張信寶，白曉永，周 萍

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;

2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550002;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100029)

侵蝕針或標(biāo)樁法是一種監(jiān)測(cè)地面某點(diǎn)土壤流失(堆積)常用的方法，該方法簡(jiǎn)便易行，多用于監(jiān)測(cè)由流水和風(fēng)力所引起的土壤流失和堆積［1－2］。該方法存在的問題主要是:侵蝕針或標(biāo)樁可能干擾徑流和風(fēng)的流場(chǎng)，影響所測(cè)值的代表性，且易丟失和損壞。由于侵蝕針或標(biāo)樁妨礙犁耕，其方法很難應(yīng)用于對(duì)犁耕侵蝕的測(cè)定。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)犁耕侵蝕量的測(cè)定多采用137Cs、210Pbex核素示蹤法和小石子示蹤法，如英國(guó)、加拿大、比利時(shí)等國(guó)［3－8］和我國(guó)的黃土高原、川中丘陵區(qū)及重慶中梁山石灰?guī)r山地等地區(qū)［9－16］對(duì)犁耕侵蝕的研究。本研究介紹我們最近研制成功的監(jiān)測(cè)土壤點(diǎn)流失和堆積的一種新方法——標(biāo)線法和該方法在貴州普定喀斯特坡地開展的測(cè)定犁耕引起的土壤再分布的試驗(yàn)結(jié)果。

1 標(biāo)線法技術(shù)原理

標(biāo)線法是用孔鉆法或挖坑法在土壤足夠深度處埋設(shè)一堅(jiān)固物體，將尼龍線(標(biāo)線)系于該物體上，垂直拉至地面以上，回填孔、坑，使地面以上的標(biāo)線保留一定的長(zhǎng)度。侵蝕(堆積)發(fā)生前后地面以上標(biāo)線長(zhǎng)度的差值，即為該點(diǎn)的土壤侵蝕(堆積)深度(圖1)。其計(jì)算式為

式中:ΔH為土壤侵蝕(堆積)深度，cm;H為侵蝕(堆積)發(fā)生后地面以上尼龍測(cè)線的長(zhǎng)度，cm;H0為侵蝕(堆積)發(fā)生前地面以上尼龍測(cè)線的初始長(zhǎng)度，cm。

尼龍標(biāo)線平鋪于地面，既細(xì)又柔軟，對(duì)徑流和風(fēng)的流場(chǎng)基本沒有影響，也不妨礙犁耕作業(yè)，因此適合測(cè)定流水和風(fēng)力所引起的土壤侵蝕(堆積)及由犁耕所引起的地塊內(nèi)土壤的再分布。試驗(yàn)地塊選擇好后，用皮尺測(cè)量劃好行(列)，標(biāo)定埋線位置，再打孔埋線。在試驗(yàn)地塊邊做好行(列)的標(biāo)記，記錄每行(列)各點(diǎn)距地塊邊的距離，便于以后尋找各點(diǎn)的尼龍標(biāo)線。

圖1 標(biāo)線法監(jiān)測(cè)土壤流失(堆積)的基本原理示意

2 犁耕侵蝕測(cè)定試驗(yàn)

2009年11月，我們?cè)谫F州普定縣貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所普定試驗(yàn)站所在的陳旗小流域開展了標(biāo)線法測(cè)定犁耕侵蝕的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)地塊為流域右岸坡麓的一塊緩坡旱地，地塊順坡長(zhǎng)24.2 m，坡度3°，寬度大于50 m，土壤為黃色石灰土，種植玉米+油菜兩熟作物。每年用牛犁耕兩次，橫坡翻耕，犁耕土垡一次翻向上坡、一次翻向下坡，犁耕深度約12 cm。試驗(yàn)地的玉米已收割，油菜還未種植。犁耕侵蝕試驗(yàn)區(qū)選擇在地塊中部，采用網(wǎng)格法布置了5列9行共45個(gè)埋線點(diǎn)，列距1.5 m，行距大部分為3.0 m，坡頂和坡腳處的行距略少。在試驗(yàn)區(qū)東約10 m的近上部坡沿處有一臥牛石，該石露出地面的高度為20 cm，據(jù)地塊主人講，此臥牛石30年前尚未露出地面。埋設(shè)于地下的為直徑2 cm、壁厚3 mm、長(zhǎng)5 cm的PVC短管，用尼龍標(biāo)線系于管壁(所使用的尼龍標(biāo)線為5號(hào)釣魚線，標(biāo)準(zhǔn)直徑為0.37 mm)。將PVC短管垂直放置于地面，再將相同直徑的鋼管置于PVC短管之上，錘擊鋼管將系好尼龍標(biāo)線的PVC短管打入土壤，入土深度30 cm左右;提起鋼管，回填土孔，用腳踏實(shí)填土后，用鋼卷尺量測(cè)地面以上保留的尼龍標(biāo)線長(zhǎng)度(30 cm左右)。雇請(qǐng)地塊主人按傳統(tǒng)方法犁耕10次，橫坡翻耕，犁耕土垡一次翻向上坡、一次翻向下坡。犁耕的地塊寬度8.5 m，略大于試驗(yàn)區(qū)寬度6.0 m。犁耕結(jié)束后，耙平地面，尋找到埋線點(diǎn)后，用腳踏實(shí)埋線點(diǎn)處的土壤，使土壤緊實(shí)度盡可能接近犁耕前的土壤，再用鋼卷尺量測(cè)地面以上的尼龍標(biāo)線長(zhǎng)度。此次試驗(yàn)后，埋設(shè)的尼龍標(biāo)線將長(zhǎng)期保存，用于試驗(yàn)地塊徑流和犁耕疊加侵蝕的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

各埋線點(diǎn)犁耕前后量測(cè)的地面以上尼龍標(biāo)線長(zhǎng)度的差值即為該點(diǎn)的犁耕侵蝕(堆積)深度。由圖2中5列9行犁耕侵蝕(堆積)深度的平均值的順坡變化可知，占總坡長(zhǎng)約2/3、L=18.9 m以上的地塊中上部，犁耕導(dǎo)致土壤流失，坡頂?shù)那治g深度最大，第一行平均值為－3.0 cm，順坡向下侵蝕深度逐漸減少。以每年犁耕2次計(jì)，則10次犁耕相當(dāng)于5年耕種，坡頂?shù)那治g速率為0.67 cm/a，和臥牛石30年露出20 cm的實(shí)際情況相符;占總坡長(zhǎng)約1/3、L=18.9 m以下的地塊下部，犁耕引起土壤堆積，堆積深度順坡向下迅速增加，在坡腳處最大，平均值為5.7 cm。侵蝕和堆積區(qū)的坡長(zhǎng)約分別占總坡長(zhǎng)的2/3和1/3。犁耕也引起了土壤橫坡方向的遷移，中間3列B、C、D各埋線點(diǎn)侵蝕、堆積深度的和分別為 －4.2、－5.6和 －7.8 cm ，表明這3列土壤明顯流失;邊列A和E的和分別為7.0和10.4 cm，表明土壤有堆積。據(jù)地塊主人介紹，橫坡犁耕不可避免地要將地塊中部的土壤搬運(yùn)到地塊的兩側(cè)，造成整個(gè)地塊的地面呈簸箕形，中間低兩邊高。

圖2 試驗(yàn)地橫坡犁耕10次后各埋線點(diǎn)的土壤侵蝕(堆積)量

犁耕使得地塊內(nèi)土壤重新分布，但不將土壤帶出地塊，理論上地塊內(nèi)土壤流失、堆積的總量為0。根據(jù)5列各行的侵蝕(堆積)深度平均值(表1)，用加權(quán)法計(jì)算了試驗(yàn)區(qū)單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量。計(jì)算式為

式中:ΔW為單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量，m3/m;h為量測(cè)的各行土壤侵蝕(堆積)平均深度，cm;L為行距，m。

表1 試驗(yàn)地犁耕后標(biāo)線長(zhǎng)度隨坡長(zhǎng)的變化

計(jì)算求得試驗(yàn)區(qū)單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量不等于0，為－0.0328 m3/m，說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)存在著土壤流失。我們認(rèn)為，這是土壤假“流失”，造成這一現(xiàn)象的主要原因有三:①如前所述的橫坡犁耕將部分土壤帶出埋線試驗(yàn)區(qū);②用腳踏實(shí)的犁耕后埋線點(diǎn)處土壤的緊實(shí)度可能高于犁耕前的土壤。③測(cè)量誤差，包括讀數(shù)誤差和尺子平衡誤差。為了計(jì)算順坡運(yùn)移土壤的犁耕通量，取試驗(yàn)區(qū)單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量ΔW=0，對(duì)各行的侵蝕(堆積)量測(cè)平均值進(jìn)行了校正。計(jì)算式為

式中:hx為校正后的土壤侵蝕(堆積)深度，cm。

根據(jù)校正后的各行侵蝕和堆積深度的平均值，采用加權(quán)法計(jì)算的試驗(yàn)區(qū)單寬斷面土壤流失量和堆積體積總量分別為0.208、0.210 m3/m，兩值差別不大。取兩值的平均值 0.209 m3/m，土壤容重γ=1.2 g/cm3，1年犁耕2次，求得試驗(yàn)地塊的順坡犁耕通量為52.6 kg/(m·a)。此值和傅瓦利等用小石子示蹤法測(cè)得的重慶中梁山黃色石灰土的犁耕通量值42.4～61.5 kg/(m·a)、緩坡地的犁耕通量值 42.4 kg/(m·a)［15－16］相符，也和其他研究者測(cè)得的黃土高原黃綿土和川中丘陵區(qū)紫色土的犁耕通量值24.1～67.2 kg/(m·a)相吻合［9－14］。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)用標(biāo)線法測(cè)定土壤侵蝕簡(jiǎn)便易行、投入低，標(biāo)線隱蔽性強(qiáng)、不易被發(fā)現(xiàn)破壞。測(cè)得的試驗(yàn)地塊坡頂?shù)睦绺治g速率和實(shí)際情況相符，地塊的順坡犁耕通量和其他研究者用小石子或137Cs、210Pbex核素示蹤法測(cè)得的犁耕通量基本一致，說(shuō)明了這種方法的測(cè)定結(jié)果是可靠的。

(2)標(biāo)線法解決了侵蝕針或標(biāo)樁法可能干擾徑流和風(fēng)流場(chǎng)的問題，又不妨礙犁耕，可廣泛應(yīng)用于流水侵蝕、風(fēng)蝕和犁耕侵蝕的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。標(biāo)線法測(cè)得的是土壤點(diǎn)侵蝕(堆積)量值，有別于徑流小區(qū)測(cè)得的是面平均侵蝕情況，非常適用于侵蝕順坡變化的研究。

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