基于黄土沉积速率的土壤侵蚀危险度评价

刘 刚，许文年，蔡崇法，刘普灵，杨明义，张 琼

（1.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌443002；

2.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，陕西 杨凌712100；3.华中农业大学 农业部 长江中下游耕地保育重点实验室，武汉430070）

水土流失所造成的资源与环境破坏是世界性的问题，中国黄土高原更是世界上水土流失最严重的地区之一。我国黄土高原地区水土流失分布范围广、面积大；侵蚀形式多样、类型复杂；治理难度大；因此，需针对不同区域的水土流失特征来制定不同的治理规划方案，并采取不同的治理措施来实现土地的可持续利用，保护生态环境，发展区域经济。这就需要建立一种能够评估和预测侵蚀作用破坏土地资源和生态环境危险性的指标，并在此基础上提出科学防治水土流失的对策。

迄今已有许多研究［1－4］集中于土壤侵蚀强度的预测和确定上，但土壤侵蚀强度只能反映过去年平均土壤侵蚀量，无法评价这种侵蚀作用破坏土壤和土地资源的危险性。例如，在某些地区虽然土壤侵蚀量不大，但在社会、经济和环境等方面造成的后果要比某些侵蚀强度大的地区严重的多；另外，土壤侵蚀强度也无法估测未来土壤侵蚀发生的可能性以及危害程度；因此，在判别土壤侵蚀强度的同时，应对土壤侵蚀危险程度进行评价。目前，土壤侵蚀危险度评价方法主要有以下3类［5］：土壤抗蚀年限评价法、土壤侵蚀危险度主导因子分级评价法和土壤侵蚀危险度模型评价法。这些方法以经验性或半定量评价为主，所得到的结果难以满足实际应用的需求。因此，应加强土壤侵蚀危险度定量评价方法的研究。利用14C测年技术对陕北黄土高原黄土沉积速率开展研究，并通过计算土壤侵蚀模数与黄土沉积速率的比值，对该研究区的土壤侵蚀危险度进行评价。该项研究不仅可以为水土保持治理及规划提供科学的参考，为水土保持方案的制定提供数据支撑，还可以为环境治理的决策部门提供理论依据。

1 材料与方法

黑垆土是中国土壤分类系统中特有的一个土壤类型［6］，在陕北黄土高原现仅存在于侵蚀轻微的塬面以及梁、峁顶部、沟头平坦地和川台地［7］。因此本文以陕北洛川县、延长县和横山县塬面土壤剖面为研究对象，对各剖面土壤年龄序列和黄土沉积速率进行研究。首先在陕北洛川县、延长县和横山县塬面分别选择采样点，并设置LC、YC和HS三个剖面，深度均为2.0m。用剖面刀对各剖面进行整理，使得剖面各发生层清晰可见，接着用皮尺测量各发生层的深度，同时观察各发生层特征，并作记录、拍照，其特征如表1所示。

表1 土壤剖面特征

采集各剖面样品时，首先清理剖面表层土壤，防止被污染土壤混入样品中，然后以10cm为一层，自上而下将各剖面分为连续的20层，接着用环刀在每一层采集土壤容重样品，用塑料铲采集土壤样品500g左右装入密封袋中并编号带回实验室。本实验中所有采集土壤样品送至中国科学院地球环境研究所加速器质谱中心完成14C年龄样品的处理及测量工作。

2 结果与分析

2.1 黄土年龄序列及沉积速率

14C测年技术是一种利用死亡生物体中14C不断衰变的原理进行测年的技术，近些年来在土壤学中得到了广泛的应用［8－10］。它可以为近5万年以来的土壤提供精确、可靠的年代标尺，从而为土壤年龄序列的测定提供技术保障。本研究利用14C测年技术建立了LC、YC和HS三个剖面的土壤年龄序列（图1），测量误差值均介于21～69a，图中未标注。从图1中可以看出，在3个土壤剖面中14C年龄与土壤深度表现出良好的线性关系，这与大多数学者的研究结果是一致的［11－13］，其斜率便为土壤的沉积速率。图1方程中Y为土壤14C年龄（a），H 为土壤深度（cm），因此LC、YC和HS三个剖面全新世以来平均黄土沉积速率分别为0.017 9cm／a，0.015 3cm／a和0.021 3cm／a。

图1 LC、YC和HS剖面土壤年龄随深度变化及线性关系

2.2 土壤侵蚀危险度评价

有学者［14］提出以土壤侵蚀模数与成土速率之比作为土壤侵蚀危险度评价的标准：

式中：Sloss——土壤侵蚀模数［t／（km2·a）］；TR——单位面积单位时间成土量［t／（km2·a）］；Vdan——危险度值，当该比值等于1时为土壤侵蚀危险度的临界值；大于1时表明土壤侵蚀危险，且比值越大危险程度越高；比值小于1时表明土壤侵蚀不危险，且比值越小，危险程度越低。该方法可以较容易地对土壤侵蚀危险度进行定量评价。笔者认为土壤侵蚀模数与容许土壤流失量之比，则可以更好地反映土壤侵蚀的危险程度。但目前对于容许土壤流失量的研究还在探索之中，并且在土壤侵蚀剧烈的黄土高原地区，容许土壤流失量的确定仍应以保存土层厚度为主要指标［15］。因此，土壤侵蚀模数与黄土沉积速率之比在本研究区仍可以作为土壤侵蚀危险度评价的有效指标。

为便于计算，将黄土沉积速率换算为单位面积单位时间的沉积成土量：

式中：TR——单位面积单位时间的沉积成土量［g／（cm2·a）］；FR——黄土沉积速率（cm／a）；Dbulk——平均土壤容重（g／cm3）；104——换算系数。

根据黄土沉积速率、土壤容重以及各地区多年平均土壤侵蚀模数（表2），对各剖面所处地县的土壤侵蚀危险度进行计算，得出洛川县、延长县和横山县土壤侵蚀危险度分别为14.1，43.3和24.8。总体上来看，陕北黄土高原的土壤侵蚀危险度均远远大于临界值1，因此该地区土壤侵蚀危险度非常大，应成为今后水土流失防治的重点区域。

表2 各地区土壤侵蚀危险度评价参数

3 结论

本研究通过在陕北洛川县、延长县和横山县塬面选择采样点并分别设置LC、YC和HS三个土壤剖面，利用14C测年法建立了各剖面土壤年龄序列，得出3个地区全新世以来平均黄土沉积速率分别为0.017 9cm／a，0.015 3cm／a和0.021 3cm／a。

通过计算土壤侵蚀模数与黄土沉积速率的比值，可以定量评价区域及流域土壤侵蚀危险度。结果表明，洛川县、延长县和横山县土壤侵蚀危险度分别为14.1，43.3和24.8，均远远大于1，因此该地区为水土流失重点防治区域。

［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，Foster 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］ 刘刚，刘普灵，杨明义，等.土壤侵蚀危险度评价研究进展［J］.中国水土保持科学，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.陕西土壤［M］.北京：科学出版社，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］ 陈奇伯.宁南黄土丘陵区坡耕地水土流失对土地生产力影响研究［D］.北京：北京林业大学，2001.