基于黃土沉積速率的土壤侵蝕危險度評價

劉 剛，許文年，蔡崇法，劉普靈，楊明義，張 瓊

（1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌443002；

2.中國科學(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)國家重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌712100；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部 長江中下游耕地保育重點(diǎn)實驗室，武漢430070）

水土流失所造成的資源與環(huán)境破壞是世界性的問題，中國黃土高原更是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。我國黃土高原地區(qū)水土流失分布范圍廣、面積大；侵蝕形式多樣、類型復(fù)雜；治理難度大；因此，需針對不同區(qū)域的水土流失特征來制定不同的治理規(guī)劃方案，并采取不同的治理措施來實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)。這就需要建立一種能夠評估和預(yù)測侵蝕作用破壞土地資源和生態(tài)環(huán)境危險性的指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)防治水土流失的對策。

迄今已有許多研究［1－4］集中于土壤侵蝕強(qiáng)度的預(yù)測和確定上，但土壤侵蝕強(qiáng)度只能反映過去年平均土壤侵蝕量，無法評價這種侵蝕作用破壞土壤和土地資源的危險性。例如，在某些地區(qū)雖然土壤侵蝕量不大，但在社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面造成的后果要比某些侵蝕強(qiáng)度大的地區(qū)嚴(yán)重的多；另外，土壤侵蝕強(qiáng)度也無法估測未來土壤侵蝕發(fā)生的可能性以及危害程度；因此，在判別土壤侵蝕強(qiáng)度的同時，應(yīng)對土壤侵蝕危險程度進(jìn)行評價。目前，土壤侵蝕危險度評價方法主要有以下3類［5］：土壤抗蝕年限評價法、土壤侵蝕危險度主導(dǎo)因子分級評價法和土壤侵蝕危險度模型評價法。這些方法以經(jīng)驗性或半定量評價為主，所得到的結(jié)果難以滿足實際應(yīng)用的需求。因此，應(yīng)加強(qiáng)土壤侵蝕危險度定量評價方法的研究。利用14C測年技術(shù)對陜北黃土高原黃土沉積速率開展研究，并通過計算土壤侵蝕模數(shù)與黃土沉積速率的比值，對該研究區(qū)的土壤侵蝕危險度進(jìn)行評價。該項研究不僅可以為水土保持治理及規(guī)劃提供科學(xué)的參考，為水土保持方案的制定提供數(shù)據(jù)支撐，還可以為環(huán)境治理的決策部門提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

黑壚土是中國土壤分類系統(tǒng)中特有的一個土壤類型［6］，在陜北黃土高原現(xiàn)僅存在于侵蝕輕微的塬面以及梁、峁頂部、溝頭平坦地和川臺地［7］。因此本文以陜北洛川縣、延長縣和橫山縣塬面土壤剖面為研究對象，對各剖面土壤年齡序列和黃土沉積速率進(jìn)行研究。首先在陜北洛川縣、延長縣和橫山縣塬面分別選擇采樣點(diǎn)，并設(shè)置LC、YC和HS三個剖面，深度均為2.0m。用剖面刀對各剖面進(jìn)行整理，使得剖面各發(fā)生層清晰可見，接著用皮尺測量各發(fā)生層的深度，同時觀察各發(fā)生層特征，并作記錄、拍照，其特征如表1所示。

表1 土壤剖面特征

采集各剖面樣品時，首先清理剖面表層土壤，防止被污染土壤混入樣品中，然后以10cm為一層，自上而下將各剖面分為連續(xù)的20層，接著用環(huán)刀在每一層采集土壤容重樣品，用塑料鏟采集土壤樣品500g左右裝入密封袋中并編號帶回實驗室。本實驗中所有采集土壤樣品送至中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所加速器質(zhì)譜中心完成14C年齡樣品的處理及測量工作。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土年齡序列及沉積速率

14C測年技術(shù)是一種利用死亡生物體中14C不斷衰變的原理進(jìn)行測年的技術(shù)，近些年來在土壤學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用［8－10］。它可以為近5萬年以來的土壤提供精確、可靠的年代標(biāo)尺，從而為土壤年齡序列的測定提供技術(shù)保障。本研究利用14C測年技術(shù)建立了LC、YC和HS三個剖面的土壤年齡序列（圖1），測量誤差值均介于21～69a，圖中未標(biāo)注。從圖1中可以看出，在3個土壤剖面中14C年齡與土壤深度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，這與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果是一致的［11－13］，其斜率便為土壤的沉積速率。圖1方程中Y為土壤14C年齡（a），H 為土壤深度（cm），因此LC、YC和HS三個剖面全新世以來平均黃土沉積速率分別為0.017 9cm／a，0.015 3cm／a和0.021 3cm／a。

圖1 LC、YC和HS剖面土壤年齡隨深度變化及線性關(guān)系

2.2 土壤侵蝕危險度評價

有學(xué)者［14］提出以土壤侵蝕模數(shù)與成土速率之比作為土壤侵蝕危險度評價的標(biāo)準(zhǔn)：

式中：Sloss——土壤侵蝕模數(shù)［t／（km2·a）］；TR——單位面積單位時間成土量［t／（km2·a）］；Vdan——危險度值，當(dāng)該比值等于1時為土壤侵蝕危險度的臨界值；大于1時表明土壤侵蝕危險，且比值越大危險程度越高；比值小于1時表明土壤侵蝕不危險，且比值越小，危險程度越低。該方法可以較容易地對土壤侵蝕危險度進(jìn)行定量評價。筆者認(rèn)為土壤侵蝕模數(shù)與容許土壤流失量之比，則可以更好地反映土壤侵蝕的危險程度。但目前對于容許土壤流失量的研究還在探索之中，并且在土壤侵蝕劇烈的黃土高原地區(qū)，容許土壤流失量的確定仍應(yīng)以保存土層厚度為主要指標(biāo)［15］。因此，土壤侵蝕模數(shù)與黃土沉積速率之比在本研究區(qū)仍可以作為土壤侵蝕危險度評價的有效指標(biāo)。

為便于計算，將黃土沉積速率換算為單位面積單位時間的沉積成土量：

式中：TR——單位面積單位時間的沉積成土量［g／（cm2·a）］；FR——黃土沉積速率（cm／a）；Dbulk——平均土壤容重（g／cm3）；104——換算系數(shù)。

根據(jù)黃土沉積速率、土壤容重以及各地區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)（表2），對各剖面所處地縣的土壤侵蝕危險度進(jìn)行計算，得出洛川縣、延長縣和橫山縣土壤侵蝕危險度分別為14.1，43.3和24.8。總體上來看，陜北黃土高原的土壤侵蝕危險度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界值1，因此該地區(qū)土壤侵蝕危險度非常大，應(yīng)成為今后水土流失防治的重點(diǎn)區(qū)域。

表2 各地區(qū)土壤侵蝕危險度評價參數(shù)

3 結(jié)論

本研究通過在陜北洛川縣、延長縣和橫山縣塬面選擇采樣點(diǎn)并分別設(shè)置LC、YC和HS三個土壤剖面，利用14C測年法建立了各剖面土壤年齡序列，得出3個地區(qū)全新世以來平均黃土沉積速率分別為0.017 9cm／a，0.015 3cm／a和0.021 3cm／a。

通過計算土壤侵蝕模數(shù)與黃土沉積速率的比值，可以定量評價區(qū)域及流域土壤侵蝕危險度。結(jié)果表明，洛川縣、延長縣和橫山縣土壤侵蝕危險度分別為14.1，43.3和24.8，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此該地區(qū)為水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域。

［1］ Meyer L D.Evaluation of the universal soil loss equation［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1984，39（2）：99-104.

［2］ Laflen J M，Lwonard J L，F(xiàn)oster G R.WEPP a new generation of erosion prediction technology［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1991，46（1）：34-38.

［3］ Branca M，Voltaggio M.Erosion rate in badlands of central Italy：Estimation by radiocaesium isotope ratio from Chernobyl nuclear accident［J］.Applied Geochemistry，1993，8（5）：437-445.

［4］ Darryl E，Granger，James W，et al.Spatially averaged long-time erosion rates measured from in situ-produced cosmogenic nuclides in alluvial sediment［J］.The Journal of Geology，1996，104（3）：249-257.

［5］ 劉剛，劉普靈，楊明義，等.土壤侵蝕危險度評價研究進(jìn)展［J］.中國水土保持科學(xué)，2008，6（5）：100-105.

［6］ Zhu Xianmo，Li Yushan，Peng Xianglin，et al.Soils of the loess region in China［J］.Geoderma，1983，29（3）：237-255.

［7］ 郭兆元.陜西土壤［M］.北京：科學(xué)出版社，1992.

［8］ Brown R H.14C depth profiles as indicators of trends of climate and14C／12C ratio［J］.Radiocarbon，1986，28（2A）：350-357.

［9］ Trumbore S.Age of soil organic matter and soil respiration：radiocarbon constraints on belowground C dynamics［J］.Ecological Applications，2000，10（2）：399-411.

［10］ Schmitt A，Rodzik J，Zglobicki W，et al.Time and scale of gully erosion in the Jedliczny Dol gully system，south-east Poland［J］.Catena，2006，68（2／3）：124-132.

［11］ Benoit G J，Turekian K K，Benninger L K.Radiocarbon dating of a core from Long Island Sound［J］.Estuarine and Coastal Marine Science，1979，9（2）：171-180.

［12］ Muhs D R.A soil chronosequence on quaternary marine terraces，San Clemente Island，California［J］.Geoderma，1982，28（3／4），257-283.

［13］ Shen C D，Beer J，Ivy-Ochs S，et al.10Be，14C distribution，and soil production rate in a soil profile of a grassland slope at Heshan Hilly Land，Guangdong［J］.Radiocarbon，2004，46（1）：445-454.

［14］ Kliment＇ev A I，Tikhonov V E.Ecohydrological analysis of soil loss tolerance in agrolandscapes［J］.Eurasian Soil Science，2001，34（6）：673-682.

［15］ 陳奇伯.寧南黃土丘陵區(qū)坡耕地水土流失對土地生產(chǎn)力影響研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2001.