黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶坡面土壤侵蝕特征及其影響因素

張加瓊, 劉 章, 楊明義, 張風(fēng)寶, 王永吉, 鄧鑫欣

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 陜西 楊凌 712100; 3.包頭稀土研究院, 內(nèi)蒙古 包頭014030)

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶受風(fēng)蝕和水蝕的交錯作用，土壤侵蝕潛能高于風(fēng)蝕為主的干旱區(qū)和水蝕為主的濕潤區(qū)[1-2]。水蝕和風(fēng)蝕相互增加侵蝕的物質(zhì)來源，相互促進，導(dǎo)致風(fēng)水復(fù)合侵蝕的危害比單純的風(fēng)蝕或水蝕更嚴重，使得水蝕風(fēng)蝕交錯帶成為黃土高原土壤侵蝕最強烈的地區(qū)，也是黃河下游河床泥沙的重要來源地。該區(qū)地形復(fù)雜，地面物質(zhì)組成多樣，生態(tài)環(huán)境脆弱[3,5]，土壤侵蝕過程和機制比水蝕為主和風(fēng)蝕為主的區(qū)域更加復(fù)雜[6-8]，土壤侵蝕研究面臨嚴峻挑戰(zhàn)，治理工作難度巨大。加強該區(qū)域的土壤侵蝕研究，對制定科學(xué)的水土流失治理措施，改善生態(tài)環(huán)境，確保經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性具有重大意義，也有益于黃河泥沙治理。

核示蹤技術(shù)于20世紀60年代初開始被引入到土壤侵蝕研究領(lǐng)域后，137Cs，210Pb，7Be，226Ra等廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用較成熟的是137Cs[11-12]。137Cs示蹤技術(shù)首先引入土壤水蝕研究，并逐漸應(yīng)用到土壤風(fēng)蝕研究，目前在土壤水蝕和風(fēng)蝕研究中均得到廣泛應(yīng)用，但在土壤風(fēng)水復(fù)合侵蝕研究中應(yīng)用較少[11-14]。其通過對比分析無侵蝕或沉積發(fā)生的背景值區(qū)域和采樣區(qū)域的137Cs含量差異，選用適宜的模型估算土壤侵蝕速率[10-12]。該方法避免了對復(fù)雜土壤侵蝕過程、地面物質(zhì)組成和多種侵蝕營力的分析，快捷便利地得到土壤侵蝕結(jié)果，對研究復(fù)雜條件下的土壤侵蝕具有獨到的優(yōu)勢。粒度作為土壤的基本屬性，是分析土壤顆粒的搬運、沉積過程和機制，判別侵蝕動力條件的重要方法[16-17]。此外，土壤的機械組成對上述研究也十分重要。因此，粒度分布廣泛應(yīng)用于海相、河湖相、海陸過渡相和陸相沉積研究中，為恢復(fù)古氣候，判別沉積環(huán)境，回溯沉積過程，分析沉積動力提供了簡便、有效的手段[19-22]。然而，受限于水蝕風(fēng)蝕交錯帶土壤侵蝕方式和過程的多樣和復(fù)雜，尚無運用土壤的粒度分布特征研究坡面侵蝕環(huán)境的研究。

在土壤侵蝕發(fā)生的基本地貌單元(坡面)尺度弄清坡面土壤侵蝕和粒度的空間分布特征，對探究坡面的侵蝕環(huán)境意義重大。本研究在陜西省神木縣六道溝流域選取代表性坡面，運用137Cs示蹤技術(shù)估算土壤侵蝕速率，結(jié)合土壤粒度分布特征，探究坡面土壤侵蝕分布特征及其影響因素，討論水力和風(fēng)力對坡面侵蝕的影響，對區(qū)分黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶的水蝕和風(fēng)蝕具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

六道溝流域為黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶典型區(qū)域，位于陜西省神木縣以西14 km，流域面積6.89 km2，主溝道長4.21 km，自南而北流入窟野河一級支流。該區(qū)域北依長城，地處毛烏素沙漠邊緣，自然條件的過渡性特征十分明顯。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵，地形破碎，風(fēng)沙地貌和流水侵蝕地貌交錯分布，植被退化。年際、年內(nèi)氣候變化劇烈，旱洪及沙塵暴災(zāi)害頻繁。降水年際變化大且年內(nèi)集中，年均降水408.5 mm，年際變化劇烈，最大降水量819.1 mm，最小106.8 mm，其中6—9月降水量占全年的80.9%，而且多為大暴雨。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向為西北，次主風(fēng)向為東南，東風(fēng)最弱，年均風(fēng)速3.6 m/s，大風(fēng)日數(shù)13.5 d，最多達44 d，年均沙塵暴日數(shù)11.5 d，最多達22 d。

1.2 樣品采集和分析

選取走向為從本地盛行風(fēng)向(NW)到最弱風(fēng)向(E)方向的坡面，從NW坡腳到E坡中下部(坡下部為深溝)布設(shè)樣線，使用土鉆法采集土壤樣品，分別用于測定137Cs活度和土壤粒度(圖1)。137Cs活度樣品采集深度為0—30 cm；粒度樣品在每個采樣點分三層采集(0—5 cm，5—10 cm和10—15 cm)，同時在每個采樣點使用環(huán)刀法采集表層土壤容重樣品。沿樣線共選取33個樣點，其中19個分布于NW坡，14個分布于E坡。采樣的同時，在各個采樣點測定坡面坡度(坡度儀)，調(diào)查植被種類、蓋度(樣方法)，記錄土壤類型和土地利用類型等。土壤樣品經(jīng)預(yù)處理后使用伽馬能譜儀(ORTEC公司，美國)在661.6 keV測定137Cs活度，使用Mastersizer 2 000(馬爾文公司，英國)測定粒度。樣品測試于2015年1月在中國科學(xué)院黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室完成，粒度參數(shù)采用Folk-Word圖解法公式計算，顆粒分級采用Udden-Wentworth分級標(biāo)準(zhǔn)，即：>8Φ黏粒、4～8Φ為粉粒、2～4Φ為細沙、1～2Φ為中沙、-1～1Φ為粗沙，<-1Φ為礫石。

1.3 土壤侵蝕估算

采樣坡面包括耕地、退耕地和沙地。退耕地于2000年后陸續(xù)退耕，耕作期間連年翻耕，其翻耕年數(shù)遠大于未翻耕年數(shù)(退耕后)，且退耕后恢復(fù)為草地或種植檸條、沙柳，土壤侵蝕速率明顯減小。沙地在采樣深度(0～15 cm)內(nèi)顆粒粒度分布均勻(見3.1)，與耕地的耕作層類似。因此，所有采樣點均使用以下質(zhì)量平衡模型估算土壤侵蝕速率：

E=104Bh

(1)

(2)

式中：E為土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；B為實測土壤密度(g/cm3)；h為年均侵蝕厚度(cm/a)；X為實際測得的侵蝕土壤剖面137Cs含量(Bq/m2)；X0為137Cs背景值(Bq/m2)；H為耕作層厚度(cm)，在研究區(qū)取值20 cm；N為樣品采樣和測試年份(2014年)。孫喜軍2009年在本研究坡面附近選擇位于一百年古廟旁無侵蝕和沉積發(fā)生的草地，采用土鉆采集0表示30 cm沙黃土樣品(11個)，結(jié)果顯示137Cs背景值為1 290 Bq/m2，依據(jù)以下方法將137Cs衰變校正到2014年，本區(qū)域沙黃土的137Cs背景值為1 150 Bq/m2。

(3)

式中：XN為校正到第N年的137Cs含量(Bq/m2)；Xn為原文獻中第n年的137Cs含量(Bq/m2)；T為137Cs的半衰期，30.2年。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒度的坡面分布特征

土壤粒度分析結(jié)果顯示，各粒度參數(shù)隨深度增加無明顯變化，兩坡土壤粒徑和分選性均有劇烈的波動變化。NW坡(4.0Φ)的土壤明顯比E坡細(2.9Φ)；分選性比E坡略好，但兩坡分選程度均為“分選差”。NW坡的沙地采樣點(樣點2，6，12，14)土壤顆粒粗，平均粒徑比NW坡面的總體平均值小1.8Φ。E坡沙地顆粒較粗(2.3Φ)，其中位于沖溝下部的樣點23顯著變粗，坡頂和坡底的沙黃土區(qū)域土壤較細(4.5Φ)。對位于坡頂附近的耕地，E坡的坡耕地粒徑比NW坡粗0.5Φ(圖2)。

圖1 沿樣線的坡面地形、采樣點分布和土地利用示意圖

圖2 坡面土壤粒度和分選性沿樣線的變化

坡面土壤以細沙(2～4Φ)為主(39.8%)，中沙(20.3%)和粉粒(28.4%)是重要組分，粗沙(6.1%)和黏粒(5.1%)含量較少。黏粒、粉粒和極細沙(3～4Φ)(細顆粒)含量沿樣線的變化規(guī)律與平均粒徑的變化類似，細沙中的較粗(2～3Φ)組分、中沙和粗沙(粗顆粒)含量的變化與之相反(圖3)。除粗沙外的其余組分含量在NW坡和E坡均存在顯著差異(p<0.05)。細顆粒在NW坡的含量較高，尤其是粉粒，NW坡的平均含量比E坡高17.7%；粗顆粒中的中沙坡面差異最大，E坡平均比NW坡高12.6%。各組分含量在兩坡面變化程度最小的為細沙(變異系數(shù)16.6%)，最大的為粗沙(變異系數(shù)114.8%)。

2.2 土壤侵蝕速率

137Cs含量的變化顯示，對整個坡面，土壤侵蝕速率波動變化明顯，NW坡中部偏下土壤侵蝕速率最小[平均7 281.5 t/(km2·a)]，E坡的沙地最大[平均18 484.5 t/(km2·a)]。對NW坡，土壤侵蝕速率從坡腳到坡中減小，從坡中到坡上增大。坡底耕地(樣點1～4)和下部退耕地(樣點5—7)平均侵蝕速率類似，坡面中部偏下(樣點8—10)為退耕草地，地勢平緩(圖1)，土壤侵蝕為整個坡面最小。坡面中上部為退耕地，其中覆沙區(qū)域(樣點11—14)侵蝕速率和波動性大于無沙區(qū)域(樣點15,16)。坡面上部耕地(樣點17—19)侵蝕速率大于其相鄰的退耕地。對E坡，由坡頂向下土壤侵蝕速率逐漸變減小。E坡上部耕地(樣點20—21)侵蝕速率較小，中部為沙地(樣點22—31)侵蝕嚴重，尤其是其中發(fā)育沖溝的部位[27 115.9 t/(km2·a)]侵蝕最嚴重，有植被的區(qū)域侵蝕速率較發(fā)育沖溝的風(fēng)積沙覆蓋區(qū)域(沙地)(樣點23—31)小，坡面下部種植檸條、沙柳的沙黃土區(qū)域侵蝕速率較沙地極顯著減小(p<0.01)。對位于坡頂附近的耕地，E坡耕地侵蝕速率小于NW坡(圖4)?；诋?dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向，E坡為背風(fēng)坡，當(dāng)土壤僅發(fā)生風(fēng)蝕時，E坡侵蝕最小，甚至發(fā)生沉積，然而本研究顯示，E坡中部發(fā)育沖溝的部位侵蝕速率為整個坡面最大，可見，水蝕度該坡面土壤侵蝕的貢獻遠大于風(fēng)蝕，是該坡面的主要侵蝕方式。綜上，坡面部位、坡度、植被、土壤類型、土地利用類型和侵蝕方式均影響坡面土壤侵蝕速率。

圖3 坡面土壤組分含量沿樣線的變化

圖4 137Cs含量和土壤侵蝕速率的坡面分布

2.3 顆粒粒徑和土壤侵蝕速率坡面分異的影響因素

2.3.1 地形、植被、土壤類型和土地利用類型的影響 顆粒粒徑和土壤侵蝕速率的坡面分異均指示了坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的影響。對樣線代表性采樣點的分析表明，風(fēng)積沙的可蝕性大于沙黃土(表1 a,b組)，NW坡上部侵蝕速率大于坡腳(表1 d組)，耕地侵蝕速率大于退耕地(表1 e組)。對整個采樣線，無論坡面部位和土壤類型，總體上平均侵蝕速率沙地[18 484.5 t/(km2·a)]>耕地[12 671.1 t/(km2·a)]>退耕地[9 435.5 t/(km2·a)]。此外，侵蝕力復(fù)合效應(yīng)也對土壤侵蝕速率變化有總要貢獻。如坡頂附近的耕地(表1 c組)，土壤類型、土地利用類型、坡面部位類似，兩坡坡度均較小，E坡坡度略大于NW坡，故E坡水蝕應(yīng)不小于NW坡；然而，137Cs結(jié)果顯示NW坡侵蝕速率較大。主要原因可能是NW坡為迎風(fēng)坡，坡頂附近土壤風(fēng)蝕速率較大，部分被侵蝕土壤顆粒在背風(fēng)坡的沉積也減小了E坡土壤凈流失，從而造成NW坡侵蝕速率大于E坡。

表1 土地利用類型、坡面部位和土壤類型對土壤侵蝕速率和組分含量的影響

為明確各因素(侵蝕動力之外)對土壤侵蝕速率的貢獻，使用IBMSPSS 19進行主成分分析。坡面部位用采樣點距離坡頂?shù)木嚯x表示(m)；坡度為在每個采樣點測量的度數(shù)(°)；土壤類型和土地利用類型分為：耕地—風(fēng)積沙、耕地—沙黃土、退耕地—風(fēng)積沙、退耕地—沙黃土、沙地五類；植被用蓋度表示(%)。結(jié)果顯示，對整個樣線、NW坡和E坡均可提取2個主成分，4個因素均被選入。對整個坡面，第一主成分與坡度、土壤類型和土地利用類型密切相關(guān)，2個主成分對侵蝕速率的累積解釋率為69.6%。對NW坡，第一主成分與植被、土壤類型和土地利用類型密切相關(guān)，2個主成分對侵蝕速率的累積解釋率為80.6%。對E坡，第一主成分與植被、坡面部位密切相關(guān)，2個主成分對侵蝕速率的累積解釋率達到82.1%(表2)。逐步線性回歸分析結(jié)果顯示，在整個樣線上，坡面部位、植被、土壤類型和土地利用類型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.63)。E坡植被、土壤類型和土地利用類型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.60)。NW坡，采樣用進入法建立的線性回歸模型與土壤侵蝕速率的變化顯著相關(guān)(R2=0.53)，然而卻難以用其中的部分因子較好地表達土壤侵蝕變化，說明各個因子的綜合作用效果更明顯，部分因子的主導(dǎo)效應(yīng)較弱。

可見，考慮坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的線性回歸模型對土壤侵蝕速率的坡面變化表達有限(0.53≤R2≤0.64)。主要原因是分析中僅考慮下墊面因素，而未考慮發(fā)生土壤侵蝕的動力因素(風(fēng)力和降雨)。

表2 主成分分析結(jié)果

注：土壤類型和土地利用類型使用1個因子表示。

2.3.2 侵蝕動力的影響 在水蝕風(fēng)蝕交錯帶，土壤侵蝕是水力和風(fēng)力交錯作用的結(jié)果。交錯分布的風(fēng)蝕地貌和水蝕地貌直觀展示了風(fēng)水交錯侵蝕效應(yīng)，本研究所在流域典型的流水地貌(如侵蝕溝道)占32.7%，風(fēng)沙地貌(如片狀分布的風(fēng)積沙)占12.1%。除地貌特征外，侵蝕速率也指示了風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕的貢獻。NW坡為風(fēng)力侵蝕的迎風(fēng)坡，有效風(fēng)蝕能在所有坡向坡面中最大；E坡為背風(fēng)坡，有效風(fēng)蝕能在所有坡向坡面中最小。即在其他條件類似的情況下，NW坡風(fēng)蝕潛能最大，E坡最小。然而，137Cs示蹤結(jié)果顯示，兩坡面均發(fā)生嚴重侵蝕，且E坡中部的沙地侵蝕最劇烈，坡中植被稀疏的覆沙區(qū)域發(fā)育侵蝕溝，表明水蝕對E坡的土壤侵蝕有巨大貢獻。此外，典型采樣點土壤顆粒粒徑分布也提供了風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕貢獻差異的證據(jù)。在NW坡，風(fēng)力和水力對土壤顆粒的輸移方向相反，風(fēng)力沿坡面向上輸移侵蝕物質(zhì)，坡頂附近侵蝕最為劇烈(風(fēng)力較大且為耕地)；降雨順坡面向下輸移侵蝕物質(zhì)，坡下部和平緩區(qū)域侵蝕較小，甚至可能發(fā)生沉積。該坡面從坡腳到坡頂逐漸增大的侵蝕速率雖然受植被、土壤類型、土地利用類型等的共同影響，也反映了風(fēng)蝕的重要影響。此外，土壤顆粒分選性的變化也為迎風(fēng)坡風(fēng)蝕的重要性提供了重要依據(jù)，因為無論風(fēng)力還是水力侵蝕，對顆粒的分選都隨搬運距離的增大逐漸變好[31-32]。水力搬運使坡面下部采樣點的分選性比坡面上部好，風(fēng)力搬運反之。對擾動較小的地埂或未耕作覆沙區(qū)域(采樣點2，6，12，14)，分選性逐漸變好，表明當(dāng)?shù)厥⑿形鞅憋L(fēng)對土壤顆粒的分選效應(yīng)強于水力向下搬運的分選效應(yīng)。然而，要定量區(qū)分風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕速率的貢獻，還需進一步研究。

3 結(jié) 論

沿采樣斷面，土壤侵蝕速率、粒度分布及其組分含量均存在明顯波動變化，且存在顯著的坡面差異(p<0.05)。丘頂附近顆粒最細，E坡沙地顆粒最粗，NW坡土壤顆粒較E坡細。>3.0Φ的細顆粒含量沿樣線的變化規(guī)律與平均粒徑的分布規(guī)律類似，<3.0Φ的粗顆粒含量變化規(guī)律與之相反。NW坡中部偏下土壤侵蝕速率最小，E坡的沙地最大。對NW坡，土壤侵蝕速率從坡腳到坡中減小，從坡中到坡上增大。對E坡，由坡頂向下土壤侵蝕速率逐漸變減小。

顆粒粒徑和土壤侵蝕速率的坡面變異受坡面部位、坡度、植被、土壤類型和土地利用類型的共同影響。4個因子的綜合作用密切相關(guān)，部分因子的主導(dǎo)效應(yīng)較弱。因子共同影響作用對研究坡面的土壤侵蝕的累積解釋介于69.6%～82.1%。除下墊面因素外，土壤侵蝕的動力因素(風(fēng)力和降雨)也是影響土壤侵蝕的重要因素。

然而，137Cs示蹤和土壤顆粒粒徑分析遠不能對水蝕和風(fēng)蝕的具體貢獻定量描述，需要在未來的研究中采用新技術(shù)方法。此外，單個坡面的土壤侵蝕速率分布度區(qū)域的代表性十分有限，需要開展大量研究探尋一般規(guī)律。

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