不同尺度下紫色土水土流失效應(yīng)分析.pdf

1、在全球范圍內(nèi)，70％的國家和地區(qū)都受到水土流失的危害，每年有250億噸的肥沃表土流失。作為世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，我國目前關(guān)于水土流失的研究遠不能滿足國家生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟迅速發(fā)展的需求。紫色土是長江及其主要支流泥沙的主要來源。作為我國特有的一種土壤類型，紫色土質(zhì)地松軟，結(jié)構(gòu)松散，易風(fēng)化，抗蝕性較差，保水保土能力弱，是一種侵蝕型的高生產(chǎn)力巖性土。我國紫色土的侵蝕面積及強度僅次于北方的黃土。在三峽庫區(qū)，人為活動加劇了土壤侵蝕過程，水土

2、流失日趨嚴(yán)重，已影響到庫區(qū)的生態(tài)安全和三峽水庫的可持續(xù)利用。本文以紫色土為研究對象，分別選擇了重慶市萬州區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站內(nèi)徑流小區(qū)、紫色土自然坡面及戴家溝小流域為研究尺度單元，探討了徑流小區(qū)、自然坡面、小流域三個不同尺度下水土流失效應(yīng)及內(nèi)在機理。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 ⑴徑流小區(qū)尺度下紫色土水土流失效應(yīng)。以萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站內(nèi)徑流小區(qū)為研究單元，通過人工模擬降雨試驗，對一定坡度不同坡位、不同雨強下紫色土徑流

3、小區(qū)中土壤顆粒變化和養(yǎng)分流失特征及其土壤顆?！獜搅鳌B(yǎng)分耦合關(guān)系進行了分析研究。在降雨雨滴擊濺和坡面徑流的搬運、遷移以及沖刷作用下，徑流小區(qū)上坡粘粒、粉粒含量降低，砂粒含量增多；中坡粘粒和砂粒含量增多，粉粒含量減少；下坡粘粒含量增多，砂粒和粉粒含量減少。隨著雨強的增大，養(yǎng)分流失率在各坡面位置大體呈現(xiàn)增大的趨勢。土壤顆粒在降雨前后的差異與土壤養(yǎng)分的流失存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系。對比分析降雨前后坡面土壤團聚體含量變化，＜0.25 mm和＞2

4、 mm團聚體含量在降雨后顯著增加，其它粒徑團聚體含量則有所下降。降雨前后土壤團粒分形維數(shù)差異越大，養(yǎng)分的流失率也越大。不同雨強下，侵蝕泥沙量都出現(xiàn)從升高到降低的一個過程，侵蝕泥沙峰值量隨著雨強的增大而增大且出現(xiàn)時間也不斷提前，其侵蝕泥沙養(yǎng)分峰值也有大致相同的趨勢。
　　 ⑵以紫色土自然坡面為研究單元，利用137Cs示蹤技術(shù)測定自然坡面不同地貌部位、典型土地利用類型地塊的土壤侵蝕模數(shù)，分析坡面侵蝕泥沙來源，探討坡面不同地貌部位、不

5、同土地利用類型的土壤侵蝕強度差異；以坡面徑流出口測流堰自然降雨觀測資料為基礎(chǔ)，研究了坡面土壤顆粒、侵蝕泥沙顆粒變化特征，土壤養(yǎng)分、徑流養(yǎng)分、侵蝕泥沙養(yǎng)分變化特征，土壤顆粒變化與侵蝕之間的關(guān)系，探討土地利用類型、坡位等對坡面土壤侵蝕模數(shù)、土壤顆粒變化特征及養(yǎng)分流失特征的影響。坡面位置和土地利用對自然坡面土壤顆粒組成的空間分布具有重要影響。自然坡面各土地利用類型下各養(yǎng)分元素在不同坡位上的平均含量都呈現(xiàn)出上坡位＜中坡位＜下坡位的特征。降雨侵蝕

6、泥沙中的有機質(zhì)、全氮、有效磷在產(chǎn)流歷時中都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，與產(chǎn)流歷時呈較好的二次曲線關(guān)系：侵蝕泥沙中全磷和堿解氮隨產(chǎn)流歷時則呈現(xiàn)出持續(xù)減低的趨勢，與產(chǎn)流歷時都為較好的冪函數(shù)關(guān)系。土壤侵蝕模數(shù)與有機質(zhì)、全氮以及全磷存在極顯著負相關(guān)關(guān)系；侵蝕泥沙中有機質(zhì)和有效磷則與泥沙顆粒組成中的粘粒和砂粒分別存在極顯著正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系；侵蝕泥沙中全氮含量則和顆粒組成中各組分都存在極顯著相關(guān)關(guān)系，且上述養(yǎng)分與各自對應(yīng)的顆粒呈現(xiàn)良好的線性回歸關(guān)系

7、。
　　 ⑶以重慶市萬州區(qū)戴家溝小流域為研究單元，以137Cs示蹤法為技術(shù)手段，結(jié)合自然降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究探討了土地利用類型、流域空間變異等對土壤侵蝕模數(shù)、土壤顆粒變化特征及養(yǎng)分流失特征的影響。不同地貌部位的侵蝕特征差異顯著，小流域上游、中游、下游的土壤侵蝕模數(shù)分別為4205.74 t·km—3·a—1、2466.26 t·km—2·a—1、1552.91 t·km—2·a—1；上游馬尾松林的土壤侵蝕模數(shù)為2839.92 t·k

8、m—2·a—1，是中游、下游的1.35倍、10.59倍；上游農(nóng)耕地土壤侵蝕模數(shù)為5343.74 t·km—2·a—1，分別是中游、下游的1.96倍、2.92倍；上游柑桔林土壤侵蝕模數(shù)為3837.1 t·km—2·a—1，分別是中游、下游的1.63倍、2.97倍。在降雨雨滴擊濺，坡面徑流搬運、遷移以及沖刷作用下，從上坡至中坡、下坡，表層土粘粒含量整體上呈增加趨勢，粉粒含量隨坡位降低而增加，砂粒含量上坡大于中坡及下坡。相同坡位，土壤顆粒隨土

9、層深度的變化規(guī)律為：從表層到中層、下層粘粒及粉粒含量先增加后減少，整體上呈增加趨勢；砂粒含量先減少后增加，整體上呈減少趨勢。流域位置對各土地利用類型土壤顆粒組成有顯著影響。對荒草地和柑桔林而言，粘粒含量的變化趨勢為上游＜中游＜下游，砂粒含量則呈相反規(guī)律：對農(nóng)耕地而言，粘粒含量的變化規(guī)律為下游＜上游＜中游，砂粒含量為上游＞下游＞中游。流域下游土壤顆粒的比表面積高于中游和上游。在降雨、土地利用類型等眾多因素的作用下，小流域侵蝕泥沙顆粒組成砂

10、粒多沉積于流域局部，細顆粒、粉粒等隨徑流遷移到達流域出口，因此，呈現(xiàn)出流域侵蝕泥沙＜0.05 mm顆粒的比重、粗顆粒的含量低規(guī)律，其中＜0.05mm的比重高達80％，是砂粒比重的4倍。侵蝕泥沙中有機質(zhì)、全氮含量與粘粒含量早極顯著正相關(guān)(R分別為0.921、0.860)，堿解氮含量與粘粒含量呈顯著正相關(guān)；氮素與砂粒含量呈極顯著負相關(guān)；有效磷及全磷含量僅與粉粒呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.925、0.968。
　　 ⑷通過對不同

11、尺度研究單元的土壤/泥沙顆粒組成、養(yǎng)分變化以及顆?！B(yǎng)分耦合特征的比較分析，探討了不同尺度間水土流失機理的差異以及尺度效應(yīng)轉(zhuǎn)化的可能性。從土壤顆粒組成來看，在徑流小區(qū)尺度上，不同坡位間差異不大；在自然坡面尺度上，不同坡位出現(xiàn)了較大的差異；在小流域尺度上，不同坡位和不同流域位置間出現(xiàn)了明顯的差異。土壤顆粒組成差異性的增加，可能是水土流失效應(yīng)的影響因子多元化和復(fù)雜化以及各因子協(xié)同耦合關(guān)系復(fù)雜化的原因。在外界降雨條件相似的情況下，侵蝕泥沙中粘

12、粒含量與產(chǎn)流歷時的關(guān)系從徑流小區(qū)尺度的不明顯關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀黄旅婧托×饔虺叨认碌亩吻€關(guān)系；砂粒含量與產(chǎn)流歷時在徑流小區(qū)、自然坡面和小流域尺度上的關(guān)系分別為冪函數(shù)、二次曲線和二次曲線關(guān)系；粉粒含量與產(chǎn)流歷時在徑流小區(qū)、自然坡面和小流域尺度上的關(guān)系分別為冪函數(shù)、無明顯和二次曲線關(guān)系。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著尺度的增大，侵蝕泥沙中各顆粒組分與產(chǎn)流歷時的關(guān)系都有趨于呈現(xiàn)出二次曲線關(guān)系特征。從養(yǎng)分變化和產(chǎn)流歷時的關(guān)系來看，從徑流小區(qū)尺度到小流域尺度，

13、有機質(zhì)、全氮和堿解氮與產(chǎn)流歷時的關(guān)系從冪函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槎魏瘮?shù)關(guān)系，全磷、有效磷與產(chǎn)流歷時的關(guān)系從冪函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮魏瘮?shù)的關(guān)系。從土壤顆粒和侵蝕泥沙的耦合關(guān)系來看，在徑流小區(qū)尺度上，相似雨強下全鉀含量與侵蝕泥沙粘粒和砂粒存在顯著相關(guān)；在自然和小流域尺度上，有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮以及有效磷與侵蝕泥沙顆粒組成存在著一定程度的一次曲線關(guān)系；通過對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著尺度的增大，與侵蝕泥沙顆粒組成產(chǎn)生耦合關(guān)系的侵蝕養(yǎng)分更多，且耦合關(guān)系也產(chǎn)生了變化