论文部分内容阅读
喀斯特裂隙地下水土漏失严重制约了我国西南喀斯特生态、经济和社会的可持续发展,已受到国内外广大学者关注和研究。地下水土漏失作为喀斯特水土流失的特有形式,对石漠化的演化进程、地下河水质量,旱涝灾害问题都具有重要影响。目前,有关喀斯特地下漏失研究主要集中在于现象的定性描述和模拟试验阶段。本研究以贵州3个典型石漠化区域毕节撒拉溪研究区,关岭—贞丰花江研究区,施秉喀斯特研究区为研究单元。首先考察了研究区的裂隙形态和对研究区裂隙土壤理化性质研究,在此基础上设置喀斯特裂隙漏失及养分流失模拟试验,以期揭示裂隙水土漏失与养分流失的特征及两者耦合机制。本研究以地质学、土壤学、水文学、生态学、环境科学等学科为理论基础,共采取毕节撒拉溪研究区裂隙土壤样品43个,关岭-贞丰花江研究区70个、施秉喀斯特研究区47个。通过在关岭-贞丰花江研究区开展为期4个月的降雨监测(2019年6月至9月)共收集到有产流发生26场次,有产沙发生20场次;并分别对26场次产流的水分和20场次产沙的土壤进行养分浓度实验分析。同时进行不同雨强降雨监测和长短时间降雨监测,分析不同雨强条件下裂隙的产流产沙特征和裂隙形态对产流产沙的影响。讨论裂隙地下水土漏失受降雨的影响特征及其环境意义,重点探讨裂隙地下水土漏失与养分漏失的耦合机制及其石漠化环境效应,以期为石漠化治理生态恢复提供理论支撑和科学依据。研究结论如下:(1)关岭-贞丰花江研究区裂隙迹长和开口值最大,随裂隙深度的增加,裂隙土壤容重、土壤黏粒含量逐渐增加,土壤总孔隙度、砂粒含量和粉粒含量逐渐降低。裂隙土壤养分含量表现出;土壤有机碳、可溶性有机碳,Cl-、SO42-随裂隙深度的增加含量逐渐降低,Ca2+和Mg2+表层含量高,随裂隙深度的增加无明显变化。通过研究区对比发现,石漠化程度越深,裂隙发育程度越高。施秉喀斯特研究区土壤有机碳含量和可溶性有机碳含量高于毕节撒拉溪和关岭-贞丰花江研究区。以白云岩为主的施秉喀斯特研究区裂隙土壤Mg2+含量高于以石灰岩为主的毕节撒拉溪和关岭-贞丰花江研究区。总体表现出,石漠化程度越深,裂隙发育程度越强,土壤紧实度越差,总孔隙度越好,抗侵蚀能力越差,地下漏失风险越高,养分含量较低。裂隙形态、土壤有机碳、可溶性有机碳、Cl-和SO42-含量与基岩岩性无明显相关。(2)裂隙土壤水分和电导率变化随降雨量的增减而升降。LX1(漏失模拟试验1号裂隙)表现出下层土壤水分含量高于表层,表层受降雨影响较为敏感,随降雨大小波动较大,而下层则表现出明显的稳定性。LX2(漏失模拟试验2号裂隙)受降雨影响较大,70 cm层土壤水分含量最低,土壤水分变化幅度较大,35 cm层和105 cm层受降雨影响类似,70 cm层受岩-土界面影响表现出明显的优势流。土壤水电导率随降雨量变化而波动,总体随着降雨的持续,电导率值呈下降趋势,电导率峰值较降雨峰值存在滞后性。裂隙土壤水动态和电导率变化均随降雨量的升降而增减,裂隙土壤水分流失存在土壤入渗流和优势流,土壤水溶质存在降低趋势。(3)降雨量和裂隙开口越大裂隙地下产流产沙量越大。通过对比不同降雨类型下裂隙地下产流产沙影响,表明大暴雨类型下产流产沙值变化幅度最大,小雨和中雨雨强变化幅度最小。小雨条件下裂隙产流产沙量最小,大暴雨对裂隙产流产沙影响最大,贡献率最高,小雨条件下下裂隙除LX2和LX6(漏失模拟试验6号裂隙)外,其余裂隙不产沙。雨强对裂隙产流产沙表明:降雨强度越大,产流产沙量越高。降雨条件和裂隙地下连通性相同条件下,裂隙开口越大,地下产流产沙量越大,裂隙土壤体量越大,产流产沙量越小。裂隙水土漏失受降雨量、裂隙开口面积、裂隙土壤体量和连通性的影响。(4)土壤养分含量越高,裂隙漏失土壤养分浓度越高;漏失溶质养分随降雨监测的持续,养分浓度呈降低趋势,降雨量越大,养分漏失越多。养分漏失总量对比分析发现,土壤有机碳以土壤的形式漏失为主,可溶性有机碳、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-以溶质形式漏失为主。降雨条件下裂隙形态对养分漏失存在明显的影响,裂隙开口越大,溶质养分漏失浓度越高,裂隙土壤体量越大裂隙漏失溶质养分浓度越低。养分总量上,裂隙开口面积越大,漏失养分越多,不同裂隙养分漏失量存在显著差异。降雨对裂隙溶质养分漏失的影响均可用一次函数拟合,溶质养分漏失与裂隙开口面积以二次函数拟合效果较好,Ca2+以一次函数拟合最好。