黃土丘陵溝壑區(qū)坡面土壤侵蝕空間分布及其影響因素

黃土丘陵溝壑區(qū)坡面土壤侵蝕空間分布及其影響因素

洛杉磯高原的土壤侵蝕率是世界上最重要的。這是中國西部發(fā)展戰(zhàn)略中生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建的重要地區(qū)之一。大量事實(shí)證明,黃土高原現(xiàn)代侵蝕加劇的主要原因是人類陡坡墾荒耕種和人為不合理利用土地所造成的。近50年來,我國學(xué)者就黃土高原坡地土壤侵蝕速率問題進(jìn)行了大量室內(nèi)模擬和野外徑流小區(qū)研究,為黃土區(qū)土壤侵蝕防治工作提供了大量數(shù)據(jù)。但是,有關(guān)坡耕地土壤侵蝕速率的全坡面景觀定量評價的報道相對較少。傳統(tǒng)的土壤侵蝕評價方法可以歸納為3類:徑流小區(qū)測定、野外調(diào)查和數(shù)學(xué)模型模擬。徑流小區(qū)法只能提供較小范圍的數(shù)據(jù),對于大范圍的區(qū)域,只能進(jìn)行模擬,而且在由小區(qū)結(jié)果外推至整個區(qū)域時,其結(jié)果與實(shí)際情況有較大的差異;野外調(diào)查法需在野外進(jìn)行長時間的監(jiān)測,這既費(fèi)時間又費(fèi)錢;數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測在用于評價長期的土壤侵蝕速率時,還存在重大缺陷;而137Cs示蹤技術(shù)的費(fèi)用較低,且能克服傳統(tǒng)方法所具有的缺點(diǎn),具有快速、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),能充分反應(yīng)土壤重新分布沉積的空間格局。本文以陜北黃土高原陡坡耕地為例,利用137Cs示蹤,對黃土區(qū)陡坡耕地土壤侵蝕的強(qiáng)度及其空間格局作了初步研究,并以此探討坡度及土地利用與土壤侵蝕速率間的關(guān)系。1土壤侵蝕速率空間格局研究地點(diǎn)設(shè)在陜西省延安市碾莊鄉(xiāng)羊圈壩庫小流域,流域面積2.02km2,海拔1025-1250m,位于我國黃土高原北部,東經(jīng)109°31′,北緯36°42′,地處干旱、半干旱地區(qū),年降雨量300-600mm,年降水在時空分布上極不均勻,主要集中在7-9三個月,十年九旱,汛期洪澇成災(zāi)。該區(qū)年均氣溫9.1℃,年均日照時數(shù)2427h,無霜期180d。該區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑區(qū),以梁峁?fàn)钋鹆隇橹?。地形切割破?溝壑密度為7km/km2,平均海拔1000m以上。土壤類型為黃綿土。研究地區(qū)天然植被破壞殆盡,土壤抗沖抗蝕性極弱,粗略估計年均侵蝕量在80t/hm2.a左右。為了評價土壤侵蝕速率的空間格局,我們在研究流域選擇了240m長的全山坡剖面為研究對象(圖1)。該山坡為典型黃土高原坡地景觀,具有山頂狹窄、平緩,坡上部、坡中部和坡下部陡直、坡腳很短的線形地貌特點(diǎn)。坡度在10.9°-29.6°,平均坡度為19.7°。該研究山坡一直為農(nóng)耕地,每年耕翻2-3次,耕層深度為10-15cm,種植谷子、糜子、玉米、馬鈴薯等。2樣品的采集和測試(1)采樣深度和順坡間距Cs土壤樣品采集于該地區(qū)陡坡耕地上具有代表性的坡面(見圖1),坡耕地土壤侵蝕的137Cs法研究采樣深度為40-60cm(分層間距為10cm),順坡按間距10m一個點(diǎn)取樣,同時測量坡度和容重。參考點(diǎn)樣品的采集是在該流域內(nèi)選擇一點(diǎn)近40年來沒有發(fā)生侵蝕地點(diǎn)的原始剖面(即標(biāo)準(zhǔn)剖面)作為參考點(diǎn)采樣,采樣深60cm,按5cm分層取樣,同時測量容重。(2)侵蝕速率的計算Cs是本世紀(jì)中期大氣核試驗(yàn)的產(chǎn)物,為人工放射性核素。1956—1965年是核塵埃的主要降落期,70年代后沉降甚微。由于137Cs隨大氣環(huán)流在全球分布,并被土壤表層迅速而牢固地吸附,很難被植物吸收或淋溶,其在土壤中的遷移主要伴隨土壤顆粒的侵蝕、搬運(yùn)和沉積而進(jìn)行,同時137Cs的半衰期為30.17年,比較土壤中137Cs濃度的離異性,就可以推算出土壤的侵蝕速率。因此,137Cs對研究土壤中長期的土壤侵蝕強(qiáng)度和空間分布是一種極好的示蹤元素。(3)高純哌h(yuǎn)pge探測器的測試土樣經(jīng)風(fēng)干后,研磨過篩(1.0mm),剔去大顆粒及植物根系等待測。測量儀器為美國堪培拉(CANBERRA)公司生產(chǎn)的高純鍺(HPGe)探測器,經(jīng)前置放大和數(shù)字轉(zhuǎn)換后,經(jīng)4096道多道分析儀,用道邊界法測定。分辨率對60Co1.33keV,峰康比為49∶1,樣品測試重為1250g/個,測試時間為80000-86400s,樣品重復(fù)測試結(jié)果相對誤差<5%。3結(jié)果與討論3.11不同土層深度和坡位對土壤膜通性的影響試驗(yàn)分別在本區(qū)順坡的第0,30,80,100,200,230m處進(jìn)行土壤剖面各層次的137Cs濃度分析。土壤剖面137Cs濃度的分布值可綜合反映土體垂直空間的交換強(qiáng)度或人類活動(如耕作等)對土地的利用強(qiáng)度。根據(jù)資料報道,137Cs濃度的分布一般隨土壤剖面深度的增加而急劇減少,主要集中于土壤表層或犁底層以上,而本研究結(jié)果表明(見圖2):標(biāo)準(zhǔn)剖面土壤中,在15cm耕層以上的137Cs濃度占總濃度的94.4%,其137Cs濃度隨土層的加深呈指數(shù)下降,下降規(guī)律符合方程:y=30.533e-0.7022x,R2=0.9134,這與張信寶,WallingE,Sutherland等的研究是相一致的。而在該區(qū)中上部不同坡位的各土壤剖面0-25cm中,不同層次的137Cs濃度基本表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸減少,而在同一土層深度中,從坡頂?shù)狡碌闹猩喜?各剖面的137Cs濃度呈減少規(guī)律,而從坡地中下部(160m)開始,土壤剖面137Cs濃度相對上部各層次來說都有所升高,在坡的中下部,各層次137Cs濃度隨土層深度增加變化不大,這與137Cs沉降到土壤后,土壤中各層次137Cs濃度的變化規(guī)律是相同。從圖2還可看出,除下坡樣點(diǎn)第230m處有異常外,137Cs濃度都表現(xiàn)出土壤表層高于下層的普遍結(jié)果,且土壤表層的137Cs濃度要比下層高得多,其結(jié)果說明本區(qū)中上坡土壤剖面的土體交換活動并不頻繁,而樣點(diǎn)第230m處于中下坡的農(nóng)區(qū)部分,此范圍樣點(diǎn)每年耕作次數(shù)比較頻繁,因此可以初步認(rèn)為,137Cs剖面濃度分布的離異性與此有關(guān)。3.21不同立地條件下樣點(diǎn)土壤容重及強(qiáng)度值137Cs濃度只表示單位質(zhì)量土壤中137Cs含量,而單位面積的137Cs的含量,即137Cs面積濃度反映該地區(qū)不同地點(diǎn)的137Cs含量差異。理論上說,由于137Cs隨大氣環(huán)流及降雨分布于地表,因此,在一定區(qū)域內(nèi),如果不發(fā)生土壤的侵蝕、搬運(yùn)或堆積等物理過程,137Cs分布值大體相等,據(jù)此前提,可根據(jù)不同樣點(diǎn)的137Cs強(qiáng)度差異來揭示土壤侵蝕的強(qiáng)度及其空間分布。樣點(diǎn)137Cs強(qiáng)度值可根據(jù)下列公式來計算:Cs=Ci×BDi×DIi×1000(1)Cs=Ci×BDi×DΙi×1000(1)式中:Cs表示樣點(diǎn)單位面積137Cs的含量(Bq/m2);Ci為相應(yīng)樣點(diǎn)的137Cs濃度(Bq/kg);BDi為樣點(diǎn)的土壤容重(Mg/m3);DIi為相應(yīng)樣點(diǎn)采樣深度值(m)。根據(jù)上述公式,可計算出相應(yīng)24個樣點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)剖面所在位置的137Cs面積濃度值(表1),從表1可看出,各樣點(diǎn)間137Cs強(qiáng)度值變化較大。坡地的中上部137Cs強(qiáng)度值較低,其中以第40m處為最低(150.0Bq/m2),為標(biāo)準(zhǔn)剖面的11%左右,其余樣點(diǎn)(40-110m)的137Cs強(qiáng)度值也在1000Bq/m2以下,與標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn)相比要低70%-80%。從上述幾個樣點(diǎn)的分布看,上述樣點(diǎn)都位于坡地中上部坡度較大的區(qū)域,可能承受了較多的上坡雨水沖刷而使地表侵蝕加劇的緣故。坡面中下部(130-220m)與參考點(diǎn)相比,137Cs強(qiáng)度值要低30%-60%,表明坡地的中下部也存在一定的侵蝕,但較中上部而言,侵蝕有所減緩,樣點(diǎn)第220m、第230m的137Cs強(qiáng)度值逐漸升高,且第230m處的值超過標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)近80%,表明該點(diǎn)所處位置有坡地表層的土壤堆積。同樣,處于上坡的第20m處也由于坡度減緩而承受了坡頂受侵蝕的部分地表土壤堆積,表現(xiàn)出較高的137Cs強(qiáng)度值。3.31坡面坡度對土壤抗拔力的影響結(jié)果表明,整個山坡坡面的137Cs濃度隨山坡坡度變化很大,137Cs濃度從150-4231Bq/m2。這是由于坡頂位于峁頂部,坡度較緩,土壤侵蝕量不大,其中坡頂部137Cs的平均面積濃度為1836.6Bq/m2,與參考點(diǎn)(2390Bq/m2)相比降低約30%,而從坡上部開始,坡度變大,土壤侵蝕加劇,故土壤層次的137Cs濃度急劇下降,平均137Cs面積濃度為520.4Bq/m2,到了中下部,由于坡度變小,土壤侵蝕減小,表層土體在此處有少量堆積,故137Cs濃度減少的趨勢變緩,到了坡底,坡面坡度變緩,從坡中上部侵蝕下來的土體在此處有較多堆積,故137Cs平均面積濃度達(dá)到了1507Bq/m2。3.4順坡土壤侵蝕速率要對土壤侵蝕速率與空間分布特性進(jìn)行研究,須建立137Cs強(qiáng)度與土壤侵蝕大小之間的相關(guān)模型。土壤侵蝕速率的相關(guān)模型可根據(jù)下列公式來進(jìn)行計算(WallingandQuine,1990,He&Walling,1996):dA(t)/dt=(1?Γ)I(t)?(λ+P×R/D)×A(t)(2)dA(t)/dt=(1-Γ)Ι(t)-(λ+Ρ×R/D)×A(t)(2)式中:A(t)為137Cs的面積濃度(Bq/m2);R為年平均土壤侵蝕速率(t/hm2.a),正值表示堆積,負(fù)值表示侵蝕;D為單位犁底層的土壤重量(kg/m2);λ為137Cs衰變常數(shù)(a-1);I(t)為單位面積年137Cs沉降濃度(Bq/m2.a);Γ為新沉降的137Cs在進(jìn)入犁底層前被土壤侵蝕所帶走的量占總量的百分?jǐn)?shù)(%);P為土壤顆粒大小校正因子。根據(jù)上式,可計算出以上順坡各點(diǎn)土壤的年平均侵蝕速率(表2)。從表2可看出,山坡中、上部是土壤侵蝕最為嚴(yán)重地帶,土壤平均侵蝕速率高達(dá)82.8t/hm2.a以上;山頂和坡腳侵蝕速率較小,土壤平均侵蝕速率分別為17.1t/hm2.a及22.3t/hm2.a;而坡下部土壤侵蝕速率居中,土壤平均侵蝕速率為46.8t/hm2.a。在順坡第30,240m處有土壤堆積,而在山坡的第40m處,土壤侵蝕速率最大,達(dá)到-121.64t/hm2.a。參照1991年水電部制定的土壤侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo),只有第230m點(diǎn)處屬于弱侵蝕(<25t/hm2.a),山坡中、上部坡面達(dá)到了強(qiáng)度侵蝕(50-80t/hm2.a),因此,山坡中、上部是土壤侵蝕治理重點(diǎn)區(qū)域。4土壤侵蝕與堆積(1)研究結(jié)果表明,在采樣區(qū)域內(nèi),坡面的不同位置均受到了不同程度的侵蝕,尤其以中上部侵蝕更為嚴(yán)重,達(dá)到80t/hm2.a以上。中上部也是該流域土壤侵蝕治理的主要區(qū)域,其中坡度是影響土壤侵蝕的主導(dǎo)因素。(2)從整個坡面侵蝕速率看,除第20m、第230m處樣點(diǎn)有一定程度的土體堆積外,其余大部分坡面都受到了強(qiáng)度侵蝕,反映了本坡面在一定范圍內(nèi)土壤侵蝕與堆積的空間分布特性。(3)由于本研究結(jié)果為該坡面近33年來土壤侵蝕的凈侵蝕或堆積速率,說明該地區(qū)土地退化趨勢是以水蝕為主要動