水蚀风蚀交错区土壤溶质运移特征与典型治沙植物吸水来源研究

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在干旱半干旱地区,水资源是制约农林生产和生态系统稳定性的重要生态因子,对于区域植被的生存和演化有至关重要的影响。研究水蚀风蚀交错区不同植被类型下土壤溶质运移特征及其影响因素,揭示典型植物获取水分来源及其季节变化对该区域植被合理配置、水资源高效利用及维持生态系统的可持续发展具有重要意义。本研究采用野外定位观测和室内分析相结合的方法,研究了水蚀风蚀交错区六道沟和圪丑沟流域不同土质(砂土、壤土)和植被类型(乔、灌、草)下Cl-运移特征。同时,基于稳定同位素示踪技术,分析了不同地下水位埋深下3种林地(沙柳、樟子松和长柄扁桃)土壤水的补给特征及其影响因素,并结合贝叶斯混合模型(Mix SIAR),探讨了典型植物(沙柳、樟子松和长柄扁桃)利用水源的差异、季节变化和影响因素。研究的主要结果和结论如下:(1)Cl-初始穿透时间(TS:12~80 min)、完全穿透时间(TE:75~480 min)、平均孔隙水流速(V:0.52~1.98 cm?h-1)和水动力弥散系数(D:0.75~2.55 cm~2?h-1)均随土壤质地、植被类型和土层深度而发生变化。同一质地不同植被类型条件下0~1 m剖面中Cl-的V和D均值表现为:砂土乔木(S-AR)>砂土草地(S-GR)>砂土灌木(S-SH)和壤土乔木(L-AR)>壤土灌木(L-SH)>壤土草地(L-GR),TS和TE则相反。同一植被类型不同质地土壤0~1 m剖面中Cl-的V和D均值表现为:S-AR>L-AR;S-SH>L-SH;S-GR>L-GR,TS和TE则相反。容重、大孔隙数、孔隙连通性密度、有机碳含量和颗粒组成均与V,TS和TE显著相关。土壤质地和植物类型显著影响不同土质和植被类型下Cl-运移特征。(2)监测期间(2018年6~11月),沙柳、樟子松和长柄扁桃林地0~40 cm土层土壤水表现出轻组分同位素富集的趋势,且与降水同位素组成呈现显著的相关关系(R~2介于0.85~0.92,P<0.05),表明该地区0~40 cm土壤水主要受降水入渗和蒸发的共同影响。深层土壤水(沙柳林地180 cm以下,樟子松林地60 cm以下,长柄扁桃林地120 cm以下)与地下水的δD(δ18O)均值接近,且土层深度接近地下水时土壤水δD和δ18O逐渐贫化,并趋于稳定。根据不同深度土壤水δ18O和地下水δ18O之间的相关关系,得出3种林地(沙柳林地GWL范围253~260 cm、樟子松林地GWL范围87~93 cm、长柄扁桃林地GWL范围172~176 cm)地下水向上补给土壤水的深度范围分别为73~80 cm、27~33 cm和52~56 cm。(3)根据SWC和土壤水同位素的时空变异系数(CV),将3种林地(沙柳、樟子松和长柄扁桃)土壤剖面分为3层,分别命名为活跃层(1%<SWC<8%;10%<CV<30%)、稳定层(2%<SWC<5%;CV<10%)和湿润层(SWC>8%;CV>30%)。其中沙柳、樟子松和长柄扁桃林地活跃层深度分别为0~100 cm、0~30 cm和0~60 cm,稳定层深度分别为100~200 cm、30~60 cm和60~120 cm,湿润层深度分别为200 cm至地下水位、60 cm至地下水位和120 cm至地下水位。Mix SIAR模型表明,旱季(6月)沙柳、樟子松和长柄扁桃主要利用湿润层土壤水和地下水。7~9月,降水补给增加,植物根系吸水由湿润层和地下水逐渐向活跃层和稳定层转移,对该两个土层土壤水的吸收分别增加36.14%、32.98%和25.52%。10~11月,随着雨水补给减弱,气温降低,沙柳、樟子松和长柄扁桃用水主要集中于稳定层和湿润层土壤水。在整个生长季中,樟子松对地下水的利用比例平均为30.16%,表现出对单一水源较高的依赖性。沙柳对活跃层土壤水的使用比例变异较大,对降水的响应较为敏感,表现出较高的生态适应性。而长柄扁桃在整个生长季倾向于利用稳定层和湿润层土壤水。沙柳、樟子松和长柄扁桃对潜在水源的吸收侧重点不同,这可能与植物的根系二态性有关。此外,降水的入渗补给和地下水位(GWL)的季节性波动补给也促使不同植物形成特定的用水规律。
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