~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

论文摘要

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:17Be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。27Be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（P<0.01）。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 7Be沉降特征'>1.2.1⁷Be沉降特征
• 7Be沉降后在地表的分布'>1.2.2 核素 ⁷Be沉降后在地表的分布
• 7Be示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用'>1.2.3⁷Be示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用
• 7Be示踪研究土壤侵蚀存在的问题'>1.2.4 应用 ⁷Be示踪研究土壤侵蚀存在的问题
• 1.2.5 坡面侵蚀过程的定量化研究
• 1.3 研究内容
• 7Be区域沉降特征及在地表分配规律的研究'>1.3.1⁷Be区域沉降特征及在地表分配规律的研究
• 7Be示踪定量研究坡耕地小区次降雨侵蚀过程'>1.3.2 利用 ⁷Be示踪定量研究坡耕地小区次降雨侵蚀过程
• 1.4 技术路线
• 第二章 研究方法
• 2.1 研究方法
• 7Be区域沉降特征及在地表分配规律的研究'>2.1.1⁷Be区域沉降特征及在地表分配规律的研究
• 7Be示踪定量研究坡耕地小区次降雨侵蚀过程'>2.1.2 利用 ⁷Be示踪定量研究坡耕地小区次降雨侵蚀过程
• 7Be含量的测定'>2.2 样品中 ⁷Be含量的测定
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 样品分析装置
• 2.3 样品中其它指标的测定
• 2.4 实验区概况
• 2.4.1 燕沟流域概况
• 2.4.2 杨凌区概况
• 7Be示踪黄土高原土壤侵蚀基础性问题的研究'>第三章⁷Be示踪黄土高原土壤侵蚀基础性问题的研究
• 7Be沉降特征的研究'>3.1 黄土高原 ⁷Be沉降特征的研究
• 7Be的湿沉降'>3.1.1 黄土高原 ⁷Be的湿沉降
• 7Be月沉降量的变化分析'>3.1.2⁷Be月沉降量的变化分析
• 7Be月干沉降量的探讨'>3.1.3⁷Be月干沉降量的探讨
• 7Be'>3.2 土壤中的 ⁷Be
• 7Be的含量'>3.2.1 土壤不同粒径中 ⁷Be的含量
• 7Be的地球化学相分析'>3.2.2 黄土高原主要土类 ⁷Be的地球化学相分析
• 7Be'>3.3 植物中的 ⁷Be
• 7Be的含量'>3.3.1 地表不同地被物中 ⁷Be的含量
• 7Be的含量'>3.3.2 不同植物种中 ⁷Be的含量
• 7Be的含量分布'>3.3.3 植物体不同部位 ⁷Be的含量分布
• 7Be量的变化'>3.3.4 生长期内植物截留吸收 ⁷Be量的变化
• 7Be的土壤-植物转移系数变化'>3.3.5⁷Be的土壤-植物转移系数变化
• 7Be的植被截留吸收率'>3.3.6⁷Be的植被截留吸收率
• 7Be含量'>3.4 径流、泥沙中 ⁷Be含量
• 7Be分配比例估算'>3.5 小区内土壤、径流、泥沙和植被中 ⁷Be分配比例估算
• 3.6 Walling 模型的修正
• 7Be土壤中背景值采样点的选取原则'>3.7⁷Be土壤中背景值采样点的选取原则
• 3.8 小结
• 7Be示踪估算次降雨坡耕地小区土壤侵蚀量'>第四章 利用 ⁷Be示踪估算次降雨坡耕地小区土壤侵蚀量
• 7Be示踪模型估算次降雨坡耕地小区土壤侵量'>4.1 利用 ⁷Be示踪模型估算次降雨坡耕地小区土壤侵量
• 7Be的剖面分布'>4.1.1 各小区背景采样区 ⁷Be的剖面分布
• 4.1.2 各小区张驰质量深度（h0）的计算
• 7Be背景值的确定'>4.1.3 各小区 ⁷Be背景值的确定
• 4.1.4 利用 Walling 模型计算小区坡面片蚀量
• 4.1.5 利用杨明义模型计算小区坡面片蚀量
• 4.1.6 Walling 模型和杨明义模型计算小区坡面片蚀量结果的比较
• 4.1.7 利用 Wilson 模型计算坡面侵蚀量
• 4.2 次降雨结束后小区坡面侵蚀强度的空间分异
• 4.2.1 次降雨结束后小区坡面片蚀、沉积强度的空间分异
• 4.2.2 次降雨结束后小区坡面细沟侵蚀强度的空间分异
• 4.2.3 次降雨结束后小区坡面侵蚀强度的空间分异
• 4.3 小区坡面不同位置侵蚀泥沙对总侵蚀量的贡献率
• 4.4 次降雨过程小区坡面泥沙输移比的探讨
• 4.5 小结
• 7Be示踪研究次降雨坡面侵蚀过程动态演化'>第五章 利用 ⁷Be示踪研究次降雨坡面侵蚀过程动态演化
• 5.1 次降雨过程坡耕地小区坡面侵蚀产沙特征
• 5.1.1 次降雨过程坡耕地小区产流量的变化特征
• 5.1.2 次降雨过程坡耕地小区侵蚀速率的变化特征
• 5.1.3 次降雨过程坡耕地小区含沙量的变化特征
• 5.2 次降雨过程中坡面侵蚀方式的动态演化研究
• 7Be含量的动态变化'>5.2.1 次降雨过程各小区侵蚀泥沙中 ⁷Be含量的动态变化
• 5.2.2 次降雨过程各小区坡面片蚀和细沟侵蚀的定量区分计算
• 5.2.3 次降雨过程各小区坡面累积片蚀量和累积细沟侵蚀量的动态变化
• 5.2.4 次降雨过程各小区坡面片蚀速率和细沟侵蚀速率的动态变化
• 5.2.5 次降雨过程各小区坡面片蚀和细沟侵蚀贡献率的动态变化
• 7Be示踪结果研究坡面侵蚀过程'>5.3 利用分形理论结合 ⁷Be示踪结果研究坡面侵蚀过程
• 5.3.1 小区坡面细沟平面沟网形态分形维数测定
• 5.3.2 降雨过程中细沟平面沟网形态分形维数的变化
• 5.3.3 细沟分维数与侵蚀量之间的关系
• 5.4 小结
• 第六章 次降雨侵蚀过程泥沙颗粒组成及有机碳含量变化研究
• 6.1 次降雨过程泥沙颗粒组成的变化特征分析
• 6.1.1 泥沙颗粒分形维数求解模型
• 6.1.2 次降雨侵蚀过程中泥沙颗粒体积分形维数与泥沙颗粒组成的关系
• 6.1.3 次降雨侵蚀过程中泥沙颗粒体积分形维数的变化
• 6.1.4 次降雨侵蚀过程不同侵蚀方式对泥沙颗粒体积分形维数的影响
• 6.2 次降雨侵蚀过程中泥沙有机碳的含量的变化
• 6.2.1 次降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量的变化趋势
• 6.2.2 次降雨侵蚀过程不同侵蚀方式对泥沙中有机碳含量的影响
• 6.2.3 次降雨过程侵蚀强度与有机碳流失程度关系
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 存在问题的探讨
• 参考文献
• 致谢
• 附录