亚马逊流域深部土壤水库调控土地利用与干旱对水源地水收支的影响

本文深入探讨了亚马逊东南部水源地森林与农田流域的水文平衡差异，结合遥感数据与实地监测，揭示了深部土壤水库在调节干旱年份水分分配中的关键作用。研究发现农业流域径流量（Q）是森林的四倍，而地下水侧向流出（Goutflow）在两类生态系统中均占降水（P）的20-25%。干旱期间森林通过汲取深层土壤水维持蒸散（ET），导致下游河流补给减少。该研究为理解气候变化下热带水文循环响应提供了关键数据支撑。

　　

研究背景与科学问题

亚马逊东南部作为全球最大的热带雨林区域，正经历着土地利用转型（森林转农田）和气候变化（干旱加剧）的双重压力。该区域38%的面积面临4-5个月的漫长旱季，深层土壤水库成为维持森林生态系统和区域水文平衡的关键缓冲带。本研究通过对比欣古河源头的森林与农田小流域，探究两个核心问题：土地利用变化如何影响水文平衡及地下水侧向流出的作用；极端干旱如何与土地利用相互作用改变土壤水储量和地下水动态。

研究方法与数据整合

研究基于2014-2018水文年的实测数据，涵盖六个小流域（两个森林型、四个农业型）的河道流量监测、0.3-8米深土壤水分传感器网络，并融合CHIRPS降水数据和MODIS蒸散发（ET）产品。通过水平衡方程P = ET + Q + δS/δt + G_outflow量化各组分，其中G_outflow作为残差项，表征绕过河道的地下流出量及深层土壤水补给。

深部土壤水库的水文调节机制

数据显示，森林流域年降水（P）的72%通过蒸散发（ET）返回大气，仅8%形成地表径流（Q），而高达19%的降水通过地下水侧向流出（G_outflow）进入区域含水层。土壤水分剖面显示，2-8米深度的氧化土（Oxisols）含水量稳定在320 mm·m^-1，较表层（50-280 mm·m^-1）具有更强持水能力。雨季降水可在2-3个月内下渗至8米深度，支撑深根系树木度过旱季。

农业流域则呈现显著不同的水文特征：年ET降至43%P，而径流（Q）激增至29%P（森林的4倍）。值得注意的是，两类生态系统的G_outflow在正常年份无显著差异（森林19%P，农田25%P），表明土壤渗透性和静水压力主导了深层水运动，而非地表植被类型。

干旱事件的差异化响应

2016年强厄尔尼诺事件导致降水减少28%，引发显著水文响应。森林生态系统通过加大深层土壤水汲取维持ET不变（1456 mm），但导致G_outflow由正常年份的出口（+494 mm）转为进口（-92 mm），表明树木汲取了本应补给下游的水源。土壤水库在旱季末降至290 mm·m^-1的临界值，且2017年雨季恢复延迟。

农田系统则呈现相反模式：ET下降17%（因作物减产），但G_outflow仍保持正输出（271 mm），仅减少45%。浅根系作物无法利用深层储水，致使更多水分以径流和地下流出形式向下游输送。这使得干旱年份农业流域总水输出（Q+G_outflow）达809 mm，显著高于森林的101 mm。

生态与水资源管理启示

研究揭示的"渗漏流域"（leaky catchment）现象修正了传统水平衡模型的认知：约四分之一降水通过地下路径参与区域水循环，而非完全通过地表径流或ET消耗。在气候变化背景下，多年度干旱可能耗尽土壤水库，导致森林丧失抗旱能力，同时威胁下游社区供水安全。

农业扩张虽短期内增加径流量，但也带来水质恶化（泥沙和营养盐输出）及灌溉需求上升的风险。当前马托格罗索州90%农业依赖降雨，但干旱频发正推动灌溉扩张，可能进一步加剧大河枯竭（如2023-2024年亚马逊河流干涸事件）。

研究方法的创新与局限

本研究首次在亚马逊深土层（8米）尺度上整合遥感与实地监测，但存在数据不确定性：遥感ET可能高估实际值；土壤探坑分布不均（森林坑位集中于同一流域）；降水数据空间分辨率不足区分小尺度差异。未来需结合同位素示踪（如¹⁸O和²H）和电法勘探等技术深化水流路径解析。

结论与展望

亚马逊水源地的水文平衡受深层土壤水库调节，其动态响应既受土地利用方式影响，更受干旱强度调控。森林通过汲取深层水维持生态功能，但代价是减少下游水资源供给；农业系统则通过增加径流和地下输出维持水通量，但牺牲水质和长期可持续性。该研究为预测气候变化下热带水文循环演变、制定适应性管理策略提供了关键科学依据。