20世紀60年代以來黃土高原小流域泥沙來源的方法與歷史侵蝕過程研究進展

劉婧春，岳大鵬，郭坤杰，王朋曉，程金文，達 興

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

20世紀60年代以來黃土高原小流域泥沙來源的方法與歷史侵蝕過程研究進展

劉婧春，岳大鵬*，郭坤杰，王朋曉，程金文，達 興

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

摘要：小流域作為黃土高原水土流失綜合治理的基本單元，賦存了大量的泥沙侵蝕特征和侵蝕環境變化信息。它在減少黃土高原土壤侵蝕方面發揮著十分重要作用。概述了20世紀60年代以來黃土高原小流域泥沙來源和歷史侵蝕過程方面的研究進展，小流域泥沙來源主要從傳統方法、元素示蹤法及REE稀土元素示蹤法方面進行了分析，展望了未來小流域泥沙來源及泥沙侵蝕研究的發展，為小流域開展水土保持工作、對水土資源進行科學的評價和開展更深入的研究提供了重要參考。

關鍵詞：黃土高原；小流域；泥沙來源；歷史侵蝕過程

黃土高原是全球水土流失最嚴重的地區之一，是水土保持人士關注的焦點之一[1-3]。由于黃土高原地形破碎，土壤侵蝕嚴重，增加了水土保持治理工作的難度[4]。小流域水土流失能夠引起土壤退化、土壤養分流失和土地資源的破壞，導致大量泥沙淤塞江河，引起洪水災害。小流域是黃土高原水土流失綜合治理的基本單元，每個小流域都是一個獨立的產沙單元，賦存了大量的泥沙侵蝕特征和侵蝕環境變化信息。明確黃土高原小流域泥沙來源與侵蝕歷史過程的規律，能夠反映歷史生態環境的變遷，控制黃土高原地區的水土流失、發展生產、促進當地經濟的發展等，研究其侵蝕產沙規律也對水土保持的防治及措施的提出具有重要作用。因此，研究小流域侵蝕泥沙的來源和歷史侵蝕過程對防止小流域土壤侵蝕具有十分重要的作用，為繼續研究小流域內的水沙分布規律或者更大尺度的水土流失過程提供基本信息，為提出有效的水土保持措施提供科學依據。本文回顧了黃土高原小流域泥沙來源及侵蝕歷史過程，對前人所做的研究和取得的成果進行了概括和總結，列舉了小流域侵蝕泥沙的來源和歷史侵蝕過程的內容，小流域泥沙來源主要采用傳統方法、元素示蹤法及REE稀土元素示蹤法進行分析，展望了未來小流域泥沙來源及泥沙侵蝕研究的發展，對流域內治理重點的選擇、防止水土流失和治理措施具有至關重要的理論意義，對后期的研究選擇具有指導作用。

1泥沙來源研究方法

小流域作為黃土高原水土保持綜合治理的基本單元，其侵蝕產沙規律研究對于防止水土流失具有重要意義，同時也是實施水土保持措施的基礎和保證。因此，長期以來人們仍然將關注的重點集中于黃土高原小流域泥沙來源。目前，對于小流域泥沙來源方面的研究存在多種方法和手段，包括傳統方法、放射性核素示蹤法及REE稀土元素示蹤法。本文就從這幾種方法出發，簡單地介紹了黃土高原小流域侵蝕泥沙的來源。

1.1傳統方法

傳統研究黃土高原小流域泥沙來源的方法主要依據野外觀測資料和搜集的數據，具有直觀性，是研究小流域泥沙來源最有效和最接近實際的手段，黃土高原在20世紀中期逐步建立了以小流域為單元的侵蝕產沙動態監測，用來搜集數據，傳統方法也因此被廣泛應用于黃土高原小流域泥沙來源方面的研究。

蔣德麒等[5]根據地貌部位確定黃河中游小流域泥沙來源，同時采用流域徑流分配的原理分析了小流域坡溝泥沙產生的部位，認為黃河中游小流域的泥沙主要來源于溝道內，但是在分析中未考慮坡面徑流通過溝坡時徑流中所增加的泥沙。關于坡溝徑流與泥沙之間的關系，曾伯慶[6]提出了溝谷區年徑流和泥沙量分別占全流域的67%和80%，當控制坡面徑流后,溝谷不受上部來水的影響,則其徑流和泥沙來量分別可減少58.9%和77.7%，這揭示了坡溝與侵蝕泥沙的關系十分密切。唐克麗等[7]對杏子河流域坡耕地的產沙方式及泥沙來源進行了研究，認為產沙根源和產沙方式與坡面有直接的關系。張平倉等[8]利用粒徑分析法，初步計算了流域內各地層的產沙量，結果得出基巖相對產沙量為68.49%，認為基巖產沙是流域泥沙的主要來源，但是張平倉等并未考慮泥沙在運輸過程中的沉積部分，也并未考慮運輸過程中摩擦作用對泥沙粒徑的影響。焦菊英等[9]探討了小流域溝間地與溝谷地的徑流泥沙來量，認為溝谷地是黃土丘陵區泥沙的主要來源區，且人類活動加劇了溝谷地的侵蝕狀況。甘枝茂等[10]在黃土高原禿尾河、窟野河、孤山川流域劃分了土壤侵蝕類型，并分析了各流域內不同土壤侵蝕類型泥沙的來源，提出“三條河”流域土壤侵蝕強度大,地區差異懸殊，且各個流域的泥沙來源不均。劉萬銓[11]認為河龍區間黃土丘陵區侵蝕泥沙的主要來源為坡耕地與自然荒坡。陳浩[12]運用成因分析法，分析了黃土高原的3條支溝，確定了小流域的泥沙來源主要是坡面，認為坡面是治理黃土高原水土流失的重點部位，并提出應將溝道泥沙中的坡面水下溝產生的泥沙應屬坡面侵蝕而不是區分開來，這也是成因分析法與不同地貌部位確定小流域泥沙貢獻百分比存在明顯不同的原因。王曉[13-14]應用粒度分析法，得出砒砂巖區小流域泥沙主要來源于溝谷地。魏天興[15]通過長期定點觀測提出山西黃土區的小流域泥沙主要來源于溝谷地，且占流域總產沙量的60%以上。劉卉芳等[16]根據7個典型小流域14年的觀測結果，分析得出研究區域小流域泥沙來源主要為溝谷地，占流域總產沙量的60%以上。馬寧等[17]根據高分辨率遙感圖像結合GIS技術分析了小流域泥沙主要來源于溝谷地，土壤侵蝕量占流域總侵蝕量的73%。張風寶等[18]通過對比分析淤地壩與壩控小流域內有機質含量的變化規律，發現沉積泥沙中的土壤養分含量與溝壁土壤相近，表明淤地壩內的泥沙沉積主要來源于溝壁與溝道。

以上研究結果出現差異的原因可能是由于研究方法、不同研究區域的研究范圍、地貌差異等方面的差異導致結果不同，也可能與研究的小流域發育階段不同有關。現階段僅依靠傳統方法研究小流域泥沙來源具有一定的局限性。一方面是由于黃土高原小流域內侵蝕產沙資料僅在個別有監測站的流域內有可靠的侵蝕產沙實測記錄，且難以保證長時期地采集數據，對于長時間序列的研究存在一定的局限性；另一方面是因為某些外在因素限制，如人為因素、經費因素和其他因素等，使得數據和資料的完整采集存在一定的困難，因而得到的數據結果沒有連續性，限制了黃土高原小流域泥沙來源的研究。因此，目前應將野外實測數據同其他先進的技術相結合，進一步探索適用于小流域侵蝕泥沙來源且精度更高、更加便捷的研究方法。

1.2放射性核素示蹤法

由于野外定位觀測的研究方法存在著一定的局限性，不能完整地表述土壤侵蝕和泥沙沉積問題，與研究土壤侵蝕的傳統方法相比，放射性核素示蹤法具有簡單、快速、準確的優點；不需要特殊的野外設施，適合多種地貌類型，尤其是對時空變化2個方面進行監測更加具有優勢，并且能夠真實地反映侵蝕、產沙和沉積的信息。在20世紀60年代初，Menzel應用放射性核素方法研究了土壤侵蝕。放射性核素示蹤法是利用放射性核素或人為施加的某種不易被淋溶和植物吸收的元素的含量變化規律，追蹤小流域泥沙源地并反映泥沙的侵蝕過程，具有精確、快速和方法簡便等優勢。主要的示蹤元素有137Cs、226Ra、214Pb、210Pb和7Be等。隨著研究的深入，小流域土壤侵蝕方面出現了復合元素示蹤技術，能夠更加明確地追蹤各泥沙源地的泥沙貢獻率。

1.2.1單核素示蹤目前，國內在研究小流域泥沙來源方面所使用的示蹤元素主要是137Cs，137Cs是核試驗的產物，半衰期為30.1年，主要隨降雨沉降到地面，具有不易被植物吸收且不易被淋溶的特性，因此，在20世紀60年代國外學者將其引進到土壤侵蝕方面的研究。在我國則是在20世紀80年代被張信寶等[19]初次應用于國內的土壤侵蝕研究中，目前該方法已漸趨成熟，另外，李少龍等[20]利用天然放射性元素226Ra作為泥沙來源研究的標志物來研究小流域泥沙來源，提出小流域內的侵蝕泥沙主要來源于基巖，明確分析了黃土高原地區易侵蝕基巖泥沙的來源問題，并為黃土高原小流域侵蝕泥沙來源的研究提供了一定的數據資料，也豐富了單核素示蹤技術在泥沙來源方面的內容。

張信寶等[21-25]在不同的小流域內分析溝間、溝谷地的137Cs元素，追蹤小流域內侵蝕泥沙的來源，結果表明，小流域內的侵蝕泥沙主要來源于流域溝谷地。文安邦等[26]通過對比淤地壩內沉積泥沙與溝間地、溝谷地不同表層土壤的137Cs含量，分析得到陜西子長趙家溝小流域的泥沙主要來源于溝谷地。楊明義等[27-28]應用137Cs的含量變化規律，研究了安塞紙坊溝流域的麥地溝內的泥沙來源，也認為小流域溝谷地為流域的主要產沙源地，并提出黃土高原水土流失未處理或初處理地區主要的小流域土壤侵蝕強度空間變化規律是由梁峁頂向溝坡逐漸增大。淤地壩作為小流域的沉沙池，賦存了小流域的侵蝕泥沙的特征，能夠很好地反映小流域侵蝕泥沙的特征，因此馮明義[29]、文安邦等[26]測算了137Cs含量，并結合降水資料，分析了坡耕地土壤侵蝕量和速率、溝間地、溝谷地相對來沙量,發現淤地壩的主要泥沙源地為溝谷地。但是侯建才[30]、李勉等[31-32]在不同的小流域采集泥沙樣品運用137Cs的指示作用，對比在溝間、溝谷地土體中的含量，結合流域降水資料，得出了不同的研究結果，他們認為小流域淤地壩內沉積泥沙的70%來源于溝間地，提出主要導致出現不同結果的原因是黃土丘陵區微小流域與較大流域在泥沙來源方面存在較大的差異。

單核素示蹤技術在小流域泥沙來源研究方面應用較廣泛，并且技術已逐漸成熟，但是由于137Cs最早沉降發生在1954年，因此137Cs只能推算20世紀50年代以來的土壤侵蝕特性，對于更早時期的研究存在一定的局限性。另外，雖然137Cs可以反映侵蝕泥沙的主要源地，但是泥沙可能來源于很多沙源地，137Cs很難區分各泥沙來源的貢獻率，因此單核素示蹤技術對于深入研究泥沙來源存在一定的不足，然后發現復合核素示蹤法可以較好地解決不同源地泥沙貢獻率的問題，所以在未來的研究中，需要將小流域泥沙來源問題的重點集中于復合核素示蹤技術上，并與現代技術和方法結合。

1.2.2復合核素示蹤雖然單核素能夠追蹤小流域侵蝕泥沙的源地，但是由于單核素示蹤技術自身存在的缺陷，使其很難區分侵蝕泥沙不同源地在泥沙中的貢獻率，另外，不同地貌的泥沙運移過程十分復雜，僅依靠單核素示蹤法研究泥沙來源也有一定的困難，因此在20世紀90年代，Wallbrink首先應用復合元素示蹤法研究了Canberra地區小流域泥沙來源問題。復合核素示蹤技術是近些年來研究小流域土壤侵蝕方面的大趨勢，這種方法能夠對示蹤元素在不同地貌條件、不同氣候等狀況下的變異、遷移所導致的誤差起到削弱的效果，能夠很好地反映不同源地的泥沙貢獻率，對小流域泥沙來源研究的機理也更深入。

利用復合核素示蹤技術研究小流域泥沙來源首先需要篩選適用的指紋識別因子，然后利用多元判別法得到最佳指紋識別因子組合，最后利用多源混合模型定量研究各泥沙源地的貢獻率。李勇等[33]利用137Cs和210Pb的含量變化分析了流域泥沙的來源及各個源地的泥沙貢獻率。李勉等[32]應用7Be、137Cs和210Pb分析了小流域不同地貌下的泥沙來源，發現坡耕地是該流域主要的產沙來源,其次是裸巖區，今后泥沙治理的重點應放在這2個部位。徐龍江[34]利用復合元素示蹤法發現4個不同地貌所攜帶的泥沙貢獻率，證明了黃土高原地區洪水泥沙來源可以應用復合指紋識別方法。薛凱[35]證明了黃土高原小流域侵蝕產沙的主要過程是溝道的演化過程，溝道是泥沙的主要來源。范利杰[36]也利用復合核素示蹤方法研究了壩控小流域的泥沙來源。楊明義等[37]根據復合核素示蹤技術，分析得到了4種泥沙源地的泥沙貢獻率，從大到小的順序為果園、主溝道、支溝道和小塊的坡耕地。

復合核素示蹤技術是研究小流域泥沙來源問題的一個主要方法，近年來在研究中得到了廣泛的應用。但是該方法在研究泥沙來源方面還是存在著有待解決的問題。首先，關于適用研究區域泥沙指紋識別因子的篩選，由于不同研究區域適用的指紋因子不同，需要測定各種可能的指紋因子，因此增加了復合核素技術應用的難度，同時會消耗更多的人力和物力，如何能夠縮小指紋因子的范圍是目前需要考慮的問題。其次，參數取舍方面也是一個研究難點，需要在不同地區應用不同的參數。最后，不同時期的侵蝕泥沙包含著不同的侵蝕環境信息，但過去時期的泥沙來源并未在當時進行測量，并且長時期的泥沙連續監測和測量也不現實，因此小流域內采集的泥沙樣品是否具有代表性也是重要問題，另外黃土高原地區地貌類型復雜，在小流域內何處進行采樣也是重要的問題。

1.3REE示蹤法

稀土元素簡稱REE(Rare Earth Elements)，包括La、Ce、Nd、Sm、Eu、Yb、Lu、Dy等10余種元素，元素本身含量在土壤中很少，不易被植物吸收，不易發生淋溶，且易被土壤顆粒吸附，并對土壤生態環境無害，因此，可作為研究小流域土壤侵蝕的示蹤元素。國外20世紀80年代將稀土元素技術應用在土壤侵蝕方面的研究，我國則是在90年代由田均良[38]首次利用稀土元素示蹤法研究了坡面侵蝕泥沙的運移及沉積規律。稀土元素應用原理是人工將稀土元素和土體混合布設在研究區域內，使其隨著侵蝕泥沙的運移、沉積，然后測定研究區域泥沙樣品中的REE示蹤元素含量，進一步分析小流域土壤侵蝕、泥沙來源等的侵蝕產沙規律。但是在黃土高原小流域地區應用稀土元素示蹤法進行泥沙來源方面的研究尚顯不足。石輝[39-41]、李雅琦[42]、琚彤軍[43]、魏霞[44-45]、周佩華[46]等應用稀土元素示蹤法研究了小流域坡面侵蝕不同地形部位的泥沙來源。

REE示蹤技術是研究土壤侵蝕較為理想的方法，能夠提高土壤侵蝕的精確性，但是目前稀土示蹤技術仍存在著一定的問題。首先，目前的REE示蹤技術研究土壤侵蝕多數在降雨大廳模擬野外降雨過程，然后分析土壤侵蝕過程及泥沙來源，但是由于黃土高原地形復雜多變，所以在模擬試驗中完整呈現模擬地形也成為模擬試驗中需要攻克的一個難點問題。第二，人工模擬降雨或放水沖刷試驗與天然的降水存在著差異，如雨量分布、雨水降落角度等，都有可能使土壤侵蝕過程存在差異，并且植被覆蓋程度對徑流的形成具有一定的阻礙作用，所以對小流域坡面侵蝕也有影響，因此人工降雨模擬的土壤侵蝕過程并不能完全代表自然降雨導致的土壤侵蝕過程。最后，若REE要應用于大尺度范圍的研究中，布設稀土元素的工作量會大大增加，需要探究節約人力物力的方法，另外也應該注意大尺度下稀土元素的精度問題。

總之，核素示蹤技術是研究泥沙來源方面較為先進的技術，在我國黃土高原小流域方面的研究力度還是不夠，單核素示蹤法的研究還是在研究中占主要地位。因此，在今后的研究方面，應加強復合核素技術及REE示蹤技術在黃土高原小流域泥沙來源方面的研究，為更真實、可靠地研究小流域侵蝕產沙量變化提供依據，為減小黃土高原小流域土壤侵蝕工作提供科學依據。

2反演小流域侵蝕歷史

淤地壩作為小流域的沉沙池，賦存了小流域內大量的侵蝕泥沙信息，能夠較好地記錄淤地壩運行期間流域內侵蝕產沙的歷史過程及特征信息，反映流域內環境演變規律并解決個別小流域內產沙資料不足的問題，對反演無水文資料地區的水沙運動機理具有重要意義，因此研究淤地壩內的侵蝕泥沙歷史過程，對于有效治理小流域土壤侵蝕具有參考價值。重建小流域侵蝕產沙的歷史過程需要野外考察、采集樣品、實驗室分析，并結合降雨資料、淤地壩的歷史運行資料和旋回層中137Cs的含量變化，分析淤地壩庫泥沙的侵蝕、搬運和沉積過程，反演小流域內侵蝕歷史過程。

張信寶等[24]在陜北安塞云臺溝，根據137Cs示蹤斷代技術，實驗室分析并結合流域內的降雨資料和淤地壩歷史運行資料對云臺溝Ⅰ號壩1960～1970年進行斷代，確定了不同淤積層對應的暴雨侵蝕產沙事件，推求了壩庫淤沙量，并分析了沉積剖面旋回淤沙量與降雨量之間的關系。李勉[32]在王茂溝中的關地溝3號壩應用137Cs示蹤斷代技術，結合降水資料，確定了淤地壩1959～1987年沉積旋回層和降雨侵蝕事件的關系。薛凱等[47]通過野外采樣、室內分析，結合降雨資料和137Cs示蹤斷代技術，建立了淤地壩運行期間(1957～1990年)的沉積旋回的時間坐標，并根據年泥沙積累曲線將淤地壩運行期間的侵蝕歷史分為3個階段,并認為人類活動是該流域產沙強度變化的主要原因。龍翼等[48]通過對黃土洼古聚湫內的泥沙粒度及孢粉濃度的測定將總深度為12.73 m的沉積泥沙剖面劃分為54個洪水沉積層，發現其中含有31個凍融擾動層，表明54次洪水發生在31年內，并求得淤地壩內次洪水產沙量及年產沙量，為后期的研究提供了可靠的基礎資料。魏霞等[49-52]根據淤地壩歷史降雨資料反演壩控小流域的來水來沙情況。

弄清淤地壩泥沙侵蝕過程有助于研究小流域侵蝕產沙過程，并且為治理小流域土壤侵蝕措施的實施提供基礎資料。但是，目前對于淤地壩沉積泥沙斷代的研究較少。由于137Cs最初的沉降始于20世紀中期，對于大時間尺度的淤地壩侵蝕產沙歷史研究具有限制作用。當淤地壩內降雨資料有所缺失時，導致數據精度下降，降低了研究結果的可信度。建議未來在研究泥沙侵蝕過程時，除了探索可研究長時間尺度先進的技術方法外，還應在黃土高原不同小流域的淤地壩內開展泥沙侵蝕過程研究的對比，有利于揭示黃土高原泥沙侵蝕歷史的區域差異和摸清整個黃土高原侵蝕歷史過程。

3未來展望

黃土高原的水土流失狀況嚴重制約著當地經濟、社會和環境的協調發展和政府政策的制定，小流域作為水土保持治理的基本單元，其土壤侵蝕研究對水土保持工作的順利進行有著至關重要的作用。因此，弄清小流域侵蝕泥沙的來源及歷史過程有利于對未來黃土高原小流域治理、保持水土、水土資源評價與規劃和政府政策的制定產生促進作用。今后在小流域侵蝕泥沙研究方面，應探尋并利用先進的研究技術和試驗手段，提升數據的精度、信息的可靠度、分析結果的可信度等，為小流域大尺度、長時間序列的侵蝕沉積泥沙特性方面的深入研究提供先決條件，進一步豐富小流域侵蝕泥沙特性的研究，推進小流域土壤侵蝕工作的進程，深化黃土高原土壤侵蝕過程的研究，為黃土高原實施水土保持工作提供理論與實踐依據。

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(責任編輯：曾小軍)

Research Progress in Methods for Sediment Source and Historical Erosion Process of Small Watershed in Loess Plateau since 1960s

LIU Jing-chun, YUE Da-peng*, GUO Kun-jie, WANG Peng-xiao, CHENG Jin-wen, DA Xing

(College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Abstract：A small watershed was the basic unit of the laws soil erosion and comprehensive measures which played a critical role in the loess plateau. Reviewed the sources and history of erosion process on the loess plateau watershed sediment, and summarized the loess plateau watershed sediment sources and history of erosion process research progress since 1960s. Sediment sources in small watershed mainly from the traditional method, elements tracer method and REE tracer method were analyzed, the prospect of the future development of the small watershed sediment source and sediment erosion research, provided an important reference for the small watershed water and soil conservation, and the scientific evaluation on water and soil resources.

Key words：Loess plateau; Small watershed; Sediment sources; Historical erosion process

收稿日期：2015-10-09

基金項目：國家自然科學基金項目“陜北黃土高原典型小流域近500年來侵蝕產沙量變化研究”(41071012)。

作者簡介：劉婧春(1991─)，女，內蒙古人，碩士研究生，研究方向：水土資源評價與規劃。*通訊作者：岳大鵬。

中圖分類號：S157

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)04-0077-06