基于氫氧同位素示蹤的紫色土坡耕地產(chǎn)流機制研究.pdf

1、坡地徑流是流域水循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，不僅是土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)面源污染的主導(dǎo)因子，還與雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)、水引起的自然災(zāi)害等方面息息相關(guān)?？茖W(xué)應(yīng)對坡地徑流引起的各種環(huán)境問題、水災(zāi)害和合理利用資源，首先應(yīng)“科學(xué)認(rèn)識坡地的產(chǎn)流機制。紫色土坡地是長江上游最重要的耕地資源，僅四川盆地面積即達16萬km2，是長江流域、三峽水庫水環(huán)境的重要影響區(qū)域。但由于技術(shù)手段的限制，對該土地利用類型的產(chǎn)流機制仍不明確。本文利用傳統(tǒng)水文觀測手段并結(jié)合氫氧同位素技術(shù)，定點監(jiān)測了自

2、然降雨條件下紫色土坡耕地徑流水文過程，研究紫色土坡耕地土壤水分運動、產(chǎn)流過程與特征，劃分徑流水分來源，分析亞地表徑流的產(chǎn)流機制。主要取得以下結(jié)果:
　　(1)點尺度上土壤剖面10-30cm土層的體積含水率最先達到最大和最先消退，是紫色土坡耕地整個土壤剖面(0-40cm)響應(yīng)降雨的核心特點。坡面尺度上，土壤水分對降雨的響應(yīng)表現(xiàn)出深度效應(yīng)和坡位效應(yīng)，這反映出坡面水文過程的影響對土壤水分垂向運動的重要性。紫色土坡耕地土壤水分的再分布從強

3、烈地受到雨水入滲到坡面匯水產(chǎn)流再到水分消退并逐漸趨穩(wěn)的過程，歷時約在40-50h，坡位越低歷時越久。活塞流現(xiàn)象發(fā)生時段的土壤剖面中前期土壤水難以被全部驅(qū)替，反映出土壤中的水分存在易移動部分和難移動部分。
　　降水入滲方式:從時間先后來看，具有異質(zhì)性的紫色土坡耕地原狀土壤剖面結(jié)構(gòu)先發(fā)生活塞式入滲，首先補給上層(0-10cm)土壤的毛管孔隙所需的水分，而后在中深層(10-30cm)形成優(yōu)先流;從土壤剖面層次來看，上層以活塞式入滲為主，

4、下層則以優(yōu)先流為主;從前期水分狀況的影響而言，土壤剖面上較高的水分狀況減少了降水在入滲過程中因填充毛管孔隙而引發(fā)的損耗，保證了土壤結(jié)構(gòu)大的孔隙空間流動的水量，因而促進了優(yōu)先流更快地發(fā)生。
　　(2)紫色土坡耕地的亞地表徑流（壤中流、地下徑流）產(chǎn)流過程線總體上呈現(xiàn)快速上漲、快速消退和緩慢消退三個階段，其中壤中流緩慢消退階段不明顯。上漲階段和快速回落階段所形成的“尖峰”，是紫色土坡地亞地表徑流過程線的鮮明特征。本文觀測的4次降雨事件，

5、紫色土坡地的淺層包氣帶首先從較深層開始產(chǎn)流，隨后向淺層發(fā)展。
　　利用流率峰值出現(xiàn)前夕最大60min、45min、30min和15min雨強與流率峰值所作回歸分析表明，峰值來臨前時段內(nèi)最大雨強是促成流率峰值的關(guān)鍵因素，其中，各種形式的徑流峰值流率與峰值前最大30min雨強線性相關(guān)最佳，擬合度達到了R2=0.97、0.99、0.56，表現(xiàn)出極好的線性關(guān)系?；貧w方程分別為:Y區(qū)壤中=0.69x+0.47、Y區(qū)地下=0.54x+1.51

6、、Y坡地下=0.10x+0.31。
　　本文分析了該擬合方程結(jié)構(gòu)和各項參數(shù)的物理意義。擬合方程表明，臨近流率峰值出現(xiàn)前的時段最大雨強會呈線性正比地參與流率峰值的形成。流率峰值出現(xiàn)前的60min、45min、30min、15min等幾個時段內(nèi)的最大雨強對應(yīng)方程的系數(shù)，可以反映亞地表徑流對降雨響應(yīng)的敏感度?；貧w方程中的常數(shù)項，反映了包氣帶水分含量處于較高狀態(tài)（蓄水達到或接近飽和）時，在相應(yīng)最大時段雨強供水的環(huán)境下（動能環(huán)境），包氣帶相

7、應(yīng)層位的徑流形式的穩(wěn)定流率。該常數(shù)與相應(yīng)雨強時段內(nèi)的降雨量無關(guān)，而跟其提供的供水環(huán)境有關(guān)，比如降雨動能對包氣帶水分的壓力等。最大30min雨強供水環(huán)境下，該常數(shù)，即穩(wěn)定流率在小區(qū)壤中流、地下徑流、長坡地地下徑流形式中分別為2.31mm/h、2.98mm/h、0.50mm/h。
　　通過對雨強-峰值流率的回歸方程的認(rèn)識，本文認(rèn)為:降雨對亞地表徑流的產(chǎn)生來說，不僅僅是提供徑流水源的作用，更關(guān)鍵的是為包氣帶的產(chǎn)流創(chuàng)造了一定的動力學(xué)環(huán)境。

8、
　　對各形式徑流的產(chǎn)流總量和降雨量的分析表明，小區(qū)壤中流中二者呈極顯著正相關(guān)(r=0.004);而與小區(qū)地下徑流、長坡地地下徑流的相關(guān)性差(r=0.058，0.199)，說明地下徑流產(chǎn)流量與降雨量關(guān)系不大。據(jù)此推測，包氣帶前期水分狀況對亞地表徑流產(chǎn)流量的作用比次降雨量更為重要。本文所觀測的亞地表徑流產(chǎn)流系數(shù)多數(shù)超過了1，意味著亞地表徑流水量并非全部來自于當(dāng)次降雨事件，而且非本次降雨的水量占有相當(dāng)?shù)谋壤?br>　　(3)基于同位

9、素濃度數(shù)據(jù)，利用二水源模型量化了坡地地塊兩個尺度上亞地表流中事件降水和前期土壤水的貢獻率。其中，徑流流率峰值時刻的前期土壤水平均比例:小區(qū)壤中流為56.4％、地下徑流為33.5％，坡地地下徑流為58.2％。表明前期水分在亞地表產(chǎn)流中占有重要作用。
　　紫色土坡耕地的亞地表徑流十分發(fā)育。從降雨過程來看，包氣帶結(jié)構(gòu)（大孔隙、裂隙發(fā)育）顯著的影響著不同階段的產(chǎn)流方式:在產(chǎn)流的上漲和快速消退階段，紫色土地坡包氣帶以優(yōu)先流為主，即非均質(zhì)性產(chǎn)