黃土高原水蝕風蝕交錯帶典型土壤的7Be分布特征

殷敏峰, 湯 耀, 張加瓊,2, 楊明義,2, 鄧鑫欣

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 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重的地區之一，其中水蝕風蝕交錯帶受風力和水力交錯作用，土壤侵蝕強烈，成為黃土高原侵蝕最嚴重的區域，加之該區地面物質組成復雜，即使在水土保持工程持續大規模實施的背景下，該區域仍是黃河下游河床泥沙的重要來源地[1-6]。針對該區域的風水交錯侵蝕特征，深入研究土壤侵蝕的過程與機理，揭示土壤侵蝕的變化規律，為科學防治水土流失提供科學依據。前人采用3S、野外調查、核素示蹤、小區觀測、模擬試驗等方法對該區域的土壤侵蝕開展了大量研究，并取得了豐碩的成果[7-10]。然而該區土壤侵蝕過程復雜且全年活躍，限制了傳統方法在該區土壤交錯侵蝕研究中的應用，而核素示蹤技術，尤其是半衰期較短的天然放射性核素7Be，對示蹤該區的土壤交錯侵蝕具有獨到優勢[11]。

7Be的沉降特征為其示蹤短期土壤侵蝕提供了可能。7Be是具有連續來源的天然放射性核素，經干、濕沉降到達地表后，迅速與地表土壤顆粒吸附，在土壤中的分布和含量均較穩定[12]。7Be半衰期較短(53.3 d)，導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，尤其在0—2 mm內含量最高，其含量隨土層深度增加一般呈指數遞減[13]。7Be的上述基本特征不僅使其適用于短期土壤侵蝕示蹤，也為運用其區分交錯侵蝕區域的風蝕、水蝕提供了準確、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。

7Be的土壤剖面分布特征可用其面積濃度(Bq/m2)或質量濃度(Bq/kg)隨土層深度的變化、質量深度(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。在國內外不同區域的研究表明，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隨土層深度增加的指數遞減規律[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性，前人研究發現可用線性函數表達[14]。緯度的影響表現為中高緯度地區高于低緯度地區，同一緯度降雨多的地區沉降通量大[17]。如黔中地區7Be背景值為263 Bq/m2，較陜西安塞地區7Be背景值392 Bq/m2要低，而比四川鹽亭地區7Be背景值143.2 Bq/m2要高[18-22]。其次，土壤中7Be含量受土壤質地的影響。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、有機質含量較高、黏粒含量較多的條件下往往可以檢測到較高的7Be含量。研究表明細組分和有機質的增加可導致土壤負電荷增多，使得細顆粒對7Be的吸附能力變強，不同粒級大小土壤中7Be含量分布規律為黏粒>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，風力較少)背景下的7Be剖面分布特征、描述函數影響因素等[27]，而對風力、水力交錯條件下7Be特征的研究薄弱。

明確水蝕風蝕交錯帶7Be在不同土壤類型的背景分布特征，是運用該方法研究該區域交錯侵蝕的基礎。本研究基于土壤中7Be僅分布在土壤表層且呈指數遞減的特點，在陜西省榆林市神木縣六道溝流域建立當地4種典型土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和風沙土)的7Be背景值觀測小區，觀測風季(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，分析其張弛質量深度，明確不同類型土壤的7Be分布特征，為運用7Be示蹤該區域的土壤交錯侵蝕研究提供依據。

1 研究區概況

本研究在神木六道溝流域通過建立觀測小區的方式開展，小區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，是黃土高原水蝕風蝕交錯帶比較典型的區域。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。當地主風向為西北，次主風向為東南，東風最弱，夏季多為南風、東南風，冬春兩季多為偏北風[3-5]，大風日數年均13.5 d，最多達44 d，年均沙塵暴日數11.5 d，最多達22 d。

2 試驗布設與樣品采集處理

2.1 試驗布設

選取背風、地勢平坦、無植被覆蓋的區域修建7Be背景值小區共計4個，使用高1 m左右的石棉瓦圍封(1.5 m×1.5 m)以保證小區內土壤無流失、無沉積。為避免因為周圍立地條件的差異造成土壤接收的7Be的差異，將背景值小區修建在同一區域，并在小區里填裝不同的土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和風沙土)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量深度的研究區(圖1)。同時，在試驗站內布設10個底部帶孔的不銹鋼桶，分別填裝從研究區采集的上述土壤，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

2.2 樣品采集及處理

2.2.17Be背景值樣品的采集 在風季(2014年、2015年5月中旬)和雨季(2015年、2016年10月中旬)結束后，于各個背景值小區使用內徑為14.7的環形采樣器采集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 所有樣品經風干，去除雜草和礫石等后，一部分過1 mm篩，去除有機質和碳酸鹽，隨后使用英國Malven公司生產的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，裝入與標準源相同規格的塑料盒中，在水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室利用美國ORTEC公司多道低本底γ能譜儀在477.6 keV狀態下測定，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沒有標準源，測試之前，探頭用已知活度的多放射標準源標定，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 結果與分析

3.1 流域內4種典型土壤的顆粒組成

水蝕風蝕交錯帶的地表物質組成復雜，僅在六道溝流域土種就達到24種，其中主要包括黃綿土、紅黃土、風沙土和淤土4個土類[5]，該4類土按照美國農業部的土壤分類標準(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，7Be背景值的準確性直接關系到示蹤結果的準確性。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背景值確定為實測背景值與7Be剖面函數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為風季和雨季后各小區的7Be背景含量。粉黏土、風沙土、沙壤土和粉壤土風季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的沉降明顯高于風季。

表2 各小區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示蹤土壤侵蝕的關鍵。4種土壤于2015年風季(2015年10月—2016年5月)和2016年風季(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遞減(R2≥0.92)，這與前人的研究結果相似[30-31]。7Be測定結果顯示，7Be主要分布在0—10 mm深度內，這種分布模式為示蹤強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含量均大于風季，因為7Be主要以濕沉降的方式到達地面，研究區的干濕季明顯分異直接導致了7Be沉降的季節變化。此外，4種土壤表現出2016年風季和雨季的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。以雨季為例，小區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年同種土壤風季雨季的7Be背景值剖面分布

圖3 2016年同種類型土壤風季雨季的7Be背景值剖面分布

3.4 土壤張弛質量深度(h0)的確定

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

(1)

式中:x為質量深度(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為張馳質量深度(kg/m2)；ABe(x)為深度x以下7Be的總活度；Aref為研究區土壤中7Be的基準值(背景值)。

土壤的張弛質量深度存在明顯的季節差異和土壤類別差異。總體上，風季土壤的張弛質量深度大于雨季，土壤黏粒含量越高則張弛質量深度越小(表3)。對研究的4種土壤，張弛質量深度的變化均表明，同一土壤類型于風季的土壤張弛質量深度大于雨季，4種土壤在研究期間(2015年、2016年)風季平均張弛質量深度比雨季大0.32～0.50 kg/m2。這與Walling等[33]的研究結果類似，對智利南部瓦爾迪維亞地區粉黏土的研究發現土壤風季的張弛質量深度(1.93 kg/m2)高于雨季(1.60 kg/m2)。對同一研究區域，在降雨量相同的條件下，土壤黏粒含量表現出風季和雨季均與張弛質量深度呈線性負相關，黏粒含量越高張弛質量深度越小，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)。可見，降水和土壤類型均對7Be有明顯的影響。由于風季的降水數據(尤其是降雪)難以獲取，加之降塵對7Be在風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。結果顯示，張弛質量深度與降雨量(R, mm)或土壤黏粒含量(c,%)之間的關系可以用簡單的線性關系表示。降雨量和土壤黏粒含量均與土壤張弛質量深度呈負相關關系，見公式(2)。

h0=3.40-0.02c-0.22lnRR2=0.75

(2)

式中：h0為張弛質量深度(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量深度 kg/m2

圖4 不同類型土壤平均黏粒含量與張弛質量深度的關系

4 討 論

黃土高原水蝕風蝕交錯帶存在明顯的干濕季節變化，水蝕主要發生在雨季(6—9月)，風蝕主要發生在風季(10—5月)。前人運用7Be示蹤技術分別研究了該區域粉黏土、粉壤土和沙壤土的風力侵蝕，描繪風蝕空間分布特征[35-36]，但仍未實現對土壤風水交錯侵蝕的研究。7Be較短的半衰期和明顯的季節分布特征為運用其開展風水交錯侵蝕特征研究提供了可能，為定量區分風蝕和水蝕對總侵蝕的貢獻奠定了基礎。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示蹤土壤侵蝕準確性的關鍵，而土壤張弛質量深度h0是表征7Be在土壤表層垂直分布特征的關鍵參數，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蝕交錯帶4種典型土壤類型的分析發現，風沙土的h0在風季和雨季均大于其他3種土壤，且其變異程度(變異系數為14%)也較其他3種土壤大。這與土壤的機械組成差異具有重要的相關性，于風沙土而言，其顆粒較粗，細組分(黏粒和粉沙)含量較低(<3.1%)，而7Be主要選擇性地吸附在細顆粒上，尤其與黏粒含量密切相關。風沙土的黏粒含量低，細顆粒少，對7Be的吸附較弱，風沙土大孔隙結構產生的優先流路徑的存在也會影響7Be的垂直分布[37-38]。加之，風沙土在水力侵蝕過程中往往表現出明顯的重力侵蝕特征[39]。在降雨過程中，風沙土的典型侵蝕發育過程為垂直滲流—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)，示蹤結果的可靠性和準確性較差。因此，在水蝕風蝕交錯帶，7Be示蹤可用于粉黏土、粉壤土和沙壤土的交錯侵蝕，而在風沙土適用性較差。

5 結 論

本研究基于7Be半衰期較短和試驗區干濕季節分異明顯的特征，以水蝕風蝕交錯區的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量深度h0等關鍵參數的季節變化，研究了7Be在水蝕風蝕交錯帶示蹤土壤風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變化相關。雨季的7Be含量均大于風季，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。張弛質量深度h0隨土壤類型和季節變化表現出明顯的改變。風季h0的平均值大于雨季；土壤黏粒含量較低的土壤的張弛質量深度h0較小(線性負相關)。研究結果表明，7Be具有示蹤水蝕風蝕交錯帶粉壤土、粉黏土和沙壤土風蝕和水蝕的潛能，而示蹤風沙土侵蝕的適用性較差，主要歸因于風沙土較大的侵蝕速率和7Be在表層風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域風蝕和水蝕的可行性，具體的示蹤適用性還需要在研究區域開展具有針對性的深入研究。