黄土高原水蚀风蚀交错带坡面土壤侵蚀特征及其影响因素

张加琼, 刘 章, 杨明义, 张风宝, 王永吉, 邓鑫欣

(1.西北农林科技大学 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;2.中国科学院水利部水土保持研究所 陕西 杨凌 712100; 3.包头稀土研究院, 内蒙古 包头014030)

黄土高原水蚀风蚀交错带受风蚀和水蚀的交错作用，土壤侵蚀潜能高于风蚀为主的干旱区和水蚀为主的湿润区[1-2]。水蚀和风蚀相互增加侵蚀的物质来源，相互促进，导致风水复合侵蚀的危害比单纯的风蚀或水蚀更严重，使得水蚀风蚀交错带成为黄土高原土壤侵蚀最强烈的地区，也是黄河下游河床泥沙的重要来源地。该区地形复杂，地面物质组成多样，生态环境脆弱[3,5]，土壤侵蚀过程和机制比水蚀为主和风蚀为主的区域更加复杂[6-8]，土壤侵蚀研究面临严峻挑战，治理工作难度巨大。加强该区域的土壤侵蚀研究，对制定科学的水土流失治理措施，改善生态环境，确保经济发展的可持续性具有重大意义，也有益于黄河泥沙治理。

核示踪技术于20世纪60年代初开始被引入到土壤侵蚀研究领域后，137Cs，210Pb，7Be，226Ra等广泛应用，其中应用较成熟的是137Cs[11-12]。137Cs示踪技术首先引入土壤水蚀研究，并逐渐应用到土壤风蚀研究，目前在土壤水蚀和风蚀研究中均得到广泛应用，但在土壤风水复合侵蚀研究中应用较少[11-14]。其通过对比分析无侵蚀或沉积发生的背景值区域和采样区域的137Cs含量差异，选用适宜的模型估算土壤侵蚀速率[10-12]。该方法避免了对复杂土壤侵蚀过程、地面物质组成和多种侵蚀营力的分析，快捷便利地得到土壤侵蚀结果，对研究复杂条件下的土壤侵蚀具有独到的优势。粒度作为土壤的基本属性，是分析土壤颗粒的搬运、沉积过程和机制，判别侵蚀动力条件的重要方法[16-17]。此外，土壤的机械组成对上述研究也十分重要。因此，粒度分布广泛应用于海相、河湖相、海陆过渡相和陆相沉积研究中，为恢复古气候，判别沉积环境，回溯沉积过程，分析沉积动力提供了简便、有效的手段[19-22]。然而，受限于水蚀风蚀交错带土壤侵蚀方式和过程的多样和复杂，尚无运用土壤的粒度分布特征研究坡面侵蚀环境的研究。

在土壤侵蚀发生的基本地貌单元(坡面)尺度弄清坡面土壤侵蚀和粒度的空间分布特征，对探究坡面的侵蚀环境意义重大。本研究在陕西省神木县六道沟流域选取代表性坡面，运用137Cs示踪技术估算土壤侵蚀速率，结合土壤粒度分布特征，探究坡面土壤侵蚀分布特征及其影响因素，讨论水力和风力对坡面侵蚀的影响，对区分黄土高原水蚀风蚀交错带的水蚀和风蚀具有重要意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

六道沟流域为黄土高原水蚀风蚀交错带典型区域，位于陕西省神木县以西14 km，流域面积6.89 km2，主沟道长4.21 km，自南而北流入窟野河一级支流。该区域北依长城，地处毛乌素沙漠边缘，自然条件的过渡性特征十分明显。地貌类型为片沙覆盖的梁峁状黄土丘陵，地形破碎，风沙地貌和流水侵蚀地貌交错分布，植被退化。年际、年内气候变化剧烈，旱洪及沙尘暴灾害频繁。降水年际变化大且年内集中，年均降水408.5 mm，年际变化剧烈，最大降水量819.1 mm，最小106.8 mm，其中6—9月降水量占全年的80.9%，而且多为大暴雨。当地主风向为西北，次主风向为东南，东风最弱，年均风速3.6 m/s，大风日数13.5 d，最多达44 d，年均沙尘暴日数11.5 d，最多达22 d。

1.2 样品采集和分析

选取走向为从本地盛行风向(NW)到最弱风向(E)方向的坡面，从NW坡脚到E坡中下部(坡下部为深沟)布设样线，使用土钻法采集土壤样品，分别用于测定137Cs活度和土壤粒度(图1)。137Cs活度样品采集深度为0—30 cm；粒度样品在每个采样点分三层采集(0—5 cm，5—10 cm和10—15 cm)，同时在每个采样点使用环刀法采集表层土壤容重样品。沿样线共选取33个样点，其中19个分布于NW坡，14个分布于E坡。采样的同时，在各个采样点测定坡面坡度(坡度仪)，调查植被种类、盖度(样方法)，记录土壤类型和土地利用类型等。土壤样品经预处理后使用伽马能谱仪(ORTEC公司，美国)在661.6 keV测定137Cs活度，使用Mastersizer 2 000(马尔文公司，英国)测定粒度。样品测试于2015年1月在中国科学院黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室完成，粒度参数采用Folk-Word图解法公式计算，颗粒分级采用Udden-Wentworth分级标准，即：>8Φ黏粒、4～8Φ为粉粒、2～4Φ为细沙、1～2Φ为中沙、-1～1Φ为粗沙，<-1Φ为砾石。

1.3 土壤侵蚀估算

采样坡面包括耕地、退耕地和沙地。退耕地于2000年后陆续退耕，耕作期间连年翻耕，其翻耕年数远大于未翻耕年数(退耕后)，且退耕后恢复为草地或种植柠条、沙柳，土壤侵蚀速率明显减小。沙地在采样深度(0～15 cm)内颗粒粒度分布均匀(见3.1)，与耕地的耕作层类似。因此，所有采样点均使用以下质量平衡模型估算土壤侵蚀速率：

E=104Bh

(1)

(2)

式中：E为土壤风蚀模数[t/(km2·a)]；B为实测土壤密度(g/cm3)；h为年均侵蚀厚度(cm/a)；X为实际测得的侵蚀土壤剖面137Cs含量(Bq/m2)；X0为137Cs背景值(Bq/m2)；H为耕作层厚度(cm)，在研究区取值20 cm；N为样品采样和测试年份(2014年)。孙喜军2009年在本研究坡面附近选择位于一百年古庙旁无侵蚀和沉积发生的草地，采用土钻采集0表示30 cm沙黄土样品(11个)，结果显示137Cs背景值为1 290 Bq/m2，依据以下方法将137Cs衰变校正到2014年，本区域沙黄土的137Cs背景值为1 150 Bq/m2。

(3)

式中：XN为校正到第N年的137Cs含量(Bq/m2)；Xn为原文献中第n年的137Cs含量(Bq/m2)；T为137Cs的半衰期，30.2年。

2 结果与分析

2.1 土壤粒度的坡面分布特征

土壤粒度分析结果显示，各粒度参数随深度增加无明显变化，两坡土壤粒径和分选性均有剧烈的波动变化。NW坡(4.0Φ)的土壤明显比E坡细(2.9Φ)；分选性比E坡略好，但两坡分选程度均为“分选差”。NW坡的沙地采样点(样点2，6，12，14)土壤颗粒粗，平均粒径比NW坡面的总体平均值小1.8Φ。E坡沙地颗粒较粗(2.3Φ)，其中位于冲沟下部的样点23显著变粗，坡顶和坡底的沙黄土区域土壤较细(4.5Φ)。对位于坡顶附近的耕地，E坡的坡耕地粒径比NW坡粗0.5Φ(图2)。

图1 沿样线的坡面地形、采样点分布和土地利用示意图

图2 坡面土壤粒度和分选性沿样线的变化

坡面土壤以细沙(2～4Φ)为主(39.8%)，中沙(20.3%)和粉粒(28.4%)是重要组分，粗沙(6.1%)和黏粒(5.1%)含量较少。黏粒、粉粒和极细沙(3～4Φ)(细颗粒)含量沿样线的变化规律与平均粒径的变化类似，细沙中的较粗(2～3Φ)组分、中沙和粗沙(粗颗粒)含量的变化与之相反(图3)。除粗沙外的其余组分含量在NW坡和E坡均存在显著差异(p<0.05)。细颗粒在NW坡的含量较高，尤其是粉粒，NW坡的平均含量比E坡高17.7%；粗颗粒中的中沙坡面差异最大，E坡平均比NW坡高12.6%。各组分含量在两坡面变化程度最小的为细沙(变异系数16.6%)，最大的为粗沙(变异系数114.8%)。

2.2 土壤侵蚀速率

137Cs含量的变化显示，对整个坡面，土壤侵蚀速率波动变化明显，NW坡中部偏下土壤侵蚀速率最小[平均7 281.5 t/(km2·a)]，E坡的沙地最大[平均18 484.5 t/(km2·a)]。对NW坡，土壤侵蚀速率从坡脚到坡中减小，从坡中到坡上增大。坡底耕地(样点1～4)和下部退耕地(样点5—7)平均侵蚀速率类似，坡面中部偏下(样点8—10)为退耕草地，地势平缓(图1)，土壤侵蚀为整个坡面最小。坡面中上部为退耕地，其中覆沙区域(样点11—14)侵蚀速率和波动性大于无沙区域(样点15,16)。坡面上部耕地(样点17—19)侵蚀速率大于其相邻的退耕地。对E坡，由坡顶向下土壤侵蚀速率逐渐变减小。E坡上部耕地(样点20—21)侵蚀速率较小，中部为沙地(样点22—31)侵蚀严重，尤其是其中发育冲沟的部位[27 115.9 t/(km2·a)]侵蚀最严重，有植被的区域侵蚀速率较发育冲沟的风积沙覆盖区域(沙地)(样点23—31)小，坡面下部种植柠条、沙柳的沙黄土区域侵蚀速率较沙地极显著减小(p<0.01)。对位于坡顶附近的耕地，E坡耕地侵蚀速率小于NW坡(图4)。基于当地盛行风向，E坡为背风坡，当土壤仅发生风蚀时，E坡侵蚀最小，甚至发生沉积，然而本研究显示，E坡中部发育冲沟的部位侵蚀速率为整个坡面最大，可见，水蚀度该坡面土壤侵蚀的贡献远大于风蚀，是该坡面的主要侵蚀方式。综上，坡面部位、坡度、植被、土壤类型、土地利用类型和侵蚀方式均影响坡面土壤侵蚀速率。

图3 坡面土壤组分含量沿样线的变化

图4 137Cs含量和土壤侵蚀速率的坡面分布

2.3 颗粒粒径和土壤侵蚀速率坡面分异的影响因素

2.3.1 地形、植被、土壤类型和土地利用类型的影响 颗粒粒径和土壤侵蚀速率的坡面分异均指示了坡面部位、坡度、植被、土壤类型和土地利用类型的影响。对样线代表性采样点的分析表明，风积沙的可蚀性大于沙黄土(表1 a,b组)，NW坡上部侵蚀速率大于坡脚(表1 d组)，耕地侵蚀速率大于退耕地(表1 e组)。对整个采样线，无论坡面部位和土壤类型，总体上平均侵蚀速率沙地[18 484.5 t/(km2·a)]>耕地[12 671.1 t/(km2·a)]>退耕地[9 435.5 t/(km2·a)]。此外，侵蚀力复合效应也对土壤侵蚀速率变化有总要贡献。如坡顶附近的耕地(表1 c组)，土壤类型、土地利用类型、坡面部位类似，两坡坡度均较小，E坡坡度略大于NW坡，故E坡水蚀应不小于NW坡；然而，137Cs结果显示NW坡侵蚀速率较大。主要原因可能是NW坡为迎风坡，坡顶附近土壤风蚀速率较大，部分被侵蚀土壤颗粒在背风坡的沉积也减小了E坡土壤净流失，从而造成NW坡侵蚀速率大于E坡。

表1 土地利用类型、坡面部位和土壤类型对土壤侵蚀速率和组分含量的影响

为明确各因素(侵蚀动力之外)对土壤侵蚀速率的贡献，使用IBMSPSS 19进行主成分分析。坡面部位用采样点距离坡顶的距离表示(m)；坡度为在每个采样点测量的度数(°)；土壤类型和土地利用类型分为：耕地—风积沙、耕地—沙黄土、退耕地—风积沙、退耕地—沙黄土、沙地五类；植被用盖度表示(%)。结果显示，对整个样线、NW坡和E坡均可提取2个主成分，4个因素均被选入。对整个坡面，第一主成分与坡度、土壤类型和土地利用类型密切相关，2个主成分对侵蚀速率的累积解释率为69.6%。对NW坡，第一主成分与植被、土壤类型和土地利用类型密切相关，2个主成分对侵蚀速率的累积解释率为80.6%。对E坡，第一主成分与植被、坡面部位密切相关，2个主成分对侵蚀速率的累积解释率达到82.1%(表2)。逐步线性回归分析结果显示，在整个样线上，坡面部位、植被、土壤类型和土地利用类型与土壤侵蚀速率的变化显著相关(R2=0.63)。E坡植被、土壤类型和土地利用类型与土壤侵蚀速率的变化显著相关(R2=0.60)。NW坡，采样用进入法建立的线性回归模型与土壤侵蚀速率的变化显著相关(R2=0.53)，然而却难以用其中的部分因子较好地表达土壤侵蚀变化，说明各个因子的综合作用效果更明显，部分因子的主导效应较弱。

可见，考虑坡面部位、坡度、植被、土壤类型和土地利用类型的线性回归模型对土壤侵蚀速率的坡面变化表达有限(0.53≤R2≤0.64)。主要原因是分析中仅考虑下垫面因素，而未考虑发生土壤侵蚀的动力因素(风力和降雨)。

表2 主成分分析结果

注：土壤类型和土地利用类型使用1个因子表示。

2.3.2 侵蚀动力的影响 在水蚀风蚀交错带，土壤侵蚀是水力和风力交错作用的结果。交错分布的风蚀地貌和水蚀地貌直观展示了风水交错侵蚀效应，本研究所在流域典型的流水地貌(如侵蚀沟道)占32.7%，风沙地貌(如片状分布的风积沙)占12.1%。除地貌特征外，侵蚀速率也指示了风蚀和水蚀对总侵蚀的贡献。NW坡为风力侵蚀的迎风坡，有效风蚀能在所有坡向坡面中最大；E坡为背风坡，有效风蚀能在所有坡向坡面中最小。即在其他条件类似的情况下，NW坡风蚀潜能最大，E坡最小。然而，137Cs示踪结果显示，两坡面均发生严重侵蚀，且E坡中部的沙地侵蚀最剧烈，坡中植被稀疏的覆沙区域发育侵蚀沟，表明水蚀对E坡的土壤侵蚀有巨大贡献。此外，典型采样点土壤颗粒粒径分布也提供了风蚀和水蚀对总侵蚀贡献差异的证据。在NW坡，风力和水力对土壤颗粒的输移方向相反，风力沿坡面向上输移侵蚀物质，坡顶附近侵蚀最为剧烈(风力较大且为耕地)；降雨顺坡面向下输移侵蚀物质，坡下部和平缓区域侵蚀较小，甚至可能发生沉积。该坡面从坡脚到坡顶逐渐增大的侵蚀速率虽然受植被、土壤类型、土地利用类型等的共同影响，也反映了风蚀的重要影响。此外，土壤颗粒分选性的变化也为迎风坡风蚀的重要性提供了重要依据，因为无论风力还是水力侵蚀，对颗粒的分选都随搬运距离的增大逐渐变好[31-32]。水力搬运使坡面下部采样点的分选性比坡面上部好，风力搬运反之。对扰动较小的地埂或未耕作覆沙区域(采样点2，6，12，14)，分选性逐渐变好，表明当地盛行西北风对土壤颗粒的分选效应强于水力向下搬运的分选效应。然而，要定量区分风蚀和水蚀对总侵蚀速率的贡献，还需进一步研究。

3 结 论

沿采样断面，土壤侵蚀速率、粒度分布及其组分含量均存在明显波动变化，且存在显著的坡面差异(p<0.05)。丘顶附近颗粒最细，E坡沙地颗粒最粗，NW坡土壤颗粒较E坡细。>3.0Φ的细颗粒含量沿样线的变化规律与平均粒径的分布规律类似，<3.0Φ的粗颗粒含量变化规律与之相反。NW坡中部偏下土壤侵蚀速率最小，E坡的沙地最大。对NW坡，土壤侵蚀速率从坡脚到坡中减小，从坡中到坡上增大。对E坡，由坡顶向下土壤侵蚀速率逐渐变减小。

颗粒粒径和土壤侵蚀速率的坡面变异受坡面部位、坡度、植被、土壤类型和土地利用类型的共同影响。4个因子的综合作用密切相关，部分因子的主导效应较弱。因子共同影响作用对研究坡面的土壤侵蚀的累积解释介于69.6%～82.1%。除下垫面因素外，土壤侵蚀的动力因素(风力和降雨)也是影响土壤侵蚀的重要因素。

然而，137Cs示踪和土壤颗粒粒径分析远不能对水蚀和风蚀的具体贡献定量描述，需要在未来的研究中采用新技术方法。此外，单个坡面的土壤侵蚀速率分布度区域的代表性十分有限，需要开展大量研究探寻一般规律。

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