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红壤地区水热资源丰富,具有发展农业的良好条件,但存在诸如季节性干旱、水土流失和土地退化等问题,严重影响了区域农业的可持续发展和生态环境的改善。围绕生态和环境的核心要素—水,研究红壤丘陵区坡地农业生态系统水分运移规律及其调控机制,可为确定合理的土地利用配置格局提供科学依据。本文应用环境同位素技术,结合传统土壤物理学、水文学的研究方法,通过野外定位观测,分析了试验期间(2006 年5~9 月)红壤坡地两种利用方式土壤水分的运移规律。研究结果表明:
(1)依据标准差和变异系数,土壤水分垂直变化可划分为活跃层、次活跃层和相对稳定层;土壤含水量从表层到深层表现为增长型,土壤水势均值则随深度呈波动性变化;油茶林深层土壤水分的变异系数高于恢复区,表明深根系能够增强深层土壤水分的活跃程度;油茶林对土壤水分的影响在土壤水分强消耗期表现尤为明显。
(2)再分布过程中土壤水分动态变化主要受降雨量的影响;油茶林砍伐地随着植被恢复生长,雨季、雨旱之交、旱季三个时期土壤水势变化强度较大的层次从0~10、0~20、0~30 cm 逐渐加深。在不同的初始条件下,红壤坡地0~110cm 零通量面在降雨入渗及再分布过程中由浅层到深层一般经历发散与聚合型相互转变的循环过程。降雨量决定了零通量面的迁移转变的趋势,深根系植被具有更复杂的零通量面的类型、活跃深度及迁移转变过程。
(3)雨季典型降雨过程中,δD 相关性表明降水对土壤水分的影响随着深度的增加逐渐减弱,土壤水分δD 与δ18O 均值随剖面波动性增加。剖面土壤水分的氢稳定同位素时空动态变化表明:0~30 cm 土壤水分受降雨入渗及蒸散发影响最大;40~90 cm 为过渡层次,水分呈上下交替运移;降雨入渗过程初期90~120 cm 土壤水分可依土壤水势梯度向上迁移。深浅根系植被下土壤水分δD均值差异表明0~30 cm 层次主要受降水因素影响,40~120 cm 深度深根系土壤水分的活跃性高于浅根系,深根系植被更易于降雨对深层土壤水分的补给。
(4)典型降雨产流过程中,土壤水势的动态变化表明壤中流的发生条件之一是存在相对的饱和层。氢稳定同位素的示踪结果表明,地表径流主要为来源于降水的坡面饱和流,壤中流的产流主要来自驱替而出的原有土壤水分(旧水)。
当次降水(新水)仅在壤中流(0~40 cm)层次产流初期占径流总量的0.05 %,而壤中流(40~110 cm 层次)几乎全部源自富含重同位素的土壤水分,且部分来自于上坡驱替而出的侧向补给水分。