红壤丘陵区坡耕地壤中流的量化及其产生机制

Eco-environmental problems, such as soil erosion and land degradation, are becoming increasingly severe in the hilly red soil area of southern China. Runoff and subsurface flow on cultivated slopes are the main pathways for materials and nutrients transport. The difficulties of quantifying subsurface flow at slope scale limit us to understand its production mechanisms and to predict the fate and transport of nutrients and pollutants. The objectives of this project are 1) to test the accuracy of subsurface flow obtained by Hydrus-2D model and by water balance equation using measured data and to evaluate application of soil moisture temporal stability theory on water balance; 2) to illustrate the threshold dynamics of subsurface flow produced during different crop growth periods; and 3) to demonstrate mechanisms of subsurface flow production from the threshold aspect. Results from this project will improve our understanding of subsurface flow quantification and its production mechanisms, and provide some basic knowledge for enhancing water use efficiency, and controlling soil erosion and agricultural non-point source pollution in the study area.

南方红壤丘陵区水土流失和土地退化等生态环境问题日益凸显，坡耕地地表径流和壤中流是该地区物质和养分迁移的主要途径。壤中流在坡面尺度因为其获取困难，其产生机制尚不清楚，限制了养分和污染物预报的精度。本研究在红壤丘陵地区典型农田小流域，拟用实测数据检验Hydrus-2D模型和水量平衡法获取的壤中流，评估土壤水分时间稳定性理论在水量平衡方程中的应用；明确红壤丘陵区坡耕地壤中流发生的阈值及其在作物不同生育期的动态变化；揭示壤中流的产生机制。本申请项目的研究结果可丰富坡耕地壤中流量化的方法和产生机制；为该地区水分高效利用提供技术支撑，为水土流失和面源污染的阻控提供科学依据。

红壤地区降水丰沛，地形起伏，给壤中流发育创造了条件，但是由于其隐蔽性，人们对壤中流的认识还比较欠缺。本项目从解决低成本获取高时空分辨率土壤储水量数据这一关键问题出发，研究了红壤地区降水-产流，深层渗漏和壤中流等水文过程。研究发现利用少数几个土壤水自动监测点提取的高时间分辨率信息和较多的手动监测点提取的高空间分辨率信息，通过空间模式在时间尺度上的相似性特征，将两者结合起来，可以实现利用一个自动监测点数据高精度预测任意时刻研究区土壤储水量的均值和空间分布。通过将不同层次土壤水数据建立时间稳定性关系，在研究区实现了利用0-40 cm的数据预测0-160 cm内不同层次的土壤储水量的目的。利用独立数据验证显示这两次降低成本的方法预测的误差一般都低于5%。因此，利用本项目的研究结果，只需要一个测点在0-40 cm处的数据，就可以预测不同深度（160 cm内）整个研究区的土壤储水量的平均值和空间分布动态。在此基础上，结合其他水文监测，对研究区渗漏量和壤中流进行了模拟，发现橘园和花生在降水分配上差异巨大，比如渗漏/地表径流比，前者远大于后者，分别为5-10和0.2-1。坡位，植被类型，降水类型，前期含水量等因素均影响壤中流的发生，表现为坡下大于坡上，橘园大于花生地，大降水事件大于小降水事件，前期含水量高更容易诱发壤中流。利用端元混合模型，借助氢氧稳定性同位素和地球化学离子（Mg2+, Na+, Si4+, Cl-等)，得到流域尺度壤中流（包括部分浅层地下水）对径流的贡献在15%左右。本项目中关于高分辨率土壤水信息预测的方法对于红壤地区面源污染，土壤侵蚀等的模拟具有重要的参考价值。