劉佳鑫，劉普靈，，劉 棟，張寧寧

一般而言，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，峁坡不同坡向的土壤特性［1］、水分蒸發(fā)量和太陽輻射量都存在較大差異，并由此導(dǎo)致各坡面的土壤侵蝕強(qiáng)度和類型也表現(xiàn)出很大差異［2］。但在水風(fēng)蝕交錯帶，由于地理特征的不同以及風(fēng)蝕水蝕的疊加作用，峁坡土壤侵蝕的坡向差異更為復(fù)雜［3］。由于137Cs示蹤技術(shù)方法應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，且簡便、快速，可以定量評價(jià)20世紀(jì)60年代以來的平均土壤侵蝕速率。其原理是利用20世紀(jì)50—70年代大氣層核試驗(yàn)所產(chǎn)生137Cs人工同位素在土壤剖面中的殘存量，推算自核爆炸以來坡面土壤侵蝕或沉積量［4－5］。因此，通過比較各采樣點(diǎn)土壤剖面中137Cs的含量以及流失量，可以對各坡向峁坡不同坡位采樣點(diǎn)的土壤流失強(qiáng)度作出對比分析及定量評價(jià)，對于防治黃土峁坡土壤侵蝕，合理配置水土保持措施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市靖邊縣，地處毛烏素沙地南緣，屬于半干旱內(nèi)陸性季風(fēng)氣候，四季變化明顯，年平均氣溫7.8℃，無霜期130d，年平均降水量395 mm，主要集中在7—9月份，冬春季節(jié)盛行偏北風(fēng)，在夏季則以南風(fēng)、東南風(fēng)為主，海拔介于1 123～1 823m之間，土質(zhì)以黃棉土為主，該區(qū)域的土壤侵蝕方式主要是水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕。研究對象是位于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)黑疙瘩的典型峁坡，該區(qū)以水力侵蝕為主，近50a年的土地利用以耕種為主，2000年實(shí)施了大規(guī)模退耕還林還草，現(xiàn)均為退耕地。

1.2 樣品采集

1.2.1 背景值樣品的采集137Cs示蹤技術(shù)法研究土壤侵蝕首先要確定137Cs的背景值，這直接關(guān)系到計(jì)算土壤侵蝕速率的準(zhǔn)確與否［6］。137Cs背景值樣點(diǎn)選取原則：（1）無人為的干擾，且地勢較平坦，有40～50a未受到沉積或侵蝕的梯田、草地、林地、墳地或者大面積平坦山頂；（2）各層土壤的比活度不能因?yàn)橥寥赖奈锢碜兓^程而發(fā)生變化；（3）要與待測定的侵蝕土壤處于同一區(qū)域，并且該區(qū)域應(yīng)該具有相同的土壤因素、地形和降雨量。本研究選擇未受擾動的農(nóng)耕地和離研究區(qū)很近的老墳地上進(jìn)行剖面樣的采集，剖面樣采用直徑9cm的土鉆，每隔5cm取一個(gè)樣，取樣深度為30cm，總共采集8個(gè)剖面樣作為土壤137Cs背景值研究樣點(diǎn)。

1.2.2 峁坡樣點(diǎn)布設(shè)及采集 在峁頂正中選取一點(diǎn)為中心，分別以西北到東南、東北到西南為兩條坐標(biāo)軸，從選取的峁頂中心到溝緣線以上以間隔20m的距離，采用網(wǎng)格法進(jìn)行采樣，采樣半徑為100m，每個(gè)樣點(diǎn)采用直徑為9cm土鉆垂直打入土中，分3層每隔10cm采集一個(gè)土樣，總的采樣深度為30cm，峁坡總采集80個(gè)樣點(diǎn)，共計(jì)240個(gè)土樣。

1.3 樣品處理

采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，除去根系、石塊以及大顆粒等雜物，剩余土樣經(jīng)陰干（在自然狀態(tài)下風(fēng)干）、研磨、過0.25mm篩備用。

1.4 樣品中137Cs含量的測定

稱取約400g待測樣品裝入137Cs樣品盒中，并稱量樣品凈重量，然后采用美國ORTEC公司生產(chǎn)的8192道低本底γ能譜分析儀，測定在661.6keV處137Cs全峰面積，全部樣品測量時(shí)間都為8h（28 800s）。

1.5 數(shù)據(jù)的處理與分析

運(yùn)用全峰面積法計(jì)算137Cs濃度值，采用標(biāo)準(zhǔn)樣對比法計(jì)算樣品137Cs含量，選取張信寶等的模型［7］計(jì)算土壤侵蝕速率。所得到的數(shù)據(jù)，采用SPSS進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用SAS進(jìn)行相關(guān)性分析、擬合及回歸分析，采用Excel進(jìn)行整理計(jì)算和各類圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 峁坡不同坡向137 Cs及侵蝕強(qiáng)度的空間變化特征

研究區(qū)土壤137Cs含量的背景值為1 567.42Bq／m2，峁坡各坡向不同坡位137Cs含量的空間分布如圖1所示，各坡向不同坡位侵蝕強(qiáng)度的空間分布如圖2所示。

圖1 研究區(qū)各坡向不同坡位137Cs含量的空間變化

2.1.1 各坡向不同坡位137Cs空間分布特征 將采樣點(diǎn)按不同坡向歸類統(tǒng)計(jì)分析。從表1可以看出，在不同坡向上土壤中的137Cs含量發(fā)生了明顯變異，其中各坡向137Cs含量變異系數(shù)大小依次為：東坡＞西南坡＞西坡＞南坡＞西北坡＞東北坡＞東南坡＞北坡。

表1 研究區(qū)不同坡向137Cs含量統(tǒng)計(jì)特征值

由圖1可以看出，土壤中137Cs面積活度值與其坡向密切相關(guān)，因此坡向的不同對侵蝕程度有較大的影響。在峁坡各坡向上全部樣點(diǎn)137Cs面積活度最大值為1 009.26Bq／m2，最小值為282.27Bq／m2，平均為653.40Bq／m2，變異系數(shù)為28.89%。顯著性檢驗(yàn)顯示137Cs面積活度在不同坡向差異顯著（p＜0.05）。從圖1中可以明顯看出各坡向137Cs含量總體呈現(xiàn)由坡頂向坡下部先增加后減小的趨勢，北坡和南坡則表現(xiàn)為增—減—增的波動趨勢。分析認(rèn)為各坡向137Cs的含量產(chǎn)生這種變化特征主要是受到退耕前耕作方式和當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩毓餐饔玫慕Y(jié)果。退耕前，以犁耕為主的耕作措施將坡面上部的土壤向下運(yùn)移，各坡向137Cs面積濃度呈順坡增加的趨勢，加以當(dāng)?shù)夭煌晷?、雨?qiáng)以及季節(jié)盛行風(fēng)向的不同，導(dǎo)致不同坡向坡面137Cs也發(fā)生了不同的運(yùn)移過程，除此之外，時(shí)有土壤被運(yùn)移出坡面，綜上原因造成了各坡向不同坡位137Cs面積濃度呈現(xiàn)出現(xiàn)有的空間分布特征。

圖2 研究區(qū)各坡向不同坡位侵蝕強(qiáng)度的空間變化

2.1.2 坡面侵蝕強(qiáng)度空間變化特征 坡地近50a的土地利用情況以耕地為主，直到2000年才實(shí)施了大規(guī)模退耕還林還草，因此選取張信寶等的模型［7］計(jì)算土壤侵蝕速率，估算各坡向坡面不同采樣點(diǎn)的土壤凈流失強(qiáng)度。由圖2可見，北坡與南坡從峁頂?shù)狡孪虏勘憩F(xiàn)為強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)—再減弱的波動趨勢，其余各坡向均表現(xiàn)為強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的趨勢，各坡面侵蝕強(qiáng)度具有不均一性。峁頂侵蝕最為劇烈，這與其所處位置受風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕以及人為耕作因素有關(guān)，而各個(gè)坡面的波動性除與人為耕作措施（犁耕）有關(guān)外［8］，一方面可能與徑流挾沙能力的變化有關(guān)，當(dāng)坡面徑流含沙量趨于飽和時(shí)，其挾沙能力下降，導(dǎo)致泥沙沉積，而當(dāng)徑流泥沙量減少到一定程度時(shí)其挾沙能力又會增加，導(dǎo)致泥沙的搬運(yùn)，尤其是在坡長較長時(shí)這種波動變化會更加明顯，另一方面與研究區(qū)域所處地帶的季節(jié)性風(fēng)向差異有關(guān)，各坡向所受風(fēng)力的影響不同，坡面發(fā)生的侵蝕、搬運(yùn)、沉積、和輸移也不同，此外也可能與降雨類型、坡面坡度以及坡長有關(guān)。我國有不少學(xué)者的研究都證實(shí)了坡面侵蝕強(qiáng)度具有波動性的變化特點(diǎn)［9－11］。

2.2 峁坡土壤侵蝕的坡向變化及坡位差異

2.2.1 土壤侵蝕的坡向變化 對8個(gè)坡向土壤中137Cs含量進(jìn)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含量值呈現(xiàn)顯著差異。

各坡向土壤平均侵蝕速率變化趨勢與137Cs平均流失量一致。由表3可知，其中平均侵蝕速率最大的是北坡，達(dá)到7 804t／（km2·a），最小的是東坡，為6 396t／（km2·a），各坡向均表現(xiàn)為強(qiáng)度侵蝕。

表2 不同坡向土壤中137Cs含量方差分析

表3 各坡向137Cs流失率及土壤侵蝕速率

北坡137Cs平均流失量比南坡大5.35%，平均侵蝕速率比南坡大15.9%，南北坡的這種差異與黃土丘陵區(qū)其它地區(qū)剛好相反［12］，分析認(rèn)為除了南北坡坡面差異的影響外，主要是因?yàn)槎杭竟?jié)風(fēng)蝕的坡向差異所致。此研究區(qū)域在冬春季節(jié)盛行偏北風(fēng)，各坡面地表干燥且作物覆蓋少，北坡前方為開闊地，使得北風(fēng)長驅(qū)直入，因此北坡風(fēng)蝕嚴(yán)重，而南坡處于背風(fēng)坡，風(fēng)蝕較輕微，偶有少量風(fēng)沙的沉積；在夏季，大風(fēng)天氣多為雨前陣風(fēng)，持續(xù)時(shí)間短，且該季節(jié)土壤含水量較高，因此風(fēng)蝕不是十分嚴(yán)重。同時(shí)，南北坡面均為退耕地，雖坡度與坡面狀況有所差異，但差異較小，加上該區(qū)域相對高差較小，地形對降雨量的分布影響不會很大，綜上分析認(rèn)為，南北坡水力侵蝕強(qiáng)度差距不大。據(jù)此可以推斷該研究區(qū)域侵蝕強(qiáng)度的差異主要來源于冬春季節(jié)風(fēng)蝕的影響。

西北坡137Cs平均流失量比東南坡大3.15%，平均侵蝕速率比東南坡大8.4%，這種差異與研究區(qū)內(nèi)南北坡差異具有相同的因素，即本研究區(qū)各坡面侵蝕中風(fēng)蝕占據(jù)了一定比例。

東坡137Cs平均流失速率及平均侵蝕速率均最小，這是由于東坡上布設(shè)有魚鱗坑，并栽種了人工林，有效地防止了雨滴擊濺侵蝕與地表徑流的侵蝕，因而東坡在各個(gè)坡向中所受到的侵蝕強(qiáng)度最小。

2.2.2 土壤侵蝕的坡位差異 分析可知，不同坡向的土壤侵蝕速率存在顯著差異，由表4可以看出，即使是同一坡向的峁頂、上中下不同坡位，其侵蝕速率差異非常顯著（p＜0.01）。

由圖3可以看出，各坡向不同坡位137Cs流失率，峁頂值最高，可達(dá)87.5%，侵蝕速率也達(dá)到最大9 914 t／（km2·a），這與峁頂所處地形受風(fēng)蝕、水蝕以及人為活動影響嚴(yán)重有關(guān)；在相同坡位不同坡向上，峁坡的上中下各部之間137Cs流失量也存在較大差異。從坡向上來看，西坡、東坡、東北坡、西南坡斷面137Cs流失量呈先減少后增加的趨勢；東南坡和西北坡則是增長型；北坡和南坡是先增加后減小的趨勢。西坡、東坡、西北坡、東北坡、西南坡下部侵蝕明顯大于中上部；北坡與東南坡全坡面侵蝕非常嚴(yán)重，坡位差異不太明顯；南坡坡中部137Cs流失量大于下部和上部，且下部略大于上部?？傊?，各坡向上除峁頂外，坡中下部侵蝕量較大，中上部次之。分析認(rèn)為形成這種空間差異的原因是由于在水蝕情況下，一定的坡長范圍內(nèi)隨著從坡頂?shù)狡履_徑流水深逐漸的增加，侵蝕量呈現(xiàn)為波動式的增加趨勢［13－15］，有國內(nèi)學(xué)者［16］研究表明，對于雨強(qiáng)I30≥25mm的降雨，在小于100m坡長上侵蝕量、徑流量均較大，所以各坡向都表現(xiàn)為下部的侵蝕程度最為嚴(yán)重。北坡全坡面均侵蝕嚴(yán)重是因?yàn)槌艿剿g作用外，還受到冬春季節(jié)強(qiáng)烈的風(fēng)蝕影響；西坡、東坡、西北坡、西南坡、東北破下部侵蝕量大于中上部，是因?yàn)橥烁院蟮乇砀采w度較低，而使坡面的徑流侵蝕動能，在一定的坡長范圍內(nèi)沿坡長呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，從而導(dǎo)致坡面底部侵蝕量和侵蝕動能最大；南坡中部侵蝕量大于下部和上部，且坡面下部略大于上部是因?yàn)槠渲胁恐械毓?，從而阻斷且攔蓄坡面的部分泥沙和徑流，對水蝕的發(fā)生和發(fā)展起到了減緩、抑制的作用，并且冬春季南坡處于背風(fēng)坡有少量風(fēng)沙發(fā)生沉積。

表4 不同坡位土壤侵蝕速率方差分析

圖3 研究區(qū)各坡向不同坡位137Cs流失率的變化

3 結(jié)論

（1）所選各坡向的侵蝕強(qiáng)度差異明顯，各坡向平均侵蝕量大小依次為：北坡＞西南坡＞東北坡＞西坡＞西北坡＞南坡＞東南坡＞東坡，北坡侵蝕強(qiáng)度是東坡侵蝕強(qiáng)度的1.2倍，且各坡向侵蝕強(qiáng)度均表現(xiàn)為強(qiáng)度侵蝕。南北坡侵蝕差異與黃土丘陵區(qū)其他地區(qū)相反，與該區(qū)域風(fēng)蝕、水蝕疊加的特殊侵蝕外營力有關(guān)。峁坡各坡向不同坡位的侵蝕差異也非常明顯，坡下部侵蝕量最大，坡面中上部次之，侵蝕速率順坡呈波動變化趨勢。

（2）不同坡面相同部位侵蝕強(qiáng)度的比較規(guī)律性較差。各坡向的上、中部，北坡的侵蝕強(qiáng)度最大，東坡的侵蝕強(qiáng)度最小，底部西南坡的侵蝕強(qiáng)度最大，南坡侵蝕強(qiáng)度最小。其原因有待進(jìn)一步深入研究。

［1］ 張超，王會肖.黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分變化規(guī)律的研究［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，12（3）：47－50.

［2］ 林超，李昌文.陰陽坡在山地地理研究中的意義［J］.地理學(xué)報(bào)，1985，40（1）：20－28.

［3］ 王占禮，邵明安.黃土高原典型地區(qū)土壤侵蝕共性與特點(diǎn)［J］.山地學(xué)報(bào)，2001，19（1）：87－91.

［4］ 齊孟文，王琳.土壤侵蝕137Cs法原理及其常用模型［J］.中國水土保持，2004（7）：16－18.

［5］ Ritchie J C，Spraberry J A，Mc Henry J R.Estimating soil erosion from the redistribution of fallout137Cs［J］.Soil Science Soc.Am.Proc.［J］.1974，38（1）：137－139.

［6］ 劉志強(qiáng)，楊明義，劉普靈，等.確定137Cs背景值所需的采樣點(diǎn)數(shù)與采樣面積［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2009，23（3）：482－486.

［7］ 張信寶，李少龍，Quine T A，等.犁耕作用對137Cs法測算農(nóng)耕地土壤侵蝕量的影響［J］.科學(xué)通報(bào)，1993，38（22）：2072－2076.

［8］ Martz L W，De Jong E.Using Caesium－137and landform classification to develop a net soil erosion budget for a small Canadian prairie watershed［J］.Catena，1991，8（1）：289－308.

［9］ 武春龍，劉普靈，鄭世清，等.坡面土壤侵蝕垂直分布定量分析研究［J］.水土保持研究，1997，4（2）：34－40.

［10］ 李勇，張建輝，楊俊誠，等.陜北黃土高原陡坡耕地土壤侵蝕變異的空間格局［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（4）：17－21.

［11］ 楊明義，田均良，劉普靈，等.137Cs測定法研究不同坡面土壤侵蝕空間的分布特征［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，1999，13（6）：368－372.

［12］ 陳浩，方海燕，蔡國強(qiáng)，等.黃土丘陵溝壑區(qū)溝谷侵蝕演化的坡向差異：以晉西王家溝小流域?yàn)槔跩］.資源科學(xué)，2006，28（5）：176－184.

［13］ 華紹祖.黃河中游實(shí)驗(yàn)小流域的土壤侵蝕及水土保持效益［C］∥國際土壤學(xué)術(shù)討論會論文集.北京：1982.

［14］ 劉普靈，武春龍，琚彤軍，等.稀土元素示蹤法在坡面土壤侵蝕垂直分布研究中的應(yīng)用［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2001，12（3）：331－335.

［15］ 莊舜堯，吳春艷，楊浩，等.紅壤侵蝕沉積點(diǎn)137Cs垂直剖面分布特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（2）：65－67.

［16］ 陳永宗，景可，蔡強(qiáng)國.黃土高原現(xiàn)代侵蝕與治理［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.