晉西黃土區土地利用對降雨入滲產流模式和優先流分布的影響試驗研究

牛鳳嬌,潘成忠,*,崔永生,鄒春蕾,張國棟,馬勇星

1 北京師范大學水科學研究院,北京 100875

2 北京林業大學水土保持學院 山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站,北京 100083

降雨入滲是黃土高原地區土壤水分補給的主要來源[1—2]。土壤入滲補給主要存在基質流和優先流兩種形式,水分和溶質在土壤中層層緩慢推進、濕潤鋒均勻下移的水分運動形式為基質流[3];水分繞過大部分土壤基質,通過大孔隙縱向或橫向快速運移的水分運動形式為優先流。優先流是土壤從均質走向非均質的標志[4],通過調節入滲、產流、侵蝕、地下水補給等過程影響土地的退化[5—6]。

自1999年我國大范圍實施了退耕還林還草工程,黃土高原地區植被覆蓋度明顯增加[7—8]。植被恢復在有效控制土壤侵蝕、改善生態環境的同時,亦導致了一些生態問題,如部分區域出現了土壤干層[9]、河川徑流減少[10]等。此外,小流域徑流觀測分析表明,植被恢復可顯著削減洪峰流量,并改變降雨徑流過程[11]。然而,植被恢復對坡面或流域尺度上的降雨入滲產流的作用機制仍不明晰,難以有效支撐該區的流域高質量發展和生態保護[12]。

不同土地利用類型下植物根系在土壤中的生長延伸和生死更迭,枯落物分解等改變了土壤結構,導致土壤特性(如含水率、容重、孔隙度等)的改變,進而影響土壤的入滲產流過程和水分運動[13—16]。研究表明,不同土地利用類型下的入滲速率由大到小依次為林地>灌木>草地>農田[17]。染色示蹤法是觀測原位土壤優先流入滲通路的常用方法,結合圖像分析技術可定量揭示優先流路徑數量、寬度和對總入滲的貢獻等[18—19]。研究表明優先流現象在林地更容易發生,草地和農田的優先流多出現在表層[20]。根系周邊非均質界面可以使水分以較快的速度向下運動,對優先流入滲有一定的促進作用[21—22]?，F有研究多集中于對優先流發育程度的評估,缺少對基質流、優先流入滲貢獻的定量區分。隨著退耕還林工程的實施,林齡多樣化所帶來的差異也逐漸被研究者考慮。部分研究認為隨著林齡的增長土壤滲透性減弱[23],而優先流的發育程度出現波動[24],需進一步探索其影響機制。進一步將降雨-入滲-產流機制研究與基質流、優先流過程定量分析結合,探究不同土地利用類型及林齡下入滲產流模式和優先流分布,可為黃土區河道徑流減少及土壤干層等問題提供可能性理論依據。

本研究以山西省吉縣蔡家川流域幾種典型土地利用類型坡面為研究對象,采用野外模擬降雨和染色示蹤相結合的方法,開展不同林齡刺槐人工林、草地和休耕地的降雨-入滲-產流和土壤水分運動研究,分析不同樣地的降雨入滲產流模式和優先流發育過程,并量化優先流、基質流入滲貢獻和影響機制,進而為黃土區的生態保護和植被建設提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省吉縣蔡家川流域,地理坐標為110°39′45″—110°47′45″E,36°14′27″—36°18′23″N,海拔高度為900—1513m,地處黃土高原東南部,土層深厚,土質為褐土,屬于典型的黃土殘塬溝壑區,為暖溫帶大陸性季風氣候。該區多年平均降水量491mm,潛在蒸散量1729mm,年均氣溫10.2℃,日照時數約2563h。該區域在1991年和2001年先后經過兩次大規模植樹造林,主要土地利用類型有林地、農地、荒草地、果園等。

1.2 試驗設計

1.2.1樣地選擇

為評估土地利用類型對降雨入滲的影響機制,選取地形條件相近的4種典型坡面開展模擬降雨試驗,分別為休耕地(對照)、20年和30年刺槐人工林地以及自然草地,林、草地均設3個重復徑流小區。模擬降雨徑流小區尺寸均為長×寬=1m×1m,坡度為15°左右。徑流小區采用石棉瓦板圍成,石棉瓦板埋入土中20cm,板兩側用細土填實,以避免水流隨石棉瓦板內壁下滲。徑流小區地表出口安裝徑流收集裝置,在根系較密集的地表20cm和50cm處平行安裝2個壤中流導流槽。在模擬降雨前,人為去除地表枯落物和植被,并適當平整下墊面使其基本順直,以避免地面不平整導致的局部填洼或入滲不均等現象發生。

試驗開始前,選取試驗場地鄰近區域取樣測定土壤性質,包括初始含水率、容重、總孔隙度、飽和導水率和粒徑。每個樣點在0—1m的土層每隔10cm采鋁盒和環刀土樣,每層3個重復。采用烘干法測量土壤初始含水率(105℃,24h);馬爾文Mastersizer2000激光掃描儀測量粘粒(<0.002mm)、粉粒(0.002—0.05mm)和沙粒(0.05—2mm)含量;環刀法測量土壤容重和總孔隙度;恒定水頭法測量飽和導水率。試驗樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況調查Table 1 Basic information questionnaire for sample plots

1.2.2試驗過程

試驗采用長、寬、高=1.2m×1.2m×1.5m的針頭式人工降雨器(圖1),針頭直徑0.55mm,針孔均勻分布,降雨用水為4g/L的亮藍溶液。在降雨過程中保持降雨器內水位不變,標定雨強30mm/h,降雨均勻系數大于0.80。相較于直接澆灌或噴灑染色劑的示蹤試驗,其優點在于試驗結果能夠更好地反映自然情況,同時能反映坡面產流情況。

圖1 試驗布設Fig.1 Experimental device plan

人工降雨試驗于2021年7—9月選擇連續晴朗天氣開展,每次降雨持續3h,降雨量為90mm。降雨24h后開展下一場降雨,連續3場降雨在72h內完成,總降雨量為270mm。降雨過程中采用集雨桶每10min收集一次地表和壤中流徑流量,并用量筒量取其體積。同時用便攜式土壤濕度傳感器(IMKO PICO-64)測量1m×1m垂直剖面土壤含水率,每10cm為一層,每層水平均勻測量10個數值。每天降雨結束后,用塑料布覆蓋小區表層及剖面,以減少水分蒸發的影響。每個試驗小區3次降雨全部完成24h后,在其坡中部位垂直開挖1m×1m的垂向剖面。在剖面周圍放置鋁合金硬質不變形框,用于后期圖像處理的幾何校正和標準化處理。在遮光的條件下用相機對染色剖面進行拍照記錄。同時將剖面劃分為10cm×10cm的網格(圖1),取土樣測土壤含水率和根系生物量。

1.3 數據分析

1.3.1圖像處理

染色圖像的處理分為幾何校正、白平衡校正、色彩校正、參數計算等步驟。運用Adobe Photoshop CS對染色剖面照片進行幾何校正,調整圖像大小、亮度、明度、閾值等。應用MATLAB建立矩陣并賦值,繪制染色占比隨土層深度變化圖。用Excel計算土壤及根系參數、分層入滲量及基質流、優先流貢獻率,用Origin繪制成圖。土壤水分運動等值線圖運用Surfer根據克里金差值法繪制。

1.3.2數據處理

本研究將染色占比小于80%的區域界定為優先流區,其他區域為基質流區[6]。為排除邊界區域對入滲的影響,選取小區中間作為基質流和優先流的分析區域。

優先流分數(PF-fr)[25]采用式(1)計算:

(1)

其中,UniFr是均勻入滲深度(cm),即染色區基質流深度(下文簡稱基質流深度),按照染色區域覆蓋率的值等于80%的入滲深度計算;W是剖面寬度(cm);TSA是總的剖面染色面積(cm2),在本試驗中為最大染色深度對應的剖面面積。

優先流入滲體積[6](PIV)及其對總入滲體積(TIV)的貢獻分別采用式(2)和(4)計算:

(2)

其中,ID表示入滲深度(cm),Vi、Vj表示第i、j土層的入滲量(mm)。

(3)

其中,θtu是降雨后土壤含水率(%);θiu是初始土壤含水率(%);u表示土壤樣本序列的寬度,在本試驗中為6;d表示該層土壤的容重(g/cm3);Vs表示樣本土壤體積(cm3)

優先流對總入滲的貢獻[6]計算:

(4)

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型下土壤和根系特征

考慮到不同土地利用類型及黃土區土壤均質的特性,每種類型選取了典型小區進行土壤及根系特性測定(圖2)。土壤初始含水率表現為草地和休耕地>20年刺槐林地>30年刺槐林地。容重表現為草地>休耕地>20年刺槐林地>30年刺槐林地,其中0—30cm土層均呈增大趨勢,30—50cm土層逐漸減小并趨于平穩,總孔隙度變化趨勢與之相反,0—10cm土層較疏松。飽和導水率表現為20年刺槐林地>30年刺槐林地>草地>休耕地,其中0—10cm土層飽和導水率較大,10cm以下減小并趨于穩定。粒徑均表現為砂粒占比最大,占50%—60%,粉粒次之,占40%左右。0—10cm土層,草地和休耕地砂粒含量>刺槐林地,10—100cm土層,刺槐林地>草地和休耕地。

圖2 土壤性質及根系分布指標Fig.2 Soil properties and root distribution indicatorsd:根系生物量徑級

4種用地類型根系分布存在較大差異,休耕地幾乎沒有根系,根系生物量徑級d<1mm和1mm30年刺槐林地>草地,徑級2mm5mm均表現為30年刺槐林地>20年刺槐林地>草地;20年刺槐林地<2mm細根占比較大,30年刺槐林地>2mm粗根占比較大,且30年刺槐林地在50cm土層以下根系分布比20年刺槐林地及草地更為豐富。

2.2 不同土地利用類型下降雨-入滲分析

2.2.1優先流分布

刺槐林地、草地、休耕地的土壤優先流染色深度具有較大的差異,最大染色深度由深到淺依次為48cm(20年刺槐林地)、28cm(30年刺槐林地)、20cm(草地)、14cm(休耕地)(圖3)。20年刺槐林地在0—25cm土層染色分布均勻,25—48cm土層出現染色深度不同的分支;30年刺槐林地在0—10cm土層染色分布均勻,10—28cm土層出現染色深度不同的分支;草地在0—5cm土層染色分布均勻,5—20cm土層出現染色深度不同的分支;而休耕地整體在0—14cm范圍內都呈現出比較均勻的染色狀態。

圖3 土壤剖面的染色垂向分布Fig.3 The vertical distribution of the dyed soil

20年和30年刺槐林地染色比較均勻,說明在刺槐林地垂直方向的大孔隙流入滲占主導,而草地染色不均勻說明多方向的大孔隙流和側向流所占比例較高,這與Mei等[6]人的研究相符。對比剖面染色圖中染色下邊緣線可以看出,休耕地的下邊緣線更加平滑,而草地、刺槐林地的下邊緣線有多個峰值出現,且林地優先流入滲深度明顯大于草地和休耕地,說明根系會產生優先流入滲通道,促進優先流入滲,使其出現峰值,而在沒有根系的情況下入滲深度基本一致且比較均勻。

4種用地類型染色面積占比均隨著土層深度的增加而減小,直至在染色最深處減小為0(圖4)。對于最大染色深度、基質流深度、染色面積占比和優先流入滲貢獻,均表現為20年刺槐林地>30年刺槐林地>草地>休耕地;對于優先流分數和優先流入滲量,表現為30年刺槐林地>20年刺槐林地>草地>休耕地(表2)。優先流特征因子整體表現為林地>草地>休耕地,其可能與林地枯落物分解和根系有關。休耕地優先流程度最小,其土層均質且無根系。而草地的根系主要分布在0—20cm土層,故其土壤染色深度較淺,優先流發育不充分。刺槐林地優先流對總入滲量的貢獻是草地和休耕地的2.5—4.5倍,其中20年刺槐林地優先流現象比30年刺槐林地更為明顯,其原因可能在于前者<2mm的細根占比更大,而>2mm的粗根占比略小,研究認為細根對優先流的貢獻作用更強[26—27]。

圖4 染色占比隨土層深度變化Fig.4 The variation with soil depth in dye area coverage

表2 幾種土地利用類型的優先流特征參數Table.2 Preferential flow characteristics for the typical land uses

2.2.2基質流與優先流對入滲的貢獻

4種樣地類型均表現為雨后土壤含水率較雨前發生了明顯的增長(圖5)。20年和30年刺槐林地土壤含水率變化較大,累計變化量均值達68.16%,草地和休耕地的變化較小,累計變化量均值僅有48.43%。降雨對林地土壤水分的補給效果好于草地和休耕地。

圖5 不同土層基質流和優先流入滲貢獻Fig.5 The contributions of matrix and preferential flows to total infiltration amount for different soil layers

4種樣地類型均整體以均勻的基質流為主,優先流為輔(圖5)。20年刺槐林地優先流主要集中于30—40cm土層,占該層總入滲量的29.2%;30年刺槐林地優先流在10—20cm、20—30cm兩個土層均有一定分布,占比分別為17.1%和10.7%;草地和休耕地在10—20cm土層出現優先流,占比分別為17.0%和7.3%。4種用地類型降雨入滲主要補給均在60—70cm以上土層,20年和30年刺槐林地優先流分布范圍及占比均大于草地和休耕地,優先流現象更為明顯,與上述對優先流特征因子的計算分析結果相符。整體上基質流占比較高,優先流單層占比均低于30%,甚至在休耕地低于10%。因此晉西黃土區的入滲模式以基質流入滲為主,但林地可能會增加優先流的入滲比重。

2.3 不同土地利用類型下土壤水分運動特征

降雨結束24h后20年刺槐林地0—50cm土層土壤含水率在垂向上差異不大,在20%—24%之間,50cm土層土壤水分開始發生明顯變化,由20%降至8%;30年刺槐林地0—30cm土壤含水率在20%—28%之間,30cm土層土壤水分開始發生明顯變化;草地0—50cm土壤含水率在21%—23%之間,休耕地0—50cm土壤含水率在21%—25%之間,土壤水分發生明顯變化的土層均為50cm(圖6)。

圖6 典型土地利用下降雨結束24h剖面土壤水分等值線Fig.6 The contours of soil moisture at 24 hours after rainfall for the typical land uses

20年和30年刺槐林地土壤水分開始明顯變化的土層深度與優先流入滲深度基本一致。說明刺槐林地優先流對水分運移可能具有促進作用,大孔隙優先流入滲對土壤水分條件的改善具有重要意義。這與Jiang等[28]的研究相一致,其認為從剖面土壤水分分布的水分驟變土層能夠更準確地反映優先流入滲深度。但在本研究中草地和休耕地的研究結果與之不符,其水分發生明顯變化的土層深度大于優先流入滲深度。這可能是由于該類型小區大孔隙優先流比重很小,難以在剖面水分變化中體現。

20年刺槐林地和休耕地2種典型土壤剖面降雨前后的水分變化情況見圖7,第2次降雨對剖面土壤水分的補給比較接近,均集中于0—30cm土層,且土壤含水率的增大幅度接近,說明前期降雨總體上均勻補給地表土壤水分。第3次降雨前后的土壤水分變化說明,后期降雨繼續增加下層土壤水分,但刺槐林地土壤水分的補給集中于30—50cm土層,且相對均勻,而休耕地土壤水分增量在30—60cm土層存在明顯的空間變異性,且主要補給土層仍在表層。

圖7 降雨過程中的土壤水分變化Fig.7 The dynamics in soil water content among three rainfalls

2.4 不同土地利用類型下降雨-產流過程分析

產流是降雨和入滲過程的表現形式[1]。在連續3天總降雨量為270mm(次降雨量90mm)條件下,4種樣地均未產生壤中流。初次降雨僅休耕地和1個草地小區未產生地表徑流,其它小區均有地表徑流產生(表3)。第2、3次降雨刺槐林地徑流系數總體上小于草地和休耕地。20年刺槐林地徑流系數最小,且徑流系數與前期土壤含水率無明顯相關關系。而草地和休耕地徑流系數隨前期土壤含水率的增加而增大。導致20年刺槐林地地表徑流與前期含水量關系不明顯的原因可能是,受到降雨針頭堵塞影響,第2、3次降雨量可能有所不足,且刺槐林枯落物分解、根系等顯著改變了土壤結構,增強了土壤滲透性[23,29—30]。與20年刺槐林地相比,30年刺槐林地徑流系數與前期土壤含水率呈正相關,但相關性較草地和休耕地更弱。隨著生長年限的延長,30年刺槐林地粗根含量增加,而粗根系在一定程度上會破壞孔隙在垂直方向上的連通性,阻礙入滲[31—32]。休耕地和草地-3在第1次降雨條件下未產流,這可能主要與樣地表層土壤(0—10cm)較高的砂粒含量有關,已有研究表明砂粒含量與入滲量呈顯著正相關關系[33]。

表3 降雨入滲產流情況Table 3 Rainfall infiltration runoff

2.5 根土參數對入滲的影響分析

不同土地利用類型下降雨入滲整體以基質流入滲為主,但入滲量、基質流和優先流分布及貢獻存在明顯差異,入滲量和優先流發育程度均表現為刺槐林地>草地>休耕地,而20年刺槐林地較30年刺槐林地入滲能力更強。研究表明,上述差異主要受到土壤性質和根系分布的影響[13—14,27]。為進一步探討不同根土參數對入滲的影響,判定促進作用最優的根系徑級,針對根系相對密集的0—50cm土層,分別計算分層土壤和根系參數與總入滲量、基質流入滲量和優先流入滲量的相關性(表4)?？傮w上,土壤初始含水率、粘粒含量與入滲量和基質流入滲量呈顯著負相關,土壤容重與優先流入滲量呈顯著負相關,總孔隙度與優先流入滲量呈顯著正相關。較高的初始含水率、容重和粘粒含量會抑制入滲和優先流的發生,這一結果與Wu和Hardie等人[34—35]的研究相符。不同根系徑級對入滲的作用存在差異,d<2mm的細根對入滲量、基質流量及優先流量均具有明顯的促進作用,其中d<1mm時促進作用更強;當d>5mm時根系與入滲量和基質流入滲量呈顯著負相關,其原因可能為隨著粗根占比的增加,根系會堵塞土壤原有孔隙,尤其橫向伸長的根系,破壞孔隙的縱向連通性,從而阻礙入滲[31—32]。

表4 入滲特征與土壤根系參數相關系數Table 4 Correlation coefficients between infiltration characteristic and Soil root parameter

3 結論

本文針對晉西黃土區蔡家川流域典型下墊面開展模擬降雨試驗,觀測坡面入滲產流過程,并結合染色示蹤和圖像處理軟件技術,分析土地利用類型對降雨入滲產流模式和優先流分布的影響,得到以下主要結論:

(1)4種樣地類型均整體以基質流入滲為主,優先流入滲為輔,優先流貢獻均不超過10%。累積入滲量和優先流發育程度均表現為刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地優先流對總入滲的貢獻是草地和休耕地的2.5—4.5倍。

(2)4種用地類型降雨入滲主要補給地表60—70cm土層,前期降雨均勻增加表層土壤含水率,而后期降雨補給深層土壤水分的空間變異性顯著增強。

(3)細根對入滲和優先流有一定的促進作用,直徑d<1mm時促進作用最強,根系生長到一定徑級會阻礙入滲,d>5mm的粗根與入滲量和基質流量呈顯著負相關。較高的初始含水率、容重和粘粒含量會抑制入滲和優先流的發生。

(4)刺槐林地產流量及徑流系數均顯著小于草地和休耕地,且前期含水量對20年刺槐林地的影響較小,而顯著影響草地和休耕地徑流系數。目前晉西黃土區人工林地產流量顯著小于草地和休耕地,這可能是造成黃土區河道徑流減少的重要原因之一。

致謝:山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站提供試驗條件,特此致謝。