全 文 ：核 农 学 报 2011，25(1):0115 ～ 0120
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
文章编号:1000-8551(2011)01-0115-06
利用淤地坝泥沙沉积旋廻反演小流域侵蚀历史
薛 凯1 杨明义1，2 张风宝1，2 孙喜军1
(1. 中国科学院水利部水土保持研究所 /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. 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)
摘 要:黄土高原丘陵沟壑区小流域广泛分布的淤地坝不仅是治理水土流失的重要工程措施，同时也成
为记录小流域侵蚀产沙历史变化过程的重要载体。本研究以陕西省绥德县王茂沟流域一级支沟———淤
积年限为 34 年(1957 － 1990)，淤积深度为 11. 325m 的闷葫芦坝为研究对象，根据坝地沉积剖面的物理
特征，发现该沉积剖面共有 75 个泥沙沉积旋廻，其中深度为 818. 5 ～ 903. 5cm 的沉降旋廻(第 67 个)137
Cs 含量最高，达 4. 90Bq /kg。根据 1957 － 1990 年间的降雨量资料和137 Cs 的时标特征，建立了淤地坝沉
积序列的时间坐标。在此基础上依据泥沙沉积量的累积曲线，将淤地坝运行期间小流域侵蚀历史划分
为 3 个时期:1957 － 1964 年的侵蚀剧烈期，年均侵蚀模数为 16578. 5t / km2;1965 － 1983 年侵蚀相对平缓
期，年均侵蚀模数为 6062. 9t / km2;1984 － 1990 年，侵蚀再次增大期，年均侵蚀模数为 19127. 5t / km2。
关键词:黄土高原丘陵区;淤积坝;
137 Cs;沉积旋廻;库容曲线
INVESTIGATING SOIL EROSION HISTORY OF A SMALL WATERSHED
USING SEDIMENT COUPLET IN A DAM
XUE Kai1 YANG Ming-yi1，2 ZHANG Feng-bao1，2 SUN Xi-jun1
(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau / Institute of Soil and Water Conservation，
Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi 712100;
2. Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100)
Abstract:In the Loess hilly-gully region，as the most important engineering measure for controlling soil and water losses，
check dams play an important role in recording the historical variation process of sedimentation in a small watershed. A
sediment deposit profile with a sediment history of 34a (1957 － 1990)and a vertical length of 11. 325m was collected in
a dam in Wangmaogou watershed in Suide County in Shaanxi Province. Based on the physics characters of the sediment
profile，75 sediment couplets were found. The peak of 137 Cs content was 4. 90Bq /kg in 818. 5 ～ 903. 5cm couplet.
Based on the daily precipitation during 1957 － 1990 from the local station and the time scale character，time coordinate
of the Check Dam was established. Based on the accumulated sediment yield，the running history of the Check Dam
could be divided into three stages:The soil erosion was strong in the initial stage of the dam construction from 1957 to
1964 with the annual mean erosion modules of 16578. 5t / km2，then the soil erosion changed smoothly from 1965 to 1983
with 6062. 9t / km2，and it turned into strong again from 1984 to 1990 with 19127. 5t / km2.
Key words:Loess hilly-gully region;check dam;137 Cs;sediment couplet;reservoir-capacity-curve relative
收稿日期:2010-09-01 接受日期:2010-12-05
基金项目:教育部“新世纪优秀人才”支持计划，国家自然科学基金(41071194)
作者简介:薛 凯(1986-)，男，山东临沂人，在读硕士，主要从事土壤侵蚀研究的新技术新方法研究。E-mail:xuekaicg@ 126. com
通讯作者:杨明义(1970-)男，山东莱州人，博士，研究员，主要从事土壤侵蚀核示踪技术研究。E-mail:ymyzly@ 163. com
黄土高原是我国土壤侵蚀最为严重的地区，严重 的水土流失不仅给该地区自然环境、经济和社会发展
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核 农 学 报 25 卷
带来极大危害，也给黄河中下游人民群众的生命财产
安全带来极大威胁。因此，对黄土高原土壤侵蚀的治
理迫在眉睫。淤地坝是黄土高原人民群众在长期治理
土壤侵蚀过程中创造出的一种工程措施［1］。淤积坝
不仅能防止土壤侵蚀所产生的水土流失，还能形成坝
地，供人们利用水土资源［2 ～ 5］。
自 20 世纪 50 年代以来，黄土高原已建成近 11 万
余座淤地坝。淤地坝可以看作小流域的“沉沙池”，坝
地内的沉积泥沙往往较好地记录了淤地坝运行期间流
域的历次侵蚀产沙事件。因此，淤地坝赋存的大量环
境演化信息，是反演小流域侵蚀产沙过程的主要依据。
根据淤地坝所记录的环境演化信息，利用该流域日降
雨量资料，结合137 Cs 示踪技术可以较为准确地破译淤
地坝坝库沉积的产沙记录。
放射性核素137 Cs 源于 20 世纪 50 － 70 年代核试
验所产生的人工放射性核素，其半衰期为 30. 17a。
1963 年沉降量最大，1970 年以后沉降量极微［6 ～ 10］。
由于切尔诺贝利核事故［11］，导致北半球在 1986 年又
出现一个沉降高峰期。137 Cs 主要随雨雪降落到地表，
很少部分以干沉降降落。降落到地表的137 Cs 和土壤
颗粒中的黏粒及有机质相结合，随土壤颗粒的移动而
发生再分布，难以被水淋溶，被动植物吸收的量也极
少，因此，137 Cs 是研究土壤侵蚀泥沙来源及泥沙沉积
断代的良好示踪剂。应用137 Cs 研究土壤侵蚀及泥沙
来源比较多。如杨明义［12］、冯明义［13］、张信宝［14］、
Walling D E［15］等都进行了相关的研究。但是目前利
用137 Cs 进行沉积泥沙断代研究的很少。李勉等［16］利
用137 Cs 示踪断代技术对王茂沟中的关帝沟 3 号坝 31
沉积旋廻进行断代，确定了淤积层和降雨侵蚀事件的
关系。张信宝等［17］利用137 Cs 示踪断代技术，结合降雨
资料对云台山沟 1 号坝 1960 － 1970 年断代，确定了不
同淤积层对应的侵蚀产沙事件，并分析了年淤积量与
降雨量的关系。文安邦等［18］在三峡地区侵蚀泥沙
的137 Cs 法研究中，利用137 Cs 进行了滩地淤积泥沙断代
和唐库淤积泥沙断代，并计算了它们的侵蚀产沙速率。
本研究利用王茂沟流域降雨资料，结合137 Cs 示踪
断代技术，对该流域内闷葫芦坝垂直剖面 1957 － 1990
年 75 层沉积旋廻进行断代。然后根据库容曲线、容重
模拟曲线和实测各沉积旋廻厚度计算各沉积旋廻层泥
沙沉积量，依据累积泥沙沉积量反演小流域侵蚀历史。
1 研究区概况
王茂沟位于陕西省绥德县韭园沟乡，是黄河中游
黄土丘陵区具有典型代表性的一条流域，位于东经
110°20′26″ ～ 110°22′46″，北纬 37°34′13″ ～ 37°36′03″。
王茂沟是无定河的一条二级支沟，流域面积为
5. 967km2，形状近似半圆形，平均宽 1. 456km，海拔
940 ～ 1188m，主沟长 3. 75km，沟底平均比降为 2. 7%，
沟壑密度为 5. 63km /km2，沟壑面积占流域面积的
40. 6%。该流域地表覆盖物，上部为马兰黄土，厚 5 ～
20m，抗蚀能力差，下部为离石黄土，再下为基岩。整
体上该流域具有地形破碎、地貌类型复杂等特点。
王茂沟流域属大陆性季风气候，多年平均降雨量
为 513mm。其中汛期为 6 ～ 9 月份，占年降雨量的
70%以上，且多以暴雨的形式出现。经研究表明王茂
沟流域汛期一次暴雨的产沙量可达到全年总产沙量的
60%以上［19，20］。水力侵蚀和重力侵蚀是该流域的主
要侵蚀方式。
野外取样点闷葫芦坝位于王茂沟的一条一级支沟
所控制的小流域闷葫芦坝，该坝修建于 1956 － 1957
年，1991 年淤平，淤地面积约 6000m2。该坝控制面积
0. 181km2，运行期间曾多次被加高。
图 1 研究区地理位置图
Fig. 1 Location of study area
2 研究方法
2. 1 样品采集及其处理
2009 年 9 月，在於地内距坝体 30m 处挖一个垂直
深度为 11. 325 米的剖面。剖面土壤样品按沉积旋廻
由下而上逐层采集，较厚土层根据实际厚度适当分层。
在采集过程中精确测量每个沉积旋廻层的厚度，并随
机选择 10 个旋廻用环刀取土测其容重。
所有样品经风干、研磨、过 1mm 筛，剔除杂草和石
块等，称重。
2. 2 样品137Cs 含量测定
将处理好的土样放入直径为 77mm、高 77mm 的圆
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1 期 利用淤地坝泥沙沉积旋廻反演小流域侵蚀历史
柱形标准样品盒中，每个标准盒中样品量不低于
300g。用 ORTEC 公司生产的 8192 道低本底 γ 能谱仪
进行测定，每一样品测量时间≥28800s。在 661. 6KeV
处测定137 Cs 全峰面积，根据137 Cs 标准源得到能谱仪探
测效率，利用净峰面积得到测量样品137 Cs 的实际活
度。
2. 3 沉积旋廻土壤容重测定
利用如下公式计算沉积旋廻土壤容重大小。
ρb =
m
V(1 + θm)
(1)
式中，ρb 为土壤容重(g / cm
3);m 为环刀内湿土质
量(g);V 为环刀体积(cm3)，一般为 100 cm3;θm 为样
品质量含水量(%)。
图 2 闷葫芦於积坝各沉积旋廻137 Cs 活度
Fig. 2 137 Cs contents of each sediment couplet of Cheek Dam
2. 4 数据处理与分析
2. 4. 1 坝地库容曲线确定 根据淤地坝实测高程和各
沉积旋廻厚度，利用 ARCGIS 软件中 3D Analyst tools 模
块下的 surface volume 命令，可得到不同高程处坝地库
容，以及在 surface area 命令下得到不同高程处对应的
坝地面积，然后模拟坝地随高程变化的累积库容曲线。
2. 4. 2 坝地沉积旋廻层容重模拟曲线 测定在坝地
剖面采样过程中随机选取的 10 个沉积旋廻层的土壤
容重。根据土壤容重实测值，模拟随深度变化的淤积
坝土壤容重曲线。
2. 4. 3 淤地坝沉积旋廻层泥沙沉积量计算 根据库
容曲线、土壤容重模拟曲线及各沉积旋廻层实测厚度，
利用如下公式计算各沉积旋廻层泥沙沉积量及坝库沉
积泥沙总量:
Mi = Vi × ρ i i = 1，2，…75 (2)
M = ∑
75
i = 1
Mi (3)
式中，Vi为第 i 沉积旋廻体积(m
3);ρ i为第 i 沉积
旋廻容重(g / cm3 或 t /m3);Mi 为第 i 沉积旋廻泥沙沉
积量(t);M 为坝库拦蓄泥沙总量(t)。
3 结果、分析与讨论
3. 1 淤积坝垂直剖面沉积旋廻断代
3. 1. 1 淤地坝各沉积旋廻137 Cs 含量分布特征 泥沙沉
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核 农 学 报 25 卷
积过程的分选作用，导致粗颗粒泥沙先沉积，细颗粒泥
沙后沉积，由此形成一个粗颗粒泥沙在下，粉沙居中，黏
粒在上的颜色具有明显差异的沉积旋廻层。据此，将闷
葫芦淤积坝沉积泥沙逐层划分为 75 沉积旋廻层。
该坝各沉积旋廻137 Cs 含量如图 2 所示。可以看
出各沉积旋廻137 Cs 含量差异非常明显。第 67 旋廻
137 Cs含量最高，为 4. 90Bq /kg。主要原因是上世纪 50
－ 70 年代的大气核爆炸产生大量的放射性核尘埃，在
1963 年达到全球沉降高峰期。深度为 1128. 5 ～
1132. 5cm(底部旋廻)和 25 ～ 26. 5cm(顶部旋廻)137 Cs
含量分别为 0. 56 和 0. 35Bq /kg，0 ～ 25cm(耕作层)
137 Cs含量为 0. 15Bq /kg。
3. 1. 2 淤地坝各沉积旋廻厚度、时间标定 根据王茂
沟流域 1957 － 1990 日降雨过程资料，结合各沉积层
137 Cs含量及厚度确定各沉积旋廻所对应的沉积时间，
结果如图 3 所示。
从图 3 可以看出 1957 － 1990 年间共沉积 75 层，
坝地每年沉积层数不一，平均每年可沉积 2. 2 层。各
沉积旋廻厚度差异较大，变化范围在几厘米到数米之
间。其中第 65(1964)、68(1962)和 67(1963)沉积旋
廻最厚，其厚度分别为 122、105 和 85cm。这 3 层较厚
的原因一方面可能与上世纪 60 年代初是历史上的丰
水年有关，另一方面也与当时的水土流失治理面积较
少有关。
图 3 闷葫芦於积坝各沉积旋廻厚度及时间
Fig. 3 The thickness and time of each sediment couplet of Cheek Dam
3. 2 流域侵蚀历史演变过程
3. 2. 1 淤地坝泥沙沉积量 根据库容曲线(图 4)和
土壤容重模拟曲线(图 5)，利用公式(2)、(3)计算得
到淤积坝各沉积旋廻层泥沙沉积量(表 1)。
3. 2. 2 侵蚀历史演变过程 将各沉积旋廻层泥沙量
及各次降雨量累加，得到累积泥沙沉积量和累积降雨
量关系曲线，结果如图 6 所示。从图 6 可以看出，累积
泥沙沉积量曲线呈阶段性变化，而累积降雨量曲线几
乎没有变化。说明降雨不是影响该流域土壤侵蚀的主
要因素。根据累积泥沙沉积量，可以将淤积坝运行期
间小流域侵蚀历史(1957 － 1990)划分为 3 个阶段:
1957 － 1963 年土壤侵蚀剧烈阶段;1964 － 1983 年土壤
侵蚀趋于缓和阶段;1984 － 1990 年土壤侵蚀又呈现增
大趋势阶段。
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1 期 利用淤地坝泥沙沉积旋廻反演小流域侵蚀历史
表 1 各沉积旋廻淤积量
Table 1 Sediment yields of each couplet
沉积旋回
sediment
couplet
深度
depth(cm)
沉积量
sediment
yield(t)
沉积旋回
sediment
couplet
深度
depth(cm)
沉积量
sediment
yield(t)
沉积旋回
sediment
couplet
深度
depth(cm)
沉积量
sediment
yield(t)
耕作层
cultivated floor
0 － 25 1691. 22 27 351. 5 － 353. 5 143. 97 53 538. 5 － 572. 5 2181. 22
1 25 － 26. 5 101. 09 28 353. 5 － 356 179. 78 54 572. 5 － 590. 5 1134. 33
2 26. 5 － 28 101. 70 29 356 － 371 1074. 34 55 590. 5 － 599. 5 561. 78
3 28 － 30 136. 47 30 371 － 375 285. 21 56 599. 5 － 604. 5 310. 54
4 30 － 47 1192. 64 31 375 － 394 1347. 22 57 604. 5 － 611. 5 432. 87
5 47 － 49. 5 178. 93 32 394 － 400 422. 79 58 611. 5 － 616. 5 307. 84
6 49. 5 － 62. 5 941. 76 33 400 － 409 631. 76 59 616. 5 － 617. 5 61. 43
7 62. 5 － 67. 5 366. 24 34 409 － 411 139. 99 60 617. 5 － 622. 5 306. 49
8 67. 5 － 88. 5 1556. 65 35 411 － 413. 5 174. 78 61 622. 5 － 631. 5 548. 82
9 88. 5 － 89. 5 74. 68 36 413. 5 － 422. 5 627. 32 62 631. 5 － 640. 5 545. 12
10 89. 5 － 105. 5 1200. 15 37 422. 5 － 430. 5 555. 09 63 640. 5 － 659. 5 1138. 60
11 105. 5 － 109. 5 301. 26 38 430. 5 － 442. 5 828. 10 64 659. 5 － 686. 5 1589. 18
12 109. 5 － 120. 5 830. 45 39 442. 5 － 459. 5 1163. 68 65 686. 5 － 808. 5 6748. 09
13 120. 5 － 133. 5 984. 17 40 459. 5 － 463. 5 272. 17 66 808. 5 － 818. 5 520. 71
14 133. 5 － 136. 5 227. 40 41 463. 5 － 474. 5 745. 20 67 818. 5 － 903. 5 4223. 58
15 136. 5 － 138 113. 73 42 474. 5 － 478. 5 269. 79 68 903. 5 － 10085 4705. 56
16 138 － 140 151. 67 43 478. 5 － 494. 5 1072. 71 69 1008. 5 － 1015. 5 293. 17
17 140 － 144 303. 43 44 494. 5 － 496. 5 133. 36 70 1015. 5 － 1060. 5 1822. 73
18 144 － 149 379. 42 45 496. 5 － 506. 5 664. 32 71 1060. 5 － 1095. 5 1343. 03
19 149 － 163 1062. 73 46 506. 5 － 515. 5 594. 36 72 1095. 5 － 1112. 5 628. 59
20 163 － 183 1517. 50 47 515. 5 － 521. 5 394. 36 73 1112. 5 － 1124. 5 434. 33
21 183 － 189. 5 492. 61 48 521. 5 － 524. 5 196. 62 74 1124. 5 － 1128. 5 143. 05
22 189. 5 － 219. 5 2267. 68 49 524. 5 － 527. 5 196. 24 75 1128. 5 － 1132. 5 142. 18
23 219. 5 － 253. 5 2552. 46 50 527. 5 － 529. 5 130. 61
24 253. 5 － 308. 5 4074. 05 51 529. 5 － 534. 5 325. 79
25 308. 5 － 321. 5 950. 86 52 534. 5 － 538. 5 259. 87
图 4 淤地坝库容曲线
Fig. 4 Reservoir-capacity-curve of Check Dam
分析认为，第一阶段土壤侵蚀剧烈的原因主要是
当时水土流失治理面积较少，且降雨量相对集中所致;
第二阶段土壤侵蚀趋于缓和，主要原因是 20 世纪 60
年代后期该流域开始了较大规模的坡面治理，林草地
和水平梯田的面积都显著增加，坡耕地面积逐渐减少，
加上沟谷坡下部被淤地坝沉积泥沙覆盖，对沟谷坡的
稳定起到了加强和巩固作用，在一定程度上减轻甚至
图 5 土壤容重模拟曲线
Fig. 5 The simulation curve of bulk density
遏制了沟谷坡下部侵蚀的发生;第三阶段土壤侵蚀又
呈增大趋势，原因是 1983 年国家实行农村承包责任
制，这一措施带动了陕北劳动人民的积极性，结果导致
大量荒草地等被开荒成农田，加重了水土流失。1957
－ 1990 年年降雨量变化很小，而土壤侵蚀却呈现明显
的阶段性历史变化过程，说明在年降雨量没有明显变
化的情况下，人类活动是该时期小流域侵蚀产沙的主
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图 6 累积泥沙沉积量和累积降雨量关系曲线
Fig. 6 The curves of accumulative sediment
yield and accumulative precipitation
要影响因素。
4 结论
黄土高原广泛分布的淤地坝中沉积泥沙旋廻是记
录流域侵蚀产沙历史的载体，本文通过典型淤地坝泥
沙沉积旋廻样品采集和137 Cs 含量分析，以研究区降雨
资料为依据，结合137 Cs 示踪的时标功能，建立了所选
淤地坝运行期间(1957 － 1990 年)沉积旋廻序列的时
间坐标，并以此为基础，根据淤地坝运行期间年沉积泥
沙累积曲线，将该坝运行期内小流域侵蚀历史划分为
3 个阶段:即 1957 － 1963 年的剧烈侵蚀阶段，年均侵
蚀模数为 16578. 5t / km2;1964 － 1983 年侵蚀强度相对
平缓阶段年均侵蚀模数为 6062. 9t / km2 和 1984 － 1990
年侵蚀强度再次呈现增大趋势阶段，年均侵蚀模数为
19127. 5t / km2。与相对应降雨资料进行对比分析，发
现人类活动是 1957 － 1990 年该流域土壤侵蚀强度呈
现阶段性变化的主要影响因素。
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(责任编辑 邱爱枝)
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