西南山地岩溶地区，坡耕地土层普遍比较单薄，暴雨事件易造成土壤流失，石漠化现象较为普遍。其地表水资源易快速入渗渗漏或流失，造成当地水资源短缺、土壤流失等，给当地的水土流失治理带来较大挑战^[1-2]。流域内土壤侵蚀—搬运—沉积过程受降雨事件、土地覆盖和人类活动等因素直接影响。一般来说，除降雨事件外，旱地的土壤侵蚀强度指数最大，其次为水田，林草地最小。而当前评价流域水土流失都是基于土地利用条件下完成的，最为成熟的通用流失方程、SWAT模型等模型，都能较好评价流域的水土流失。但也存在一些限制条件，即需要流域较高精度的地形、土壤、植被、水文和管理措施等方面的基础数据，而这些数据往往难以获得。为了能更好地揭示流域水土流失的空间分布特征，核素示踪方法的运用，极大地促进流域水土流失的评价研究，利用淤积坝、山坪塘等水利工程的淤积泥沙特征来反演其控制流域内土壤流失空间分布研究，被广泛应用与推广。武隆区——渝东南生态典型保护区，从20世纪60年代到现在，先后建有3万多口山坪塘，在控制河道泥沙运移起到积极的作用。这为本研究开展提供典型研究对象，研究结果为研究区小流域水土流失治理，也可为减少乌江(武隆段)流域泥沙来源提供重要的指导作用^[3-4]。

许多研究者^[5-8]利用淤积坝等小型水利工程，运用核素示踪技术，在黄土丘陵区等地开展反演控制流域内泥沙来源地的土壤流失空间分布研究并取得较为丰硕的成果。但在岩溶小流域开展这项工作并不多见。准确确定坝地沉积泥沙粒径剖面旋回层数及其获取控制流域不同土地利用土壤核素分布与区域核素背景值等参数，是反演控制流域内土壤侵蚀环境与降雨水力综合作用关系的关键，成为土壤流失研究的热点和难点之一^[9-11]。通过对沉积泥沙粒径成分及比例与流域内不同土地利用土壤粒径成分及比例关系分析，结合核素确定沉积旋回层次形成年代，能更加深刻地揭示流域内土壤流失的空间分布特征^[12-14]，粒径分析作为沉积学研究中的关键环节，涵盖沉积物的粒径组成以及泥沙粒径特征参数的比例分布规律。此分析手段能够精确地揭示不同水流条件下土壤颗粒的搬运机制，以及随之发生的沉积环境的演变^[15]。因此，笔者试图通过对岩溶区小流域山坪塘淤积泥沙粒径特征进行分析，结合土地利用现状来获取土壤流失环境信息，为反演小流域土壤侵蚀及产沙过程提供基础数据。

研究区位于重庆武隆区石桥乡，距武隆区中心约20 km。石桥乡地域属于乌江二级流域的芙蓉江流域，在2003年截流芙蓉江修建江口水电站时形成一个石桥湖库区，现为国家级湿地公园。研究区属于石桥湖库区水系的上游的集水区，有一沟道修一口山坪塘，在当地被称为小坪山坪塘(图 1)，其海拔1 000~1 200 m，比石桥湖库区高500多m，地形地貌以浅—中切割的山地形为主；典型喀斯特岩溶地貌区，地层岩性主要以奥陶纪灰岩、页岩和粉砂质灰岩为主，以页岩和石灰岩风化为母岩的黄棕壤、紫色土、石灰土为主要类型。多年平均降雨量1 082.2 mm，降雨在时空分配上均有明显的差异，年内时间分配差异较大。小坪山坪塘建于1962年，其控制流域面积约0.047 km²，水域面积216 m²，塘内淤积大量泥沙，淤积厚度约1 m，淤积泥沙干密度均值约为1.18 g/cm³。2021年小坪山坪塘土地利用类型，主要以坡耕地为主(图 1)，面积约4.6 hm²，占流域面积的97.9%，林地0.000 6 hm²，约占流域面积的0.01%，草地0.014 hm²，约占流域面积的0.3%。

图 1(Fig. 1)

图 1 2021年山坪塘土地利用类型 Fig. 1 Lands use types of check dam in 2021

泥沙采样方法，2021年7月，在山坪塘约中心处开挖1个2 m×2 m×1 m基坑，深1 m处可见底部埋填碎石，可确定塘底。依据淤积泥沙颜色和颗粒大小划分12层淤积旋回，每层淤积旋回厚度不一，从地表往下深度依次为：10、15、20、25、35、45、50、55、60、80、85和95 cm。每层旋回采样并重复3次，共采样36个泥沙样品。此外，山坪塘控制小流域内草地、坡耕地和林地分别采样土壤表层(0~10 cm)并重复采样3次，草地9个、坡耕地15个和林地9个土壤样品，共33个土壤样品。样品采回实验室，平铺在白纸上自然风干后，过1 mm的筛子，剔除杂物。取土样5~10 g放入250 mL烧杯中，加过氧化氢溶液，沙浴加热使其充分反应，去除样品中的有机质；冷却后加10%的盐酸溶液，去除样品中的碳酸盐；加入蒸馏水，静置24 h，倒掉上清夜，反复数次，直至溶液呈中性；最后在上机前加入六偏磷酸钠溶液。处理好的样品用Mastersizer 2000激光粒度仪进行土壤粒径分析，每个土样重复测量2次，结果取平均值。在测量完成后，激光粒度仪会生成颗粒粒径分布图和统计参数。其土壤或泥沙粒径特征参数如下：

1) 有效粒径：通过激光粒度分析仪测量土壤颗粒在光束中的散射和透射来确定土壤颗粒的粒径分布，从而计算得到有效粒径d₁₀。土壤颗粒的d₁₀值越大，土壤颗粒的粒径分布越偏大，土壤的颗粒大小越粗糙；反之，土壤颗粒的d₁₀值越小，土壤的粒径分布越偏小，土壤的颗粒大小越细腻。

2) 中值粒径是指累积分布比例达到50%时对应的粒径值。如果一个样品的d₅₀=5 μm，说明组成该样品的所有粒径的颗粒中，粒径＞5 μm的颗粒占50%，＜5 μm的颗粒占50%。

3) 众数粒径指颗粒出现最多的粒度值, 即相对频率曲线的最高峰值。

4) 体积加权平均粒径D(4, 3)：体积平均粒径指粒子分布的平均颗粒直径，是粒子大小分布的一个常用指标。利用激光束对颗粒进行照射，通过检测散射光和衍射光的强度变化，计算出体积平均粒径。

式中：D(4, 3)为体积加权平均粒径D(4, 3)，μm；F_i为第i粒径的体积，μm³；D_i为i粒径的中值，μm。

5) 土壤粒径分形维数：

式中：D为土壤粒径分形维数，量纲为1；V(r≥R)为直径＜R(R为相邻粒级平均直径)的累积体积，%；V_T为总体积，μm³；R为相邻粒级平均直径，μm；λ_w为最大粒级土粒平均直径，μm；其中粒级＜2 μm时R=1 μm。

在西南岩溶区，坡耕地土壤蓄满产流后并非所有降雨都能引起土壤侵蚀和水土流失，小流域内土地利用表层土壤，若受到侵蚀性降雨，将会随水流携带不同粒径土壤运移—沉积或到山坪塘内淤积。而单次相对较大降雨径流洪水汇至山坪塘内淤积后形成一个沉积旋回，往往淤积厚度较薄，但若一个旋回较厚，则可能由多次暴雨将坡面和沟间地的表层土壤冲涮后形成。在不同时期洪水特性携带泥沙特征受土地覆盖影响，会导致淤积物在垂直方向上，可形成土壤粒径大小、颜色和结构不同的淤积层次，其最明显的层次标志就是垂直剖面上淤积泥沙粒径的变化，一般淤积泥沙粒径按粗在下、细在上的模式进行层次重复，一般在野外较容易分辨其淤积旋回规律。因此，在划分淤积泥沙层时，可根据淤积泥在上、沙在下的原则，把相邻的泥沙互层二元结构划分为一个淤积旋回。从建塘到现在整个淤积泥沙粒径结构的剖面旋回层数记录小流域内土壤侵蚀—搬运—淤积水动力条件。

山坪塘泥沙淤积旋回层数厚度不一，83.3%的旋回层数的厚度约为5 cm，其最大的旋回层厚度为20 cm，处于深度60~80 cm间。由表 1可知，12层泥沙淤积旋回的泥沙粒径成分以黏粒(< 0.002 mm) 和中粉粒(≥0.002~0.005 mm)为主，其比例之和约占总比的68.64%，其他粒径成分和比例分别为细粉粒(≥0.002~0.005 mm)5.59%、粉粒(≥0.02~0.05 mm)13.69%、极细砂粒(≥0.05~0.25 mm)9.21%、细砂粒(≥0.25~0.5 mm)2.02%、粗砂粒(≥0.5~1 mm)0.82%和大砂粒(≥1~2 mm)0.05%。但泥沙粒径成分比例变异系数排序：大砂粒(2.71)>粗砂粒(1.4)>细砂粒(0.97)>极细砂粒(0.68)>黏粒(0.224)>粉粒(0.222)>细粉粒(0.166)>中粉粒(0.158)。小于粉砂粒粒径成分的比例变异系数是砂粒粒径成分比例的3~6倍，这表明小于粉粒粒径成分在整个淤积旋回层次剖面上分布比较均匀，而大于或等于大砂粒粒径成分比例基本上都＜10%。显然，大多数侵蚀性降雨基本能够将＜0.05 mm粉粒及其以下土壤粒径颗粒冲涮—搬运—淤积到塘内，大砂粒淤积塘内则受较大侵蚀性降雨的影响。分析表 1可知，小流域内潜在泥沙来源的草地、林地和坡耕地表层土壤(0~10 cm)，其土壤粒径成分主要以黏粒、中粉粒和粉粒为主，其平均比例之和约占总比的62.23%~66.73%，变异系数也最小；而坡耕地表层土壤粒径成分粗砂粒比例和变异系数都是草地和林地的2倍。总的来说，山坪塘淤积泥沙粒径成分及比例与其潜在来源地的坡耕地、林地和草地表层土壤(0~10 cm)存在高度的相似性。即坡耕地、林地和草地表层土壤粒径成分比例与山坪塘泥沙差异性显著(P < 0.05)表现在细砂粒、粗砂粒和大砂粒，其他粒径成分比例差异性不显著(P>0.05)。

表 1(Tab. 1)

表 1 山坪塘淤积和土地利用表层土壤泥沙组分含量统计特征 Tab. 1 Statistical characteristics of sediment contents of deposition and land usesurface and check dam   % 类型 Type 类别 Class 土壤颗粒物理性分析Particle-size analysis of soil samples 黏粒 Clay particles < 0.002 mm 细粉粒 Fine silt particles ≥0.002~0.005 mm 中粉粒 Medium silt particles ≥0.005~0.02 mm 粉粒 Silt particles ≥0.02~0.05 mm 极细砂粒 Very fine sand particles ≥0.05~0.25 mm 细砂粒 Fine sand particles ≥0.25~0.5 mm 粗砂粒 Coarse sand particles ≥0.5~1 mm 大砂粒 Large sand particles ≥1~2 mm 淤积旋回 Sedimentary cycles 均值 Mean 40.50 5.59 28.17 13.95 9.06 1.92 0.76 0.04 最大值 Maximum 65.16 7.27 36.43 16.38 20.79 6.53 4.48 0.58 最小值 Minimum 29.28 3.98 21.57 5.49 0.46 0 0 0 标准差 Standard deviation 8.41 0.88 4.36 2.83 6.07 1.87 1.06 0.12 变异系数 Coefficient of variation 0.21 0.16 0.15 0.20 0.67 0.97 1.40 2.73 草地 Grasslands 均值 Mean 34.48 5.56 29.43 18.69 10.87 0.79 0.18 0 最大值 Maximum 40.38 6.01 32.87 20.02 13.59 1.64 0.34 0.02 最小值 Minimum 31.51 5.17 25.94 16.14 7.23 0.17 0.00 0 标准差 Standard deviation 3.12 0.28 2.43 1.42 2.20 0.48 0.15 0.01 变异系数 Coefficient of variation 0.09 0.05 0.08 0.08 0.20 0.61 0.84 2.00 农地 Farmlands 均值 Mean 34.65 5.31 27.58 16.84 11.48 2.07 1.88 0.18 最大值 Maximum 37.92 5.65 29.16 20.04 13.64 2.58 1.94 0.20 最小值 Minimum 28.40 4.89 26.77 14.23 9.78 1.76 1.80 0.15 标准差 Standard deviation 4.43 0.31 1.12 2.41 1.61 0.36 0.06 0.02 变异系数 Coefficient of variation 0.13 0.06 0.04 0.14 0.14 0.17 0.03 0.12 林地 Forest lands 均值 Mean 37.23 5.79 29.50 16.30 9.02 1.23 0.85 0.08 最大值 Maximum 39.55 6.08 33.02 18.04 10.60 2.12 1.84 0.17 最小值 Minimum 34.70 5.48 25.94 14.36 7.74 0.42 0 0 标准差 Standard deviation 1.99 0.25 2.89 1.51 1.19 0.70 0.76 0.07 变异系数 Coefficient of variation 0.05 0.04 0.10 0.09 0.13 0.57 0.90 0.86

表 1 山坪塘淤积和土地利用表层土壤泥沙组分含量统计特征 Tab. 1 Statistical characteristics of sediment contents of deposition and land usesurface and check dam

一般山坪塘淤积泥沙粒径组成主要是受泥沙来源与降雨径流的水动力条件影响。当降雨径流水动力条件较强时，土壤表层被径流剥蚀、搬运能力就较强，粗颗粒土壤粒径易被携带至山坪塘内淤积。相反，当降雨径流侵蚀能力较弱时，淤积物粒径就较细。从淤积泥沙粒径成分比例分析，山坪塘底层淤积泥沙砂粒相对较多，顶层淤积泥沙黏粒相对较多，可指示淤积泥沙趋于变细的趋势。

由图 2可知，随着泥沙淤积深度增加，泥沙粒径中的黏粒和中粉粒比例逐渐减少，粒径大于细粒泥沙比例值变异系数增大，可指示流域内有利于土壤侵蚀—搬运—淤积条件较好。依实地考查，在山坪塘建成初期，坡耕地耕种利用强度大，有利于暴雨事件侵蚀—搬运—沉积；后期部分坡耕地被撂荒或平整梯田，明显减弱土壤侵蚀的条件。进一步分析图 2可知，泥沙淤积在深度60和85 cm处出现转折点：在深度>60~85 cm内，泥沙粒径成分黏粒、中粉粒、细粒和大砂粒都有一定比例，表明泥沙流失淤积的水动力条件较好；在深度0~35 cm内，淤积泥沙粒径成分基本以细砂粒以下为主，表明泥沙来源的水动力条件较弱；在深度>35~60 cm内，泥沙粒径成分以黏粒和中粉粒为主，表明这泥沙来源水动力条件较差。从与农户交谈得知，流域内坡耕地经历耕种—整治—耕种—撂荒等人类活动过程，这些活动影响流域内土壤侵蚀—搬运—淤积过程的水动力条件。

图 2(Fig. 2)

图 2 山坪塘淤积泥沙各组分比例的剖面变化 Fig. 2 Profile changes of percentage content of sediment in check dam

淤积泥沙粒径特征是反映粒度形态及其分布的重要参数，在一定程度上刻画泥沙粒径体积大小的特点。常用有效粒径[d(0, 1)]、中值粒径[d(0, 5)]、众数粒径[d(0, 9)]和体积加权平均粒径指标来表示(D^{[4, 3]})。此外，另引入泥沙粒径分形维数D指标，来综合分析其淤积泥沙粒径特征及其分布特点。

由图 3对比分析可知，泥沙粒径特征参数值变化都随淤积深度具有一致性，可划分为3个梯级规律：第1梯级，在0~30 cm淤积厚度中，泥沙粒径特征数值趋于变小趋势；第2梯级，在>30~60 cm淤积厚度中，泥沙粒径特征数值趋于变大趋势；第3梯级，在>60~95 cm厚度中，泥沙粒径特征数值趋于先增大再减少趋势。这说明在山坪塘控制小流域内土壤侵蚀—运移—沉积的水动力条件的变化。特别是中值粒径参数，它是反映泥与沙之间的重要参数，由图 3可知，中值粒径参数随深度的增加出现减少—增加—减少—增加的过程，可指示山坪塘淤积泥沙颗粒随时间有向细化趋势发展。这也表明与人类活动强弱阶段过程相对应，如与撂荒—耕种—整治梯田—耕种关系密切，众数粒径参数也可以说明这一关系。而体积加权平均粒径参数在>60~95 cm厚度较上一层0~60 cm厚度上明显偏大，其最大值可为0.58 mm，可指示流域内存在泥沙淤积较强的水动力条件或强降雨事件，需待于进一步研究。

图 3(Fig. 3)

图 3 山坪塘泥沙特征粒径和分形维数的剖面分布 Fig. 3 Section distribution of particle size and fractal dimension of sediment in check dam

泥沙粒径分形维数D是反映土壤颗粒质地的重要参数。从图 3可知，泥沙粒径分形维数D与泥沙粒径特征参数变化趋势基本保持一致。随着泥沙淤积深度增加，粒径分形维数有逐渐增大的趋势，这说明淤积泥沙从表层向底层，泥沙粒径越不均匀，越有层次性，但深度60 cm处泥沙粒径分形维数D出现最大值3.78，其泥沙粒径均一性最差。这也进一步指示在深度60 cm处，这一时期流域内存在泥沙淤积较强的水动力条件或强降雨事件。

山坪塘淤积泥沙粒径成分主要以黏粒和中粉粒为主，其平均比例之和约占总比的68.64%，且两者比例值变异系数最小。这与山坪塘控制小流域内耕地、草地和林地的0~10 cm深度土壤粒径成分及其比例规律保持一致。即土地利用类型表层土壤粒径成分黏粒和中粉粒的平均比例之和约占总比例的64.30%，其他粒径成分比例未有明显变化。

山坪塘淤积泥沙厚度有95 cm，可划分12层旋回。0~30 cm淤积厚度，泥沙粒径成分比例主要以黏粒和中粉粒为主，大砂粒零星分布，泥沙粒径各成分比例值变异系数都较小；>30~85 cm淤积厚度，泥沙粒径成分比例也是以黏粒和中粉粒为主，但相对上层厚度，其比例值有所减少，而细砂粒和大砂粒成分比例有所增加，比例值变异系数变大。

山坪塘淤积泥沙60 cm深度处出现粒径成分比例值变异系数最大值，成为泥沙分层旋回转折点，其泥沙粒径成分的粒度参数(中值粒径、众数粒径、体积加权粒径和有效粒径)和分形维数D指标数值也呈现转折变化。这表明泥沙流失淤积水动力条件发生较大变化。