岩溶槽谷坡地土壤水分运移和水化学变化过程及影响因素

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土壤是岩溶生态系统中的重要储水层,土壤水更是岩溶生态环境的主要限制因子,与社会经济发展密切相关。但岩溶区因其特殊的水文地质背景,与非岩溶区的土壤具有显著差异,如土层薄且不连续,土壤易漏失、养分易流失、土壤保水能力差,土壤水的运移特征可能异于非岩溶区。因此,在岩溶区开展土壤水运移机制的研究有利于为岩溶槽谷区土壤水资源的合理利用提供参考,也可以为岩溶区地下水的污染防治提供科学依据。本研究选择重庆市龙凤岩溶槽谷为研究区,在槽谷两侧坡地及槽谷底部选择8个样本点(顺层坡上坡位V1和V、顺层坡下坡位V2、槽谷底部V3、逆层坡下坡位V4和V5、逆层坡上坡位V6和V7)。在详细调查各样本点基本情况(地质背景、地形、植被和土壤理化性质等)的基础上,进行大气降水和土壤水氢氧同位素的同步监测以及雨后各样本点土壤水氢氧同位素和土壤含水量的监测。以氢氧同位素示踪为主要手段并结合传统水文观测手段,通过大气降水与土壤水的对比分析以及雨后土壤水氢氧同位素和含水量时间变化特征探讨岩溶槽谷区土壤水的运移规律,并通过不同坡位土壤水氢氧同位素的分布特征揭示岩溶槽谷区坡地土壤水运移过程。并就不同坡位土壤水水化学特征和土壤水离子淋失特征进行分析探讨坡地土壤水运移过程。研究发现:(1)土壤水δ18O的时空变化特征及影响因素时间上,土壤水δ18O具有雨季初期和旱季后期偏正,以及雨季后期和旱季初期偏负的季节变化特征,与降水δ18O的雨季偏负和旱季偏正的季节变化特征有关,但土壤水δ18O的季节动态具有一定的滞后性,一般滞后于降水12个月,随着土壤深度的增加滞后时间也随之增加。空间上,土壤水δ18O具有从上坡位向下坡位逐渐贫化的空间变化特征,因上坡位土壤水运移速度较下坡位快,加之上坡位土壤含水量低,土壤中滞留的水分主要是土壤中难以运移的部分,长期受蒸发作用的影响,土壤水δ18O也随之富集;逆层坡土壤水δ18O较顺层坡富集,因逆层坡土壤含水量低,植被主要以马尾松为主,植被截留降水的能力强,逆层坡补给土壤水的穿透降水δ18O可能较富集,致使土壤水稳定同位素也较顺层坡富集。(2)土壤水运移特征季节尺度上,V1、V、V2、V3、V4和V5样本点010 cm土壤水δ18O与下部土壤水δ18O存在差异,且这种差异随着土层深度的增加而增加,加之下部土壤水δ18O时间变化趋势滞后于上部土壤,以及050 cm土壤水δ18O垂直剖面变化趋势与采样前降水δ18O的时间变化趋势一致,可见土壤水的运移机制为活塞流,V6和V7下部土壤水δ18O时间变化趋势先于或同步于上部土壤水δ18O,且土壤水δ18O垂直剖面变化趋势与前期降水δ18O的时间趋势不一致,证明土壤水的运移机制为优先流。短时间尺度上(雨后),在土壤水的消退期间,V1、V、V2、V3和V4上部土壤水(020 cm或030 cm)快速消退,下部土壤水(2050 cm或3050 cm或4050 cm)在消退过程中接受上部土壤退水的补给而土壤含水量保持稳定或略微上升,V6和V7各层土壤含水量变化较复杂。这是由各样本点土壤剖面结构所决定的。上坡位的退水幅度较下坡位大,说明土壤水分的消退体现了坡位效应。(3)土壤水水化学特征和离子淋失特征顺层坡和逆层坡由于其地质背景和地形因素的影响,土壤水水化学特征具有明显差异,顺层坡土壤水中以Ca2+、Mg2+和HCO3-为主,呈中性至弱碱性,土壤水水化学类型主要为Ca-HCO3型,逆层坡因上坡位地质背景(须家河组砂岩)的差异,以及地形因素的影响,土壤及土壤水呈酸性,逆层坡岩溶区土壤水水化学类型为Ca-SO4-HCO3型。顺层坡土壤水各离子浓度和水量具有从上坡位向下坡位积累的特征,土壤各离子的年淋失总量也具有相同的变化特征,顺层坡上坡位和下坡位土壤水离子年淋失总量为22.69 g/(m2?a)和75.64 g/(m2?a),逆层坡土壤水各离子浓度相反,上坡位较下坡位高,但因下坡位土壤水水量大导致下坡位土壤水离子年淋失总量(36.13 g/(m2?a))高于上坡位(19.75 g/(m2?a));在垂直方向上则基本表现为上层土壤水各离子淋失总量高于下层。(4)坡地土壤水运移过程岩溶槽谷顺层坡和逆层坡以及槽谷底部土壤水运移速度存在较大差异,顺层坡上坡位和下坡位土壤水的平均运移速度分别为13.33 cm/d和3.33 cm/d,逆层坡上坡位和下坡位土壤水的平均运移速度分别为20.00 cm/d和10.00 cm/d,逆层坡下坡位后期土壤水运移速度可能较慢,但因土壤水δ18O垂直剖面无明显的同位素峰,无法计算,槽谷底部土壤水的平均运移速度为4.00 cm/d。逆层坡土壤水运移速度较顺层坡快,上坡位表现明显。从雨后不同样本点土壤水δ18O时间变化特征可知,坡地土壤水存在侧向运移,结合逆层坡上坡位土壤水主要离子(SO42-)具有从上坡位向下坡位递减的空间变化特征,以及顺层坡下坡位土壤水累积量低于逆层坡下坡位土壤水累积量且这两个样本点土壤理化性质相似,猜测顺层坡土壤水的侧向补给量较逆层坡大,而逆层坡土壤水在垂直方向上的输出量大。
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