黃土丘陵區(qū)典型峁坡土壤侵蝕空間分異特征

劉佳鑫，劉普靈，，劉 棟，張寧寧

一般而言，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，峁坡不同坡向的土壤特性［1］、水分蒸發(fā)量和太陽輻射量都存在較大差異，并由此導致各坡面的土壤侵蝕強度和類型也表現(xiàn)出很大差異［2］。但在水風蝕交錯帶，由于地理特征的不同以及風蝕水蝕的疊加作用，峁坡土壤侵蝕的坡向差異更為復雜［3］。由于137Cs示蹤技術方法應用已經(jīng)比較成熟，且簡便、快速，可以定量評價20世紀60年代以來的平均土壤侵蝕速率。其原理是利用20世紀50—70年代大氣層核試驗所產(chǎn)生137Cs人工同位素在土壤剖面中的殘存量，推算自核爆炸以來坡面土壤侵蝕或沉積量［4－5］。因此，通過比較各采樣點土壤剖面中137Cs的含量以及流失量，可以對各坡向峁坡不同坡位采樣點的土壤流失強度作出對比分析及定量評價，對于防治黃土峁坡土壤侵蝕，合理配置水土保持措施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市靖邊縣，地處毛烏素沙地南緣，屬于半干旱內陸性季風氣候，四季變化明顯，年平均氣溫7.8℃，無霜期130d，年平均降水量395 mm，主要集中在7—9月份，冬春季節(jié)盛行偏北風，在夏季則以南風、東南風為主，海拔介于1 123～1 823m之間，土質以黃棉土為主，該區(qū)域的土壤侵蝕方式主要是水力侵蝕和風力侵蝕。研究對象是位于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)黑疙瘩的典型峁坡，該區(qū)以水力侵蝕為主，近50a年的土地利用以耕種為主，2000年實施了大規(guī)模退耕還林還草，現(xiàn)均為退耕地。

1.2 樣品采集

1.2.1 背景值樣品的采集137Cs示蹤技術法研究土壤侵蝕首先要確定137Cs的背景值，這直接關系到計算土壤侵蝕速率的準確與否［6］。137Cs背景值樣點選取原則：（1）無人為的干擾，且地勢較平坦，有40～50a未受到沉積或侵蝕的梯田、草地、林地、墳地或者大面積平坦山頂；（2）各層土壤的比活度不能因為土壤的物理變化過程而發(fā)生變化；（3）要與待測定的侵蝕土壤處于同一區(qū)域，并且該區(qū)域應該具有相同的土壤因素、地形和降雨量。本研究選擇未受擾動的農(nóng)耕地和離研究區(qū)很近的老墳地上進行剖面樣的采集，剖面樣采用直徑9cm的土鉆，每隔5cm取一個樣，取樣深度為30cm，總共采集8個剖面樣作為土壤137Cs背景值研究樣點。

1.2.2 峁坡樣點布設及采集 在峁頂正中選取一點為中心，分別以西北到東南、東北到西南為兩條坐標軸，從選取的峁頂中心到溝緣線以上以間隔20m的距離，采用網(wǎng)格法進行采樣，采樣半徑為100m，每個樣點采用直徑為9cm土鉆垂直打入土中，分3層每隔10cm采集一個土樣，總的采樣深度為30cm，峁坡總采集80個樣點，共計240個土樣。

1.3 樣品處理

采集的土壤樣品帶回實驗室后，除去根系、石塊以及大顆粒等雜物，剩余土樣經(jīng)陰干（在自然狀態(tài)下風干）、研磨、過0.25mm篩備用。

1.4 樣品中137Cs含量的測定

稱取約400g待測樣品裝入137Cs樣品盒中，并稱量樣品凈重量，然后采用美國ORTEC公司生產(chǎn)的8192道低本底γ能譜分析儀，測定在661.6keV處137Cs全峰面積，全部樣品測量時間都為8h（28 800s）。

1.5 數(shù)據(jù)的處理與分析

運用全峰面積法計算137Cs濃度值，采用標準樣對比法計算樣品137Cs含量，選取張信寶等的模型［7］計算土壤侵蝕速率。所得到的數(shù)據(jù)，采用SPSS進行顯著性檢驗，采用SAS進行相關性分析、擬合及回歸分析，采用Excel進行整理計算和各類圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 峁坡不同坡向137 Cs及侵蝕強度的空間變化特征

研究區(qū)土壤137Cs含量的背景值為1 567.42Bq／m2，峁坡各坡向不同坡位137Cs含量的空間分布如圖1所示，各坡向不同坡位侵蝕強度的空間分布如圖2所示。

圖1 研究區(qū)各坡向不同坡位137Cs含量的空間變化

2.1.1 各坡向不同坡位137Cs空間分布特征 將采樣點按不同坡向歸類統(tǒng)計分析。從表1可以看出，在不同坡向上土壤中的137Cs含量發(fā)生了明顯變異，其中各坡向137Cs含量變異系數(shù)大小依次為：東坡＞西南坡＞西坡＞南坡＞西北坡＞東北坡＞東南坡＞北坡。

表1 研究區(qū)不同坡向137Cs含量統(tǒng)計特征值

由圖1可以看出，土壤中137Cs面積活度值與其坡向密切相關，因此坡向的不同對侵蝕程度有較大的影響。在峁坡各坡向上全部樣點137Cs面積活度最大值為1 009.26Bq／m2，最小值為282.27Bq／m2，平均為653.40Bq／m2，變異系數(shù)為28.89%。顯著性檢驗顯示137Cs面積活度在不同坡向差異顯著（p＜0.05）。從圖1中可以明顯看出各坡向137Cs含量總體呈現(xiàn)由坡頂向坡下部先增加后減小的趨勢，北坡和南坡則表現(xiàn)為增—減—增的波動趨勢。分析認為各坡向137Cs的含量產(chǎn)生這種變化特征主要是受到退耕前耕作方式和當?shù)貧夂蛞蛩毓餐饔玫慕Y果。退耕前，以犁耕為主的耕作措施將坡面上部的土壤向下運移，各坡向137Cs面積濃度呈順坡增加的趨勢，加以當?shù)夭煌晷?、雨強以及季?jié)盛行風向的不同，導致不同坡向坡面137Cs也發(fā)生了不同的運移過程，除此之外，時有土壤被運移出坡面，綜上原因造成了各坡向不同坡位137Cs面積濃度呈現(xiàn)出現(xiàn)有的空間分布特征。

圖2 研究區(qū)各坡向不同坡位侵蝕強度的空間變化

2.1.2 坡面侵蝕強度空間變化特征 坡地近50a的土地利用情況以耕地為主，直到2000年才實施了大規(guī)模退耕還林還草，因此選取張信寶等的模型［7］計算土壤侵蝕速率，估算各坡向坡面不同采樣點的土壤凈流失強度。由圖2可見，北坡與南坡從峁頂?shù)狡孪虏勘憩F(xiàn)為強—減弱—增強—再減弱的波動趨勢，其余各坡向均表現(xiàn)為強—減弱—增強的趨勢，各坡面侵蝕強度具有不均一性。峁頂侵蝕最為劇烈，這與其所處位置受風力侵蝕、水力侵蝕以及人為耕作因素有關，而各個坡面的波動性除與人為耕作措施（犁耕）有關外［8］，一方面可能與徑流挾沙能力的變化有關，當坡面徑流含沙量趨于飽和時，其挾沙能力下降，導致泥沙沉積，而當徑流泥沙量減少到一定程度時其挾沙能力又會增加，導致泥沙的搬運，尤其是在坡長較長時這種波動變化會更加明顯，另一方面與研究區(qū)域所處地帶的季節(jié)性風向差異有關，各坡向所受風力的影響不同，坡面發(fā)生的侵蝕、搬運、沉積、和輸移也不同，此外也可能與降雨類型、坡面坡度以及坡長有關。我國有不少學者的研究都證實了坡面侵蝕強度具有波動性的變化特點［9－11］。

2.2 峁坡土壤侵蝕的坡向變化及坡位差異

2.2.1 土壤侵蝕的坡向變化 對8個坡向土壤中137Cs含量進行了方差分析（表2）。由表2可知，其概率值p＝0.012 4＜0.05，因此，不同坡向土壤中137Cs含量值呈現(xiàn)顯著差異。

各坡向土壤平均侵蝕速率變化趨勢與137Cs平均流失量一致。由表3可知，其中平均侵蝕速率最大的是北坡，達到7 804t／（km2·a），最小的是東坡，為6 396t／（km2·a），各坡向均表現(xiàn)為強度侵蝕。

表2 不同坡向土壤中137Cs含量方差分析

表3 各坡向137Cs流失率及土壤侵蝕速率

北坡137Cs平均流失量比南坡大5.35%，平均侵蝕速率比南坡大15.9%，南北坡的這種差異與黃土丘陵區(qū)其它地區(qū)剛好相反［12］，分析認為除了南北坡坡面差異的影響外，主要是因為冬春季節(jié)風蝕的坡向差異所致。此研究區(qū)域在冬春季節(jié)盛行偏北風，各坡面地表干燥且作物覆蓋少，北坡前方為開闊地，使得北風長驅直入，因此北坡風蝕嚴重，而南坡處于背風坡，風蝕較輕微，偶有少量風沙的沉積；在夏季，大風天氣多為雨前陣風，持續(xù)時間短，且該季節(jié)土壤含水量較高，因此風蝕不是十分嚴重。同時，南北坡面均為退耕地，雖坡度與坡面狀況有所差異，但差異較小，加上該區(qū)域相對高差較小，地形對降雨量的分布影響不會很大，綜上分析認為，南北坡水力侵蝕強度差距不大。據(jù)此可以推斷該研究區(qū)域侵蝕強度的差異主要來源于冬春季節(jié)風蝕的影響。

西北坡137Cs平均流失量比東南坡大3.15%，平均侵蝕速率比東南坡大8.4%，這種差異與研究區(qū)內南北坡差異具有相同的因素，即本研究區(qū)各坡面侵蝕中風蝕占據(jù)了一定比例。

東坡137Cs平均流失速率及平均侵蝕速率均最小，這是由于東坡上布設有魚鱗坑，并栽種了人工林，有效地防止了雨滴擊濺侵蝕與地表徑流的侵蝕，因而東坡在各個坡向中所受到的侵蝕強度最小。

2.2.2 土壤侵蝕的坡位差異 分析可知，不同坡向的土壤侵蝕速率存在顯著差異，由表4可以看出，即使是同一坡向的峁頂、上中下不同坡位，其侵蝕速率差異非常顯著（p＜0.01）。

由圖3可以看出，各坡向不同坡位137Cs流失率，峁頂值最高，可達87.5%，侵蝕速率也達到最大9 914 t／（km2·a），這與峁頂所處地形受風蝕、水蝕以及人為活動影響嚴重有關；在相同坡位不同坡向上，峁坡的上中下各部之間137Cs流失量也存在較大差異。從坡向上來看，西坡、東坡、東北坡、西南坡斷面137Cs流失量呈先減少后增加的趨勢；東南坡和西北坡則是增長型；北坡和南坡是先增加后減小的趨勢。西坡、東坡、西北坡、東北坡、西南坡下部侵蝕明顯大于中上部；北坡與東南坡全坡面侵蝕非常嚴重，坡位差異不太明顯；南坡坡中部137Cs流失量大于下部和上部，且下部略大于上部。總之，各坡向上除峁頂外，坡中下部侵蝕量較大，中上部次之。分析認為形成這種空間差異的原因是由于在水蝕情況下，一定的坡長范圍內隨著從坡頂?shù)狡履_徑流水深逐漸的增加，侵蝕量呈現(xiàn)為波動式的增加趨勢［13－15］，有國內學者［16］研究表明，對于雨強I30≥25mm的降雨，在小于100m坡長上侵蝕量、徑流量均較大，所以各坡向都表現(xiàn)為下部的侵蝕程度最為嚴重。北坡全坡面均侵蝕嚴重是因為除受到水蝕作用外，還受到冬春季節(jié)強烈的風蝕影響；西坡、東坡、西北坡、西南坡、東北破下部侵蝕量大于中上部，是因為退耕以后地表覆蓋度較低，而使坡面的徑流侵蝕動能，在一定的坡長范圍內沿坡長呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，從而導致坡面底部侵蝕量和侵蝕動能最大；南坡中部侵蝕量大于下部和上部，且坡面下部略大于上部是因為其中部筑有地埂，從而阻斷且攔蓄坡面的部分泥沙和徑流，對水蝕的發(fā)生和發(fā)展起到了減緩、抑制的作用，并且冬春季南坡處于背風坡有少量風沙發(fā)生沉積。

表4 不同坡位土壤侵蝕速率方差分析

圖3 研究區(qū)各坡向不同坡位137Cs流失率的變化

3 結論

（1）所選各坡向的侵蝕強度差異明顯，各坡向平均侵蝕量大小依次為：北坡＞西南坡＞東北坡＞西坡＞西北坡＞南坡＞東南坡＞東坡，北坡侵蝕強度是東坡侵蝕強度的1.2倍，且各坡向侵蝕強度均表現(xiàn)為強度侵蝕。南北坡侵蝕差異與黃土丘陵區(qū)其他地區(qū)相反，與該區(qū)域風蝕、水蝕疊加的特殊侵蝕外營力有關。峁坡各坡向不同坡位的侵蝕差異也非常明顯，坡下部侵蝕量最大，坡面中上部次之，侵蝕速率順坡呈波動變化趨勢。

（2）不同坡面相同部位侵蝕強度的比較規(guī)律性較差。各坡向的上、中部，北坡的侵蝕強度最大，東坡的侵蝕強度最小，底部西南坡的侵蝕強度最大，南坡侵蝕強度最小。其原因有待進一步深入研究。

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