艾比湖干涸湖底景观地球化学特征及其对风蚀的响应

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干涸湖底是干旱、半干旱地区尾闾盐湖或积水洼地水面退缩后高矿化度浅层地下水蒸发聚盐形成的次生盐漠景观,其物质组成主要是湖相松散富盐细粒沉积物。我国西北部干旱区由自然因素和人为因素引起的尾阊盐湖干涸湖底广泛分布,艾比湖干涸湖底分为由气候变化引起的历史时期的干涸湖底和由人类活动引起的间歇性干涸湖底。干旱区干涸湖底在强烈的风蚀作用下成为盐碱尘暴的重要来源之一,大面积干涸湖底疏松富盐沉积物的风蚀扩散形成了严重的盐尘暴灾害。干涸湖底盐分的积累强度与风蚀量与沉积物质地结构和植被类型构成密切相关。不同景观类型下,盐分的积累强度差别很大。以景观为研究对象,通过物质流(盐分的积累与释放)在地球表层的交换,研究化学元素的迁移、组合及其分布的规律,以及与地形、植物等以一定形式相结合而相互作用产生的面貌相关性揭示了化学物质在干涸湖底不同景观类型下的积累与分布格局,及其对风蚀的响应。它是干旱区尾闾湖地区主要的景观地球化学问题之一,同时也为从机理上筛选耐盐植被,防治盐尘暴灾害打下了基础。本研究以新疆准噶尔盆地西部艾比湖干涸湖底作为研究区,通过典型样带选取和野外观测、采样分析、统计分析和设置风蚀实验等手段对干涸湖底景观地球化学特征及其对风蚀的响应进行研究,本文主要研究成果如下:1)通过对艾比湖东南部历史时期干涸湖底为研究区,干涸湖底6种不同景观类型下的富盐沉积物为研究对象,基于富盐沉积物样品的粒度组成、体积粒径分布数据,运用单重、多重分形维数和CCA排序方法,重点探讨艾比湖干涸湖底不同景观类型下富盐沉积物的侵蚀强度和风蚀特点。结果表明:沉积物粒径大小和φ值来看,干涸湖底富盐沉积物中主要以沙粒为主,大约占到总的70%左右。其中,六种景观类型0-30cm和30-60cm富盐沉积物分维值均存在显著性差异来看,各景观表层0~30cm分维值介于1.94-2.40之间,30-60cm分维值介于1.92~2.53之间,总体均处于低位水平;表层平均分维数依次为L5>L1>L6>L4>L2>L3,30~60cm平均分维值为L1>L5>L4>L2>L3>L6;富盐沉积物粒径分布分维与小于73.63μm粒径富盐沉积物颗粒体积含量呈显著正相关;多重分形维数和CCA排序方法可以有效的揭示干涸湖底自然植被条件下不同深度富盐沉积物PSD分布的均匀性特征。2)研究了干涸湖底沉积物盐分的特征。结果表明:干涸湖底表层0-30cm沉积物盐分平均值占0-60cm土层盐分平均值的73.3%,即沉积物盐分垂直分布呈现强烈表聚性。相关分析分析结果表明,在0~30cm、30~60cm层总盐与Na+、Mg2+、SO42-Cl-的相关系数较高,均具有显著的正相关性,表明研究区沉积物中的盐分含量主要与SO42-、Cl-、 Na+、Mg2+离子含量的高低有关。主成分分析结果表明,离子含量与第一主成分间的相关性显著程度,可将含盐量、Cl-、SO42-、Na+可作为干涸湖底积盐状况的的特征因子。不同景观类型的沉积物可溶性盐含量差异显著。对6种不同景观类型下的富盐沉积物盐分含量、盐分积聚特征表明,平均值从高到低盐分含量规律是:L5>L6>L1>L4>L3>L2,其中L1,L2景观类型沉积物盐分的聚积相似,盐分累积量均呈减小趋势;而L3、L4、L5、L6四个景观类型的盐分累积相似,含盐量显著增加趋势。3)由沉积物盐分要素空间插值结果表明,沉积物中盐分、pH、EC的空间分布变化显著,沉积物盐分要素的空间分布均呈现出斑块状和条带状格局,由于景观类型不一样沉积物盐分含量也有差别则出现了局部的高值区和低值区;从表层和深层沉积物内盐分含量来看,在蒸发作用下存在盐分表层聚积效应,就出现表层沉积物中盐分含量明显大于深层。从时间尺度上,秋季10月份沉积物表层含盐量最大,沉积物盐分继续累积而且各景观类型的盐分要素分布差异量几乎与6月份的差不多,表明研究区不同时期沉积物含盐量的空间变化特征主要表现为表层沉积物含盐量的变化。4)沉积物有机质0-30cm的均值变化范围在1.14-5.72g/kg,30-60cm的变化范围0.93-3.09g/kg,表层0~30cm的有机质含量高于深层30-60cm。六种景观表层平均有机质含量大小依次为L5>L1>L6>L4> L3>L2。分析结果可知,其中L5类型的有机质含量比其它类型较高。不同时间段内、不同景观类型的沉积物中有机质累积具有不同的特征干涸湖底各景观类型下10月沉积物有机质含量高于6月份。由空间插值结果可知,从表层和深层沉积物有机质含量来看,沉积物表层有机质含量高与深层。从时间尺度来看,秋季10月份沉积物表0-30cm层有机质含量大,各景观类型的有机质分布除了A景观类型减少以外,其他景观类型沉积物有机质继续累积,并都增加趋势,且趋势差异几乎跟6月份的差不多。5)干涸湖底沉积物地球化学过程的相互关系对风蚀的响应研究结果表明;富盐沉积物含盐量、有机质含量与粘粒、粉粒含量、电导率成显著的正相关,富盐沉积物中有机质含量排序基本上与平均分维值、粘粒含量、粉粒含量的次序一致,而可能是因为富盐沉积物的细颗粒物质中大量盐分表聚形成盐-淤泥-粘土结合物表面硬且粗糙,微型地貌发育明显,抗蚀能力强,有利于富盐沉积物中有机质和有机碳的积累,因此有机质含量与细颗粒含量成很好的正相关关系;干涸湖底地区强烈的蒸发,导致大量盐分随着水分向上运动大量表聚,水分蒸发之后盐分和富盐沉积物中的粘粒和粉粒结合在一起,形成坚硬的结晶盐壳,具有较强的抗风蚀效应,结晶盐壳的形成有助于富盐沉积物中有机质的积累,有机质含量与富盐沉积物的粘粒、粉粒含量、电导率和含盐量的相关关系使得这些分形参数可能作为反映富盐沉积物质量的潜在指标。从而为干涸湖底富盐沉积物风蚀控制采取有效的生物修复技术提供科学的参考。6)艾比湖西北部间歇性干涸湖底和东南部历史干涸湖底三个实验区不同景观类型沉积物剖面盐分垂直分异规律表明:干涸湖底现代间歇性干涸湖底未植被覆盖地T剖面沉积物各层盐分含量都高于其他艾比湖历史时期干涸湖底东南部梭梭荒漠带H和艾比湖历史时期干涸湖底东南部芦苇荒漠带P类型各层盐分含量,同时各剖面表层盐分含量都较高即存在盐分上层聚集情况。不同景观类型各剖面沉积物盐分离子迁移累积表明:研究区各类型剖面阴离子以Cl-和S042-为主,阳离子为各层沉积物内阳离子以Na+、Ca2+为主可见盐分类型以氯化物和硫酸盐为主。沉积物剖面粒度组成分析结果表明:T景观类型剖面粒度组成主要以粉粒为主粘土次之,H景观类型剖面粒度组成主要以沙粒为主分离次之,P景观类型剖面粒度组成主要以沙粒和粉粒为主。对比有风蚀和无风蚀条件下的盐分运移过程可知,风蚀对盐分运移有明显的影响。
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