三峽水庫水位變化前、后土壤磁性變化規(guī)律

1、 精選公文范文管理資料 三峽水庫水位變化前、后土壤磁性變化規(guī)律0 引 言三峽水庫于 2010 年首次實現(xiàn)了 175 m 的蓄水目標(biāo),自此在汛限水位 145 m 及最高水位 175 m之間形成了高差30 m,面積約350 km,岸線長度近 5 500 km,夏季出露冬季淹沒的反枯洪規(guī)律消落帶1 -2.這是目前世界上面積最廣、水位漲落幅度最大、對環(huán)境變化最為敏感且人類活動影響最為頻繁與強烈的消落帶3 -4.其形成之后,原本未經(jīng)歷過長期水淹的土壤在長期高壓淹水與高溫干旱出露的交替變化影響下,不僅陸地生態(tài)環(huán)境和陸生生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化,也會引起土壤性質(zhì)的劇烈改變5 -7.土壤是巖石圈表層與大氣圈

2、、水圈、生物圈長期相互作用的產(chǎn)物,它是環(huán)境歷史信息的載體,記錄了其形成過程中的豐富信息.由于土壤中不同程度地存在一些磁物質(zhì),如磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦等,它們的形成演化與母質(zhì)和所處環(huán)境相關(guān)8 -9.具體來說,土壤磁性不同程度地受土壤礦物、容重、含水量、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)和 pH 值、有機質(zhì)含量等化學(xué)性質(zhì)的影響,可反映母質(zhì)、氣候、植被、水文和人類活動等綜合信息10 -11.此外,土壤磁性研究還具有測量所需樣品少、靈敏度高、分辨率高、重復(fù)性好、成本低、簡便快速、對樣品無破壞等優(yōu)勢,所以非常適合做土壤結(jié)構(gòu)及成分的測量和評定.近年來,土壤磁學(xué)作為一門較新的多學(xué)科交叉應(yīng)用科學(xué),在環(huán)境學(xué)和土壤學(xué)

3、中的應(yīng)用越來越廣泛,甚至已經(jīng)成為全球環(huán)境變化研究的主要方法之一12 -16.庫區(qū)內(nèi)水土保持、環(huán)境治理和生物多樣性維持等,對于三峽工程長期安全運行的保障以及長江中下游的防洪與生態(tài)安全具有特殊而重要的戰(zhàn)略意義.目前關(guān)于消落帶生態(tài)環(huán)境、土地利用、災(zāi)害預(yù)防等問題是研究的熱點,但針對水土環(huán)境變化問題的基礎(chǔ)研究還不多,尤其是當(dāng)?shù)赝寥来判缘淖兓矫?7 -19.本文著力解決以下 3 個問題: ( 1) 調(diào)查研究區(qū)內(nèi)土壤磁性背景值范圍,考察相近土地利用類型土壤磁性在測區(qū)內(nèi)不同地點分布的穩(wěn)定程度; ( 2) 查清消落帶內(nèi)土壤磁性空間分布特點及與帶外土壤磁性差異情況; ( 3) 尋找造成磁性差異的原因.筆者在三峽

4、庫區(qū)內(nèi),包括消落帶內(nèi)外選擇了18 條典型的紫色土監(jiān)測斷面,經(jīng)過現(xiàn)場測量、取樣和實驗室測試分析,以揭示三峽水庫水位變化前、后土壤磁性變化規(guī)律,并分析其影響原因.1 研究區(qū)域背景1. 1 區(qū)域概況研究區(qū)選在重慶市忠縣石寶寨鎮(zhèn)新政村至共和村一線,三峽庫區(qū)長江干流左岸,中心坐標(biāo)為302453N、1081025E.它靠近中國科學(xué)院三峽庫區(qū)忠縣水土流失與面源污染觀測試驗站,這里人地關(guān)系緊張,水土流失嚴(yán)重,森林覆蓋率低,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),污染嚴(yán)重,屬于長江上游生態(tài)脆弱區(qū),已被選為庫區(qū)環(huán)境治理試點地區(qū)之一.此處的土壤無論在種類上還是利用類型等方面在庫區(qū)內(nèi)均有一定的代表性,適合開展基礎(chǔ)研究.區(qū)內(nèi)出露巖層多為侏羅系沙

5、溪廟組( J2s) 砂巖、粉砂巖及泥巖互層,地形地貌屬典型淺丘,呈西北高、東南低山勢走向.主要采樣范圍及部分測線分布見圖 1.經(jīng)踏勘所知,采樣區(qū)屬紫色巖地區(qū),消落帶坡度均不大,峭壁和陡坡較少.新政村消落帶實驗區(qū)附近主要以灘坡為主,部分地段屬陡坡,坡度多介于 13 25之間; 共和村消落帶實驗區(qū)附近也以灘坡為主,但坡度更緩,間有部分臺階地,坡度多介于 10 20之間.坡度較小就使得當(dāng)?shù)赝寥赖闹亓η治g作用較低,主要以水力侵蝕為主,有利于研究單純江水作用對消落帶土壤的影響,同時也利于野外測量與采樣.1. 2 土壤特性研究區(qū)內(nèi)土壤種類較單一,以紫色土為主,它多是以中生界三疊系、侏羅系、白堊系及新生界第

6、三系的巖層作為母巖發(fā)育而成的一類非地帶性土壤.由所采樣品分析,多為沙溪廟組砂巖、粉砂巖和泥巖快速風(fēng)化而形成的典型中性紫色土,土壤特性方面在整個三峽庫區(qū)西部具有普遍性20.相同測線不同高度的土壤顏色和結(jié)構(gòu)變化不大,且分布均勻.紫色土成土作用迅速,礦物組成復(fù)雜,礦質(zhì)養(yǎng)分較豐富,土質(zhì)偏壤性,耕性和土壤生產(chǎn)性能良好.四川盆地內(nèi)作物多、出產(chǎn)豐富,也與該種土壤的存在密不可分21 -22.2 材料與方法2. 1 野外調(diào)查與采樣在現(xiàn)場先用捷克 ZH 公司產(chǎn) SM-30 型便攜式磁化率儀快速判斷土壤磁性( 體積磁化率 ) 強弱分布情況,根據(jù)測試結(jié)果于消落帶內(nèi)及消落帶水位之上,兼顧不同土壤利用類型如草地、耕地、林

7、地等,來選取測線.采樣線距根據(jù)需要從 20 200m 不等,同測線各測點間高程一般相隔 2 m.采樣時需清除表層植被,用環(huán)刀取表土以備測量土壤容重、質(zhì)量含水量等指標(biāo).供磁測的表土樣品均由 4 到 5 個按對角線法采取的小樣混合而成.選取具體采樣點時盡可能避開明顯的侵蝕區(qū),另外還應(yīng)注意避開石制田坎附近區(qū)域,因為那里泥沙往往淤積較厚,會抵消江水對土壤表層的部分作用; 需盡量找尋淤積較薄之處,如有表層淤積的泥沙要小心剝?nèi)?待露出原土壤再行測量及采樣.采好的土壤樣品裝入聚乙烯自封采樣袋中,以避免磁性污染.2. 2 樣品處理及實驗室測試將進行磁性測試的土樣在去除石子和植物根系等之后,放在牛皮紙上于室內(nèi)自

8、然陰干,待完全干燥后用木槌砸開土塊并用研缽磨碎,全部過 2mm 孔徑尼龍篩,少部分土樣還需進一步過 0. 15mm 孔徑尼龍篩,以備掃描電鏡( SEM) 制片使用及有機質(zhì)含量測試.實驗室測量高、低雙頻質(zhì)量磁化率選用的是英國 Bartington 公司產(chǎn) MS2 型磁化率儀.每個樣品稱量 10 g 土壤,用無磁紙張包好放入專用柱狀聚乙烯管中,放進測試臺( 探頭) ,即可在計算機上讀數(shù).樣品分別在 0. 47 kHz 下測得低頻質(zhì)量磁化率 lf( 單位 10- 8mm/ kg) ,在 4. 7 kHz 下測得高頻質(zhì)量磁化率 hf( 單位 10- 8m3/ kg) .本文所指磁化率默認為低頻質(zhì)量磁化

9、率,即 lf.天 然 剩 磁( NRM) 等指標(biāo)由美國 2G 公司產(chǎn) 2G-760 U-Channel超導(dǎo)磁力儀完成.典型樣品的磁化率隨溫度變化曲線( - T) 的測試使用捷克 AGICO 公司產(chǎn) MFK1 系列磁化率儀來完成.將 300 mg 左右土壤樣品放入專用石英玻璃容器中,用鉑金線圈加熱,溫度測量過程完全自動化.為防止樣品在高溫時被快速氧化,將其在充氬氣環(huán)境下加熱,測量溫度介于 40 750 之間.掃描電鏡( SEM) 的測試,選用中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所實驗室內(nèi)的日本日立( HITACHI) 公司產(chǎn) S3000N 型掃描電子顯微鏡,其放大倍數(shù)可介于 5 300 000

10、 倍之間,分辨率在高真空的環(huán)境下能達到 3. 0 nm( 25 kV) .3 結(jié)果與討論研究區(qū)域內(nèi)的土壤是由沙溪廟組紫色砂頁巖發(fā)育而成,屬于沉積巖風(fēng)化而成,所以土壤磁性偏弱,遠不及火成巖風(fēng)化所產(chǎn)生的土壤,屬低磁性土壤23,因此任何在磁化率或者 - T 曲線中的小波動都值得注意.土壤磁化率雖隨深度增加有微小的降低,但幅度很小,而且變化趨勢與表土一致,所以成壤作用對于其磁性的增強在一定尺度下可以忽略5.3. 1 土壤磁性背景測量由于本文的研究啟動之時,三峽水庫已經(jīng)開始蓄水,因此消落帶內(nèi)的土壤在蓄水前的情況目前已不可能取得,但仍可通過調(diào)查更高水位處相近條件下的土壤情況來合理彌補.選取水位高于消落帶的

11、草地、耕地、林地 3 種當(dāng)?shù)刂饕耐恋乩妙愋蜆拥胤謩e進行測量和采樣,分類觀察它們的土壤磁性背景,如表 1 所示.從 和 NRM 兩個重要指標(biāo)上看,耕地的非淹水狀態(tài)紫色土磁性背景最高,這應(yīng)與農(nóng)民施用草木灰、化肥、農(nóng)藥等有關(guān); 草地和林地相比后者的值略高,但總體相近.另外,在相同土地利用類型下,土壤磁性值在坡面上的分布是穩(wěn)定的,即隨海拔的升降,磁性背景并沒有呈現(xiàn)出趨勢性上升或下降.3. 2 消落帶土壤磁性分布3. 2. 1 土壤磁化率空間分布圖 2 展現(xiàn)了在共和村附近-中國科學(xué)院北京植物研究所建于消落帶內(nèi)的植被恢復(fù)實驗區(qū)中表層土的( 低頻) 質(zhì)量磁化率( lf) 分布情況.圖件由8 條測線組成數(shù)

12、據(jù)體,用 ARCGIS 軟件完成,圖中 lf的高值用紅色表示,低值則用藍色,中間值由軟件自動計算插值過渡.值得說明的是,本輪采樣最低海拔只達到了 147 m 左右,水位更低處的土壤暴露時間太短,而且即使暴露也是含水量極大的稀泥狀,無法采樣.所以,采用了較高處的數(shù)據(jù)合理外推至 145 m 來繪圖.圖中兩條粉色虛線之間屬于消落帶,更高位置即可認為是代表了附近土壤的磁化率背景情況.lf在消落帶上部( 169 175 m) 與背景值類似,即20 10- 8 30 10 8m/ kg,中部略有下降,介于15 10 8 20 10- 8m/ kg 之間,而到較低水位處,尤其是到 157 m 以下則快速地提

13、高到 120 10 8m/ kg 以上,相差 6 倍以上.此處地勢較周邊更為平緩,可直觀地看出在共和村消落帶平均十幾度的坡地上土壤 lf的分布情況.圖 3 顯示了新政村附近的消落帶在水位退至145 m 附近時表土 lf的分布情況,可見該區(qū)域的lf在不同水位上的分布規(guī)律與之前共和村附近的大同小異,但總體不如后者規(guī)律性好.這主要是因為這里地形更為復(fù)雜,坡度變化較大,土壤層更薄,土壤崩解、侵蝕等搬運作用的效率不同,在一定程度上干擾了正常土壤的磁性分布.加上這里面積更大,測線布設(shè)較共和村附近研究區(qū)更稀疏,插值后繪圖也可能使結(jié)果存在一些差異.3. 2. 2 土壤磁性礦物分析樣品的磁化率隨溫度變化曲線為熱

14、磁曲線,即 - T 曲線,是辨別樣品中主要磁性礦物成分的重要手段之一24.通常不同磁性礦物其居里點亦不同,據(jù)此,可用以判斷土壤中所含主要磁性礦物種類.這種對應(yīng)關(guān)系有一定的多解性,還需輔以其他手段.選擇消落帶上部、中部、下部以及消落帶水位之上等 4 類位置的表土做了共 24 組 - T 曲線.圖 4 為挑選消落帶內(nèi)不同高程表土的幾組典型曲線.由圖 4( a) 可見,采自高水位土壤的加熱曲線( 圖中數(shù)值較低的曲線) 在低于 200 時,磁化率值較低且很穩(wěn)定,約為 10 10- 8m/ kg.加 溫至260 280 時,有一個較明顯的抬升,峰值達 50 10- 8mm/ kg 左右.而峰值過后,隨著

15、溫度進一步增高其值又緩慢降低,但降幅不明顯.隨后,在 520 530 位置再出現(xiàn)一個小峰后,再次緩慢下降.冷卻曲線顯示,當(dāng)降至 580 時,曲線急劇上升并在 500 附近達到最高峰,峰值 270 10- 8m3/ kg 左右.其后,隨著溫度降低磁化率水平也有所降低,最終穩(wěn)定在 150 10- 8m/ kg 附近.與單一礦物 - T 曲線實驗結(jié)果相比較,可初步判斷造成加溫曲線主峰值的是纖鐵礦( Lepido-crocite, - FeO( OH) ) ,但也不排除是由無定形氧化鐵與土壤有機質(zhì)在加熱過程中形成的磁性氧化鐵的反映15,25.紫色土磁性背景較弱,這在增溫曲線中表露無遺,因為土壤中幾乎不

16、含強鐵磁性物質(zhì).冷卻曲線的磁化率值遠高于增溫曲線主要是加溫后新生成了磁鐵礦造成的,這可以通過冷卻曲線磁性礦物 580 特征居里點來確定.由于土壤中原本存在一些弱磁性的含鐵順磁性礦物或亞鐵磁性礦物,加上土壤中有機質(zhì)含量較高( 原地有機質(zhì)含量達 18. 2 g/kg) ,在作為還原劑的 C元素豐富的條件下高溫還原后形成磁鐵礦.貯存紫色土土壤的試管在本實驗做完后,經(jīng)過一輪加熱后基本變成了黑色,這相當(dāng)程度上是受了新生成磁鐵礦的影響.圖 4( b) 中的曲線形態(tài)與圖 4( a) 很類似,曲線形態(tài)基本未變,只是前者兩條曲線的值分別較后者普遍偏高,這說明 157 m 水位的表土中磁性礦物組成未發(fā)生明顯的變化

17、,只是比高水位處磁性礦物成分含量更高.圖 4( c) 是由 147 m 高程表土實驗所得.從圖中可見低水位處土壤磁性相較其余各處都明顯偏高,低溫時就達 45 10 8m/ kg 左右.圖 4( d) 是圖 4( c) 中加熱曲線的放大,能更清楚地看出,隨著溫度上升,其磁化率也緩慢上升,并在 280 附近形成 60 10- 8m/ kg 左右的峰值,而后逐步下降.曲線的緩慢上升一是由于熱擾動造成部分單疇( SD) 磁性晶粒逐漸向超順磁( SP) 顆粒轉(zhuǎn)化,磁性變強; 二是經(jīng)化驗土壤中仍含有少量纖鐵礦( Lepidocrocite, - FeO( OH) ) ,當(dāng)加溫至 250 300 間開始失水

18、,緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)榇懦噼F礦( Maghe-mite, - Fe2O3) ,后者磁性強于前者.之所以曲線又出現(xiàn)下降是因為磁赤鐵礦不穩(wěn)定,受熱后要轉(zhuǎn)化為赤鐵礦( Hematite, - Fe2O3) ,后者磁性弱于前者.最后的大峰值是由土壤中本身含有的磁鐵礦( Magnetite,Fe3O4) 造成的,達到 580 附近磁鐵礦居里點后迅速下降.低水位土壤中纖鐵礦所造成的峰值不如高水位處明顯.磁性背景的增強是一個原因,但更主要的是針鐵礦本是氧化環(huán)境下形成的,低水位土壤經(jīng)水浸泡的時間較長,屬還原環(huán)境,針鐵礦已逐漸轉(zhuǎn)化為其他磁性更低的礦物26.3. 2. 3 掃描電鏡下觀測磁鐵礦將不同高程的土壤經(jīng)過”磁選”等

19、預(yù)處理后,分別放在掃描電鏡( SEM) 下觀測,發(fā)現(xiàn)采自消落帶低水位處磁性更強部分的土壤中存在圓球狀礦物,如圖 5 所示.Maher 等的研究表明,不同來源的磁性礦物在土壤中分布的粒徑組不同,在成土過程中產(chǎn)生的次生磁性礦物主要集中在粘粒組,而以懸浮方式傳播的外來磁性礦物多屬粉粒組,如此可由粒徑信息初步判斷土壤磁性增強的成因27.再者,天然產(chǎn)生的磁性顆粒多為鐵的氧化物礦物,如磁鐵礦、赤鐵礦等,其礦物粒徑基本都大于圖中所示.這類呈渾圓狀、近球形的特殊礦物形態(tài),一般只有燃燒化石燃料時所產(chǎn)生的磁鐵礦才具有,其磁性很強且其粒徑處在粉粒級別,較易于辨認,所以可判定為人類活動產(chǎn)生的磁鐵礦27 -30.而在消

20、落帶中上部或更高海拔位置所采土壤樣品,雖經(jīng)磁選處理在 SEM 鏡下仍幾乎找不到這種球狀磁鐵礦的痕跡.由于當(dāng)?shù)刈仙帘旧砘静淮嬖诖盆F礦,圖中礦物應(yīng)為外界系統(tǒng)帶入.在干濕環(huán)境交替下,土壤本身磁性礦物雖然會發(fā)生變化,有可能影響消落帶土壤的磁性,但鑒于庫區(qū)蓄水時間只有短短幾年,消落帶土壤中也并未檢測到背景土壤不存在的新生成強磁性礦物,所以不應(yīng)是土壤磁性增強的主要原因.在工業(yè)區(qū)或重污染城市附近的土壤有受到化石燃料燃燒所產(chǎn)生的磁性顆粒的影響,表現(xiàn)出表土磁性不同程度增強的現(xiàn)象28,31.圖 5 中球狀磁鐵礦應(yīng)是由江水帶來,經(jīng)長期淹水作用而吸附和沉淀在土壤中的.由于越低水位處的土壤,每年受江水浸泡的時間越長

21、,所測得的磁性越強,也越容易找到渾圓狀磁鐵礦,所以可合理推斷其含量與淹水時間呈正相關(guān),但具體關(guān)系還需要進一步研究.總之,消落帶不同水位的土壤磁性差異是外來磁性礦物輸入、成壤作用以及土壤侵蝕等多因素的綜合體現(xiàn),但外來磁性礦物輸入是最重要的原因.4 結(jié) 論( 1) 三峽庫區(qū)蓄水后,改變了消落帶內(nèi)土壤磁性空間分布狀態(tài),其磁性強度與其所在水位密切相關(guān).對庫區(qū)紫色土土壤磁性特征的分析表明,在消落帶內(nèi)所有主要監(jiān)測斷面中的土壤磁性,整體上呈現(xiàn)隨淹沒水深的增加而增高的特征.較高水位的表土 值與當(dāng)?shù)乇尘爸迪嘟?到水位較低處尤其是 157 m 以下后快速增強,它們之間的幅度相差高達 6 倍以上.( 2) 消落帶土

22、壤磁性發(fā)生變化是庫區(qū)蓄水后土壤中磁性礦物組成發(fā)生改變造成的.當(dāng)?shù)赝寥来判缘V物調(diào)查中,較高水位土壤的 - T 曲線中加熱曲線并沒有磁鐵礦存在的明顯痕跡,發(fā)現(xiàn)”580 居里點現(xiàn)象”的都是冷卻曲線所見,即消落帶中高水位土壤中雖含有其他含鐵礦物,但沒有原生磁鐵礦.消落帶低水位處的加熱曲線則不同,有明顯磁鐵礦存在的跡象.在 SEM 下觀察發(fā)現(xiàn)含渾圓狀磁鐵礦,但大多僅在 165 m 高程以下土壤的掃描結(jié)果中有發(fā)現(xiàn),且水位越低越容易找到.( 3) 渾圓狀磁鐵礦的來源即外來污染,如上游工礦等重污染企業(yè)燃燒煤炭、燃油等化石燃料所排放的煙塵,順長江干流而下并通過浸泡等方式逐漸吸附和沉積于低水位土壤中.這些點源污染

23、物如果在空氣中飄散,沉降量會由于風(fēng)向變化、擴散作用等因素的存在,使得其沉降規(guī)律更加復(fù)雜.河流是個一維的傳播載體,對污染物傳播的追溯會更加方便.今后如能通過監(jiān)測磁的手段從研究”匯”的特性反演出污染源的分布情況,將對污染物擴散研究有很大實用價值.參考文獻:1 刁承泰,黃京鴻. 三峽水庫水位漲落帶土地資源的初步研究J. 長江流域資源與環(huán)境,1999,8( 1) : 75 -80.2 范小華,謝德體,魏朝富. 三峽水庫消落區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與調(diào)控對策研究 J. 長江流域資源與環(huán)境,2006,15( 4) :495 - 501.3 張虹. 三峽庫區(qū)消落帶土地資源特征分析 J. 水土保持通報,2008( 1)

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