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~7Be沉降在地表分配规律及在示踪坡面侵蚀过程中的应用研究

张风宝  
【摘要】: 大气沉降核素~7Be由于连续性沉降且半衰期较短而成为研究次降雨和短期内(季节性)土壤侵蚀规律的核素,目前对~7Be的利用主要基于~7Be与137Cs、210Pbex具有相似的沉降-土壤吸附-运移规律,而对于~7Be自身示踪土壤侵蚀的一些基础性问题及利用~7Be示踪研究坡面侵蚀过程的报道较少。 本文以野外采样、布设试验和室内分析相结合的方法,研究~7Be区域沉降特征,植物对~7Be的截留吸收,~7Be沉降后在土壤-径流-泥沙-植物中的分配规律等问题,在此基础上单独利用~7Be示踪技术,采用野外人工模拟降雨,研究次降雨小区坡面侵蚀过程的动态演变,主要得到以下结论: 1 ~7Be沉降特征及在地表分配的规律 黄土高原地区雨水中~7Be浓度变化较大;~7Be月沉降量雨季大于非雨季,月沉降量与月降雨量呈显著线性相关;~7Be月干沉降量在冬春季较大,雨季较小。~7Be在土壤中主要以残渣态存在,可交换态量较少,土壤粒径小于0.001mm土粒吸附~7Be量占土壤中~7Be总量的65%左右。 地表不同层次的植被覆盖物都截留吸收~7Be,不同植物种中~7Be含量的差异很大,不同类型植物中~7Be的平均含量是草本植物半灌木及小灌木种植作物;玉米叶中~7Be量约占整株玉米中~7Be量的68%-78%。不同植物类型在生长过程中体内~7Be含量的变化明显不同,但单位面积截留吸收~7Be量都呈增加趋势,随着植物的生长,对土壤中~7Be含量影响越来越大。 通过对各小区的分析发现,在整个雨季坡耕地小区约3.21%的~7Be随径流流失,约9.86%是随泥沙流失;荒草地小区中2.39%的~7Be随径流流失,0.97%随泥沙流失,29.96%的被植被截留吸收;灌木地小区中约1.18%的~7Be随径流流失,0.53%随泥沙流失,31.83%被植被截留吸收。因此在利用~7Be示踪土壤侵蚀时一定要考虑径流因子和植被因子对示踪结果的影响。 2 ~7Be示踪估算土壤侵蚀速率定量模型精确度的验证 在长宽相同坡度不同的径流小区,进行人工模拟降雨,利用Walling模型和杨明义模型能够准确计算小区坡面片蚀量,在没有发生细沟侵蚀的5°小区,与实测侵蚀量的相对误差分别为6.67%和1.9%;Wilson模型能够比较准确的计算出降雨过程坡面的总侵蚀量,与实测值比较,相对误差为3.59%~14.47%。利用Wilson模型可以弥补Walling模型和杨明义模型只能计算片蚀量的不足,比较准确的计算出整个坡面的侵蚀量。 3小区坡面侵蚀强度的空间分布规律 对于面积相同的小区,通过利用Walling模型计算的片蚀量及人工手测细沟侵蚀量,发现小区坡面中上部片蚀强度高,距坡脚3.5m左右的区域片蚀最剧烈,在坡面下部有沉积出现;小区坡面中下部细沟侵蚀强度大,距坡脚1.5m左右区域侵蚀剧烈;一般情况下,侵蚀强度在小区距坡脚1.5~3.5m的区域内侵蚀强度最大,坡上部和坡脚侵蚀强度弱。 片蚀泥沙主要来源于小区坡面距坡顶0~2m区域,占总片蚀量的60%以上,细沟侵蚀泥沙主要来源于坡面的中下部,占总细沟侵蚀量的75%以上;整体上侵蚀泥沙主要来源于小区坡面中部。 利用~7Be示踪计算出次降雨侵蚀后小区坡面的泥沙输移比,各小区泥沙输移比在0.687~0.987之内,除5°小区外,其它小区泥沙输移都比接近于1。 4利用~7Be示踪定量区分次降雨侵蚀过程中片蚀和细沟侵蚀量的动态变化 利用杨明义模型定量分析了次降雨下坡面片蚀向细沟侵蚀动态演变过程。发现实测细沟出现时间和模型计算的细沟出现时间比较接近,最大片蚀速率出现时间总早于最大细沟侵蚀速率出现的时间;侵蚀最剧烈的时间发生在降雨的中前期,是片蚀和细沟侵蚀最强烈的时段;各小区的侵蚀量差别主要源于细沟侵蚀量的差别,片蚀量差异并不大。 结合~7Be示踪坡面侵蚀过程的结果,研究发现小区内坡面细沟分维数不仅可以表征细沟的发育过程,细沟发育的复杂程度,而且在一定程度上能反映整个坡面侵蚀过程中侵蚀强弱的动态变化。 5次降雨侵蚀过程中泥沙颗粒组成及有机质含量的变化 次降雨过程中侵蚀泥沙颗粒体积分形维数的变化能够反映泥沙颗粒组成的变化,0.001mm泥沙颗粒粒径是泥沙颗粒体积分形维数变化的临界直径。对仅发生了片蚀的小区,泥沙颗粒体积分维数与侵蚀前坡面土壤颗粒体积分维数相比明显变小;对于片蚀和细沟侵蚀都发生的小区,泥沙颗粒体积分维数与侵蚀前坡面土壤体积颗粒分维数相比变化复杂;片蚀有导致大于0.001mm的泥沙颗粒含量增大的趋势。 在小于25°的小区泥沙有机碳含量随降雨的进行逐渐降低并趋于稳定,25°和30°小区的变化不大;各小区侵蚀泥沙都富集有机碳,与坡面土壤有机碳含量比较呈显著性增高。小于25°的各小区片蚀过程更易于富集有机碳,细沟侵蚀产生的泥沙有机碳含量小于片蚀产生泥沙的有机碳含量,但不管是片蚀量增大和还是细沟侵蚀增大,都能导致泥沙中有机碳含量的降低。土壤侵蚀强度与土壤有机碳的流失程度呈显著的线性正相关(P0.01)。


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