巖溶槽谷區(qū)水土流失特征及機理研究.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)測水土流失量不能真實反映水土流失,采用美國通用土壤流失方程計算的土壤侵蝕值與實際流失量相差甚遠。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依據(jù)。這也是響應中共中央2011年1號文件中提到“要進一步加強中國西南巖溶地區(qū)水土流失治理”的號

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

3、土壤營養(yǎng)元素隨著坡位和剖面的變化,并探究土壤有機質能否反映土壤漏失;(4)通過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)通過對中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤137Cs含量以及地下河淤泥137Cs含鼉測定,運用配比法得出大尺度范圍地表和地下漏失比例。(6)通過以上對巖溶地區(qū)水土流失特征和機理研究,構建巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型。本文得出以下結論:
　　 (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值比非巖溶區(qū)低很多,但相對侵蝕程度高。土壤侵蝕量、土壤營養(yǎng)元素流失量與降雨呈明顯正相關關系,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、降雨強度相關性較大(達0.40以上)。土壤營養(yǎng)元素含量與降雨強度相關性顯著(相關系數(shù)在0.60以上),因此土壤營養(yǎng)元素流失總量與降雨強度、降雨量關系密切。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)風化成土速率慢,導致石漠化現(xiàn)象容易發(fā)生。土壤營養(yǎng)元素有機質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型的流失表現(xiàn)相籌不大;土壤營養(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、有機質富集度居中。土壤營養(yǎng)兀素富集度在不同土地

6、利用類型中表現(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、有機質和全氮在各土地利用類型剖面中遵循表聚特征。有機質和全氮隨著坡位的降低在各土地利用類型中表現(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,本研究區(qū)土壤垂直向下漏失,通過巖溶裂隙直接進入地下河的流失比例≤1/4。從小尺度范圍來看,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個徑流場有1個徑流場表現(xiàn)明顯的土壤漏失現(xiàn)象,通過對該地劃油漆、打樁法測得土壤漏失比例96％,通過對該地十壤剖面137Cs含量測定,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個土壤剖面,只有1個剖面表現(xiàn)出土壤漏失現(xiàn)象,土壤漏失深度達70cm。從大尺度范圍來看,巖溶槽谷區(qū)土壤流失主要從落水洞、天窗等流入地下河。這跟曹建華學者的觀點一致。巖溶槽谷區(qū)土壤漏失現(xiàn)象主要發(fā)生在人為干擾強、裂隙

8、發(fā)育、巖石裸露率高的地方,且地表土壤難以通過裂隙漏失進入地下河。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號菜地土壤137Cs含量深度只達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到土石界面,土石界面的土壤可以通過巖溶裂隙進入地下河。通過在中梁山取不同土地利用類型土壤,進行137Cs質量比活度測試以及測試地下河淤泥137Cs質量比活度含量,運用配比法,計算得出地

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)的二元結構,有機質含量變化可以證明土壤漏失現(xiàn)象。在無土壤漏失的地方,菜地和撂荒地從山頂?shù)缴降淄寥罓I養(yǎng)元素表現(xiàn)出向下匯集,土壤營養(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,土壤營養(yǎng)元素會打破隨坡位降低向下匯集的規(guī)律,但在剖面中土壤營養(yǎng)元素仍遵循表聚特征,只是土壤營養(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)。運用粘粒、137Cs含量、土壤有機質相結合的方法來證明土壤漏失:137Cs含量與土壤有機質有很好的相關性,說明137Cs和土壤有機質具有相似的物理運動規(guī)律,由此土壤有機質可以證明土壤漏失現(xiàn)象;137Cs含量的變化是通過粘粒含量的變化而變化的,土壤有機質含量的變化是通過土壤優(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,不能真實反映巖溶地區(qū)地表土壤流失特征,因此本文引

11、進調節(jié)系數(shù)及巖石裸露率,地表土壤侵蝕比例來構建重慶巖溶槽谷區(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是調節(jié)系數(shù),α是指巖石裸露率。其余指標含

12、義見美國通用水土流失模型。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)水土流失模型計算值與實際監(jiān)測值相比較,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％以內的比例占主導(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活動頻繁的地區(qū)。沙坪壩中梁山土壤侵蝕面積和強度比南川南平分別高28.77％、32.35％,說明人口越多,人地矛盾越突出的地方土壤侵

14、蝕越強烈。人們從事農事活動導致土壤侵蝕主要分布在人類居住的高程范圍附近。從土壤侵蝕強度與坡度相關性分析得知: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30.19％,而南平僅為12.55％,說明中梁山應該加大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,減緩石漠化進程。南平＞35°坡度強度侵蝕比例比中梁山高6.92％,因此該地

15、區(qū)需要加強陡坡的封山育林工作。南平和中梁山巖溶槽谷區(qū)土壤類型相同,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,人類活動對土壤的干預強,也說明南平退耕還林、封山育林工作取得了積極成效。
　　 (6)本文結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),運用GIS技術得出巖溶地區(qū)水土流失與石漠化時空變化規(guī)律。由兩期的水土流失強度和石漠化程度得出水土流失強度和石漠化程度呈顯著正相關關系,相關系數(shù)

16、達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,土壤侵蝕強度明顯降低,中度及其以上土壤侵蝕強度表現(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,在強度石漠化表現(xiàn)尤為明顯。石漠化是土壤侵蝕長期作用的結果,土壤侵蝕是石漠化過程中某一階段作用強度的體現(xiàn),二者在成因上存在因果關系,在時間上有滯后關系。
　　 綜上所述,在有、無土壤漏失狀況下,土

17、壤營養(yǎng)元素在剖面上均遵循表聚特征:在無漏失的地方,土壤營養(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含量與土壤有機質有很好的相關性,土壤有機質能夠證明土壤漏失現(xiàn)象。巖溶槽谷區(qū)確實存在土壤漏失現(xiàn)象,但地表土壤漏失深度難以達到土石界面,土石界向的土壤能夠通過巖溶裂隙進入地下河。傳統(tǒng)的水土流失模型不能真實反映巖溶地區(qū)的二元結構,以美國通用水土流失模型為基礎,考慮引入調節(jié)系數(shù)和石漠