基于137cs示蹤的農(nóng)耕地水蝕模型比較研究

基于137cs示蹤的農(nóng)耕地水蝕模型比較研究

傾斜耕作是主要的侵沙帶。研究其不同部位土壤侵蝕速率,確定重點(diǎn)治理部位,可以為退耕還林草提供科學(xué)依據(jù)。較早對(duì)坡耕地侵蝕產(chǎn)沙的研究多采用徑流小區(qū)的監(jiān)測(cè)方法,該方法被廣泛采用,但具有監(jiān)測(cè)時(shí)間長,不能監(jiān)測(cè)自然狀態(tài)下更寬、更長坡面的侵蝕狀態(tài)等缺點(diǎn)。利用137Cs示蹤技術(shù)研究農(nóng)耕地土壤侵蝕速率已有較長的歷史,所建立的模型很多,但是很多模型的建立都沒有和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較以驗(yàn)證其精確度,引起對(duì)137Cs示蹤技術(shù)的精確度存有懷疑。國內(nèi)張信寶曾對(duì)自己建立模型的精確度進(jìn)行過驗(yàn)證,但其他的模型沒有驗(yàn)證的報(bào)道。本研究的目的是利用已有資料,對(duì)利用137Cs示蹤農(nóng)耕地侵蝕速率幾種模型的精確度進(jìn)行驗(yàn)證。1模型總結(jié)利用137Cs測(cè)算農(nóng)耕地侵蝕速率的模型有很多,總體分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ蛢煞N。1.1土壤侵蝕量及土壤側(cè)比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑹抢?37Cs測(cè)算侵蝕速率,提出的時(shí)間相對(duì)較早,其基本表達(dá)式為:Y=αXβY為年土壤侵蝕量(tha-1y-1),X為土壤137Cs流失百分率(%),α、β為待定系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H僅適用于被研究區(qū)的侵蝕狀況,由于其適用范圍小,影響因素差異大,這類模型正逐漸被遺棄。1.2質(zhì)量平衡模型理論模型主要包括比例模型、重量模型、冪函數(shù)模型和質(zhì)量平衡模型。比例模型較為簡單,認(rèn)為自137Cs沉降開始后,土壤的流失量Y(tha-1y-1)與137Cs損失率x(%)成比例關(guān)系,其基本表達(dá)式為:Y=10BdX100Τ式中,d為耕作層深度(m),B為土壤容重(kg/m3),T為137Cs開始沉降到采樣時(shí)的時(shí)間。重量模型的表達(dá)式為:Y=10(Aref-A)CsΤ式中,Cs為侵蝕區(qū)土壤采樣時(shí)137Cs平均活度(Bq/kg),A為侵蝕點(diǎn)土壤中總的137Cs含量(Bq/m2),Aref為137Cs背景值。冪函數(shù)模型的表達(dá)式為:Y=ΜR[1-(An/A0)1/n]式中,A0為t0年的土壤137Cs活度(Bq/m2),An為tn年的土壤137Cs活度(Bq/m2),M為耕作層的土壤重量(kg/m2),R為侵蝕遷移土壤與耕作層土壤的137Cs活度比,n為137Cs開始沉降到采樣時(shí)的時(shí)間。上述模型考慮因素簡單,都沒有考慮137Cs年沉降比例等問題。重量模型需要測(cè)量大量的侵蝕區(qū)的137Cs含量,從而獲得Cs,困難較多,結(jié)果也不甚精確;冪函數(shù)模型則主要受確定R值的局限。質(zhì)量平衡模型是目前應(yīng)用較多,范圍較廣的一種模型,普遍考慮了137Cs年沉降比例的問題,另外還考慮了其它因素。這種模型沒有統(tǒng)一的表達(dá)式。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的質(zhì)量平衡模型是張信寶提出的,其表達(dá)式為:X=YR?(1-ΔΗΗ)Ν-1963(1)式中,X為土壤剖面137Cs總量(Bq/m2),YR為137Cs的背景值(Bq/m2),H為耕作層厚度(cm),ΔH為年土壤流失厚度(cm),N為取樣年份。周維芝在前人的研究基礎(chǔ)上,考慮了1956-1970年137Cs大量沉降期,耕層既有137Cs輸入,又有137Cs流失,1970年以后137Cs輸入量很少,可認(rèn)為不降塵,137Cs變化僅由土壤侵蝕引起。設(shè)ΔX為年均137Cs沉降量,a%為137Cs年流失比率,則每年土壤中137Cs含量為:Xn=X015(1-a%)n-70(1-a%)-(1-a%)161-(1-a%)(2)式中,Xn為采樣時(shí)土壤中總的137Cs含量(Bq/m2),X0為137Cs背景值(Bq/m2)。楊浩建立的模型則考慮了137Cs年沉降比例,137Cs在地表富集層中的分布特征,耕作層厚度,137Cs的衰變常數(shù)以及采樣年份的影響等因素,經(jīng)過一系列復(fù)雜的推倒,得出如下模型:(CR-Cs)/CR=100-100[(R1XΝ+R2XΝ-1+?+RΝX)]/WΝkΝR1+kΝ-1R2+?+kRΝ-1+RΝ=WΝ}(3)上述兩式中,CR為研究區(qū)內(nèi)參考剖面中137Cs總含量(Bq/m2),CE為被侵蝕的土壤剖面中137Cs總含量(Bq/m2),Rt為第t年中137Cs沉降比例,X為侵蝕常數(shù),k為137Cs衰變常數(shù)(0.977),N為M-1954,M為采樣時(shí)年份。根據(jù)上述公式可以得到年土壤平均侵蝕量ER:ER=Η(1-X/k)×D×10000式中,H為耕層厚度(m),D為土壤容重(kg/m3)Walling提出的模型表達(dá)式為:dA(t)dt=Ι(t)-(λ+RD)A(t)(4)式中,A(t)為土壤中累積增加的137Cs含量(Bq/m2),t為137Cs沉降開始到采樣時(shí)的年份,R為侵蝕速率(kg/m2yr),d為耕層累積質(zhì)量深度(kg/m2),λ為137Cs衰變常數(shù)(yr-1),I(t)為在t時(shí)間時(shí)137Cs年沉降量(Bq/m2yr)。在模型(4)的基礎(chǔ)上,Walling對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn),其表達(dá)式為:dA(t)dt=(1-Γ)Ι(t)-(λ+ΡRd)A(t)(5)式中,Γ為新沉降的137Cs在混入耕作層之前的侵蝕損失率,P為侵蝕遷移土壤顆粒粒徑分布與原土壤的差異。此模型考慮因素以及表達(dá)的物理意義最為合理,但是模型中的參數(shù)很難確定,并且計(jì)算很復(fù)雜,影響了其應(yīng)用性。2選取,5,32江忠善根據(jù)1985~1989年安塞梁峁坡農(nóng)耕地徑流小區(qū)觀測(cè)資料(L=20m,α=5°,10°,20°,25°,28°;α=30°,L=10m,20m,30m,40m),提出了黃土丘陵區(qū)農(nóng)耕地年均土壤侵蝕速率M和坡長、坡度關(guān)系的回歸經(jīng)驗(yàn)公式:Μ=103.38×S1.114×L0.350(r=0.956**)(6)該模型是由多年的小區(qū)實(shí)測(cè)資料回歸而成,因此所得數(shù)據(jù)可以作為實(shí)測(cè)資料來利用。2.1社區(qū)土樣的采集在中科院水土保持研究所安塞生態(tài)網(wǎng)絡(luò)站選擇了6個(gè)農(nóng)耕地徑流小區(qū),在每個(gè)小區(qū)用網(wǎng)格點(diǎn)布設(shè)采樣點(diǎn),為了減少樣品數(shù)量,將每兩行采集點(diǎn)的所有土樣進(jìn)行充分混合取一個(gè)土樣,該土樣代表在這兩行距離的面積上小區(qū)土壤中的137Cs濃度。同時(shí)測(cè)量小區(qū)的坡度與坡長。另外,選擇1958年種植的刺槐林地平坦的地塊采集30cm深的土壤樣品作為137Cs的背景樣,樣品測(cè)量后平均為2260Bq/m2。樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì),過40目篩,裝入相同幾何形狀的干凈塑料盒中待測(cè)。每一樣品量控制在500g左右。樣品測(cè)定利用美國MCA軟件,用ORTEC公司生產(chǎn)的8192道低本底γ能譜儀進(jìn)行測(cè)定,在661.6kev處測(cè)定137Cs全峰面積,測(cè)量時(shí)間為28800s。2.2對(duì)不同坡度、坡長的小區(qū)的侵蝕預(yù)測(cè)137Cs示蹤技術(shù)測(cè)定的是每一立地凈的土壤流失,即采樣地塊面積上土壤侵蝕量與沉積量的差值,而江忠善的模型是水蝕模型,即代表的是流出小區(qū)的土壤流失量,因此在利用137Cs計(jì)算小區(qū)土壤流失量時(shí)必須考慮二者概念的區(qū)別。假定我們所選擇的農(nóng)耕地徑流小區(qū)沒有因耕作而導(dǎo)致土壤搬運(yùn)出該小區(qū),小區(qū)土壤侵蝕只受水蝕作用的影響,則在小區(qū)內(nèi)所有樣點(diǎn)采集的137Cs的平均值代表的是小區(qū)土壤受降雨侵蝕后,在土壤內(nèi)保留的137Cs濃度。根據(jù)該值計(jì)算出的侵蝕量,就代表了流出該小區(qū)的土壤流失量。根據(jù)這個(gè)原則,我們比較張信寶、周維芝與楊浩以及Walling(4)模型的精確度,計(jì)算結(jié)果見表1。從表1的分析結(jié)果看出,四種模型的計(jì)算值與江忠善經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)值基本吻合,從土壤侵蝕預(yù)測(cè)的角度來看,四種模型的計(jì)算值都是可信的,誤差基本小于10%,除了在計(jì)算10m坡長小區(qū)侵蝕量時(shí),四種137Cs模型計(jì)算值都偏大,誤差大于39%,這可能與小區(qū)坡長較短,由于受耕作的影響較大,有一部分土壤被耕作搬運(yùn)出小區(qū)導(dǎo)致。從四種模型總體測(cè)量值來看,排除誤差較大的9.7m坡長的小區(qū)外,在其他5個(gè)小區(qū),相對(duì)來說,Walling模型的精確度較高,誤差從最小的-0.68%到最大6.41%;但是,從模型的計(jì)算過程來看,張信寶的模型計(jì)算最簡便、快速,因此在實(shí)際應(yīng)用中,如果需要更接近實(shí)際值的結(jié)果,可以應(yīng)用Walling的模型,如果在保證了精確度的前提下,張信寶的模型則更簡潔、快速,適用。值得注意的是:江忠善的模型是對(duì)坡長≤40m的小區(qū)土壤侵蝕量的預(yù)測(cè),而對(duì)于超過40m坡長的坡面該模型是否適合還需要進(jìn)一步的工作。但是從上表的坡長50m(投影坡長48.1m)的坡面預(yù)測(cè)值來看,江忠善的模型預(yù)測(cè)值和四種利用137Cs模型計(jì)算出的值基本吻合,因此對(duì)四種137Cs模型精確度的驗(yàn)證也僅限于坡長≤50m的范圍內(nèi)。既然在沒有考慮新沉降的137Cs在混入耕作層之前的侵蝕損失率,以及侵蝕遷移土壤顆粒粒徑分布與原土壤的差異等因素的情況下,張信寶、周維芝,楊浩和Walling的模型其計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)值很吻合,那么Walling的改進(jìn)模型(公式5)所包含的物理意義及考慮的因素更全面,由此可以推斷,利用Walling改進(jìn)模型計(jì)算出的值和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)值更吻合,假定Walling改進(jìn)模型中的參數(shù)P=1,以江忠善對(duì)不同坡度、坡長小區(qū)的侵蝕量預(yù)測(cè)值作為Walling模型中的參數(shù)R值的值,以在不同小區(qū)所采集的土壤中的137Cs平均含量作為模型中的A(t)值,那么對(duì)Walling模型中最有意義而難以確定的Γ參數(shù)(新沉降的137Cs在混入耕作層之前的侵蝕損失率)可以計(jì)算,并且可以提供經(jīng)驗(yàn)?zāi)M,計(jì)算結(jié)果見表2。從表2的數(shù)據(jù)中基本可以看出,Γ值隨著坡度的增加具有增大的趨勢(shì),由于從表1中可以知道,對(duì)10m坡長小區(qū)的預(yù)測(cè)值和計(jì)算值誤差較大,因此在對(duì)Γ和坡度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)時(shí),該點(diǎn)被剔除,另外,從一般的常識(shí)知道當(dāng)坡度等于0時(shí),Γ=0;當(dāng)坡度=90時(shí),Γ=1。由此對(duì)Γ和坡度進(jìn)行回歸分析:Y=0.0109X1.0072(R2=0.9988**,n=7)3種模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比通過在6個(gè)農(nóng)耕地徑流小區(qū)的網(wǎng)格點(diǎn)采樣,經(jīng)過和經(jīng)驗(yàn)水蝕模型的比較,驗(yàn)證了在50m坡長范圍內(nèi)張信寶、周維芝、楊浩和Walling利用137Cs示蹤所建立的模型的精確度,表明四種模型除了對(duì)10m坡長、緩坡度的小區(qū)的計(jì)算值誤差較大外,對(duì)