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我国南方红壤丘陵区地属亚热带温暖湿润季风气候区，降雨量高达1794.7mm，且50％以上的降雨都集中分布于4月份到6月份的雨季。雨季丰富的降水常常导致该地区坡地发生强烈的壤中流过程。壤中流是水土界面养分和物质迁移的主要途径之一。在农业利用下的红壤丘陵地区，壤中流的发生往往可以淋洗出土壤的养分和污染物进入水体，从而使得该地区面临农业面源污染日益加剧的困境。因此，理解南方丘陵地区不同农业土地利用方式下复杂的水文过程，尤其是壤中流过程，对该地区合理利用水资源，缓解农业面源污染的危害具有重要意义。
由于南方红壤丘陵地区的土地利用方式复杂多样，从而导致了该地区径流过程、水土流失机制、土壤水文过程、以及养分和污染物迁移规律的复杂性。同时，在水文学研究中，对于不同研究尺度下的研究对象，其所涉及过程/机制和研究方法有所差异。因此，本论文从研究尺度和利用方式出发，主要研究目标是：1)探明红壤丘陵地区壤中流发生的机制；2)分析不同土地利用方式下壤中流过程的差异。3)在不同的研究尺度下量化估算壤中流流量，并分析壤中流对养分流失的作用。4)建立不同土地利用方式和不同研究尺度下的壤中流数学模型。
研究选择地貌、成土母质和土地利用方式具有典型代表性的，位于江西鹰潭，距中科院红壤生态实验站4 km的孙家小流域为试验区。主要研究结果如下：
(1)由第四纪红粘土和红砂岩发育的红壤，铁铝含量高，红壤的土壤结构高度发育，且渗透性强，优先流发达，在降雨过程中往往能够使大量水分入渗进土体。由于土壤较薄，水分运动到弱透水性的红粘土/红砂岩母质层后，往往在入渗阻力的作用下改变运动方向而形成壤中流。同时，粘粒淀积层Bt层也可以强化壤中流的发生。
(2)不同土地利用方式下，由于植物和耕作措施对土壤的作用可以影响土体的的壤中流过程。虽然被研究的农林复合和花生单作利用方式下，土体中都存在明显的优先流现象，但其水分运动的通道又有不同的特征。在农林复合利用方式下，由于柑橘根系穿插所形成的孔隙能够作为优先流发生的通道，使得其优先流的垂直下渗的深度相对于花生单作利用方式下更深，在降雨过程中也更容易把入渗水分输送到土体底层。这使得在降雨过程中，农林复合利用方式下土体中的饱和时间和饱和程度都要高于花生单作利用方式。壤中流过程把土壤水分向下坡输送，往往导致沿坡不同坡位间土壤水分动态变化的时空分布的差异。但是，由于不同土地利用方式下壤中流强度的不同，壤中流对于不同土地利用方式下坡地不同坡位间土壤水分动态变化的时空分布的影响效果也存在明显差异。长期监测表明，下坡土壤相对上坡要湿润，且这种上下坡位水分含量的差别在花生单作利用方式下比农林复合利用方式下更明显，其下坡雨季发生饱和的程度也更高。
(3)农林复合利用方式能够降低降雨过程中的壤中流流量。其机制可以分为两个方面，一方面是深根性的树木根系通过改变土壤的水力学特征而增强了持水能力和改变了土体中的优先流下渗通道特征。另一个方面则是在降雨过程中树木的树冠能够截留更多的降雨从而降低实际到达地面的降雨量。从年际空间尺度上而言，农林复合利用方式较高的蒸散量水平也是降低壤中流流量的一个重要原因。
(4)由于植物对氮素的利用效率和壤中流强度不同，不同土地利用方式下土壤渗漏水中NO3-N的时空分布差异明显。从浓度上来看，花生单作利用方式下土壤渗透水中NO3-N浓度要高于农林复合利用方式。从时间上来看，花生地单作利用方式下土壤渗透水中NO3-N浓度动态对季节变化和施肥的影响敏感，其浓度曲线在每一个水文年都出现了两个浓度波峰。根据不同深度之间NO3-N峰值发生时间的滞后现象，计算得到NO3-N在土体中的平均迁移速度是5.2 m a-1。而在农林复合利用方式下，土壤渗透水中NO3-N浓度对季节变化和施肥的反应不敏感。从空间上来说，花生单作利用方式下坡土壤中NO3-N浓度要高于上坡同等深度，而农林复合利用方式则恰巧相反。且农林复合利用方式下不同坡位的0.85 m深度土壤中，NO3-N浓度随着时间的推移而呈下降趋势。
(5)WaSiM-ETH模型模拟结果表明，小流域壤中流年径流量占到了降雨输入的35.4%～39.2%，高于地表径流8.8%～21.4%的比例，且63.1%～73.6%的壤中流年径流量发生于大量使用农业化肥的3月到7月之间。考虑到壤中流途径是氮素流失的最重要途径，可以推测壤中流途径对于小流域养分和污染物输出有着非常的重要性。
综上所述，本研究得到以下结论，在红壤丘陵地区坡地上，由于土体中优先流现象发达，土壤渗透性高，且土体较薄，在降雨过程中，入渗水分能迅速穿透土壤而土体底部形成临时饱和区域，并引起壤中流的发生。在农林复合利用方式下，由于植被对水量分配的差异和植物根系对土壤水力学性质的改变，其相对花生单作利用方式能明显减少壤中流流量。同时，农林复合利用方式具有较高的氮素利用效率，能显著降低土壤渗漏水中NO3-N浓度，降低氮素流失的风险。在流域尺度上，壤中流也是一个非常重要的水文过程，其对于流域生态水文过程也有着至关重要的意义。因此，本研究结果表明，为了缓解当前该地区的农业面源污染灾害，应当重视壤中流过程对于流域生态水文过程，尤其是养分和污染物输出的重要性。同时，在对农业小流域进行土地规划时，应当考虑引入深根性树木来降低土壤中壤中流流量，提高氮素吸收利用效率，降低深层土壤中氮素随壤中流的流失风险，同时也必须优化氮肥施用管理来降低氮素淋失。