利用生物標(biāo)志物和復(fù)合指紋分析法識(shí)別小流域泥沙來(lái)源.pdf

1、劇烈的土壤侵蝕導(dǎo)致耕地減少，土地生產(chǎn)力下降，生態(tài)環(huán)境破壞，并全面制約農(nóng)業(yè)、林業(yè)及畜牧業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。洪水?dāng)y帶大量的泥沙涌入河道，使河水變渾濁、透光性變差，降低水體初級(jí)生產(chǎn)力（浮游藻類等生物生長(zhǎng)受阻等）;抬高河床，堵塞河道，導(dǎo)致河床表面伏流交換減少（壓縮水生生物棲息空間等）;同時(shí)，河流細(xì)顆粒泥沙控制著水體中養(yǎng)分輸移與轉(zhuǎn)化、重金屬物質(zhì)遷移、有毒有機(jī)物及無(wú)機(jī)物吸附與解析等行為，直接威脅水質(zhì)安全。因此，因河道中泥沙增多而引發(fā)的一系列水環(huán)境效應(yīng)

2、已經(jīng)成為當(dāng)前土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，而識(shí)別河道中泥沙來(lái)源是針對(duì)性治理泥沙源區(qū)、控制水土流失的先決條件。
　　黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，尤其是位于黃河中游的黃土高原多沙粗沙區(qū)，是黃河泥沙的主要來(lái)源。淤地壩是黃土高原地區(qū)防治水土流失的一種重要工程措施之一，自20世紀(jì)中葉以來(lái)，累積約11萬(wàn)余座淤地壩廣泛分布于黃土高原，淤地壩不僅能防止水土流失，還能形成壩地，提供可利用的水土資源。小流域中各泥沙源地的泥沙被洪水?dāng)y帶出流域

3、，并在淤地壩內(nèi)沉積，每場(chǎng)侵蝕性降雨形成一層沉積旋回，該沉積旋回的泥沙中蘊(yùn)藏了大量的流域侵蝕歷史環(huán)境信息，是研究小流域侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律的良好載體。在缺失流域監(jiān)測(cè)資料的情況下，淤地壩沉積旋回所蘊(yùn)含的信息成為唯一能夠記錄流域泥沙來(lái)源及侵蝕環(huán)境變化信息的來(lái)源。本文基于壩地沉積旋回泥沙樣和壩控小流域內(nèi)不同土地利用類型土樣，對(duì)其分子標(biāo)志物及地球化學(xué)元素進(jìn)行分析，建立辨別泥沙來(lái)源的指紋模型，旨在為更精確的指紋識(shí)別泥沙來(lái)源提供技術(shù)支持，并直接從泥沙的角度探

4、討退耕初期還林和自然休耕的水土保持效果以及在地質(zhì)條件差異不大的情況下，使用分子標(biāo)志物泥沙指紋識(shí)別典型農(nóng)業(yè)小流域在30年內(nèi)的產(chǎn)沙變化，主要結(jié)果和結(jié)論如下:
　　(1)使用胡家灣流域內(nèi)的5種潛在泥沙源地及5個(gè)沖擊鉆土壤核心樣品，分析源-匯土壤的地球化學(xué)元素，作為傳統(tǒng)的指紋識(shí)別因子，采用復(fù)合指紋技術(shù)，利用Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)與多元逐步判別分析，建立復(fù)合指紋模型，為農(nóng)業(yè)小流域提供有效的泥沙來(lái)源信息。結(jié)果表明，在胡家灣流域，

5、溝道依舊是土壤侵蝕的主要泥沙來(lái)源，占全流域泥沙的34.7％，農(nóng)地也是該流域非常重要的一個(gè)泥沙源地，占27.9％，與其他區(qū)域不同的是，在本流域，未成熟的林地貢獻(xiàn)了21.7％的泥沙，天然草地貢獻(xiàn)12.7％，自然休耕地幾乎不貢獻(xiàn)泥沙，僅有3.0％的泥沙源自休耕地。流域生態(tài)水文條件的變化導(dǎo)致地被物、林下植被不發(fā)達(dá)、土壤裸露、這些因素導(dǎo)致土壤容易發(fā)生侵蝕。林地及自然休耕地的泥沙貢獻(xiàn)率均小于農(nóng)地，這說明，退耕還林仍然是一種有效的水保策略，但是關(guān)于退

6、耕還林或還草的群落構(gòu)建方案還有待商榷。從管理角度來(lái)看，還林可能更適用于降雨或者其他條件更適合的區(qū)域，在干旱及半干旱的黃土高原，休耕地具有更好的泥沙攔截作用，自然休耕可能是一個(gè)更有效的水土保持策略。
　　(2)在上節(jié)研究的基礎(chǔ)上，收集新近淤積的三層沉積旋回樣品（9個(gè)泥沙剖面），并將退耕地不再作為潛在泥沙源地，使用分子標(biāo)志物建立泥沙指紋模型，對(duì)胡家灣流域三場(chǎng)次降雨的泥沙來(lái)源進(jìn)行源解析。結(jié)果顯示，由CPI、OEPM、 C28、C21、C

7、24、C26的分子標(biāo)志物最佳指紋組合正確判斷了86.7％的泥沙。使用遺傳算法對(duì)混合模型求解得出，林地是這三層沉積旋回最主要的泥沙來(lái)源，占總泥沙含量的50.5％，其次為農(nóng)地，貢獻(xiàn)了25.6％，溝道和草地分別貢獻(xiàn)了9.5％和14.4％的泥沙。地球化學(xué)元素的結(jié)果與分子標(biāo)志物接近，但是地球化學(xué)元素可能會(huì)高估林地的泥沙貢獻(xiàn)率。本研究說明在地質(zhì)條件差異較小或者一種土地利用類型跨越好幾種地質(zhì)條件的情況下，分子標(biāo)志物也能用來(lái)識(shí)別泥沙來(lái)源;再者，傳統(tǒng)的地

8、球化學(xué)元素不能提供詳細(xì)的土地利用信息，而分子標(biāo)志物則可以精確到物種，例如在農(nóng)業(yè)小流域中不同的物種之間（例如玉米、大豆等）的泥沙來(lái)源，分子標(biāo)志物指紋法能夠?yàn)楦泳_的流域泥沙管理策略提供技術(shù)支持。
　　(3)為了研究分子標(biāo)志物在長(zhǎng)時(shí)間尺度上能否追蹤泥沙來(lái)源，本文選取了黃土高原典型農(nóng)業(yè)小流域-埝堰溝流域，采集三種土地利用類型的源樣（農(nóng)地、溝道、陡坡各9個(gè)）及沉積泥沙樣品（沖擊鉆樣品，47層旋回），并分別分析其傳統(tǒng)地球化學(xué)元素及分子標(biāo)志

9、物。由于土壤及地質(zhì)條件均一，在埝堰溝小流域地球化學(xué)元素不能很好的辨別泥沙來(lái)源，尤其是在分辨溝道及陡坡時(shí)，效果很差。然而，使用正構(gòu)烷烴指紋因子則能很好的識(shí)別不同源地之間的泥沙來(lái)源。在所有的泥沙旋回中，短鏈及中鏈的正構(gòu)烷烴具有很明顯的偶奇優(yōu)勢(shì)(EOP)。這是由于一系列的細(xì)菌或者藻類代謝產(chǎn)生短鏈烷烴(C15-C20)，同時(shí)，在流域高碳酸鈣環(huán)境下，源自高等植物的偶數(shù)飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為正構(gòu)烷烴。因此，在本流域中，僅有長(zhǎng)鏈技術(shù)碳鏈烷烴可以用來(lái)識(shí)別泥沙

10、指紋。指紋因子通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)得出最佳指紋因子組合:由C29，C27及C31組成的最佳指紋因子能夠判別三類源地超過95％的泥沙。使用遺傳算法優(yōu)化的生物指紋識(shí)別結(jié)果顯示，該流域最主要的泥沙源頭是溝道，占全流域的45.0％，其次分別為農(nóng)地(38.2％)及陡坡（16.8％)。生物指紋因子在識(shí)別不同地貌單元（例如溝道及陡坡）上具有顯著的優(yōu)勢(shì)同時(shí)，在土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡(jiǎn)單的流域，分子標(biāo)志物可以作為一個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)指標(biāo)識(shí)別泥沙來(lái)源，使用分子標(biāo)志物指紋方法重建