.1 土壤鹽分對水文周期變化的響應

通過不同季節土壤成分的測定，得出土壤鹽分的響應分析結果，如圖4所示。

圖4 土壤鹽分響應分析結果

從圖4可以看出，冬季土壤鹽分最高、春季和秋季的鹽分出現明顯的降低趨勢，在夏季土壤中的鹽分最低。土層深度方面，隨海拔升高，鹽分含量逐漸增加[13]。

3.2 土壤含水率對水文周期變化的響應

觀測期間的總降水量略高于歷年的年降水量平均值。城市濕地土壤含水率的相關數據統計結果，見表1。

將表1中的數據代入到公式(3)中，分別得出春季時段土層深度為100、300和500cm位置的土壤含水率為12.0%、14.1%和17.0%，夏季時段各個土層深度位置土壤的含水率分別為22.1%、24.4%和19.5%，秋季時段各個土層深度位置土壤的含水率約為11.1%、16.6%和8.6%，同理可以得出冬季時段各個土層深度位置土壤的含水率為5.6%、1.6%和8.8%。由此可見，在冬季時段，降水稀少，且多以雪為主，主要受到凍融作用的影響，100cm以上土壤水分顯著減少，而500cm以下土壤水分含量變化不大，但300cm左右深度的土壤含水率也有小幅的波動，說明在凍融過程中土壤含水率的變化不大[14]。

表1 城市濕地土壤含水率數據統計表

3.3 土壤全氮/磷含量對水文周期變化的響應

城市濕地土壤中的有效氮可以分為銨態氮和硝態氮2種類型，通過公式(4)的計算，得出2種類型有效氮的含量變化，如圖5所示。

圖5 城市濕地土壤有效氮含量的變化響應

由圖5可知，土壤銨態氮和硝態氮對土壤含水量的響應趨勢都是一致的，呈先降低后增大的曲線特征，且夏季土壤含水率最大，此時土壤銨態氮和硝態氮出現最大值。銨態氮/硝態氮的比值存在波動性變化趨勢，在含水率梯度最低時，整個比值出現波動；在第一次高峰出現后，這個比值開始下降到最低值，在第二次小高峰出現后，說明無論土壤水分處于最低值還是最高值，土壤的銨態氮和硝態氮的比值都比較低，不能發揮作用。同理可以得出土壤中不同形式磷元素的含量變化響應分析結果，綜合多種類型的氮含量和磷含量，得出土壤中全氮和全磷在水文周期變化的響應結果，如圖6所示。

圖6 土壤全氮/磷儲量水文周期變化的響應分析結果

由此可見，各個土層之間的全氮儲量和全磷儲量無顯著性差異，相較于空間差異，研究城市濕地樣本的土壤氮/磷儲量具有更高的時間差異性，在夏季時段土壤中的氮/磷儲量最多，冬季儲量最少。

3.4 土壤溫度對水文周期變化的響應

在水文溫度的周期性變化影響下，土壤溫度的響應分析結果，如圖7所示。

圖7 土壤溫度對水文周期變化的響應分析結果

由圖7可知，深層與表層土溫變化有顯著差異，表層土壤最高溫度出現在夏季8月左右，深層土壤最高溫度出現在秋季10月。從溫度波動幅度來看，表層土壤溫度波動與氣溫變化基本一致，均呈季節周期性變化，深層土壤波動平緩。

4 結語

濕地在調節全球氣候、維持區域生態平衡、為野生動植物提供棲息地等方面發揮著重要作用。隨著世界城市化浪潮對濕地生態環境造成的壓力越來越大，濕地生態環境對城市化的響應研究成為當前的熱點之一。水是濕地的主導因素，水分的完整和健康是濕地綜合生態環境安全的基礎。但是因為人類的淺見以及生存的壓力，對濕地過度的休養生息，使得濕地數量和質量急劇下降。通過對城市濕地土壤環境水文周期變化的響應研究，可以在不同的時段采取合適的措施進行濕度保護，最大程度地保存地球上的城市濕地資源。但仍存在不足之處，后期會進行深度研究。