黑土区典型小流域不同时空尺度的泥沙来源研究

Sediment source study is valuable for watershed sediment budget, sediment control in channels, soil erosion model validation and benefits evaluation of soil and water conservation, and hence become one of the key and hot spots. Take a typical watershed located in the northeast black soil region of China as study area, the specific objective for this study as follows: (1) to propose efficient and effective sampling strategies through linking sediment source and fingerprint properties by collection and analysis of a number of samples in sub-watershed; (2) to analyze sedimentation characteristics and sediment sources in flood scale and medium time (10-100 yrs) scale; (3) to make clear the dynamic change of sediment source in different spatial scales (sub-watershed and watershed) in past several decades through estimating sedimentation rate using radionuclides 137Cs and 210Pb. This study is meaningful in application of fingerprint technique and in revealing of transportation and sedimentation mechanism in typical watershed of northeast black soil region, and will provide valuable reference for ecological protection strategy change from treatment to prevention.

泥沙来源研究对流域泥沙平衡计算、河流泥沙减控、土壤侵蚀预报模型验证和水土保持效益评价都具有非常重要的意义，是土壤侵蚀和泥沙输移研究的重点与热点问题之一。本项目以东北黑土区典型小流域为研究对象，拟建立潜在侵蚀物源和“指纹”因子间的联系，提出反映潜在物源代表性样品的采集方法；通过“指纹识别”技术，分析子流域尺度上次洪水事件不同产沙源地的侵蚀贡献比和泥沙沿程输移特点；结合放射性元素Cs-137和Pb-210测年技术，建立子流域和小流域空间尺度上不同物源泥沙的空间输移沉积关系，研究中等时间尺度（10-100年）上泥沙来源的动态变化。研究成果对推广应用“指纹识别”方法和揭示东北黑土区典型小流域泥沙输移规律有重要意义，对该区生态建设与保护由“事后治理”向“事前预防”的战略性转变具有指导价值。

本研究分析了潜在侵蚀物源 “指纹”因子的空间分布特点和土壤侵蚀沉积对其的影响，探讨了不同“指纹”因子的相关关系，提出了潜在侵蚀物源区的样品采集策略，验证了以Walling-Collins模型为代表的多元混合线性模型、Bayesian模型和DFA模型等三类模型计算泥沙来源贡献比的精度。利用指纹识别技术和放射性元素137Cs和 210Pb测年技术，计算了东北黑土区典型小流域和子流域两个空间尺度和次降雨、次融雪事件以及几十年来两个时间尺度的物源泥沙贡献比，分析了沉积泥沙的空间分布特征和剖面分布特征，探讨了影响泥沙来源动态变化的自然和人为因素，结果表明：（1）物源采样要兼顾沉积区、侵蚀区和与产流汇流区密切相关的区域；（2）Walling-Collins模型和Bayesian模型能准确定量各物源区的泥沙贡献比，而DFA模型则有待进一步改进；（3）次降雨侵蚀事件中，泥沙主要来源于耕地，其次是侵蚀沟和非耕地，而次融雪侵蚀事件中，泥沙则主要来源于侵蚀沟，其次为耕地和非耕地；（4）次融雪侵蚀过程中，来源于侵蚀沟的泥沙在产流产沙开始和结束时占比最高，中间随着耕地泥沙比例的增多，贡献有所回落；（5）小流域出口处的水库泥沙沉积厚度较子流域小，且呈现距坝越近沉积厚度越大的特点；（6）小流域和子流域沉积的泥沙均以粉粒为主，粘粒次之，沙粒最少；（7）几十年来，小流域和子流域的泥沙沉积速率均呈现由快到慢的转变；（8）不同沉积样点的泥沙来源不尽相同，但子流域和小流域的泥沙来源总体上呈现耕地和侵蚀沟相当，非耕地最少的特征；（9）几十年来不同物源泥沙贡献比的变化不尽相同：耕地逐渐减小，侵蚀沟逐渐增大，非耕地则保持相对稳定；（10）土地管理措施的实施显著减少了流域泥沙量。本研究可为东北黑土区典型流域水土流失治理措施的布设，土壤侵蚀和泥沙输移、沉积规律的建立，以及土地管理对流域侵蚀产沙响应的揭示提供理论依据。