黄土高原水蚀风蚀交错带典型土壤的7Be分布特征

殷敏峰, 汤 耀, 张加琼,2, 杨明义,2, 邓鑫欣

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区之一，其中水蚀风蚀交错带受风力和水力交错作用，土壤侵蚀强烈，成为黄土高原侵蚀最严重的区域，加之该区地面物质组成复杂，即使在水土保持工程持续大规模实施的背景下，该区域仍是黄河下游河床泥沙的重要来源地[1-6]。针对该区域的风水交错侵蚀特征，深入研究土壤侵蚀的过程与机理，揭示土壤侵蚀的变化规律，为科学防治水土流失提供科学依据。前人采用3S、野外调查、核素示踪、小区观测、模拟试验等方法对该区域的土壤侵蚀开展了大量研究，并取得了丰硕的成果[7-10]。然而该区土壤侵蚀过程复杂且全年活跃，限制了传统方法在该区土壤交错侵蚀研究中的应用，而核素示踪技术，尤其是半衰期较短的天然放射性核素7Be，对示踪该区的土壤交错侵蚀具有独到优势[11]。

7Be的沉降特征为其示踪短期土壤侵蚀提供了可能。7Be是具有连续来源的天然放射性核素，经干、湿沉降到达地表后，迅速与地表土壤颗粒吸附，在土壤中的分布和含量均较稳定[12]。7Be半衰期较短(53.3 d)，导致其在土壤中的分布深度较小且无法长期蓄存。7Be主要分布在土壤表层0—20 mm内，尤其在0—2 mm内含量最高，其含量随土层深度增加一般呈指数递减[13]。7Be的上述基本特征不仅使其适用于短期土壤侵蚀示踪，也为运用其区分交错侵蚀区域的风蚀、水蚀提供了准确、便利的方法。可见，明确7Be在土壤中的背景分布特征是利用7Be示踪土壤交错侵蚀的基础。

7Be的土壤剖面分布特征可用其面积浓度(Bq/m2)或质量浓度(Bq/kg)随土层深度的变化、质量深度(kg/m2)等描述。前人对7Be的土壤剖面分布特征开展了大量研究并取得丰硕成果。在国内外不同区域的研究表明，7Be集中分布在表层0—20 mm或者0—30 mm土壤中，未扰动土壤中其基本呈现随土层深度增加的指数递减规律[12-13]。7Be在土壤剖面中的分布主要受降雨、纬度、海拔、土壤质地、土壤入渗能力等因素的影响[14-15]。首先，7Be主要是通过湿沉降到达地表，降水状况直接决定土壤中7Be的含量[16]。因而，影响降雨的因素，包括地理纬度、海拔等均会对土壤中的7Be含量造成影响。7Be沉降通量与降雨量存在密切的相关性，前人研究发现可用线性函数表达[14]。纬度的影响表现为中高纬度地区高于低纬度地区，同一纬度降雨多的地区沉降通量大[17]。如黔中地区7Be背景值为263 Bq/m2，较陕西安塞地区7Be背景值392 Bq/m2要低，而比四川盐亭地区7Be背景值143.2 Bq/m2要高[18-22]。其次，土壤中7Be含量受土壤质地的影响。随土壤颗粒粒径变小而变少，相较于粗颗粒，在土壤组分较细、有机质含量较高、黏粒含量较多的条件下往往可以检测到较高的7Be含量。研究表明细组分和有机质的增加可导致土壤负电荷增多，使得细颗粒对7Be的吸附能力变强，不同粒级大小土壤中7Be含量分布规律为黏粒>粉砂粒>沙粒[23]。除上述原因外，土壤入渗也影响7Be的剖面分布，对于美国沼泽土和中国三峡库区紫色土的研究均表明，在土壤未饱和的情况下，雨水的快速下渗会导致7be向更深的土壤剖面分布[24-26]。目前大多研究均聚焦于单一外营力(水力为主，风力较少)背景下的7Be剖面分布特征、描述函数影响因素等[27]，而对风力、水力交错条件下7Be特征的研究薄弱。

明确水蚀风蚀交错带7Be在不同土壤类型的背景分布特征，是运用该方法研究该区域交错侵蚀的基础。本研究基于土壤中7Be仅分布在土壤表层且呈指数递减的特点，在陕西省榆林市神木县六道沟流域建立当地4种典型土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和风沙土)的7Be背景值观测小区，观测风季(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，分析其张弛质量深度，明确不同类型土壤的7Be分布特征，为运用7Be示踪该区域的土壤交错侵蚀研究提供依据。

1 研究区概况

本研究在神木六道沟流域通过建立观测小区的方式开展，小区位于陕西省神木县六道沟小流域(110°21′—110°23′E， 38°46′—38°51′N)，海拔1 094.0～1 273.9 m。六道沟小流域位于毛乌素沙漠边缘地带，属于典型的盖沙黄土丘陵地貌，是黄土高原水蚀风蚀交错带比较典型的区域。该流域面积为6.9 km2，主沟道总长4.21 km，自南而北流入窟野河一级支流三道沟。气候类型为半干旱大陆性季风气候。年均气温8.4℃，多年平均降水量为437 mm，年际变化较大，其中6—9月份的降水占全年降水量的77.4%，且多以暴雨形式出现。当地主风向为西北，次主风向为东南，东风最弱，夏季多为南风、东南风，冬春两季多为偏北风[3-5]，大风日数年均13.5 d，最多达44 d，年均沙尘暴日数11.5 d，最多达22 d。

2 试验布设与样品采集处理

2.1 试验布设

选取背风、地势平坦、无植被覆盖的区域修建7Be背景值小区共计4个，使用高1 m左右的石棉瓦围封(1.5 m×1.5 m)以保证小区内土壤无流失、无沉积。为避免因为周围立地条件的差异造成土壤接收的7Be的差异，将背景值小区修建在同一区域，并在小区里填装不同的土壤(粉壤土、粉黏土、沙壤土和风沙土)约50 cm，填装土壤时使其容重接近翻耕条件下该种土壤的自然容重，作为7Be背景值、剖面分布特征及其张弛质量深度的研究区(图1)。同时，在试验站内布设10个底部带孔的不锈钢桶，分别填装从研究区采集的上述土壤，每种土壤装2个桶，每个桶装20 cm左右的土壤，用于校正野外的7Be背景值。

图1 不同类型土壤的7Be背景值小区

2.2 样品采集及处理

2.2.17Be背景值样品的采集 在风季(2014年、2015年5月中旬)和雨季(2015年、2016年10月中旬)结束后，于各个背景值小区使用内径为14.7的环形采样器采集0—2.5 cm土壤全样和层样，并对每个背景值样区采集全样5个，层样以2.5 mm间距分10层采集一组。层样采集使用自行设计的上推分层采样器采集，分层采样器与Mabit等[28]研究中使用的FISC采样器类似。

2.2.2 样品测定 所有样品经风干，去除杂草和砾石等后，一部分过1 mm筛，去除有机质和碳酸盐，随后使用英国Malven公司生产的MS-2000型激光粒度仪测定土壤颗粒粒度和比表面积；另取300 g左右的土样，过1 mm筛，装入与标准源相同规格的塑料盒中，在水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室利用美国ORTEC公司多道低本底γ能谱仪在477.6 keV状态下测定，每个样品的测定时间约为86 400 s，用全峰面积法(TPA)求算7Be的比活度。由于7Be没有标准源，测试之前，探头用已知活度的多放射标准源标定，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%。每个7Be样品的含量都衰变校正到采样时的含量。

3 结果与分析

3.1 流域内4种典型土壤的颗粒组成

水蚀风蚀交错带的地表物质组成复杂，仅在六道沟流域土种就达到24种，其中主要包括黄绵土、红黄土、风沙土和淤土4个土类[5]，该4类土按照美国农业部的土壤分类标准(USDA,1951)划分土壤类型，本流域的土壤主要分为粉壤土、粉黏土、沙壤土和风沙土4类(表1)。

表1 本研究土壤类型

3.2 7Be背景值的确定

7Be背景值含量是估算土壤侵蚀量的基础，7Be背景值的准确性直接关系到示踪结果的准确性。由于分层采样过程及仪器测量过程存在误差[29]，因此本研究7Be背景值确定为实测背景值与7Be剖面函数得到的理论背景值的平均值，并将2015年和2016年两年得到的7Be背景值再平均作为最终确定的7Be背景值。表2为风季和雨季后各小区的7Be背景含量。粉黏土、风沙土、沙壤土和粉壤土风季7Be背景值分别为248.1，237.5，240.5，244.7 Bq/m2，雨季7Be背景值分别为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，说明雨季7Be的沉降明显高于风季。

表2 各小区7Be背景值含量 Bq/m2

3.3 7Be剖面分布特征

7Be在土壤表层的剖面分布特征是利用7Be示踪土壤侵蚀的关键。4种土壤于2015年风季(2015年10月—2016年5月)和2016年风季(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剖面分布图如图2—3所示，各种土壤剖面中7Be面积活度随土层深度的增大呈指数递减(R2≥0.92)，这与前人的研究结果相似[30-31]。7Be测定结果显示，7Be主要分布在0—10 mm深度内，这种分布模式为示踪强度较弱的土壤侵蚀提供了方法。对观测的4种土壤，7Be的土壤剖面分布在两年间均无显著差异。表层土壤中(0—2.5 cm)7Be的含量表明，雨季各种土壤中的7Be含量均大于风季，因为7Be主要以湿沉降的方式到达地面，研究区的干湿季明显分异直接导致了7Be沉降的季节变化。此外，4种土壤表现出2016年风季和雨季的7Be含量均大于2015年，造成这种差异的主要原因也与降雨/降雪相关。以雨季为例，小区附近的气象观测记录显示，2016年降水量约为602.20 mm，而2015年仅为384.00 mm。对既没有侵蚀也没有沉积的背景值区域，降雨/降雪量较大的年份土壤会得到更多的7Be输入[14]。

图2 2015年同种土壤风季雨季的7Be背景值剖面分布

图3 2016年同种类型土壤风季雨季的7Be背景值剖面分布

3.4 土壤张弛质量深度(h0)的确定

土壤张弛质量深度(h0)是描述7Be质量浓度和面积浓度在地表土壤剖面分布特征的重要参数，其表征7Be在土壤剖面的垂向分布变化及其最大深度。根据张风宝[14]的研究发现，一般地从地表到h0的深度范围内，7Be的面积活度占总面积活度的63%。基于Walling模型[32]，由7Be面积活度、质量活度与张弛质量活度之间的关系[公式(1)]可知，质量活度理论值的对数与x处测得的7Be初始活度线性相关，线关系式斜率的倒数即为张弛质量深度。

(1)

式中:x为质量深度(kg/m2);CBe(x)为x处的7Be初始活度(Bq/kg)；CBe(0)为地表(即x=0)的7Be初始浓度(Bq/kg)；h0为张驰质量深度(kg/m2)；ABe(x)为深度x以下7Be的总活度；Aref为研究区土壤中7Be的基准值(背景值)。

土壤的张弛质量深度存在明显的季节差异和土壤类别差异。总体上，风季土壤的张弛质量深度大于雨季，土壤黏粒含量越高则张弛质量深度越小(表3)。对研究的4种土壤，张弛质量深度的变化均表明，同一土壤类型于风季的土壤张弛质量深度大于雨季，4种土壤在研究期间(2015年、2016年)风季平均张弛质量深度比雨季大0.32～0.50 kg/m2。这与Walling等[33]的研究结果类似，对智利南部瓦尔迪维亚地区粉黏土的研究发现土壤风季的张弛质量深度(1.93 kg/m2)高于雨季(1.60 kg/m2)。对同一研究区域，在降雨量相同的条件下，土壤黏粒含量表现出风季和雨季均与张弛质量深度呈线性负相关，黏粒含量越高张弛质量深度越小，表明7Be往深层土壤中迁移的程度越小，较高浓度的7Be聚集在较浅表层土壤中，7Be表征土壤侵蚀的敏感性更高(图4)。可见，降水和土壤类型均对7Be有明显的影响。由于风季的降水数据(尤其是降雪)难以获取，加之降尘对7Be在风季的输入有重要影响[34]；本研究以雨季为例，分析降雨和土壤类型对7Be背景值的影响。结果显示，张弛质量深度与降雨量(R, mm)或土壤黏粒含量(c,%)之间的关系可以用简单的线性关系表示。降雨量和土壤黏粒含量均与土壤张弛质量深度呈负相关关系，见公式(2)。

h0=3.40-0.02c-0.22lnRR2=0.75

(2)

式中：h0为张弛质量深度(kg/m2)；R为降雨量(mm)；c为土壤黏粒含量(%)。

表3 各土壤类型的土壤张弛质量深度 kg/m2

图4 不同类型土壤平均黏粒含量与张弛质量深度的关系

4 讨 论

黄土高原水蚀风蚀交错带存在明显的干湿季节变化，水蚀主要发生在雨季(6—9月)，风蚀主要发生在风季(10—5月)。前人运用7Be示踪技术分别研究了该区域粉黏土、粉壤土和沙壤土的风力侵蚀，描绘风蚀空间分布特征[35-36]，但仍未实现对土壤风水交错侵蚀的研究。7Be较短的半衰期和明显的季节分布特征为运用其开展风水交错侵蚀特征研究提供了可能，为定量区分风蚀和水蚀对总侵蚀的贡献奠定了基础。7Be的背景特征，尤其是其在土壤中的剖面分布特征是影响7Be示踪土壤侵蚀准确性的关键，而土壤张弛质量深度h0是表征7Be在土壤表层垂直分布特征的关键参数，直接反映了7Be在土壤剖面的垂直分布特征和最大深度[14]。本研究对黄土高原水蚀风蚀交错带4种典型土壤类型的分析发现，风沙土的h0在风季和雨季均大于其他3种土壤，且其变异程度(变异系数为14%)也较其他3种土壤大。这与土壤的机械组成差异具有重要的相关性，于风沙土而言，其颗粒较粗，细组分(黏粒和粉沙)含量较低(<3.1%)，而7Be主要选择性地吸附在细颗粒上，尤其与黏粒含量密切相关。风沙土的黏粒含量低，细颗粒少，对7Be的吸附较弱，风沙土大孔隙结构产生的优先流路径的存在也会影响7Be的垂直分布[37-38]。加之，风沙土在水力侵蚀过程中往往表现出明显的重力侵蚀特征[39]。在降雨过程中，风沙土的典型侵蚀发育过程为垂直渗流—潜流—崩塌，泻溜为其典型的侵蚀方式[40]，土壤侵蚀速率较大，易超过7Be的示踪能力(侵蚀厚度约<2 cm)，示踪结果的可靠性和准确性较差。因此，在水蚀风蚀交错带，7Be示踪可用于粉黏土、粉壤土和沙壤土的交错侵蚀，而在风沙土适用性较差。

5 结 论

本研究基于7Be半衰期较短和试验区干湿季节分异明显的特征，以水蚀风蚀交错区的4种典型土壤为研究对象，分析了7Be剖面分布特征和张弛质量深度h0等关键参数的季节变化，研究了7Be在水蚀风蚀交错带示踪土壤风蚀和水蚀的可行性和适用性。研究表明7Be与土壤类型和降雨量的季节变化相关。雨季的7Be含量均大于风季，降雨量大的年份土壤7Be含量较高，黏粒含量较高的土壤7Be含量较高。张弛质量深度h0随土壤类型和季节变化表现出明显的改变。风季h0的平均值大于雨季；土壤黏粒含量较低的土壤的张弛质量深度h0较小(线性负相关)。研究结果表明，7Be具有示踪水蚀风蚀交错带粉壤土、粉黏土和沙壤土风蚀和水蚀的潜能，而示踪风沙土侵蚀的适用性较差，主要归因于风沙土较大的侵蚀速率和7Be在表层风沙土中的分布变异较大两方面原因。此外，本研究只是从7Be背景值分布角度讨论了其示踪该区域风蚀和水蚀的可行性，具体的示踪适用性还需要在研究区域开展具有针对性的深入研究。