黄土丘陵区典型峁坡土壤侵蚀空间分异特征

刘佳鑫，刘普灵，，刘 栋，张宁宁

一般而言，在黄土高原丘陵沟壑区，峁坡不同坡向的土壤特性［1］、水分蒸发量和太阳辐射量都存在较大差异，并由此导致各坡面的土壤侵蚀强度和类型也表现出很大差异［2］。但在水风蚀交错带，由于地理特征的不同以及风蚀水蚀的叠加作用，峁坡土壤侵蚀的坡向差异更为复杂［3］。由于137Cs示踪技术方法应用已经比较成熟，且简便、快速，可以定量评价20世纪60年代以来的平均土壤侵蚀速率。其原理是利用20世纪50—70年代大气层核试验所产生137Cs人工同位素在土壤剖面中的残存量，推算自核爆炸以来坡面土壤侵蚀或沉积量［4－5］。因此，通过比较各采样点土壤剖面中137Cs的含量以及流失量，可以对各坡向峁坡不同坡位采样点的土壤流失强度作出对比分析及定量评价，对于防治黄土峁坡土壤侵蚀，合理配置水土保持措施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市靖边县，地处毛乌素沙地南缘，属于半干旱内陆性季风气候，四季变化明显，年平均气温7.8℃，无霜期130d，年平均降水量395 mm，主要集中在7—9月份，冬春季节盛行偏北风，在夏季则以南风、东南风为主，海拔介于1 123～1 823m之间，土质以黄棉土为主，该区域的土壤侵蚀方式主要是水力侵蚀和风力侵蚀。研究对象是位于靖边县天赐湾乡黑疙瘩的典型峁坡，该区以水力侵蚀为主，近50a年的土地利用以耕种为主，2000年实施了大规模退耕还林还草，现均为退耕地。

1.2 样品采集

1.2.1 背景值样品的采集137Cs示踪技术法研究土壤侵蚀首先要确定137Cs的背景值，这直接关系到计算土壤侵蚀速率的准确与否［6］。137Cs背景值样点选取原则：（1）无人为的干扰，且地势较平坦，有40～50a未受到沉积或侵蚀的梯田、草地、林地、坟地或者大面积平坦山顶；（2）各层土壤的比活度不能因为土壤的物理变化过程而发生变化；（3）要与待测定的侵蚀土壤处于同一区域，并且该区域应该具有相同的土壤因素、地形和降雨量。本研究选择未受扰动的农耕地和离研究区很近的老坟地上进行剖面样的采集，剖面样采用直径9cm的土钻，每隔5cm取一个样，取样深度为30cm，总共采集8个剖面样作为土壤137Cs背景值研究样点。

1.2.2 峁坡样点布设及采集 在峁顶正中选取一点为中心，分别以西北到东南、东北到西南为两条坐标轴，从选取的峁顶中心到沟缘线以上以间隔20m的距离，采用网格法进行采样，采样半径为100m，每个样点采用直径为9cm土钻垂直打入土中，分3层每隔10cm采集一个土样，总的采样深度为30cm，峁坡总采集80个样点，共计240个土样。

1.3 样品处理

采集的土壤样品带回实验室后，除去根系、石块以及大颗粒等杂物，剩余土样经阴干（在自然状态下风干）、研磨、过0.25mm筛备用。

1.4 样品中137Cs含量的测定

称取约400g待测样品装入137Cs样品盒中，并称量样品净重量，然后采用美国ORTEC公司生产的8192道低本底γ能谱分析仪，测定在661.6keV处137Cs全峰面积，全部样品测量时间都为8h（28 800s）。

1.5 数据的处理与分析

运用全峰面积法计算137Cs浓度值，采用标准样对比法计算样品137Cs含量，选取张信宝等的模型［7］计算土壤侵蚀速率。所得到的数据，采用SPSS进行显著性检验，采用SAS进行相关性分析、拟合及回归分析，采用Excel进行整理计算和各类图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 峁坡不同坡向137 Cs及侵蚀强度的空间变化特征

研究区土壤137Cs含量的背景值为1 567.42Bq／m2，峁坡各坡向不同坡位137Cs含量的空间分布如图1所示，各坡向不同坡位侵蚀强度的空间分布如图2所示。

图1 研究区各坡向不同坡位137Cs含量的空间变化

2.1.1 各坡向不同坡位137Cs空间分布特征 将采样点按不同坡向归类统计分析。从表1可以看出，在不同坡向上土壤中的137Cs含量发生了明显变异，其中各坡向137Cs含量变异系数大小依次为：东坡＞西南坡＞西坡＞南坡＞西北坡＞东北坡＞东南坡＞北坡。

表1 研究区不同坡向137Cs含量统计特征值

由图1可以看出，土壤中137Cs面积活度值与其坡向密切相关，因此坡向的不同对侵蚀程度有较大的影响。在峁坡各坡向上全部样点137Cs面积活度最大值为1 009.26Bq／m2，最小值为282.27Bq／m2，平均为653.40Bq／m2，变异系数为28.89%。显著性检验显示137Cs面积活度在不同坡向差异显著（p＜0.05）。从图1中可以明显看出各坡向137Cs含量总体呈现由坡顶向坡下部先增加后减小的趋势，北坡和南坡则表现为增—减—增的波动趋势。分析认为各坡向137Cs的含量产生这种变化特征主要是受到退耕前耕作方式和当地气候因素共同作用的结果。退耕前，以犁耕为主的耕作措施将坡面上部的土壤向下运移，各坡向137Cs面积浓度呈顺坡增加的趋势，加以当地不同雨型、雨强以及季节盛行风向的不同，导致不同坡向坡面137Cs也发生了不同的运移过程，除此之外，时有土壤被运移出坡面，综上原因造成了各坡向不同坡位137Cs面积浓度呈现出现有的空间分布特征。

图2 研究区各坡向不同坡位侵蚀强度的空间变化

2.1.2 坡面侵蚀强度空间变化特征 坡地近50a的土地利用情况以耕地为主，直到2000年才实施了大规模退耕还林还草，因此选取张信宝等的模型［7］计算土壤侵蚀速率，估算各坡向坡面不同采样点的土壤净流失强度。由图2可见，北坡与南坡从峁顶到坡下部表现为强—减弱—增强—再减弱的波动趋势，其余各坡向均表现为强—减弱—增强的趋势，各坡面侵蚀强度具有不均一性。峁顶侵蚀最为剧烈，这与其所处位置受风力侵蚀、水力侵蚀以及人为耕作因素有关，而各个坡面的波动性除与人为耕作措施（犁耕）有关外［8］，一方面可能与径流挟沙能力的变化有关，当坡面径流含沙量趋于饱和时，其挟沙能力下降，导致泥沙沉积，而当径流泥沙量减少到一定程度时其挟沙能力又会增加，导致泥沙的搬运，尤其是在坡长较长时这种波动变化会更加明显，另一方面与研究区域所处地带的季节性风向差异有关，各坡向所受风力的影响不同，坡面发生的侵蚀、搬运、沉积、和输移也不同，此外也可能与降雨类型、坡面坡度以及坡长有关。我国有不少学者的研究都证实了坡面侵蚀强度具有波动性的变化特点［9－11］。

2.2 峁坡土壤侵蚀的坡向变化及坡位差异

2.2.1 土壤侵蚀的坡向变化 对8个坡向土壤中137Cs含量进行了方差分析（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含量值呈现显著差异。

各坡向土壤平均侵蚀速率变化趋势与137Cs平均流失量一致。由表3可知，其中平均侵蚀速率最大的是北坡，达到7 804t／（km2·a），最小的是东坡，为6 396t／（km2·a），各坡向均表现为强度侵蚀。

表2 不同坡向土壤中137Cs含量方差分析

表3 各坡向137Cs流失率及土壤侵蚀速率

北坡137Cs平均流失量比南坡大5.35%，平均侵蚀速率比南坡大15.9%，南北坡的这种差异与黄土丘陵区其它地区刚好相反［12］，分析认为除了南北坡坡面差异的影响外，主要是因为冬春季节风蚀的坡向差异所致。此研究区域在冬春季节盛行偏北风，各坡面地表干燥且作物覆盖少，北坡前方为开阔地，使得北风长驱直入，因此北坡风蚀严重，而南坡处于背风坡，风蚀较轻微，偶有少量风沙的沉积；在夏季，大风天气多为雨前阵风，持续时间短，且该季节土壤含水量较高，因此风蚀不是十分严重。同时，南北坡面均为退耕地，虽坡度与坡面状况有所差异，但差异较小，加上该区域相对高差较小，地形对降雨量的分布影响不会很大，综上分析认为，南北坡水力侵蚀强度差距不大。据此可以推断该研究区域侵蚀强度的差异主要来源于冬春季节风蚀的影响。

西北坡137Cs平均流失量比东南坡大3.15%，平均侵蚀速率比东南坡大8.4%，这种差异与研究区内南北坡差异具有相同的因素，即本研究区各坡面侵蚀中风蚀占据了一定比例。

东坡137Cs平均流失速率及平均侵蚀速率均最小，这是由于东坡上布设有鱼鳞坑，并栽种了人工林，有效地防止了雨滴击溅侵蚀与地表径流的侵蚀，因而东坡在各个坡向中所受到的侵蚀强度最小。

2.2.2 土壤侵蚀的坡位差异 分析可知，不同坡向的土壤侵蚀速率存在显著差异，由表4可以看出，即使是同一坡向的峁顶、上中下不同坡位，其侵蚀速率差异非常显著（p＜0.01）。

由图3可以看出，各坡向不同坡位137Cs流失率，峁顶值最高，可达87.5%，侵蚀速率也达到最大9 914 t／（km2·a），这与峁顶所处地形受风蚀、水蚀以及人为活动影响严重有关；在相同坡位不同坡向上，峁坡的上中下各部之间137Cs流失量也存在较大差异。从坡向上来看，西坡、东坡、东北坡、西南坡断面137Cs流失量呈先减少后增加的趋势；东南坡和西北坡则是增长型；北坡和南坡是先增加后减小的趋势。西坡、东坡、西北坡、东北坡、西南坡下部侵蚀明显大于中上部；北坡与东南坡全坡面侵蚀非常严重，坡位差异不太明显；南坡坡中部137Cs流失量大于下部和上部，且下部略大于上部。总之，各坡向上除峁顶外，坡中下部侵蚀量较大，中上部次之。分析认为形成这种空间差异的原因是由于在水蚀情况下，一定的坡长范围内随着从坡顶到坡脚径流水深逐渐的增加，侵蚀量呈现为波动式的增加趋势［13－15］，有国内学者［16］研究表明，对于雨强I30≥25mm的降雨，在小于100m坡长上侵蚀量、径流量均较大，所以各坡向都表现为下部的侵蚀程度最为严重。北坡全坡面均侵蚀严重是因为除受到水蚀作用外，还受到冬春季节强烈的风蚀影响；西坡、东坡、西北坡、西南坡、东北破下部侵蚀量大于中上部，是因为退耕以后地表覆盖度较低，而使坡面的径流侵蚀动能，在一定的坡长范围内沿坡长呈现逐渐增加的趋势，从而导致坡面底部侵蚀量和侵蚀动能最大；南坡中部侵蚀量大于下部和上部，且坡面下部略大于上部是因为其中部筑有地埂，从而阻断且拦蓄坡面的部分泥沙和径流，对水蚀的发生和发展起到了减缓、抑制的作用，并且冬春季南坡处于背风坡有少量风沙发生沉积。

表4 不同坡位土壤侵蚀速率方差分析

图3 研究区各坡向不同坡位137Cs流失率的变化

3 结论

（1）所选各坡向的侵蚀强度差异明显，各坡向平均侵蚀量大小依次为：北坡＞西南坡＞东北坡＞西坡＞西北坡＞南坡＞东南坡＞东坡，北坡侵蚀强度是东坡侵蚀强度的1.2倍，且各坡向侵蚀强度均表现为强度侵蚀。南北坡侵蚀差异与黄土丘陵区其他地区相反，与该区域风蚀、水蚀叠加的特殊侵蚀外营力有关。峁坡各坡向不同坡位的侵蚀差异也非常明显，坡下部侵蚀量最大，坡面中上部次之，侵蚀速率顺坡呈波动变化趋势。

（2）不同坡面相同部位侵蚀强度的比较规律性较差。各坡向的上、中部，北坡的侵蚀强度最大，东坡的侵蚀强度最小，底部西南坡的侵蚀强度最大，南坡侵蚀强度最小。其原因有待进一步深入研究。

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