利用7Be研究次降雨条件下浅沟集水区片蚀的空间分布

丁晋利 郑粉莉

(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,中国 杨凌 712100；2. 郑州师范学院，中国 郑州 450044； 3. 西北农林科技大学，中国 杨凌 712100)

研究坡面土壤侵蚀的空间分布特征对合理进行坡面水土保持规划具有重要意义．罗来兴[1]、陈永宗[2]、唐克丽[3-7]和郑粉莉[8-10]等采用传统的径流小区法和野外调查法研究了坡面不同部位各种侵蚀方式的侵蚀产沙作用及其侵蚀强度，但如何定量分析侵蚀性降雨过程中坡面任一点是以侵蚀—搬运过程为主还是以侵蚀—沉积过程为主的技术难题至今没有得到解决．

7Be是一种天然放射性核素，半衰期53.3 d，主要通过湿沉降到达地表，在表层土0～2 cm分布，这种分布特征决定了其对表层土壤发生运移的敏感性．本文利用7Be示踪方法并结合野外调查，研究次降雨条件下浅沟集水区片蚀空间分布特征，定量分析侵蚀性降雨过程中坡面任一点是以侵蚀—搬运过程为主还是以侵蚀—沉积过程为主，以期为坡面水土保持措施配置提供科学依据．

1 试验方法

1.1 研究区概况

选陕西省子午岭土壤侵蚀与生态环境观测站布设的7号径流小区为研究坡面．7号小区是由不同坡度不同坡长组成的复合坡面，其长96 m，宽20 m，在沿斜坡长40 m处出现浅沟沟槽，地面为翻耕裸露休闲，土壤性状均与黄绵土类似，土壤容重1.10 g·cm-3．

1.2 材料与方法

2004年6月23日，在7号小区，沿坡长变化根据主要侵蚀方式的差异布设采样点(见表1)．当浅沟出现后，在浅沟沟槽两侧(左右沟脊)非对称布设样点．在各样点采集表层土样，土层厚2 cm．同时在分水岭采集7Be的参考样．同年7月7日，在发生一次侵蚀性降雨之后，再次进行采样．

表1 坡面7Be采样点布设

1.3 样品测定方法

土壤样品测定在中国科学院北京高能物理研究所进行．仪器采用美国ORTEC公司生产的配有4 096道分析仪的高纯锗γ能谱仪，7Be特征峰能量为477.6 keV．由于7Be没有标准源，采用从低能段到高能段的10种标准源标定，得到仪器的探测效率曲线，根据曲线拟合方程从而得到仪器对7Be的探测效率．由于7Be的半衰期短(53.3 d)，每组样品中每个样品7Be的测定日期不同，所以将每组土壤样品中的7Be含量校正到同一时刻土壤中的7Be含量．测定结果为单位土壤重量的7Be含量(Bq/kg)，根据土壤干容重，计算7Be的面积浓度．

2 结果与讨论

2.1 侵蚀性降雨特征与侵蚀量

该研究区位于陕西省子午岭林区的富县境内，地貌类型属于黄土覆盖的梁状丘陵，年平均降水量576.7 mm，主要集中在7～9月，期间降水量占全年降水量的70%以上，属强烈侵蚀区．侵蚀性降雨是由侵蚀性降雨底值来描述的．所谓侵蚀性降雨底值[11]是指引起土壤侵蚀的最小降雨强度和在该强度范围内的降雨量．郑粉莉等[10]研究的侵蚀性降雨底值标准为：I10=0.4 mm·min-1，I30=0.25 mm·min-1(15 mm·h-1)，平均雨强I=5 mm·h-1．根据上述标准从2004年6月23日到7月7日，发生了一次侵蚀性降雨，如表2所示．

表2 次降雨特征

2.2 表层土壤侵蚀空间分布特征

2.2.17Be在土壤剖面中的分布 土壤中7Be含量在浅沟集水区不同地形部位分水岭、浅沟沟头、沟脊和沟槽中的剖面分布如图1所示．

A.分水岭；B.浅沟沟头；C.浅沟沟脊；D.浅沟沟槽图1 7Be剖面分布

从图1可以看出，7Be主要分布在表层土壤0～2 cm的深度范围，7Be质量浓度随土壤深度的增加呈减少趋势．这与英国的Walling[12-13]、澳大利亚的Wallbrink[14]及我国白占国[15]研究的7Be剖面分布规律基本一致．但由于坡面上不同部位的径流强度、侵蚀强度及侵蚀方式不同，导致不同部位7Be的剖面分布存在差异．在表层0～1 cm土壤中，7Be质量浓度为分水岭>浅沟沟头>浅沟沟脊>浅沟沟槽．分水岭土壤剖面同其他3个剖面相比，由于分水岭侵蚀方式主要以溅蚀和层状侵蚀为主，侵蚀强度较弱，土壤表层7Be活度高于其他3个剖面．由图1-D表明，7Be在浅沟沟槽剖面的分布是质量浓度最低且分布深度也最浅，造成这种现象的原因主要是浅沟沟槽的侵蚀方式以沟蚀为主，其强度远大于其他部位．将浅沟沟槽7Be剖面分布与分水岭相比，浅沟沟槽发生显著侵蚀．综上分析，侵蚀强度由强到弱分别是浅沟沟槽、浅沟沟脊、浅沟沟头和分水岭．

2.2.2 表层(0～2 cm)土壤侵蚀空间分布特征 运用Walling模型将整个坡面采样点的7Be含量转化为表层土壤的侵蚀或沉积量可以说明坡面表层0～2 cm土壤侵蚀的空间分布特征．7Be示踪表层土壤的侵蚀量实际上是发生侵蚀性降雨时雨滴溅蚀、片蚀和部分细沟和浅沟侵蚀的总量．

浅沟集水区土壤侵蚀强度分布见图2所示．

图2 浅沟集水区土壤侵蚀强度分布

由图2可以看出，坡面上部在0～10 m范围内侵蚀强度较弱，局部区域有沉积发生．在坡面中部坡长为45～50 m处，存在着浅沟沟脊与浅沟沟槽之间的横向比降，使浅沟沟脊处的径流横向溢流到浅沟沟槽中，在这种沟脊处径流横向溢流到沟槽的路径中，可能会造成局部浅沟沟脊处的土壤侵蚀严重发生，因此左浅沟沟脊处侵蚀严重；又由于地面凹凸不平对径流的分配和土壤的抗侵蚀力的空间分异，径流在坡面上呈不均匀分布，因此右浅沟沟脊处侵蚀相对较弱，局部区域有沉积发生．再者，随着坡长的增加，由于浅沟沟脊处的径流大多横向溢流到浅沟沟槽内，使浅沟沟槽水流流速增大，导致浅沟水流的剥蚀—搬运能力增强，从而使坡面下部土壤侵蚀加剧．图2表明，当坡长大于75 m时，土壤侵蚀严重发生．根据7Be含量估算，次降雨引起浅沟集水区表层(0～2 cm)土壤侵蚀模数平均为1 254 t·km-2．

上述分析表明，利用7Be可研究浅沟集水区次降雨条件下土壤片蚀的空间分布规律．但由于7Be主要富集在0～2 cm的表层土壤，因而适合于研究坡度较缓地形的土壤侵蚀空间分布．

3 结论

(1)次降雨发生前后，7Be在坡面不同部位发生显著的空间分异．次降雨结束后，7Be含量随着坡长整体上呈波动趋势；次降雨发生前后7Be含量的差值也随坡长整体上呈波动趋势．

(2)7Be在土壤剖面主要分布在0～2 cm的范围内，其质量浓度随土壤深度的增加呈减少趋势．由于坡面上不同部位的径流强度、侵蚀强度及侵蚀方式不同，导致不同部位7Be的剖面分布存在差异．在表层0～1 cm土壤，7Be质量浓度分布为：分水岭>浅沟沟头>浅沟沟脊>浅沟沟槽．

(3)浅沟集水区表层(0～2 cm)土壤侵蚀空间分布特征为在坡面上部在0～10 m范围内侵蚀强度较弱，局部区域有沉积发生；在坡面中部坡长为45～50 m左沟脊处土壤侵蚀相对严重；坡长大于75 m的坡面下部，土壤侵蚀也较严重.

(4)利用7Be研究浅沟集水区次降雨条件下片蚀的空间分布，可定量分析侵蚀性降雨过程中浅沟集水区任一点是以侵蚀—搬运过程为主还是以侵蚀—沉积过程为主，揭示了浅沟集水区任一点土壤侵蚀沉积的空间分布规律，为浅沟集水区水土保持措施配置提供了科学依据．

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