利用7Be研究次降雨條件下淺溝集水區(qū)片蝕的空間分布

丁晉利 鄭粉莉

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó) 楊凌 712100；2. 鄭州師范學(xué)院，中國(guó) 鄭州 450044； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)，中國(guó) 楊凌 712100)

研究坡面土壤侵蝕的空間分布特征對(duì)合理進(jìn)行坡面水土保持規(guī)劃具有重要意義．羅來(lái)興[1]、陳永宗[2]、唐克麗[3-7]和鄭粉莉[8-10]等采用傳統(tǒng)的徑流小區(qū)法和野外調(diào)查法研究了坡面不同部位各種侵蝕方式的侵蝕產(chǎn)沙作用及其侵蝕強(qiáng)度，但如何定量分析侵蝕性降雨過(guò)程中坡面任一點(diǎn)是以侵蝕—搬運(yùn)過(guò)程為主還是以侵蝕—沉積過(guò)程為主的技術(shù)難題至今沒(méi)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(guò)濕沉降到達(dá)地表，在表層土0～2 cm分布，這種分布特征決定了其對(duì)表層土壤發(fā)生運(yùn)移的敏感性．本文利用7Be示蹤方法并結(jié)合野外調(diào)查，研究次降雨條件下淺溝集水區(qū)片蝕空間分布特征，定量分析侵蝕性降雨過(guò)程中坡面任一點(diǎn)是以侵蝕—搬運(yùn)過(guò)程為主還是以侵蝕—沉積過(guò)程為主，以期為坡面水土保持措施配置提供科學(xué)依據(jù)．

1 試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

選陜西省子午嶺土壤侵蝕與生態(tài)環(huán)境觀測(cè)站布設(shè)的7號(hào)徑流小區(qū)為研究坡面．7號(hào)小區(qū)是由不同坡度不同坡長(zhǎng)組成的復(fù)合坡面，其長(zhǎng)96 m，寬20 m，在沿斜坡長(zhǎng)40 m處出現(xiàn)淺溝溝槽，地面為翻耕裸露休閑，土壤性狀均與黃綿土類(lèi)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(hào)小區(qū)，沿坡長(zhǎng)變化根據(jù)主要侵蝕方式的差異布設(shè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)表1)．當(dāng)淺溝出現(xiàn)后，在淺溝溝槽兩側(cè)(左右溝脊)非對(duì)稱(chēng)布設(shè)樣點(diǎn)．在各樣點(diǎn)采集表層土樣，土層厚2 cm．同時(shí)在分水嶺采集7Be的參考樣．同年7月7日，在發(fā)生一次侵蝕性降雨之后，再次進(jìn)行采樣．

表1 坡面7Be采樣點(diǎn)布設(shè)

1.3 樣品測(cè)定方法

土壤樣品測(cè)定在中國(guó)科學(xué)院北京高能物理研究所進(jìn)行．儀器采用美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)源，采用從低能段到高能段的10種標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定，得到儀器的探測(cè)效率曲線，根據(jù)曲線擬合方程從而得到儀器對(duì)7Be的探測(cè)效率．由于7Be的半衰期短(53.3 d)，每組樣品中每個(gè)樣品7Be的測(cè)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(shí)刻土壤中的7Be含量．測(cè)定結(jié)果為單位土壤重量的7Be含量(Bq/kg)，根據(jù)土壤干容重，計(jì)算7Be的面積濃度．

2 結(jié)果與討論

2.1 侵蝕性降雨特征與侵蝕量

該研究區(qū)位于陜西省子午嶺林區(qū)的富縣境內(nèi)，地貌類(lèi)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?gòu)?qiáng)烈侵蝕區(qū)．侵蝕性降雨是由侵蝕性降雨底值來(lái)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(qiáng)度和在該強(qiáng)度范圍內(nèi)的降雨量．鄭粉莉等[10]研究的侵蝕性降雨底值標(biāo)準(zhǔn)為：I10=0.4 mm·min-1，I30=0.25 mm·min-1(15 mm·h-1)，平均雨強(qiáng)I=5 mm·h-1．根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)從2004年6月23日到7月7日，發(fā)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(qū)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(zhì)量濃度隨土壤深度的增加呈減少趨勢(shì)．這與英國(guó)的Walling[12-13]、澳大利亞的Wallbrink[14]及我國(guó)白占國(guó)[15]研究的7Be剖面分布規(guī)律基本一致．但由于坡面上不同部位的徑流強(qiáng)度、侵蝕強(qiáng)度及侵蝕方式不同，導(dǎo)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(zhì)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(gè)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(qiáng)度較弱，土壤表層7Be活度高于其他3個(gè)剖面．由圖1-D表明，7Be在淺溝溝槽剖面的分布是質(zhì)量濃度最低且分布深度也最淺，造成這種現(xiàn)象的原因主要是淺溝溝槽的侵蝕方式以溝蝕為主，其強(qiáng)度遠(yuǎn)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(fā)生顯著侵蝕．綜上分析，侵蝕強(qiáng)度由強(qiáng)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(yùn)用Walling模型將整個(gè)坡面采樣點(diǎn)的7Be含量轉(zhuǎn)化為表層土壤的侵蝕或沉積量可以說(shuō)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(shí)際上是發(fā)生侵蝕性降雨時(shí)雨滴濺蝕、片蝕和部分細(xì)溝和淺溝侵蝕的總量．

淺溝集水區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分布見(jiàn)圖2所示．

圖2 淺溝集水區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分布

由圖2可以看出，坡面上部在0～10 m范圍內(nèi)侵蝕強(qiáng)度較弱，局部區(qū)域有沉積發(fā)生．在坡面中部坡長(zhǎng)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(huì)造成局部淺溝溝脊處的土壤侵蝕嚴(yán)重發(fā)生，因此左淺溝溝脊處侵蝕嚴(yán)重；又由于地面凹凸不平對(duì)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(duì)較弱，局部區(qū)域有沉積發(fā)生．再者，隨著坡長(zhǎng)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(nèi)，使淺溝溝槽水流流速增大，導(dǎo)致淺溝水流的剝蝕—搬運(yùn)能力增強(qiáng)，從而使坡面下部土壤侵蝕加劇．圖2表明，當(dāng)坡長(zhǎng)大于75 m時(shí)，土壤侵蝕嚴(yán)重發(fā)生．根據(jù)7Be含量估算，次降雨引起淺溝集水區(qū)表層(0～2 cm)土壤侵蝕模數(shù)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(qū)次降雨條件下土壤片蝕的空間分布規(guī)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(jié)論

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

(2)7Be在土壤剖面主要分布在0～2 cm的范圍內(nèi)，其質(zhì)量濃度隨土壤深度的增加呈減少趨勢(shì)．由于坡面上不同部位的徑流強(qiáng)度、侵蝕強(qiáng)度及侵蝕方式不同，導(dǎo)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(zhì)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(qū)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(nèi)侵蝕強(qiáng)度較弱，局部區(qū)域有沉積發(fā)生；在坡面中部坡長(zhǎng)為45～50 m左溝脊處土壤侵蝕相對(duì)嚴(yán)重；坡長(zhǎng)大于75 m的坡面下部，土壤侵蝕也較嚴(yán)重.

(4)利用7Be研究淺溝集水區(qū)次降雨條件下片蝕的空間分布，可定量分析侵蝕性降雨過(guò)程中淺溝集水區(qū)任一點(diǎn)是以侵蝕—搬運(yùn)過(guò)程為主還是以侵蝕—沉積過(guò)程為主，揭示了淺溝集水區(qū)任一點(diǎn)土壤侵蝕沉積的空間分布規(guī)律，為淺溝集水區(qū)水土保持措施配置提供了科學(xué)依據(jù)．

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