監測土壤流失的標線法及其測定犁耕運移土壤的嘗試

張信寶，白曉永，周 萍

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，四川成都610041;

2.中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽550002;3.中國科學院研究生院，北京100029)

侵蝕針或標樁法是一種監測地面某點土壤流失(堆積)常用的方法，該方法簡便易行，多用于監測由流水和風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:侵蝕針或標樁可能干擾徑流和風的流場，影響所測值的代表性，且易丟失和損壞。由于侵蝕針或標樁妨礙犁耕，其方法很難應用于對犁耕侵蝕的測定。目前，國內外對犁耕侵蝕量的測定多采用137Cs、210Pbex核素示蹤法和小石子示蹤法，如英國、加拿大、比利時等國［3－8］和我國的黃土高原、川中丘陵區及重慶中梁山石灰巖山地等地區［9－16］對犁耕侵蝕的研究。本研究介紹我們最近研制成功的監測土壤點流失和堆積的一種新方法——標線法和該方法在貴州普定喀斯特坡地開展的測定犁耕引起的土壤再分布的試驗結果。

1 標線法技術原理

標線法是用孔鉆法或挖坑法在土壤足夠深度處埋設一堅固物體，將尼龍線(標線)系于該物體上，垂直拉至地面以上，回填孔、坑，使地面以上的標線保留一定的長度。侵蝕(堆積)發生前后地面以上標線長度的差值，即為該點的土壤侵蝕(堆積)深度(圖1)。其計算式為

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

尼龍標線平鋪于地面，既細又柔軟，對徑流和風的流場基本沒有影響，也不妨礙犁耕作業，因此適合測定流水和風力所引起的土壤侵蝕(堆積)及由犁耕所引起的地塊內土壤的再分布。試驗地塊選擇好后，用皮尺測量劃好行(列)，標定埋線位置，再打孔埋線。在試驗地塊邊做好行(列)的標記，記錄每行(列)各點距地塊邊的距離，便于以后尋找各點的尼龍標線。

圖1 標線法監測土壤流失(堆積)的基本原理示意

2 犁耕侵蝕測定試驗

2009年11月，我們在貴州普定縣貴陽地球化學研究所普定試驗站所在的陳旗小流域開展了標線法測定犁耕侵蝕的試驗研究。試驗地塊為流域右岸坡麓的一塊緩坡旱地，地塊順坡長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。試驗地的玉米已收割，油菜還未種植。犁耕侵蝕試驗區選擇在地塊中部，采用網格法布置了5列9行共45個埋線點，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。在試驗區東約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，據地塊主人講，此臥牛石30年前尚未露出地面。埋設于地下的為直徑2 cm、壁厚3 mm、長5 cm的PVC短管，用尼龍標線系于管壁(所使用的尼龍標線為5號釣魚線，標準直徑為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，用腳踏實填土后，用鋼卷尺量測地面以上保留的尼龍標線長度(30 cm左右)。雇請地塊主人按傳統方法犁耕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，略大于試驗區寬度6.0 m。犁耕結束后，耙平地面，尋找到埋線點后，用腳踏實埋線點處的土壤，使土壤緊實度盡可能接近犁耕前的土壤，再用鋼卷尺量測地面以上的尼龍標線長度。此次試驗后，埋設的尼龍標線將長期保存，用于試驗地塊徑流和犁耕疊加侵蝕的長期監測。

3 試驗結果與討論

各埋線點犁耕前后量測的地面以上尼龍標線長度的差值即為該點的犁耕侵蝕(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，占總坡長約2/3、L=18.9 m以上的地塊中上部，犁耕導致土壤流失，坡頂的侵蝕深度最大，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，則10次犁耕相當于5年耕種，坡頂的侵蝕速率為0.67 cm/a，和臥牛石30年露出20 cm的實際情況相符;占總坡長約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。侵蝕和堆積區的坡長約分別占總坡長的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到地塊的兩側，造成整個地塊的地面呈簸箕形，中間低兩邊高。

圖2 試驗地橫坡犁耕10次后各埋線點的土壤侵蝕(堆積)量

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

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

表1 試驗地犁耕后標線長度隨坡長的變化

計算求得試驗區單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量不等于0，為－0.0328 m3/m，說明試驗區存在著土壤流失。我們認為，這是土壤假“流失”，造成這一現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區;②用腳踏實的犁耕后埋線點處土壤的緊實度可能高于犁耕前的土壤。③測量誤差，包括讀數誤差和尺子平衡誤差。為了計算順坡運移土壤的犁耕通量，取試驗區單寬斷面的土壤流失(堆積)體積總量ΔW=0，對各行的侵蝕(堆積)量測平均值進行了校正。計算式為

式中:hx為校正后的土壤侵蝕(堆積)深度，cm。

根據校正后的各行侵蝕和堆積深度的平均值，采用加權法計算的試驗區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，也和其他研究者測得的黃土高原黃綿土和川中丘陵區紫色土的犁耕通量值24.1～67.2 kg/(m·a)相吻合［9－14］。

4 結語

(1)用標線法測定土壤侵蝕簡便易行、投入低，標線隱蔽性強、不易被發現破壞。測得的試驗地塊坡頂的犁耕侵蝕速率和實際情況相符，地塊的順坡犁耕通量和其他研究者用小石子或137Cs、210Pbex核素示蹤法測得的犁耕通量基本一致，說明了這種方法的測定結果是可靠的。

(2)標線法解決了侵蝕針或標樁法可能干擾徑流和風流場的問題，又不妨礙犁耕，可廣泛應用于流水侵蝕、風蝕和犁耕侵蝕的長期監測。標線法測得的是土壤點侵蝕(堆積)量值，有別于徑流小區測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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