黃土丘陵溝壑區(qū)土壤環(huán)境對(duì)淤地壩運(yùn)行的影響

0淤地壩沉積泥沙特征水庫(kù)旁流是黃土高原人民在長(zhǎng)期與水土流失作斗爭(zhēng)實(shí)踐中創(chuàng)造的一種清除沉積物、維持水土、重建土地、增加糧食的水保護(hù)工程措施。截至2002年底,黃河流域累計(jì)建成治溝骨干工程1480座,控制面積10041km2,總庫(kù)容15.15億m3,已建成淤地壩11.35萬(wàn)座,淤成壩地32萬(wàn)hm2,對(duì)黃土高原水土流失的防治和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了至關(guān)重要作用。同時(shí)淤地壩相當(dāng)于小流域的沉砂池,逐次侵蝕事件能夠形成明顯的沉積旋回,沉積旋回中保存了大量小流域侵蝕產(chǎn)沙和侵蝕環(huán)境演變的信息,為研究小流域土壤侵蝕提供了良好的載體。目前對(duì)淤地壩沉積泥沙的研究主要集中在以下3個(gè)方面,一是基于淤地壩沉積旋回、降雨資料和137Cs時(shí)標(biāo)功能研究流域侵蝕強(qiáng)度變化;二是利用137Cs示蹤區(qū)分淤地壩泥沙來(lái)源;三就是分析壩地土壤理化性質(zhì)時(shí)空變異及土壤肥力等[10,11,12,13,14,15,16,17,18]。盡管涉及到壩地沉積旋回泥沙的養(yǎng)分,但大多是從壩地土壤肥力、壩地生產(chǎn)力及壩地養(yǎng)分利用方面考慮,對(duì)于淤地壩沉積旋回泥沙養(yǎng)分與壩控小流域內(nèi)土壤養(yǎng)分之間對(duì)比分析及其對(duì)小流域土壤侵蝕的指示方面的研究較少。淤地壩沉積泥沙是壩控小流域內(nèi)各部分土壤侵蝕的一個(gè)綜合表達(dá),其中包含大量的小流域侵蝕和侵蝕環(huán)境變化信息,沉積旋回泥沙特性的變化則是所賦存信息的直接體現(xiàn),通過(guò)分析沉積旋回中泥沙特性的變化,可挖掘賦存在沉積旋回中大量的小流域侵蝕信息。為此,本文在基于壩地沉積旋回泥沙樣和壩控小流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型的土壤樣,對(duì)其有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量進(jìn)行對(duì)比分析,反推壩控小流域土壤侵蝕特征和侵蝕環(huán)境變化的信息,為小流域土壤侵蝕的深入研究和流域綜合管理提供基礎(chǔ)支撐。1材料和方法1.1王茂溝流域概況研究淤地壩位于陜西省綏德縣韭園溝鄉(xiāng)王茂溝,是王茂溝一條一級(jí)支溝溝頭處的悶葫蘆壩(指建在溝頭第一座沒(méi)有溢洪道的全攔全蓄淤地壩),壩地坐標(biāo)為N37°35′43″,E110°22′5″,該壩修建于1956-1957年,1958年開(kāi)始淤積,1990年淤平,壩高11m左右,壩控流域面積0.181km2,淤地面積約6000m2,壩地前寬尾窄,主壩地長(zhǎng)度約65m,淤平后種植玉米。王茂溝是黃河中游黃土丘陵區(qū)具有典型代表性的一條流域,處于N37°34′13″~37°36′03″,E110°20′26″~110°22′46″,是陜西綏德韭園溝中游左岸的一條支溝,屬無(wú)定河的二級(jí)支溝,流域面積為5.967km2,形狀近似半圓形,平均寬1.456km,海拔940~1188m,主溝長(zhǎng)3.75km,溝底比降為2.7%,溝壑密度為5.63km·km-2,溝壑面積占流域面積的40.6%。該流域上部為馬蘭黃土,厚5~20m,抗蝕能力差,下部為離石黃土,再下為基巖。整體上該流域具有地形破碎、地貌類(lèi)型復(fù)雜等特點(diǎn)。王茂溝流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均降雨量為513mm。其中汛期(6-9月)占年降雨量的70%以上,且多以暴雨的形式出現(xiàn),水力侵蝕和重力侵蝕是該流域的主要侵蝕方式。1.2沉積旋回和樣品采集2009年9月底進(jìn)行了樣品采集,對(duì)于淤地壩剖面樣,在壩地內(nèi)距壩體30m處挖一個(gè)半徑為1m垂直深度為11.325m的剖面。剖面土壤樣品按沉積旋回由下而上逐層采集,取樣過(guò)程中盡量使每個(gè)沉積旋回高度范圍內(nèi)的泥沙都能取到,較厚旋回適當(dāng)分層,每層采集樣品1kg左右,在采集過(guò)程中精確測(cè)量每個(gè)沉積旋回厚度。剖面除耕作層外共有75個(gè)沉積旋回(數(shù)據(jù)分析過(guò)程中把耕作層也作為一個(gè)沉積旋回對(duì)待),因部分沉積旋回厚度超過(guò)1m,為了使采集的樣品具有代表性,厚的沉積旋廻進(jìn)行了適當(dāng)分層,整個(gè)沉積旋回剖面共采集了89個(gè)樣品,同一沉積旋回的樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均勻混合作為一個(gè)樣品。壩控小流域面積小(0.181km2),土地利用類(lèi)型簡(jiǎn)單,只有坡耕地和荒草地,但溝道發(fā)育劇烈,因此在小流域內(nèi)采樣過(guò)程中增加了溝壁土壤的采集。從分水嶺處向下,在整個(gè)小流域內(nèi)基本均勻分布,選擇了8塊坡耕地、12塊荒草地和4個(gè)典型的溝壁,坡耕地和荒草地按照流水線方向分別在坡的上部、中部和下部采樣,采樣深度5cm,溝壁比較陡直,分別在上部、中部和下部取樣,小流域內(nèi)共采集72個(gè)樣品。將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干,研磨,根據(jù)測(cè)量要求過(guò)不同的篩子(有機(jī)質(zhì)過(guò)孔徑0.25mm篩,全氮、全磷和全鉀過(guò)孔徑1mm篩),采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定,土壤全氮用半微量開(kāi)氏法測(cè)定,土壤全磷用氫氟酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定。2結(jié)果與分析2.1土地類(lèi)型中全磷和全磷含量的變化表1為壩控小流域土壤和壩地沉積旋回泥沙養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征值,針對(duì)小流域內(nèi)部,有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀在不同的土地類(lèi)型土壤中含量具有相同的變化趨勢(shì),即荒草地>坡耕地>溝壁,其中有機(jī)質(zhì)和全氮含量在不同土地類(lèi)型土壤中含量呈顯著差異(p<0.05),荒草地中全鉀含量與坡耕地中呈顯著差異(p<0.05),而溝壁中全鉀與荒草地和坡耕地中的差異不顯著(p>0.05);全磷含量在不同土地類(lèi)型中含量與前3種養(yǎng)分變化趨勢(shì)不同,是坡耕地>荒草地>溝壁,估計(jì)與當(dāng)?shù)赜惺┘恿追实牧?xí)慣有關(guān),其中坡耕地中含量與荒草地和溝壁中含量有顯著性差異(p<0.05),而溝壁與荒草地之間的含量差異不顯著(p>0.05)。變異系數(shù)代表了樣本中觀測(cè)值的變異程度,發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀在小流域不同土地類(lèi)型土壤中的變異系數(shù)具有相同的趨勢(shì),即溝壁變異系數(shù)最大,荒草地次之,坡耕地最小,這與溝壁比較陡直,其上中下部位的垂直高差大,以致養(yǎng)分的變異較大,而坡耕地每年的耕作導(dǎo)致其變異相對(duì)較小。整體上看,有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)大,在各種土地類(lèi)型中都大于10%,屬中等變異性,而全磷和全鉀的變性較小,都小于10%,屬弱度變異性。在不考慮土地類(lèi)型,就整個(gè)壩控小流域而言,有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀變異系數(shù)分別為44%、36%、7.4%和7.4%,全磷和全鉀的變異屬弱度變異性,這說(shuō)明了在流域內(nèi)碳氮循環(huán)比較活躍,受環(huán)外界條件影響較大,因此變異系數(shù)相對(duì)較大。2.2旋回中養(yǎng)分含量的動(dòng)態(tài)變化圖1顯示壩地剖面各沉積旋回中土壤養(yǎng)分隨深度的變化,與天然的成土的剖面相比,淤地壩沉積剖面形成過(guò)程主要受降雨條件和小流域內(nèi)土地利用、植被覆蓋及人類(lèi)活動(dòng)等各種條件變化的影響,其養(yǎng)分含量變化比較復(fù)雜。研究淤地壩除耕作層外共有75個(gè)沉積旋回,沉積旋回泥沙中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值分別為3.03、0.2、0.55和19.24g/kg,有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)都為27%,屬于中等變異性,全磷和全鉀分別為4.4%和5.4%,屬于弱度變異性,沉積旋回泥沙中4種養(yǎng)分含量整體上變異性較小(表1)。有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)與全氮非常相似,二者呈極顯著正相關(guān)(R=0.871,P<0.01),其他養(yǎng)分之間的相關(guān)性比較弱。壩地沉積旋回泥沙養(yǎng)分含量不能直接顯示其變化特征,累積距平百分比(即每個(gè)沉積旋回養(yǎng)分含量與所有沉積旋回養(yǎng)分含量平均值之差占平均值的百分比的累積值)則更能直觀的顯示壩地剖面沉積旋回泥沙養(yǎng)分的階段性變化,如圖2所示,整體上看,有機(jī)質(zhì)和全氮累積距平百分比變化大,其絕對(duì)值最大值分別為424%和295%,全磷和全鉀的變化較小,其絕對(duì)值最大值分別為50%和38%。以底層最早沉積的旋回為第一個(gè)旋回,有機(jī)質(zhì)和全氮具有非常相似的階段性變化,從總體趨勢(shì)上看,第48~54個(gè)沉積旋回是個(gè)分界點(diǎn),第48個(gè)沉積旋回之前的有機(jī)質(zhì)和全氮的含量整體比第54個(gè)沉積旋回之后的含量小。沉積旋回中全磷和全鉀的累積距平百分變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)和全氮不同,沉積旋回中全磷含量在第19個(gè)沉積旋回之前基本上都小于平均值,第20~62個(gè)沉積旋回中全磷含量在平均值左右波動(dòng),無(wú)明顯趨勢(shì),第63個(gè)沉積旋回之后的全磷含量基本上大于平均值。對(duì)于全鉀,整體上變化的波動(dòng)性較大,只有第34~48個(gè)沉積旋回中全鉀基本低于平均值外,其他各個(gè)階段都在平均值附近波動(dòng),沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。2.3近沉積旋回泥沙中的養(yǎng)分含量分布?jí)蔚爻练e旋回泥沙養(yǎng)分是壩控小流域不同土地類(lèi)型土壤養(yǎng)分的集中體現(xiàn),由表1知,沉積旋回中各種養(yǎng)分含量的變異系數(shù)都小于小流域內(nèi)溝壁和荒草地土壤養(yǎng)分的變異系數(shù),通過(guò)差異性檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),溝壁中有機(jī)質(zhì)顯著低于沉積旋回(p<0.05),但與荒草地和坡耕地相比,溝壁中有機(jī)質(zhì)也最接近沉積旋回泥沙中含量,溝壁中其它3種養(yǎng)分含量與沉積旋回泥沙中沒(méi)有顯著差異(p>0.05);荒草地中有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷都顯著高于沉積旋回中的含量(p<0.05),全鉀無(wú)顯著差異(p>0.05);坡耕地中土壤4種養(yǎng)分含量與沉積旋回中的都有顯著差異(p<0.05)。整體上看,除全鉀外,沉積旋回中其它3種養(yǎng)分含量的分布與溝壁中含量的分布范圍基本一致,全鉀在各種土地類(lèi)型和沉積旋回泥沙中的分布范圍比較相近。與壩控小流域內(nèi)的土壤養(yǎng)分相比較,本研究沉積旋回泥沙養(yǎng)分并沒(méi)有發(fā)生明顯的富集現(xiàn)象,也可能是由于不同源地泥沙貢獻(xiàn)不同而掩蓋了泥沙養(yǎng)分的富集現(xiàn)象,這與王云強(qiáng)等研究的水蝕分時(shí)交錯(cuò)帶淤地壩沉積泥沙結(jié)果不一致,估計(jì)與所處區(qū)域、降雨條件及流域環(huán)境不同有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果,黃土高原小流域泥沙輸移比接近于1,而且本次研究的小流域面積小,泥沙運(yùn)移距離短,加之不同源地貢獻(xiàn)率不同,泥沙中沒(méi)有出現(xiàn)富集現(xiàn)象是正常的。2.4地表變化對(duì)泥沙養(yǎng)分的影響沉積旋回泥沙主要受到降雨條件、侵蝕類(lèi)型、土地利用類(lèi)型及人類(lèi)活動(dòng)等條件的影響,是壩控小流域內(nèi)侵蝕產(chǎn)沙特征和侵蝕環(huán)境變化的一個(gè)綜合表達(dá)體,賦存著大量的小流域侵蝕信息和侵蝕環(huán)境變化的信息,而沉積旋回泥沙各種理化性質(zhì)的變化就是賦存信息的直接體現(xiàn),通過(guò)分析沉積旋回泥沙各種特性的變化,可挖掘賦存在沉積旋回中的小流域侵蝕信息。但這必須以滿(mǎn)足所采壩地泥沙的養(yǎng)分含量能夠代表壩地淤積泥沙平均含量和埋藏后淤積泥沙養(yǎng)分不隨時(shí)間變化這2個(gè)前提。在本研究中采集的是壩地中部的樣品(距體30m,壩地長(zhǎng)約65m),包耀賢等和王治國(guó)等研究表明,壩前養(yǎng)分含量較高,壩尾較低,壩中部居中,且這些研究的大部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示出壩前和壩尾泥沙中養(yǎng)分含量的平均值接近壩中泥沙的養(yǎng)分含量,說(shuō)明在壩地中部采樣基本能夠代表整個(gè)壩地泥沙的平均含量,同時(shí)所采沉積泥沙樣中養(yǎng)分含量與小流域土壤養(yǎng)分含量相比,變異性相對(duì)較小,泥沙中養(yǎng)分含量基本都在小流域土壤養(yǎng)分含量的范圍之內(nèi),無(wú)極端現(xiàn)象,這些也能說(shuō)明所采集泥沙樣具有代表性;對(duì)于泥沙埋藏后泥沙養(yǎng)分是否隨時(shí)間變化,由于研究方法的限制,這方面的研究相對(duì)較少,Morris等利用模型計(jì)算了沼澤沉積剖面C、N、P含量的變化情況,結(jié)果顯示在地表2cm內(nèi)沉積物中C、N、P的變化最大,2cm以下C的損失可以忽略。對(duì)于淤地壩而言,一般每年可形成幾個(gè)沉積旋回,每個(gè)沉積旋回的厚度一般大于2cm,埋藏后泥沙養(yǎng)分隨時(shí)間變化的可能性較小。同時(shí),國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)、全碳、碳氮比、δ13C、δ15N等來(lái)反映流域環(huán)境及人類(lèi)活動(dòng)在近百年尺度上變化的文章已發(fā)表了很多,這些研究中并沒(méi)有明確說(shuō)明考慮埋藏時(shí)間對(duì)于有機(jī)質(zhì)、全碳、碳氮比、δ13C、δ15N等的影響,因此分析認(rèn)為埋藏后泥沙養(yǎng)分可能發(fā)現(xiàn)微小的變化,但影響不大,泥沙中養(yǎng)分主要受泥沙來(lái)源的支配,泥沙養(yǎng)分含量可反映壩控小流域內(nèi)泥沙來(lái)源的變化。表1明顯顯示,沉積旋回泥沙中各種養(yǎng)分的含量都比較接近溝壁,除有機(jī)質(zhì)外,溝壁養(yǎng)分含量與沉積旋回中泥沙養(yǎng)分含量無(wú)顯著性差異性(p>0.05),有機(jī)質(zhì)雖然差異性顯著(p<0.05),但與荒草地和坡耕地相比,沉積旋回中泥沙有機(jī)質(zhì)含量更接近溝壁,結(jié)合前面泥沙沉積旋回中養(yǎng)分含量與小流域內(nèi)不同源地土壤中養(yǎng)分含量的顯著性分析可說(shuō)明溝壁和溝道是淤地壩沉積泥沙的主要貢獻(xiàn)者;同時(shí)沉積旋回泥沙的樣本數(shù)大,但各種養(yǎng)分含量變異性卻較小,也表明泥沙的來(lái)源比較單一,溝壁坍塌和溝道發(fā)育的位置比較集中。一般情況下認(rèn)為侵蝕泥沙在流域內(nèi)輸移過(guò)程存在一定分選性和養(yǎng)分富集特性,如果在此考慮了侵蝕-輸移過(guò)程中的顆粒分選性和養(yǎng)分富集特性,而泥沙中養(yǎng)分含量依然近溝壁土壤的養(yǎng)分含量,則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了沉積旋回泥沙主要來(lái)自溝壁坍塌和溝道發(fā)育,荒草地和坡耕地的貢獻(xiàn)少。溝壁和溝道是壩地沉積旋回泥沙主要源區(qū)則顯示出壩控小流域內(nèi)重力侵和溝道侵蝕非常劇烈,是流域內(nèi)的主要侵蝕類(lèi)型,坡面侵蝕相對(duì)較弱,對(duì)沉積旋回泥沙的貢獻(xiàn)較少。淤地壩沉積旋回養(yǎng)分分布特征在一定程度上也能反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)小流域侵蝕環(huán)境的影響,由于全磷和全鉀在小流域內(nèi)不同源地上的變異小,且不同源地之間的差異不是都顯著的,它們的變化不能完全反映流域的侵蝕特征和侵蝕環(huán)境的變化,相反,有機(jī)質(zhì)和全氮卻不同,從圖2,淤地壩沉積旋回累積距平百分比有明顯的變化趨勢(shì),第48~54個(gè)沉積旋回是個(gè)分界點(diǎn),第48個(gè)沉積旋回之前的有機(jī)質(zhì)和全氮的含量整體小于平均值的含量,而第54個(gè)沉積旋回之后的含量整體上大于平均值的含量,說(shuō)明沉積旋回泥沙中有機(jī)質(zhì)和全氮具有明顯的階段性變化。薛凱等基于137Cs時(shí)標(biāo)功能和降雨資料建立了該淤地壩沉積旋回的時(shí)間坐標(biāo),并分析了侵蝕強(qiáng)度的演變,根據(jù)薛凱等的研究結(jié)果,第48~54個(gè)沉積旋回是1982-1984年期間形成的,這個(gè)時(shí)間正好是我國(guó)農(nóng)村土地承包責(zé)任制開(kāi)始實(shí)施的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間之后小流域侵蝕量呈增大趨勢(shì),認(rèn)為是農(nóng)村聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制調(diào)動(dòng)農(nóng)民的積極性,荒坡地被開(kāi)墾成農(nóng)田,在農(nóng)田中的農(nóng)事活動(dòng)加強(qiáng),加重了水土流失。這一時(shí)間之后沉積旋回泥沙的有機(jī)質(zhì)和全氮含量整體上大于平均值含量這一現(xiàn)象也與薛凱等的分析相吻合,荒草地和坡耕地中的有機(jī)質(zhì)含量和全氮的含量較高,開(kāi)荒及農(nóng)田內(nèi)農(nóng)事活動(dòng)加強(qiáng)使得坡面水土流失加重,導(dǎo)致沉積泥沙中的有機(jī)質(zhì)和全氮也有增加的趨勢(shì)。說(shuō)明沉積旋回養(yǎng)分變化在一定程度上能夠反映出流域土地利用信息的變化,能夠指示出一些重大的社會(huì)事件對(duì)侵蝕環(huán)境的影響。但是通過(guò)對(duì)54層之后沉積旋回泥沙中有機(jī)質(zhì)和全氮與壩控流域內(nèi)不同源地土壤中的相比較發(fā)現(xiàn),第54層之后沉積旋回泥沙中全氮與溝壁中無(wú)顯著差異(p>0.05),顯著小于荒草地和坡耕地中全氮含量(p<0.05),沉積旋回中有機(jī)質(zhì)盡管與溝壁、荒草地和坡耕地都有顯著差異(p<0.05),但更為接近溝壁中的有機(jī)質(zhì)含量,因此可認(rèn)為即使在1984年以后,人為原因?qū)е禄牟莸睾推赂厍治g有所增加,但小流域內(nèi)