白云岩喀斯特侵蚀坡地的137Cs法研究

何永彬，李 豪

(1.云南大学 云南省地理研究所，云南 昆明 650223；2.四川农业大学 资源环境学院，四川 成都 611130)



白云岩喀斯特侵蚀坡地的137Cs法研究

何永彬1，李 豪2

(1.云南大学 云南省地理研究所，云南 昆明 650223；2.四川农业大学 资源环境学院，四川 成都 611130)

在黔南峰丛洼地区林间白云岩坡地应用137Cs法研究土壤侵蚀。4个坡面采样样方的137Cs面积浓度都低于137Cs本底值浓度；表土样137Cs浓度随着坡长增加而增大，全样137Cs面积浓度的顺坡变化呈逐步下降趋势；应用137Cs农耕地侵蚀模型计算获得样点土壤侵蚀量后，加以坡长加权平均计算获得的坡长权重土壤位移量为2.045 t/(km2·a)。同时在坡脚的土壤分层剖面中的137Cs浓度峰值在土壤次表层出现，随着深度增加呈指数递减变化，属于未受耕作扰动的无侵蚀非农耕地，但表层含有相对低浓度137Cs是坡面侵蚀泥沙的搬运堆积结果，估算距1963年以来侵蚀泥沙年平均堆积厚度为0.0682～0.1364 cm/a。坡地土壤侵蚀速率远小于以往贵州喀斯特地区典型喀斯特小流域和坡地的观测结果，但坡脚泥沙堆积速率远大于坡地土壤侵蚀速率。表明季节性暴雨、坡面降雨汇流和耕作侵蚀等侵蚀作用使喀斯特坡地土壤颗粒出现微距离位移，长期则在坡脚出现显著的侵蚀泥沙堆积。

土壤侵蚀速率；喀斯特林间坡地；137Cs示踪；白云岩

0 引言

中国西南喀斯特(岩溶)地区分布着世界上最为典型的碳酸盐岩喀斯特景观，广泛分布的喀斯特坡地具有强侵蚀环境，近年来喀斯特土壤侵蚀研究已经成为热点。普遍认为喀斯特土壤与喀斯特环境的各个要素之间存在密切联系，土壤丧失与土地退化同石漠化具有显著直接的相关性[1]。长期的研究表明，喀斯特土壤侵蚀过程实际上是包括地质过程、生态过程与人为过程的复杂环境过程[2-6]。既有岩石上覆土壤随着水力和溶蚀过程而发生土壤的地表与地下的迁移流失的地质侵蚀形式，也有人为活动致使”生态环境退化、植被丧失致使的土壤侵蚀加剧发展的形式，加上农耕扰动的情况，会持续出现坡地侵蚀退化[7-11]。由于观测的年代、时段、方法和区域侵蚀环境等具体原因，目前文献报道的喀斯特坡地土壤侵蚀速率观测结果的差异较为悬殊而且数据较少。如陈文贵对贵州喀斯特地区典型喀斯特小流域观测结果是平均土壤侵蚀模数为3 022 t/(km2·a)[12]；何腾兵观测到15～20°的石灰土坡耕地玉米顺坡种植的土壤侵蚀模数5 852 ～ 7 726 t/(km2·a)，新开垦的喀斯特坡地平均流失表土5.75 ～ 7.5 mm/a[13]；龙明忠对贵州花江喀斯特峡谷土壤侵蚀监测发现不同石漠化等级的土壤侵蚀模数为3.5 ～ 9.5 t/(km2·a)[14]。张治伟在重庆南部南川市境内，按不同侵蚀强度的坡地取137Cs样品，用于研究岩溶坡地不同侵蚀程度的土壤侵蚀强度与特征，获得林草地平均侵蚀速率112.5 t/(km2·a)，缓坡耕地平均侵蚀速率565.5 t/(km2·a)，陡坡耕地的平均侵蚀速率2 264.8 t/(km2·a)[15]。

土壤侵蚀的137Cs示踪方法已获得广泛应用[16]。就喀斯特山地土壤侵蚀的137Cs研究而言，已有文献报道了在坡耕地坡面、次生林坡脚剖面、中上坡剖面、裂隙剖面等中的137Cs分布特征及其侵蚀指示意义，有严冬春等研究了黔中高原岩溶丘陵坡地土壤中137Cs分布[17]；冯腾等分析了桂西北喀斯特坡地土壤137Cs的分布特征及其侵蚀指示意义[18]；张笑楠等分析了典型喀斯特坡地137Cs的分布与相关影响因子[19]；李豪等分析了桂西北倒石堆型岩溶坡地土壤的137Cs分布特点[20]。由于坡地土壤浅薄分散、土壤剖面发育不全、岩石出露率高但不吸收137Cs而流失集中在附近土壤中致使137Cs含量异常高等原因，对应用137Cs法研究土壤侵蚀造成了限制[17]。根据目前已有的研究分析，认识到应用137Cs法研究喀斯特坡地土壤侵蚀，关键条件是要寻找具有一定连续土壤覆盖和土壤均质性较高的坡地。本文选择“石漠化”程度轻、相对连续土壤覆盖、林间空地地带的白云岩坡地，试验运用137Cs法研究中短期尺度的喀斯特坡地土壤侵蚀速率及其空间变化特征。

1 研究地区概况和研究方法

1.1 尧所坡地概况

贵州茂兰自然保护区自第四纪以来持续上升、岩溶剧烈发育，形成了典型的峰林——峰丛低山山地。尧所坡地位于茂兰自然保护区内的洞塘乡的上必达村(25°23′～25°24′N，107°53′～107°54′E)，年平均温15℃，年平均降雨量1 752 mm。尧所坡地属于宽缓褶皱构造板寨背斜顶部部位发育的宽浅峰丛低山地带。地势西南高东北低，坡地四周山峰海拔为800～750 m，坡地海拔460～560 m。四周峰丛处于解体后退过程中，谷地宽平，相对高差为150～200 m。地面出露层厚质纯的大面积碳酸盐岩，以石炭纪下统摆佐组的浅灰色-灰色的厚层至块状细-中粒白云岩为主，其中的方解石、白云石的含量在97%～99%以上，岩层产状平缓，为7.5°至水平，而且节理裂隙发育，有利于地表水向下渗透和垂直溶蚀发育[21]。

尧所喀斯特白云岩坡地分布白云岩母质风化发育的、以粘土和重粘土为主的连续薄层土壤，自坡顶——坡脚土壤层厚度逐渐增厚，反映了坡地土壤受侵蚀堆积过程作用的特征。尧所坡地属于林地间的退耕草地，在1982年以后改为放牧草坡地。坡地原为耕地，现状植被是荩草、细柄草、扭黄茅、五节芒为主的灌丛草坡，零星分布白栎、槲栎、马桑、小果蔷薇和樟叶荚迷等稀疏灌丛。坡地周围原生植被以常绿阔叶林为主，经过长期樵采、垦殖、放牧，高大乔木保存较少，坡地四周植被现演化为壳斗科和樟科幼树，并且零星分布枫香、响叶树等落叶树的次生性常绿阔叶与落叶阔叶混交林，植被覆盖率>60%。

1.2 样品采集与分析方法

1.2.1 坡地坡土壤样品采集

研究区采集样品时间是在2007年3月。本次样品采集主要采用剖面线网格样方法，剖面线长度为81 m，顺坡自坡顶至坡脚，在12 m、53 m、71 m和81 m处分别布置了四个分别长为3 m、宽为2 m的网格样方，每个网格样方内取3～4个样(图1)。另外在坡地的上部、中部和下部分别随机各取2个草地表土样。全样采用直径为7.8 cm的取样筒来取样。取样筒手动打入地下至基岩，获得的样芯不分层，自取样筒中取出后装入样品袋。

图1 尧所坡地地形概图与采样地布置 (A、B、C、D — 采样样方)Fig.1 The relief sketch and the arrangement of sampling sites in Yaosuo slope land(A、B、C、D — sampling quadrat)

1.2.2 坡地坡脚土壤样品采集

在尧所坡地的东北侧有采石开挖所形成的一个土壤剖面。土壤剖面具有落叶层-腐殖质层-壤土层-粘土层-半风化层-砂石层-基岩的自然剖面结构，其上覆盖有次生林植被，次生林地土壤剖面顶宽为3 m，顶面坡度为7.5°，坡向为东北方向45°，土体与基岩之间存在明显的分界接触面。在坡脚地带的土壤出露剖面分别各取深度21 cm，分层厚度3 cm的4个剖面样(图2)。

实习护生希望接受知识技能和沟通技巧。①实习之初，护生迫切希望将在校所学运用于临床实践以提高自己的操作能力，而实习后期，护生更希望带教老师能传授专科性操作技能。②护患沟通技巧欠缺使实习护生在工作过程中屡屡碰壁，进一步加大实习护生对沟通技能的需求(“病人不肯,后来老师教我怎么与病人沟通,这让我深刻体会到护理工作中沟通的重要性”[11])。

图2 尧所坡地坡脚土壤分层剖面图Fig.2 The soil section map at the foot of Yaosuo slope land

1.3 样品处理分析

采集的样品在中科院成都山地灾害与环境研究所进行预处理，土壤样品中的137Cs含量测定在实验室将进行，样品经风干、研磨、过筛和称重后送实验室供测试用。测试样品封闭于样品盒中20 d后，用配备n型高纯锗探头(LOAX HPGe)的低能量、低本底γ能谱仪测定137Cs含量，样品测重≥250 g，测试时间≥50 000 s，测试误差为±5%(95%可信度)，样品的137Cs含量根据662 KeV谱峰面积求算。有关的土壤颗粒结构是在中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所理化分析实验室进行实验分析。

1.4 计算模型

(1)由于尧所坡地存在农耕、放牧等致使的侵蚀情况，坡地侵蚀估算采用张信宝新提出的侵蚀农耕地简化质量模型。

式中：A为137Cs面积浓度，A0为137Cs本底值，ΔH为土壤年流失厚度，HP为土壤犁耕层厚度，n为取样年份。根据野外调查分析，研究区的犁耕层厚度为20 cm，土壤干容重为0.919 g/cm3。137Cs本底值采用邻近环江地区的本底值997.7 Bq/m2。

(2)坡脚侵蚀泥沙堆积速率计算模型

坡脚侵蚀泥沙沉积中137Cs最大峰值指示全球137Cs沉降最多的1963年。根据137Cs峰值浓度的剖面层位深度和1963年以来的沉积时间的比值来推算这一期间的平均沉积速率。

2 结果分析

2.1 坡地样方土壤样品的137Cs特征与侵蚀速率

2.1.1 坡地土壤全样与表土样的137Cs浓度变化

4个坡地采样样方分别位于坡地上部、坡地中上部、坡地中下部和坡地下部，相应地，137Cs平均面积浓度分别是741.78 Bq/m2、477.83 Bq/m2、342.75 Bq/m2、230.45 Bq/m2，分别占当地本底值的58.07%、37.42%、26.84%和18.05%。4个采样点的137Cs含量都低于本底值，说明出现不同程度的侵蚀状况，而且在从上部至坡地下的不同坡面位置，越往坡地下部137Cs面积浓度的顺坡变化呈逐步下降趋势，表明坡地上部的土壤流失量要小于坡地中下部的土壤流失量。

在茂兰尧所坡地随机采集的6个表土样137Cs浓度变化范围4.51 Bq/kg～10.09 Bq/kg，坡上部、坡地中部和坡地中下部的草地表土样137Cs平均含量分别为5.71 Bq/kg、7.63 Bq/kg和9.24 Bq/kg，说明坡地土壤侵蚀程度存在差异，可能是随着坡长增加加剧土壤侵蚀致使土壤剖面中含高浓度137Cs的土壤层逐渐暴露于地表。

2.1.2137Cs法估算的坡地土壤侵蚀速率

运用改进的简化质量模型来计算点土壤侵蚀速率的结果是：坡地上部、坡地中上部、坡地中下部和坡地下部4个采样地的土壤年平均流失厚度分别为0.6699×10-4cm/a，1.65×10-4cm/a，2.39×10-4cm/a，3.26×10-4cm/a。换算为土壤年平均位移量分别为0.617 t/(km2·a)，1.525 t/(km2·a)，2.21 t/(km2·a)，3.084 t/(km2·a)。总体上土壤侵蚀强度属于轻微侵蚀。考虑到坡地侵蚀力随坡长变化的因素，用坡长加权平均法计算得到的坡长权重土壤年平均位移量分布坡地上部0.091 t/(km2·a)，坡地中上部0.376 t/(km2·a)，坡地中下部1.12 t/(km2·a)，和坡地下部0.457 t/(km2·a)。全坡面的坡长权重土壤年平均位移量为2.045 t/(km2·a)。顺坡面变化的4个采样地137Cs浓度变化与土壤年侵蚀速率见图3。

2.2 坡脚土壤剖面137Cs特征与侵蚀泥沙的堆积速率

2.2.1 坡脚土壤剖面137Cs特征与指示意义

尧所坡地坡脚土壤分层样137Cs分布曲线见图4。4个分层样点的137Cs分布在0～18 cm的土壤剖面中，分层样点S1、S2、S4的137Cs峰值都出现在3～6 cm，而分层样地S3的137Cs峰值出现在0～9 cm，

图3 尧所坡地采样点与表土样的137Cs浓度变化 与土壤侵蚀速率Fig.3 The 137Cs concentration variation of sampling sites and surface soil and the soil erosion rate in Yaosuo slope land

在137Cs峰值深度以下都急剧下降至微量，18～21 cm的137Cs含量为0.044～1.738 Bq/kg。土壤剖面表层0～3 cm和次表层137Cs含量较高，其中表层0～3 cm的137Cs含量分别为9.35～13.068 Bq/kg。但出现分层样S1、S2、S4的表层土壤137Cs浓度低于其峰值浓度；4个坡脚分层样的137Cs面积浓度分别为1 218.011 Bq/m2、1 389.203 Bq/m2、1 223.46 Bq/m2和1 448.629 Bq/m2，变异系数为0.088 6，平均137Cs面积活度为1 319.826 Bq/m2，土壤剖面137Cs分布中呈向上延伸的形态，137Cs面积活度显著增加并大于邻近地区的广西环江地区的137Cs本底值997.7Bq/m2。

尧所坡地坡脚土壤分层样137Cs剖面反映了未受耕作扰动的稳定堆积型非农耕地土壤剖面特征。重要的是，由于坡面侵蚀作用致使含137Cs表层土壤微粒向下迁移或受降雨雨滴、风力等轻微侵蚀后土粒迁移等原因，受侵蚀而迁移的泥沙137Cs浓度降低，相应地沉积土壤剖面中137Cs浓度表现为自峰值深度向土壤表层减少的趋势。尧所坡地坡脚土壤分层样表层与次表层的137Cs变化形态说明了尧所坡地的坡脚出现了一定程度的泥沙堆积。

(a)、(b)、(c)、(d)分别为尧所坡地分层样点S1、S2、S3、S4 图4 尧所坡地坡脚土壤分层样137Cs剖面图Fig.4 The depth distribution of 137Cs content in slope foot profile

2.2.2 坡脚侵蚀泥沙的堆积速率估算

喀斯特山区正负地形相间分布，坡地是主要的土壤侵蚀——堆积场所。坡地岩石风化残积形成的土壤或酸不溶物在重力和水的作用下，从高处向低处进行着微距离或短距离的迁移。根据137Cs的时标记年原理，稳定堆积型非农耕地土壤137Cs分布剖面中自峰值深度以上反映的是1963年以来的泥沙积累量。坡脚侵蚀泥沙的堆积速率是137Cs峰值深度与自1963年137Cs沉降高浓度时期以来年限的比值。根据分层样点S1、S2、S4的137Cs峰值都出现在3～6 cm，采样年限距1963年以来是44年的情况，估算侵蚀泥沙的年平均堆积厚度为0.0682 kg/(m2·a)～ 0.1364cm/a，换算为土壤年平均堆积速率为0.627～ 1.254kg/(m2·a)。

3 讨论和结论

通过不同位置的白云岩喀斯特坡地137Cs空间分布的对比，土壤坡面的4个土壤样方的平均137Cs浓度远低于本底值，也指示着在坡面出现了明显的土壤侵蚀过程。坡面样方平均137Cs面积浓度的顺坡变化呈逐步下降趋势，而坡地表土样的137Cs浓度较高并且顺坡增加。说明在降雨形成的坡面径流冲蚀作用下，坡地侵蚀强度和受侵蚀土壤厚度随坡长增加而加大，而且片状表土侵蚀集中在坡地中下部，并且随着坡长增加而土壤受侵蚀的厚度增加，以至出露心土层。运用侵蚀农耕地模型计算获得在坡地上部、坡地中上部、坡地中下部和坡地下部的土壤年流失量分别为0.617 t/(km2·a)，1.525 t/(km2·a)，2.21 t/(km2·a)，3.084 t/(km2·a)，用坡长加权平均法计算得到坡地土壤侵蚀模数为2.045 t/(km2·a)。尧所坡地的土壤侵蚀模数均小于有关文献报道的典型小流域土壤侵蚀模数[12]、顺坡种植的坡耕地土壤侵蚀模数和新开垦的坡地土壤侵蚀模数[13]。

从坡脚堆积土壤剖面的137Cs分布形态分析，分层样剖面中137Cs分布在0～21 cm的深度范围内，其中高浓度137Cs集中分布在土壤次表层，峰值深度以下呈对数递减，说明坡脚土壤属于无侵蚀得非农耕地。据调查，尧所坡地的灌木草坡多为抗战和解放后“大跃进”期间经森林植被砍伐后形成。随后在森林植被遭受破坏后的短期内相应地出现表层土壤侵蚀剧增，坡地的侵蚀泥沙向下输移并坡脚形成一定厚度的土壤堆积，并在1963～1964年期间坡脚接受了高浓度137Cs微粒的沉降。1980年后研究区开始进入开垦灌木草地为坡耕地的耕作期，坡地种植的玉米等旱地农作物快速增长，同时也带来一定程度的表层土壤侵蚀及泥沙向坡脚的迁移。尧所坡脚侵蚀泥沙的堆积速率相对较大的原因是堆积土壤的来源在坡面表层土壤之外还有岩石间隙土壤，可能会增加堆积土层厚度；而且坡脚堆积土壤表层含有有机质成分并且结构疏松、土壤空隙较大，直接量取其厚度作为堆积厚度会出现数据偏大。所以相应地致使通过堆积土壤表层剖面137Cs法推算的尧所坡脚堆积土壤速率偏大。

综上所述，通过对坡地土壤全样和坡脚土壤剖面样品的137Cs采样和测试分析，获得不同坡位的坡地土壤侵蚀的强度与空间分布变化、以及坡脚土壤堆积速率估算等结果，推断可能是在森林植被破化后的短期内，原有坡地表层的结构疏松土壤已经大部分被冲刷流失。目前白云岩喀斯特坡地表层分布的土壤以粘土和重粘土为主，具有较大的抗侵蚀力。这说明了在多暴雨环境中降雨、坡面径流冲刷及重力和耕作扰动等作用下，白云岩喀斯特坡地出现以微距离位移为主的轻微土壤侵蚀。

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RESEARCH ON ERODED SLOPE LAND OF KARST DOLOMITE USING137Cs TRACING METHOD IN MAOLAN CLUSTERED PEAK DEPRESSION AREA

HE Yong-bin1，LI Hao2

(1.YunnanUniversity，YunnanInstituteofGeography，Kunming650223，Yunnan，China2.SichuanAgriculturalUniversity，ResourcesandEnvironmentCollege，Chengdu611130，Sichuan，China)

The research select one karst dolomites slope in peak cluster depression area of southern Guizhou to research karst slope soil erosion and accumulation using137Cs tracing method.137Cs concentration among 4 slope soil sampling quadrates all are lower than the137Cs reference value.137Cs concentration of slope surface soil samples increase but137Cs concentration of slope soil samples decrease along with the slope length.Using137Cs cultivation new improved model to calculate the soil erosion rate in the sampling sites，and the slope soil erosion rate of slope length weighted average is 2.045t/km2.a.At the same，the profile at the slope foot has bigger area activity and the activity value decreased along with the depth increased and the peak value emerged at the sub-surface layer at which it could infer that the profile belong to undisturbed uncultivated land，the lower activity at the surface layer meant that the sediment accumulation at the slope foot，and hence infer that the sediment accumulation depth rate are among 0.0682cm/a and 0.1364cm/a，which are smaller than the reported observation data in small catchments and the cultivated slope land.There the sediment accumulation rate at the slope foot was far bigger than the erosion rate of the slope.The research results show that the soil particle had occurred micro-distance movement driven by the seasonal rain and the slope stream and the agriculture activity，and sustainable eroded sediment accumulated at slope foot in longer time.

soil erosion rate；karst slope land in forest；137Cs tracing method；Dolomites rock

2015-03-06；

2015-04-04．

S157

A

1001-7852(2015)02-0001-06