黄土塬区土地利用变化对地下水补给及水质的影响

发布时间：2020-04-26 16:03

【摘要】：黄土高原土地利用变化(LUC)剧烈,使地表覆盖状况始终处于动态更迭;与此对应,深厚黄土储备的“土壤水库”和“地下水库”出现干燥化和枯竭的问题。大量研究分析了LUC与土壤干燥化的关系,但LUC对地下水枯竭和水质的影响研究很少,不能满足生态建设和地下水资源管理的决策需要。为此,本研究选取黄土高原洛川塬、长武塬和白草塬三个典型塬区为研究区域,分别从定性和定量的角度探讨LUC对深层土壤水分运移的影响;基于氯质量平衡法(CMB),量化土地利用变化下的地下水补给量;测定土壤中NO_3-N浓度,分析LUC与NO_3-N累积迁移的关系,评估塬区水体被NO_3~-污染的风险。主要研究结果如下:1.土壤含水量和土壤水分垂直分布对LUC有显著的响应。本研究中导致三个塬区土壤水分差异的主要原因是气候类型、土壤性质和植被分布状况的共同作用,整体而言,三个塬区的土壤水分分布状况与降雨量呈显著相关,与降雨量相对丰富的长武塬和洛川塬相比,白草塬的干燥化现象更为严重,多数样地达到强烈的干燥化程度,土壤干层厚度也更大;土壤黏粒含量高的地区具有更好的保水性能和优越的水分条件。而在同一地区,植被覆盖状况是导致土壤水分分布差异的主要原因,洛川塬和长武塬农地转果园后土壤水分明显减少(深层土壤水分减少量达27-47%),并且随着果龄的增加土壤水分亏缺加重,并且出现不同程度干燥化现象。2.不同土地利用方式下补给量和入渗速率不同,且三个塬区的地下水补给量存在明显差异。洛川塬区和长武塬区荒地/农地转变成果园后,补给量显著减少,且补给量与果龄之间呈显著的负相关关系。白草塬气候干旱,土壤持续性干燥化阻断了降雨-土壤水-地下水系统的循环路径,补给量远小于其他两个塬区。基于活塞流补给的假定计算降水到达地下水的时间,洛川塬、长武塬和白草塬分别需要167-834年、106-568年和298-3345年,可见近几十年LUC对土壤水分的影响还不能达到地下水,但百年后将严重威胁地下水资源的可持续性。3.LUC导致土壤氮素的累积与淋溶特征发生变化,进而影响地下水水质。洛川塬和长武塬果园NO_3-N含量普遍大于荒地/农地,有明显的峰值出现,峰值的宽度和深度、NO_3-N累积量随果龄增大而增大。白草塬农地以外的土地利用方式下NO_3-N浓度较低,没有明显峰值。LUC导致NO_3~-进入地下水的速度和数量有所差异。洛川塬地下水NO_3~-输入量为撂荒地和低龄果园高于高龄果园,长武塬农地进入地下水的NO_3~-总量略高于20年果园,白草塬LUC对地下水NO_3~-输入量影响不大。综合评估补给量和溶质浓度对地下水质的影响,发现补给量是影响干旱半干旱区地下水水质的首要因素。
【图文】：

变化曲线,基本类型,土壤,土壤氯

度(Clsm)和降水中氯离子浓度(Clp)存在以下关系：PsmP Cl=R Cl(1-1)式中，P：研究区的年均降雨量(mm/yr)；Clp：年均降雨氯离子加权平均浓度，包括干湿沉降(mg/L)；R：研究区地下水补给量(mm/yr)；Clsm：植物根系作用层以下的氯离子量(mg/L)。在干旱和半干旱条件下，土壤氯离子浓度—土壤深度变化曲线有三种(如图 1-2)：活塞式补给模型(1-2a)，浅层因植物蒸腾和水分蒸发作用土壤氯离子浓度增加，植物系层以下达到稳定值(Clsm)，，此时与地下水中氯离子浓度(Clgw)相近；② 图(1-2b)认为塞式补给与捷径式补给或其他形式的补给方式共存，优先流快速向下补给或地下水位动，使 Clgw降低，此时 Clgw＜Clsm；③ 图(1-2c)与图(1-2b)一样存在其他补给源补给，反映了相应条件下入渗补给的历史和变化过程(Allison 1988)。

地理位置,黄土高原

2.1 研究区概况黄土高原地处我国内陆腹地(E100°54′-114°33′，N33°43′-41°16′)，东西南北分别延伸至贺兰山和日月山、太行山、阴山、秦岭，跨七省，总面积达 62.4 万 km2，约占世界黄土分布总面积的 70%左右。该地区海拔 900-2200m，地形西北高东南低。年均气温 3.6-14.3 ℃，年降雨量 150-800 mm，且多集中在 6-9 月，属典型大陆性季风气候特征。沿西北至东南方向，该区气候类型依次为干旱、半干旱和半湿润气候，土壤质地也呈现明显的地带性分布(Wang et al. 2011)。由于黄土质地疏松，加之历代植被的不合理利用，在降雨频发的季节，水土流失现象十分严重，使其成为世界上生态环境最脆弱的地区。本文所选研究区位于黄土高原西南部的黄土塬区，分别为洛川塬、长武塬和白草塬(图 2-1)，并选取每个塬区中具有代表性的植被类型作为研究对象。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：F301.24;X523

【参考文献】