橫、順坡壟作對黑土坡面侵蝕-沉積周期規(guī)律的影響*

王小康，谷 舉，2，劉 剛，3?，師宏強

（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，陜西楊陵 712100；2. 長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，武漢 430000；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊陵 712100）

東北黑土區(qū)土地面積103 萬km，占全國陸地總面積的10.7%，是世界著名的四大黑土區(qū)之一，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，素有“中華糧倉”之美譽。由于長期的高強度利用和不合理的農(nóng)業(yè)耕作措施導(dǎo)致黑土區(qū)土壤肥力嚴(yán)重下降、糧食減產(chǎn)和部分區(qū)域水土流失日益加重。2013 年水土普查公報顯示東北黑土區(qū)水土流失總面積為2.588×10km，占黑土區(qū)總面積的25.13%。第一次全國水利普查公報顯示東北黑土區(qū)侵蝕溝道29.57 萬余條。昔日的“生態(tài)功能區(qū)”正逐步演變?yōu)椤吧鷳B(tài)脆弱區(qū)”，黑土區(qū)的土壤流失和土地退化嚴(yán)重制約著東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，威脅國家糧食生產(chǎn)安全，因此加強東北黑土區(qū)水土流失綜合治理已刻不容緩，開展坡面水土流失機理研究將為合理布設(shè)水土保持措施、進行水土流失綜合治理提供科學(xué)依據(jù)與理論指導(dǎo)。

壟作是東北黑土區(qū)最常見的耕作方式，可有效提高作物產(chǎn)量。已有研究表明，不同的壟作方向?qū)τ诜乐嗡亮魇Ь哂胁煌男Ч?。順坡壟作的壟向與坡向平行，地表徑流向壟溝匯集的過程中無壟臺阻擋，壟溝內(nèi)徑流流速和徑流侵蝕力迅速增大，從而加大了坡面侵蝕強度；而橫坡壟作則由于壟臺對地表徑流的攔截作用、使徑流流速減小，增加了降水的就地入滲，從而使其坡面侵蝕強度減小。王磊等通過不同降雨強度下的室內(nèi)模擬試驗發(fā)現(xiàn)橫坡壟作與無壟作相比，橫坡壟作可推遲產(chǎn)流時間，并使產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量大幅減?。凰潍h和張忠學(xué)研究對比兩種壟作方式在不同降雨強度（40、60、80 mm·h）下徑流量和泥沙量的差異，發(fā)現(xiàn)在不同降雨強度下順坡壟作的徑流量和泥沙量均大于橫坡壟作；沈昌蒲等的研究也表明橫坡壟作較順坡壟作對坡面水土流失具有更好的防治效果。目前針對不同壟作方向的土壤侵蝕機理研究多在次降雨或短歷時條件下進行，而對長期條件下不同壟作方向?qū)ζ旅嫠亮魇У挠绊?，以及坡面侵蝕-沉積強弱交替變化周期性規(guī)律的研究則較為缺乏，有待進一步深入研究。

Cs 是由大氣核試驗和核泄漏產(chǎn)生的一種人工放射性核素，其半衰期為30.2 年。該核素沉降到地表后被土壤中的黏性顆粒強烈吸附，很難被水向下淋溶，僅隨土壤顆粒發(fā)生機械位移，因而被視為一種良好的示蹤劑被廣泛應(yīng)用于土壤多年平均侵蝕速率研究。王禹等利用Cs 示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)坡耕地在長坡長（500 m）、順坡壟作條件下存在142 m 侵蝕強弱交替的周期性變化規(guī)律。馮志珍在東北黑土區(qū)賓州河流域的研究中發(fā)現(xiàn)橫坡壟作在整個坡面同樣存在侵蝕強弱交替的周期性變化規(guī)律，大周期處于144～150 m 之間，小周期處于75～88 m 之間。Cui 等基于野外徑流小區(qū)的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)坡面侵蝕速率沿坡長呈現(xiàn)強弱交替變化。然而，這些研究均未考慮不同壟作方向?qū)ζ旅嫱寥狼治g沉積規(guī)律及空間分布特征的影響。

因此，本研究采用Cs 示蹤技術(shù)并結(jié)合小波分析方法，探究長期條件下東北黑土區(qū)坡耕地坡面侵蝕-沉積的周期性變化特征對兩種不同壟作方向的響應(yīng)規(guī)律，從而為該地區(qū)水土保持措施的合理布設(shè)以及水土流失防治規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

克山縣（47°50′51″—48°33′47″N，125°10′57″—126°8′18″E）位于小興安嶺西南緣，松嫩平原腹地，隸屬于黑龍江省齊齊哈爾市。該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫2.4 ℃，有效積溫2 400 ℃，無霜期122 d 左右，雨熱同期，降雨主要集中在6—8 月，年平均降水量在500 mm 左右；地貌屬波狀起伏臺地（漫川漫崗），地勢溝谷相間，丘陵地形占總面積的80%。本研究選取克山縣境內(nèi)兩處臨近的、開墾歷史近70 年的典型漫川漫崗坡耕地為研究對象。坡長140 m、寬60～80 m，平均坡度為3°，且坡度在整個坡面的整體變化微弱，壟作方向分別為橫壟和順壟，且壟作方向自耕作以來一直未發(fā)生改變。壟高15 cm，壟臺頂寬20 cm，壟間距為65 cm。土壤質(zhì)地為粉壤土，其顆粒組成（美國農(nóng)業(yè)部制）砂粒、粉粒、黏粒的含量分別為5.6%、54.8%、39.6%。耕層深度為 20 cm 左右，耕層容重介于 1.08～1.44 g·cm，耕層平均土壤容重為1.13 g·cm，有機質(zhì)含量為25.86 g·kg，pH 為6.36。

1.2 樣品的采集與處理

理想的Cs 背景值采樣點應(yīng)選自地勢平坦、無侵蝕與沉積發(fā)生、植被覆蓋較好的區(qū)域，如平坦的草地和多年無人為擾動的墳地。本研究最終選取距離研究區(qū)約10 km 處一塊70 年未受人為擾動且地勢平坦的老墳地作為背景值采樣點進行獨立分層采樣，根據(jù)劉志強等在之前的研究中得出的結(jié)論，對于未擾動地塊，在0.25 m的范圍內(nèi)至少需要采集11 個樣點才可確定當(dāng)?shù)谻s 背景值，因而在本研究中共選擇17 個樣點進行背景值分層樣的采集。

前人研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)順坡壟作存在侵蝕-沉積強弱交替變化的振蕩周期約為140 m，本研究將進一步探究不同壟作在更小坡長尺度下侵蝕-沉積的周期性振蕩規(guī)律，因而本研究選取坡面長度140 m，坡寬沿等高線取10 m 作為一個完整的采樣斷面。Zhang 等通過大量試驗統(tǒng)計分析確定當(dāng)采樣點間距大于0.75 m，小于5 m 時采集的土壤樣本才具有獨立性，滿足此條件的樣本可以組合成為一個樣本代表點。故沿等高線方向設(shè)計2 m 的采樣間距，一個等高線可采集5 個樣本，然后將采集到的5 個樣本土樣均勻混合，作為該等高線的代表性樣本。順坡方向自上而下設(shè)計10 m 的采樣間距，在距離坡底10 m 的位置開始樣本點加密，每2.5 m 采集一個樣本。Cs 在東北黑土區(qū)的平均分布深度約為30 cm，故坡上部與坡中部均按30 cm 的采樣深度進行打鉆采樣。通過分層樣（按5 cm 分層，采樣深度為45 cm）的測定發(fā)現(xiàn)坡下部的Cs 分布已到達距離地面35 cm 的深度，故確定坡下部的采樣深度為35 cm。采樣時間為2019 年4 月，Cs 在坡面的采樣點分布見圖1。

圖1 137Cs 的采樣點分布Fig. 1 137Cs sampling point distribution

采集的土樣帶回實驗室經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩（2 mm），稱300 g 左右裝盒待測。Cs 測量使用美國AMETEK 公司生產(chǎn)的ORTEC GMX-50220 型高純鍺γ 能譜儀。Cs 含量由其在661.6 keV γ 射線的全峰面積求得，所有樣品測量均在40 000 s 以上，儀器重復(fù)測量誤差在95%的置信水平下≤5%。

1.3 單位面積137Cs 含量計算

單位面積濃度（面積比活度）反映了研究區(qū)不同位置Cs 的含量差異，比較不同樣點Cs 含量與背景值之間的差異及其在土壤剖面中的分布深度可大致判斷自Cs 沉降以來該點是發(fā)生了侵蝕還是沉積，一般地當(dāng)采樣點Cs 濃度小于或大于當(dāng)?shù)乇尘爸禃r分別表示在該點發(fā)生了侵蝕和沉積。測得各層土樣Cs 的放射性活度后，由式（1）計算樣點單位面積Cs 含量（Bq·m）：

式中，為采樣層數(shù)序號；為采樣層數(shù)；C為第采樣層的Cs 濃度（Bq·kg）；BD為采樣層的土壤容重（kg·m）；DI為采樣層的深度（m）。

1.4 土壤侵蝕量計算模型

采樣地自Cs 沉降以來一直為農(nóng)耕地，因而采用張信寶Cs 農(nóng)耕地侵蝕量計算模型估算樣點的土壤流失量：

式中，為土壤剖面中Cs 面積濃度（Bq·m）；A為Cs 背景值（Bq·m）；為耕層深度（cm），這里取20 cm；為年平均土壤流失厚度（cm）；N 為采樣年份。

1.5 小波分析方法

小波函數(shù)可實現(xiàn)對時間序列數(shù)據(jù)的多尺度分解，從而得到原始信號在不同尺度上的周期性變化特征。具體地，連續(xù)小波變換可以定義為：

式中，（）為原始信號；（）為小波母函數(shù)；為尺度因子；為平移因子；*表示共軛；積分結(jié)果（，）表示小波系數(shù)，反映了尺度為，位移為時的小波函數(shù)與原始信號間相關(guān)性的強弱。

在眾多的小波母函數(shù)中，由于復(fù)Morlet 小波能夠有效提取特征時間尺度信號在不同時間的強弱和位相兩方面的信息，可消除用實小波變換系數(shù)作為判據(jù)所產(chǎn)生的虛假振蕩且不具有正交性。所以本研究進行連續(xù)小波變換時選用復(fù)Morlet 小波，其母小波的表達式為：

式中，為小波帶寬；為小波中心頻率；表示虛數(shù)。在本研究中根據(jù)小波變換的實際效果確定最優(yōu)帶寬為1，中心頻率取值為1.5。

小波伸縮尺度不等同于真實的周期尺度，伸縮尺度與周期存在如下關(guān)系：

式中，= 2π，為小波中心頻率，所以實際坡長對應(yīng)的真實周期尺度為：

小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布，可以客觀而有效地確定一個待分析序列中存在的主要周期，方差的峰值處所對應(yīng)的尺度即為該序列的主要周期尺度。小波方差越大，說明信號在對應(yīng)尺度上的周期性特征就越顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 研采樣區(qū)的137Cs背景值

2.2 坡面137Cs含量及侵蝕速率空間變換

2.3 坡面土壤侵蝕-沉積的空間分布規(guī)律

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)其侵蝕速率空間分布呈現(xiàn)明顯的周期波動性。為了進一步探究不同壟向坡面侵蝕速率的分布規(guī)律，本文引入小波分析方法來研究坡面侵蝕速率具體的周期性變化規(guī)律。圖5 為順坡壟作下坡面侵蝕速率的小波方差圖，從圖中可以看出順坡壟作坡面存在2 個較為明顯的波峰，它們依次對應(yīng)68 m、113 m 的坡長尺度。由式（6）換算成實際坡長下的周期尺度分別為45 m 和75 m。其中最大峰值對應(yīng)著68 m 的坡長尺度，說明在68 m 的坡長尺度下周期震蕩性最強，因而45 m 為該坡面侵蝕速率的第一主周期；113 m 坡長尺度對應(yīng)著第二峰值，75 m 作為該坡面土壤侵蝕速率的第二主周期，上述2 個周期的波動控制著土壤侵蝕速率在整個坡長域內(nèi)的變化特征。

圖4 橫、順坡壟作坡面侵蝕-沉積速率空間分布Fig. 4 Spatial distribution of erosion-deposition rate on slope with horizontal and longitudinal ridges

圖5 順坡壟作坡面土壤侵蝕速率小波方差隨坡長尺度的變化規(guī)律Fig. 5 Wavelet variance of soil erosion rate on slopes with longitudinal ridges

圖6（a）為順坡壟作坡面在68 m 坡長尺度下的小波系數(shù)圖，從圖中可以看出侵蝕速率大約經(jīng)歷了3 個極強-極弱的交替轉(zhuǎn)換期，其平均周期與計算得到的45 m 實際坡長周期尺度完全吻合。圖6（b）為順坡壟作在113 m 坡長尺度下的小波系數(shù)圖，從圖中可以看出在113 m 坡長尺度下，侵蝕速率大約經(jīng)歷了2 個極強-極弱的交替轉(zhuǎn)換期，這與計算得到的75 m 的實際周期尺度也大致吻合。

圖6 順坡壟作坡面土壤侵蝕速率在（a）68 m 和（b）113 m 坡長尺度下的小波系數(shù)隨坡長變化規(guī)律Fig. 6 Wavelet coefficient of soil erosion rate in (a) 68 m and (b) 113 m length scale on slopes with longitudinal ridges

圖7 為橫坡壟作坡面土壤侵蝕速率的小波方差圖，從圖中可以看出橫坡壟作坡面土壤侵蝕速率的最大峰值對應(yīng)67 m 的坡長尺度，由式（6）換算得到實際坡長下的真實周期尺度為45 m。67 m 的坡長尺度下周期震蕩性最強，因而該坡面侵蝕速率的主周期為45 m，該周期的波動控制著土壤侵蝕速率在整個坡長域內(nèi)的變化特征。圖8 為橫坡壟作在67 m坡長尺度下的小波系數(shù)圖，從圖中可以看出土壤侵蝕速率大約經(jīng)歷了3 個極強-極弱的交替轉(zhuǎn)換期，土壤侵蝕速率的平均變化周期為45.3 m，這與計算得到的周期尺度45 m 完全吻合。

圖7 橫坡壟作坡面土壤侵蝕速率小波方差隨坡長尺度變化的規(guī)律Fig. 7 Wavelet variance of soil erosion rate on slopes with horizontal ridges

圖8 橫坡壟作坡面土壤侵蝕速率在67 m 坡長尺度下的小波系數(shù)隨坡長變化規(guī)律Fig. 8 Wavelet coefficient of soil erosion rate in 67 m length scale on slopes with horizontal ridges

由上述小波方差圖與小波系數(shù)圖可知，橫坡壟作與順坡壟作在140 m 的坡長尺度下均存在侵蝕-沉積的周期性變化規(guī)律。二者在主周期上具有一定的共性，均存在一個45 m 的第一主周期，同時二者也存在差異，順坡壟作還存在一個75 m 的第二主周期。坡面存在的侵蝕-沉積周期性變化規(guī)律主要是由降雨徑流和融雪徑流引起的。在降雨和融雪過程中，坡面徑流沿坡面自上而下流動，徑流流速不斷增大，對坡面土壤的侵蝕也隨之增大，不斷攜帶沿程泥沙向坡下運移，當(dāng)挾沙量逐漸趨于飽和，徑流流速和徑流侵蝕力均減小并開始卸載泥沙，泥沙被卸載后徑流流速與侵蝕力又逐漸增大，徑流沿著坡面繼續(xù)向下開始新一周期的泥沙侵蝕、搬運、沉積。周而復(fù)始在整個坡面形成侵蝕-沉積的周期性變化規(guī)律。橫坡壟作和順坡壟作存在侵蝕-沉積周期變化規(guī)律差異（即順坡壟作存在第二主周期）的主要原因是橫壟壟臺對徑流泥沙的攔截作用和對坡面流速的消減作用，壟臺能有效的將泥沙阻留在壟溝內(nèi)，以及它對坡面挾沙水流的減速作用使得挾沙水流的挾沙能力減弱，在更短的坡長周期內(nèi)使泥沙卸載沉積。順壟坡沿坡長方向無壟臺阻擋，坡面水流在壟溝里迅速匯集，流量大、流速快，導(dǎo)致挾沙水流侵蝕力增大，需運移更遠(yuǎn)的距離才能達到飽和，因而其存在較橫坡壟作更長的侵蝕-沉積第二主周期。準(zhǔn)確把握坡面土壤侵蝕-沉積規(guī)律，可有效指導(dǎo)水土保持措施的空間配置，例如在侵蝕較強的部位進行壟臺加固，布設(shè)等高植物帶，防止壟臺被沖垮，可有效減少坡面水土流失。

3 結(jié) 論

橫、順坡壟作的坡面Cs 平均濃度分別為1 802 Bq·m和1 770 Bq·m，均小于當(dāng)?shù)乇尘爸? 417 Bq·m，說明在兩種耕作措施下坡面均發(fā)生了不同程度的土壤侵蝕。橫坡壟作的坡面侵蝕-沉積速率 介 于-700 ～2 662 t·km·a之 間，平 均 值 為1 341 t·km·a；順 坡 壟 作 侵 蝕 速 率 介 于-726 ～3 327 t·km·a之間，平均值為1 466 t·km·a。橫坡壟作在整個坡面的平均侵蝕速率小于順坡壟作，表明在長期平均條件下前者的水土保持作用優(yōu)于后者。盡管研究區(qū)的土壤侵蝕屬于輕度侵蝕，但其侵蝕速率遠(yuǎn)大于黑土區(qū)的土壤容許流失量（200 t·km·a），因而在本研究區(qū)進行水土流失綜合治理已迫在眉睫。通過小波分析發(fā)現(xiàn)，在140 m 坡長條件下，東北黑土區(qū)橫坡壟作與順坡壟作坡耕地在整個坡面均存在侵蝕-沉積的周期性變化規(guī)律。順坡壟作存在一個45 m 的主周期和一個75 m 的次周期，而橫坡壟作只存在一個45 m 的主周期。坡面呈現(xiàn)的侵蝕-沉積周期性變化規(guī)律主要是由降雨徑流和融雪徑流對坡面土壤的侵蝕、搬運、輸移和沉積過程引起的。準(zhǔn)確把握坡面土壤侵蝕沉積規(guī)律對水土保持措施的空間配置，有效控制坡面水土流失，提高黑土區(qū)水土保持效益等具有重要的指導(dǎo)意義。但不同坡型條件下（即凸型和凹型），坡面侵蝕沉積規(guī)律還有待進一步研究。