喀斯特地区典型小生境产流产沙及养分流失特征

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我国西南喀斯特区受特殊岩溶地质背景限制,是典型的生态脆弱区,水土流失严重,洪涝灾害频发,地下水污染风险高。喀斯特生态系统是由多种异质性小生境(分为岩面、土面、岩土生境)复杂组合形成,对每种小生境水土过程的认识是理解喀斯特坡面产汇流、生源物质迁移等机制、过程的前提,然而相关研究还很欠缺。针对该地区地表形态复杂,小生境比较破碎,强烈的岩溶作用下,喀斯特地区水文过程存在很强的时空异质性。探究不同小生境之间的水文特征差异以及水文驱动下的养分和侵蚀特征差异,能对喀斯特地区的石漠化的治理提供依据,为洪涝灾害以及面源污染防治提供科学依据。  通过选取桂西北喀斯特岩面生境(裸岩和岩植)、土面生境、岩土生境作为研究对象,结合野外原位模拟降雨的技术,明确了不同生境之间产流产沙以及养分流失特征的差异性。依据形态特征的不同对破碎的小生境进行分类,基于不同生境之间的性质不同,探明了不同生境之间的产流特征,揭示了水文驱动下不同生境之间的养分流失特征以及泥沙侵蚀特征,对养分流失规律拟合模型,结合水化学指标对不同生境的泥沙过程进行了探究,主要结论如下:  (1)喀斯特地区岩面产流为主要的产流模式,20、50、70mm/h雨强条件下均具有较高的径流系数(0.50±0.19,0.49±0.21,0.70±0.17),平均入渗速率分别为11.28、23.01、19.24mm/h;土面生境20、50、70mm/h雨强条件平均入渗速率为15.98、44.55、38.01mm/h,具有高的入渗性能,在50、20mm/h雨强下地表径流系数小(0.21±0.33,0.15±0.19),壤中流和深层入渗为主要的水文路径,大雨强条件下地表径流是主要的水文过程。前期水分条件对土面降雨产流过程影响更大,干燥条件下地表产流极少甚至不产流。岩土生境以地表超渗产流为主,岩土界面产流是一种能快速补充深层入渗的优先流形式。  (2)各生境降雨产流过程中,地表径流的养分浓度存在着初期由于冲刷效应导致的高浓度,随后随着产流量的增大逐渐减小直至稳定的规律。雨强能影响径流的产生,随着雨强的增加养分流失通量逐渐增大;土面生境在中小雨强(20、50mm/h)条件下,地表碳氮养分流失最少,大雨强(70mm/h)条件下土面生境地表碳氮养分流失显著增长,岩面生境(裸岩)和岩土生境地表产流量大,是氮素流失主要生境,岩面生境(岩植)是TOC流失的主要生境。  (3)指数函数和幂函数对碳氮养分流失的规律均能有效的拟合,岩土生境以及土面生境地表过程碳氮流失比值较小(1.72、1.00),而岩植生境、裸岩生境碳氮比是前者的3-10倍。  (4)浊度与泥沙之间存在显著的线性关系,浊度在一定程度上能反应泥沙含量。土面以及岩土生境地表径流泥沙过程最为明显,地表过程的泥沙侵蚀主要发生在这两种生境间。  (5)不同雨强条件下坡地土面生境的地表侵蚀过程存在差异。中小雨强产沙量较低,高雨强条件下地表产沙明显。泥沙侵蚀模数在坡面上存在着沿坡向下越来越大的趋势,中上坡位的侵蚀模数较小,下坡位侵蚀模数比中坡位高15倍。不同裸岩率岩土生境侵蚀过程差异明显,随着裸岩率的增加,侵蚀模数先增加后减小,50%裸岩率条件下侵蚀模数最大。
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