20世纪60年代以来黄土高原小流域泥沙来源的方法与历史侵蚀过程研究进展

刘婧春，岳大鹏，郭坤杰，王朋晓，程金文，达 兴

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

20世纪60年代以来黄土高原小流域泥沙来源的方法与历史侵蚀过程研究进展

刘婧春，岳大鹏*，郭坤杰，王朋晓，程金文，达 兴

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

摘要：小流域作为黄土高原水土流失综合治理的基本单元，赋存了大量的泥沙侵蚀特征和侵蚀环境变化信息。它在减少黄土高原土壤侵蚀方面发挥着十分重要作用。概述了20世纪60年代以来黄土高原小流域泥沙来源和历史侵蚀过程方面的研究进展，小流域泥沙来源主要从传统方法、元素示踪法及REE稀土元素示踪法方面进行了分析，展望了未来小流域泥沙来源及泥沙侵蚀研究的发展，为小流域开展水土保持工作、对水土资源进行科学的评价和开展更深入的研究提供了重要参考。

关键词：黄土高原；小流域；泥沙来源；历史侵蚀过程

黄土高原是全球水土流失最严重的地区之一，是水土保持人士关注的焦点之一[1-3]。由于黄土高原地形破碎，土壤侵蚀严重，增加了水土保持治理工作的难度[4]。小流域水土流失能够引起土壤退化、土壤养分流失和土地资源的破坏，导致大量泥沙淤塞江河，引起洪水灾害。小流域是黄土高原水土流失综合治理的基本单元，每个小流域都是一个独立的产沙单元，赋存了大量的泥沙侵蚀特征和侵蚀环境变化信息。明确黄土高原小流域泥沙来源与侵蚀历史过程的规律，能够反映历史生态环境的变迁，控制黄土高原地区的水土流失、发展生产、促进当地经济的发展等，研究其侵蚀产沙规律也对水土保持的防治及措施的提出具有重要作用。因此，研究小流域侵蚀泥沙的来源和历史侵蚀过程对防止小流域土壤侵蚀具有十分重要的作用，为继续研究小流域内的水沙分布规律或者更大尺度的水土流失过程提供基本信息，为提出有效的水土保持措施提供科学依据。本文回顾了黄土高原小流域泥沙来源及侵蚀历史过程，对前人所做的研究和取得的成果进行了概括和总结，列举了小流域侵蚀泥沙的来源和历史侵蚀过程的内容，小流域泥沙来源主要采用传统方法、元素示踪法及REE稀土元素示踪法进行分析，展望了未来小流域泥沙来源及泥沙侵蚀研究的发展，对流域内治理重点的选择、防止水土流失和治理措施具有至关重要的理论意义，对后期的研究选择具有指导作用。

1泥沙来源研究方法

小流域作为黄土高原水土保持综合治理的基本单元，其侵蚀产沙规律研究对于防止水土流失具有重要意义，同时也是实施水土保持措施的基础和保证。因此，长期以来人们仍然将关注的重点集中于黄土高原小流域泥沙来源。目前，对于小流域泥沙来源方面的研究存在多种方法和手段，包括传统方法、放射性核素示踪法及REE稀土元素示踪法。本文就从这几种方法出发，简单地介绍了黄土高原小流域侵蚀泥沙的来源。

1.1传统方法

传统研究黄土高原小流域泥沙来源的方法主要依据野外观测资料和搜集的数据，具有直观性，是研究小流域泥沙来源最有效和最接近实际的手段，黄土高原在20世纪中期逐步建立了以小流域为单元的侵蚀产沙动态监测，用来搜集数据，传统方法也因此被广泛应用于黄土高原小流域泥沙来源方面的研究。

蒋德麒等[5]根据地貌部位确定黄河中游小流域泥沙来源，同时采用流域径流分配的原理分析了小流域坡沟泥沙产生的部位，认为黄河中游小流域的泥沙主要来源于沟道内，但是在分析中未考虑坡面径流通过沟坡时径流中所增加的泥沙。关于坡沟径流与泥沙之间的关系，曾伯庆[6]提出了沟谷区年径流和泥沙量分别占全流域的67%和80%，当控制坡面径流后,沟谷不受上部来水的影响,则其径流和泥沙来量分别可减少58.9%和77.7%，这揭示了坡沟与侵蚀泥沙的关系十分密切。唐克丽等[7]对杏子河流域坡耕地的产沙方式及泥沙来源进行了研究，认为产沙根源和产沙方式与坡面有直接的关系。张平仓等[8]利用粒径分析法，初步计算了流域内各地层的产沙量，结果得出基岩相对产沙量为68.49%，认为基岩产沙是流域泥沙的主要来源，但是张平仓等并未考虑泥沙在运输过程中的沉积部分，也并未考虑运输过程中摩擦作用对泥沙粒径的影响。焦菊英等[9]探讨了小流域沟间地与沟谷地的径流泥沙来量，认为沟谷地是黄土丘陵区泥沙的主要来源区，且人类活动加剧了沟谷地的侵蚀状况。甘枝茂等[10]在黄土高原秃尾河、窟野河、孤山川流域划分了土壤侵蚀类型，并分析了各流域内不同土壤侵蚀类型泥沙的来源，提出“三条河”流域土壤侵蚀强度大,地区差异悬殊，且各个流域的泥沙来源不均。刘万铨[11]认为河龙区间黄土丘陵区侵蚀泥沙的主要来源为坡耕地与自然荒坡。陈浩[12]运用成因分析法，分析了黄土高原的3条支沟，确定了小流域的泥沙来源主要是坡面，认为坡面是治理黄土高原水土流失的重点部位，并提出应将沟道泥沙中的坡面水下沟产生的泥沙应属坡面侵蚀而不是区分开来，这也是成因分析法与不同地貌部位确定小流域泥沙贡献百分比存在明显不同的原因。王晓[13-14]应用粒度分析法，得出砒砂岩区小流域泥沙主要来源于沟谷地。魏天兴[15]通过长期定点观测提出山西黄土区的小流域泥沙主要来源于沟谷地，且占流域总产沙量的60%以上。刘卉芳等[16]根据7个典型小流域14年的观测结果，分析得出研究区域小流域泥沙来源主要为沟谷地，占流域总产沙量的60%以上。马宁等[17]根据高分辨率遥感图像结合GIS技术分析了小流域泥沙主要来源于沟谷地，土壤侵蚀量占流域总侵蚀量的73%。张风宝等[18]通过对比分析淤地坝与坝控小流域内有机质含量的变化规律，发现沉积泥沙中的土壤养分含量与沟壁土壤相近，表明淤地坝内的泥沙沉积主要来源于沟壁与沟道。

以上研究结果出现差异的原因可能是由于研究方法、不同研究区域的研究范围、地貌差异等方面的差异导致结果不同，也可能与研究的小流域发育阶段不同有关。现阶段仅依靠传统方法研究小流域泥沙来源具有一定的局限性。一方面是由于黄土高原小流域内侵蚀产沙资料仅在个别有监测站的流域内有可靠的侵蚀产沙实测记录，且难以保证长时期地采集数据，对于长时间序列的研究存在一定的局限性；另一方面是因为某些外在因素限制，如人为因素、经费因素和其他因素等，使得数据和资料的完整采集存在一定的困难，因而得到的数据结果没有连续性，限制了黄土高原小流域泥沙来源的研究。因此，目前应将野外实测数据同其他先进的技术相结合，进一步探索适用于小流域侵蚀泥沙来源且精度更高、更加便捷的研究方法。

1.2放射性核素示踪法

由于野外定位观测的研究方法存在着一定的局限性，不能完整地表述土壤侵蚀和泥沙沉积问题，与研究土壤侵蚀的传统方法相比，放射性核素示踪法具有简单、快速、准确的优点；不需要特殊的野外设施，适合多种地貌类型，尤其是对时空变化2个方面进行监测更加具有优势，并且能够真实地反映侵蚀、产沙和沉积的信息。在20世纪60年代初，Menzel应用放射性核素方法研究了土壤侵蚀。放射性核素示踪法是利用放射性核素或人为施加的某种不易被淋溶和植物吸收的元素的含量变化规律，追踪小流域泥沙源地并反映泥沙的侵蚀过程，具有精确、快速和方法简便等优势。主要的示踪元素有137Cs、226Ra、214Pb、210Pb和7Be等。随着研究的深入，小流域土壤侵蚀方面出现了复合元素示踪技术，能够更加明确地追踪各泥沙源地的泥沙贡献率。

1.2.1单核素示踪目前，国内在研究小流域泥沙来源方面所使用的示踪元素主要是137Cs，137Cs是核试验的产物，半衰期为30.1年，主要随降雨沉降到地面，具有不易被植物吸收且不易被淋溶的特性，因此，在20世纪60年代国外学者将其引进到土壤侵蚀方面的研究。在我国则是在20世纪80年代被张信宝等[19]初次应用于国内的土壤侵蚀研究中，目前该方法已渐趋成熟，另外，李少龙等[20]利用天然放射性元素226Ra作为泥沙来源研究的标志物来研究小流域泥沙来源，提出小流域内的侵蚀泥沙主要来源于基岩，明确分析了黄土高原地区易侵蚀基岩泥沙的来源问题，并为黄土高原小流域侵蚀泥沙来源的研究提供了一定的数据资料，也丰富了单核素示踪技术在泥沙来源方面的内容。

张信宝等[21-25]在不同的小流域内分析沟间、沟谷地的137Cs元素，追踪小流域内侵蚀泥沙的来源，结果表明，小流域内的侵蚀泥沙主要来源于流域沟谷地。文安邦等[26]通过对比淤地坝内沉积泥沙与沟间地、沟谷地不同表层土壤的137Cs含量，分析得到陕西子长赵家沟小流域的泥沙主要来源于沟谷地。杨明义等[27-28]应用137Cs的含量变化规律，研究了安塞纸坊沟流域的麦地沟内的泥沙来源，也认为小流域沟谷地为流域的主要产沙源地，并提出黄土高原水土流失未处理或初处理地区主要的小流域土壤侵蚀强度空间变化规律是由梁峁顶向沟坡逐渐增大。淤地坝作为小流域的沉沙池，赋存了小流域的侵蚀泥沙的特征，能够很好地反映小流域侵蚀泥沙的特征，因此冯明义[29]、文安邦等[26]测算了137Cs含量，并结合降水资料，分析了坡耕地土壤侵蚀量和速率、沟间地、沟谷地相对来沙量,发现淤地坝的主要泥沙源地为沟谷地。但是侯建才[30]、李勉等[31-32]在不同的小流域采集泥沙样品运用137Cs的指示作用，对比在沟间、沟谷地土体中的含量，结合流域降水资料，得出了不同的研究结果，他们认为小流域淤地坝内沉积泥沙的70%来源于沟间地，提出主要导致出现不同结果的原因是黄土丘陵区微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大的差异。

单核素示踪技术在小流域泥沙来源研究方面应用较广泛，并且技术已逐渐成熟，但是由于137Cs最早沉降发生在1954年，因此137Cs只能推算20世纪50年代以来的土壤侵蚀特性，对于更早时期的研究存在一定的局限性。另外，虽然137Cs可以反映侵蚀泥沙的主要源地，但是泥沙可能来源于很多沙源地，137Cs很难区分各泥沙来源的贡献率，因此单核素示踪技术对于深入研究泥沙来源存在一定的不足，然后发现复合核素示踪法可以较好地解决不同源地泥沙贡献率的问题，所以在未来的研究中，需要将小流域泥沙来源问题的重点集中于复合核素示踪技术上，并与现代技术和方法结合。

1.2.2复合核素示踪虽然单核素能够追踪小流域侵蚀泥沙的源地，但是由于单核素示踪技术自身存在的缺陷，使其很难区分侵蚀泥沙不同源地在泥沙中的贡献率，另外，不同地貌的泥沙运移过程十分复杂，仅依靠单核素示踪法研究泥沙来源也有一定的困难，因此在20世纪90年代，Wallbrink首先应用复合元素示踪法研究了Canberra地区小流域泥沙来源问题。复合核素示踪技术是近些年来研究小流域土壤侵蚀方面的大趋势，这种方法能够对示踪元素在不同地貌条件、不同气候等状况下的变异、迁移所导致的误差起到削弱的效果，能够很好地反映不同源地的泥沙贡献率，对小流域泥沙来源研究的机理也更深入。

利用复合核素示踪技术研究小流域泥沙来源首先需要筛选适用的指纹识别因子，然后利用多元判别法得到最佳指纹识别因子组合，最后利用多源混合模型定量研究各泥沙源地的贡献率。李勇等[33]利用137Cs和210Pb的含量变化分析了流域泥沙的来源及各个源地的泥沙贡献率。李勉等[32]应用7Be、137Cs和210Pb分析了小流域不同地貌下的泥沙来源，发现坡耕地是该流域主要的产沙来源,其次是裸岩区，今后泥沙治理的重点应放在这2个部位。徐龙江[34]利用复合元素示踪法发现4个不同地貌所携带的泥沙贡献率，证明了黄土高原地区洪水泥沙来源可以应用复合指纹识别方法。薛凯[35]证明了黄土高原小流域侵蚀产沙的主要过程是沟道的演化过程，沟道是泥沙的主要来源。范利杰[36]也利用复合核素示踪方法研究了坝控小流域的泥沙来源。杨明义等[37]根据复合核素示踪技术，分析得到了4种泥沙源地的泥沙贡献率，从大到小的顺序为果园、主沟道、支沟道和小块的坡耕地。

复合核素示踪技术是研究小流域泥沙来源问题的一个主要方法，近年来在研究中得到了广泛的应用。但是该方法在研究泥沙来源方面还是存在着有待解决的问题。首先，关于适用研究区域泥沙指纹识别因子的筛选，由于不同研究区域适用的指纹因子不同，需要测定各种可能的指纹因子，因此增加了复合核素技术应用的难度，同时会消耗更多的人力和物力，如何能够缩小指纹因子的范围是目前需要考虑的问题。其次，参数取舍方面也是一个研究难点，需要在不同地区应用不同的参数。最后，不同时期的侵蚀泥沙包含着不同的侵蚀环境信息，但过去时期的泥沙来源并未在当时进行测量，并且长时期的泥沙连续监测和测量也不现实，因此小流域内采集的泥沙样品是否具有代表性也是重要问题，另外黄土高原地区地貌类型复杂，在小流域内何处进行采样也是重要的问题。

1.3REE示踪法

稀土元素简称REE(Rare Earth Elements)，包括La、Ce、Nd、Sm、Eu、Yb、Lu、Dy等10余种元素，元素本身含量在土壤中很少，不易被植物吸收，不易发生淋溶，且易被土壤颗粒吸附，并对土壤生态环境无害，因此，可作为研究小流域土壤侵蚀的示踪元素。国外20世纪80年代将稀土元素技术应用在土壤侵蚀方面的研究，我国则是在90年代由田均良[38]首次利用稀土元素示踪法研究了坡面侵蚀泥沙的运移及沉积规律。稀土元素应用原理是人工将稀土元素和土体混合布设在研究区域内，使其随着侵蚀泥沙的运移、沉积，然后测定研究区域泥沙样品中的REE示踪元素含量，进一步分析小流域土壤侵蚀、泥沙来源等的侵蚀产沙规律。但是在黄土高原小流域地区应用稀土元素示踪法进行泥沙来源方面的研究尚显不足。石辉[39-41]、李雅琦[42]、琚彤军[43]、魏霞[44-45]、周佩华[46]等应用稀土元素示踪法研究了小流域坡面侵蚀不同地形部位的泥沙来源。

REE示踪技术是研究土壤侵蚀较为理想的方法，能够提高土壤侵蚀的精确性，但是目前稀土示踪技术仍存在着一定的问题。首先，目前的REE示踪技术研究土壤侵蚀多数在降雨大厅模拟野外降雨过程，然后分析土壤侵蚀过程及泥沙来源，但是由于黄土高原地形复杂多变，所以在模拟试验中完整呈现模拟地形也成为模拟试验中需要攻克的一个难点问题。第二，人工模拟降雨或放水冲刷试验与天然的降水存在着差异，如雨量分布、雨水降落角度等，都有可能使土壤侵蚀过程存在差异，并且植被覆盖程度对径流的形成具有一定的阻碍作用，所以对小流域坡面侵蚀也有影响，因此人工降雨模拟的土壤侵蚀过程并不能完全代表自然降雨导致的土壤侵蚀过程。最后，若REE要应用于大尺度范围的研究中，布设稀土元素的工作量会大大增加，需要探究节约人力物力的方法，另外也应该注意大尺度下稀土元素的精度问题。

总之，核素示踪技术是研究泥沙来源方面较为先进的技术，在我国黄土高原小流域方面的研究力度还是不够，单核素示踪法的研究还是在研究中占主要地位。因此，在今后的研究方面，应加强复合核素技术及REE示踪技术在黄土高原小流域泥沙来源方面的研究，为更真实、可靠地研究小流域侵蚀产沙量变化提供依据，为减小黄土高原小流域土壤侵蚀工作提供科学依据。

2反演小流域侵蚀历史

淤地坝作为小流域的沉沙池，赋存了小流域内大量的侵蚀泥沙信息，能够较好地记录淤地坝运行期间流域内侵蚀产沙的历史过程及特征信息，反映流域内环境演变规律并解决个别小流域内产沙资料不足的问题，对反演无水文资料地区的水沙运动机理具有重要意义，因此研究淤地坝内的侵蚀泥沙历史过程，对于有效治理小流域土壤侵蚀具有参考价值。重建小流域侵蚀产沙的历史过程需要野外考察、采集样品、实验室分析，并结合降雨资料、淤地坝的历史运行资料和旋回层中137Cs的含量变化，分析淤地坝库泥沙的侵蚀、搬运和沉积过程，反演小流域内侵蚀历史过程。

张信宝等[24]在陕北安塞云台沟，根据137Cs示踪断代技术，实验室分析并结合流域内的降雨资料和淤地坝历史运行资料对云台沟Ⅰ号坝1960～1970年进行断代，确定了不同淤积层对应的暴雨侵蚀产沙事件，推求了坝库淤沙量，并分析了沉积剖面旋回淤沙量与降雨量之间的关系。李勉[32]在王茂沟中的关地沟3号坝应用137Cs示踪断代技术，结合降水资料，确定了淤地坝1959～1987年沉积旋回层和降雨侵蚀事件的关系。薛凯等[47]通过野外采样、室内分析，结合降雨资料和137Cs示踪断代技术，建立了淤地坝运行期间(1957～1990年)的沉积旋回的时间坐标，并根据年泥沙积累曲线将淤地坝运行期间的侵蚀历史分为3个阶段,并认为人类活动是该流域产沙强度变化的主要原因。龙翼等[48]通过对黄土洼古聚湫内的泥沙粒度及孢粉浓度的测定将总深度为12.73 m的沉积泥沙剖面划分为54个洪水沉积层，发现其中含有31个冻融扰动层，表明54次洪水发生在31年内，并求得淤地坝内次洪水产沙量及年产沙量，为后期的研究提供了可靠的基础资料。魏霞等[49-52]根据淤地坝历史降雨资料反演坝控小流域的来水来沙情况。

弄清淤地坝泥沙侵蚀过程有助于研究小流域侵蚀产沙过程，并且为治理小流域土壤侵蚀措施的实施提供基础资料。但是，目前对于淤地坝沉积泥沙断代的研究较少。由于137Cs最初的沉降始于20世纪中期，对于大时间尺度的淤地坝侵蚀产沙历史研究具有限制作用。当淤地坝内降雨资料有所缺失时，导致数据精度下降，降低了研究结果的可信度。建议未来在研究泥沙侵蚀过程时，除了探索可研究长时间尺度先进的技术方法外，还应在黄土高原不同小流域的淤地坝内开展泥沙侵蚀过程研究的对比，有利于揭示黄土高原泥沙侵蚀历史的区域差异和摸清整个黄土高原侵蚀历史过程。

3未来展望

黄土高原的水土流失状况严重制约着当地经济、社会和环境的协调发展和政府政策的制定，小流域作为水土保持治理的基本单元，其土壤侵蚀研究对水土保持工作的顺利进行有着至关重要的作用。因此，弄清小流域侵蚀泥沙的来源及历史过程有利于对未来黄土高原小流域治理、保持水土、水土资源评价与规划和政府政策的制定产生促进作用。今后在小流域侵蚀泥沙研究方面，应探寻并利用先进的研究技术和试验手段，提升数据的精度、信息的可靠度、分析结果的可信度等，为小流域大尺度、长时间序列的侵蚀沉积泥沙特性方面的深入研究提供先决条件，进一步丰富小流域侵蚀泥沙特性的研究，推进小流域土壤侵蚀工作的进程，深化黄土高原土壤侵蚀过程的研究，为黄土高原实施水土保持工作提供理论与实践依据。

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(责任编辑：曾小军)

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

基金项目：国家自然科学基金项目“陕北黄土高原典型小流域近500年来侵蚀产沙量变化研究”(41071012)。

作者简介：刘婧春(1991─)，女，内蒙古人，硕士研究生，研究方向：水土资源评价与规划。*通讯作者：岳大鹏。

中图分类号：S157

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)04-0077-06