巖溶槽谷區(qū)水土流失特征及機(jī)理研究.pdf

1、比較非巖溶區(qū),巖溶地區(qū)水土流失特征存在土壤漏失現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)水土流失量不能真實(shí)反映水土流失,采用美國(guó)通用土壤流失方程計(jì)算的土壤侵蝕值與實(shí)際流失量相差甚遠(yuǎn)。因此弄清楚水土流失量是治理巖溶地區(qū)水土流失、石漠化現(xiàn)象的前提。本文的研究目的是探討巖溶地區(qū)水土流失特征及機(jī)理,建立巖溶地區(qū)水土流失耦合模氆,為巖溶地區(qū)水土流失治理和石漠化治理提供科學(xué)依據(jù)。這也是響應(yīng)中共中央2011年1號(hào)文件中提到“要進(jìn)一步加強(qiáng)中國(guó)西南巖溶地區(qū)水土流失治理”的號(hào)

2、召、落實(shí)“十二·五”規(guī)劃中提到“加強(qiáng)石漠化綜合治理”的要求。
　　 本文的研究目標(biāo)是:(1)通過(guò)南川巖溶徑流小區(qū)兩年的水土流失監(jiān)測(cè),研究巖溶地區(qū)地表水土流失特征;(2)通過(guò)在南川徑流場(chǎng)內(nèi)劃油漆、打樁進(jìn)行一年的監(jiān)測(cè),同時(shí)對(duì)徑流場(chǎng)內(nèi)土壤按5cm分層采樣進(jìn)行137Cs含量的測(cè)定,擬監(jiān)測(cè)小尺度范圍地表和地下漏失比例;(3)通過(guò)對(duì)中梁山巖溶槽谷區(qū)同一坡面不同坡位的菜地和撂荒地土壤采樣(5cm分層),測(cè)定土壤營(yíng)養(yǎng)元素和137Cs含量,擬分析

3、土壤營(yíng)養(yǎng)元素隨著坡位和剖面的變化,并探究土壤有機(jī)質(zhì)能否反映土壤漏失;(4)通過(guò)在中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤剖面137Cs含量的分布深度以及溶洞壁上土壤的137Cs含量,推斷地表土壤漏失深度;(5)通過(guò)對(duì)中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤137Cs含量以及地下河淤泥137Cs含鼉測(cè)定,運(yùn)用配比法得出大尺度范圍地表和地下漏失比例。(6)通過(guò)以上對(duì)巖溶地區(qū)水土流失特征和機(jī)理研究,構(gòu)建巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型。本文得出以下結(jié)論:
　　 (1)在巖溶地區(qū)富

4、鈣的環(huán)境下,全磷的表現(xiàn)異于非巖溶地區(qū),而其它營(yíng)養(yǎng)元素表現(xiàn)出與非巖溶地區(qū)相似;巖溶地區(qū)地表十壤侵蝕量絕對(duì)值比非巖溶區(qū)低很多,但相對(duì)侵蝕程度高。土壤侵蝕量、土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失量與降雨呈明顯正相關(guān)關(guān)系,這與非巖溶地區(qū)表現(xiàn)一致。巖溶槽谷區(qū)地表土壤侵蝕量與降雨量、降雨強(qiáng)度相關(guān)性較大(達(dá)0.40以上)。土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量與降雨強(qiáng)度相關(guān)性顯著(相關(guān)系數(shù)在0.60以上),因此土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失總量與降雨強(qiáng)度、降雨量關(guān)系密切。在巖溶地區(qū)地表徑流系數(shù)是非巖溶地區(qū)

5、地表徑流系數(shù)的1/7,巖溶地區(qū)能夠產(chǎn)生侵蝕性降雨量需要.30mm以上,而菲巖溶地區(qū)僅需要10mm以上,因此巖溶地區(qū)地表侵蝕量比非巖溶區(qū)低,巖溶地區(qū)風(fēng)化成土速率慢,導(dǎo)致石漠化現(xiàn)象容易發(fā)生。土壤營(yíng)養(yǎng)元素有機(jī)質(zhì)和全氮流失含量變化最大,流失變化依次為:坡耕地＞林地＞草地＞金銀花地。全磷含量和有效鉀含量在各土地利用類(lèi)型的流失表現(xiàn)相籌不大;土壤營(yíng)養(yǎng)元素富集度表現(xiàn)不同:速效鉀最高,全磷最低,全氮、水解氮、有機(jī)質(zhì)富集度居中。土壤營(yíng)養(yǎng)兀素富集度在不同土地

6、利用類(lèi)型中表現(xiàn)不同:富集度表現(xiàn)明顯的是坡耕地(自然坡耕地強(qiáng)于移士培肥坡耕地),其次是林地、金銀花地,最低是草地;全磷、有機(jī)質(zhì)和全氮在各土地利用類(lèi)型剖面中遵循表聚特征。有機(jī)質(zhì)和全氮隨著坡位的降低在各土地利用類(lèi)型中表現(xiàn)出向下匯集,但全磷不遵循此規(guī)律。
　　 (2)巖溶槽谷區(qū)的確存在土壤漏失現(xiàn)象,但土壤漏失現(xiàn)象并不是隨處可見(jiàn),本研究區(qū)土壤垂直向下漏失,通過(guò)巖溶裂隙直接進(jìn)入地下河的流失比例≤1/4。從小尺度范圍來(lái)看,巖溶槽谷區(qū)的確存在土

7、壤充填囊道、裂隙現(xiàn)象,如在南川9個(gè)徑流場(chǎng)有1個(gè)徑流場(chǎng)表現(xiàn)明顯的土壤漏失現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)該地劃油漆、打樁法測(cè)得土壤漏失比例96％,通過(guò)對(duì)該地十壤剖面137Cs含量測(cè)定,發(fā)現(xiàn)137Cs含量人致隨土壤深度的增加而增加。再如在中粱山山坡選擇8個(gè)土壤剖面,只有1個(gè)剖面表現(xiàn)出土壤漏失現(xiàn)象,土壤漏失深度達(dá)70cm。從大尺度范圍來(lái)看,巖溶槽谷區(qū)土壤流失主要從落水洞、天窗等流入地下河。這跟曹建華學(xué)者的觀(guān)點(diǎn)一致。巖溶槽谷區(qū)土壤漏失現(xiàn)象主要發(fā)生在人為干擾強(qiáng)、裂隙

8、發(fā)育、巖石裸露率高的地方,且地表土壤難以通過(guò)裂隙漏失進(jìn)入地下河。這從中梁山溶洞壁上土壤137Cs含量幾乎為0可以看出,也可以從中梁山3號(hào)菜地土壤137Cs含量深度只達(dá)70cm看出。即巖溶地區(qū)土壤存在向地下蠕滑現(xiàn)象和漏失現(xiàn)象,但是從地表向地下漏失的深度難以達(dá)到土石界面,土石界面的土壤可以通過(guò)巖溶裂隙進(jìn)入地下河。通過(guò)在中梁山取不同土地利用類(lèi)型土壤,進(jìn)行137Cs質(zhì)量比活度測(cè)試以及測(cè)試地下河淤泥137Cs質(zhì)量比活度含量,運(yùn)用配比法,計(jì)算得出地

9、表水土流失和地下水土流失比例分別為75.45％、24.55％。
　　 (3)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量在坡面和剖面的分布特征可以表征巖溶地區(qū)的二元結(jié)構(gòu),有機(jī)質(zhì)含量變化可以證明土壤漏失現(xiàn)象。在無(wú)土壤漏失的地方,菜地和撂荒地從山頂?shù)缴降淄寥罓I(yíng)養(yǎng)元素表現(xiàn)出向下匯集,土壤營(yíng)養(yǎng)元素在剖面上表現(xiàn)出明顯的表聚特征,TP的表聚系數(shù)表現(xiàn)最高。在有土壤漏失的地方,土壤營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)打破隨坡位降低向下匯集的規(guī)律,但在剖面中土壤營(yíng)養(yǎng)元素仍遵循表聚特征,只是土壤營(yíng)養(yǎng)元

10、素的表聚系數(shù)和變異系數(shù)低下其它非漏失地區(qū)。運(yùn)用粘粒、137Cs含量、土壤有機(jī)質(zhì)相結(jié)合的方法來(lái)證明土壤漏失:137Cs含量與土壤有機(jī)質(zhì)有很好的相關(guān)性,說(shuō)明137Cs和土壤有機(jī)質(zhì)具有相似的物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律,由此土壤有機(jī)質(zhì)可以證明土壤漏失現(xiàn)象;137Cs含量的變化是通過(guò)粘粒含量的變化而變化的,土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化是通過(guò)土壤優(yōu)先流引起的。
　　 (4)傳統(tǒng)的水土流失模型不能估算土壤地下漏失量,不能真實(shí)反映巖溶地區(qū)地表土壤流失特征,因此本文引

11、進(jìn)調(diào)節(jié)系數(shù)及巖石裸露率,地表土壤侵蝕比例來(lái)構(gòu)建重慶巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型。模型如下:
　　 巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型:Y×δ+Y[1=δ],其中Y=W/δ式中Y表示巖溶地區(qū)總侵蝕量,δ表示巖溶地區(qū)地表侵蝕比例,1-δ表示巖溶地區(qū)地下侵蝕比例,耦合模型是地表和地下土壤流失比例的耦合,形代表地表侵蝕量。
　　 地表土壤侵蝕量:W=ARKDLSCP(1-a)。
　　 其中A是調(diào)節(jié)系數(shù),α是指巖石裸露率。其余指標(biāo)含

12、義見(jiàn)美國(guó)通用水土流失模型。A=B1×B2,B1是指巖溶地區(qū)與非巖溶地區(qū)水土流失的地表徑流系數(shù)比值,B2是指巖溶地區(qū)與非巖溶地區(qū)年度產(chǎn)生土壤侵蝕的降雨量次數(shù)比值。
　　 地下土壤侵蝕量:W'=Y×[1-δ]
　　 其中W'代表地下土壤侵蝕量,δ代表地表土壤侵蝕比例。
　　 將巖溶地區(qū)水土流失模型計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相比較,得劍兩者之間的相差比例變化在0.85％-38.45％之間,其中誤差值在10％以?xún)?nèi)的比例占主導(dǎo)(6

13、6.67％),誤差值在10％-20％以及20.30％的數(shù)據(jù)分別占16.67％、5.56％,誤差值在30％以上的數(shù)據(jù)只占11.11％。因此本研究得出的巖溶區(qū)土壤侵蝕模型可以用來(lái)求算巖溶槽谷區(qū)土壤侵蝕模數(shù),在研究區(qū)具有一定的代表性。
　　 (5)根據(jù)本文得到的模型估算表明,巖溶槽谷區(qū)土壤侵蝕主要集中在人類(lèi)活動(dòng)頻繁的地區(qū)。沙坪壩中梁山土壤侵蝕面積和強(qiáng)度比南川南平分別高28.77％、32.35％,說(shuō)明人口越多,人地矛盾越突出的地方土壤侵

14、蝕越強(qiáng)烈。人們從事農(nóng)事活動(dòng)導(dǎo)致土壤侵蝕主要分布在人類(lèi)居住的高程范圍附近。從土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度相關(guān)性分析得知:南平和中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在5°-15°,侵蝕比例分別為49.18％和42.80％。在15°-25°坡度中梁山土壤侵蝕比例高達(dá)30.19％,而南平僅為12.55％,說(shuō)明中梁山應(yīng)該加大15°-25°坡度范圍的退耕還林工作,以降低該地區(qū)水土流失程度,減緩石漠化進(jìn)程。南平＞35°坡度強(qiáng)度侵蝕比例比中梁山高6.92％,因此該地

15、區(qū)需要加強(qiáng)陡坡的封山育林工作。南平和中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤類(lèi)型相同,但中度及其以上侵蝕比例中梁山比南平高26.38％。原因是中粱山單位土地承載力比南平高,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤的干預(yù)強(qiáng),也說(shuō)明南平退耕還林、封山育林工作取得了積極成效。
　　 (6)本文結(jié)合重慶市巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型和遙感數(shù)據(jù),運(yùn)用GIS技術(shù)得出巖溶地區(qū)水土流失與石漠化時(shí)空變化規(guī)律。由兩期的水土流失強(qiáng)度和石漠化程度得出水土流失強(qiáng)度和石漠化程度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)

16、達(dá)0.89。南川巖溶地區(qū)從1988年到2000年輕度及其以上侵蝕的流失面積減少29277.10 hm2,土壤侵蝕強(qiáng)度明顯降低,中度及其以上土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)尤為明顯:從1988年到2000年南川巖溶地區(qū)石漠化面積減少2042.72 hm2,在強(qiáng)度石漠化表現(xiàn)尤為明顯。石漠化是土壤侵蝕長(zhǎng)期作用的結(jié)果,土壤侵蝕是石漠化過(guò)程中某一階段作用強(qiáng)度的體現(xiàn),二者在成因上存在因果關(guān)系,在時(shí)間上有滯后關(guān)系。
　　 綜上所述,在有、無(wú)土壤漏失狀況下,土

17、壤營(yíng)養(yǎng)元素在剖面上均遵循表聚特征:在無(wú)漏失的地方,土壤營(yíng)養(yǎng)元素隨坡位降低向下匯集(全磷除外),在有漏失的地方,土壤營(yíng)養(yǎng)元素不遵循隨坡位降低向下匯集的規(guī)律。137Cs含量與土壤有機(jī)質(zhì)有很好的相關(guān)性,土壤有機(jī)質(zhì)能夠證明土壤漏失現(xiàn)象。巖溶槽谷區(qū)確實(shí)存在土壤漏失現(xiàn)象,但地表土壤漏失深度難以達(dá)到土石界面,土石界向的土壤能夠通過(guò)巖溶裂隙進(jìn)入地下河。傳統(tǒng)的水土流失模型不能真實(shí)反映巖溶地區(qū)的二元結(jié)構(gòu),以美國(guó)通用水土流失模型為基礎(chǔ),考慮引入調(diào)節(jié)系數(shù)和石漠