土壤侵蚀已成为当今人类所面临的主要环境问题, 全球每年有近200万hm²土地由于土壤侵蚀导致土地生产力全部或基本丧失, 这中间有相当一部分是人们赖以生存的农耕地。在黄土高原, 70%以上耕地为坡耕地, 由于坡面陡峻, 加上黄土本身结构松散, 区内降水集中、强度大等因素, 使黄土高原坡面侵蚀相当强烈, 引发严重的水土流失, 产生一系列环境、经济和社会问题。

对于坡面侵蚀尽管已做了较多的研究, 但坡面侵蚀泥沙的来源及沿程沉积特征仍缺乏统一的认识(Rose et al., 1983;1985), 原因就在于坡面上土壤结构相近, 单从侵蚀物分析难以划分其来源, 用示踪沙等常规示踪, 又因其与土粒特征存在较大差异而导致结果的可靠性受到怀疑(Lal, 1991; Stall, 1988)。20世纪70年代中期, 利用在全球广为沉降的核爆产物¹³⁷Cs作为示踪物, 研究其在土壤和沉积物中的分布, 估算不同部位土壤侵蚀与沉积, 取得了较好的效果(Simpson, 1976)。国内张信宝等(1988)也利用该方法进行侵蚀研究, 取得了初步的成果, 但这种方法仅适宜于大时间尺度的侵蚀量估算, 对于黄土高原侵蚀严重地段由于沉降的¹³⁷Cs核素多已侵蚀殆尽, 该方法则无能为力。1986年, Knaus等(1996)用稳定性稀土元素(REE)示踪和中子活化分析技术成功的测定了沼泽地演变过程, 为核分析技术在土壤侵蚀研究中的应用开辟了新途径。稀土元素与土壤有较强的结合力, 在黄土高原土壤中含量甚微(田均良, 1992), 植物富集有限, 淋溶迁移不明显, 并且对环境无放射性危害, 因此, 为土壤侵蚀研究首选示踪材料。

1 试验设计 1.1 场地及示踪元素布设

试验地设在黄土高原沟壑区淳化县泥河沟流域径流场, 坡度为6°, 坡长60 m的平整直线坡, 表面处理为平整裸露, 有一个重复, 土壤为黄土, 干容重1.3 g·cm^-3, 初始含水量13%, 其机械组成见表 1。

依坡面从上往下每隔10 m布设1种稀土元素条带, 全坡面共分为6个区间(见图 1), 这样, 侵蚀后依坡面总的侵蚀物中检出各稀土元素含量的相对值, 即可求得各区间侵蚀量。施放的6种稀土元素为La、Se、Nd、Sm、Eu、Dy的氧化物, 其施放量及部位见表 2, 其条带宽×深为20 cm×20 cm, 施放时先以少量(5 kg)粒径较小(< 0.01 m)的试验干土将表中所示重量的各种稀土氧化物充分掭混, 稀释形成高浓土样, 然后再加入5 kg掭混, 形成次高浓土样, 最后加入能装满20 cm ×20 cm沟槽的同种过筛土(约290 kg)充分混合, 填入挖好断面条坑之中, 夯实到与原坡面相同容重, 见表 2。

1.2 实验条件及测定项目 1.2.1 降雨

采用自制野外大型人工降雨机(有效降雨面积60 m ×10 m)喷头为侧喷式, 降雨高度9 m, 根据本区侵蚀降雨特点, 70%以上侵蚀由中强度, 短历时暴雨产生(王万忠, 1996), 实验降雨设计为雨强1.0 mm·min^-1, 雨量40 mm, 历时40 min的均匀降雨。

1.2.2 雨强、雨量测定

用1个虹吸式自计雨量计和6个20 cm人工雨量计量测定, 布设为S型, 加权平均计算。

1.2.3 径流测定

在坡面四周设水泥档板, 出口处修筑90°三角钢板堰, 用测针量测堰上水头H, 通过公式Q =1.4H^2.5求得不同时刻流量变化过程及总径流量。

1.2.4 含沙率与产沙量

在出口三角堰下人工用桶采样, 用秒表计时, 即可求得一定体积径流中的泥沙量———含沙率, 乘以同一时刻径流量, 即得输沙量, 再乘以历时, 可得各时段产沙量。

2 结果分析 2.1 侵蚀泥沙来源及变化 2.1.1 产沙部位

设施放浓度为C_j^°, 径流泥沙中元素浓度为C_j, 背景值浓度为B_j, 示踪区的侵蚀量为C_j, 总侵蚀量为G, 由守恒原理有:

(1)

(2)

通过(2)式可计算出各示踪部位的C_j/G值, 再乘以它所代表部位的面积系数, 即为该部位的相对侵蚀量。经3次相同条件下的重复试验, 用上式计算坡面总侵蚀物中6种稀土元素的相对侵蚀量, 见表 3。

3次实验, 6组数据的平均变幅在10%以内, 且正负变幅基本一致, 因此可以认为结果是可靠的。坡面侵蚀输移物90%以上来自坡长30 m以下区段, 其中30~50 m区段占到72.14%, 这一段是最强烈的侵蚀区间。0~10 m区段的侵蚀量大于10~30 m区间, 这个区间由于水层薄正是雨滴击溅区, 击溅效果明显; 10~30 m径流逐渐变深, 雨滴击溅效果减弱, 同时径流能量还没有增长到足以形成细沟, 只能以径流侵蚀输移单个土粒, 数量有限。到30 m断面, 由于径流汇集能量进一步增大, 以至大于土体抗剪强度临界值, 产生了细沟, 侵蚀量成倍、数十倍增加。40~60 m区段, 由于细沟侵蚀, 径流中泥沙浓度陡增, 输移消耗能量增大, 径流用于冲刷能量反而减小, 导致产生的侵蚀量减小。

2.1.2 不同部位侵蚀强度变化

表 4为3次实验泥沙过程样中示踪元素的浓度随时间变化平均值, 从表 4过程变化情况来看, 0~50 m区段随时间延续, 侵蚀逐渐增大, 只有50~60 m区段侵蚀量逐渐递减, 而且20~40 m区段的递增幅度较大, 0~20 m变化微弱, 这与前面的最终结果正好吻合。

2.2 泥沙沉积特征

通过首次降雨实验后, 坡面14 m、24 m、34 m、44 m、54 m、59 m每一个断面的沉积物中包含上部各带物质的比例较接近, 只有La带及Ce带在54 m、59 m断面处比例稍大一些, 说明各个断面产生的侵蚀物在坡面沉降的机率基本相等。La带、Ce带在下部沉积机率略大的原因可能是击溅产生松散土粒中大粒径相对较高, 导致交换发生, 也与颗粒不均匀有关。

由沉积物粒径变化看(表 5、6), 24~54 m断面间有大于3 mm粒径的沉积物出现, 而且3~1 mm、1~0.25 mm的沉积物含量均高于14 m断面和59 m断面, 说明在区间20~56 m, 径流的输移能力较强, 冲刷剪切能力也较强(>3mm颗粒产生于此段), 是细沟开始产生的位置。这与前述输移物70%以上来自30~50 m断面的结论较吻合。

3 结论与讨论

人工典型侵蚀降雨结合稀土元素示踪表明, 60 m长(6°)黄墡坡面主要侵蚀产沙部位在距分水岭30~50 m之间。

对降雨后坡面各区段沉积物的来源分析, 发现沉积物包含上部各区段物质的含量较为接近, 说明各区段产生的侵蚀物在下部坡面各部位发生沉积的机会是相同的。结论可以帮助在这一地区选择合理的梯田田坎宽度, 同时也更进一步深化了分段拦蓄、截短坡长等治坡措施的理论基础。