【摘 要】
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淤地坝是黄土高原小流域水循环的重要组成和粮食生产的重要土地资源,准确认识和把握淤地坝水循环关键过程的变化对明确坝地土壤供水能力,科学指导淤地坝农业生产和区域生态恢复具有重要意义。本研究以陕西北部神木市六道沟小流域两座已淤满淤地坝A、B为研究对象,采用电阻率成像法探究了坝地土壤电阻率空间分布,与土壤含水率建立关系后解析坝地浅层地下水空间分布,结合地下水位数据,研究了坝地浅层地下水动态变化过程并估算浅
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(41977016); 陕西省科技统筹创新工程计划项目(2016KTCL02-04);
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淤地坝是黄土高原小流域水循环的重要组成和粮食生产的重要土地资源,准确认识和把握淤地坝水循环关键过程的变化对明确坝地土壤供水能力,科学指导淤地坝农业生产和区域生态恢复具有重要意义。本研究以陕西北部神木市六道沟小流域两座已淤满淤地坝A、B为研究对象,采用电阻率成像法探究了坝地土壤电阻率空间分布,与土壤含水率建立关系后解析坝地浅层地下水空间分布,结合地下水位数据,研究了坝地浅层地下水动态变化过程并估算浅层地下水储量。通过动态监测A淤地坝内不同土地利用类型(农地、草地和灌木地)各深度土壤含水率变化,探究了三种土地利用土壤水分时空分布特征,计算浅层地下水储水量,结合当地降水特征,分析了三种不同土地利用方式下土壤水分消耗与补充深度,确定了土壤水分的盈亏程度。同时,结合气象数据和土壤水分数据,分析了A淤地坝内旱柳蒸腾主要耗水深度,利用热扩散法从单株尺度上探究了坝地旱柳和小叶杨的树干液流特征及其对环境因子的响应。具体研究结论如下:(1)坝地土壤电阻率随深度变化呈先增大再减少后增大的趋势,上层土壤电阻率高于下层,且上层土壤电阻率变异性较大;同时,坝地内土壤电阻率与土壤含水率之间呈显著的幂函数关系。坝地浅表层土壤含水率在垂直方向上表现为上层低于下层,整体趋势为先减小后增大,且存在分层现象,而在水平方向上,浅表层土壤含水率大小为沟尾>沟头>中部。A、B两坝地地下水储水量呈季节性变化,冬末至次年夏季为土壤含水率消耗期,夏末冬初为蓄积期,夏季的储水量最小,其值分别为85 949、94 196 m3,冬季的储水量值达到最大,其值分别为93 486、99 309 m3。(2)淤地坝内农地、草地和灌木地各土层土壤含水率具有明显的季节性变化特征,与降水变化相同步,存在一定的滞后性。三种土地利用方式的土壤储水量由大到小依次为:农地>草地>灌木。在平水年,土壤储水消耗量大小为:灌木地>草地>农地。在干旱年,土壤储水消耗量大小为:草地>农地>灌木地。然而,2a各土地利用方式的土壤储水补给量均为负值,0—200cm农地季末土壤储水量变化范围是-37.2—-18.0 mm,草地为-51.4—-29.7 mm,灌木地为-122.9—-8.0 mm。农地和草地从补充深度来说,能够入渗至约100 cm土层深度,而灌木地土壤储水长期得不到补充,淤地坝土壤储水处于负补偿状态,在植被配置上可适当增加草地面积,减少高耗水灌木的比例,在避免水土流失的前提下,可开展农业生产活动。(3)太阳辐射是树干液流启动的主导因素,旱柳和小叶杨树干液流启动与太阳辐射变化存在滞后性,土壤水分差异对树干液流启动并无显著影响。旱柳和小叶杨的液流密度日变化曲线均呈双峰型,在高土壤含水率时,旱柳为减少水分损失,午间时候的液流密度大幅减小甚至接近停止蒸腾作用。2019—2020年,旱柳日蒸腾速率变化范围为2.0—2.2 kg·d-1,小叶杨的日蒸腾速率约为旱柳的1.6倍,变化为范围为3.2—3.5 kg·d-1。旱柳和小叶杨的日树干液流速率与太阳辐射、饱和水汽压差、气温呈显著正相关(P<0.05),其相关程度由高到低依次为:太阳辐射>气温>饱和水汽压差。在2019年生长季,旱柳0—600 cm土壤储水消耗量为-90.2 mm,100 cm和200 cm土壤储水与日液流速率呈显著正相关(P<0.05),是蒸腾耗水的重要来源。当蒸腾作用旺盛或浅层土壤储水不足时,旱柳会利用淤地坝深层土壤储水,甚至浅层地下水。考虑到可持续水资源管理和区域水循环变化,坝地及其周边不适合大面积种植深根系高耗水植物。
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