利用7Be研究次降雨條件下淺溝集水區片蝕的空間分布

丁晉利 鄭粉莉

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,中國 楊凌 712100；2. 鄭州師范學院，中國 鄭州 450044； 3. 西北農林科技大學，中國 楊凌 712100)

研究坡面土壤侵蝕的空間分布特征對合理進行坡面水土保持規劃具有重要意義．羅來興[1]、陳永宗[2]、唐克麗[3-7]和鄭粉莉[8-10]等采用傳統的徑流小區法和野外調查法研究了坡面不同部位各種侵蝕方式的侵蝕產沙作用及其侵蝕強度，但如何定量分析侵蝕性降雨過程中坡面任一點是以侵蝕—搬運過程為主還是以侵蝕—沉積過程為主的技術難題至今沒有得到解決．

7Be是一種天然放射性核素，半衰期53.3 d，主要通過濕沉降到達地表，在表層土0～2 cm分布，這種分布特征決定了其對表層土壤發生運移的敏感性．本文利用7Be示蹤方法并結合野外調查，研究次降雨條件下淺溝集水區片蝕空間分布特征，定量分析侵蝕性降雨過程中坡面任一點是以侵蝕—搬運過程為主還是以侵蝕—沉積過程為主，以期為坡面水土保持措施配置提供科學依據．

1 試驗方法

1.1 研究區概況

選陜西省子午嶺土壤侵蝕與生態環境觀測站布設的7號徑流小區為研究坡面．7號小區是由不同坡度不同坡長組成的復合坡面，其長96 m，寬20 m，在沿斜坡長40 m處出現淺溝溝槽，地面為翻耕裸露休閑，土壤性狀均與黃綿土類似，土壤容重1.10 g·cm-3．

1.2 材料與方法

2004年6月23日，在7號小區，沿坡長變化根據主要侵蝕方式的差異布設采樣點(見表1)．當淺溝出現后，在淺溝溝槽兩側(左右溝脊)非對稱布設樣點．在各樣點采集表層土樣，土層厚2 cm．同時在分水嶺采集7Be的參考樣．同年7月7日，在發生一次侵蝕性降雨之后，再次進行采樣．

表1 坡面7Be采樣點布設

1.3 樣品測定方法

土壤樣品測定在中國科學院北京高能物理研究所進行．儀器采用美國ORTEC公司生產的配有4 096道分析儀的高純鍺γ能譜儀，7Be特征峰能量為477.6 keV．由于7Be沒有標準源，采用從低能段到高能段的10種標準源標定，得到儀器的探測效率曲線，根據曲線擬合方程從而得到儀器對7Be的探測效率．由于7Be的半衰期短(53.3 d)，每組樣品中每個樣品7Be的測定日期不同，所以將每組土壤樣品中的7Be含量校正到同一時刻土壤中的7Be含量．測定結果為單位土壤重量的7Be含量(Bq/kg)，根據土壤干容重，計算7Be的面積濃度．

2 結果與討論

2.1 侵蝕性降雨特征與侵蝕量

該研究區位于陜西省子午嶺林區的富縣境內，地貌類型屬于黃土覆蓋的梁狀丘陵，年平均降水量576.7 mm，主要集中在7～9月，期間降水量占全年降水量的70%以上，屬強烈侵蝕區．侵蝕性降雨是由侵蝕性降雨底值來描述的．所謂侵蝕性降雨底值[11]是指引起土壤侵蝕的最小降雨強度和在該強度范圍內的降雨量．鄭粉莉等[10]研究的侵蝕性降雨底值標準為：I10=0.4 mm·min-1，I30=0.25 mm·min-1(15 mm·h-1)，平均雨強I=5 mm·h-1．根據上述標準從2004年6月23日到7月7日，發生了一次侵蝕性降雨，如表2所示．

表2 次降雨特征

2.2 表層土壤侵蝕空間分布特征

2.2.17Be在土壤剖面中的分布 土壤中7Be含量在淺溝集水區不同地形部位分水嶺、淺溝溝頭、溝脊和溝槽中的剖面分布如圖1所示．

A.分水嶺；B.淺溝溝頭；C.淺溝溝脊；D.淺溝溝槽圖1 7Be剖面分布

從圖1可以看出，7Be主要分布在表層土壤0～2 cm的深度范圍，7Be質量濃度隨土壤深度的增加呈減少趨勢．這與英國的Walling[12-13]、澳大利亞的Wallbrink[14]及我國白占國[15]研究的7Be剖面分布規律基本一致．但由于坡面上不同部位的徑流強度、侵蝕強度及侵蝕方式不同，導致不同部位7Be的剖面分布存在差異．在表層0～1 cm土壤中，7Be質量濃度為分水嶺>淺溝溝頭>淺溝溝脊>淺溝溝槽．分水嶺土壤剖面同其他3個剖面相比，由于分水嶺侵蝕方式主要以濺蝕和層狀侵蝕為主，侵蝕強度較弱，土壤表層7Be活度高于其他3個剖面．由圖1-D表明，7Be在淺溝溝槽剖面的分布是質量濃度最低且分布深度也最淺，造成這種現象的原因主要是淺溝溝槽的侵蝕方式以溝蝕為主，其強度遠大于其他部位．將淺溝溝槽7Be剖面分布與分水嶺相比，淺溝溝槽發生顯著侵蝕．綜上分析，侵蝕強度由強到弱分別是淺溝溝槽、淺溝溝脊、淺溝溝頭和分水嶺．

2.2.2 表層(0～2 cm)土壤侵蝕空間分布特征 運用Walling模型將整個坡面采樣點的7Be含量轉化為表層土壤的侵蝕或沉積量可以說明坡面表層0～2 cm土壤侵蝕的空間分布特征．7Be示蹤表層土壤的侵蝕量實際上是發生侵蝕性降雨時雨滴濺蝕、片蝕和部分細溝和淺溝侵蝕的總量．

淺溝集水區土壤侵蝕強度分布見圖2所示．

圖2 淺溝集水區土壤侵蝕強度分布

由圖2可以看出，坡面上部在0～10 m范圍內侵蝕強度較弱，局部區域有沉積發生．在坡面中部坡長為45～50 m處，存在著淺溝溝脊與淺溝溝槽之間的橫向比降，使淺溝溝脊處的徑流橫向溢流到淺溝溝槽中，在這種溝脊處徑流橫向溢流到溝槽的路徑中，可能會造成局部淺溝溝脊處的土壤侵蝕嚴重發生，因此左淺溝溝脊處侵蝕嚴重；又由于地面凹凸不平對徑流的分配和土壤的抗侵蝕力的空間分異，徑流在坡面上呈不均勻分布，因此右淺溝溝脊處侵蝕相對較弱，局部區域有沉積發生．再者，隨著坡長的增加，由于淺溝溝脊處的徑流大多橫向溢流到淺溝溝槽內，使淺溝溝槽水流流速增大，導致淺溝水流的剝蝕—搬運能力增強，從而使坡面下部土壤侵蝕加?。畧D2表明，當坡長大于75 m時，土壤侵蝕嚴重發生．根據7Be含量估算，次降雨引起淺溝集水區表層(0～2 cm)土壤侵蝕模數平均為1 254 t·km-2．

上述分析表明，利用7Be可研究淺溝集水區次降雨條件下土壤片蝕的空間分布規律．但由于7Be主要富集在0～2 cm的表層土壤，因而適合于研究坡度較緩地形的土壤侵蝕空間分布．

3 結論

(1)次降雨發生前后，7Be在坡面不同部位發生顯著的空間分異．次降雨結束后，7Be含量隨著坡長整體上呈波動趨勢；次降雨發生前后7Be含量的差值也隨坡長整體上呈波動趨勢．

(2)7Be在土壤剖面主要分布在0～2 cm的范圍內，其質量濃度隨土壤深度的增加呈減少趨勢．由于坡面上不同部位的徑流強度、侵蝕強度及侵蝕方式不同，導致不同部位7Be的剖面分布存在差異．在表層0～1 cm土壤，7Be質量濃度分布為：分水嶺>淺溝溝頭>淺溝溝脊>淺溝溝槽．

(3)淺溝集水區表層(0～2 cm)土壤侵蝕空間分布特征為在坡面上部在0～10 m范圍內侵蝕強度較弱，局部區域有沉積發生；在坡面中部坡長為45～50 m左溝脊處土壤侵蝕相對嚴重；坡長大于75 m的坡面下部，土壤侵蝕也較嚴重.

(4)利用7Be研究淺溝集水區次降雨條件下片蝕的空間分布，可定量分析侵蝕性降雨過程中淺溝集水區任一點是以侵蝕—搬運過程為主還是以侵蝕—沉積過程為主，揭示了淺溝集水區任一點土壤侵蝕沉積的空間分布規律，為淺溝集水區水土保持措施配置提供了科學依據．

參考文獻：

[1] 羅來興. 劃分晉西、陜北、隴東黃土區域溝間地與溝谷的地貌類型[J].地理學報, 1956, 22(3):201-222.

[2] 陳永宗, 景 可, 蔡強國.黃土高原現代侵蝕與治理[M].北京:科學出版社, 1988.

[3] 唐克麗, 鄭粉莉, 史德明．黃土高原侵蝕研究工作回顧[J]. 地理研究, 1987, 6(1): 76-85.

[4] 唐克麗, 蔣定生, 史德明. 土壤侵蝕的研究及其展望[J].水土保持通報, 1984, 4(5): 1-5.

[5] 唐克麗, 席道勒, 孫清芳，等. 杏子河流域的土壤侵蝕方式及其分布規律[J].水土保持通報, 1984, 21(5): 10-19.

[6] TANG K L, ZHANG K L, LEI A L. Critical slope gradient for compulsory abandonment of farmland on the hilly Loess Plateau [J]. CSB, 1998, 43(5):409-412.

[7] 張科利, 唐克麗, 王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究[J].水土保持學報,1991,5(2): 8-13.

[8] 鄭粉莉. 黃土坡面不同侵蝕帶侵蝕產沙關系及其機理[J].地理學報，1998,53(5): 422-427.

[9] 鄭粉莉, 唐克麗, 周佩華. 坡耕地細溝侵蝕影響因素的研究[J].土壤學報, 1989, 26(2): 109-116.

[10] 鄭粉莉, 高學田.黃土坡面土壤侵蝕過程與模擬[M].西安：陜西人民出版社, 2000.

[11] 周佩華, 王占禮. 黃土高原土壤侵蝕暴雨的研究[J].水土保持學報, 1992, 6(3): 1-5.

[12] WALLING D E, HE Q, BLAKE W H. Use of Be-7 and Cs-137 measurement to document short and medium-term rates of water-induced soil erosion on agricultural land [J].Water Resource Res, 1999, 35(2), 3865-3874.

[13] WALLING D E, HE Q. Improved models for estimating soil erosion rates from caesium-137 measurements [J]. J Environ Qual, 1999, 28(2):611-621.

[14] WALLBRINK P J, MURRAY A S. Use of fallout radionuclide as indicators of erosion processes[J]. Hydrol Process, 1993(7):297-304.

[15] 白占國, 萬國江.宇宙線散落核素7Be在山區表土中的分布特征及侵蝕示蹤原理[J].土壤學報, 1998, 35(2): 266-275.