黄土高原深层土壤水文过程及其生态效应

Deep soil water is the vital link in the soil-plant-groundwater continuum. Understanding the hydrological and ecological processes in deep soil is important for answering the critical question on whether the agricultural production and eco-restoration is sustainable and resilient on the Loess Plateau. Little is known about the mechanisms of root water uptake, soil water recharge and deep drainage in deep soils. In this study, in-situ monitoring, environmental and artificial stable and unstable isotopes and tracers will be utilized to probe these processes and to determine the threshold and fluxes of deep root water uptake. The pathways, fluxes, and controls for deep soil water recharge and drainage will also be identified. Further, combination of isotopes and tracer information with available hydrological models will be used to reduce the model and data uncertainty associated with deep soil water and improve model performance on predicting deep soil water dynamics. The research will ultimately provide evidence and information on eco-restoration, effective water resource management, and agricultural production on the Loess Plateau, and China and the world.

土壤水提供了陆地生态系统的主要生物用水，直接关系到占地球陆地面积70% 的干旱和半干旱地区的生态系统生产力、生物多样性和可恢复性。降雨进入土壤中的大部分在浅层土壤通过蒸散很快回到大气，而另一部分则进入更深的土壤。深层土壤水是土壤-植物-地下水体系水循环过程的核心和纽带，也是水循环研究的最薄弱环节。本项目拟通过土壤深剖面定位观测、同位素示踪、室内实验模拟技术，辨析植物吸收利用深层土壤水分阈值和通量，明确深层土壤水的生态效应；确定深层土壤水补给和渗漏的路径、通量及其控制因子，厘清深层土壤水的水文效应；同时利用同位素示踪信息，克服由深层土壤水文参数信息不足、水分动态数据少、水分运移机理不明而导致的模型模拟的高度不确定性，推动深层土壤水的模拟和预测，为最终调控深层土壤水、回答黄土高原农业生产和生态建设是否可恢复、是否可持续这一重大科学问题提供理论支撑。

深层土壤水是土壤-植物-地下水体系水循环过程的核心和纽带，也是水循环研究最薄弱的环节。本研究以全球面积最大、土层最深厚的黄土分布区-黄土高原为研究对象，通过深剖面长期多点观测、水同位素示踪、数值模拟、重力卫星等多种技术手段，系统研究了黄土高原深层土壤水文过程及生态效应：（1）揭示了黄土高原地区深根植被的耗水规律：提出了深根系植被对深层土壤水的“一次性消耗”概念模型，并发现深根系对黄土高原林地蒸腾具有两面性。通过氚示踪技术发现林地使用数十年以前降水入渗的“老水”；（2）深层过度耗水使黄土高原林地根系以1.00±0.06 m yr-1的速率向下生长，但因为深层土壤各土层储水量有限，消耗后又不能得到补给，不存在长期的根系周转，进而导致造林后深层土壤“水-碳交易”量小，土壤有机碳含量变化不显著，深层土壤碳输入主要以根系生物量形式体现；（3）厘清了黄土高原地下水补给的主要机制：同位素和Cl-信息表明降水通过活塞流和优势流两种方式补给地下水；提供了乡村池塘集中补给黄土高原地下水的新证据；（4）探明了不同土地利用下影响地下水补给的主要因素：极端降水是浅根植被地下水补给的主导因素，而根系深度则是影响深根植物地下水补给的主要因子；（5）提出了在点尺度使用水化学信息和土壤水分以及在区域尺度使用重力卫星定量研究地下水补给的新方法；基于长期的大气氯输入和包气带孔隙水中的氯分布，在半湿润地区重建了千年尺度高分辨率的地下水补给历史；(6)在使用同位素研究林地深层耗水的过程中厘清了真空抽提土壤同位素偏差机理及矫正方法；发展了使用深剖面土壤水同位素信息计算长时间序列土壤蒸发的新方法，发现蒸发的土壤水主要来自大孔隙。上述研究成果可为黄土高原生态文明建设、农业种植结构调整、有限水资源合理利用提供科学依据，并可为全球地下水补给和深根系植被水分利用的研究提供借鉴。