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土壤优先流是土壤水和溶质快速通过部分土壤剖面向下运移的一种物理现象。它不仅能够影响土壤的碳氮等养分循环,而且也能够对土壤水运动和地下水水质产生影响。近30年来,关于土壤优先流研究主要集中在湿润、半湿润地区,对干旱区半干旱区的,尤其是绿洲生态系统的土壤优先流特征及影响因素的研究较少,已经成为认识绿洲土壤水运动、量化绿洲灌溉深层渗漏量、提高水肥利用效率以及降低浅层地下水污染的风险的瓶颈。 本文以中国生态系统研究网络临泽站为依托,选择天然荒漠草地、人工梭梭固沙林和杨树人工阻沙林等典型植被类型,以及开垦10年、30年和百年以上的绿洲农田,利用染色示踪技术研究了土壤优先流特征及其影响因素以及土壤优先流的生态水文效应。研究结论如下: 1)土壤优先流特征 天然荒漠草地土壤水主要以基质流向下运移,仅在染色剖面底部有一小部分不稳定的湿润锋;梭梭人工固沙林的土壤优先流呈现明显的漏斗流形态;杨树人工阻沙林的土壤优先流则为典型的不稳定流;绿洲农田土壤优先流形态随着开垦年限的增加而发生变化,表现在开垦10年农田的土壤优先流呈现明显的不稳定流形态,而开垦30年以上的农田则呈现出明显的大孔隙流特征。 2)影响土壤优先流的因素 天然荒漠草地、梭梭人工固沙林和杨树人工阻沙林受地表特征和土层结构等样地位置固有特性的影响,例如,杨树人工阻沙林地表粘土层的裂隙结构对土壤优先流有重要影响;梭梭人工固沙林土壤优先流主要受沙丘本身倾斜纹理结构的影响;天然荒漠草地和杨树人工阻沙林的土壤优先流最大入渗深度受土壤剖面粘土层的影响。绿洲过渡带不同位置的土壤优先流强度都随降水量的增加而增强。总体上荒漠绿洲土壤优先流强度都随降水量的增加而增强,当降水量超过15mm时,优先流强度明显增强。 绿洲农田土壤粘粒含量和土壤有机碳均对土壤优先流强度有影响,但土壤有机碳在一定程度上掩盖了土壤粘粒对土壤优先流的影响。施用有机肥和提高土壤含水量都可以有效的增加土壤优先流的强度,提高土壤含水量能够显著增加有机碳含量低的土壤的优先流强度。在开垦前10年,绿洲农田土壤优先流强度随着灌溉量的增加呈线性增加,开垦10年以上农田的土壤优先流强度与灌溉量没有显著的线性关系。由垄沟耕作引起的耕作层土壤容重和土壤含水量以及土壤表面裂隙密度的差异对耕作层的优先流特征有重要影响,垄与沟的土壤优先流路径数量在土壤深度7.3-16.7 cm处差异显著(p<0.01)。平均灌溉量120 mm时优先流的最大入渗深度为43.1±5.9cm,而灌溉量55 mm的样方由于受到蚂蚁洞的影响,优先流最大入渗深度可达68.3±7.6 cm。 根系是影响土壤优先流强度的重要因素之一。但在荒漠绿洲区并不是所有的根系对土壤优先流都有贡献;植被根系对土壤优先流的影响随着土壤粘粒含量的增加而发生变化,总的趋势是随着土壤粘粒含量增加粗根系对土壤优先流的影响减弱,细根系对土壤优先流的影响加强。 3)土壤优先流的生态水文效应 在绿洲过边缘小降水事件的土壤优先流对一年生草本的种子萌发没有显著影响,而是初始土壤含水量对一年生草本的种子萌发影响显著;杨树人工阻沙林土壤优先流对林下生于裂隙内和裂隙外草本的个体密度和净初级生产力有显著影响。在单次平均灌溉量120 mm的情况下,开垦10年、30年和百年农田土壤优先流现象对地下水水质影响的风险非常低。