三峡库区紫色砂岩与石灰岩复合小流域泥沙来源研究

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泥沙来源研究对于认识不同源区的侵蚀产沙过程有重要意义。紫色砂岩和石灰岩在三峡库区广泛分布,两种岩性条件下侵蚀产沙过程迥异。在小流域尺度上研究紫色砂岩与石灰岩坡地对沉积泥沙的贡献比例,即泥沙来源,有益于认识喀斯特和非喀斯特坡地侵蚀产沙规律特征,可为两种岩性环境下水土保持措施应用提供科学依据,相关研究未见报道。选取三峡库区马家湾复合岩性小流域作为研究对象,将潜在源地划分为紫色砂岩区和石灰岩区,流域下游淤地坝为沉积物区。采集物源区表层样品166个,淤地坝土壤钻芯分层样品158个,测定样品中地化元素指标22种,土壤颜色指标17种。使用复合指纹示踪技术对两种源地泥沙贡献率进行计算,结合放射性核素定年方法获得沉积物年代学时标,通过计算不同阶段沉积速率,得到近100年以上马家湾复合小流域泥沙来源变化趋势。结果表明:(1)通过极值范围检验和均值范围检验,筛选具有保存性的指纹因子。地化元素指标共有9个因子通过范围检验,土壤颜色指标共有8个因子通过范围检验。利用Kruska1-Wallis H检验筛选两种潜在源地中具有显著差异,且能区分不同泥沙来源的指纹因子(P<0.050)。地化元素和土壤颜色共17个因子均呈现显著差异特征。逐步判别分析显示,地化元素最佳指纹组合是:Sr,Mo,K,V,Fe,Lu和Li共7种,累计判别率为96.6%,样本归类判别正确率为100%;土壤颜色最佳指纹组合为:G,RI和IRGB,共3种,累计判别率为89.3%,样本归类判别正确率为94.6%。地化元素和土壤颜色符合指纹示踪技术的应用要求,同意代入多元混合模型。(2)使用多元混合模型,运行1000次蒙特卡洛模拟,结合地化元素最佳指纹因子组合,通过对9个土壤钻芯的垂直深度上的分层样品计算潜在来源泥沙贡献率,得到紫色砂岩区和石灰岩区平均泥沙贡献率分别为73.5%,26.5%,拟合优度为0.89。将土壤颜色最佳指纹组合带入多元混合模型计算,得到紫色砂岩区和石灰岩区平均泥沙贡献率分别为58.4%,41.6%,拟合优度为0.77,对比两种因子类型拟合优度,可以认为地化元素指纹组合区分源地效果优于土壤颜色。(3)使用地化元素最佳指纹组合,结合多元混合模型以及蒙特卡洛模拟,计算9个土壤钻芯垂直深度的分层样品的泥沙贡献率,发现在深度方向上两种岩性贡献率变化不明显。测定土壤钻芯沉积物样品中放射性核素活度,分析得到沉积物对应深度下1920,1954,1963年时间标尺,结合深度信息计算历史上马家湾小流域沉积速率,以反映侵蚀强度变化,结果表明:9个土壤钻芯在1963-2020年期间沉积速率达到近100年来最低,1954-1963年期间沉积速率均达到最高,并且紫色砂岩区沉积速率显著高于石灰岩区。对以上结果进行分析,发现紫色砂岩坡地的泥沙贡献比例高于石灰岩坡地;自土壤钻芯底部向上,总体而言,紫色砂岩泥沙坡地泥沙贡献率呈增加的趋势,相反石灰岩坡地泥沙贡献率呈降低趋势;近100年以来两种岩性的沉积速率先增加再降至最低。这反映了两种岩性坡地在土壤发育、地质条件和人类活动共同影响下,形成侵蚀产沙的不同特征和规律。在两种岩性控制下,紫色砂岩区成土速率快,土层深厚,耕作强度高,相反石灰岩区成土速率慢,石漠化发展导致岩石出露,限制耕作活动进一步发展,这是导致砂岩坡地泥沙贡献率高于石灰岩坡地,且呈增加趋势的原因。两种岩性区泥沙沉积速率变化反映了近100年以来人类活动影响下侵蚀产沙的变化规律。石漠化过程限制了石灰岩区的侵蚀产沙,紫色砂岩区无石漠化过程,比较而言其侵蚀产沙不受岩性限制。
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