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《西南大学》 2009年
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不同尺度下紫色土水土流失效应分析

陈晓燕  
【摘要】:在全球范围内,70%的国家和地区都受到水土流失的危害,每年有250亿吨的肥沃表土流失。作为世界上水土流失最严重的国家之一,我国目前关于水土流失的研究远不能满足国家生态建设和经济迅速发展的需求。由于水土流失是具有明显尺度效应的过程,不同尺度下的水土流失既相互联系又相互区别。目前,在室内土槽、径流小区、坡面等单一尺度上对不同地区和不同土壤类型的水土流失进行了深入的研究,但针对径流小区、自然坡面、小流域三个不同尺度缺乏对比研究。同时,水土流失效应随研究区域面积的增加呈现非线性关系,区域甚至全球范围内水土流失机理的揭示必须首先解决不同尺度上影响水土流失因子对其效应的贡献率随研究区域增大的主次顺序易位问题,这些问题的解决最终需要回到小尺度上来解决。因此,阐明典型区域径流小区、自然坡面、小流域三个不同尺度下的水土流失效应和内在机理具有重要的理论和实践意义。 紫色土是长江及其主要支流泥沙的主要来源。作为我国特有的一种土壤类型,紫色土质地松软,结构松散,易风化,抗蚀性较差,保水保土能力弱,是一种侵蚀型的高生产力岩性土。我国紫色土的侵蚀面积及强度仅次于北方的黄土。在三峡库区,人为活动加剧了土壤侵蚀过程,水土流失日趋严重,已影响到库区的生态安全和三峡水库的可持续利用。因此,本文以紫色土为研究对象,分别选择了重庆市万州区生态环境监测重点站内径流小区、紫色土自然坡面及戴家沟小流域为研究尺度单元,通过对土壤/泥沙颗粒和养分流失的分析研究,探讨径流小区、自然坡面、小流域三个不同尺度下水土流失效应及内在机理,以期揭示水土流失机理以及尺度效应,从而为紫色土水土流失的防治提供理论基础,也为下一步区域水土流失机理研究及预测预报模型构建、应用奠定了基础。 1、径流小区尺度下紫色土水土流失效应。以万州典型区生态环境监测重点站内径流小区为研究单元,通过人工模拟降雨试验,对一定坡度不同坡位、不同雨强下紫色土径流小区中土壤颗粒变化和养分流失特征及其土壤颗粒—径流—养分耦合关系进行了分析研究。在降雨雨滴击溅和坡面径流的搬运、迁移以及冲刷作用下,径流小区上坡粘粒、粉粒含量降低,砂粒含量增多;中坡粘粒和砂粒含量增多,粉粒含量减少;下坡粘粒含量增多,砂粒和粉粒含量减少。随着雨强的增大,养分流失率在各坡面位置大体呈现增大的趋势。土壤颗粒在降雨前后的差异与土壤养分的流失存在不同程度的正相关关系。对比分析降雨前后坡面土壤团聚体含量变化,<0.25 mm和>2 mm团聚体含量在降雨后显著增加,其它粒径团聚体含量则有所下降。降雨前后土壤团粒分形维数差异越大,养分的流失率也越大。不同雨强下,侵蚀泥沙量都出现从升高到降低的一个过程,侵蚀泥沙峰值量随着雨强的增大而增大且出现时间也不断提前,其侵蚀泥沙养分峰值也有大致相同的趋势。但是由于不同养分对以泥沙为流失载体的吸附性不同,并非所有侵蚀泥沙养分含量都随着降雨强度的增大而增大。随着雨强的增大、产流时间的增加,径流养分累积量也相应增大。在相对较大雨强条件下径流流速与产流历时为幂函数关系,而在小雨强条件下流速与产流历时为二次曲线关系。径流养分与径流量之间的关系表现为,径流强度和径流流速与径流养分中总氮浓度和径流总磷浓度相关关系不明显,但是与相应的总氮、总磷流失量呈现明显的相关关系。 因此,在径流小区尺度上,降雨对土壤颗粒组成的影响表现为上坡细颗粒的减少,粗颗粒的增多;下坡细颗粒的增多,粗颗粒的减少;对团聚体的影响表现为<0.25 mm和>2 mm团聚体含量增加;土壤养分流失率与土壤颗粒变化、团聚体稳定性变化存在相关关系:侵蚀泥沙量、侵蚀养分均随着雨强的增大、产流时间的增加而增加,但不同养分元素间存在着差异。 2、自然坡面尺度下紫色土水土流失效应。以紫色土自然坡面为研究单元,利用~(137)Cs示踪技术测定自然坡面不同地貌部位、典型土地利用类型地块的土壤侵蚀模数,分析坡面侵蚀泥沙来源,探讨坡面不同地貌部位、不同土地利用类型的土壤侵蚀强度差异;以坡面径流出口测流堰自然降雨观测资料为基础,研究了坡面土壤颗粒、侵蚀泥沙颗粒变化特征,土壤养分、径流养分、侵蚀泥沙养分变化特征,土壤颗粒变化与侵蚀之间的关系,探讨土地利用类型、坡位等对坡面土壤侵蚀模数、土壤颗粒变化特征及养分流失特征的影响。坡面位置和土地利用对自然坡面土壤颗粒组成的空间分布具有重要影响。不同土地利用类型间土壤粘粒含量从大到小为荒草地>林地(疏林地,桔林地,桃林地)>农耕地;同一土地利用类型不同坡面位置土壤粘粒含量从小到大依次为上坡<中坡<下坡。侵蚀泥沙的变化过程表现为随着降雨产流历时的进行,其侵蚀泥沙中砂粒的变化特征分别呈现出先增大后减小的趋势,而粘粒含量则呈现出先减小后增大的变化特征,并且两种颗粒的变化趋势与产流历时都呈现出回归效果较好的二次曲线关系。自然坡面各土地利用类型下各养分元素在不同坡位上的平均含量都呈现出上坡位<中坡位<下坡位的特征。降雨侵蚀泥沙中的有机质、全氮、有效磷在产流历时中都呈现出先减小后增大的趋势,与产流历时呈较好的二次曲线关系;侵蚀泥沙中全磷和碱解氮随产流历时则呈现出持续减低的趋势,与产流历时都为较好的幂函数关系。土壤侵蚀模数与有机质、全氮以及全磷存在极显著负相关关系;侵蚀泥沙中有机质和有效磷则与泥沙颗粒组成中的粘粒和砂粒分别存在极显著正相关和负相关关系:侵蚀泥沙中全氮含量则和颗粒组成中各组分都存在极显著相关关系,且上述养分与各自对应的颗粒呈现良好的线性回归关系。 因此,在自然坡面尺度上,土壤粘粒含量在不同土地利用类型间以荒草地最高、农耕地最低,在不同坡面位置间以下坡为高、上坡为低;侵蚀泥沙中砂粒随降雨产流历时的进程先增后减、粘粒则与之相反;侵蚀泥沙中养分与产流历时成二次曲线或幂函数关系,同时也与侵蚀泥沙颗粒组成各组分成不同程度的线性关系。 3、小流域尺度下紫色土水土流失效应。以重庆市万州区戴家沟小流域为研究单元,以~(137)Cs示踪法为技术手段,结合自然降雨监测数据,研究探讨了土地利用类型、流域空间变异等对土壤侵蚀模数、土壤颗粒变化特征及养分流失特征的影响。不同地貌部位的侵蚀特征筹异显著,小流域上游、中游、下游的土壤侵蚀模数分别为4205.74 t·km~2·a~1、2466.26 t·km~2·a~1、1552.91 t·km~2·a~1;上游马尾松林的土壤侵蚀模数为2839.92 t·km~2·a~1,是中游、下游的1.35倍、10.59倍;上游农耕地土壤侵蚀模数为5343.74 t·km~2·a~1,分别是中游、下游的1.96倍、2.92倍;上游柑桔林土壤侵蚀模数为3837.1 t·km~2·a~1,分别是中游、下游的1.63倍、2.97倍。在降雨雨滴击溅,坡面径流搬运、迁移以及冲刷作用下,从上坡至中坡、下坡,表层土粘粒含量整体上呈增加趋势,粉粒含量随坡位降低而增加,砂粒含量上坡大于中坡及下坡。相同坡位,土壤颗粒随土层深度的变化规律为:从表层到中层、下层粕粒及粉粒含量先增加后减少,整体上呈增加趋势;砂粒含量先减少后增加,整体上呈减少趋势。流域位置对各土地利用类型土壤颗粒组成有显著影响。对荒草地和柑桔林而言,粘粒含量的变化趋势为上游<中游<下游,砂粒含量则呈相反规律;对农耕地而言,粘粒含量的变化规律为下游<上游<中游,砂粒含量为上游>下游>中游。流域下游土壤颗粒的比表面积高于中游和上游。在降雨、土地利用类型等众多因素的作用下,小流域侵蚀泥沙颗粒组成砂粒多沉积于流域局部,细颗粒、粉粒等随径流迁移到达流域出口,因此,呈现出流域侵蚀泥沙<0.05 mm颗粒的比重、粗颗粒的含量低规律,其中<0.05mm的比重高达80%,是砂粒比重的4倍。侵蚀泥沙中有机质、全氮含量与粘粒含量呈极显著正相关(R分别为0.921、0.860),碱解氮含量与粘粒含量呈显著正相关;氮素与砂粒含量呈极显著负相关;有效磷及全磷含量仅与粉粒呈极显著正相关,相关系数分别为0.925、0.968。 因此,在小流域尺度上,土壤侵蚀模数均在上游有最大值,下游有最小值;下游土壤颗粒的比表面积要高于中、上游的;侵蚀泥沙中以<0.05 mm细颗粒为主,达80%;侵蚀泥沙中各养分与其颗粒组成也存在不同的相关性。 4、不同尺度下紫色土水土流失效应对比分析。通过对不同尺度研究单元的土壤/泥沙颗粒组成、养分变化以及颗粒—养分耦合特征的比较分析,探讨了不同尺度间水土流失机理的差异以及尺度效应转化的可能性。从土壤颗粒组成来看,在径流小区尺度上,不同坡位间差异不大;在自然坡面尺度上,不同坡位出现了较大的差异;在小流域尺度上,不同坡位和不同流域位置间出现了明显的差异。土壤颗粒组成差异性的增加,可能是水土流失效应的影响因子多元化和复杂化以及各因子协同耦合关系复杂化的原因。在外界降雨条件相似的情况下,侵蚀泥沙中粘粒含量与产流历时的关系从径流小区尺度的不明显关系转变为自然坡面和小流域尺度下的二次曲线关系;砂粒含量与产流历时在径流小区、自然坡面和小流域尺度上的关系分别为幂函数、二次曲线和二次曲线关系;粉粒含量与产流历时在径流小区、自然坡面和小流域尺度上的关系分别为幂函数、无明显和二次曲线关系。从中可以发现,随着尺度的增大,侵蚀泥沙中各颗粒组分与产流历时的关系都有趋于呈现出二次曲线关系特征。从养分变化和产流历时的关系来看,从径流小区尺度到小流域尺度,有机质、全氮和碱解氮与产流历时的关系从幂函数关系转变为二次函数关系,全磷、有效磷与产流历时的关系从幂函数转变为一次函数的关系。从土壤颗粒和侵蚀泥沙的耦合关系来看,在径流小区尺度上,相似雨强下全钾含量与侵蚀泥沙粘粒和砂粒存在显著相关;在自然和小流域尺度上,有机质、全氮、全磷、碱解氮以及有效磷与侵蚀泥沙颗粒组成存在着一定程度的一次曲线关系;通过对比分析发现,随着尺度的增大,与侵蚀泥沙颗粒组成产生耦合关系的侵蚀养分更多,且耦合关系也产生了变化。从侵蚀模数与侵蚀泥沙量的关系来看,在径流小区尺度上,仅侵蚀泥沙中有机质含量与侵蚀泥沙量存在显著相关关系;在自然坡面和小流域尺度上,侵蚀泥沙中有机质、全氮以及碱解氮含量与侵蚀模数之间存在显著关系;土壤养分随着土壤侵蚀模数的增加而增加,且随着尺度的增加,具有这种关系的养分种类有增加趋势。 在径流小区、自然坡面和小流域尺度上,土壤/泥沙颗粒变化、养分流失情况以及两者间的耦合关系都存在不同程度的差异性。这是由于在不同尺度上影响水土流失效应的因素不同以及主次顺序不同所致。在径流小区尺度上,水土流失效应主要受降雨特性和土壤特性的影响;而在自然坡面尺度上,地形和植被也是影响水土流失效应的主要因素;在小流域尺度上,则还需考虑这些因素的空间变异性。 综上所述,本文从径流小区、自然坡面和小流域尺度对紫色土区水土流失效应机理以及尺度间的相互转化进行了探讨,获得了各尺度下土壤/泥沙颗粒变化、养分流失情况以及两者间的耦合关系,同时也得出影响因素是造成尺度效应的主要原因,在一定程度上揭示了紫色土区域水土流失机理以及尺度效应。但是,水土流失尺度效应还缺乏深入的理论研究,今后应在水土流失尺度效应理论方面开展更深入的研究,为建立不同空间尺度下水土流失效应定量评价模型和实现水土流失空间尺度效应定量评价与尺度转换提供依据。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S157

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5 陆安祥;王纪华;马智宏;沈涛;;不同土地利用类型下氮、磷在土壤剖面中的分布特征研究[A];全国耕地土壤污染监测与评价技术研讨会论文集[C];2006年
6 贾俊姝;周心澄;高国雄;马海宽;;采煤沉陷区土地利用变化及其景观异质性分析——以山西东大煤矿为例[A];GPS在水利行业应用研讨会论文集[C];2007年
7 王静;朱婧嫄;马同宇;;塘沽区土壤环境质量监测与评价研究[A];新农村建设与环境保护——华北五省市区环境科学学会第十六届学术年会优秀论文集[C];2009年
8 陈丽;谢平;李晶;韩淑敏;;无定河流域土地利用/覆被变化的水文效应[A];变化环境下的水资源响应与可持续利用——中国水利学会水资源专业委员会2009学术年会论文集[C];2009年
9 张金池;庄家尧;林杰;;不同土地利用类型土壤侵蚀量的坡度效应[A];南方水土保持研究会第十四届年会暨2004年学术讨论会论文集[C];2004年
10 李红梅;;基于本体的地理空间实体类型语义相似度计算模型的研究[A];中国测绘学会2006年学术年会论文集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 边宇 通讯员 范晓冰;土勘院学习工作两不误互促进[N];内蒙古日报(汉);2008年
2 刘冬荣 胡卫星(作者单位:湖南省国土资源规划院);在土地利用中引入循环经济理念[N];中国国土资源报;2006年
3 记者 肖遥;吉林将动态监测土地利用[N];人民日报;2006年
4 王永生;环评:新一轮土地规划修编的重要举措[N];中国国土资源报;2006年
5 本期主持 毛志红 本期嘉宾 北京师范大学环境学院教授 赵烨 南京大学国土资源与旅游学系教授 黄贤金 河北师范大学资源与环境科学学院教授 马仁会;灾后重建 规划先行[N];中国国土资源报;2008年
6 记者 方弘;第四次全区荒漠化沙化监测工作展开[N];内蒙古日报(汉);2009年
7 匡耀求;应增补生态用地为土地利用一级类别[N];人民政协报;2007年
8 王光谦 刘家宏 李铁键 清华大学水沙科学教育部重点实验室;黄河数字流域模型[N];黄河报;2005年
9 中国科学院院士 李小文帅艳民 常超一;定量遥感中的时空尺度与地表过程[N];中国测绘报;2008年
10 马三保 贾泽祥 任兆选;“水土流失试验与分析”项目建设进展顺利[N];黄河报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈晓燕;不同尺度下紫色土水土流失效应分析[D];西南大学;2009年
2 买凯乐;基于ALOS遥感影像的黄土丘陵区典型流域景观制图及格局研究[D];西北农林科技大学;2011年
3 王尧;喀斯特地区土壤侵蚀模拟研究[D];北京大学;2011年
4 徐景德;矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素的研究[D];中国矿业大学(北京);2003年
5 姜汉卿;应变梯度塑性理论断裂和大变形的研究[D];清华大学;2000年
6 高照良;基于土地利用变化的淤地坝坝系规划研究[D];西北农林科技大学;2006年
7 李成锋;介观尺度铣削力与表面形貌建模及工艺优化研究[D];上海交通大学;2008年
8 李红涛;介观尺度材料力学性能建模及微铣削工艺优化研究[D];上海交通大学;2008年
9 金良;锡林郭勒草原自然保护区生态系统服务功能价值评估研究[D];内蒙古农业大学;2008年
10 李茂林;非局部摩擦及应变梯度理论在超塑性成形中的应用研究[D];南昌大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 任军;城市游憩空间开发与土地利用相互关系研究[D];华南师范大学;2007年
2 于凤鸣;赤峰市土地利用/覆被变化特征以及人文与自然因子对其影响分析[D];内蒙古师范大学;2007年
3 郝俊萍;三峡库区典型小流域非点源污染模拟研究[D];华中农业大学;2008年
4 闫文浩;塔里木河下游土地利用/覆盖变化及生态恢复研究[D];陕西师范大学;2008年
5 赵倩;1997~2007年上海市青浦区水体氮素含量时空变化特征及驱动因子分析[D];复旦大学;2009年
6 黄焱宁;甘肃省土壤有机质含量空间分布及与土地利用的关系[D];甘肃农业大学;2009年
7 李海涛;柳杉人工林不同采伐强度及不同土地利用类型初期土壤碳动态[D];四川农业大学;2009年
8 谢力扎提·哈布尔;吐鲁番市土地利用类型稳定性研究[D];新疆大学;2010年
9 陈九美;南阳丹江口库区不同土地利用类型表层土壤水文物理性质研究[D];河南农业大学;2012年
10 徐义保;南方红壤丘陵区马尾松林下水土流失过程研究[D];福建师范大学;2012年
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