全 文 ：137Cs 测定法研究不同坡面
土壤侵蚀空间的分布特征
杨明义　田均良　刘普灵
(中国科学院、水利部水土保持研究所　杨陵　712100)
通过对短坡长农耕地坡面、沟坡、沟道坡面及复合坡面表层土壤137 Cs 含量的测
定分析 ,研究了这几种坡面土壤侵蚀空间分布特征。结果表明 ,在所有坡面上土壤侵
蚀都表面为波动趋势 ,短坡长农耕地坡面中部侵蚀更为强烈 ;沟道侵蚀表现为溯源侵
蚀强烈的趋势 ,而沟坡由于地表覆盖等因素的影响 ,侵蚀特征表现复杂 ;在复合坡面
上及相同坡度、坡长的情况下 ,由于所处的部位不同 ,侵蚀量相差极大 ;在长时间段
内 ,影响侵蚀变化的最主要因素是微地貌的变化。
关键词 :137Cs 　坡面 　土壤侵蚀 　空间特征
此文于 1999 年 7 月 12 日收到。
137Cs 是一种核爆炸产物 ,它随降水沉降到地面与土壤颗粒紧密结合 ,难以被水淋溶 ,植物
吸收也很少 ,主要随土壤颗粒的移动发生再分布。通过测定137Cs 在地表水平断面和垂直剖面
上的空间分布可测定流域不同部位土壤侵蚀和沉积速率。137 Cs 示踪技术研究土壤侵蚀是近
30 年来发展起来的新兴技术 ,具有量化程度高 ,不需特殊设施 ,适合各种地貌类型等优点。
1 　采样区概况
为减少降水量差异对137Cs 输入量的影响 ,在一个小流域内选择不同的坡面。小流域的面
积小 ,但有代表性 ,尽可能包含多种较典型的地貌类型、土地利用方式 ,且要有侵蚀弱或没有侵
蚀的地块作为采集137Cs 背景值的地块。通过野外广泛地考察 ,将采样区选择在安塞纸坊沟流
域的一个小支沟 —麦地沟。麦地沟位于纸坊沟流域的上游 ,属典型的丘陵沟壑区 ,以沟缘线为
界可分为沟谷地和沟间地两大地貌单元 ,坡陡沟深 ;沟间地已被全部开垦。土壤为黄绵土 ,质
地疏松。沟谷地因土壤侵蚀产生黄土裸露 ,沟口附近沟坡和梁坡上有部分红粘土 (见图 1) 。
2 　采样点布设及样品分析
在典型的微地貌变化较大的单元坡面上利用直线布设 ,以线控制面 ;在坡面坡度变化不大
且易于控制的情况下利用网格点布设。样点分 3 种形式采集 ,即主剖面点、一般点和补充点。
主剖面点用土钻取剖面样 ,每 5cm 间隔取 1 个样 ,主要研究137 Cs 剖面分布变化 ;一般点是每
10cm 取 1 个样 ;补充点不分层 ,直接取 30cm 剖面样混合。
为了平滑相邻土壤剖面间137 Cs 分异现象 ,减小取样误差 ,每一样品样点周围 1m 边长等
边三角形顶点取 3 个点 ,均匀混合 3 个点相同层次的样品即代表样点该层的样品。样品经风
干、磨细后过 40 目筛 ,装入干净塑料盒中待测。每一样品量为 500g 左右。样品测定利用美国
863 　核 农 学 报　1999 ,13 (6) :368～372Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
图 1 　小流域地形与采样点概图
Fig. 1 　The sketch map of the landform and sample sites in the small watersned
MCA 软件 ,用 ORTEC 公司生产的 8192 道低本底γ能谱仪在 66116keV 处测定137 Cs 全峰面
积 ,测量时间为 28800s ,γ能谱仪的绝对探测效率为 010078。
3 　137Cs 法计算土壤侵蚀数学模型
由于土壤受人为扰动不同 ,137Cs 在土层中的分布也不同 ,故用137 Cs 法计算土壤侵蚀量数
学模型也不同。一般认为 ,在农耕地中 ,由于耕层土壤不断被混合、搅动 ,137 Cs 在犁耕层中呈
均匀分布。利用137Cs 法计算农耕地侵蚀量的公式很多 ,周维芝在前人的基础上考虑了137 Cs
的大量尘降期和无尘降期提出了137Cs 法计算农耕地侵蚀量数学模型 :
　　 X n =
X0
15 ·(1 - λ%)
n - 70 ·(1 - λ%) - (1 - λ%)
16
1 - (1 - λ%) (1)
式中 , X n 为第 n 年测得的土壤137Cs 含量 (Bq/ m2) ;X0 为137Cs 的输入背景值 (Bq/ m2) ;λ%为某
一点年均137Cs 流失百分比。
　　 M = 10000 ·H ·D ·λ% (2)
式中 ,M 为侵蚀模数 (t/ km2·a) ; H 为犁耕层的深度 (cm) ;D 为土壤容重 (111g/ cm3) 。此公式
的提出有以下几点考虑和假设 : (1) 1956～1970 年是137 Cs 大量降尘期 ,耕层137 Cs 有输入又有
流失 ,而 1970 年后无输入 ,只有流失 ; (2) 某一点年平均137 Cs 流失百分数 (λ%) 在长时间段为
一定值 ,其中λ% = h/ H(h 为耕层流失厚度 cm) 。
而在未扰动土壤中由于137 Cs 聚集在表层 ,且在土壤剖面中分布随深度增加呈指数降
低[1～3 ] ,农耕地137Cs 法估算未扰动土壤侵蚀量的公式已不适合 , Yang Hao 将137Cs 在剖面中的
分布函数引入模型[4 ] ,其公式如下 :
　　　　Y =100 - R1 (1 - λ) 29 + R2 (1 - λ) 28 + ⋯+ R29 (1 - λ) ×(1 - λ) M - 1982
Rt =100 ·rt 　　( M ≥1982) (3)
式中 , Y为某一点137Cs 总的流失百分数 ; R t 为第 t 年137 Cs 尘降量占总输入量的分数 ( %) [5 ] ;
λ为某一点年平均137Cs 流失百分比 ;
　　∫h0 ae - bHd H = ab 1 - ebh 　　h = - 1b ln 1 - bλCRaD
ER = -
10000 D
b ln 1 -
bλCR
aD
(4)
963　6 期 137Cs 测定法研究不同坡面土壤侵蚀空间的分布特征
式中 , h 为土壤流失厚度 (cm) ; CR 为137Cs 背景值 (Bq/ m2) ; D 为土壤容重 (111g/ cm3) ; ER 为
侵蚀模数 (t/ km3·a) ; H 为采样深度 (cm) 。
根据麦地沟流域未扰动土壤剖面137 Cs 量与土壤深度的关系统计分析得出 : Cs = 3512e - 0123H ,
故 a、b 值分别为 3512 和 - 0123。
对于137Cs 含量大于背景值的位点 ,则表明其沉积显著 ,其净侵蚀量即为该点的沉积量。
Lowance 用137Cs 法估算农林系统沉积时提出以下公式[6 ] :
　　总沉积量 ( t) = ( C - Z) ·A / W d
式中 , C 为沉积区137Cs 含量 : Z 为137Cs 背景值 (Bq/ m2) ; A 为沉积区面积 ; W d 为沉积区137Cs
平均浓度 (Bq/ kg) 。每年的沉积量由以下公式计算 :
沉积量 S = C - Z( N - 1954) ×W d ×10
3 ( t/ km2 ·a) (5)
式中 , N 为采样时年份。
4 　结果与讨论
由于小流域峁顶修有 38 年历史的梯田 ,无明显的侵蚀和沉积迹象 ,故在梯田顶部取样的
137Cs 含量可作为研究区的137 Cs 输入背景值 ,经测得为 2266Bq/ m2 。凡137 Cs 含量小于此值的
点则表示发生了侵蚀 ,高于此值的点则表示有沉积发生。由此 ,农耕地土壤侵蚀量用公式 (1)
和 (2)计算 ,在未扰动的土壤中 (如沟波)侵蚀量用公式 (3) 和 (4) 计算 ,沉积点的沉积量用公式
(5)计算。计算出各点的侵蚀模数后 ,绘制成不同坡面侵蚀强度分布图 ,从图中可以看出 ,不同
的坡面侵蚀强度沿径流线方向均呈明显的波动趋势。
短坡长农耕地 (图 2)表现为中部 5～10m 处侵蚀剧烈 ,而坡脚则侵蚀较弱 ,这主要是由于
该坡面呈凹形 ,径流汇水面积大所致 ;坡地下部则可能因径流泥沙渐趋饱和 ,径流侵蚀力减弱 ,
加上该处坡度变缓 ,故侵蚀强度减弱。
沟坡侵蚀强度分布 (图 3)波动性更趋明显 ,一方面可能与植被覆盖度或崩塌、滑塌等重力
侵蚀因素有关 ,另一方面也可能与降雨类型有关。武春龙等用 REE 示踪法研究坡面土壤侵蚀
强度垂直分布时 ,发现暴雨条件下坡面产沙强度呈波动形 ,而黄土高原侵蚀产沙主要因暴雨所
致 ,因此 ,坡面出现波动性是必然的[7 ] 。
图 2 　短坡长农耕地坡面侵蚀强度分布图
Fig. 2 　Erosion intensity of the short farmland slopes
图 3 　沟坡侵蚀强度分布图
Fig. 3 　Erosion intensity of the gully slopes
　　支沟道侵蚀垂直分异 (图 4)则显示出沟道逐渐达到侵蚀基准面而表现出侵蚀强度越来越
弱。沟头的溯源侵蚀表现强烈 ,支沟道沟头每年的侵蚀量是 43450t/ km2 ,说明沟头的溯源侵
蚀非常大 ,如果加上重力侵蚀量 ,则沟头溯源区是侵蚀最强烈的地方 ,因而小流域治理的重要
073 核　农　学　报 13 卷
一步是降低溯源侵蚀的速度 ,最后消除溯源侵蚀。
复合坡面是一个由差异明显 ,由不同坡度、坡长段组合在一起形成的完整的长坡面。从图
5 可以看出 ,A、D、F 3 段坡坡度差不多 (10°～12°) ,坡长接近 (4～5m) ;而 B、E 两段坡坡度
也接近 (26°和25°) ; C段坡度最大 (30°) 。其整个坡面侵蚀强度分布如图6所示。从图6可以看
图 4 　支沟道侵蚀强度分布图
Fig. 4 　Erosion intensity of the gully base
图 5 　复合坡面侧断面示意图
Fig. 5 　Side profile of the compound slope
图 6 　复合坡在侵蚀强度分布图
Fig. 6 　Erosion intensity of the compound slope
出 ,从 A 段到 C 段侵蚀模数逐渐升高 ,说明随
坡长的增长、坡度的增大 ,水流从上之下越来越
大 ,侵蚀力加强 ;而 D 段坡坡度忽然变小 ,侵蚀
模数也突然变小 ,说明水流至此侵蚀力减弱 ,上
方来水携带的泥沙至此可能部分沉降。E 段坡
坡度的再次变大 ,使得上段坡的径流至此产生
更大的冲刷力 ,使 E 段坡侵蚀模数最大 ,侵蚀
最严重。F 段坡坡度的再次变小 ,径流泥沙携
带能力再次减弱 ,并可能再次沉降泥沙 ,结果使
F 段坡的侵蚀模数最低 ,达 1804t/ km2·a。从图 6 可以看出 ,A、D、F 3 段坡的坡长和坡度均相
差不多 ,但由于所处的部位不同 ,引起侵蚀模数越来越低 ;C 段坡坡度虽比 E 段坡坡度大 ,但由
于 E 段坡受上方来水多于 C 段 ,故侵蚀强度远大于 C 段坡。从整个坡面侵蚀模数变化看 ,复
合坡面的地形变化明显影响了侵蚀强度的分异 ,清楚地说明微地貌是影响侵蚀强度最主要的
因素。
5 　结 　论
通过对短坡长农耕地坡面、沟坡、沟道坡面及复合坡面表层土壤137Cs 含量的测定分析 ,研
究了这几种坡面土壤侵蚀空间分布特征 ,认为在所有的坡面上土壤侵蚀都表现为波动的趋势。
短坡长农耕地坡面中部侵蚀更为强烈 ,沟道侵蚀有向侵蚀基准面发展的趋势 ,而沟坡由于地表
覆盖等因素的影响 ,侵蚀特征表现复杂。在复合坡面上 ,在相同坡度的情况下 ,由于所处的部
位不同 ,侵蚀量相差极大。总体上认为 ,在长时间段内 ,影响侵蚀变化的最主要因素是微地貌
的变化。另外 ,在研究中发现 ,短坡长农耕地中部和支沟道沟头是侵蚀强烈的地方 ,对于短坡
长农耕地中部的有效治理及有效防止沟头的溯源侵蚀是减少泥沙量的重要途径。
173　6 期 137Cs 测定法研究不同坡面土壤侵蚀空间的分布特征
参 考 文 献
1 　Bulygin S Y , Mozheyko G A , Timichenko D O. Rate of erosion of the chernozems of the Donets Steppe. Eurasian Soil Science.
1993 ,25 :117～126
2 　Lance J C , Mclntyer S C , Naney J W , Rousseva S S. Measuring sediment movement at low erosion rates using caesium2137.
Soil Sci Sci Am J . 1986 ,50 :1303～1309
3 　Quine T A , Navas , Walling D E , Machin J . Soil erosion and redistribution on cultivated land near las bardenas in the central E2
bro River basin , Spain. Land Degradation & Rebabilitation , 1994 ,5 :41～55
4 　Yang Hao , Chang Qing , Du Mingyuan , Quantitative model estimation soil erosion rates by caesium2137 , Pedosphere , 8 :211～
220
5 　Walling D E , Quine T A. Calibration of caesium2137 measurements to provide quantitative erosion rate data. Land Degradation
& Rehabilitation , 1990 ,2 :161～175
6 　Lowance R , Mclntyre S , Lance C. Erosion and deposition in a field/ forest system estimated using caesium2137 activity. J Soil
Water Conservation. 1988 ,2 :195～198
7 　武春龙 ,刘普灵 ,等. 坡面土壤侵蚀垂直分布定量分析研究. 水土保持研究 ,1997 ,4 (2) :34～40
SOIL EROSION SPACIAL DISTRIBUTION PATTERNS OF DIFFERENT
SLOPES BY USING 137Cs TRACER
Yang Mingyi 　Tian J unliang 　Liu Puling
( Instit ute of Soil and W ater Conservation , Chinese Academy of Sciences and Minist ry of
W ater Resources , Yangling 　712100)
ABSTRACT
The soil erosion spacial patterns of several slopes were studied through measuring 137 Cs in
the top layer soil on the different slopes. The results show that all the soil erosion spacial distri2
bution patterns are in fluctuant trend. The soil erosion is more severe in the middle part on the
short farmland slope. The erosion pattern of the gully base show violent headward erosion. Be2
cause of the influence of vegetation cover and other factor , the erosion patterns on the gully
slopes are complex. The soil erosion differs obviously with the compound slopes of the same
slope gradient and slope length. In general , the main factor that influence soil erosion is the
change of the microlandform in a long period.
Key words :137Cs , slope , soil erosion , spacial dist ribution pattern
273 Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1999 ,13 (6) :368～372