红壤坡地无雨期水分动态变化及植被的影响研究

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红壤坡地是我国南方丘陵地区重要的土地资源,但是夏秋季节经常发生干旱,严重阻碍了农林生产。季节性干旱期间红壤坡地因土壤蒸发和植被蒸腾作用而处于耗水状态,但是目前人们对红壤坡地的耗水规律和干旱成因并不十分清楚。研究无雨期的时间分布特征及不同无雨期下的坡地水分动态分布,以及无雨期土壤水分与前期降雨和植被的关系,可以更深入认识红壤的耗水特征及季节性干旱的成因。本文以典型红壤坡地为例,重点分析了不同植被类型下土壤水分在无雨期随时间的变化特征和剖面分布差异以及植被的影响,为进一步揭示植被在红壤季节性干旱发生过程中的作用机理提供理论依据。
  研究坡地位于湖北省咸宁市贺胜桥镇(30°01′N,114°39′E),坡地上植被类型丰富,土壤类型为第四纪红色粘土发育的红壤。分别在位于坡顶的大杉树地块、位于坡中的石楠树地块和位于坡脚的桂花树地块中心位置埋设4个土壤水分探针,用以监测20cm、40cm、60cm和90cm土壤深度的含水量,设置记录时间间隔为30min,气象数据监测与土壤含水量监测同步,连续监测两年(2016年和2017年)。2018年1月进行植被根系挖取试验并进行根系扫描,获取总根长、总根表面积、总根体积以及不同直径范围内根长量等指标。2018年7月—8月进行土壤蒸发试验,通过埋设自制Micro-Lysimeter监测干季无雨期内表层土壤蒸发量。土壤基本理化性质采用常规方法在室内测得。主要研究结果如下:
  (1)研究阶段的降雨量及其季节差异是2016年大于2017年,降雨的这种年际、年内分布格局控制了红壤坡地无雨期的分布特征。两年的无雨期天数和次数都是2016年(254天和39次)<2017年(271天和45次),但无雨期的平均历时和最长历时则是2016年(6.5天/次和52天)>2017年(6天/次和25天)。总体上,无雨期的月份、季节和干湿季差异表现为2016年明显大于2017年。
  (2)2016年和2017年的红壤坡地储水和失水特征存在较大差异。虽然两年无雨期的土壤储水量平均值很接近(分别是284mm和281mm),但在夏秋之交的干季,土壤储水量平均值是2016年的更低,因此该年份的土壤水分干湿季差异更大。2016年,大杉树、石楠树和桂花树地块的土壤平均失水速率分别是1.8mm/d、2.73mm/d和3.29mm/d,土壤失水量大小关系是桂花树地块(625 mm)>石楠树地块(577 mm)>大杉树地块(422 mm)。到了2017年,各地块的土壤平均失水速率分别下降了22%、32%和47%,土壤失水量大小关系变为石楠树地块(541 mm)>桂花树地块(497 mm)>大杉树地块(391 mm)。无雨期越长,不同植被地块之间的储水量差异和失水速率差异也越大,这种现象在两年的夏秋季节和2017年冬季尤其明显。
  (3)在2016年、2017年伏秋季节的典型无雨期(本文认为是相对干旱期)分别历时52天和25天,期间的土层干旱强度I和土层干旱程度D都是2016年大于2017年,植被地块之间的Ⅰ值差异也是2016年大于2017年。2017年因干旱期较短,各植被地块不同土层D值的历时曲线呈直线型,与2016年的抛物线型不同。
  (4)植被的冠层和根系均影响红壤坡地无雨期的水分动态分布,其中植被冠层主要影响土壤表层的储水和干旱状况,而根系分布能影响整个土壤水分剖面以及相对干旱的发展。3个植被地块中,干旱最为严重的是石楠树地块,其次是桂花树地块(尤以40cm土壤深度干旱最明显),而大杉树地块的干旱程度最低,说明大杉树的涵养水源能力较强。
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