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地球環境所在治溝造地和未治溝造地小流域對比觀測和生態效應評估方面獲得系統性進展
2019-02-26| 編輯: | 【 】【打印】【關閉

  溝道工程治理是黃土高原水土保持治理的一項重要措施,至今已有400多年歷史。人們常見的淤地壩、水庫,包括現今實施的治溝造地(攔蓄整地)工程,均為溝道治理的工程措施,在黃土高原水沙攔蓄中發揮著至關重要的作用。前期統計結果表明,過去50年,黃土高原共計建造淤地壩11萬多座,攔截泥沙210億噸,淤地造田30多萬畝;而自2013年在延安試點實施的治溝造地(2013-2017年),已完成造地50萬畝。實際上,黃土高原的溝道治理工程與當地的 “三農”(農業、農村和農民)和“三生”(生產、生活和生態)要素密切相關。近30年來,國內針對淤地壩的水土保持功能已進行了大量的研究,充分認識到淤地壩在黃土高原攔截泥沙、淤地造田中的重要作用;而針對治溝造地這種新式工程,其在水土保持中的作用如何,會產生何種生態效應,如何評估這種典型的流域改造工程,一直缺乏系統的科學認識和數據支撐。 

  基于這一重大科學問題和國家需求,近4年來,中科院地球環境研究所金釗研究員在中科院STS項目子課題《治溝造地生態效應監測與評估》和黃土與第四紀地質國家重點實驗室培育項目《治溝造地對小流域鹽分輸出的阻截效應及土壤次生鹽堿化風險評估》的支持下,在延安市甘谷驛鎮顧屯選擇了治溝造地和未治溝造地小流域開展對比觀測研究(圖1),建設了《延安治溝造地綜合觀測試驗站》,獲得了系統性的研究進展。 

  (1)       治溝造地后地形地貌的變化 

  通過對治溝造地前(2010)、后(2016)高分辨率(0.24 m)遙感影像進行對比分析發現,治溝造地顯著改變了河谷的地形地貌(圖2)。治溝造地之前,河谷耕地主要分布在河道兩側或山邊的緩坡上;治溝造地之后,耕地全部集中到平整的河谷中。原有的河道被改到河谷的一側,通過梯級水庫相連。通過遙感影像來看,溝道土地變得更加平整,有利于機械化耕作。 

  (2)       治溝造地后徑流、泥沙和養分輸出的變化 

  研究結果表明,流域治溝造地后,由于淤地壩和水庫的攔截作用,造地流域的徑流和泥沙幾乎被全部攔截,只有在大暴雨發生后有較小的徑流輸出(圖3)。被攔截的徑流一部分沿排水設施進入水庫,另一部分就地入滲進入地下。由于徑流輸出的大大降低,使得流域內的氮素養分就地入滲進入地下。根據徑流量和無機氮濃度的計算結果,和未治溝造地流域相比,治溝造地流域無機氮輸出降低了94-96% (圖3)。 

  (3)       治溝造地后地下水位的變化 

  流域治溝造地后,河谷新造耕地的地下水抬升明顯。沿著主溝道從下游至上游,通過人工鉆探確定了治溝造地后地下水影響區的土層深度(Groundwater Influence Zone)。結果表明,沿河谷調查的17 個地塊,14個地塊表現出較淺的地下水影響深度 (≤ 3 m),其中7個地塊的影響深度小于 1 m(圖4)。并且,越靠近壩前下游的耕地,地下水影響的土層深度越淺,表明水庫底部存在滲水或漏水現象。 

  (4)       治溝造地后鹽堿化趨勢 

  治溝造地流域,表層20 cm土壤可溶性鹽度的范圍為0.23-2.55 g kg-1,其中超過一半點位的表層土壤可溶性鹽分含量高于1 g kg-1,表明存在輕度鹽堿化現象。但越靠近流域上游,土壤的鹽堿化趨勢越嚴重(圖5)。流域上游土地已受到鹽堿化的嚴重影響,無法進行正常耕種,因此流域上游是鹽堿化的高風險區,不適宜造地。 

  (5)       治溝造地后土壤鹽堿化的主要離子組成 

  通過離子色譜分析發現,黃土母質和水庫中鹽分離子組成相似,濃度較低,Na離子和HCO3-離子是其主要離子成分;未治溝造地的坡耕地中,所有陽離子濃度都非常低,HCO3-離子濃度相對較高。出現明顯鹽堿化的土壤中,鹽分離子濃度顯著升高,其中Na離子和Cl離子為主要鹽分離子,表明土壤的鹽堿化實質上為對植物毒性較強的鹽漬化(圖6)。 

    

  相關論文: 

  (1)       Jin Zhao, Guo Li, Wang Yunqiang, Yu Yunlong, Henry Lin, Chen Yiping, Chu Guangchen, Zhang Jing, Zhang Naipeng. Valley reshaping and damming induce water table rise and soil salinization on the Chinese Loess Plateau. Geoderma, 2019, 339: 115-125.  

  (2)       Zhao Yali, Wang Yunqiang, Wang Li, Zhang Xiaoyan, Yu Yulong, Jin Zhao, Lin Henry, Chen Yiping, Zhou Weijian, An Zhisheng. Exploring the role of land restoration in the spatial patterns of deep soil water at watershed scales. Catena, 2019, 172: 387-396.   

  (3)       Yu Yunlong, Lin Henry, Jin Zhao, Wang Yunqiang, Zhao Yali, Chu Guangchen, Zhang Jing, Song Yi, Zheng Han. Spatial variation and soil nitrogen potential hotspots in a mixed land cover catchment on the Chinese Loess Plateau. Journal of Mountain Science, 2019, in revision. 

  (4)       Yu Yunlong, Jin Zhao, Henry Lin, Wang Yunqiang, Zhao Yali, Chu Guangchen, Zhang Jing, Luo Da, An Zhisheng,  Effects of land use and landform transformation on the vertical distribution of soil nitrogen at catchment scale on the Chinese Loess Plateau. 2019, prepared for submission. 

  (5)       余云龍等. 延安治溝造地小流域水庫氨氮對降雨變化的響應. 第四紀研究, 2017, 37(6): 1204-1218. 

    

   

   1 延安顧屯治溝造地和未治溝造地大流域對比觀測 

   

  2 治溝造地前后河谷地貌的變化(Jin et al., 2019 

    

    

   

  3 治溝造地和未治溝造地流域徑流量及無機氮養分輸出量的差異 

    

   

    

  4河谷二維剖面圖(a)及新造耕地地表至地下水影響區的深度(b 

  Jin et al., 2019 

        

   

    

  5治溝造地流域鹽堿化趨勢分布圖(Jin et al., 2019 

   

  6 黃土母質、水庫、坡耕地和鹽堿化土壤中主要鹽分離子的組成及差異 

   (Jin et al., 2019) 


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