黄土丘陵沟壑区坡面土壤侵蚀空间分布及其影响因素

黄土丘陵沟壑区坡面土壤侵蚀空间分布及其影响因素

洛杉矶高原的土壤侵蚀率是世界上最重要的。这是中国西部发展战略中生态环境恢复与重建的重要地区之一。大量事实证明,黄土高原现代侵蚀加剧的主要原因是人类陡坡垦荒耕种和人为不合理利用土地所造成的。近50年来,我国学者就黄土高原坡地土壤侵蚀速率问题进行了大量室内模拟和野外径流小区研究,为黄土区土壤侵蚀防治工作提供了大量数据。但是,有关坡耕地土壤侵蚀速率的全坡面景观定量评价的报道相对较少。传统的土壤侵蚀评价方法可以归纳为3类:径流小区测定、野外调查和数学模型模拟。径流小区法只能提供较小范围的数据,对于大范围的区域,只能进行模拟,而且在由小区结果外推至整个区域时,其结果与实际情况有较大的差异;野外调查法需在野外进行长时间的监测,这既费时间又费钱;数学模型模拟预测在用于评价长期的土壤侵蚀速率时,还存在重大缺陷;而137Cs示踪技术的费用较低,且能克服传统方法所具有的缺点,具有快速、准确和经济等特点,能充分反应土壤重新分布沉积的空间格局。本文以陕北黄土高原陡坡耕地为例,利用137Cs示踪,对黄土区陡坡耕地土壤侵蚀的强度及其空间格局作了初步研究,并以此探讨坡度及土地利用与土壤侵蚀速率间的关系。1土壤侵蚀速率空间格局研究地点设在陕西省延安市碾庄乡羊圈坝库小流域,流域面积2.02km2,海拔1025-1250m,位于我国黄土高原北部,东经109°31′,北纬36°42′,地处干旱、半干旱地区,年降雨量300-600mm,年降水在时空分布上极不均匀,主要集中在7-9三个月,十年九旱,汛期洪涝成灾。该区年均气温9.1℃,年均日照时数2427h,无霜期180d。该区属黄土高原丘陵沟壑区,以梁峁状丘陵为主。地形切割破碎,沟壑密度为7km/km2,平均海拔1000m以上。土壤类型为黄绵土。研究地区天然植被破坏殆尽,土壤抗冲抗蚀性极弱,粗略估计年均侵蚀量在80t/hm2.a左右。为了评价土壤侵蚀速率的空间格局,我们在研究流域选择了240m长的全山坡剖面为研究对象(图1)。该山坡为典型黄土高原坡地景观,具有山顶狭窄、平缓,坡上部、坡中部和坡下部陡直、坡脚很短的线形地貌特点。坡度在10.9°-29.6°,平均坡度为19.7°。该研究山坡一直为农耕地,每年耕翻2-3次,耕层深度为10-15cm,种植谷子、糜子、玉米、马铃薯等。2样品的采集和测试(1)采样深度和顺坡间距Cs土壤样品采集于该地区陡坡耕地上具有代表性的坡面(见图1),坡耕地土壤侵蚀的137Cs法研究采样深度为40-60cm(分层间距为10cm),顺坡按间距10m一个点取样,同时测量坡度和容重。参考点样品的采集是在该流域内选择一点近40年来没有发生侵蚀地点的原始剖面(即标准剖面)作为参考点采样,采样深60cm,按5cm分层取样,同时测量容重。(2)侵蚀速率的计算Cs是本世纪中期大气核试验的产物,为人工放射性核素。1956—1965年是核尘埃的主要降落期,70年代后沉降甚微。由于137Cs随大气环流在全球分布,并被土壤表层迅速而牢固地吸附,很难被植物吸收或淋溶,其在土壤中的迁移主要伴随土壤颗粒的侵蚀、搬运和沉积而进行,同时137Cs的半衰期为30.17年,比较土壤中137Cs浓度的离异性,就可以推算出土壤的侵蚀速率。因此,137Cs对研究土壤中长期的土壤侵蚀强度和空间分布是一种极好的示踪元素。(3)高纯哌hpge探测器的测试土样经风干后,研磨过筛(1.0mm),剔去大颗粒及植物根系等待测。测量仪器为美国堪培拉(CANBERRA)公司生产的高纯锗(HPGe)探测器,经前置放大和数字转换后,经4096道多道分析仪,用道边界法测定。分辨率对60Co1.33keV,峰康比为49∶1,样品测试重为1250g/个,测试时间为80000-86400s,样品重复测试结果相对误差<5%。3结果与讨论3.11不同土层深度和坡位对土壤膜通性的影响试验分别在本区顺坡的第0,30,80,100,200,230m处进行土壤剖面各层次的137Cs浓度分析。土壤剖面137Cs浓度的分布值可综合反映土体垂直空间的交换强度或人类活动(如耕作等)对土地的利用强度。根据资料报道,137Cs浓度的分布一般随土壤剖面深度的增加而急剧减少,主要集中于土壤表层或犁底层以上,而本研究结果表明(见图2):标准剖面土壤中,在15cm耕层以上的137Cs浓度占总浓度的94.4%,其137Cs浓度随土层的加深呈指数下降,下降规律符合方程:y=30.533e-0.7022x,R2=0.9134,这与张信宝,WallingE,Sutherland等的研究是相一致的。而在该区中上部不同坡位的各土壤剖面0-25cm中,不同层次的137Cs浓度基本表现为随土层深度的增加而逐渐减少,而在同一土层深度中,从坡顶到坡的中上部,各剖面的137Cs浓度呈减少规律,而从坡地中下部(160m)开始,土壤剖面137Cs浓度相对上部各层次来说都有所升高,在坡的中下部,各层次137Cs浓度随土层深度增加变化不大,这与137Cs沉降到土壤后,土壤中各层次137Cs浓度的变化规律是相同。从图2还可看出,除下坡样点第230m处有异常外,137Cs浓度都表现出土壤表层高于下层的普遍结果,且土壤表层的137Cs浓度要比下层高得多,其结果说明本区中上坡土壤剖面的土体交换活动并不频繁,而样点第230m处于中下坡的农区部分,此范围样点每年耕作次数比较频繁,因此可以初步认为,137Cs剖面浓度分布的离异性与此有关。3.21不同立地条件下样点土壤容重及强度值137Cs浓度只表示单位质量土壤中137Cs含量,而单位面积的137Cs的含量,即137Cs面积浓度反映该地区不同地点的137Cs含量差异。理论上说,由于137Cs随大气环流及降雨分布于地表,因此,在一定区域内,如果不发生土壤的侵蚀、搬运或堆积等物理过程,137Cs分布值大体相等,据此前提,可根据不同样点的137Cs强度差异来揭示土壤侵蚀的强度及其空间分布。样点137Cs强度值可根据下列公式来计算:Cs=Ci×BDi×DIi×1000(1)Cs=Ci×BDi×DΙi×1000(1)式中:Cs表示样点单位面积137Cs的含量(Bq/m2);Ci为相应样点的137Cs浓度(Bq/kg);BDi为样点的土壤容重(Mg/m3);DIi为相应样点采样深度值(m)。根据上述公式,可计算出相应24个样点及标准剖面所在位置的137Cs面积浓度值(表1),从表1可看出,各样点间137Cs强度值变化较大。坡地的中上部137Cs强度值较低,其中以第40m处为最低(150.0Bq/m2),为标准剖面的11%左右,其余样点(40-110m)的137Cs强度值也在1000Bq/m2以下,与标准样点相比要低70%-80%。从上述几个样点的分布看,上述样点都位于坡地中上部坡度较大的区域,可能承受了较多的上坡雨水冲刷而使地表侵蚀加剧的缘故。坡面中下部(130-220m)与参考点相比,137Cs强度值要低30%-60%,表明坡地的中下部也存在一定的侵蚀,但较中上部而言,侵蚀有所减缓,样点第220m、第230m的137Cs强度值逐渐升高,且第230m处的值超过标准点近80%,表明该点所处位置有坡地表层的土壤堆积。同样,处于上坡的第20m处也由于坡度减缓而承受了坡顶受侵蚀的部分地表土壤堆积,表现出较高的137Cs强度值。3.31坡面坡度对土壤抗拔力的影响结果表明,整个山坡坡面的137Cs浓度随山坡坡度变化很大,137Cs浓度从150-4231Bq/m2。这是由于坡顶位于峁顶部,坡度较缓,土壤侵蚀量不大,其中坡顶部137Cs的平均面积浓度为1836.6Bq/m2,与参考点(2390Bq/m2)相比降低约30%,而从坡上部开始,坡度变大,土壤侵蚀加剧,故土壤层次的137Cs浓度急剧下降,平均137Cs面积浓度为520.4Bq/m2,到了中下部,由于坡度变小,土壤侵蚀减小,表层土体在此处有少量堆积,故137Cs浓度减少的趋势变缓,到了坡底,坡面坡度变缓,从坡中上部侵蚀下来的土体在此处有较多堆积,故137Cs平均面积浓度达到了1507Bq/m2。3.4顺坡土壤侵蚀速率要对土壤侵蚀速率与空间分布特性进行研究,须建立137Cs强度与土壤侵蚀大小之间的相关模型。土壤侵蚀速率的相关模型可根据下列公式来进行计算(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)为137Cs的面积浓度(Bq/m2);R为年平均土壤侵蚀速率(t/hm2.a),正值表示堆积,负值表示侵蚀;D为单位犁底层的土壤重量(kg/m2);λ为137Cs衰变常数(a-1);I(t)为单位面积年137Cs沉降浓度(Bq/m2.a);Γ为新沉降的137Cs在进入犁底层前被土壤侵蚀所带走的量占总量的百分数(%);P为土壤颗粒大小校正因子。根据上式,可计算出以上顺坡各点土壤的年平均侵蚀速率(表2)。从表2可看出,山坡中、上部是土壤侵蚀最为严重地带,土壤平均侵蚀速率高达82.8t/hm2.a以上;山顶和坡脚侵蚀速率较小,土壤平均侵蚀速率分别为17.1t/hm2.a及22.3t/hm2.a;而坡下部土壤侵蚀速率居中,土壤平均侵蚀速率为46.8t/hm2.a。在顺坡第30,240m处有土壤堆积,而在山坡的第40m处,土壤侵蚀速率最大,达到-121.64t/hm2.a。参照1991年水电部制定的土壤侵蚀强度分级指标,只有第230m点处属于弱侵蚀(<25t/hm2.a),山坡中、上部坡面达到了强度侵蚀(50-80t/hm2.a),因此,山坡中、上部是土壤侵蚀治理重点区域。4土壤侵蚀与堆积(1)研究结果表明,在采样区域内,坡面的不同位置均受到了不同程度的侵蚀,尤其以中上部侵蚀更为严重,达到80t/hm2.a以上。中上部也是该流域土壤侵蚀治理的主要区域,其中坡度是影响土壤侵蚀的主导因素。(2)从整个坡面侵蚀速率看,除第20m、第230m处样点有一定程度的土体堆积外,其余大部分坡面都受到了强度侵蚀,反映了本坡面在一定范围内土壤侵蚀与堆积的空间分布特性。(3)由于本研究结果为该坡面近33年来土壤侵蚀的净侵蚀或堆积速率,说明该地区土地退化趋势是以水蚀为主要动