长白山区泥炭地泥炭饱和导水率特征研究

林兵姿 王一诺

摘要：旨在以长白山区泥炭地为研究对象，初步探讨泥炭饱和导水率（Ksat）的基本特征、影响因素和空间分异性，并对比排水区和自然区泥炭饱和导水率的差异性。结果表明，垂直方向饱和导水率均值在41.00 m/d左右，与其他研究区相比处于中等偏上水平。泥炭的饱和导水率（Ksat）与容重呈负相关，与孔隙度呈正相关，与最小持水量、饱和含水量、有机质含量呈显著正相关。在表层0～50 cm处，排水区的Ksat小于自然区的Ksat。自然状态的泥炭地随着深度的增加，导水能力减弱，Ksat减小。Ksat存在各向异性，63%的样品KsatH大于KsatV，但相差不大，KsatH约为KsatV的1.07倍，二者相关性极高。

关键词：泥炭;饱和导水率;排水;各向异性

中图分类号：Q951         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）10-0040-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.010           开放科学（资源服务）标识码（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着诸多生物、化学、物理过程，如植物生长、泥炭的积累与分解、化学元素的迁移转化和固碳过程等[1，2]。水在泥炭中的运动是湿地水文过程的重要环节，泥炭土资源的保护和可持续管理依赖于有效的土壤水分管理。泥炭的饱和导水率（Ksat）是刻画水在泥炭中运动的重要指标，它是指单位水力梯度下、单位时间内通过单位面积饱和泥炭的水量。自然状态下，它受容重、孔隙度、泥炭深度、泥炭类型、微地貌、有机质含量、地表植被类型、分解程度和冻融作用等因素影响[3-11]。此外，它还受收割、焚火、排水和压实等人类活动的影响[12，13]。国外关于泥炭饱和导水率的研究不晚于20世纪60年代。相比之下，国内相关研究还较薄弱。

自然状态下的泥炭沼泽，表层土壤具备高储水能力和膨胀收缩性能，使其能调节地下水位的变化，并使地下水位维持在接近地表的水平[14]。然而排水和开采的行为不可避免地改变了泥炭结构，使得年龄较老、高度分解的土层暴露在地表，从而改变了泥炭地蓄水的方式。在泥炭地生态系统中，水文是最为关键的环节，制约植被生长，影响动物栖息地环境，影响着碳的累积排放。本研究区属于典型的因发展林业而遭到破坏的泥炭地，且研究区内保留着一定面积的未被破坏的原始泥炭地，本研究着重探讨饱和导水率的基本特征及其影响因素，并对比排水区和自然区泥炭饱和导水率的差异性，解析水文退化机制，为分析和模拟湿地水文过程提供数据基础。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

研究区（42°9′—42°11′N、126°43′—126°45′E）位于吉林省白山市长白山区一林场内（图1），有大气降水和盆地径流作为较稳定的水源输入，海拔高度在778～783 m，面积约80 hm2。具有东亚季风气候区和山地寒温带湿润气候区两个气候区，气候特点表现为四季分明，冷凉湿润，雨水充足，无霜期短，光照充足。1月多年平均气温-17 ℃，7月多年平均气温21 ℃，年平均气温2～3 ℃，无霜期110 d。年均降水量761 mm，主要集中在5—9月。研究区内泥炭平均厚度1.5 m，泥炭层最厚处集中在泥炭地中间位置，最大泥炭厚度为3 m。20世纪70年代，因营林需要该泥炭地约3/4面积被排水造林。但排水后林木生长不理想，还因为水位下降导致原有的高碳汇油桦、笃斯越桔、泥炭藓群落被金露梅群落取代，植被、土壤发生退化。自然未排水区为草本泥炭沼泽，地表季节性积水，生长季积水深度5～10 cm;排水区地表常年无积水，生长季地下水位一般在地表以下5～50 cm。本研究將整个泥炭地划分为排水区和自然区进行分析。

1.2  研究方法

2017年9月使用泥炭钻在研究区的自然区选择5个样点，在排水区选择10个样点，采集原状泥炭样品（A类样品），取样点按样线分布，间隔150 m左右。样品形状为规则的半圆柱体，取样深度直达泥炭累积的层位底部，并使用相同口径的PVC管材盛装泥炭样品，用保鲜膜密封固定，移动过程中尽量使样品不被干扰，带回实验室后快速冷冻。样品带回实验室10 cm间隔分样，测定容重、含水率、孔隙度、持水量、有机质和垂直方向饱和导水率等理化性质。此外，使用方形泥炭钻，分别在自然区和排水区各选择1个样点，采集0～65 cm深度的原状泥炭样品（B类样品），样品形状为规则的长方体，带回实验室分别测定水平和垂直方向饱和导水率，以分析泥炭饱和导水率的各向异性。

测定饱和导水率的方法依据达西定律，利用石蜡密封法和恒定水头法测量饱和导水率[15]，试验装置如图2所示。为消除钻头旋进时对样品的扰动，将冷冻的样品进行适当修剪，使其形状规则，便于试验。将样品置于内径大于样品直径3 cm的PVC管中，样品和管壁之间的空隙用融化的高温液态石蜡填充。待石蜡完全凝固后，通过加水查验管壁与石蜡之间是否存在缝隙，如果有缝隙，可以使用针管注射液态石蜡再次进行密封，必须保证水流只能通过样品上表面经由泥炭柱子内部流通才能进行饱和导水率试验。然后，将样品置于水盆中，多次缓慢加水，使泥炭内部孔隙中的空气排出，孔隙被水填满，直至水位与样品高度平齐，并浸泡48 h以上。将浸泡至完全饱和的样品置于漏斗上方，提供5 cm的恒定水头。在流量稳定后，记录在一定时间内入渗的水量，利用达西定律（公式1）计算饱和导水率。全部样品均测试3次。特别注意在使用B类样品测定不同方向的饱和导水率时，将样品切割成规则的长方体，测定垂直方向饱和导水率后，将样品翻转90°，重新密封测定水平方向导水率[8]。

式中，Ksat为泥炭饱和导水率（m/d），V为t时间内下渗水的体积（m3）;L为水流流经的泥炭样品长度（m）;A为泥炭样品横截面面积（m2）;ΔH为水头（水位差）（m）;t为下渗时间（d）。An为各向异性（Anisotropy）;KsatH和KsatV分别为水平方向和垂直方向的饱和导水率，An>0时表示KsatH>KsatV，反之，若An<0则KsatH

2  结果与分析

2.1  泥炭饱和导水率的总体特征

Beckwith等[16]在英国一泥炭地采样测得KsatH约为6.5 m/d，KsatV约为0.3 m/d。Nagare等[6]在加拿大地区一泥炭地测得KsatV在21.0～314.0 m/d。Lewis等[17]在爱尔兰地区测得的泥炭KsatV为0.1～10.0 m/d。以上研究中采用的试验方法均是恒定水头法。与其他研究相比，本研究中的Ksat处于中等偏高水平，这可能与泥炭地类型和泥炭性质有关。一般而言，分解度越低，Ksat越高[7]。在野外采样时观察到，研究区泥炭分解程度不高，在表层土壤中有大量清晰可见的未分解的草本和泥炭藓残体，在泥炭深度1 m以下的位置仍能观察到灌木的根系、细小树枝等残体，泥炭紧实度较差，疏松多孔，这些因素都使得该研究区土壤导水能力较强，水流运动速度较快。

由表1、表2可知，使用A类样品测得的泥炭Ksat总体区间在0.82～143.52 m/d;均值在41.00 m/d左右;自然区和排水区的Ksat差异不大，排水区的值略高于自然区;数值分布呈正偏态，偏度系数在1左右，表明数值主体部分在均值的左侧。使用B类样品测得的水平方向饱和导水率KsatH介于12.05～109.91 m/d，均值为42.23 m/d;测得的垂直方向水平饱和导水率KsatV介于12.28～98.55 m/d，均值为39.60 m/d。A类和B类泥炭样品虽然采样工具和样品形态不同，但保存和运输方式以及试验方法均一致，测得的数据结果也较为相近，可以认为本研究中的饱和导水率试验数据在一定程度上是具备准确性和代表性的。从数据来看，饱和导水率区间跨度达到了两个数量级左右，这与前人已有的研究结果一致[16，17]。造成这种显著变异的原因比较复杂，与泥炭类型、积水状况、分解程度以及泥炭深度均有关[4-6]。

通过对比加拿大东北部魁北克市泥炭地[18]和研究区泥炭地的泥炭导水率可以发现，虽然二者的测量方法和泥炭地水源补给状况大致相同，但饱和导水率却迥异。前者的KsatV、KsatH均显著高于后者，前者KsatH的平均值约为后者的20倍，KsatV的平均值约为后者的27倍。这种巨大差异主要是泥炭类型、积水状况等方面的差异引起的。首先，前者的泥炭主要是由泥炭藓组成，疏松且多孔隙，具有比草本泥炭更高的导水率;而后者的泥炭类型主要是草本泥炭，虽表层的根系众多，但是对水流的阻滞作用明显大于泥炭藓。其次，地下水位的高度和常年波动范围影响着泥炭的理化性质，进而影响了泥炭的导水能力。

2.2  自然和排水区泥炭饱和导水率对比

A类样品垂直方向饱和导水率随泥炭深度的变化见图3。有研究表明，泥炭的饱和导水率与深度有关，随着深度的增加，泥炭的饱和导水率下降了一个数量级[6]。整体上来看，排水区的KsatV随着深度并没有非常统一的增大减小的规律，但自然区的KsatV随着深度的增加确实在不断减小，降低了一个数量级。对比表层的数据可以发现，排水区的KsatV小于自然区的KsatV，已有学者提出在较干燥的条件下，好氧分解速率加快，极有可能发生垂直沉降和压实，增加了固体占据空间的比例，从而减少了能快速排水的大孔隙，降低了渗透速率，这一理论在Wallage等[4]研究中通过对排水干旱条件下泥炭渗透速率测定，再次被证实是合理存在的。从图3可以看到，在相同层位上自然区和排水区的变化规律比较一致，只有在40～60 cm和120～130 cm深度上，没有呈现一同变大或变小的规律，通过水位监测和野外采样观察，发现排水区常年水位波动范围位于地下50 cm处;并且在排水区10个采样点处均发现，在地下110～130 cm处的泥炭含水量偏高，泥炭质地松软，甚至样品无法完整采集。这一特點导致排水区泥炭在这一区间饱和导水率骤然增大。通过对比这一层位排水区的其他泥炭性质指标，发现容重减小、孔隙度增大、饱和含水率增大，推测可能是20世纪排水造林导致的泥炭性质突变。

2.3  泥炭垂直方向饱和导水率与其他指标的相关性分析

由表3可知，KsatV与容重显著负相关，与总孔隙度呈正相关，与持水量、饱和含水量呈显著正相关，与有机质含量呈显著正相关。泥炭的饱和导水率取决于孔隙的形态和数量[4，6]，而饱和含水率与容重间接反映孔隙的多少。饱和含水量越大，容重越小，意味着孔隙度越大，从而饱和导水率越大。持水量直接反映了土壤的持水能力，持水量和孔隙度有着直接相关性，持水能力强很大程度上反映了较大的孔隙度，所以持水能力越强，饱和导水率越大。已有研究表明泥炭的分解程度越高，透水的孔隙变少，不透水的孔隙变多，导致饱和导水率变小[10，11]。在本研究中，泥炭中的有机质主要来自于未分解或微分解的植物根系，大量植物残体的存在不仅增大了土壤的孔隙，还导致有机质的含量偏高，泥炭的饱和导水率也偏大。

2.4  泥炭饱和导水率的各向异性

Ksat的各向异性影响水流在不同方向的输送能力，它与过水孔隙的方向性有关，而这又与泥炭的形成来源、形成过程和分解程度有关。本研究中，约62%的样品的各向异性（An）为正值，KsatH普遍大于KsatV，前者约为后者的1.06倍，An均值为0.014，其中自然区样点的An正负各占50%，排水区样点的An基本为正值。这一结论与Nagare等[6]、Schlotzhauer等[14]、Beckwith等[16]和Lewis等[17]的研究结果相同。对于取自同一研究点的样品，各向异性这一现象可能表明局部条件影响着泥炭中水的流动状态。从图4可知，KsatH与KsatV显著相关，R2=0.756，这表明泥炭属性对二者的影响趋势是相同的，KsatH较大的泥炭地KsatV也较大，反之亦然。较大的相关系数也表明，对于同一样品，可以用KsatV（或KsatH）较好地预测KsatH（或KsatV）。

3  小结

本研究以达西定律为基础，将石蜡密封法与恒定水头法相结合，在室内测量了长白山区泥炭地的饱和导水率及其他相关指标。结果表明，饱和导水率的均值在41.00 m/d左右，与其他研究区相比，本研究的Ksat处于中等偏上水平。对比排水区和自然区的泥炭性质发现，表层0～50 cm的泥炭差异明显，排水区的Ksat小于自然区的Ksat，其他泥炭性质也有着相似的变化趋势，可知排水这一人为活动对泥炭性质造成了剧烈的影响，改变了泥炭性质，进而影响着整个泥炭地的水文过程、水文循环。泥炭的饱和导水率与容重呈负相关，与总孔隙度呈正相关，与最小持水量、饱和含水量、有机质含量呈显著正相关，自然状态的泥炭地随着深度的增加泥炭饱和导水率整体上存在变小的趋势，但在精细的分层情况下（10 cm间隔分层）这一规律体现得并不明显。泥炭地饱和导水率存在各向异性，63%的样品KsatH大于KsatV，但相差不大，KsatH约为KsatV的1.07倍，二者相关性极高。

饱和导水率的影响因素和影响机制较为复杂，恒定水头法测得的饱和导水率和野外直接测得的结果必然存在着差异。但饱和导水率这一指标是地下水建模工作至关重要的参数之一，后续结合水位监测数据和气象数据，来尝试模拟研究区的水分运移情况;通过排水区和自然区的对比分析，解析该泥炭地的水文退化机制，为泥炭地的恢复工作提供参考和依据。

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