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由于地表土壤和出露岩石的非均匀性以及地下岩石裂隙结构的多样性,喀斯特地区水文过程独特、复杂,且具有很强的空间异质性。开展喀斯特坡地降雨入渗产流特征研究,可以促进二元结构喀斯特坡地水文学的发展,深化对坡地尺度生态水文过程与机理的认识,具有重要的科学意义。本文应用氢氧稳定同位素示踪技术,结合土壤含水量的动态监测及土壤水力性质的测定,研究了喀斯特坡地浅层土壤水分及其同位素组成的空间分布格局,探讨了喀斯特区不同坡地水分动态变化特征及其运移机制,阐明了白云岩区不同填充裂隙和岩土构型剖面的水分蓄持与传导功能。主要结论如下: (1)研究区2006年至2015年十年内平均降雨量为1466mm,年际年内分配不均,变幅852.5mm。雨季(4-9月)降雨占全年的60.4%-85.1%,每小时最高降雨强度可达67.4 mm/h。有效降雨次数、累计有效降雨量和最大日降雨量随年降雨量的增加而增加。年内50%以上为无雨天气,有时甚至可达一月之久,并长达几个月无有效降雨,且多发生在旱季,造成严重的季节性干旱。雨季浅层地下水埋深约为2m,旱季大于3m,呈中等变异,且雨季大于旱季。浅层地下水埋深在年内随降雨量呈单峰型分布(0至大于4m),峰值维持时间短,前期降雨对地下水位的涨落有重要影响。 (2)浅层(0-30 cm)土壤水氘同位素值(δDθ)较土壤质量含水量(θ)变异小,同位素在坡地尺度上分布较为均匀,受位置的影响较小。与其影响因素的空间变异一致,θ呈现出中等至强烈的空间依赖性;而与其影响因素不同,δDθ则表现出微弱的空间依赖性和高度的随机变异。影响因素与δDθ之间的显著相关关系在将θ作为控制变量做偏相关分析后消失,说明环境因子主要通过影响θ来间接影响δDθ,δDθ的主导影响因子存在于更小(<10 m)的尺度上。 (3)土壤剖面水分大多介于田间持水量和萎蔫系数之间,有的层次甚至接近萎蔫含水量,指示着植物的水分胁迫,下坡深层达到浅层饱和层的土壤水水分条件好,能为根系能深扎到该层次的植物提供充足的水分。土壤剖面(上坡0-70 cm、下坡0-100 cm)水分垂直分层不明显,土壤质地较粗的灌丛1整个剖面都为次活跃层;土壤较为粘重的灌丛2剖面主要为相对稳定层,虽然其水分条件较好,但是其水分调蓄能力较差。土壤含水量的时间变异较小,说明其主要受自身性质的影响。土壤储水量分为三个时期:4至6月为水分补给期,7至11月为消耗期,12月至翌年3月为相对稳定期。本周内降雨对各层次土壤含水量(饱和层除外)均有强烈的影响,两周以前降雨对浅层土壤水的影响有限;未达到饱和层的深层土壤水受到一个月之前降雨的影响,对于已经达到饱和层的土壤水分,降雨对其的影响微乎其微。 (4)研究区的大气降水线为δD=8.27δ18O+13.35,表现出轻微的富集作用,氘盈余略大。土壤水受蒸发后的降雨补给,土壤水分运移机制为优先流和活塞流并存。土壤水受旱季降雨补给最高比例可占90%以上,深层水分旱季降雨补给仅为20%左右。土壤水分平均滞留时间因土壤剖面结构和质地的差异而不同,表层可短至2周,深层长达一年以上,其运移速度约为1.7-12.5 mm/d。降雨后,土壤含水量短暂升高后逐渐下降,一周后恢复到雨前水平。在前期有降雨的情况下,表层岩溶泉水位和水化学指标对65.5 mm的降雨响应未出现暴涨暴落,其新水比例最高可达80%,与最大降雨强度相对应;降雨停止后泉水氘同位素值仍然存在波动,说明其受到了上方土壤水或浅层表层岩溶带水的补给。 (5)所有填充裂隙中表层(0-10 cm)土壤表现出非常高(87-149mm/h)的饱和导水率(Ks),超过了研究区的大部分降雨强度,这导致雨水的快速入渗。填充物为Ks相对较高(约10 mm/h)的壤土的裂隙地表下径流比较通畅,而在含有Ks较低(<0.1 mm/h)粘土的裂隙中受到阻碍。所有的填充裂隙都具有一定的持水能力,填充物主要为粘土的裂隙持水能力最强。填充粗质壤土的裂隙具最高有效水,其可为浅薄土层地区的植物生长提供额外的水源。虽然持水能力较低,但是风化物拥有与粘土有相近的有效水含量。填充裂隙的生态水文功能取决于填充物的性质(主要是土壤质地和孔隙度)和它们的剖面构成特征。 (6)不同岩土构型土壤剖面的导水性质不同,在不受基岩或碎石的影响下,深厚土层剖面土壤Ks随土层深度增加、土壤粘粒含量增加而减小;浅薄土层剖面由于受到下伏基岩渗透性的影响,整个剖面Ks相对较低;土石混合剖面土壤Ks较高,但在土石混合层相对最低,表明碎石并没有明显促进土壤水分的入渗。深厚土层和浅薄土层剖面土壤持水能力较强,但是受到粘土层和下伏基岩的影响,其对植物水分的供应能力尚不明确;土石混合剖面土壤持水能力稍弱,但是其土质疏松利于根系穿插,可能较利于植物生长。