城市濕地土壤環(huán)境水文周期變化的響應(yīng)研究

李長城

(山東省淄博市水利事業(yè)服務(wù)中心，山東 淄博 255000)

城市濕地是建設(shè)在城市管轄區(qū)內(nèi)，長時(shí)間被靜止或流動(dòng)的淡水、半咸水水體淹沒，是陸生生態(tài)與水生生態(tài)之間的過渡，屬于一種復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。濕地不僅能夠?yàn)橐吧鷦?dòng)植物提供棲息地，同時(shí)還具有調(diào)節(jié)徑流、改善水質(zhì)等作用。濕地在世界范圍內(nèi)分布較為廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(shí)也是濕地植物的營養(yǎng)庫之一。在溫度、降水等因素的影響下，城市濕地水文環(huán)境產(chǎn)生周期性和季節(jié)性變化，進(jìn)而影響濕地土壤環(huán)境的組成成分以及分布狀態(tài)[1]。為了最大程度地保留土壤中的營養(yǎng)成分，保護(hù)城市濕地區(qū)域，對城市濕地水文周期變化以及土壤環(huán)境影響開展研究可以為濕地資源的開發(fā)以及環(huán)境保護(hù)等工作提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 城市濕地研究區(qū)域概況

研究區(qū)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(zhì)地貌方面，研究區(qū)屬第四紀(jì)沖積平原，湖岸是自然形成的坡度極小的平地，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)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(xiàn)在西湖常年蓄水，而東湖沒有蓄水，基本上已經(jīng)變成了居住區(qū)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(hào)湖岸土壤質(zhì)地多為粘質(zhì)土，滲透力差，湖底自然形成隔水層，是良好的天然蓄水池，經(jīng)滲漏水量較少。選擇的濕地具有明顯的季風(fēng)氣候，冬夏長，春秋季節(jié)短。大氣稀薄，年平均氣溫-5℃，春季為冷暖季節(jié)轉(zhuǎn)換期，冷暖氣流交匯于區(qū)內(nèi)，但降雨量很少，形成干燥多風(fēng)的氣候。年均干燥度為1.11～1.43，大陸度為63.8%。研究區(qū)域年平均降水量只有547mm，其降水時(shí)空分布不均，無霜期196d，其周邊地區(qū)的降水概率高于市區(qū)[3]。自然保護(hù)區(qū)的蒸發(fā)量為1766～1835mm，平均蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于年平均水平，從而使研究濕地需要外來水源補(bǔ)給，以維持正常的生態(tài)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(huán)境數(shù)據(jù)

研究所獲得的數(shù)據(jù)主要是氣象數(shù)據(jù)，太陽輻射、降雨量和環(huán)境溫度是氣象數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。天氣資料主要依靠小型自動(dòng)氣象站進(jìn)行觀測，時(shí)間為2020年11月1日—2021年10月30日。該氣象觀測系統(tǒng)包括一個(gè)小型自動(dòng)氣象站，觀測時(shí)間分辨率為20min[4]。太陽輻射是濕地土壤水分蒸發(fā)的影響因素之一，通過日照時(shí)數(shù)對太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與采集。大氣層上空的太陽輻射數(shù)據(jù)可以表示為：

(1)

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

由此可以計(jì)算出晴天、陰天等不同天氣狀態(tài)下的太陽輻射數(shù)據(jù)，將單位時(shí)間的亮度數(shù)據(jù)作為太陽輻射數(shù)據(jù)的采集結(jié)果。同理可以利用硬件設(shè)備，統(tǒng)計(jì)得出其他類型土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取結(jié)果。

1.3 城市濕地土壤環(huán)境樣品采集與測定

在選擇的城市濕地研究區(qū)域內(nèi)，選擇4個(gè)平行樣地，樣地分布情況，如圖1所示。

圖1 采樣地結(jié)構(gòu)示意圖

以春、夏、秋、冬4種采集方式進(jìn)行土樣采集，具體采集時(shí)間為2020年4月、2021年8月、2021年10月和2020年12月。隨機(jī)選取0～10、10～20cm土層樣品，重復(fù)采集3次，共24個(gè)混合樣本，取0.5m×0.5m，間隔10cm，重復(fù)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(qū)間為[10cm，20cm]，每次水樣的采集量為500mL，初始水樣用取樣點(diǎn)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(huán)境變化2個(gè)方面，設(shè)置研究的測定指標(biāo)[7]。其中水文環(huán)境測定指標(biāo)包括蓄水變化量、水位、水資源分布等指標(biāo)，以蓄水變化為例，其測定結(jié)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(fā)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(bǔ)給量；Og—地下水對地表水的補(bǔ)給量[8]。

土壤環(huán)境的測定指標(biāo)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(jì)直接測定，土壤表層溫度可以利用溫度計(jì)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(biāo)記為M1。將所有的土壤樣本放置在干燥真空烘干機(jī)中，設(shè)置烘干機(jī)的溫度參數(shù)為80℃，烘干時(shí)間為2min，以相同的方式重新稱量土壤重量，標(biāo)記為M2，將土壤重量的稱量結(jié)果代入到公式(3)中，可以得出土壤含水率的測定結(jié)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(jìn)行土壤磷儲(chǔ)量的測定，最終的測定結(jié)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(chǔ)量；TP—土壤中全磷的儲(chǔ)量[9]。綜合各個(gè)指標(biāo)的測定結(jié)果，得出最終的響應(yīng)分析結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析方法，將不同季節(jié)土壤鹽分參數(shù)的變化特征確定為0.02。采集各時(shí)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(jié)果。利用軟件如MicrosoftExcel2013、SPSS19.0和Canoco4.5統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并利用SigmaPlot12.5和CanocoDraw4.5軟件將統(tǒng)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)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(xiàn)出明顯的周期性變化，主要體現(xiàn)為季節(jié)性周期變化，在水循環(huán)理論的支持下，分析濕地水文的周期性變化規(guī)律，并以此作為研究的自變量。

2.1 構(gòu)建城市濕地水文模型

城市濕地水文模型構(gòu)建的目的是模擬和預(yù)測不同氣候條件下濕地水文特征的變化情況，根據(jù)空間動(dòng)力學(xué)理論描述地表潛熱和感熱通量狀況，同時(shí)結(jié)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(tài)變化和水熱傳遞規(guī)律。城市濕地水文模型水循環(huán)機(jī)理如圖2所示。

圖2 模型水循環(huán)原理

由圖2可知，城市濕地土壤水分的蒸發(fā)共包括冠層蒸發(fā)、植被蒸騰和裸土地區(qū)土壤蒸發(fā)3個(gè)部分，總蒸散計(jì)算公式為：

(5)

式中，Ei—不同類型的水蒸發(fā)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(gè)循環(huán)過程中，其內(nèi)部水量始終處于平衡狀態(tài)。

2.2 確定濕地水文變化影響因素

在構(gòu)建的濕地水文模型下，城市濕地水文變化會(huì)受到區(qū)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(qū)域降水量和來水徑流量增大，區(qū)域內(nèi)的蓄水量隨之增加，具體體現(xiàn)在水面面積和水位2個(gè)方面。通過對氣象數(shù)據(jù)的采集和分析，年降水量最高、最低值分別出現(xiàn)在6和12月，有明顯的干旱和雨季。徑流量方面，研究區(qū)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(diǎn)，當(dāng)區(qū)域溫度低于0℃時(shí)，液態(tài)水立即轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，此時(shí)無液態(tài)水蒸發(fā)，固態(tài)冰會(huì)直接升華為水蒸氣，由于冰的升華速度低于水的蒸發(fā)速度，因此在冬季氣溫低于0℃時(shí)，城市濕地中的水含量趨于穩(wěn)定[11]。而當(dāng)溫度高于0℃時(shí)，水循環(huán)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(guī)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(huán)境中水面面積、水位指標(biāo)的測定與計(jì)算，得出水文周期變化規(guī)律的分析結(jié)果，如圖3所示。

圖3 城市濕地水文周期變化規(guī)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(huán)境對水文周期變化的響應(yīng)結(jié)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(guī)律為自變量，分別在各個(gè)周期變化節(jié)點(diǎn)上測定不同位置、不同深度上土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)，從而得出城市濕地土壤環(huán)境與水文周期變化之間的響應(yīng)關(guān)系[12]。

3.1 土壤鹽分對水文周期變化的響應(yīng)

通過不同季節(jié)土壤成分的測定，得出土壤鹽分的響應(yīng)分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 土壤鹽分響應(yīng)分析結(jié)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(xiàn)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(yīng)

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(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(3)中，分別得出春季時(shí)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(shí)段各個(gè)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(shí)段各個(gè)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(shí)段各個(gè)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(shí)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(dòng)，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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 土壤全氮/磷含量對水文周期變化的響應(yīng)

城市濕地土壤中的有效氮可以分為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種類型，通過公式(4)的計(jì)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(yīng)

由圖5可知，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對土壤含水量的響應(yīng)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(shí)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮出現(xiàn)最大值。銨態(tài)氮/硝態(tài)氮的比值存在波動(dòng)性變化趨勢，在含水率梯度最低時(shí)，整個(gè)比值出現(xiàn)波動(dòng)；在第一次高峰出現(xiàn)后，這個(gè)比值開始下降到最低值，在第二次小高峰出現(xiàn)后，說明無論土壤水分處于最低值還是最高值，土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的比值都比較低，不能發(fā)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(yīng)分析結(jié)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(yīng)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 土壤全氮/磷儲(chǔ)量水文周期變化的響應(yīng)分析結(jié)果

由此可見，各個(gè)土層之間的全氮儲(chǔ)量和全磷儲(chǔ)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(chǔ)量具有更高的時(shí)間差異性，在夏季時(shí)段土壤中的氮/磷儲(chǔ)量最多，冬季儲(chǔ)量最少。

3.4 土壤溫度對水文周期變化的響應(yīng)

在水文溫度的周期性變化影響下，土壤溫度的響應(yīng)分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 土壤溫度對水文周期變化的響應(yīng)分析結(jié)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(xiàn)在夏季8月左右，深層土壤最高溫度出現(xiàn)在秋季10月。從溫度波動(dòng)幅度來看，表層土壤溫度波動(dòng)與氣溫變化基本一致，均呈季節(jié)周期性變化，深層土壤波動(dòng)平緩。

4 結(jié)語

濕地在調(diào)節(jié)全球氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡、為野生動(dòng)植物提供棲息地等方面發(fā)揮著重要作用。隨著世界城市化浪潮對濕地生態(tài)環(huán)境造成的壓力越來越大，濕地生態(tài)環(huán)境對城市化的響應(yīng)研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。水是濕地的主導(dǎo)因素，水分的完整和健康是濕地綜合生態(tài)環(huán)境安全的基礎(chǔ)。但是因?yàn)槿祟惖臏\見以及生存的壓力，對濕地過度的休養(yǎng)生息，使得濕地?cái)?shù)量和質(zhì)量急劇下降。通過對城市濕地土壤環(huán)境水文周期變化的響應(yīng)研究，可以在不同的時(shí)段采取合適的措施進(jìn)行濕度保護(hù)，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(huì)進(jìn)行深度研究。