張加瓊, 劉 章, 楊明義, 張風(fēng)寶, 王永吉, 鄧鑫欣

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 陜西 楊凌 712100; 3.包頭稀土研究院, 內(nèi)蒙古 包頭014030)

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶受風(fēng)蝕和水蝕的交錯(cuò)作用，土壤侵蝕潛能高于風(fēng)蝕為主的干旱區(qū)和水蝕為主的濕潤(rùn)區(qū)[1-2]。水蝕和風(fēng)蝕相互增加侵蝕的物質(zhì)來(lái)源，相互促進(jìn)，導(dǎo)致風(fēng)水復(fù)合侵蝕的危害比單純的風(fēng)蝕或水蝕更嚴(yán)重，使得水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶成為黃土高原土壤侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū)，也是黃河下游河床泥沙的重要來(lái)源地。該區(qū)地形復(fù)雜，地面物質(zhì)組成多樣，生態(tài)環(huán)境脆弱[3,5]，土壤侵蝕過(guò)程和機(jī)制比水蝕為主和風(fēng)蝕為主的區(qū)域更加復(fù)雜[6-8]，土壤侵蝕研究面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，治理工作難度巨大。加強(qiáng)該區(qū)域的土壤侵蝕研究，對(duì)制定科學(xué)的水土流失治理措施，改善生態(tài)環(huán)境，確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性具有重大意義，也有益于黃河泥沙治理。

核示蹤技術(shù)于20世紀(jì)60年代初開(kāi)始被引入到土壤侵蝕研究領(lǐng)域后，137Cs，210Pb，7Be，226Ra等廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用較成熟的是137Cs[11-12]。137Cs示蹤技術(shù)首先引入土壤水蝕研究，并逐漸應(yīng)用到土壤風(fēng)蝕研究，目前在土壤水蝕和風(fēng)蝕研究中均得到廣泛應(yīng)用，但在土壤風(fēng)水復(fù)合侵蝕研究中應(yīng)用較少[11-14]。其通過(guò)對(duì)比分析無(wú)侵蝕或沉積發(fā)生的背景值區(qū)域和采樣區(qū)域的137Cs含量差異，選用適宜的模型估算土壤侵蝕速率[10-12]。該方法避免了對(duì)復(fù)雜土壤侵蝕過(guò)程、地面物質(zhì)組成和多種侵蝕營(yíng)力的分析，快捷便利地得到土壤侵蝕結(jié)果，對(duì)研究復(fù)雜條件下的土壤侵蝕具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。粒度作為土壤的基本屬性，是分析土壤顆粒的搬運(yùn)、沉積過(guò)程和機(jī)制，判別侵蝕動(dòng)力條件的重要方法[16-17]。此外，土壤的機(jī)械組成對(duì)上述研究也十分重要。因此，粒度分布廣泛應(yīng)用于海相、河湖相、海陸過(guò)渡相和陸相沉積研究中，為恢復(fù)古氣候，判別沉積環(huán)境，回溯沉積過(guò)程，分析沉積動(dòng)力提供了簡(jiǎn)便、有效的手段[19-22]。然而，受限于水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶土壤侵蝕方式和過(guò)程的多樣和復(fù)雜，尚無(wú)運(yùn)用土壤的粒度分布特征研究坡面侵蝕環(huán)境的研究。

在土壤侵蝕發(fā)生的基本地貌單元(坡面)尺度弄清坡面土壤侵蝕和粒度的空間分布特征，對(duì)探究坡面的侵蝕環(huán)境意義重大。本研究在陜西省神木縣六道溝流域選取代表性坡面，運(yùn)用137Cs示蹤技術(shù)估算土壤侵蝕速率，結(jié)合土壤粒度分布特征，探究坡面土壤侵蝕分布特征及其影響因素，討論水力和風(fēng)力對(duì)坡面侵蝕的影響，對(duì)區(qū)分黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的水蝕和風(fēng)蝕具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

六道溝流域?yàn)辄S土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶典型區(qū)域，位于陜西省神木縣以西14 km，流域面積6.89 km2，主溝道長(zhǎng)4.21 km，自南而北流入窟野河一級(jí)支流。該區(qū)域北依長(zhǎng)城，地處毛烏素沙漠邊緣，自然條件的過(guò)渡性特征十分明顯。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵，地形破碎，風(fēng)沙地貌和流水侵蝕地貌交錯(cuò)分布，植被退化。年際、年內(nèi)氣候變化劇烈，旱洪及沙塵暴災(zāi)害頻繁。降水年際變化大且年內(nèi)集中，年均降水408.5 mm，年際變化劇烈，最大降水量819.1 mm，最小106.8 mm，其中6—9月降水量占全年的80.9%，而且多為大暴雨。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向?yàn)槲鞅?，次主風(fēng)向?yàn)闁|南，東風(fēng)最弱，年均風(fēng)速3.6 m/s，大風(fēng)日數(shù)13.5 d，最多達(dá)44 d，年均沙塵暴日數(shù)11.5 d，最多達(dá)22 d。

1.2 樣品采集和分析

選取走向?yàn)閺谋镜厥⑿酗L(fēng)向(NW)到最弱風(fēng)向(E)方向的坡面，從NW坡腳到E坡中下部(坡下部為深溝)布設(shè)樣線，使用土鉆法采集土壤樣品，分別用于測(cè)定137Cs活度和土壤粒度(圖1)。137Cs活度樣品采集深度為0—30 cm；粒度樣品在每個(gè)采樣點(diǎn)分三層采集(0—5 cm，5—10 cm和10—15 cm)，同時(shí)在每個(gè)采樣點(diǎn)使用環(huán)刀法采集表層土壤容重樣品。沿樣線共選取33個(gè)樣點(diǎn)，其中19個(gè)分布于NW坡，14個(gè)分布于E坡。采樣的同時(shí)，在各個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)定坡面坡度(坡度儀)，調(diào)查植被種類、蓋度(樣方法)，記錄土壤類型和土地利用類型等。土壤樣品經(jīng)預(yù)處理后使用伽馬能譜儀(ORTEC公司，美國(guó))在661.6 keV測(cè)定137Cs活度，使用Mastersizer 2 000(馬爾文公司，英國(guó))測(cè)定粒度。樣品測(cè)試于2015年1月在中國(guó)科學(xué)院黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，粒度參數(shù)采用Folk-Word圖解法公式計(jì)算，顆粒分級(jí)采用Udden-Wentworth分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即：>8Φ黏粒、4～8Φ為粉粒、2～4Φ為細(xì)沙、1～2Φ為中沙、-1～1Φ為粗沙，<-1Φ為礫石。

1.3 土壤侵蝕估算

采樣坡面包括耕地、退耕地和沙地。退耕地于2000年后陸續(xù)退耕，耕作期間連年翻耕，其翻耕年數(shù)遠(yuǎn)大于未翻耕年數(shù)(退耕后)，且退耕后恢復(fù)為草地或種植檸條、沙柳，土壤侵蝕速率明顯減小。沙地在采樣深度(0～15 cm)內(nèi)顆粒粒度分布均勻(見(jiàn)3.1)，與耕地的耕作層類似。因此，所有采樣點(diǎn)均使用以下質(zhì)量平衡模型估算土壤侵蝕速率：

E=104Bh

(1)

(2)

式中：E為土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；B為實(shí)測(cè)土壤密度(g/cm3)；h為年均侵蝕厚度(cm/a)；X為實(shí)際測(cè)得的侵蝕土壤剖面137Cs含量(Bq/m2)；X0為137Cs背景值(Bq/m2)；H為耕作層厚度(cm)，在研究區(qū)取值20 cm；N為樣品采樣和測(cè)試年份(2014年)。孫喜軍2009年在本研究坡面附近選擇位于一百年古廟旁無(wú)侵蝕和沉積發(fā)生的草地，采用土鉆采集0表示30 cm沙黃土樣品(11個(gè))，結(jié)果顯示137Cs背景值為1 290 Bq/m2，依據(jù)以下方法將137Cs衰變校正到2014年，本區(qū)域沙黃土的137Cs背景值為1 150 Bq/m2。

(3)

式中：XN為校正到第N年的137Cs含量(Bq/m2)；Xn為原文獻(xiàn)中第n年的137Cs含量(Bq/m2)；T為137Cs的半衰期，30.2年。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒度的坡面分布特征

土壤粒度分析結(jié)果顯示，各粒度參數(shù)隨深度增加無(wú)明顯變化，兩坡土壤粒徑和分選性均有劇烈的波動(dòng)變化。NW坡(4.0Φ)的土壤明顯比E坡細(xì)(2.9Φ)；分選性比E坡略好，但兩坡分選程度均為“分選差”。NW坡的沙地采樣點(diǎn)(樣點(diǎn)2，6，12，14)土壤顆粒粗，平均粒徑比NW坡面的總體平均值小1.8Φ。E坡沙地顆粒較粗(2.3Φ)，其中位于沖溝下部的樣點(diǎn)23顯著變粗，坡頂和坡底的沙黃土區(qū)域土壤較細(xì)(4.5Φ)。對(duì)位于坡頂附近的耕地，E坡的坡耕地粒徑比NW坡粗0.5Φ(圖2)。

圖1 沿樣線的坡面地形、采樣點(diǎn)分布和土地利用示意圖

圖2 坡面土壤粒度和分選性沿樣線的變化

坡面土壤以細(xì)沙(2～4Φ)為主(39.8%)，中沙(20.3%)和粉粒(28.4%)是重要組分，粗沙(6.1%)和黏粒(5.1%)含量較少。黏粒、粉粒和極細(xì)沙(3～4Φ)(細(xì)顆粒)含量沿樣線的變化規(guī)律與平均粒徑的變化類似，細(xì)沙中的較粗(2～3Φ)組分、中沙和粗沙(粗顆粒)含量的變化與之相反(圖3)。除粗沙外的其余組分含量在NW坡和E坡均存在顯著差異(p<0.05)。細(xì)顆粒在NW坡的含量較高，尤其是粉粒，NW坡的平均含量比E坡高17.7%；粗顆粒中的中沙坡面差異最大，E坡平均比NW坡高12.6%。各組分含量在兩坡面變化程度最小的為細(xì)沙(變異系數(shù)16.6%)，最大的為粗沙(變異系數(shù)114.8%)。

2.2 土壤侵蝕速率

137Cs含量的變化顯示，對(duì)整個(gè)坡面，土壤侵蝕速率波動(dòng)變化明顯，NW坡中部偏下土壤侵蝕速率最小[平均7 281.5 t/(km2·a)]，E坡的沙地最大[平均18 484.5 t/(km2·a)]。對(duì)NW坡，土壤侵蝕速率從坡腳到坡中減小，從坡中到坡上增大。坡底耕地(樣點(diǎn)1～4)和下部退耕地(樣點(diǎn)5—7)平均侵蝕速率類似，坡面中部偏下(樣點(diǎn)8—10)為退耕草地，地勢(shì)平緩(圖1)，土壤侵蝕為整個(gè)坡面最小。坡面中上部為退耕地，其中覆沙區(qū)域(樣點(diǎn)11—14)侵蝕速率和波動(dòng)性大于無(wú)沙區(qū)域(樣點(diǎn)15,16)。坡面上部耕地(樣點(diǎn)17—19)侵蝕速率大于其相鄰的退耕地。對(duì)E坡，由坡頂向下土壤侵蝕速率逐漸變減小。E坡上部耕地(樣點(diǎn)20—21)侵蝕速率較小，中部為沙地(樣點(diǎn)22—31)侵蝕嚴(yán)重，尤其是其中發(fā)育沖溝的部位[27 115.9 t/(km2·a)]侵蝕最嚴(yán)重，有植被的區(qū)域侵蝕速率較發(fā)育沖溝的風(fēng)積沙覆蓋區(qū)域(沙地)(樣點(diǎn)23—31)小，坡面下部種植檸條、沙柳的沙黃土區(qū)域侵蝕速率較沙地極顯著減小(p<0.01)。對(duì)位于坡頂附近的耕地，E坡耕地侵蝕速率小于NW坡(圖4)?；诋?dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向，E坡為背風(fēng)坡，當(dāng)土壤僅發(fā)生風(fēng)蝕時(shí)，E坡侵蝕最小，甚至發(fā)生沉積，然而本研究顯示，E坡中部發(fā)育沖溝的部位侵蝕速率為整個(gè)坡面最大，可見(jiàn)，水蝕度該坡面土壤侵蝕的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于風(fēng)蝕，是該坡面的主要侵蝕方式。綜上，坡面部位、坡度、植被、土壤類型、土地利用類型和侵蝕方式均影響坡面土壤侵蝕速率。

圖3 坡面土壤組分含量沿樣線的變化

圖4 137Cs含量和土壤侵蝕速率的坡面分布

2.3 顆粒粒徑和土壤侵蝕速率坡面分異的影響因素

2.3.1 地形、植被、土壤類型和土地利用類型的影響 顆粒粒徑和土壤侵蝕速率的坡面分異均指示了坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的影響。對(duì)樣線代表性采樣點(diǎn)的分析表明，風(fēng)積沙的可蝕性大于沙黃土(表1 a,b組)，NW坡上部侵蝕速率大于坡腳(表1 d組)，耕地侵蝕速率大于退耕地(表1 e組)。對(duì)整個(gè)采樣線，無(wú)論坡面部位和土壤類型，總體上平均侵蝕速率沙地[18 484.5 t/(km2·a)]>耕地[12 671.1 t/(km2·a)]>退耕地[9 435.5 t/(km2·a)]。此外，侵蝕力復(fù)合效應(yīng)也對(duì)土壤侵蝕速率變化有總要貢獻(xiàn)。如坡頂附近的耕地(表1 c組)，土壤類型、土地利用類型、坡面部位類似，兩坡坡度均較小，E坡坡度略大于NW坡，故E坡水蝕應(yīng)不小于NW坡；然而，137Cs結(jié)果顯示NW坡侵蝕速率較大。主要原因可能是NW坡為迎風(fēng)坡，坡頂附近土壤風(fēng)蝕速率較大，部分被侵蝕土壤顆粒在背風(fēng)坡的沉積也減小了E坡土壤凈流失，從而造成NW坡侵蝕速率大于E坡。

表1 土地利用類型、坡面部位和土壤類型對(duì)土壤侵蝕速率和組分含量的影響

為明確各因素(侵蝕動(dòng)力之外)對(duì)土壤侵蝕速率的貢獻(xiàn)，使用IBMSPSS 19進(jìn)行主成分分析。坡面部位用采樣點(diǎn)距離坡頂?shù)木嚯x表示(m)；坡度為在每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量的度數(shù)(°)；土壤類型和土地利用類型分為：耕地—風(fēng)積沙、耕地—沙黃土、退耕地—風(fēng)積沙、退耕地—沙黃土、沙地五類；植被用蓋度表示(%)。結(jié)果顯示，對(duì)整個(gè)樣線、NW坡和E坡均可提取2個(gè)主成分，4個(gè)因素均被選入。對(duì)整個(gè)坡面，第一主成分與坡度、土壤類型和土地利用類型密切相關(guān)，2個(gè)主成分對(duì)侵蝕速率的累積解釋率為69.6%。對(duì)NW坡，第一主成分與植被、土壤類型和土地利用類型密切相關(guān)，2個(gè)主成分對(duì)侵蝕速率的累積解釋率為80.6%。對(duì)E坡，第一主成分與植被、坡面部位密切相關(guān)，2個(gè)主成分對(duì)侵蝕速率的累積解釋率達(dá)到82.1%(表2)。逐步線性回歸分析結(jié)果顯示，在整個(gè)樣線上，坡面部位、植被、土壤類型和土地利用類型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.63)。E坡植被、土壤類型和土地利用類型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.60)。NW坡，采樣用進(jìn)入法建立的線性回歸模型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.53)，然而卻難以用其中的部分因子較好地表達(dá)土壤侵蝕變化，說(shuō)明各個(gè)因子的綜合作用效果更明顯，部分因子的主導(dǎo)效應(yīng)較弱。

可見(jiàn)，考慮坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的線性回歸模型對(duì)土壤侵蝕速率的坡面變化表達(dá)有限(0.53≤R2≤0.64)。主要原因是分析中僅考慮下墊面因素，而未考慮發(fā)生土壤侵蝕的動(dòng)力因素(風(fēng)力和降雨)。

表2 主成分分析結(jié)果

注：土壤類型和土地利用類型使用1個(gè)因子表示。

2.3.2 侵蝕動(dòng)力的影響 在水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶，土壤侵蝕是水力和風(fēng)力交錯(cuò)作用的結(jié)果。交錯(cuò)分布的風(fēng)蝕地貌和水蝕地貌直觀展示了風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕效應(yīng)，本研究所在流域典型的流水地貌(如侵蝕溝道)占32.7%，風(fēng)沙地貌(如片狀分布的風(fēng)積沙)占12.1%。除地貌特征外，侵蝕速率也指示了風(fēng)蝕和水蝕對(duì)總侵蝕的貢獻(xiàn)。NW坡為風(fēng)力侵蝕的迎風(fēng)坡，有效風(fēng)蝕能在所有坡向坡面中最大；E坡為背風(fēng)坡，有效風(fēng)蝕能在所有坡向坡面中最小。即在其他條件類似的情況下，NW坡風(fēng)蝕潛能最大，E坡最小。然而，137Cs示蹤結(jié)果顯示，兩坡面均發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，且E坡中部的沙地侵蝕最劇烈，坡中植被稀疏的覆沙區(qū)域發(fā)育侵蝕溝，表明水蝕對(duì)E坡的土壤侵蝕有巨大貢獻(xiàn)。此外，典型采樣點(diǎn)土壤顆粒粒徑分布也提供了風(fēng)蝕和水蝕對(duì)總侵蝕貢獻(xiàn)差異的證據(jù)。在NW坡，風(fēng)力和水力對(duì)土壤顆粒的輸移方向相反，風(fēng)力沿坡面向上輸移侵蝕物質(zhì)，坡頂附近侵蝕最為劇烈(風(fēng)力較大且為耕地)；降雨順坡面向下輸移侵蝕物質(zhì)，坡下部和平緩區(qū)域侵蝕較小，甚至可能發(fā)生沉積。該坡面從坡腳到坡頂逐漸增大的侵蝕速率雖然受植被、土壤類型、土地利用類型等的共同影響，也反映了風(fēng)蝕的重要影響。此外，土壤顆粒分選性的變化也為迎風(fēng)坡風(fēng)蝕的重要性提供了重要依據(jù)，因?yàn)闊o(wú)論風(fēng)力還是水力侵蝕，對(duì)顆粒的分選都隨搬運(yùn)距離的增大逐漸變好[31-32]。水力搬運(yùn)使坡面下部采樣點(diǎn)的分選性比坡面上部好，風(fēng)力搬運(yùn)反之。對(duì)擾動(dòng)較小的地埂或未耕作覆沙區(qū)域(采樣點(diǎn)2，6，12，14)，分選性逐漸變好，表明當(dāng)?shù)厥⑿形鞅憋L(fēng)對(duì)土壤顆粒的分選效應(yīng)強(qiáng)于水力向下搬運(yùn)的分選效應(yīng)。然而，要定量區(qū)分風(fēng)蝕和水蝕對(duì)總侵蝕速率的貢獻(xiàn)，還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

沿采樣斷面，土壤侵蝕速率、粒度分布及其組分含量均存在明顯波動(dòng)變化，且存在顯著的坡面差異(p<0.05)。丘頂附近顆粒最細(xì)，E坡沙地顆粒最粗，NW坡土壤顆粒較E坡細(xì)。>3.0Φ的細(xì)顆粒含量沿樣線的變化規(guī)律與平均粒徑的分布規(guī)律類似，<3.0Φ的粗顆粒含量變化規(guī)律與之相反。NW坡中部偏下土壤侵蝕速率最小，E坡的沙地最大。對(duì)NW坡，土壤侵蝕速率從坡腳到坡中減小，從坡中到坡上增大。對(duì)E坡，由坡頂向下土壤侵蝕速率逐漸變減小。

顆粒粒徑和土壤侵蝕速率的坡面變異受坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的共同影響。4個(gè)因子的綜合作用密切相關(guān)，部分因子的主導(dǎo)效應(yīng)較弱。因子共同影響作用對(duì)研究坡面的土壤侵蝕的累積解釋介于69.6%～82.1%。除下墊面因素外，土壤侵蝕的動(dòng)力因素(風(fēng)力和降雨)也是影響土壤侵蝕的重要因素。

然而，137Cs示蹤和土壤顆粒粒徑分析遠(yuǎn)不能對(duì)水蝕和風(fēng)蝕的具體貢獻(xiàn)定量描述，需要在未來(lái)的研究中采用新技術(shù)方法。此外，單個(gè)坡面的土壤侵蝕速率分布度區(qū)域的代表性十分有限，需要開(kāi)展大量研究探尋一般規(guī)律。

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