黄土高原水土流失是世界瞩目的生态环境问题,其水土保持影响到我国黄土高原地区的农业发展,生态环境以及黄河两岸安全等等。为了保持水土,黄土高原大面积打坝淤地。坝地不仅可以控制水土流失,也可以作为种植作物的农田。截止到2003年,在黄土高原地区已经建成淤地坝11.35万座,形成了3,340 km2的坝地,淤积了2.1×1010 m3的泥沙,控制的坡地面积达9,247 km2。按照《黄河流域黄土高原地区水土保持淤地坝规划》,到2020年底前,黄土高原地区的坝地面积将翻一番。因此,加强对坝地相关科学问题研究,显得非常紧迫和重要。
鉴于黄土高原淤地坝坝地的土壤水分和泥沙研究对粮食生产、坝体安全、防洪,以及人畜用水的重要性,本论文以黄土高原六道沟小流域的几座典型坝地为研究对象,基于野外试验观测,结合地统计学方法、经典统计、模型模拟等手段,对坝地土壤水分和泥沙分布特征进行了研究,探讨了坝地土壤水分、泥沙、植物多样性、地上生物量等之间的相关关系,坝地表层和浅层土壤水分变化规律,表层土壤容重和饱和导水率分布特征等问题,得到了以下的主要研究成果:
(1)淤地坝坝地表层(0-6 cm)土壤水分具有很好的空间结构性,高斯模型可以很好的拟合其半方差函数的实际值,但其空间分布具有各向异性,主要呈带状分布。普通Kriging插值和序贯高斯条件模拟可以很好的表现坝地表层水分的空间分布特征。在坝地样带上的表层土壤水分研究也表明其有很好的空间结构,结果表明坝地样带上的土壤水分采集可以采用2 m的采样间距。
(2)坝地由多种异质土壤组成,本论文中研究中的两座坝地有四种质地的土壤组成:砂壤土、粉质壤土、壤质砂土和砂土,并且土壤呈现层状分布,这对土壤水分分布和运移造成了很大的影响。在坝地,土壤水分会因为和土壤颗粒的相关性呈现层状分布,土壤水分入渗的时候会形成漏斗流。正因为优先流的存在,使得坝地土壤水分入渗过程中的湿润锋不稳定。通过空间相关性分析,层状水流的速度可以达到7 m/天,比垂直入渗的速度(0.3 m/天)快。但这只是在降雨后的第一天和特定的降雨条件、坝地环境下,因此这个速度并不是固定不变的。
(3)Pearson分析表明坝地表层土壤的饱和导水率和土壤质地、饱和含水量、土壤容重等显著相关。坝地中部的饱和导水率最大,这是因为粗泥沙的沉积和频繁的动物活动。而坝体前离淤积最远处的饱和导水率最小,这主要是因为颗粒的沉降规律:细颗粒会随着径流在较远的地方沉积。
(4)坝地土壤颗粒组成具有很好的单一分形特征,分形维和土壤质地呈S型曲线关系。但是多重分形分析方法的应用受到限制,可能是因为坝地土壤颗粒组成内部信息混乱。通过对14个颗粒组成参数模型的适用性评价,结果表明二参数的Weibull模型可以用来坝地土壤颗粒分布的估测和插值。
(5)淤地坝坝地除了保持水土,固碳外,还能保持植物多样性。坝地内物种和控制坡地上的基本相同。在土壤物理性指标中,土壤水分和砂粒含量是影响植物多样性最重要的两个指标,前者为显著负相关,而后者为显著正相关(P<0.05)。
坝地表层土壤水分具有空间相关性,这意味着Kriging插值,自相关模型等都可以用于表层水分研究以获得更多的信息。坝地内发生优先流可能会携带病毒、杀虫剂或者除草剂等进入浅层地下水体,从而污染地下水。层状流也因为其相对较快的运动速度,应引起足够的重视。坝地土壤水分除了接受天然降雨外,汇集坡面径流势必造成其水分运动活跃。土壤扰动会增加饱和导水率,加强未耕作坝地的扰动是增强坝地防洪能力的一个措施。作为一个新环境,注重坝地内的物种多样性,也是保护生态环境的一个重要方面。有研究表明,适度放牧和割草有利于物种多样性保护,因此,坝地内可以进行适当的放牧和割草以保护其植物生物多样性。
坝地的土壤水分和泥沙特征对于淤地坝环境影响评价、坝地粮食种植以及人畜用水安全都有重要影响,同时对其研究也能对淤地坝建设规划有所帮助和启示。本文在野外试验研究的基础上,研究了坝地水分和泥沙等的科学问题,以期对黄土高原淤地坝坝地科学问题的研究,以及土壤水分和泥沙相关问题的探索深入等提供借鉴,对小流域坝地的利用和农业生产提供一定的指导。在整个黄土高原进行淤地坝坝地碳累积,粮食产量研究、淤地坝坝地对地下水水质水量的影响,以及控制泥沙和植被的关系等,应该是淤地坝科学问题研究的方向之一。
