不同植被覆盖下红壤优先流特征与影响因素研究

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红壤在我国分布面积较大(约占全国总面积的22.7%),主要集中于长江以南地区,是我国南方发展农林果业的重要土壤资源之一。虽然区域水热条件优越,但是季节性干旱问题一直非常严重。季节性干旱问题与土壤水分的动态分布规律及主要驱动因素密切相关,降雨和植被是土壤水分动态分布的重要驱动因素之一。优先流是土壤水分对降雨的一种响应模式,黏质红壤坡地水分在季风区降雨条件和植被互作下的降雨响应模式具有一定区域特性。优先流的存在能够促进水分运移,增加深层土壤的储水能力,缓解季节性干旱问题;而不同植被下,由于土壤性质及根系等特征的不同,其优先流的程度也存在差异,对于缓解季节性干旱的能力也各不相同。本文以湖北省咸宁市贺胜桥镇一个典型红壤缓坡地为研究场地,选取11年龄杉树、6年龄杉树、红叶石楠(8年树龄)、无患子(6年树龄)和桂花树(6年树龄)五种植被地块为研究对象,在2017-2019年进行连续3年的气象与土壤水分高频动态监测,获取自然降雨不同植被覆盖下的土壤水分动态变化及土壤优先流响应特征;同时进行野外染色示踪试验,并测定土壤理化性质及根系指标,分析红壤缓坡地不同植被覆盖下优先流路径在剖面中的空间形态特征及其影响因素。旨在明确黏质红壤优先流的发育特征和主要影响因素,以及优先流对土壤水分运移、分布及贮存的影响。通过研究得出以下几个结论:(1)五种植被地块下的优先流类型都属于大孔隙流,其中11年龄杉树、6年龄杉树、红叶石楠和无患子地块主要属于孔洞流,而桂花树地块属于裂隙流。在不同植被地块和不同土壤层次下的优先流形态特征不同,说明优先流具有一定的空间变异性。11年龄杉树地块的总染色面积最大(1556 cm~2),其优先流区与基质流区的分界(20 cm深度处)也最明显,表层存在大量开放性连通孔隙。桂花树地块的总染色路径数量(1031个)以及染色路径宽度(Stained path width,SPW)<10mm的路径数量(701个)最多,其优先流路径的连通性最好;其次是6年龄杉树地块。桂花树地块的优先流路径连通性是五种植被地块中最好的,发育程度也最好。而红叶石楠地块优先流路径的连通性最差,优先流最不发育。(2)大雨及以上级别(降雨量≥25 mm)的降雨都容易引发红壤坡地优先流的产生,红壤坡地中各个深度层次都会出现优先流现象,大雨事件下一般会触发浅层次(40 cm和60 cm)的优先流发生,而暴雨则会触发深层次(90 cm)的优先流发生。在降雨量一定的条件下,雨强对优先流的影响显著,雨强越大,优先流出现的频率越高。五种植被地块下,40 cm和60 cm是最容易产生优先流的层次。(3)土壤性质中,有机质对优先流的影响最显著。在五种植被地块中都发现优先流与有机质存在显著的正相关关系,有机质含量的增加能够促进土壤中优先流的发生。土壤质地对优先流的影响主要体现在无患子和桂花树地块中,无患子地块出现了明显的质地分层现象,40 cm深度以上的粉粒含量较高,土质较硬,土壤的渗透性差,抑制了优先流的向下运移,优先流主要分布在0-40 cm深度处;而桂花树地块的优先流与粘粒含量之间存在极显著的正相关关系,粘粒含量的存在导致土壤的胀缩性明显,干缩裂缝现象突出。各种植被地块显示,土壤容重对优先流的影响不是特别明显。(4)根系对优先流的影响显著,后者与前者存在显著的正相关关系。不同径级的植物根系和根系腐烂形成的根孔是优先流的主要运移路径。但是,在桂花树地块中,干缩裂缝现象非常明显,对优先流的影响远大于根系的影响,这个地块的优先流指标与根系之间不存在显著的相关性。总体上,黏质红壤坡地的优先流现象较明显,其发育特征是降雨条件、土壤性质(有机质、粘粒含量)及不同径级植物根系综合作用的结果,具有一定区域特征。优先流的存在既能改变红壤坡地水分的时空分布,也能增加土壤深层次的储水。研究结果对采用植被措施调控红壤坡地水分和缓解季节性干旱具有一定的启发性。
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