殷敏峰, 湯 耀, 張加瓊,2, 楊明義,2, 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)

黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其中水蝕風(fēng)蝕交錯帶受風(fēng)力和水力交錯作用，土壤侵蝕強(qiáng)烈，成為黃土高原侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，加之該區(qū)地面物質(zhì)組成復(fù)雜，即使在水土保持工程持續(xù)大規(guī)模實(shí)施的背景下，該區(qū)域仍是黃河下游河床泥沙的重要來源地[1-6]。針對該區(qū)域的風(fēng)水交錯侵蝕特征，深入研究土壤侵蝕的過程與機(jī)理，揭示土壤侵蝕的變化規(guī)律，為科學(xué)防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)。前人采用3S、野外調(diào)查、核素示蹤、小區(qū)觀測、模擬試驗(yàn)等方法對該區(qū)域的土壤侵蝕開展了大量研究，并取得了豐碩的成果[7-10]。然而該區(qū)土壤侵蝕過程復(fù)雜且全年活躍，限制了傳統(tǒng)方法在該區(qū)土壤交錯侵蝕研究中的應(yīng)用，而核素示蹤技術(shù)，尤其是半衰期較短的天然放射性核素7Be，對示蹤該區(qū)的土壤交錯侵蝕具有獨(dú)到優(yōu)勢[11]。

7Be的沉降特征為其示蹤短期土壤侵蝕提供了可能。7Be是具有連續(xù)來源的天然放射性核素，經(jīng)干、濕沉降到達(dá)地表后，迅速與地表土壤顆粒吸附，在土壤中的分布和含量均較穩(wěn)定[12]。7Be半衰期較短(53.3 d)，導(dǎo)致其在土壤中的分布深度較小且無法長期蓄存。7Be主要分布在土壤表層0—20 mm內(nèi)，尤其在0—2 mm內(nèi)含量最高，其含量隨土層深度增加一般呈指數(shù)遞減[13]。7Be的上述基本特征不僅使其適用于短期土壤侵蝕示蹤，也為運(yùn)用其區(qū)分交錯侵蝕區(qū)域的風(fēng)蝕、水蝕提供了準(zhǔn)確、便利的方法。可見，明確7Be在土壤中的背景分布特征是利用7Be示蹤土壤交錯侵蝕的基礎(chǔ)。

7Be的土壤剖面分布特征可用其面積濃度(Bq/m2)或質(zhì)量濃度(Bq/kg)隨土層深度的變化、質(zhì)量深度(kg/m2)等描述。前人對7Be的土壤剖面分布特征開展了大量研究并取得豐碩成果。在國內(nèi)外不同區(qū)域的研究表明，7Be集中分布在表層0—20 mm或者0—30 mm土壤中，未擾動土壤中其基本呈現(xiàn)隨土層深度增加的指數(shù)遞減規(guī)律[12-13]。7Be在土壤剖面中的分布主要受降雨、緯度、海拔、土壤質(zhì)地、土壤入滲能力等因素的影響[14-15]。首先，7Be主要是通過濕沉降到達(dá)地表，降水狀況直接決定土壤中7Be的含量[16]。因而，影響降雨的因素，包括地理緯度、海拔等均會對土壤中的7Be含量造成影響。7Be沉降通量與降雨量存在密切的相關(guān)性，前人研究發(fā)現(xiàn)可用線性函數(shù)表達(dá)[14]。緯度的影響表現(xiàn)為中高緯度地區(qū)高于低緯度地區(qū)，同一緯度降雨多的地區(qū)沉降通量大[17]。如黔中地區(qū)7Be背景值為263 Bq/m2，較陜西安塞地區(qū)7Be背景值392 Bq/m2要低，而比四川鹽亭地區(qū)7Be背景值143.2 Bq/m2要高[18-22]。其次，土壤中7Be含量受土壤質(zhì)地的影響。隨土壤顆粒粒徑變小而變少，相較于粗顆粒，在土壤組分較細(xì)、有機(jī)質(zhì)含量較高、黏粒含量較多的條件下往往可以檢測到較高的7Be含量。研究表明細(xì)組分和有機(jī)質(zhì)的增加可導(dǎo)致土壤負(fù)電荷增多，使得細(xì)顆粒對7Be的吸附能力變強(qiáng)，不同粒級大小土壤中7Be含量分布規(guī)律為黏粒>粉砂粒>沙粒[23]。除上述原因外，土壤入滲也影響7Be的剖面分布，對于美國沼澤土和中國三峽庫區(qū)紫色土的研究均表明，在土壤未飽和的情況下，雨水的快速下滲會導(dǎo)致7be向更深的土壤剖面分布[24-26]。目前大多研究均聚焦于單一外營力(水力為主，風(fēng)力較少)背景下的7Be剖面分布特征、描述函數(shù)影響因素等[27]，而對風(fēng)力、水力交錯條件下7Be特征的研究薄弱。

明確水蝕風(fēng)蝕交錯帶7Be在不同土壤類型的背景分布特征，是運(yùn)用該方法研究該區(qū)域交錯侵蝕的基礎(chǔ)。本研究基于土壤中7Be僅分布在土壤表層且呈指數(shù)遞減的特點(diǎn)，在陜西省榆林市神木縣六道溝流域建立當(dāng)?shù)?種典型土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和風(fēng)沙土)的7Be背景值觀測小區(qū)，觀測風(fēng)季(10月—次年5月)和雨季(5—10月)的7Be背景值含量、剖面分布特征，分析其張弛質(zhì)量深度，明確不同類型土壤的7Be分布特征，為運(yùn)用7Be示蹤該區(qū)域的土壤交錯侵蝕研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在神木六道溝流域通過建立觀測小區(qū)的方式開展，小區(qū)位于陜西省神木縣六道溝小流域(110°21′—110°23′E， 38°46′—38°51′N)，海拔1 094.0～1 273.9 m。六道溝小流域位于毛烏素沙漠邊緣地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，是黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶比較典型的區(qū)域。該流域面積為6.9 km2，主溝道總長4.21 km，自南而北流入窟野河一級支流三道溝。氣候類型為半干旱大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫8.4℃，多年平均降水量為437 mm，年際變化較大，其中6—9月份的降水占全年降水量的77.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向?yàn)槲鞅?，次主風(fēng)向?yàn)闁|南，東風(fēng)最弱，夏季多為南風(fēng)、東南風(fēng)，冬春兩季多為偏北風(fēng)[3-5]，大風(fēng)日數(shù)年均13.5 d，最多達(dá)44 d，年均沙塵暴日數(shù)11.5 d，最多達(dá)22 d。

2 試驗(yàn)布設(shè)與樣品采集處理

2.1 試驗(yàn)布設(shè)

選取背風(fēng)、地勢平坦、無植被覆蓋的區(qū)域修建7Be背景值小區(qū)共計4個，使用高1 m左右的石棉瓦圍封(1.5 m×1.5 m)以保證小區(qū)內(nèi)土壤無流失、無沉積。為避免因?yàn)橹車⒌貤l件的差異造成土壤接收的7Be的差異，將背景值小區(qū)修建在同一區(qū)域，并在小區(qū)里填裝不同的土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和風(fēng)沙土)約50 cm，填裝土壤時使其容重接近翻耕條件下該種土壤的自然容重，作為7Be背景值、剖面分布特征及其張弛質(zhì)量深度的研究區(qū)(圖1)。同時，在試驗(yàn)站內(nèi)布設(shè)10個底部帶孔的不銹鋼桶，分別填裝從研究區(qū)采集的上述土壤，每種土壤裝2個桶，每個桶裝20 cm左右的土壤，用于校正野外的7Be背景值。

圖1 不同類型土壤的7Be背景值小區(qū)

2.2 樣品采集及處理

2.2.17Be背景值樣品的采集 在風(fēng)季(2014年、2015年5月中旬)和雨季(2015年、2016年10月中旬)結(jié)束后，于各個背景值小區(qū)使用內(nèi)徑為14.7的環(huán)形采樣器采集0—2.5 cm土壤全樣和層樣，并對每個背景值樣區(qū)采集全樣5個，層樣以2.5 mm間距分10層采集一組。層樣采集使用自行設(shè)計的上推分層采樣器采集，分層采樣器與Mabit等[28]研究中使用的FISC采樣器類似。

2.2.2 樣品測定 所有樣品經(jīng)風(fēng)干，去除雜草和礫石等后，一部分過1 mm篩，去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，隨后使用英國Malven公司生產(chǎn)的MS-2000型激光粒度儀測定土壤顆粒粒度和比表面積；另取300 g左右的土樣，過1 mm篩，裝入與標(biāo)準(zhǔn)源相同規(guī)格的塑料盒中，在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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用美國ORTEC公司多道低本底γ能譜儀在477.6 keV狀態(tài)下測定，每個樣品的測定時間約為86 400 s，用全峰面積法(TPA)求算7Be的比活度。由于7Be沒有標(biāo)準(zhǔn)源，測試之前，探頭用已知活度的多放射標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定，包括:U-238，±2.2%；Th-232，±2.7%；Ra-226，±3.2%；PB-210，±2.9%；K-40，±2.7%；Cs-137，±0.4%；和Co-60，±0.2%。每個7Be樣品的含量都衰變校正到采樣時的含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域內(nèi)4種典型土壤的顆粒組成

水蝕風(fēng)蝕交錯帶的地表物質(zhì)組成復(fù)雜，僅在六道溝流域土種就達(dá)到24種，其中主要包括黃綿土、紅黃土、風(fēng)沙土和淤土4個土類[5]，該4類土按照美國農(nóng)業(yè)部的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)(USDA,1951)劃分土壤類型，本流域的土壤主要分為粉壤土、粉黏土、沙壤土和風(fēng)沙土4類(表1)。

表1 本研究土壤類型

3.2 7Be背景值的確定

7Be背景值含量是估算土壤侵蝕量的基礎(chǔ)，7Be背景值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到示蹤結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于分層采樣過程及儀器測量過程存在誤差[29]，因此本研究7Be背景值確定為實(shí)測背景值與7Be剖面函數(shù)得到的理論背景值的平均值，并將2015年和2016年兩年得到的7Be背景值再平均作為最終確定的7Be背景值。表2為風(fēng)季和雨季后各小區(qū)的7Be背景含量。粉黏土、風(fēng)沙土、沙壤土和粉壤土風(fēng)季7Be背景值分別為248.1，237.5，240.5，244.7 Bq/m2，雨季7Be背景值分別為621.9，611.4，623.4，618.4 Bq/m2。由表2可知，雨季的7Be含量占了全年70%以上，說明雨季7Be的沉降明顯高于風(fēng)季。

表2 各小區(qū)7Be背景值含量 Bq/m2

3.3 7Be剖面分布特征

7Be在土壤表層的剖面分布特征是利用7Be示蹤土壤侵蝕的關(guān)鍵。4種土壤于2015年風(fēng)季(2015年10月—2016年5月)和2016年風(fēng)季(2016年10月—2017年5月)，2015年雨季(2015年6—9月)和2016年雨季(2016年6—9月)的7Be剖面分布圖如圖2—3所示，各種土壤剖面中7Be面積活度隨土層深度的增大呈指數(shù)遞減(R2≥0.92)，這與前人的研究結(jié)果相似[30-31]。7Be測定結(jié)果顯示，7Be主要分布在0—10 mm深度內(nèi)，這種分布模式為示蹤強(qiáng)度較弱的土壤侵蝕提供了方法。對觀測的4種土壤，7Be的土壤剖面分布在兩年間均無顯著差異。表層土壤中(0—2.5 cm)7Be的含量表明，雨季各種土壤中的7Be含量均大于風(fēng)季，因?yàn)?Be主要以濕沉降的方式到達(dá)地面，研究區(qū)的干濕季明顯分異直接導(dǎo)致了7Be沉降的季節(jié)變化。此外，4種土壤表現(xiàn)出2016年風(fēng)季和雨季的7Be含量均大于2015年，造成這種差異的主要原因也與降雨/降雪相關(guān)。以雨季為例，小區(qū)附近的氣象觀測記錄顯示，2016年降水量約為602.20 mm，而2015年僅為384.00 mm。對既沒有侵蝕也沒有沉積的背景值區(qū)域，降雨/降雪量較大的年份土壤會得到更多的7Be輸入[14]。

圖2 2015年同種土壤風(fēng)季雨季的7Be背景值剖面分布

圖3 2016年同種類型土壤風(fēng)季雨季的7Be背景值剖面分布

3.4 土壤張弛質(zhì)量深度(h0)的確定

土壤張弛質(zhì)量深度(h0)是描述7Be質(zhì)量濃度和面積濃度在地表土壤剖面分布特征的重要參數(shù)，其表征7Be在土壤剖面的垂向分布變化及其最大深度。根據(jù)張風(fēng)寶[14]的研究發(fā)現(xiàn)，一般地從地表到h0的深度范圍內(nèi)，7Be的面積活度占總面積活度的63%?；赪alling模型[32]，由7Be面積活度、質(zhì)量活度與張弛質(zhì)量活度之間的關(guān)系[公式(1)]可知，質(zhì)量活度理論值的對數(shù)與x處測得的7Be初始活度線性相關(guān)，線關(guān)系式斜率的倒數(shù)即為張弛質(zhì)量深度。

(1)

式中:x為質(zhì)量深度(kg/m2);CBe(x)為x處的7Be初始活度(Bq/kg)；CBe(0)為地表(即x=0)的7Be初始濃度(Bq/kg)；h0為張馳質(zhì)量深度(kg/m2)；ABe(x)為深度x以下7Be的總活度；Aref為研究區(qū)土壤中7Be的基準(zhǔn)值(背景值)。

土壤的張弛質(zhì)量深度存在明顯的季節(jié)差異和土壤類別差異?？傮w上，風(fēng)季土壤的張弛質(zhì)量深度大于雨季，土壤黏粒含量越高則張弛質(zhì)量深度越小(表3)。對研究的4種土壤，張弛質(zhì)量深度的變化均表明，同一土壤類型于風(fēng)季的土壤張弛質(zhì)量深度大于雨季，4種土壤在研究期間(2015年、2016年)風(fēng)季平均張弛質(zhì)量深度比雨季大0.32～0.50 kg/m2。這與Walling等[33]的研究結(jié)果類似，對智利南部瓦爾迪維亞地區(qū)粉黏土的研究發(fā)現(xiàn)土壤風(fēng)季的張弛質(zhì)量深度(1.93 kg/m2)高于雨季(1.60 kg/m2)。對同一研究區(qū)域，在降雨量相同的條件下，土壤黏粒含量表現(xiàn)出風(fēng)季和雨季均與張弛質(zhì)量深度呈線性負(fù)相關(guān)，黏粒含量越高張弛質(zhì)量深度越小，表明7Be往深層土壤中遷移的程度越小，較高濃度的7Be聚集在較淺表層土壤中，7Be表征土壤侵蝕的敏感性更高(圖4)?？梢姡邓屯寥李愋途鶎?Be有明顯的影響。由于風(fēng)季的降水?dāng)?shù)據(jù)(尤其是降雪)難以獲取，加之降塵對7Be在風(fēng)季的輸入有重要影響[34]；本研究以雨季為例，分析降雨和土壤類型對7Be背景值的影響。結(jié)果顯示，張弛質(zhì)量深度與降雨量(R, mm)或土壤黏粒含量(c,%)之間的關(guān)系可以用簡單的線性關(guān)系表示。降雨量和土壤黏粒含量均與土壤張弛質(zhì)量深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，見公式(2)。

h0=3.40-0.02c-0.22lnRR2=0.75

(2)

式中：h0為張弛質(zhì)量深度(kg/m2)；R為降雨量(mm)；c為土壤黏粒含量(%)。

表3 各土壤類型的土壤張弛質(zhì)量深度 kg/m2

圖4 不同類型土壤平均黏粒含量與張弛質(zhì)量深度的關(guān)系

4 討 論

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶存在明顯的干濕季節(jié)變化，水蝕主要發(fā)生在雨季(6—9月)，風(fēng)蝕主要發(fā)生在風(fēng)季(10—5月)。前人運(yùn)用7Be示蹤技術(shù)分別研究了該區(qū)域粉黏土、粉壤土和沙壤土的風(fēng)力侵蝕，描繪風(fēng)蝕空間分布特征[35-36]，但仍未實(shí)現(xiàn)對土壤風(fēng)水交錯侵蝕的研究。7Be較短的半衰期和明顯的季節(jié)分布特征為運(yùn)用其開展風(fēng)水交錯侵蝕特征研究提供了可能，為定量區(qū)分風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕的貢獻(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。7Be的背景特征，尤其是其在土壤中的剖面分布特征是影響7Be示蹤土壤侵蝕準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，而土壤張弛質(zhì)量深度h0是表征7Be在土壤表層垂直分布特征的關(guān)鍵參數(shù)，直接反映了7Be在土壤剖面的垂直分布特征和最大深度[14]。本研究對黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶4種典型土壤類型的分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土的h0在風(fēng)季和雨季均大于其他3種土壤，且其變異程度(變異系數(shù)為14%)也較其他3種土壤大。這與土壤的機(jī)械組成差異具有重要的相關(guān)性，于風(fēng)沙土而言，其顆粒較粗，細(xì)組分(黏粒和粉沙)含量較低(<3.1%)，而7Be主要選擇性地吸附在細(xì)顆粒上，尤其與黏粒含量密切相關(guān)。風(fēng)沙土的黏粒含量低，細(xì)顆粒少，對7Be的吸附較弱，風(fēng)沙土大孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的優(yōu)先流路徑的存在也會影響7Be的垂直分布[37-38]。加之，風(fēng)沙土在水力侵蝕過程中往往表現(xiàn)出明顯的重力侵蝕特征[39]。在降雨過程中，風(fēng)沙土的典型侵蝕發(fā)育過程為垂直滲流—潛流—崩塌，瀉溜為其典型的侵蝕方式[40]，土壤侵蝕速率較大，易超過7Be的示蹤能力(侵蝕厚度約<2 cm)，示蹤結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性較差。因此，在水蝕風(fēng)蝕交錯帶，7Be示蹤可用于粉黏土、粉壤土和沙壤土的交錯侵蝕，而在風(fēng)沙土適用性較差。

5 結(jié) 論

本研究基于7Be半衰期較短和試驗(yàn)區(qū)干濕季節(jié)分異明顯的特征，以水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的4種典型土壤為研究對象，分析了7Be剖面分布特征和張弛質(zhì)量深度h0等關(guān)鍵參數(shù)的季節(jié)變化，研究了7Be在水蝕風(fēng)蝕交錯帶示蹤土壤風(fēng)蝕和水蝕的可行性和適用性。研究表明7Be與土壤類型和降雨量的季節(jié)變化相關(guān)。雨季的7Be含量均大于風(fēng)季，降雨量大的年份土壤7Be含量較高，黏粒含量較高的土壤7Be含量較高。張弛質(zhì)量深度h0隨土壤類型和季節(jié)變化表現(xiàn)出明顯的改變。風(fēng)季h0的平均值大于雨季；土壤黏粒含量較低的土壤的張弛質(zhì)量深度h0較小(線性負(fù)相關(guān))。研究結(jié)果表明，7Be具有示蹤水蝕風(fēng)蝕交錯帶粉壤土、粉黏土和沙壤土風(fēng)蝕和水蝕的潛能，而示蹤風(fēng)沙土侵蝕的適用性較差，主要?dú)w因于風(fēng)沙土較大的侵蝕速率和7Be在表層風(fēng)沙土中的分布變異較大兩方面原因。此外，本研究只是從7Be背景值分布角度討論了其示蹤該區(qū)域風(fēng)蝕和水蝕的可行性，具體的示蹤適用性還需要在研究區(qū)域開展具有針對性的深入研究。