137Cs和210Pbex复合示踪研究东北黑土区坡耕地土壤侵蚀速率

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 35次 | 上传用户:psiteddd
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中国的东北黑土区土壤肥沃,是我国著名的“粮仓”。然而由于长期以来的过度垦殖导致土壤侵蚀日益严重,坡耕地已成为水土流失的主要源地,使得黑土区耕地的土壤质量严重退化,对我国的粮食安全构成了严重威胁。因此,研究东北黑土区典型坡耕地的土壤侵蚀规律,对控制坡耕地的水土流失以及深化土壤侵蚀规律的认识都具有十分重要的意义。本研究在黑龙江省克山县,采集了一块坡长500m,坡度3°,坡向南,开垦历史近100年的直型坡耕地和一块坡长350m,坡向北,开垦历史54年的凸型坡耕地的土壤样品,采用野外采样与室内分析相结合的研究方法,利用137Cs和210Pbex复合示踪技术,结合USLE通用流失方程和小波理论的分析方法,通过SPSS等分析手段,研究了黑土坡耕地50-100年来的侵蚀速率,结合对土壤理化性质及养分含量的分析,探讨了黑土区坡耕地土壤侵蚀规律及土壤退化过程,得到了以下主要结论:(1)通过采集开垦近100年的黑土直型坡耕地的土壤样品,利用137Cs示踪技术,结合小波分析方法,研究了长坡长直型坡耕地50多年来土壤侵蚀强度的空间变化规律,结果显示4个断面顺坡方向上的坡面侵蚀强度均存在着坡长为142 m的强弱交替变化的波动周期,这反映了长坡长直型坡土壤在长期的降雨侵蚀过程中,泥沙沿坡面输移的强弱交替变化。通过对4个断面的侵蚀速率的数学拟合发现,用正弦函数的和拟合的结果最好,R2均在0.96以上,进一步说明了直型坡面侵蚀随坡长变化的波动性规律。通过对凸型坡面顺坡侵蚀强度的小波分析,发现整个坡面不存在侵蚀强度强弱交替变化的波动周期,证明小波分析的方法不适用于其它坡形的坡面侵蚀强度的分析。(2)通过对坡耕地坡顶平坦处21个土壤样品中137Cs含量的测定,发现所有点137Cs含量均小于当地137Cs背景值,经过分析认为风蚀是造成坡顶处137Cs含量普遍小于背景值的主要原因,证明该区存在一定的风力侵蚀;利用137Cs示踪技术能得到坡面总侵蚀速率和USLE水蚀预报模型能分析坡面水蚀速率的特点,研究了两块坡耕地的水蚀与风蚀速率,研究结果表明:直型坡耕地和凸型坡耕地的年均侵蚀速率分别为3054t km2 a-1和3548 t km2 a-1;由于坡向的不同,两块坡面的风蚀速率分别为631 t km2 a-1和1155 t km2 a-1,即研究区每年约有0.51mm的表层土壤被风吹蚀掉,风蚀占总侵蚀的20.7%和32.6%;而水蚀仍为研究区主要的侵蚀方式,两块坡面的水蚀速率分别占总侵蚀的79.3%和67.4%。因此,东北黑土区坡耕地水土流失的防治要充分考虑水和风的不同影响,综合治理。(3)通过对比两块坡耕地土壤剖面有机质含量的深度分布发现,开垦100年的直型坡耕地表层土壤中有机质含量仅为4.3%左右,而开垦54年的凸型坡耕地的表层有机质含量则达5.6%左右,显然开垦时间更长的直型坡耕地土壤质量退化更加严重;对两个坡面侵蚀速率与各养分含量逐步回归统计结果显示,两个坡面上侵蚀速率Y均可用养分含量的函数表示,其中直型坡为Y=189082.80X-14503.31(R=0.506),X为TP含量,凸型坡为Y= 2282.516X-16762.25(R=0.646),X为SOM含量,这反应了土壤养分流失与土壤侵蚀的密切关系;利用养分流失预测模型,对研究区三种养分的流失量进行了估算,结果表明,直型坡耕地土壤有机质、全氮、全磷的平均流失量分别为241.87、10.94、6.14 t km2 a-1,凸型坡由于其坡度较大,坡中部侵蚀剧烈,养分流失量较大,其有机质、全氮、全磷的平均流失量分别是367.76、14.22、9.14 t km2 a-1。(4)利用137Cs和210Pbex复合示踪的方法,对两块坡耕地的侵蚀速率进行了对比研究,结果表明:在开垦了近100年的直型坡上,尽管137Cs示踪的是50多年的年均土壤侵蚀速率,210Pbex示踪的是近100来的年均土壤侵蚀速率,但由于该地区近100年内降水量变化差异不大,因此理论上两种示踪方法所得坡耕地侵蚀速率也应该是比较接近的,实际示踪结果证实137Cs得到的侵蚀速率为2812 t km2 a-1,而210Pbex为2576 t km2 a-1,从而证明了两种示踪方法在该研究区计算侵蚀速率的结果都是准确的;而在开垦历史54年的凸型坡耕地上,由于该坡耕地未开垦前是原始次生林地,侵蚀速率很小,所以,利用210Pbex示踪得到的侵蚀速率结果应是开垦前和开垦后的平均侵蚀速率,研究结果表明该坡面近100年的侵蚀速率为1890 t km2 a-1,而其开垦后54年的年均侵蚀速率(137Cs示踪所得)为3771 t km2 a-1;利用加权平均的方法,计算得到了凸型坡耕地未开垦之前46年的平均侵蚀速率为319 t km2 a-1,而开垦后50多年的侵蚀速率几乎达到开垦前的12倍,再次证明人类过度垦殖等不合理的开发利用,加速了东北黑土区土壤侵蚀的发展。因此,必须尽快的科学的治理黑土区的水土流失,保护这片肥沃的土地。
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