复合指纹法分析红壤区强度开发小流域泥沙来源

南方红壤区人口密集,土地资源开发利用强度大,水土流失类型多样。为研究不同土地利用类型下红壤区强度开发小流域侵蚀泥沙来源,选取感德镇红壤强度开发小流域为研究区,分析了流域内潜在泥沙源地和泥沙的41个地球化学特征,利用Kruskal-Wallis H检验及逐步判别分析确认最佳指纹因子组合,并通过多元混合模型计算各泥沙源地泥沙贡献率。结果表明:共有速效P、Cu、P、Y、Ca、Ga、Sn、Nd 8种因子通过检验被确认为最佳指纹因子组合,累计贡献率达90%以上,拟合优度均大于0.80。多元混合模型结果显示,锋面雨季流域泥沙主要来源于林地、茶园与矿区,贡献率分别为28.59%,28.20%,27.59%;在台风雨季,4种土地利用类型泥沙相对贡献率为茶园>林地>矿区>耕地。通过对不同降雨特征下各土地利用类型泥沙贡献百分比数据进一步分析,结果显示矿区单位面积泥沙贡献百分比均值分别是耕地、林地与茶园单位面积泥沙贡献百分比均值的8,10,10倍,即单位面积下矿区土壤侵蚀强度最大。     

南方花岗岩区典型崩岗侵蚀产沙来源分析

研究分析了典型崩岗泥沙源地的31种土壤理化性质,利用Kruska-Wall无参检验结合多元回归分析筛选指纹因子体系,通过多元混合模型得出侵蚀泥沙来源。结果表明:该典型崩岗筛选出的8种指纹因子累积正确判别率达到96.87%,可以组成指纹因子体系。多元混合模型结果表明崩积堆泥沙样品超过60%来源于红土层,但在冲积扇中的沉积泥沙仅有10%左右来源于红土层,其余90%的泥沙都来源于砂土层和碎屑层。这表明红土层有较强抗侵蚀能力,崩塌后会残留在崩积堆上。但由于红土层细颗粒含量较多,在二次侵蚀作用下红土层泥沙大都被径流带出崩岗。组合指纹法在崩岗中的成功应用,为高效、定量研究崩岗侵蚀泥沙来源提供可能。     

安溪县茶园小流域泥沙来源分析——以双岐溪为例

福建省茶园地处山丘地区加之缺乏水土保持措施,水土流失严重。指纹分析法利用泥沙特有的物理和生物化学性质作为示踪因子,用于区别不同泥沙来源地。本研究在安溪县山地茶园采集不同高程土壤样品及小流域中侵蚀泥沙样品,测定样品的8种土壤理化性质作为指纹识别因子,利用Kruskal-Wall检验筛选适合的指纹识别因子,运用组合指纹法与Isosource多元混合模型分析流域中侵蚀泥沙的来源及各潜在泥沙源地对侵蚀泥沙的贡献率。结果表明:茶园土壤中筛选出4种适用于山地茶园指纹因子:Ca、K、Zn、Mg,其中,K、Ca可作为判别泥沙来源的指纹因子组合。侵蚀泥沙超过70%来源于未治理茶园,且74%来源于未治理茶园山脚。组合指纹法在山地茶园的应用不仅能定量分析福建山地茶园水土流失、侵蚀泥沙的输移规律,进一步丰富了小流域侵蚀理论,也为茶园水土流失治理措施合理布设提供科学基础。     

组合指纹法研究花岗岩崩岗侵蚀泥沙来源

崩岗侵蚀产沙是崩岗侵蚀研究的重点。本研究对典型崩岗进行采样、分析,筛选出最佳指纹因子组合,利用组合指纹法对崩岗侵蚀产沙进行研究。结果表明：不同层次崩岗土体的理化性质有显著差异,利用无参检验和多元判别分析筛选出粘粒含量、Fe、K为最佳指纹因子组合（累积判别率大于90％）,说明指纹法可用于崩岗侵蚀产沙来源研究。同时利用多元...     

基于复合指纹法的岩溶洼地小流域泥沙来源解析

岩溶洼地是重庆岩溶地区常见的一种地貌类型,洼地小流域是人们从事农事活动的重要场所,研究流域不同土地利用侵蚀产沙特征,对认识流域侵蚀产沙规律和治理水土流失具有重要意义。选取了1个建有水库的岩溶洼地小流域,分析源地和泥沙样品的39个地球化学特征,利用复合指纹和多元混合模型计算各源地侵蚀泥沙贡献率。结果表明:流域筛选出的最佳指纹因子组合为U、χ_(lf)、Rb、Li、~(137)Cs、χ、Mn,正确判别累积率为99.93%,6种泥沙源地的总正确判别率为91.49%,符合复合指纹法应用的条件。碳酸盐岩耕地、碳酸盐岩林地、碳酸盐岩草地、碎屑岩林地、碎屑岩草地和沟道/裂隙对流域沉积泥沙的相对贡献分别为16.29%,41.16%,13.03%,16.67%,4.48%,8.37%,拟合优度为93.57%,相对误差平均值为8.26%,表明模型判别结果可信。各泥沙源地中碳酸盐岩耕地单位面积泥沙贡献值远高于其他泥沙源地,是碳酸盐岩林地的1.98倍,碳酸盐岩草地的2.07倍,碎屑岩林地的2.13倍,碎屑岩草地的2.21倍,即单位面积碳酸盐岩耕地土壤抗蚀能力最弱。     

西南典型岩溶槽谷小流域地表和地下河悬浮泥沙来源

为了明确岩溶槽谷小流域地表悬浮泥沙与地下河悬浮泥沙的主要来源，制定具有针对性的水土流失防治措施，该研究以青木关岩溶槽谷小流域为例，采集碳酸盐岩、碎屑岩、沟道和裂隙等4种不同泥沙源地土壤样品，测定了137Cs、磁化率、Li、As等41种土壤理化性质作为指纹因子；利用双边范围检验、均值检验和Kruskal-Wallis H非参数检验对所有指纹因子进行筛选，确定Fe、137Cs、Pb、V、质量频率磁化率5种指纹因子为最佳指纹因子组合；采用复合指纹法定量分析地表和地下河出口悬浮泥沙来源。结果表明：降雨量、降雨历时和降雨强度与流域潜在泥沙源地贡献率存在一定的规律；流域潜在泥沙源地对地表悬浮泥沙平均贡献率分别为碳酸盐岩（43.62%）> 沟道（27.34%）>碎屑岩（17.30%）>裂隙（11.74%），拟合优度为91.88%；对地下河出口悬浮泥沙的平均贡献率分别为碳酸盐岩（36.14%）>裂隙（24.02%）>沟道（22.93%）>碎屑岩（16.91%），拟合优度为92.56%。该研究定量分析了岩溶槽谷地表和地下河出口悬浮泥沙的主要来源，可为岩溶槽谷小流域综合治理提供参考依据。     

利用复合指纹法分析剑川双河水库泥沙来源

[目的]定量研究水库沉积泥沙的具体来源,为中国滇西北水土流失区域泥沙来源研究和流域综合治理提供科学依据。[方法]以滇西北剑川县双河水库流域作为研究区,选取林地、草地、耕地及采矿用地4种土地利用类型作为潜在泥沙源头,利用复合指纹法分析双河水库沉积泥沙潜在来源及其贡献百分比。选择27个地球化学因子,通过守恒性检验与Kruskal-Walls H检验并利用逐步判别分析确定最佳指纹因子组合,运用多元线性混合模型计算各泥沙源地贡献百分比。[结果]①共有8个指纹因子(S,Ca,Sr,TP,Cr,Ba,K,Mg)被确认为最佳指纹因子组合,累计贡献率达89.60%;②总体上,泥沙贡献百分比平均值从大到小为:草地(37.28%)耕地(34.62%)林地(27.86%)采矿用地(0.24%);③单位面积上泥沙贡献百分比为:耕地(9.55%)草地(3.78%)采矿用地(1.24%)林地(0.38%)。[结论]复合指纹法适用于双河水库流域泥沙来源判别,耕地仍是土壤侵蚀最为严重的土地利用类型,而草地因面积较大、地表覆盖度较低,也是泥沙贡献较多的土地利用类型。     

基于不同模型不同指纹因子的东北黑土区小流域泥沙来源分析

基于指纹识别技术计算了东北黑土区典型小流域不同侵蚀产沙源地的泥沙贡献比。通过分析农地、林地、草地表层土以及侵蚀沟样品中的33种物质,使用非参数检验和多元判别分析筛选出包括P、Ce、Ga、Rb和137Cs组成的最优复合指纹因子,并将放射性核素137Cs和210Pbex作为第2组指纹因子,将最优复合指纹因子中的单个因子分别作为单因子,作为第3组指纹因子,分别利用多元混合线性模型、Bayesian模型和单因子解析解等泥沙来源指纹分析方法计算了表层土和侵蚀沟的相对泥沙贡献比。结果表明:基于不同模型不同指纹因子的泥沙来源贡献比结果虽不尽相同,但无重大差别。利用多元混合线性模型计算时,由放射性元素137Cs和210Pbex作为指纹因子计算的泥沙来源(表层土47.5%,侵蚀沟52.5%),与最优复合指纹因子计算的泥沙来源(表层土44.6%,侵蚀沟55.4%)基本一致;利用Bayesian模型计算时,由放射性元素137Cs和210Pbex作为指纹因子计算的表层土和侵蚀沟的泥沙贡献比约各占1/2,而利用最优复合指纹因子计算得到的泥沙贡献比中,表层土(58.8%)多于侵蚀沟(41.2%);以复合指纹因子中单个因子为指纹因子计算解析解,P、Ga、Ce、137Cs 4个因子的判别能力较强,能有效判别泥沙物源区;为保证泥沙贡献比计算结果的精确性,有必要确定各模型的计算精度,并挖掘具体的影响因素,调整参数或算法,为模型改进提供依据。研究发现,面积占比不足1%的侵蚀沟贡献了流域近1/2的泥沙,表明侵蚀沟发育引起的土壤流失不容小觑,应加强对该区侵蚀沟道的治理。     

基于指纹识别技术的小流域泥沙来源研究进展

泥沙来源判别是小流域土壤侵蚀研究的重点,也是难点。复合指纹识别技术因其结果直接、准确度高、作业快等特点,在国内外泥沙来源研究中得到大量应用,并迅速发展。复合指纹识别技术是在划分潜在侵蚀区的基础上,采集侵蚀区土壤样和流域出口泥沙样,室内分析土壤样和泥沙样指纹因子,利用相关统计检验方法筛选最佳指纹因子组合,利用数值转换模型将最佳指纹因子浓度转换为各侵蚀区产沙比例。主要通过阐述指纹识别技术泥沙来源研究步骤,总结现有可靠性检验方法,归纳研究对象等方面,综述基于复合指纹识别技术的泥沙来源研究进展。重点介绍了复合指纹识别技术最佳指纹因子组合筛选和数值转换模型,并指出复合指纹识别技术存在的问题。     

桑干河流域淤地坝沉积泥沙特征及其来源解析

[目的]为查明桑干河流域的泥沙主要策源地和侵蚀产沙变化。[方法]选取阳原县高墙乡典型淤地坝沉积泥沙为研究对象,利用复合指纹识别技术,测定沉积泥沙及其源地的土壤粒径、SOC、TN、¹³⁷Cs、低频质量磁化率等9种指纹因子,研究了不同淤积阶段的泥沙策源地及坝控小流域侵蚀产沙演变规律。[结果](1)沉积泥沙中¹³⁷Cs平均含量较低,与沟壁土壤无显著差异(p>0.05),但极显著小于林草地和耕地的¹³⁷Cs含量(p<0.01),这指示淤地坝沉积泥沙主要来源于沟壁;(2)由于沟壁中大部分¹³⁷Cs含量低于检出限,¹³⁷Cs较好地指示泥沙主要来源沟谷地中的沟壁,但难以用于小流域多种策源地的判别,经Kruskal-Wallis H非参数检验和多元逐步判别分析筛选,确定TN+X_lfb+SOC构成最佳指纹因子组合,有效地判别小流域2006—2017年泥沙源地的平均贡献率为沟壁(82.68%±8.20%)>耕地(15.36%±8.46%)>林草地(1....     

Soil and phosphorus redistribution along a steep tea plantation in the Feitsui reservoir catchment of northern Taiwan

Feitsui reservoir, the major water supply of Taipei city, has shown declining water quality in recent years. The reservoir is located in an area famous for tea cultivation, and the question arises as to whether the hillside tea plantations have contributed to increased sediment and nutrient discharge into the reservoir. In this study, soil and phosphorus redistribution were examined along a steep tea plantation in the reservoir's catchment and the provenance of reservoir sediment was assessed. Fallout radionuclides were used as soil erosion/deposition tracers and as markers of sediment sources. Continuous fertilizer application has raised (inorganic) phosphorus levels in the studied tea plantation. The plantation's narrow bench terraces trap eroded material and slow down soil and nutrient translocation. Nevertheless, eroded soil and phosphorus have accumulated on a vegetated toeslope below the tea plantation. The reservoir sediment contained significant amounts of inorganic phosphorus and cesium-137, and application of a mixing model resulted in a surface soil contribution of approximately 30%. This points towards tea plantations as possible sediment and pollutant sources and underlines the necessity of soil conservation strategies, such as the maintenance of vegetated riparian buffer zones. However, other sources, such as landslide debris and urban wastewaters, cannot be entirely ruled out. Further research is needed to better characterize the catchment's soils and sediments and to improve sediment fingerprinting efforts. Potential point and non-point pollution sources need to be examined in detail to better understand how phosphorus enters the reservoir.     

Investigating the role of connectivity and scale in assessing the sources of sediment in an agricultural watershed in the Canadian prairies using sediment source fingerprinting

Purpose

Sediments adversely impact the quality of surface waters and are a significant source of contaminants, such as nutrients and pesticides, in agricultural watersheds. The development of effective beneficial management practices (BMPs) to minimize these impacts requires a sound understanding of the sources of sediments. The objectives of this study were: (1) to determine the sources of sediment in an agricultural watershed in the Canadian prairies using sediment source fingerprinting and; (2) to assess the results of the sediment fingerprinting study within the context of the scale of observation and the hydro-geomorphic connectivity of the watershed.

Materials and methods

Geochemical and radionuclide fingerprints were used to discriminate between the three potential sediment sources identified: topsoil, streambanks, and shale bedrock. Suspended and bed sediment samples were collected over the course of 3 years at six locations along the main stem of the creek, ranging from 3rd- (48 ha) to 7th-order (7441 ha) drainage basins. Four sediment fingerprint properties were selected that met statistical- and process-based selection criteria and the Stable Isotope Analysis in R model was used to estimate the proportion of sediment derived from each source at each sampling location in the watershed.

Results and discussion

The suspended sediments in the upper reaches were dominated by topsoil sources (64%–85%), whereas the suspended sediments moving through the lower reaches and being exported from the watershed had a higher proportion of sediment coming from streambank (32%–51%) and shale bedrock (29%–40%) sources. The switch in the sources of sediment between the headwaters and the watershed outlet are due to: (1) changes in sediment storage and connectivity; (2) a transition in the dominant erosion processes from topsoil to streambank erosion; and (3) the incision of the stream through the shale bedrock as it crosses the Manitoba Escarpment.

Conclusions

The results of this sediment fingerprinting study demonstrated that there was a switch in sediment sources between the headwaters and the outlet of the watershed. This research highlights the importance of the sampling location, in relation to the scale and geomorphic connectivity of the watershed, on the interpretation of results derived from the sediment fingerprinting technique, particularly in terms of developing suitable watershed BMPs to protect surface waters.     

黄土丘陵区淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移特征

了解淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移的变化特征对正确认识和评价淤地坝的减蚀作用有重要意义.该文通过对黄土丘陵区王茂沟流域1953-2015年不同时段内淤地坝的拦沙量和流域出口输沙量的分析,研究了坝系建设后泥沙拦蓄、输移和侵蚀的变化过程与特征.研究表明,王茂沟流域年均拦沙模数呈减少-增加-再减少的波动变化趋势;流域年均输沙模数呈先增加后减少的变化趋势;1953-1986年期间,不同阶段的年均侵蚀模数变化不大,1987年后呈显著下降趋势.流域治理后期与初期相比,年均拦沙模数、输沙模数和侵蚀模数分别下降了79.3％、90.6％和83.9％.淤地坝建设初期,有效库容对流域拦沙模数和输沙模数的变化有重要影响,侵蚀性降雨频发和较低的水土流失治理度是侵蚀强烈的主要因素;流域治理后期,侵蚀性降雨及其发生频次的减少,水土流失治理度的提高与稳固,是流域拦沙、输沙和侵蚀产沙显著下降的主要原因.淤地坝在控制流域侵蚀产沙、减少泥沙输移方面作用显著,但要达到持续有效的作用,坡面治理不容忽视,两者兼顾是黄土丘陵区水土保持的必由之路.     

山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征

为探究山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征,本研究选择裸地坡面径流小区为研究对象,利用小区观测法得到的降雨、径流以及泥沙等资料,通过频率分析法拟定研究区侵蚀性降雨标准,并运用数理统计方法从时间、降雨强度、降雨侵蚀力角度分析侵蚀性降雨分布特征.结果表明:1)该研究区侵蚀性降雨标准为降雨量17.3 mm;2)7月份侵蚀性降雨场次、降雨量、径流量和产沙量占侵蚀性降雨比例为42.31％、45.71％、85.78％和97.97％,其他月份侵蚀性降雨分布较少;3)大雨、暴雨以上侵蚀性降雨,高降雨强度型降雨场次分别占相应雨量等级比例为60％和100％,其产沙量所占比例分别为75.07％、100％;4)降雨侵蚀力＞1000MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨产沙量占侵蚀性降雨比例为95.26％,其径流深是≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨3倍以上.以上研究表明,研究区侵蚀性降雨标准为17.3 mm,其主要分布在中雨以上雨量等级,造成严重土壤侵蚀的侵蚀性降雨多为高降雨强度型降雨或降雨侵蚀力＞1 000 MJ·mm/(h.hm2)的降雨,且其多分布于7月份.本文结果有助于研究区小流域侵蚀性降雨规律分析以及土壤侵蚀规律研究.     

Soil and phosphorus redistribution along a steep tea plantation in the Feitsui reservoir catchment of northern Taiwan

Abstract

Feitsui reservoir, the major water supply of Taipei city, has shown declining water quality in recent years. The reservoir is located in an area famous for tea cultivation, and the question arises as to whether the hillside tea plantations have contributed to increased sediment and nutrient discharge into the reservoir. In this study, soil and phosphorus redistribution were examined along a steep tea plantation in the reservoir's catchment and the provenance of reservoir sediment was assessed. Fallout radionuclides were used as soil erosion/deposition tracers and as markers of sediment sources. Continuous fertilizer application has raised (inorganic) phosphorus levels in the studied tea plantation. The plantation's narrow bench terraces trap eroded material and slow down soil and nutrient translocation. Nevertheless, eroded soil and phosphorus have accumulated on a vegetated toeslope below the tea plantation. The reservoir sediment contained significant amounts of inorganic phosphorus and cesium-137, and application of a mixing model resulted in a surface soil contribution of approximately 30%. This points towards tea plantations as possible sediment and pollutant sources and underlines the necessity of soil conservation strategies, such as the maintenance of vegetated riparian buffer zones. However, other sources, such as landslide debris and urban wastewaters, cannot be entirely ruled out. Further research is needed to better characterize the catchment's soils and sediments and to improve sediment fingerprinting efforts. Potential point and non-point pollution sources need to be examined in detail to better understand how phosphorus enters the reservoir.     

基于土壤颗分粒径的泥沙来源量化研究

[目的]揭示黄土高原风水复合侵蚀区风力作用对水蚀的影响,为具有不同泥沙粒径侵蚀物质来源识别提供一种有效的方法支撑,也为风水复合侵蚀区侵蚀泥沙来源辨识提供理论参考。[方法]以覆沙模拟风蚀产物,基于室内模拟试验,研究覆沙之后坡面侵蚀发育特征,同时为了有效区分不同时刻侵蚀物质的来源,尝试采用泥沙粒径作为指纹因子进行侵蚀泥沙来源贡献的辨识。[结果]不同泥沙粒径组的3个指纹因子(粒径范围分别为：26.303～34.674,104.713～138.038,138.038～181.970μm)通过检验被确定为最佳指纹因子。基于最佳指纹因子,通过多元混合模型计算得出,在对同一土槽进行的3个阶段模拟降雨试验中覆沙层和黄土层的平均泥沙贡献率分别为48.2%和51.8%,24.8%和75.2%,6.8%和93.2%,且MAF>0.8。覆沙层的泥沙贡献率为第一阶段试验>第二阶段试验>第三阶段试验,计算结果与DEM相吻合。[结论]泥沙源地和侵蚀泥沙中的不同泥沙粒径组可作为指纹因子进行泥沙来源辨别,复合指纹法具有较好的适用性。     

西南喀斯特小流域地表、地下河流细粒泥沙来源的137Cs和磁化率双指纹示踪研究

在黔中喀斯特高原农林复合生态系统峰丛谷地小流域,利用¹³⁷Cs和磁化率双指纹因子对碳酸盐岩表层土壤(坡地和坝地)、深层土壤(沟道和洞穴/裂隙)以及碎屑岩夹层岩屑3类来源开展指纹特征分析,通过多元混合模型对流域暴雨过程侵蚀悬移质泥沙进行指纹复合示踪,并计算小流域地表及地下出口输出泥沙的主要来源及相对贡献率。结果表明:¹³⁷Cs和磁化率在碳酸盐岩表层土壤、深层土壤以及碎屑岩夹层岩屑3类来源存在显著差异,流域内表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑的¹³⁷Cs和磁化率平均含量分别为3.39 Bq/kg和310.07×10^-8 m^3/kg、0.50 Bq/kg和180.69×10^-8 m^3/kg、0 Bq/kg和7.02×10^-8 m^3/kg。表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑对流域地表出口泥沙的相对贡献分别为16.2%,4.3%和79.5%,拟合优度为99.97%;表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑对流域地下出口泥沙的相对贡献分别为<0.1%,37.9%和62.1%,拟合优度为83.80%。喀斯特流域泥沙来源区别于其他碎屑岩流域具有的特点为:(1)碳酸盐岩风化表层土壤来源少,对河流泥沙贡献小,主要贡献于地表河流。(2)无论流域地表出口还是地下出口,河流泥沙来源主要为流域中碳酸盐岩所夹的少量(地面物质组成<10%)的碎屑岩夹层岩屑。(3)深层土壤略有贡献,地下河流贡献比例高于地表河流。另外,¹³⁷Cs和磁化率可作为双指纹示踪物较好地示踪喀斯特小流域地表、地下河流泥沙来源和确定相对贡献率。     

紫色土小流域土壤流失对不同土地利用类型的响应

 小流域土壤流失特征不仅反映了流域的土地利用和管理状况,而且对其下游水体环境和水利设施安全具有深刻的影响。1999—2000年间以紫色土区3个具有不同集水面积、物理特征和土地利用类型的典型小流域为研究对象,探讨不同雨型下土壤流失对不同土地利用类型的响应特征。中大型降雨和间歇型降雨侵蚀下,以林地为主要土地利用类型的流域输沙模数最小,平均为866kg·hm-2,谷地农田利用类型最高,平均为5 550kg·hm-2。次降雨侵蚀力和次降雨峰值径流流量,分别是紫色土区非林地和林地利用为主小流域输沙模数变异的主要影响因子。