岩溶槽谷区水土流失特征及机理研究

论文摘要

比较非岩溶区,岩溶地区水土流失特征存在土壤漏失现象。采用传统方法监测水土流失量不能真实反映水土流失,采用美国通用土壤流失方程计算的土壤侵蚀值与实际流失量相差甚远。因此弄清楚水土流失量是治理岩溶地区水土流失、石漠化现象的前提。本文的研究目的是探讨岩溶地区水土流失特征及机理,建立岩溶地区水土流失耦合模型,为岩溶地区水土流失治理和石漠化治理提供科学依据。这也是响应中共中央2011年1号文件中提到“要进一步加强中国西南岩溶地区水土流失治理”的号召、落实“十二·五”规划中提到“加强石漠化综合治理”的要求。本文的研究目标是：（1）通过南川岩溶径流小区两年的水土流失监测,研究岩溶地区地表水土流失特征；（2）通过在南川径流场内划油漆、打桩进行一年的监测,同时对径流场内土壤按5cm分层采样进行137Cs含量的测定,拟监测小尺度范围地表利地下漏失比例;（3）通过对中梁山岩溶槽谷区同一坡面不同坡位的菜地和撂荒地土壤采样（5cm分层）,测定土壤营养元素和137Cs含量,拟分析土壤营养元素随着坡位和剖面的变化,并探究土壤有机质能否反映土壤漏失；（4）通过在中梁山岩溶槽谷区土壤剖面137Cs含量的分布深度以及溶洞壁上土壤的137Cs含量,推断地表土壤漏失深度；（5）通过对中梁山岩溶槽谷区土壤137Cs含量以及地下河淤泥37Cs含量测定,运用配比法得出大尺度范围地表利地下漏失比例。（6）通过以上对岩溶地区水土流失特征利机理研究,构建岩溶槽谷区水土流失耦合模型。本文得出以下结论：（1）在岩溶地区富钙的环境下,全磷的表现异于非岩溶地区,而其它营养元素表现出与非岩溶地区相似；岩溶地区地表土壤侵蚀量绝对值比非岩溶区低很多,但相对侵蚀程度高。土壤侵蚀量、土壤营养元素流失量与降雨呈明显正相关关系,这与非岩溶地区表现一致。岩溶槽谷区地表土壤侵蚀量与降雨量、降雨强度相关性较大（达0.40以上）。土壤营养元素含量与降雨强度相关性显著（相关系数在0.60以上）,因此土壤营养元素流失总量与降雨强度、降雨量关系密切。在岩溶地区地表径流系数是非岩溶地区地表径流系数的1/7,岩溶地区能够产生侵蚀性降雨量需要30mm以上,而非岩溶地区仅需要10mm以上,因此岩溶地区地表侵蚀量比非岩溶区低,岩溶地区风化成土速率慢,导致石漠化现象容易发生。土壤营养元素有机质利全氮流失含量变化最大,流失变化依次为：坡耕地>林地>草地>金银花地。全磷含量和有效钾含量在各土地利用类型的流失表现相差不大；土壤营养元素富集度表现不同：速效钾最高,全磷最低,全氮、水解氮、有机质富集度居中。土壤营养元素富集度在不同十地利用类型中表现不同：富集度表现明显的是坡耕地（自然坡耕地强于移土培肥坡耕地）,其次是林地、金银花地,最低是草地;全磷、有机质利全氮在各土地利用类型剖面中遵循表聚特征。有机质和全氮随着坡位的降低在各土地利用类型中表现出向下汇集,但全磷不遵循此规律。（2）岩溶槽谷区的确存在十壤漏失现象,但土壤漏失现象并不是随处可见,本研究区十壤垂直向下漏失,通过岩溶裂隙直接进入地下河的流失比例≤1/4。从小尺度范围来看,岩溶槽谷区的确存在土壤充填囊道、裂隙现象,如在南川9个径流场有1个径流场表现明显的土壤漏失现象,通过对该地划油漆、打桩法测得土壤漏失比例96%,通过对该地土壤剖面137Cs含量测定,发现137Cs含量大致随土壤深度的增加而增加。再如在中梁山山坡选择8个土壤剖面,只有1个剖面表现出土壤漏失现象,土壤漏失深度达70cm。从大尺度范围来看,岩溶槽谷区土壤流失主要从落水洞、天窗等流入地下河。这跟曹建华学者的观点一致。岩溶槽谷区土壤漏失现象主要发生在人为干扰强、裂隙发育、岩石裸露率高的地方,且地表土壤难以通过裂隙漏失进入地下河。这从中梁山溶洞壁上土壤137Cs含量几乎为0可以看出,也可以从中梁山3号菜地土壤137Cs含量深度只达70cm看出。即岩溶地区土壤存在向地下蠕滑现象和漏失现象,但是从地表向地下漏失的深度难以达到土石界面,土石界面的土壤可以通过岩溶裂隙进入地下河。通过在中梁山取不同土地利用类型土壤,进行137Cs质量比活度测试以及测试地下河淤泥137Cs质量比活度含量,运用配比法,计算得出地表水土流失和地下水土流失比例分别为75.45%、24.55%。（3）土壤营养元素含量在坡面和剖面的分布特征可以表征岩溶地区的二元结构,有机质含量变化可以证明土壤漏失现象。在无土壤漏失的地方,菜地和撂荒地从山顶到山底土壤营养元素表现出向下汇集,土壤营养元素在剖面上表现出明显的表聚特征,TP的表聚系数表现最高。在有土壤漏失的地方,土壤营养元素会打破随坡位降低向下汇集的规律,但在剖面中土壤营养元素仍遵循表聚特征,只是土壤营养元素的表聚系数和变异系数低于其它非漏失地区。运用粘粒、137Cs含量、土壤有机质相结合的方法来证明土壤漏失：137Cs含量与土壤有机质有很好的相关性,说明137Cs利土壤有机质具有相似的物理运动规律,由此土壤有机质可以证明土壤漏失现象；137Cs含量的变化是通过粘粒含量的变化而变化的,土壤有机质含量的变化是通过土壤优先流引起的。（4）传统的水土流失模型不能估算土壤地下漏失量,不能真实反映岩溶地区地表土壤流失特征,因此本文引进调节系数及岩石裸露率,地表土壤侵蚀比例来构建重庆岩溶槽谷区水土流失耦合模型。模型如下：岩溶槽谷区水土流失耦合模型：（?）,其中（?）式中Y表示岩溶地区总侵蚀量,δ表示岩溶地区地表侵蚀比例,1-δ表示岩溶地区地下侵蚀比例,耦合模型是地表和地下土壤流失比例的耦合,W代表地表侵蚀量。地表土壤侵蚀量：W=ARKDLSCP（1-a）。其中A是调节系数,a是指岩石裸露率。其余指标含义见美国通用水土流失模型。A=B1×B2,B1是指岩溶地区与非岩溶地区水土流失的地表径流系数比值,B2是指岩溶地区与非岩溶地区年度产生土壤侵蚀的降雨量次数比值。地下土壤侵蚀量：（?）其中W’代表地下土壤侵蚀量,δ代表地表土壤侵蚀比例。将岩溶地区水土流失模型计算值与实际监测值相比较,得到两者之间的相差比例变化在0.85%-38.45%之间,其中误差值在10%以内的比例占主导（66.67%）,误差值在10%-20%以及20-30%的数据分别占16.67%、5.56%,误差值在30%以上的数据只占11.11%。因此本研究得出的岩溶区土壤侵蚀模型可以用来求算岩溶槽谷区土壤侵蚀模数,在研究区具有一定的代表性。（5）根据本文得到的模型估算表明,岩溶槽谷区土壤侵蚀主要集中在人类活动频繁的地区。沙坪坝中梁山土壤侵蚀面积和强度比南川南平分别高28.77%、32.35%,说明人口越多,人地矛盾越突出的地方土壤侵蚀越强烈。人们从事农事活动导致土壤侵蚀主要分布在人类居住的高程范围附近。从土壤侵蚀强度与坡度相关性分析得知：南平和中梁山岩溶槽谷区土壤侵蚀主要发生在5°-15°,侵蚀比例分别为49.18%和42.80%。在15°-25°坡度中梁山土壤侵蚀比例高达30.19%,而南平仅为12.55%,说明中梁山应该加大15°-25°坡度范围的退耕还林工作,以降低该地区水土流失程度,减缓石漠化进程。南平>35°坡度强度侵蚀比例比中梁山高6.92%,因此该地区需要加强陡坡的封山育林工作。南平和中梁山岩溶槽谷区土壤类型相同,但中度及其以上侵蚀比例中梁山比南平高26.38%。原因是中梁山单位土地承载力比南平高,人类活动对土壤的干预强,也说明南平退耕还林、封山育林工作取得了积极成效。（6）本文结合重庆市岩溶槽谷区水土流失耦合模型和遥感数据,运用GIS技术得出岩溶地区水土流失与石漠化时空变化规律。由两期的水土流失强度和石漠化程度得出水土流失强度和石漠化程度呈显著正相关关系,相关系数达0.89。南川岩溶地区从1988年到2000年轻度及其以上侵蚀的流失面积减少29277.10 hm2,土壤侵蚀强度明显降低,中度及其以上土壤侵蚀强度表现尤为明显；从1988年到2000年南川岩溶地区石漠化面积减少2042.72 hm2,在强度石漠化表现尤为明显。石漠化是土壤侵蚀长期作用的结果,土壤侵蚀是石漠化过程中某一阶段作用强度的体现,二者在成因上存在因果关系,在时间上有滞后关系。综上所述,在有、无土壤漏失状况下,土壤营养元素在剖面上均遵循表聚特征；在无漏失的地方,十壤营养元素随坡位降低向下汇集（全磷除外）,在有漏失的地方,十壤营养元素不遵循随坡位降低向下汇集的规律。137Cs含量与土壤有机质有很好的相关性,土壤有机质能够证明土壤漏失现象。岩溶槽谷区确实存在土壤漏失现象,但地表土壤漏失深度难以达到土石界面,土石界面的土壤能够通过岩溶裂隙进入地下河。传统的水土流失模型不能真实反映岩溶地区的二元结构,以美国通用水土流失模型为基础,考虑引入调节系数和石漠化因子,得出岩溶槽谷区水土流失耦合模型。研究成果为有效治理岩溶地区地下河水污染提供必要参考,为准确计算地表和地下土壤侵蚀量提供科学依据,为正确判定土壤侵蚀强度、治理水土流失和石漠化问题提供可靠保障。岩溶地区地质结构复杂、异质性强,要找到岩溶地区水土流失特征、土壤漏失机理等规律还需要通过大量采样,广泛监测,大量实验等手段来完成。因此本论文还存在诸多不足,还需要在今后的学习科研中,进一步完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩溶地区土壤丢失现象研究
• 1.2.2 岩溶地区地表水土流失特征研究
• 1.2.3 岩溶地区地下水土流失特征研究
• 1.2.4 岩溶地区石漠化的研究
• 1.2.5 水土流失模型研究
• 1.3 拟解决的关键科学问题
• 1.4 论文的研究方案
• 1.4.1 论文的研究目标
• 1.4.2 论文的研究内容
• 1.4.3 论文的技术路线
• 1.5 研究方法
• 1.5.1 降雨量监测
• 1.5.2 土壤营养元素测试
• 1.5.3 粘粒测试
• 137Cs测试'>1.5.4¹³⁷Cs测试
• 1.5.5 叠加分析
• 第2章 研究区概况
• 2.1 重庆南川南平岩溶槽谷区概况
• 2.1.1 地质与地貌
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 植被与土壤
• 2.1.4 岩石裸露率
• 2.2 重庆沙坪坝中梁山岩溶槽谷区概况
• 2.2.1 地质与地貌
• 2.2.2 气候
• 2.2.3 植被与土壤
• 2.2.4 岩石裸露率
• 第3章 岩溶槽谷区地表水土流失特征研究
• 3.1 南川南平岩溶槽谷区地表水土流失特征研究
• 3.1.1 实验方案
• 3.1.2 结果与分析
• 3.2 沙坪坝中梁山岩溶槽谷区地表水土流失特征研究
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 结果分析
• 3.3 小结
• 第4章 岩溶槽谷区土壤漏失研究
• 4.1 中梁山岩溶坡地土壤漏失研究
• 4.1.1 数据准备与研究方法
• 4.1.2 结果与分析
• 4.2 南川岩溶槽谷区土壤漏失研究
• 4.2.1 实验方案
• 4.2.2 结果与分析
• 4.3 小结
• 第5章 岩溶槽谷区水土流失模型研究
• 5.1 岩溶槽谷区水土流失模型因子的选择
• 5.1.1 坡度、坡长因子
• 5.1.2 降雨侵蚀力因子、岩性因子
• 5.1.3 岩石裸露率a因子
• 5.1.4 K因子
• 5.1.5 P因子
• 5.1.6 C因子
• 5.2 岩溶槽谷区水土流失耦合模型的建立
• 5.2.1 岩溶槽谷区水土流失藕合模型
• 5.2.2 岩溶槽谷区地表水土流失模型
• 5.2.3 岩溶槽谷区地下水土流失模型
• 5.3 岩溶槽谷区地下漏失比例研究
• 5.3.1 单核素示踪原理
• 5.3.2 实验方案
• 5.3.3 泥沙来源基本单元划分
• 5.3.4 结果与分析
• 5.4 小结
• 第6章 岩溶地区土壤侵蚀空间分布与环境因子的关系
• 6.1 土壤侵蚀空间分布与环境因子相关分析
• 6.2 岩溶槽谷区土壤侵蚀强度分级标准的确定
• 6.3 南川岩溶槽谷区土壤侵蚀空间分布与环境因子的关系
• 6.3.1 南川岩溶槽谷区土壤侵蚀空间分布情况
• 6.3.2 南川岩溶槽谷水土流失空间分布特征
• 6.4 中梁山岩溶槽谷区土壤侵蚀空间分布与环境影响因子关系
• 6.4.1 中梁山岩溶槽谷土壤侵蚀状况
• 6.4.2 中梁山岩溶槽谷水土流失空间分布特征
• 6.5 小结
• 第7章 岩溶地区水土流失强度与石漠化程度的关系
• 7.1 南川岩溶地区概况
• 7.2 研究数据及方法
• 7.2.1 数据准备
• 7.2.2 研究方法
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 水土流失强度变化
• 7.3.2 石漠化程度变化
• 7.3.3 水土流失强度与石漠化程度的相关性分析
• 7.3.4 水土流失强度图时空变化分析
• 7.3.5 石漠化强度图时空变化分析
• 7.4 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 论文结论
• 8.2 本文的创新点
• 8.3 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介、发表论文、参加课题、学术活动及获奖情况