沂蒙山区花岗岩与石灰岩小流域产沙强度及泥沙来源对比研究

花岗岩与石灰岩山区侵蚀产沙的特征迥异，受气候条件、人类活动等因素影响分别呈不同的规律。塘库沉积记录了流域侵蚀产沙的历史过程，通过塘库沉积研究，可反映出不同自然与人文背景下流域侵蚀产沙的一些重要特征。本申请课题拟在沂蒙山区花岗岩与石灰岩典型小流域，应用137Cs、210Pbex示踪技术进行塘库沉积物断代，结合粒度分析，分别建立两个小流域塘库沉积物剖面137Cs、210Pbex比活度、黏粒含量深度变化与近50a降雨记录、土地利用/覆被变化等相关气象或人为事件的对应关系，反演侵蚀产沙的历史过程，查明小流域产沙强度及泥沙来源，探究其近期变化的趋势和原因。通过对比研究，揭示暖温带花岗岩与石灰岩小流域在人类活动强烈影响下侵蚀产沙的不同特征和规律，为该区两种地质条件下不同水土保持措施的应用提供科学参照和理论依据。

本研究基于沂蒙山区地质、土壤、自然带以及人类活动特征，完善了137Cs、210Pbex示踪技术用于该区坡面侵蚀产沙研究的理论方法，分析了花岗岩台坪地侵蚀产沙的空间特征，通过塘库沉积对比研究了花岗岩与石灰岩小流域近50a的侵蚀产沙规律。实测无侵蚀棕壤与褐土农耕地137Cs和210Pbex含量显示，137Cs测试含量与土壤质地无关，而210Pbex测试含量的差异反映了棕壤与褐土质地的不同。基于137Cs与210Pbex的不同沉降过程与核素扩散原理，对农耕地土壤137Cs、210Pbex的深度分布过程进行了理论推导。藉此建立了考虑核素扩散的农耕地210Pbex稳定态质量平衡模型，讨论了分布于犁耕深度以下的210Pbex对已有质量平衡模型应用的影响。分析了姜庄河小流域花岗岩棕壤带七级台坪地土壤137Cs含量和侵蚀速率的空间特征。各级台坪地内部，137Cs含量与侵蚀速率的空间格局是在台坪地演化过程中耕作和降雨的共同夷平作用下，土壤由内侧高处向外侧低处再分布所致。七级台坪地之间自上而下总体而言，137Cs含量与侵蚀速率的空间格局是在坡面被台坪地分割情况下，由于耕作和降水共同作用，台坪地土壤自上而下逐级侵蚀、运移和沉积的结果。七级台坪地的平均侵蚀模数为2700 t km–2 a–1，说明沂蒙山区仅有地坎分割而无地埂保护的棕壤台坪地，土壤侵蚀依然严重。通过塘库沉积，对比研究了花岗岩东姜庄与石灰岩泉安子小流域近50a侵蚀产沙的特征和规律。基于流域近50a环境演变历史解译了两个小流域塘库沉积物剖面137Cs、210Pbex比活度、D50、SOC含量深度变化，在沉积物断代基础上求算了两个小流域不同时段的产沙模数，查明了两个塘库表层沉积的泥沙来源。1963年以前两个小流域产沙模数均呈减小趋势，此后又有所增加，这是因为两个小流域社会历史背景相似。1963年以后的平均产沙模数，花岗岩东姜庄小流域为石灰岩泉安子小流域的约5倍；上世纪80年代中期以来，石灰岩小流域产沙模数基本保持稳定，而花岗岩小流域则继续增加；此外，表层沉积中来源于沟壁产沙的比例，花岗岩小流域高于石灰岩小流域。这反映了暖温带花岗岩与石灰岩地质背景、棕壤与褐土性质、环境扰动及其产沙响应的差异。