论文部分内容阅读
土壤水和表层岩溶水是喀斯特区重要的浅层水资源,与生态环境和居民的生产生活密切相关,是喀斯特生态系统物质循环研究的基础。另外,喀斯特区土壤显著不同于非喀斯特区,如土层浅薄且不连续,岩土结合力差等,土壤水的运移规律很可能不同于非喀斯特区,而且土壤水运移机制的研究在表生地球化学研究中也具有显著的重要性。因此,在喀斯特区开展土壤水运移和植被—土壤—表层岩溶带系统调蓄特征的研究不仅有助于喀斯特地区水资源的管理和利用及区域植物水分利用和营养元素循环利用等研究,而且具有重要的学术价值。
本实验在贵州省荔波县茂兰国家级自然保护区拉桥村,选择了喀斯特原生乔木林样地(K-YS)、次生林样地(K-CS)、灌木林样地(K-GM)、草丛样地(K-CC)和一个原生乔木林表层岩溶泉点(K-Q),并在荔波县兰顶山自然保护区选择一个非喀斯特乔木林样地(NK-QM)与K-YS对照研究。在详细调查各个样地地形、水文地质、植被类型和土壤理化性质等基础上,重点开展大气降雨、两种类型土壤水和表层岩溶泉水水量及氢氧同位素特征的同步监测。以氢氧稳定同位素示踪为主要研究手段,通过大气降雨、土壤水对比分析以及不同生态类型和不同地质背景的对比分析探讨喀斯特区土壤水运移规律;同时,根据大气降雨、表层岩溶泉水对比分析探讨植被—土壤—表层岩溶系统调蓄特征。经研究,主要得出以下几点认识:
1.大气降雨
(1)大气降雨δ18O、δD和氘盈余值具有明显的季节变化特征,研究区大气降水线(LMWL)与周边的长沙、贵阳、桂林等地相似,显示出这些地区相似的气候背景;
(2)降雨的δ18O和δD值与降雨量和大气温度均呈显著负相关关系(p<0.01),研究区降雨的同位素组成存在降水量效应。
2.土壤水
本实验土壤水样品均采自土面生境非乔—灌木主根区,具有一定的代表性。土壤水采用土柱真空蒸馏法和零张力式土壤水收集器法采集,两利,方法采集的土壤水分别简称为Ⅰ型、Ⅱ型土壤水。Ⅰ型、Ⅱ型土壤水均分5个层位采集:0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm和40～43cml型土壤水分别记作Ⅰ1、Ⅰ2、13、14和15;10cm、20cm、30cm、40cm和50cmⅡ型土壤水分别记作Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4和Ⅱ5。Ⅰ型土壤水可揭示土壤基质流的信息,Ⅱ型土壤水可能揭示部分快速流的信息。
(1)土壤体积含水量受降雨影响呈明显的季节变化特征,在各喀斯特样地随着植被的退化,土壤持水性能并没有下降。总体上,喀斯特各样地土壤体积含水量显著高于非喀斯特乔木林样地。
(2)零张力式土壤水收集器主要在雨季汇集土壤水,冬季各收集器均未采集到土壤水。在各喀斯特样地收集器汇集水量有较大空间异质性。研究区降雨充足,而多数收集器收集率低,主要是由于收集板产生的毛细屏障作用和其过小的收集面积(400cm2)引起。
(3)各样地Ⅱ型土壤水和K-YS、K-CS以及K-GMⅠ型土壤水中绝大多数数据点落在LMWL上或其附近,表明蒸发作用对土壤水影响较小。K-CC仅Ⅰ1中有个别冬季样品明显落在LMWL右下方,结合K-CCⅠ型土壤水δ18O平均值相对其它喀斯特样地对应层位偏高,可见蒸发作用K-CCⅠ型土壤水有轻微影响,并且冬季蒸发作用会对K-CCⅠ1产生一定的影响。NK-QMⅠ1氢氧同位素数据明显落在LMWL的右下方,Ⅰ2～Ⅰ5则落在区域人气雨水线稍微偏向右下方一侧,说明蒸发作用对表层土壤基质中孔隙水的影响较强,随深度增加蒸发作用的影响减弱。
(4)各喀斯特样地Ⅰ1～Ⅰ5δ18O值变异系数相近,变化范围与大气降水接近,说明土壤基质流的混合作用较弱,结合各喀斯特样地Ⅰ1～Ⅰ5δ18O值季节变化特征相对大气降雨和Ⅰ1、Ⅰ2有明显的滞后,可见活塞流是土壤基质流的重要运移机制。NK-QMⅠ1～Ⅰ5δ18O值变异系数绝对值沿地表向下递减,表层20cm以上Ⅰ型土壤水δ18O值的变化范围与大气降水接近,基质流混合作用较弱,而20cm以下Ⅰ型土壤水则明显小于大气降雨,基质流混合作用增强。NK-QMⅠ1～Ⅰ5δ18O值季节变化特征相对大气降雨和Ⅰ1、Ⅰ2有明显的滞后,表明基质流可能存在部分活塞流运移机制。
(5)Ⅱ型土壤水规律性较差,在K-YS、K-CC和NK-QM存在一定的空间异质性。在K-YS、K-CS、K-CC部分层位Ⅱ型土壤水δ18O值特征显示该型土壤水下渗也具有活塞式推移的特征,且这种特征与降雨模型相关,降雨分布相对均匀且降雨量较小,这种活塞流效应比较明显,而降雨强度大且分布相对不均匀,该效应不明显。在各喀斯特样地,Ⅱ型土壤水主要在雨季汇集,Ⅱ型土壤水δ18O水量加权平均值显示优先流对Ⅱ型土壤水的贡献不明显。
(6)强降雨作用下K-YS表层20cm存在一定的优先流,优先流存在空间异质性。
3.植被—土壤—表层岩溶系统
本论文将植被—土壤—表层岩溶带系统分为慢速流域和快速流域,两域之间存在一定的水力联系,在此基础上进行系统调蓄特征的研究。
(1)泉水同位素值具有明显的季节变化特征,相对于大气降水,泉水的季节特征有一定的滞后,其同位素值变化幅度明显小于雨水。泉水同位素值季节变化特征可能反映了慢速流的特征,通过卷积积分的余弦模型计算,补给水体经慢速流域调蓄后,其氢氧同位素运移至泉水出水口的平均渡越时间不小于181天,说明慢速流域具有较强的调蓄功能。
(2)大的降雨事件易于引起快速流,而雨水和泉水的同位素特征表明,快速流不仅仅源于降雨通过植被冠层形成的穿透雨和树干径流,快速流域也可能具有一定的存储特征,但快速流暴涨暴落的特性显示其调蓄功能较差。